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Die
Erfindung betrifft eine Radaufhängung zur Wankregelung
für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Radaufhängungseinrichtung
für jeweils zwei sich gegenüberliegende Räder,
die durch einen geteilten Stabilisator mit einem eingebauten Aktuator,
zur Verdrehung der beiden Stabilisatorteile gegeneinander, verbunden
sind, wobei jedes der Stabilisatorteile mit mindestens einer Befestigungseinrichtung
an einem gefederten Teil des Kraftfahrzeugs drehbeweglich angebracht
ist, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
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Es
ist bereits ein aktiver Stabilisator für ein Kraftfahrzeug
bekannt, der zwei Räder einer Fahrzeugachslinie koppelt
und der aus einem dem einen Rad zugeordneten ersten Stabilisatorteil
und aus einem dem anderen Rad zugeordneten zweiten Stabilisatorteil,
sowie aus einem die Stabilisatorteile koppelnden Aktuator besteht.
Der Aktuator steuert die Seitenneigung des Kraftfahrzeugs durch
Verspannen der Stabilisatorteile gegeneinander. Jedes Stabilisatorteil
erstreckt sich von einem dem Aktuator zugeordneten Anschluss zu einem
dem Rad zugeordneten Anschluss. Einen solchen Stabilisator beschreibt
die
DE 199 30 444
C2 . Zur Wankregelung benötigt dieser aktive Stabilisator
einen hohen Energieeinsatz.
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Wichtige
Abstimmparameter eines Systems aus aktivem Stabilisator aus zwei
Stabilisatorhälften, verbunden über einen elektromechanischen
Aktuator, mindestens bestehend aus einem Elektromotor, einem Getriebe
und einem Gehäuse, sind die Systemsteifigkeit gegenüber
des Verdrehens des Aktuators und die Getriebeübersetzung.
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Einerseits
ermöglicht eine kleinere Getriebeübersetzung,
ausgehend von der gleichen Maximaldrehzahl, eine schnellere Führungsdynamik,
also bessere aktive Störgrößenregelung,
sie behindert aber das Aufbauen von höheren Momenten, weil
man für diese dann aufgrund der längeren Betriebszeit
des Elektromotors entsprechend viel Energie aufbringen muss. Oder
wenn die gleiche Stellzeit festgelegt ist, eine höhere
Drehzahl und entsprechend mehr Energie. Andererseits ermöglicht
eine große Getriebeübersetzung das Aufbauen von
großen Stabilisierungsmomenten mit begrenzter Energieaufnahme,
bietet aber dafür weniger Führungsdynamik und
unterstützt so die aktive Störübertragung
weniger. Die
DE 100
01 087 A1 schlägt dafür einen Kompromiss
vor unter Verwendung eines nicht linearen Getriebes. Nachteilig
wirken sich hier ein großer Bauraum und mögliche
Instabilität aus. Diese Instabilität äußert
sich bei höheren Drehmomenten und beim Auftreten einer
externen Störung die den Aktuator mit einem bestimmten
Winkel zurückdreht. Hierbei verringert sich die Getriebeübersetzung
und der Aktuator kann der momentanen Belastung nicht mehr standhalten.
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Eine
andere Möglichkeit Energie zu sparen ist die Benutzung
einer Bremse im Betrieb, wie in
DE 198 46 275 A1 vorgeschlagen. Ab einer
bestimmten Querbeschleunigung könnte man die Bremse einsetzen
und die aktive Regelung ausschalten. Damit vermeidet man einen hohen
Energiebedarf bei hohen Stellmomenten. Als Nachteil treten aber
beim Einschalten der Bremse Unstetigkeiten in der Regelung auf.
Diese werden vom Fahrer als störend empfunden. Ein weiterer
Nachteil ist zusätzlicher Bauraumbedarf.
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Um
die elektrischen Stellströme zu minimieren kann man weiterhin
einen mechanischen Speicher, wie in
WO 2004/041560 A2 , benutzen.
Hierbei bekommt der Elektromotor von einer vorgespannten Feder über eine
frei auszulegende Kurvenbahn ein unterstützendes Moment
und entsprechend Energie. Die Kurvenbahn wird über die
Aktuatorverdrehung typisch nicht linear gestaltet, was entsprechend
die Führungsdynamik unterstützt. Ein Nachteil
ist der zusätzlich benötigte Bauraum. Dazu erhöht
sich die Komplexität des Systems und der mechanische Speicher
ist in stromlosem Zustand grundsätzlich instabil und tendiert
zu einem ungewünschten Verspannen der Stabilisatorhälften.
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Ein
weiterer, wichtiger Abstimmparameter ist die Systemsteifigkeit gegenüber
dem Verdrehen des Aktuators und dem Aufbauen eines stabilisierenden
Wankmomentes.
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Eine
große Systemsteifigkeit ermöglicht einen schnellen
Aufbau des Aktuatormoments bei geringer Aktuatorverdrehung, was
weniger Energie benötigt. Bei Störungen, die über
dem aktiven Stellbereich des Aktuators liegen, führt die
große Systemsteifigkeit jedoch zu Wankkopieren, was den
Komfort sehr beeinträchtigt. Weiterhin baut sich bei höherer
Systemsteifigkeit das Wankmoment, zum Beispiel im Fehlerfall beim
Wegfall des Stellstroms, auch viel schneller ab, was zu einem für
den Fahrer überraschenden Wankrück führen
kann.
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Umgekehrt
führt eine geringe Systemsteifigkeit gegenüber
dem Verdrehen des Aktuators zu besserem passiven Komfort. Innerhalb
des Regelbereichs der aktiven Störgrößenregelung
verschlechtert sich jedoch die Führungsdynamik. Der Aktuator
muss sich über einen größeren Winkel
verdrehen, um ein gleich großes Drehmoment aufzubauen.
Hierzu braucht der Aktuator dann auch viel mehr Energie um die gleiche
Dynamik zu realisieren. Weiterhin ist noch zu erwähnen,
dass die Systemsteifigkeit bisher hauptsächlich über
die Drehsteifigkeit der Stabilisatorhälften realisiert
wird. Diese besteht einerseits aus einer Drehstabfeder, die auf
Torsion belastet wird und andererseits aus einem Schenkel, der auf
Biegung belastet wird. Aus Gründen der Betriebsfestigkeit
wird, abhängig von der geometrischen Ausführung,
eine minimal erforderliche Stabilisatorsteifigkeit realisiert. Ideen
zur Verringerung der Stabilisatorsteifigkeit bestanden bisher in
einer möglichen Verlängerung der Drehstabfeder.
In
DE 102 33 499 A1 wird
dazu der Elektromotor aus der Stabilisatorachse achsparallel zur
Stabilisatorhälfte angebaut. Die Nachteile sind hierbei
der Bauraumbedarf und die Komplexität der Konstruktion. In
EP 1 491 371 A1 werden
die Stabilisatorhälften so weit wie möglich in
den Aktuator hineingebaut. Dieses ist möglich bei der Verwendung
eines Hohlmotors.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, bei der aktiven Wankstabilisierung über
einen elektrischen Aktuator, der zwischen zwei Stabilisatorteile
eingebunden ist und diese mit einem bestimmten Drehmoment gegeneinander vorspannt
und damit ein stabilisierendes Moment auf den unter Einfluss von
Querbeschleunigung einwankenden Aufbau aufbringt, einen guten Kompromiss
zwischen Führungsverhalten, Störverhalten und
Energieverbrauch des Aktuators zu erreichen.
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Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nach
der Erfindung ist ein Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug, mit
mindestens einer Radaufhängungseinrichtung für
jeweils zwei sich gegenüberliegende Räder, die
durch einen geteilten Stabilisator mit einem eingebauten elektromechanischen
Aktuator, zur Verdrehung der beiden Stabilisatorteile gegeneinander,
verbunden sind, wobei jedes der Stabilisatorteile mit mindestens
einer Befestigungseinrichtung an einem gefederten Teil des Kraftfahrzeugs
drehbeweglich angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungseinrichtung für
mindestens eines der beiden Stabilisatorteile eine progressiv ansteigende
Federkennlinie besitzt.
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Durch
die Befestigungseinrichtungen mit progressiven Federkennlinien ist
der aktive Stabilisator zusammen mit seiner Aufhängung
optimiert zur Bildung eines vorteilhaften Kompromisses zwischen
Führungsverhalten, Störverhalten und Energieverbrauch
der Radaufhängungseinrichtung. Da man aufgrund der Betriebsfestigkeit
mit der Steifigkeit der Stabilisatorhälften nicht unter
einen bestimmten Wert kommen kann, ist eine Verringerung der Gesamtsteifigkeit
durch ein anfänglich weicher federndes Stabilisatorlager
sehr vorteilhaft. Die Gesamtsteifigkeit setzt sich hier zusammen
aus der Steifigkeit der Stabilisatorhälften und der radialen Stabilisatorlagersteifigkeit,
in Reihe geschaltet, wobei sich die Steifigkeit der Stabilisatorhälften
aus der Torsionssteifigkeit der Drehstabfedern und der Biegesteifigkeit
der Schenkel, jeweils der Verbindung zwischen Drehstabfeder und
Pendelstütze, ergibt.
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Einen ähnlichen
Effekt von variabler Systemsteifigkeit kann man auch realisieren
indem man progressiv elastische Pendelstützen im System
einbaut. Diese können sowohl mit progressiv weicheren Stabilisatorlagern
oder mit linear elastischen Stabilisatorlagern nach dem Stand der
Technik kombiniert werden. Eine progressiv elastische Pendelstütze
zur Verbindung eines Stabilisatorteils mit dem Fahrwerk kann auch
verwirklicht werden, indem man deren Anbindung über entsprechend
gestaltete Gummilager realisiert.
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Deshalb
ist nach der Erfindung ein Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug,
mit mindestens einer Radaufhängungseinrichtung für
jeweils zwei sich gegenüberliegende Räder, die
durch einen geteilten Stabilisator mit einem eingebauten elektromechanischen
Aktuator, zur Verdrehung der beiden Stabilisatorteile gegeneinander, verbunden
sind, wobei jedes der Stabilisatorteile mit mindestens einer Pendelstütze
an einem nicht gefederten Teil des Kraftfahrzeugs angebracht ist,
auch dadurch gekennzeichnet, dass die Pendelstütze und/oder
eine Befestigungseinrichtung der Pendelstütze für
mindestens eines der beiden Stabilisatorteile eine progressiv ansteigende
Federkennlinie besitzt.
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Eine
bevorzugte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Aktuator mindestens aus einem Elektromotor, einem Getriebe
und einem Gehäuse besteht, wobei das Gehäuse mit
dem einen Stabilisatorteil und eine Getriebeausgangswelle mit dem
anderen Stabilisatorteil zur Drehmomentübertragung verbunden
ist. Die Verwendung eines Elektromotors hat den Vorteil, dass mindestens
ein Stabilisatorteil zentrisch in der Mitte des Aktuators durch
diesen hindurch geführt werden kann. Durch die Integration
des Aktuators um das Stabilisatorteil herum, kann die Baulänge
optimiert werden und damit die Drehfederelastizität einen
ausreichenden Wert annehmen ohne mit der Baulänge in Konflikt
zu geraten.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist wird durch
eine Hintereinanderschaltung der im wesentlichen linear ansteigenden
Federkennlinien der Stabilisatorteile mit den progressiv ansteigenden
Federkennlinien der Befestigungseinrichtungen eine solche Gesamtfederkennlinie
erzeugt, dass für kleine Momenten-Schwingungsamplituden
eine bedeutend geringere Gesamtsteifigkeit erreicht wird als die
Steifigkeit der Stabilisatorteile alleine und dass sich für
große Momenten-Schwingungsamplituden die Gesamtsteifigkeit
an die Steifigkeit der Stabilisatorteile annähert.
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Das
hat den Vorteil, dass durch die relativ weiche Auslegung für
kleine Amplituden ein besserer Komfort im nicht geregelten, hochfrequenten
Bereich erzeugt wird und dass die härtere Auslegung für
größere Amplituden den benötigten Aktuatorverdrehwinkel
verringert. Dadurch werden auch die Stellströme für
höhere Drehmomente entsprechend verringert.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet,
dass die progressiv ansteigende Federkennlinie jeder Befestigungseinrichtung
durch ein Stabilisatorlager und/oder ein Pendelstützenlager
aus gummielastischem Werkstoff, insbesondere aus Gummi, zustande
kommt, das in Belastungsrichtung weicher ausgebildet ist als senkrecht
zur Belastungsrichtung.
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Dies
kann vorteilhaft durch verschiedene Maßnahmen verwirklicht
sein, zum Beispiel dadurch, dass die Weichheit des Stabilisatorlagers
und/oder des Pendelstützenlagers in Belastungsrichtung
durch Materialausnehmungen innerhalb oder im Randbereich des Stabilisatorlagers
und/oder des Pendelstützenlagers erzeugt wird. Oder dadurch,
dass die Weichheit des Stabilisatorlagers und/oder des Pendelstützenlagers
in Belastungsrichtung durch Einlagen aus weicherem Material innerhalb
oder im Randbereich des Stabilisatorlagers und/oder des Pendelstützenlagers
erzeugt wird.
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Außerdem
ist es möglich, dass die Weichheit des Stabilisatorlagers
und/oder des Pendelstützenlagers in Belastungsrichtung
durch Einlagen aus härterem Material senkrecht zur Belastungsrichtung
innerhalb oder im Randbereich des Stabilisatorlagers und/oder des
Pendelstützenlagers erzeugt wird, oder die Weichheit des Stabilisatorlagers
und/oder des Pendelstützenlagers in Belastungsrichtung
wird durch Kombination mehrerer in den vorhergehenden Ansprüchen
beschriebener Merkmale erzeugt.
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Vorteilhafterweise
kann auch bei den Stabilisatorlagern und/oder den Pendelstützenlagern
auf einfache Weise unter Einbezug von eventuell speziellen geometrischen
Formen eine progressiv ansteigende Federkennlinie erzielt werden.
Dabei ist die Dicke der Gummischicht wichtig zur Auslegung der nicht
linearen Kennlinie. Je dünner die Gummischicht desto schneller
steigert das Lager seine Steifigkeit.
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Neben
der Dicke einer Gummischicht können zur Erzielung einer
nicht linearen Federkennlinie auch weitere geometrische Eigenschaften
verwendet werden. Zum Beispiel ist ein Einbringen von Hohlräumen
im Gummi in Belastungsrichtung möglich. Beim Belasten eines
solchen Gummilagers verhält sich dieses ziemlich weich
bis die Hohlräume komplett platt gedrückt sind.
Danach verhält sich das Gummilager entsprechend steifer.
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Um
beim Wanken für beide Seiten ein symmetrisches Verhalten
gewährleisten zu können, ist es nicht notwendig,
die gleichen Aussparungen auf beiden Seiten der Stabilisatorhälften
in dem Gummilager vorzusehen, da der Stabilisator beim Aufspannen
durch den Aktuator die zwei Stabilisatorlager mit gleicher Amplitude aber
mit gegensinnigem Vorzeichen belastet. Die Belastungsrichtung liegt
bei Stabilisatoren vertikal.
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Durch
Anbringen mehrerer Aussparungen mit ungleicher Größe
kann man ein stufenweises Ausschalten der Aussparungen beim Erhöhen
der Belastung erreichen. Hierdurch wird die Steifigkeit stufenweise
erhöht, da die verschiedenen Aussparungen bei unterschiedlichen
Belastungen platt gedrückt werden.
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Die
Aussparungen können sowohl in der Mitte der Gummischicht
als auch an deren Rändern angebracht werden. Die geometrische
Gestaltung kann verschiedene Formen annehmen, zum Beispiel (Löcher, Schlitze
oder Zähne.
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Diese
Aussparungen kann man auch miteinander kombinieren.
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Alternativ
oder zusätzlich können auch unterschiedlich elastische
Werkstoffe für bestimmte Bereiche des Stabilisatorlagers
und/oder des Pendelstützenlagers verwendet werden, zum
Beispiel Gummischichten mit unterschiedlichen Härten. In
Analogie wird die Steifigkeit bestimmt von der weichsten Schicht.
Wird diese weichste Schicht komplett zusammengedrückt,
dann bestimmt die zweitweichste Schicht die Steifigkeit und so weiter.
So kann die Steifigkeit auch graduell zunehmen.
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Vier
verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreibt
die nachfolgende Beschreibung mit der zugehörigen Zeichnung.
Es zeigen:
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1:
einen schematisch dargestellten aktiven Stabilisator eines Kraftfahrzeugs
nach der Erfindung in zwei verschiedenen Belastungsfällen
und
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2 bis 5:
vier verschiedene Ausführungsformen von Stabilisatorlagern
für ein Fahrwerk mit einem aktiven Stabilisator gemäß der
Erfindung.
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Die 1 zeigt
schematisch Teile einer Radaufhängungseinrichtung für
jeweils zwei sich gegenüberliegende, nicht gezeichnete
Räder eines nicht gezeichneten Kraftfahrzeugs, die durch
einen geteilten Stabilisator mit einem eingebauten elektromechanischen
Aktuator 1, zur Verdrehung der beiden Stabilisatorteile 2, 3 gegeneinander,
verbunden sind. Jedes der Stabilisatorteile 2, 3 ist
mit einer Befestigungseinrichtung 4, 5 an einem
nicht gezeichneten, gefederten Teil des Kraftfahrzeugs, zum (Beispiel
an einer Karosserie, drehbeweglich angebracht. Die beiden Stabilisatorteile 2, 3 sind
in der Ausführung nach 1 über
Pendelstützen 6, 7 mit den die Räder
führenden, nicht gezeichneten Fahrwerksteilen verbunden.
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Die
Steifigkeit gegenüber der Verdrehung des Aktuators
1 ist
eine Beziehung zwischen dem Aktuatorverdrehwinkel Θ und
dem erzeugten Stabilisatormoment M:
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Wobei
- kStabi (Nm/rad)
- Verdrehsteifigkeit
der Stabilisatorteile 2, 3
- I1 (m)
- Abstand zwischen beiden
Stabilisatorlagern der Befestigungseinrichtungen 4, 5
- I2 (m)
- Abstand zwischen beiden
Stabilisatoraugen (Anbindung an die Pendelstützen 6, 7)
- Is (m)
- Länge der
Stabilisatorschenkel
- zs (m)
(radiale)
- Eindrückung
der Stabilisatorlager
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Die
radiale Eindrückung z
s des Stabilisators
ist in der konventionellen Auslegung linear zu dem Stabilisatormoment
M wie:
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Wobei
- kLager (N/m)
- Radiale Steifigkeit
des Stabilisatorlagers
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Beim
Zusammenführen der Gleichungen (1) und (2) kann man also
einen Wert der Gesamtsteifigkeit der Elemente Stabilisatorteile
2,
3 und
-Lager berechnen:
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Da
die Steifigkeit vom Stabilisatorlager im Vergleich zu der Stabilisatorsteifigkeit
meistens viel größer ist, kann man die Stabilisatorlager
in der Reihenschaltung vernachlässigen und die Gesamtsteifigkeit
gleicht damit der Stabilisatorsteifigkeit kStabi.
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In
dieser Erfindung wird die Beziehung zwischen der radialen Eindrückung
zs und dem realisierten Stabilisatormoment
M gewollt nicht linear gestaltet, wobei die Stabilisatorlager so
ausgelegt werden, dass für diese in Reihenschaltung mit
den Stabilisatorteilen 2, 3 für kleinere
Amplituden eine geringe Steifigkeit und für größere
Amplituden eine höhere Steifigkeit erreicht wird. Das bedeutet,
dass sich für kleinere Amplituden des Drehmoments eine
bedeutend kleinere Gesamtsteifigkeit ergibt als für ein
Stabilisatorteil 2, 3 allein. Für größere
Amplituden des Drehmoments versteift das Stabilisatorlager derart,
dass sich die Gesamtsteifigkeit der Reihenschaltung von Stabilisatorteilen 2, 3 und
Stabilisatorlager an die Steifigkeit der Stabilisatorteile 2, 3 annähert.
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Die 2 bis 5 zeigen
verschiedene Ausführungsformen von Befestigungseinrichtungen 4, 5 mit Stabilisatorlagern
mit progressiv ansteigender Federkennlinie für ein Fahrwerk
mit einem aktiven Stabilisator gemäß der Erfindung.
Der strichpunktiert ausgeführte Pfeil 8 in jeder
der 2-5 zeigt die Belastungsrichtung
an. Die Stabilisatorlager sind ausgeführt als Gummi-Metall-Lager
mit einem Außenring 9 und einem Innenring 10,
jeweils aus Metall, wobei der Außenring 9 karosseriefest
am Kraftfahrzeug angebracht ist. Im Innenring 10 wird jeweils,
insbesondere über ein Wälzlager, ein Stabilisatorteil 2, 3 aufgenommen,
das so ebenfalls karosseriefest über den Gummiring 11 elastisch
federnd angebracht ist. Die progressiv ansteigende Federkennlinie
jeder Befestigungseinrichtung 4, 5 für
ein Stabilisatorteil 2, 3 erzeugt das Stabilisatorlager
aus gummielastischem Werkstoff, insbesondere aus Gummi, dadurch,
dass es in Belastungsrichtung 8 anfänglich weicher
ausgebildet ist.
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In
der Ausführungsform nach 2 wird die
Weichheit des Stabilisatorlagers in Belastungsrichtung 8 durch
zylinderförmige Materialausnehmungen 12 innerhalb
des Gummirings 11 des Stabilisatorlagers erzeugt. 3 besitzt
zum gleichen Zweck keilförmige Materialausnehmungen 13 im
Randbereich des Innenrings 10, während in der
Ausführungsform nach 4 die keilförmigen
Materialausnehmungen 14 im Randbereich des Außenrings 9 liegen.
In 5 wird die Weichheit des Stabilisatorlagers in
Belastungsrichtung 8 durch elipsenförmige Materialausnehmungen 15 innerhalb
des Gummirings 11 des Stabilisatorlagers erzeugt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19930444
C2 [0002]
- - DE 10001087 A1 [0004]
- - DE 19846275 A1 [0005]
- - WO 2004/041560 A2 [0006]
- - DE 10233499 A1 [0009]
- - EP 1491371 A1 [0009]
