DE102008013183A1

DE102008013183A1 - Verbundlenkerachse

Info

Publication number: DE102008013183A1
Application number: DE102008013183A
Authority: DE
Inventors: Andreas Roxel; Manfred BÜRGER
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2028-03-08
Also published as: EP2098391B1; EP2098391A1; DE102008013183B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbundlenkerachse, insbesondere eine Verbundlenkerhinterachse, für Kraftfahrzeuge, welche zwei durch ein Torsionsprofil (4) verbundene Längslenker aufweist. Das Torsionsprofil (4) besteht aus einem Hohlprofil mit einem offenen Mittelabschnitt (5) und weist zwei Seitenschenkel (6, 7) und einen die Seitenschenkel (6, 7) verbindenden Steg (8) auf. Im Mittelabschnitt (5) besitzt das Torsionsprofil (4) einen Omega(Omega)-förmigen Querschnitt, wobei die Seitenschenkel (6, 7) zwei gegensinnig gekrümmte Bogenabschnitte (9, 10) aufweisen. Der obere Bogenabschnitt (9) ist nach außen gekrümmt, wohingegen der untere Bogenabschnitt (10) nach innen gekrümmt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbundlenkerachse für Kraftfahrzeuge mit zwei seitlichen Längslenkern, die durch ein Torsionsprofil verbunden sind.
Verbundlenkerachsen kombinieren die Vorteile eines einfachen Aufbaus bei geringem Raumbedarf und guten kinematischen Eigenschaften. Das die beiden Längslenker verbindende Torsionsprofil, auch als Querträger bezeichnet, wirkt als Torsionsstab, so dass sich bei gleichzeitigem Einfedern eine Längslenkercharakteristik und bei wechselseitigem Einfedern eine Schräglenkercharakteristik ergibt.
Es sind diverse Vorschläge bekannt, wie das Torsionsprofil einer Verbundlenkerachse ausgestaltet sein soll, um diesen auf der einen Seite biegesteif, auf der anderen Seite aber auch ausreichend torsionsweich zu gestalten. Aus der DE 44 16 725 A1 beispielsweise geht eine Verbundlenkerachse hervor mit zwei radtragenden elastisch am Aufbau angelenkten und starren Längslenkern, die durch einen biegesteifen aber torsionsweichen Querträger miteinander verschweißt sind. Der Querträger besteht über die gesamte Länge aus einem Rohrprofil, das an beiden Enden einen torsionssteifen Querschnitt und im mittleren Bereich einen torsionsweichen U-, V-, L-, X- oder ähnlichen Querschnitt mit mindestens einem doppelwandigen Profilschenkel aufweist.
Aus der DE 199 49 341 A1 ist eine Verbundlenkerachse für Kraftfahrzeuge bekannt mit zwei durch einen Querträger verbundenen Längslenkern, wobei der Querträger aus einem Hohlprofil mit einem einlagigen, bereichsweise offenen Mittelabschnitt besteht, an den sich beidseitig rohrförmig geschlossene Enden anschließen.
Ein gleichartiges Konzept offenbart die DE 101 22 998 A1 . Der Querträger ist rohrartig gestaltet und weist im Mittelabschnitt einen ovalen, langgestreckten Ausschnitt auf.
Zum Stand der Technik zählt ebenfalls eine Fahrzeugachse gemäß der DE 195 33 479 C2 . Der Querträger dieser Achse weist eine Aussparung auf, die sich axial zur Rohrkörperlängsachse erstreckt, wobei die Aussparung in ihren Randbereichen zumindest abschnittsweise durch Stege eingefasst ist, die innerhalb des Rohrkörpers ausgeführt sind. Die Stege sind stark nach innen abgewinkelt, wobei die Höhe der Stege etwa der Breite der Aussparung im Rohrkörper entsprechen soll.
Bei der Auslegung des Torsionsprofils sind sowohl Aspekte der Achskinematik und Bauteilsteifigkeit als auch Aspekte der Betriebsfestigkeit zu berücksichtigen. Das Profil des Torsionsprofils bestimmt durch seine Biege- und Torsionssteifigkeit und durch die Lage seines Schubmitttelpunktes die Achskinematik und die Lage des Momentanpoles für das Wanken. Mithin ist die Konzeption einer Verbundlenkerachse an hohe technische Anforderungen gestellt.
Daneben besteht im Automobilbau zur Steigerung der Produktivität ein generelles Bestreben nach einer möglichst wirtschaftlichen und rationellen Herstel lung der Kraftfahrzeugkomponenten in möglichst leichter Bauweise bei gleichzeitiger Steigerung der Qualität der Produkte. Diesen Anforderungen unterliegen auch Verbundlenkerachsen.
Wesentliche Bedeutung für die Funktion einer Verbundlenkerachse hat folglich – wie oben ausgeführt – das Torsionsprofil, welches die rechte und linke Achshälfte miteinander verbindet. Das Torsionsprofil muss beim Tordieren der Achse eine definierte Nachgiebigkeit aufweisen, aber auch hohe Steifigkeit unter Längs- und Querbelastung besitzen. Beide Anforderungen stehen mitunter in einem Widerspruch zueinander. Kommt dann noch die Forderung nach einem möglichst geringen Gewicht der Verbundlenkerachse hinzu, ist deren Auslegung häufig eine Kompromisslösung.
Torsionsprofile mit einem U- oder V-förmig konfigurierten Profilquerschnitt oder einer Kombination derselben ohne Hinterschnitte können leicht in einem Umformwerkzeug gefertigt werden. Diese Profile haben jedoch den Nachteil, dass sich die gewünschten Torsionsraten oftmals nur über eine Wandstärkenänderung realisieren lassen. Auch treten an den freien Beschnittkanten der Schenkel hohe Spannungen auf. Gleichzeitig lassen sich bei Auslegung auf eine bestimmte Torsionssteifigkeit nur begrenzt hohe Seiten-, Spur- und Sturzsteifigkeiten aufbringen. Darüber hinaus ist das Bauteilgewicht des Torsionsprofils eng verbunden mit der gewünschten Torsionsrate.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Verbundlenkerachse in ihrer dynamischen Leistungsfähigkeit, insbesondere in ihrer Torsions- und Biegesteifigkeit sowie Schwingfestigkeit zu verbessern.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einer Verbundlenkerachse gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1.
Kernpunkt der Erfindung bildet die Maßnahme, dass das Torsionsprofil in seinem Mittelabschnitt einen Omega(Ω)-förmigen Querschnitt besitzt. Dieser Omega(Ω)-förmige Querschnitt weist einen bauchigen, nach außen gewölbten Bereich auf, der eine größere Querschnittsbreite besitzt als die Seitenschenkel im unteren Bereich. Diese erfindungsgemäße Querschnittsgeometrie des Torsionsprofils führt zu folgenden Vorteilen:

– Der Querschnitt mit Hinterschnitten bzw. der doppelt gekrümmten Form der Seitenschenkel des Torsionsprofils im Mittelabschnitt kann je nach Anforderungen an das Bauteil in eine gezielte Richtung (Breite oder Höhe) gestreckt werden, um die gewünschte Torsionsrate bei möglichst geringem Gewicht einzustellen;
– Durch die infolge der Omega-Form (Ω) nach außen abgestellten Beschnittkanten der Seitenschenkel werden die Kantenspannungen verringert;
– Durch die Omega-Form lassen sich hohe Seiten-, Spur- und Sturzsteifigkeiten, auch bei geringsten Torsionssteifigkeiten, einstellen;
– In der Folge ergibt sich ein geringes Gewicht verbunden mit hoher Steifigkeit und definierter Torsionsnachgiebigkeit;
– Durch eine Variation des Querschnitts über die Länge des Torsionsprofils vom Mittelabschnitt zu den längsträgerseitigen Enden hin kann gezielt auf die Achseigenschaften eingewirkt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des grundsätzlichen Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 9.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbundlenkerachse weisen die Seitenschenkel zwei gegensinnig gekrümmte Bogenabschnitte auf. Durch den Krümmungsverlauf und deren Radien kann gezielt auf die Querschnittsgeometrie Einfluss genommen werden und die vom Profil eingeschlossene Fläche. Hierdurch ist eine auf die dynamischen Belastungen abgestimmte Auslegung der Widerstandsmomente möglich. Vorzugsweise ist der obere, sich an den Steg anschließende Bogenabschnitt nach außen gekrümmt, wohingegen der sich hieran anschließende, untere Bogenabschnitt nach innen gekrümmt ist.
Der beide Seitenschenkel verbindende Steg des Torsionsprofils umfasst einen mittleren Firstabschnitt, an den sich beidseitig je ein Schrägschenkel anschließt. Der Firstabschnitt kann eine Bogenform mit konstanter oder variierender Krümmung besitzen. Bei einem gekrümmten Verlauf des Firstabschnitts kann die Krümmung im Firstabschnitt stärker sein als eine mögliche Krümmung der Schrägschenkel, mithin besitzt der Firstabschnitt eine Krümmung mit einem Radius, der kleiner ist als der Radius einer Krümmung der Schrägschenkel.
Die freien Enden der Seitenschenkel sind nach außen gerichtet. Hierdurch können, wie erwähnt, die Kantenspannungen an den Beschnittkanten verringert werden.
Grundsätzlich kann das Torsionsprofil über seine gesamte Länge einen konstanten Querschnitt besitzen.
Bei einer für die Praxis besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Torsionsprofils variiert der Querschnitt des Torsionsprofils über dessen Länge, insbesondere besitzen die längsträgerseitigen Enden des Torsionsprofils einen U-förmigen Querschnitt, wobei auch hier die freien Enden der Seitenschenkel nach außen gestellt sind.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1 in perspektivischer Darstellungsweise eine erfindungsgemäße Verbundlenkerachse;
2 einen Vertikalschnitt durch den Mittelabschnitt eines Torsionsprofils der Verbundlenkerachse;
3 einen weiteren Vertikalschnitt durch einen Mittelabschnitt eines Torsionsprofils der Verbundlenkerachse und
4 einen Vertikalschnitt durch den Endabschnitt eines Torsionsprofils der Verbundlenkerachse.
1 zeigt eine Verbundlenkerachse, konkret eine Verbundlenkerhinterachse, 1 in perspektivischer Darstellungsweise.
Die Verbundlenkerhinterachse 1 umfasst im Wesentlichen zwei radführende Längslenker 2, 3 und ein die beiden Längslenker 2, 3 verbindendes Torsionsprofil 4. Das Torsionsprofil 4 ist einteilig aus einer Stahlblechplatine geformt und weist einen offenen Mittelabschnitt 5 mit zwei Seitenschenkeln 6, 7 und einen die Seitenschenkel 6, 7 verbindenden Steg 8 auf (siehe hierzu 2).
Im Mittelabschnitt 5 besitzt das Torsionsprofil 4 einen Omega(Ω)-förmigen Querschnitt. Die Seitenschenkel 6, 7 weisen zwei gegensinnig gekrümmte Bogenabschnitte 9, 10 auf. Der sich an den Steg 8 anschließende obere Bogenabschnitt 10 ist nach außen gekrümmt, wohingegen der untere Bogenabschnitt 11 nach innen gekrümmt ist. Durch Wahl der Krümmung R1, R2 in den Bogenabschnitten 9, 10 und der Länge der Bogenabschnitte 9, 10 kann gezielt auf die Querschnittsgeometrie und den Flächeninhalt des Torsionsprofils 4 Einfluss genommen werden und hierdurch die Torsionssteifigkeit sowie die Seiten-, Spur- und Sturzsteifigkeit eingestellt werden.
Der Steg 8 weist einen mittleren Firstabschnitt 11 auf, an den sich beidseitig ein Schrägschenkel 12, 13 anschließt. Man erkennt, dass der Firstabschnitt 11 eine Krümmung mit einem Radius R3 aufweist.
Die freien Enden 14, 15 der Seitenschenkel 6, 7 sind nach außen gerichtet. Hierdurch können Kantenspannungen verringert werden, was sich vorteilhaft auf die Dauerfestigkeit und Lebensdauer des Torsionsprofils 4 auswirkt. Auch der Rissanfälligkeit wird hierdurch entgegengewirkt. Die Beschnittkanten an den Enden 14, 15 werden aus dem Kraftverlauf in den Seitenschenkeln 6, 7 verlegt und mögliche nachteilige Einflüsse aus dem Platinenbeschnitt, beispielsweise Mikrorisse, aus dem Bereich der Hauptspannungen und des Hauptkraftverlaufs heraus verlagert.
Eine weitere Querschnittskontur des Torsionsprofils 4 im Mittelabschnitt 5 zeigt 3. Der Firstabschnitt 11' ist höher und stärker gekrümmt mit einem Radius R4 ausgeführt. Hierdurch kann die Seitensteifigkeit, insbesondere die Sturzsteifigkeit, des Torsionsprofils 4 weiter erhöht werden. An den Steg 8' schließen sich die für das Omega-Profil charakteristischen, doppelt gekrümmten Bogenabschnitte 6 bzw. 7 an.
An den Mittelabschnitt 5 des Torsionsprofils 4 schließen sich jeweils zu den Längslenkern 2, 3 hin ein Endabschnitt 16, 17 an. Die Endabschnitte 16, 17 besitzen einen U-förmigen Querschnitt, wie dies in der 4 ersichtlich ist. Der Steg 8' in den Endabschnitten 16, 17 verläuft annähernd waagerecht ohne wesentliche Krümmung. Die Seitenschenkel 6', 7' sind in den Endabschnitten 16, 17 gradlinig gestreckt, wobei die freien Enden 14', 15' ebenfalls nach außen gestellt sind.
In der 1 erkennt man noch eine Einformung 18 im Endabschnitt 16 des Torsionsprofils 4. Dies dient zur Durchführung von anderen Kraftfahrzeugkomponenten, beispielsweise einer Rohrleitung der Kraftstoffversorgungsanlage.

1: Verbundlenkerachse
2: Längslenker
3: Längslenker
4: Torsionsprofil
5: Mittelabschnitt
6: Seitenschenkel
6': Seitenschenkel
7: Seitenschenkel
7': Seitenschenkel
8: Steg
8': Steg
9: oberer Bogenabschnitt v. 6, 7
10: unterer Bogenabschnitt v. 6, 7
11: Firstabschnitt
12: Schrägschenkel
13: Schrägschenkel
14: Ende v. 6
14': Ende v. 6
15: Ende v. 7
15': Ende v. 7
16: Endabschnitt v. 4
17: Endabschnitt v. 4
18: Einformung
R1: Radius
R2: Radius
R3: Radius
R4: Radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4416725 A1 [0003]
- DE 19949341 A1 [0004]
- DE 10122998 A1 [0005]
- DE 19533479 C2 [0006]

Claims

Verbundlenkerachse für Kraftfahrzeuge, welche zwei durch ein Torsionsprofil (4) verbundene Längslenker (2, 3) umfasst, wobei das Torsionsprofil (4) einen offenen Mittelabschnitt (5) mit zwei Seitenschenkeln (6, 7) und einen die Seitenschenkel (6, 7) verbindenden Steg (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionsprofil (4) im Mittelabschnitt (5) einen Omega-förmigen Querschnitt besitzt.
Verbundlenkerachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenschenkel (6, 7) zwei gegensinnig gekrümmte Bogenabschnitte (9, 10) aufweisen.
Verbundlenkerachse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer, sich an den Steg (8) anschließender Bogenabschnitt (9) nach außen gekrümmt und ein unterer Bogenabschnitt (10) nach innen gekrümmt ist.
Verbundlenkerachse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (8) bogenförmig gekrümmt ist.
Verbundlenkerachse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (8) einen mittleren Firstabschnitt (11) aufweist, an den sich beidseitig ein Schrägschenkel (12, 13) anschließt.
Verbundlenkerachse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Firstabschnitt (11) eine Krümmung mit einem Radius (R1) aufweist.
Verbundlenkerachse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden (14, 15) der Seitenschenkel (6, 7) nach außen gerichtet sind.
Verbundlenkerachse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionsprofil (4) über seine Länge einen konstanten Querschnitt besitzt.
Verbundlenkerachse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionsprofil (4) über seine Länge einen variierenden Querschnitt besitzt.
Verbundlenkerachse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die längsträgerseitigen Endabschnitte (16, 17) des Torsionsprofils (4) einen U-förmigen Querschnitt besitzen.