DE102009015611A1

DE102009015611A1 - Stabilisator für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102009015611A1
Application number: DE102009015611A
Authority: DE
Inventors: Ullrich Hammelmaier; Rodscha Drabon; Christian Dr. Voy
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2009-04-02
Filing date: 2009-04-02
Publication date: 2010-10-14

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Stabilisator für Kraftfahrzeuge, umfassend einen Torsionsstab (3), dessen mittlerer Bereich (8) einen Durchmesser (D1) aufweist, welcher kleiner ist als ein Durchmesser (D2) von sich an den mittleren Bereich (8) anschließenden Endbereichen (6, 7), wobei die Endbereiche (6, 7) Koppelelemente (4, 5) aufweisen, an welchen Vorsprünge (9, 10) angeordnet sind, und wobei die Vorsprünge (9, 10) verzahnend ineinandergreifen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stabilisator für ein Kraftfahrzeug umfassend einem Torsionsstab mit variierendem Durchmesser gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Ein Stabilisator wird bei Kraftfahrzeugen als Torsionsfeder zwischen den Rädern einer Achse eingesetzt und hat die Aufgabe, das Wankverhalten des Fahrzeugaufbaus bei wechselseitiger Einfederung der Räder einer Achse zu begrenzen. Dies ist notwendig, um das Fahrverhalten eines Kraftfahrzeugs in einem für den Fahrer zu beherrschenden Korridor zu halten und die Radlastverteilung so zu beeinflussen, dass sich ein vorhersehbares und beherrschbares Eigenlenkverhalten ergibt.
Zur Beeinflussung der Wankbewegung des Kraftfahrzeugaufbaus sind sowohl passive Stabilisatoren als auch aktive Stabilisatoren bekannt, wobei aktive Stabilisatoren vergleichsweise teurer sind als passive Stabilisatoren.
Ein Beispiel für einen passiven Stabilisator ist in der DE 43 42 360 A1 offenbart. Hierbei handelt es sich um einen geteilten Torsionsstab, dessen Stabilisatorteile über eine elastische Drehkupplung miteinander gekoppelt sind, wobei ein Teil der Drehkupplung in ein Gummifederelement des gegenüberliegenden Teils der Drehkupplung greift. Dabei bestimmt die Elastizität des Gummifederelements den ersten Verdrehwinkelbereich. Zusätzlich zu diesem Gummifederelement ist ein Freiwinkel vorgesehen, innerhalb dessen der Stabilisator wirkungslos ist. Problematisch hierbei könnte zum einen das durch den Freiwinkel entstehende Spiel bzw. Klappern zwischen den Stabilisatorteilen sein. Zum anderen kann beispielsweise beim Durchfahren einer starken Kurve eine Reaktionszeit des Stabilisators bis zum Erreichen der maximalen Kompression des Gummifederelements und der daraus resultierenden Kraftübertragung von einer auf die gegenüberliegende Kraftfahrzeugseite zu lang sein.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, einen kostengünstigen passiven Stabilisator zu schaffen, der ein verbessertes und spielfreies, an das Fahrverhalten angepasstes, Verhalten zeigt.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in einem Stabilisator gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gesehen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Stabilisator umfasst einen Torsionsstab, welcher einen mittleren Bereich und sich in Richtung einer Torsionsachse an den mittleren Bereich anschließende Endbereiche umfasst, wobei ein Durchmesser des mittleren Bereichs kleiner ist, als ein Durchmesser der Endbereiche. An den Endbereichen sind Koppelelemente verdrehfest angeordnet, welche über Vorsprünge verzahnend hintereinander greifen. Durch eine derartige Ausgestaltung des Torsionsstabs weist dieser bei jedweder Auslenkung der Räder eine Grundsteifigkeit auf, welche durch die Ausgestaltung des mittleren Bereichs festlegbar ist. Ein durch Spiel verursachtes Klappern, wie es beispielsweise bei geteilten Stabilisatoren auftritt, wird vermieden. Dabei kann ein Übergang vom mittleren Bereich zu den Endbereichen eine oder mehrere Stufen aufweisen. Es jedoch ist ebenso möglich, den Übergang fließend auszugestalten.
Die Verzahnung der Vorsprünge erfolgt derart, dass die Flanken benachbarter, jeweils zum gegenüberliegenden Koppelelement des Torsionsstabs gehörenden, Vorsprünge einander gegenüberstehen. Dabei ist zwischen den Flanken zweier benachbarter Vorsprünge ein elastisches Element angeordnet. Die Vorsprünge sind unelastisch ausgestaltet und verdrehfest an den zueinander weisenden Enden der Koppelelemente des Torsionsstabs festgelegt. Bei einer geringen Auslenkung eines Rades wird der Torsionsstab am entsprechenden Endbereich und im mittleren Bereich tordiert und das elastische Element komprimiert. Eine Übertragung der Auslenkung auf den gegenüberliegenden Endbereich erfolgt erst, wenn das elastische Element maximal komprimiert wurde. Dann wird der mittlere Bereich durch die ineinandergreifenden Koppelelemente überbrückt und nicht weiter tordiert.
Bei einer ersten Variante sind die Vorsprünge an einer Stirnseite des Endes eines Koppelelements angeordnet. Ebenso ist es möglich, an die Enden der Koppelelemente des Torsionsstabs jeweils ein mit Vorsprüngen versehenes Kupplungselement anzuordnen.
Die Vorsprünge weisen einen Kopf und einen Fuß auf, wobei der Kopf und der Fuß eines Vorsprungs an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils durch Flanken verbunden sind. Die Vorsprünge verjüngen sich bevorzugt von ihrem Fuß in Richtung ihres Kopfs. Die Flanken können einen geraden oder gekrümmten Verlauf aufweisen.
Beim Eingriff der Vorsprünge der gegenüberliegenden Koppelelemente des Torsionsstabs befinden sich die Köpfe der Vorsprünge des einen Endes in etwa auf gleicher Höhe mit den Füßen der Vorsprünge des gegenüberliegenden Endes, wobei sich die Flanken dieser Vorsprünge jeweils gegenüberstehen. Bei miteinander im Eingriff befindlichen Vorsprüngen ist zwischen den Flanken benachbarter Vorsprünge ein Spalt vorgesehen.
Der Spalt kann in einer Ausgangsstellung eine konstante Breite aufweisen oder aber auch in seiner Breite von den Köpfen zu den Füßen der Vorsprünge hin variieren.
Das erfindungsgemäß in diesem Spalt angeordnete elastische Element weist zumindest in einem Bereich die gleiche Breite auf wie der Spalt und ist in seiner Form zumindest teilweise dem Verlauf des Spalts angepasst. Vorzugsweise sind 30% bis 70% der Form des elastischen Elements an die Spaltbreite und/oder an den Spaltverlauf angepasst. Dabei kann über die Form des elastischen Elements und der Wahl des verwendeten Elastomers dessen Elastizität eingestellt werden.
Die Vorsprünge können radial oder axial orientiert sein. Radial orientiert heißt, dass die Vorsprünge eines Endes mit ihren Köpfen zu einer Torsionsachse des Torsionsstabs weisen und dass die Vorsprünge des gegenüberliegenden Endes mit ihren Köpfen von der Torsionsachse weg weisen.
Axial orientiert bedeutet, dass die Vorsprünge in Richtung der Torsionsachse ausgerichtet sind. Hierbei weisen jeweils die Köpfe der Vorsprünge in Axialrichtung zueinander.
Die Wirkung des Stabilisators wird in einem ersten Drehwinkelbereich von der Elastizität des elastischen Elements und der Steifigkeit des mittleren Bereichs bestimmt, wobei eine Torsion von einem Koppelelement des Torsionsstabs kaum oder nicht auf das gegenüberliegende Koppelelement übertragen wird. An diesen ersten Drehwinkelbereich schließt sich ein zweiter Drehwinkelbereich an, in welchem die Torsionskräfte stärker übertragen werden. Die Kennlinie im Kraft-Weg-Diagramm zwischen Torsionskraft und Verdrehwinkel verläuft nun viel steiler.
Durch den erfindungsgemäßen Stabilisator wird das unerwünschte Übertragen von Straßenunebenheiten von einer Fahrzeugseite zur anderen, der so genannte Kopiereffekt, deutlich reduziert. Dies erfolgt dadurch, dass der Torsionsstab des Stabilisators erst dann eine Wankbewegung von einer Kraftfahrzeugseite auf eine andere Kraftfahrzeugseite überträgt, wenn das im Verbindungsbereich des Torsionsstabs angeordnete elastische Element durch Verdrehung eines Koppelelements des Torsionsstabs gegenüber dem anderen Koppelelement maximal komprimiert wurde. Die Stabilisierung des ausgelenkten Rades erfolgt bis zur maximalen Komprimierung des elastischen Elements über den mittleren Bereich des Torsionsstabes und/oder über das elastische Element selbst. Dadurch können in einem definierten Drehwinkelbereich beide Räder einer Achse unabhängig voneinander einfedern, ohne dass ein Moment auf das andere Rad übertragen und über den Stabilisator eine Kraft in den Aufbau eingeleitet wird. Zusätzlich verhindert das zumindest in einem Bereich an die Spaltbreite angepasste elastische Element und die Steifigkeit des mittleren Bereichs ein störendes Klappern der Koppelelemente des Torsionsstabs.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Federkennlinie eines erfindungsgemäßen Stabilisators;
2 einen Torsionsstab eines Stabilisator in Seitenansicht und
3 einen Querschnitt durch den Verbindungsbereich zweier Koppelelemente des Torsionsstabs aus 2.
Das Diagramm in 1 zeigt verschiedene Federkennlinien für passive Stabilisatoren. Kennlinie 1 zeigt einen Federkennlinienverlauf F(φ) für passive Stabilisatoren ohne ein zusätzliches elastisches Element. Bei Auslenkung eines Rades wird eine Torsion des Torsionsstabs sofort auch auf die gegenüberliegende Fahrzeugseite übertragen.
Kennlinie 2 zeigt einen beispielhaften Federkennlinienverlauf F(φ) für einen geteilten Stabilisator mit einem zwischengeschalteten elastischen Element. Wird ein Rad auf einer Seite eines Kraftfahrzeuges beispielsweise durch eine Unebenheit ausgelenkt, erfolgt eine Torsion des mit der Radaufhängung verbundenen Koppelelements des Torsionsstabs. Die Verdrehung des Koppelelements wird, wie hier im ersten Drehwinkelbereich A der Kennlinie 2 dargestellt, durch das elastische Element zwischen den Flanken der Vorsprünge bis zu einem bestimmten Verdrehwinkel φ aufgefangen, wobei kaum eine Kraftübertragung auf das gegenüberliegende Koppelelement des Torsionsstabs stattfindet und der Kopiereffekt vermieden wird.
Erst beim Überschreiten eines bestimmten Verdrehwinkels φ, wie es beispielsweise beim Durchfahren einer Kurve auftritt, ist das elastische Element maximal verformt und die Drehbewegung des einen Koppelelements wird ab dem Punkt E der Kennlinie über die Vorsprünge des einen Koppelelements auf die Vorsprünge des gegenüberliegenden Koppelelements und somit auf die andere Fahrzeugseite, wie im zweiten Drehwinkelbereich B der Kennlinie 2 dargestellt, übertragen.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Torsionsstabs 3 mit den Koppelelementen 4, 5. Diese sind verdrehfest an den Endbereichen 6, 7 des Torsionsstabs 3 angeordnet. Der Durchmesser D1 in einem mittleren Bereich 8 ist kleiner als der Durchmesser D2 der Endbereiche 6, 7. Der Übergang von den Endbereiche 6, 7 zum mittleren Bereich 8 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel sprunghaft. Es ist jedoch ebenso möglich, einen Torsionsstab mit einem fließenden Übergang zwischen den Endbereichen und dem mittleren Bereich herzustellen. Die Grundsteifigkeit des Torsionsstabs 3 wird durch die Ausgestaltung des mittleren Bereichs 8 festgelegt.
3 zeigt den Verbindungsbereich zwischen zwei Koppelelmenten 4, 5 eines Torsionsstabs 3. Die Vorsprünge 9, 10 der jeweils gegenüberliegenden Enden der Koppelelemente 4, 5 befinden sich im Eingriff. Die einzelnen Vorsprünge 9, 10 sind von ihren Füßen 11 zu ihren Köpfen 12 verjüngend ausgestaltet. Zwischen den zueinander weisenden Flanken 13, 14 der Vorsprünge 9, 10 ist jeweils ein Spalt 15 vorgesehen. Dieser kann eine konstante Breite C und einen konstanten Querschnitt aufweisen, wenn die Flanken 13, 14 einen geraden Verlauf aufweisen und im Eingriff parallel zueinander ausgerichtet sind. Ebenso können Querschnitt und Breite C variieren, wenn die Flanken 13, 14 beispielsweise einen gekrümmten Verlauf aufweisen. Im Spalt 15 ist erfindungsgemäß ein elastisches Element 16 angeordnet. Dieses weist hier zumindest in seinem mittleren Bereich 17 die gleiche Breite C wie der Spalt 15 auf. Dabei kann das elastische Element 16 in seiner Form an den Spaltverlauf angepasst sein oder, wie in 3 dargestellt, eine andere Form aufweisen. Durch die Art der Ausgestaltung des elastischen Elements 16 und die Wahl des Elastomers wird die Federkennlinie festgelegt.
Durch eine Torsion R, beispielsweise des Koppelelements 5 gegenüber dem Koppelelement 4, werden die elastischen Elemente 16 durch die Flanken 13, 14 zusammengedrückt. Dies geschieht so lange, bis das elastische Element 16 vollständig komprimiert ist und das Koppelelement 5 um einen definierten Winkel φ gegenüber dem anderen Koppelelement 4 verdreht ist. Ab diesem Punkt E, siehe 1, wird die Drehbewegung des einen Koppelelements 4 über dessen Vorsprünge 8 direkt auf die Vorsprünge 9 des gegenüberliegenden Koppelelements 5 und somit auf den gesamten Torsionsstab 3 übertragen.

1: Federkennlinie
2: Federkennlinie
3: Torsionsstab
4: Koppelelement
5: Koppelelement
6: Endbereich
7: Endbereich
8: mittlerer Bereich
9: Vorsprung
10: Vorsprung
11: Fuß
12: Kopf
13: Flanke
14: Flanke
15: Spalt
16: elastisches Element
17: mittlerer Abschnitt
18: Ende v. 13
A: erster Drehwinkelbereich
B: zweiter Drehwinkelbereich
C: Spaltbreite
D1: Durchmesser
D2: Durchmesser
E: Punkt
F: Federkraft
R: Torsionsrichtung
T: Torsionsachse
φ: Verdrehwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4342360 A1 [0004]

Claims

Stabilisator für Kraftfahrzeuge umfassend einen Torsionsstab (3), welcher einen mittleren Bereich (8) mit einem Durchmesser (D1) aufweist, der kleiner ist als ein Durchmesser (D2) von sich an den mittleren Bereich (8) anschließenden Endbereichen (6, 7), wobei an den Endbereichen (6, 7) jeweils ein Koppelelement (4, 5) angeordnet ist und wobei die Koppelelemente (4, 5) über Vorsprünge (9, 10) verzahnend ineinander greifen.
Stabilisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich Flanken (13, 14) benachbarter, jeweils zum gegenüberliegenden Koppelelement (4, 5) gehörenden Vorsprünge (9, 10) gegenüberstehen, wobei zwischen den Flanken (13, 14) zweier benachbarter Vorsprünge (9, 10) ein elastisches Element (16) angeordnet ist.
Stabilisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (9, 10) unelastisch sind.
Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (9, 10) verdrehfest an zueinander weisenden Enden der Koppelelemente (4, 5) des Torsionsstabs (3) festgelegt sind.
Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (9, 10) einen Kopf (12) und einen Fuß (11) aufweisen.
Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (9, 10) radial ausgerichtet sind, wobei an einem Ende die Köpfe (12) der Vorsprünge (10) und am gegenüberliegenden Ende die Füße (11) der Vorsprünge (9) zur Torsionsachse (T) des Torsionsstabs (3) weisen.
Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (9, 10) in Richtung der Torsionsachse (T) ausgerichtet sind, wobei die Köpfe (12) der Vorsprünge (9, 10) zum jeweils gegenüberliegenden Ende eines Koppelelements (4, 5) weisen.
Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vorsprünge (9, 10) von ihren Füßen (11) zu ihren Köpfen (12) hin verjüngen.
Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zueinander weisenden Flanken (13, 14) der Vorsprünge (9, 10) einen geraden Verlauf aufweisen.
Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zueinander weisenden Flanken (13, 14) der Vorsprünge (9, 10) einen gekrümmten Verlauf aufweisen.
Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die einander gegenüberliegenden Flanken (13) der Vorsprünge (9) des ersten Endes und die Flanken (14) der Vorsprünge (10) des zweiten Endes im Eingriff durch einen Spalt (15) voneinander beabstandet sind.
Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (15) in einer Ausgangslage eine konstante Breite (C) aufweist.
Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Spaltes (15) in einer Ausgangslage variiert.
Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (16) in wenigstens einem Bereich die gleiche Breite aufweist wie der Spalt (15).
Stabilisator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich gleicher Breite über 30%–70% der Länge des elastischen Elements (16) erstreckt.
Stabilisator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (16) in seiner Form zumindest teilweise einem Verlauf des Spaltes (15) angepasst ist.
Stabilisator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass 30%–70% der Form des elastischen Elements (16) an den Spaltverlauf angepasst sind.
Stabilisator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Elemente (16) an einem zu einer Torsionsachse (T) des Torsionsstabs (3) weisenden Ende (18) miteinander verbunden sind.
Stabilisator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergang vom mittleren Bereich (8) zu den Endbereichen (6, 7) fließend ist.
Stabilisator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergang vom mittleren Bereich (8) zu den Endbereichen (6, 7) wenigstens eine Stufe aufweist.