DE102009054571A1

DE102009054571A1 - Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil mit Querschnittsübergang

Info

Publication number: DE102009054571A1
Application number: DE200910054571
Authority: DE
Inventors: Stefan Wenk; Frank Scheper; Klaus Warnken; Jens Diekhoff; Michael Mühl
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-06-16
Also published as: WO2011069499A3; WO2011069499A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil mit zumindest einem Querschnittsübergang zwischen einem Lastaufnahmebereich des Bauteils und dem Restbauteil. Dabei ist zwischen Lastaufnahmebereich und Restbauteil ein Querschnittsübergang angeordnet.
Das Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil zeichnet sich dadurch aus, dass der Verlauf der Hüllkurve des Querschnittsübergangs zumindest abschnittsweise mit dem positiven Ast des Arkuskotangens, des Areasinus Hyperbolicus, des Areakosinus Hyperbolicus, des Kotangens Hyperbolicus, des Kosekans Hyperbolicus oder mit einer Teilellipse übereinstimmt.
Der erfindungsgemäß ausgeführte Querschnittsübergang führt zu einer Minimierung der Kerbspannungen im Bereich des Querschnittsübergangs zwischen Lastaufnahmebereich und Restbauteil. Die Versagenssicherheit des Übergangsbereichs zwischen Lastaufnahmebereich und Restbauteil lässt sich mit der Erfindung um bis über eine Größenordnung steigern.
Die Erfindung ermöglicht die Vergrößerung der Lebensdauer, die Verringerung des Materialeinsatzes und/oder den Einsatz kostengünstigerer Herstellungsverfahren bzw. Werkstoffe insbesondere bei Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteilen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Lastaufnahmebereich und mit einem verrundeten Querschnittsübergang zwischen dem Lastaufnahmebereich und dem Restbauteil, insbesondere für eine Lagerung oder zur Kraftübertragung zwischen Bauteilen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Bauteile mit Lastaufnahmebereichen, bei denen zwischen einem Lastaufnahmebereich und dem restlichen Bauteil (=Restbauteil) ein Querschnittsübergang vorhanden ist, sind aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannt. Bei derartigen Bauteilen, bei denen es sich beispielsweise, jedoch keineswegs ausschließlich, um Lenkerbauteile für Radaufhängungen, um Spurstangen, Kugelgelenkzapfen oder auch um Wellenabschnitte handeln kann, sind häufig mehrere Bauteilbereiche mit unterschiedlichen Querschnitten bzw. unterschiedlichen Durchmessern vorhanden. Zwischen den unterschiedlichen Querschnitten bzw. Durchmessern befinden sich Querschnittsübergänge, die aus Gründen der Optimierung des Kraftflusses und der Vermeidung von Spannungsspitzen zumeist verrundet ausgeführt sind.
Derartige verrundete Querschnittsübergänge zwischen Bauteilbereichen mit unterschiedlich großen Querschnitten werden an Bauteilen prinzipiell unabhängig vom verwendeten Werkstoff, insbesondere an Gussteilen, Spritzgussteilen, Schmiedeteilen, spanend hergestellten Teilen wie auch an Kunststoffteilen angebracht, um die gerade im Bereich der Querschnittsübergänge häufig besonders hohen Materialspannungen möglichst niedrig zu halten. Üblicherweise kommen hierzu Radienübergänge zum Einsatz, sprich, es werden Viertelkreise bzw. Kreissegmente als Hüllkurven für die Formgebung des Querschnittsübergangs verwendet. Häufig werden im Stand der Technik auch verrundet miteinander verbundene Liniensegmente als Hüllkurve für Querschnittsübergänge verwendet.
Diese aus dem Stand der Technik bekannten Querschnittsübergänge sind jedoch nicht optimal bezüglich des Spannungsverlaufs im Bereich des Übergangs zwischen einem Lastaufnahmebereich und dem Restbauteil. Insbesondere bei der Verwendung von verrundet verbundenen Liniensegmenten, aber auch im Fall einer glatten Ausrundung mittels eines Viertelkreises oder Kreissegments entstehen nach wie vor erhebliche Spannungsüberhöhungen und damit verbundene erhöhte Versagenswahrscheinlichkeiten im Bereich des Querschnittsübergangs.
Wie die Anmelderin ermittelt hat, treten an den aus dem Stand der Technik bekannten, in üblicher Weise verrundeten Querschnittsübergängen zwischen Bauteilbereichen mit unterschiedlich großen Querschnitten aufgrund der Kerbwirkung Materialspannungen auf, die – im Vergleich zum Lastaufnahmebereich bzw. Restbauteil – typischerweise zu einer fünf- bis über zehnfachen Erhöhung der Versagenshäufigkeit im Bereich der Querschnittsübergänge führen.
Dies bedeutet, dass Bauteile mit derartigen Querschnittsübergängen im Stand der Technik häufig überdimensioniert werden müssen, damit die Materialspannungen und Versagenshäufigkeiten auch im Bereich der Querschnittsübergänge noch im zulässigen Bereich bleiben. Eine derartige Überdimensionierung widerspricht jedoch der zumeist konstruktiv bestehenden Notwendigkeit für Bauraum-, Massen- und Kostenreduzierungen.
Mit diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil mit verrundetem Querschnittsübergang bereitzustellen, mit dem die genannten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere soll die Erfindung es dabei ermöglichen, Querschnittsübergänge an hochbelasteten Bauteilen so zu gestalten, dass die Spannungsüberhöhung möglichst gering ausfällt und damit eine möglichst hohe Lebensdauer des Bauteils erreicht wird. Auf diese Weise soll es im Gegenzug möglich werden, auch hoch belastete Bauteile möglichst optimal dimensionieren und auslegen zu können, um auf diese Weise Material, Bauraum und Kosten einzusparen. Insbesondere bei der Anwendung der Erfindung auf Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteile sollen Lagersitze oder Aufnahmen für Anschlussbauteile anhand der Erfindung möglichst minimal dimensioniert werden können, wodurch sich wiederum vorteilhafte Folgeeffekte bezüglich Kosten und Dimensionierung von Lagerungen oder Anschlussbauteilen ergeben sollen.
Diese Aufgabe wird durch ein Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
In für sich genommen zunächst bekannter Weise umfasst das Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest einen Lastaufnahmebereich, wobei Lastaufnahmebereich und Restbauteil einstückig ausgebildet sind. Ferner ist zwischen Lastaufnahmebereich und Restbauteil ein verrundeter Querschnittsübergang angeordnet. Der Querschnittsübergang besitzt hierzu eine zwischen Lastaufnahmebereich und Restbauteil veränderliche Querschnittsfläche, wobei der Verlauf des veränderlichen Querschnitts zwischen Lastaufnahmebereich und Restbauteil einer Hüllkurve folgt.
Erfindungsgemäß zeichnet sich das Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil jedoch dadurch aus, dass der Verlauf der Hüllkurve des Querschnittsübergangs zwischen Lastaufnahmebereich und Restbauteil zumindest abschnittsweise im wesentlichen mit dem positiven Ast des Arkuskotangens, des Areasinus Hyperbolicus, des Areakosinus Hyperbolicus, des Kotangens Hyperbolicus, des Kosekans Hyperbolicus oder im wesentlichen mit einer Teilellipse übereinstimmt.
Dabei sollen vom Gebiet der Erfindung auch Verläufe der Hüllkurve des Querschnittsübergangs zwischen Lastaufnahmebereich und Restbauteil umfasst sein, die zwischen jeweils zwei der genannten Kurven verlaufen oder aus Kombinationen solcher Kurven oder deren Teilbereiche gebildet sind.
Wie die Anmelderin erkannt und in Versuchen verifiziert hat, lassen sich durch den Einsatz der genannten Hüllkurven für den Querschnittsübergang zwischen einem Lastaufnahmebereich und dem Restbauteil die im Bereich des Querschnittsübergangs auftretenden Material- bzw. Kerbspannungen und damit Versagenshäufigkeiten massiv reduzieren. Bezüglich der Versagenshäufigkeiten ergibt sich anhand der Erkenntnisse der Anmelderin eine Reduktion um den Faktor 5 bis über 10 gegenüber dem Stand der Technik.
Dank der Erfindung kann somit die Lebensdauer hochbelasteter Bauteile entscheidend erhöht werden. Wahlweise oder zusätzlich zu einer Erhöhung der Lebensdauer können dank der Erfindung hochbelastete Bauteile entsprechend geringer dimensioniert und damit leichter, bauraumsparender und kostengünstiger ausgeführt werden. Ebenso wird es dank der Erfindung möglich, bei unveränderter Bauteildimensionierung leichtere bzw. kostengünstigere Materialien oder Herstellungsmethoden für gattungsgemäße Bauteile mit Lastaufnahmebereichen und Querschnittsübergängen einzusetzen.
Die Erfindung wird dabei grundsätzlich unabhängig davon verwirklicht, welcher Bereich des positiven Astes des Arkuskotangens, des Areasinus Hyperbolicus, des Areakosinus Hyperbolicus, des Kotangens Hyperbolicus, des Kosekans Hyperbolicus oder der Teilellipse tatsächlich zur Gestaltung der Hüllkurve herangezogen wird. In Abhängigkeit der Bauteilgeometrie kann es insbesondere auch sinnvoll sein, die Hüllkurve nicht am Beginn des positiven Astes einer der genannten Kurven (also insbesondere bei x = 0) beginnen zu lassen, sondern an einer anderen Stelle des positiven Astes der jeweiligen Funktionskurve, insbesondere um auf diese Weise einen glatten Übergang zu einem anderen Segment der Hüllkurve des Querschnittsübergangs oder einen glatten Übergang zu dem sich anschließenden Restbauteil zu schaffen. Ebenso können die genannten Funktionskurven in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie auch entlang der x-Achse oder y-Achse gespiegelt und sodann als Hüllkurve (als Teil derselben) für den Querschnittsübergang verwendet werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Hüllkurve des Querschnittsübergangs zwischen dem Lastaufnahmebereich und dem Restbauteil über den eigentlichen Querschnittsübergang hinaus in den Bereich des Restbauteils hinein tangential extrapoliert oder am Punkt des Übergangs in das Restbauteil punktgespiegelt ist. Dabei bildet die dergestalt durch tangentiale Extrapolation oder Punktspiegelung erzeugte Fortsetzung der Hüllkurve im Bereich dieser Fortsetzung die äußere Begrenzung des Restbauteils.
Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis der Anmelderin zugrunde, dass diejenigen Bereiche des Restbauteils, welche sich jenseits bzw. außerhalb der durch tangentiale Extrapolation oder Punktspiegelung erzeugten Fortsetzung der Hüllkurve des Querschnittsübergangs befinden, bei Belastung des Bauteils im allgemeinen praktisch spannungsfrei bleiben, da die Kraftlinien stets zum größten Teil innerhalb der extrapolierte Hüllkurve verlaufen. Die außerhalb dieser Fortsetzung der Hüllkurve gelegenen Bereiche des Restbauteils können somit entfernt werden, ohne dass die Belastungsfähigkeit des Bauteils dadurch nennenswert geschwächt wird. Auf diese Weise lassen sich Material- und Bauraumbedarf und damit auch Gewicht und Kosten für ein erfindungsgemäß ausgeführtes Bauteil weiter reduzieren.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass die Hüllkurve mehrere stetig und glatt (also tangential, bzw. mathematisch ausgedrückt stetig und differenzierbar) ineinander übergehende Abschnitte umfasst. Dabei kann die Hüllkurve insbesondere mehrere glatt ineinander übergehende Segmente des positiven Astes des Arkuskotangens, des Areasinus Hyperbolicus, des Areakosinus Hyperbolicus, des Kotangens Hyperbolicus, des Kosekans Hyperbolicus oder der Teilellipse umfassen, oder zumindest einer der Abschnitte der Hüllkurve kann mit einem Segment des positiven Astes einer der genannten Funktionskurven übereinstimmen, während zumindest ein weiterer Abschnitt beispielsweise mit einer Geraden oder mit einem Kreissegment übereinstimmt. Auf diese Weise können auch vergleichsweise komplexe Bauteilbereiche mit Querschnittsübergängen versehen werden, die jeweils sowohl an die konstruktiv-geometrischen Anforderungen angepasst sind als auch bezüglich der Minimierung von Kerbspannungen optimiert sind.
Prinzipiell lässt sich dabei die Erfindung bei allen Arten von Bauteilen einsetzen, bei denen Bereiche unterschiedlichen Querschnitts materialsparend so miteinander verbunden werden müssen, dass sich ein optimaler Kraftlinienverlauf unter gleichzeitiger Minimierung von Spannungsüberhöhungen bzw. Kerbspannungen im Bereich der Querschnittsübergänge ergibt.
Gemäß besonders bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich bei dem Bauteil jedoch um den Schaft oder den Kugelzapfen eines Kugelgelenks, um eine Spurstange, oder bei einer weiteren Ausführungsform um einen Radführungslenker, beispielsweise Querlenker einer Radaufhängung. Bei allen diesen Anwendungsfällen treten hohe dynamische Materialbelastungen insbesondere an solchen Querschnittsübergängen auf, an denen enge konstruktiv begründete oder bauraumbedingte Grenzen bestehen, weshalb die Bauteile insbesondere im Bereich dieser Querschnittsübergänge nicht ohne weiteres verstärkt oder mit größeren Abmessungen ausgeführt werden können.
Mit dem Hintergrund der Anwendung der Erfindung auf einen Kugelzapfen eines Kugelgelenks ist es gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass eine Anlage des Schafts des Kugelzapfens am Grundbauteil lediglich im Bereich des kugelseitigen Endes des Schafts am Beginn des Querschnittsübergangs zwischen Zapfenbund und Zapfenschaft erfolgt. Dabei stimmt gleichzeitig die Hüllkurve des Querschnittsübergangs vom Zapfenbund zum Schaft des Kugelzapfens mit zumindest einem Teil des positiven Astes des Arkuskotangens, des Areasinus Hyperbolicus, des Areakosinus Hyperbolicus, des Kotangens Hyperbolicus, des Kosekans Hyperbolicus oder mit einer Teilellipse (9) im Wesentlichen überein.
Die Anlage des Schaftes eines Kugelzapfens am Grundbauteil lediglich im unmittelbaren Bereich des kugelseitigen Schaftendes im Bereich des dortigen Querschnittsübergangs, wobei der Querschnittsübergang vom Zapfenbund zum Schaft des Zapfens gleichzeitig eine erfindungsgemäß ausgebildete Hüllkurve aufweist, ist vorteilhaft in mehrfacher Hinsicht. Aufgrund der definierten Anlage des Kugelzapfens am Grundbauteil lediglich am kugelseitigen Schaftende ergibt sich zunächst einmal eine erheblich besser kontrollierbare, besser reproduzierbare und gleichmäßiger über die gesamte Länge des Schaftes verteilte Vorspannung des Kugelzapfens. Zudem konzentriert sich die Vorspannung des Kugelzapfens auf diese Weise nicht mehr – wie im Stand der Technik – hauptsächlich im kugelfernen Verschraubungsbereich des Zapfens, während der kugelnahe Kegelsitz des Zapfens nur noch einen geringen Anteil der Schaftvorspannung erhält. Hierdurch kann beim Stand der Technik insbesondere der feste Sitz des Zapfens und die Dauerfestigkeit der Zapfenverbindung mit dem Grundbauteil beeinträchtigt werden.
Vielmehr wird die Schaftvorspannung dank dieser Ausführungsform der Erfindung bis zum kugelnahen, definierten Sitz des Zapfens am Grundbauteil durchgeleitet, und sorgt gerade in diesem hochbelasteten Bereich für einen besonders innigen und dauerfesten Sitz des Kugelzapfens am Grundbauteil. Aus denselben Gründen ergeben sich durch diese Ausführungsform der Erfindung auch verringerte Setzeffekte im Bereich des Sitzes des Zapfenbunds am Grundbauteil, was ebenfalls wieder dem dauerhaften Erhalt der montageseitig vorgesehenen Zapfenvorspannung und damit einer hohen Dauerfestigkeit des Kugelzapfens zugute kommt.
Ferner werden dank dieser Ausführungsform der Erfindung die im Bereich des Sitzes des Zapfenbunds sowie im Bereich des Schaftes und des Gewindes auftretenden Spannungen nicht nur gleichmäßiger verteilt, sondern sind zudem durchweg niedriger als bei einem vergleichbaren, kegelig ausgeführten Zapfenschaft gemäß dem Stand der Technik. Auch dies kommt einer erhöhten Lebensdauer und einer Verringerung der Versagenswahrscheinlichkeit eines gemäß dieser Ausführungsform ausgeführten Kugelzapfens zugute. Schließlich sind mit der Gestaltung eines Kugelzapfens gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung auch noch erhebliche Gewichtsreduzierungen dadurch möglich, dass der Schaft des Kugelzapfens einen auf dem größten Teil seiner axialen Länge geringeren Querschnitt bzw. Durchmesser aufweisen kann als der vergleichbare kegelig ausgeführte Zapfenschaft gemäß dem Stand der Technik.
Mit dem Hintergrund des Einsatzes der Erfindung an einem Radführungslenker ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass es sich bei dem Lastaufnahmebereich um einen Lagerpin für die Innenhülse eines Elastomerlagers oder Hydrolagers handelt. Bei dieser Ausführungsform kommen die erfindungsgemäßen Vorteile besonders ausgeprägt zur Anwendung, da derartige Aufnahmebereiche für Lagerungen – wie beispielsweise Elastomerlager oder Hydrolager – konstruktiv und bezüglich der Abmessungen enge Grenzen gesetzt sind. Denn in solchen Fällen ist es zumeist wünschenswert, Elastomerlager oder Hydrolager mit möglichst kleinem Innenhülsendurchmesser zu verwenden einerseits, um einen möglichst großen Bauraum innerhalb des Lagers für die Lagerfunktionalität verwenden zu können, und andererseits um Lager mit möglichst kleinen Außenabmessungen einsetzen zu können.
Dank der Erfindung können jedoch die an Radführungslenkern oder Querlenkern angeordneten Lagerpins zur Aufnahme von Lagerungen, insbesondere von Elastomerlagern oder Hydrolagern, bei unveränderter Belastungsfähigkeit bzw. Lebensdauererwartung in den Abmessungen, insbesondere im Durchmesser reduziert werden, so dass beispielsweise entsprechend kleinere Lager Verwendung finden können. Alternativ kann selbstverständlich auch – unter Beibehaltung der Abmessungen des Lagerpins – eine erhöhte Belastbarkeit des Bauteils bzw. Radführungslenkers erreicht werden, oder es kann ein leichteres oder kostengünstigeres Material bzw. ein einfacheres Verfahren zur Herstellung des Lenkers verwendet werden, ohne dass gegenüber dem Ursprungsbauteil Einbußen bei der Belastbarkeit oder Lebensdauer des Bauteils bzw. des Lagerpins auftreten.
Beispielsweise mit dem Hintergrund des Einsatzes der Erfindung an Radführungslenkern sieht eine weitere, besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Innenhülse des Elastomer- bzw. Hydrolagers und der Querschnittsübergang zwischen Lagerpin und Lenker sich zumindest teilweise überdecken. Vorzugsweise ist hierzu die Kontur der Innenhülse des Lagers an die Form der Hüllkurve des Querschnittsübergangs angepasst.
Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Innenhülse des Elastomer- bzw. Hydrolagers so gestaltet wird, dass diese den Querschnittsübergang zwischen Lagerpin und Restbauteil zumindest teilweise aufnehmen kann. Hierdurch ergibt sich im Bereich der Lageraufnahme auf dem Lagerpin ein besonders gleichmäßiger Kraftlinienverlauf insbesondere mit besonders geringen Biegespannungen, da die Kraft- bzw. Momenteneinleitung vom Lager auf den Lagerpin teilweise bereits innerhalb des Querschnittsübergangs zum Restbauteil erfolgt, und damit in einem Bereich des Lagerpins, der bereits einen leicht vergrößerten Querschnitt und damit vergrößerte Widerstandsmomente aufweist.
Mit dem Hintergrund des Einsatzes der Erfindung an Radführungslenker-Lagerpins zur Aufnahme von Elastomer- bzw. Hydrolagern sieht eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, dass am bauteilfernen Ende des Lastaufnahmebereichs bzw. des Lagerpins ein Anschlagelement zur Begrenzung des Federwegs für das Elastomer- bzw. Hydrolager angeordnet ist. Derartige Federwegbegrenzungselemente sind grundsätzlich vorteilhaft, um insbesondere hochwertige Elastomer- bzw. Hydrolager vor Überlastung beispielsweise durch starke Fahrbahnstöße oder durch temporäre, hohe Antriebs- bzw. Bremsmomente am Kraftfahrzeug zu schützen.
Zwar ist die Anordnung eines Anschlagelements zur Begrenzung des Federwegs am Ende eines Lagerpins für sich genommen aus dem Stand der Technik bekannt. Die Anordnung eines derartigen Anschlagelements am bauteilfernen Ende des Lagerpins führt jedoch zu erheblichen Biegemomenten, die in den Lagerpin und damit insbesondere in den Querschnittsübergang zwischen Lagerpin und Restbauteil bzw. Lenker eingeleitet werden. Im Stand der Technik ist dies problematisch, da derartige zusätzliche Biegemomente zu hohen Kerbspannungen in den üblichen, lediglich verrundeten Querschnittsübergängen zwischen Lagerpin und Restbauteil führen.
Die dank der Erfindung viel höher belastbaren bzw. viel dauerfester ausführbaren Querschnittsübergänge zwischen Lagerpin und Restbauteil bzw. Radführungslenker können die von derartigen Anschlagelementen erzeugten Biegemomente jedoch weitaus besser in das Restbauteil bzw. in den Lenker einleiten, so dass sich dank der Erfindung auch hier eine erhöhte konstruktive Freiheit bei der Gestaltung und Auslegung beispielsweise von Hydrolagern an Radführungslenkern, insbesondere bei Querlenkern ergibt.
Insbesondere mit dem Hintergrund des Einsatzes leichterer Werkstoffe oder kostengünstigerer Herstellungsverfahren sehen weitere Ausführungsformen der Erfindung vor, dass es sich bei dem Bauteil um einen geschmiedeten, einen gegossenen oder um einen gegossenen und anschließend überschmiedeten Aluminium-Radführungslenker handelt. Bevorzugt ist der Aluminiumlenker dabei so ausgelegt, dass er einen ggf. vorhandenen Stahl-Radführungslenker kompatibel ersetzen kann.
Dank der Erfindung lassen sich somit beispielsweise Stahl-Querlenker durch kompatible Aluminium-Querlenker ersetzen, wodurch sich die ungefederten Massen der Radaufhängung eines Fahrzeugs erheblich verringern und der Fahr- und Federungskomfort entscheidend erhöhen lassen. Die Erfindung ermöglicht dank der erhöhten Belastbarkeit von Übergangsbereichen insbesondere an Lagerpins dabei sogar die ggf. maßkompatible Austauschbarkeit eines Stahl-Radführungslenkers durch einen Aluminium-Radführungslenker, ohne dass dabei wesentliche Änderungen an den Anschlussbauteilen, insbesondere an den Elastomer- bzw. Hydrolagern des Lenkers erfolgen müssen.
Es können mit anderen Worten dank der Erfindung Aluminium-Radführungslenker bereitgestellt werden, deren Lagerpins im Wesentlichen dieselbe Geometrie und dieselben Durchmesserbereiche wie diejenigen etwa zuvor verwendeter Stahl-Radführungslenker aufweisen, ohne dass damit Einschränkungen bei der Belastbarkeit oder Lebensdauer der Aluminiumlenker gegenüber dem Lenkern aus Stahl gegeben wären.
Alternativ können dank der Erfindung auch vorhandene, komplett geschmiedete Aluminiumlenker auf kostengünstigere Herstellungsverfahren umgestellt werden, insbesondere auf die Verwendung von Gussteilen, bzw. von vorgegossenen Rohlingen, die lediglich noch einmalig überschmiedet werden, um das fertige Bauteil zu erhalten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 in isometrischer Darstellung einen Querlenker als Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils mit Lastaufnahmebereich, einschließlich geschnitten dargestelltem Hydrolager;
2 in schematischer Darstellung Längsschnitt durch den Lastaufnahmebereich eines Bauteils gemäß dem Stand der Technik, mit eingezeichneten Bereichen unterschiedlicher Versagenshäufigkeit;
3 in einer 2 entsprechenden Darstellung Längsschnitt durch den Lastaufnahmebereich eines weiteren Bauteils gemäß dem Stand der Technik;
4 in einer 2 und 3 entsprechenden Darstellung Längsschnitt durch den Lastaufnahmebereich eines Bauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
5 eine schematische Schnittdarstellung des Querschnittsübergangs zwischen einem Lastaufnahmebereich und einem Restbauteil mit verschiedenen Hüllkurvenverläufen;
6 in verkleinerter isometrischer Darstellung den Querlenker mit Hydrolager gemäß 1;
7 in vergrößerter isometrischer Darstellung Lastaufnahmebereich und geschnitten dargestelltes Hydrolager gemäß 6;
8 in weiter vergrößerter Schnittdarstellung Lastaufnahmebereich und Hydrolager gemäß 6 und 7;
9 ein Ausführungsbeispiel für einen Kugelzapfen eines Kugelgelenks mit mehreren erfindungsgemäß ausgeführten Querschnittsübergängen im Längsschnitt;
10 in vergrößerter Darstellung den Querschnittsübergang zwischen Kugel und Bund des Kugelzapfens gemäß 9;
11 in weiter vergrößerter Darstellung den aus zwei ineinander übergehenden Abschnitten des positiven Astes des Arkuskotangens bestehenden Verlauf der Hüllkurve des Querschnittsübergangs gemäß 10;
12 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Kugelzapfen eines Kugelgelenks mit mehreren erfindungsgemäß ausgeführten Querschnittsübergängen im Längsschnitt;
13 in vergrößerter Darstellung den Querschnittsübergang zwischen Kugel und Bund des Kugelzapfens gemäß 12;
14 in weiter vergrößerter Darstellung den aus zwei ineinander übergehenden Abschnitten des positiven Astes des Arkuskotangens bestehenden Verlauf der Hüllkurve des Querschnittsübergangs gemäß 13;
15 im schematischen Längsschnitt einen Kugelzapfen mit Kegelsitz gemäß dem Stand der Technik;
16 den Kugelzapfen aus dem Stand der Technik gemäß 15 unter radialer Belastung mit schematisch visualisierten Spannungsverläufen;
17 in einer 15 entsprechenden Darstellung einen Kugelzapfen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
18 den Kugelzapfen gemäß 17 unter radialer Belastung mit schematisch visualisierten Spannungsverläufen;
19 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Kugelzapfen eines Kugelgelenks mit mehreren erfindungsgemäß ausgeführten Querschnittsübergängen im Längsschnitt; und
20 in vergrößerter Darstellung den Querschnittsübergang zwischen dem Schaft und dem Ansatz des Gewinderolldurchmessers an dem Kugelzapfen gemäß 19.
1 zeigt als Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils mit Lastaufnahmebereich in isometrischer Darstellung einen Querlenker 1 mit einem als Lagerpin 2 ausgeführten Lastaufnahmebereich und einem im Bereich des Lagerpins 2 angeordneten Hydrolager 3. Das Hydrolager 3 ist dabei aufgeschnitten dargestellt, um den Lastaufnahmebereich in Form des Lagerpins 2 erkennen zu können. Der Querlenker 1 ist als einstückiges Aluminium-Schmiedeteil ausgeführt. Es kann sich dabei insbesondere um ein als Gussrohling erzeugtes und anschließend überschmiedetes Bauteil handeln. Solche in Form einer Kombination aus einem Gussverfahren und einem Schmiedeverfahren hergestellte Aluminium-Bauteile sind besonders kostengünstig produzierbar und liegen von den Materialeigenschaften und der Belastbarkeit her zwischen einem reinen Gussteil und einem klassischen Schmiedeteil.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Querschnittsübergangs 6 zwischen Lastaufnahmebereich 2 und Restbauteil 1 ist im Hinblick auf den Ersatz von klassischen Schmiedeteilen durch Gussteile oder durch gegossene und anschließend überschmiedete Bauteile von großer Bedeutung, da der Übergang 6 zwischen Lastaufnahmebereich 2 und Restbauteil 1 einen der am höchsten beanspruchten Bereiche beispielsweise bei einem Querlenker 1 bildet. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein bisher geschmiedeter Querlenker aus Aluminium – oder sogar ein Querlenker aus Stahl – durch einen gegossenen bzw. durch einen mit einem kombinierten Guss- und Schmiedeverfahren hergestellten Querlenker ersetzt werden soll, und dabei gleichzeitig die Abmessungen des Hydrolagers 3 im Bereich des Lagerpins 2 möglichst beibehalten werden sollen.
In diesem Fall kann insbesondere der Durchmesser des Lagerpins 2 kaum wesentlich vergrößert werden, weshalb andere Maßnahmen ergriffen werden müssen, um insbesondere die Dauerfestigkeit des Lagerpins 2 zu gewährleisten.
2 zeigt einen Längsschnitt durch den Lastaufnahmebereich bzw. Lagerpin 2 eines Querlenkers 1, wobei die Kontur des in 2 dargestellten Lagerpins 2 dem Stand der Technik entspricht. Beim Stand der Technik werden häufig noch Querschnittsübergänge 4 zwischen Lastaufnahmebereich 2 und Restbauteil 1 verwendet, welche aus Segmenten von Geraden und dazwischen angeordneten Radienübergängen bestehen. Derartige Querschnittsübergänge 4 führen jedoch zu verhältnismäßig hohen Kerbspannungen und entsprechenden Versagenshäufigkeiten, wie dies auch in 2 visualisiert ist.
In der Legende in 2 sind die relativen Versagenshäufigkeiten den Schraffuren zugeordnet, welche in dem Längsschnitt durch den Lagerpin 2 gemäß 2 verwendet worden sind. Man erkennt, dass die Versagenshäufigkeiten in einigen Bereichen des Querschnittsübergangs 4 zwischen Lagerpin 2 und Restbauteil 1 bis zu zehn mal so hoch sind wie in den sonstigen Bereichen des Querschnittsübergangs 4.
Eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Hüllkurve für den Querschnittsübergang 5 zwischen Lastaufnahmebereich bzw. Lagerpin 2 und Restbauteil 1 ist im Schnitt durch einen weiteren Lagerpin 2 gemäß 3 dargestellt. Bei der in 3 dargestellten Hüllkurve für den Querschnittsübergang 5 handelt es sich um das im Stand der Technik zumeist als Querschnittsübergang verwendete einfache Kreissegment 5. Zwar ist das Kreissegment 5 gemäß 3 bezüglich der Versagenshäufigkeiten bereits erheblich besser als die verrundeten Geradensegmente 4 aus der Schnittdarstellung gemäß 2. Jedoch treten in einigen Bereichen des kreissegmentförmigen Querschnittsübergangs 5 gemäß 3 Versagenshäufigkeiten 8 auf welche immer noch etwa fünf mal so hoch sind wie in den sonstigen Bereichen des Querschnittsübergangs, vgl. die in die Schnittdarstellung gemäß 3 wieder mittels verschiedener Schraffuren eingezeichneten Gebiete einheitlicher Versagenshäufigkeit und die zugehörige Legende zu 3.
4 hingegen zeigt den Lastaufnahmebereich an einem erfindungsgemäß ausgebildeten Querlenkerbauteil 1 mit Lagerpin 2. Hier ist der Querschnittsübergang 6 zwischen Lagerpin 2 und Restbauteil 1 dem Verlauf des Arkuskotangens über der Länge des Lagerpins 2 bzw. über der Länge des Querschnittsübergangs 6 angenähert. Zur besseren Unterscheidbarkeit ist in 4 zusätzlich noch der aus dem Stand der Technik bekannte kreissegmentförmige Verlauf 5 des Querschnittsübergangs zwischen Lagerpin 2 und Restbauteil 1 als punktierte Linie 5 eingezeichnet.
Man erkennt in 4, dass die relative Versagenshäufigkeit im gesamten Querschnittsübergang 6 zwischen Lastaufnahmebereich 2 und Restbauteil 1 den relativen Wert 10^–2 nicht mehr überschreitet. Dies bedeutet nichts anderes, als dass der erfindungsgemäß ausgebildete und in 4 dargestellte Querschnittsübergang 6 zehnmal geringere Versagenshäufigkeiten aufweist als der gemäß dem Stand der Technik ausgeführte Querschnittsübergang 4 gemäß 2; bzw. immer noch etwa fünfmal geringere Versagenshäufigkeiten als die ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte Gestaltung des Querschnittsübergangs als Kreissegment 5 gemäß 3.
Dank dieser mit der Erfindung massiv reduzierten Versagenshäufigkeiten im Bereich des Querschnittsübergangs 6 vom Lastaufnahmebereich 2 zum Restbauteil 1 ergibt sich am Beispiel des Querlenkers 1 insbesondere die Möglichkeit, einen bisher noch konventionell geschmiedeten Aluminiumquerlenker beispielsweise durch einen kostengünstigeren, kombiniert gegossen und lediglich überschmiedet hergestellten Querlenker zu ersetzen, und dabei sogar noch zusätzliche Leistungsreserven bezüglich der Belastbarkeit bzw. Lebensdauer des Lagerpins 2 freizusetzen.
Ebenso wird es dank der Erfindung möglich, einen beispielsweise bisher in Stahl ausgeführten Querlenker 1 durch einen Querlenker aus Aluminium zu ersetzen, ohne dass dabei maßgebliche Änderungen an der Dimensionierung insbesondere im Bereich des Lagerpins 2 vorgenommen werden müssten.
Dies bedeutet mit anderen Worten, dass ein erfindungsgemäß ausgebildeter Querlenker 1 beispielsweise einen Stahl-Querlenker ersetzen kann, ohne dass Anschlussbauteile, insbesondere Hydrolager 3, im Bereich des Lastaufnahmebereichs 2 wesentlich unterschiedlich dimensioniert werden müssten.
Es ergibt sich dank der Erfindung somit eine im Wesentlichen kompatible Plug and Play-Austauschmöglichkeit zwischen Stahl-Querlenkern und Aluminiumquerlenkern.
5 zeigt schematisch nochmals den Querschnittsübergang zwischen einem Lagerpin bzw. Lastaufnahmebereich 2 und dem zugehörigen Restbauteil 1, sowie eine Auswahl von Hüllkurven für mögliche Querschnittsübergänge zwischen Lastaufnahmebereich 2 und Restbauteil 1. Als durchgehende fette Linien gezeichnet sind in 5 zwei Varianten für die aus dem Stand der Technik bekannten kreissegmentförmigen Hüllkurven 5, 7 für den Querschnittsübergang, wobei es sich bei der Hüllkurve 7 um ein 90°-Kreissegment handelt, während die Hüllkurve 5 ein 45°-Kreissegment darstellt. Damit entspricht die Hüllkurve 5 auch im Wesentlichen dem bereits in 3 dargestellten, aus dem Stand der Technik bekannten kreissegmentförmigen Querschnittsübergang 5. Zur Veranschaulichung der Stelle mit der höchsten Versagenshäufigkeit beim kreissegmentförmigen 45°-Querschnittsübergang 5 ist in 5 nochmals der entsprechende Schraffurbereich 8 eingezeichnet (vgl. 3).
In 5 strichliert dargestellt ist der im Wesentlichen dem Arkuskotangens 6 über der Länge des Querschnittsübergangs entsprechende Verlauf einer Hüllkurve, wie er auch bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Querschnittsübergang 6 zwischen Lastaufnahmebereich 2 und Restbauteil 1 gemäß 4 verwendet worden ist.
Zum Vergleich ist der Verlauf der Kurve des Arkuskotangens 6 auch nochmals neben der Legende der 5 abgebildet. Man erkennt, dass der Arkuskotangens 6 einen besonders allmählichen und gleichmäßigen – und damit in Bezug auf die Vermeidung von Kerbspannungen im Bereich 8 der höchsten Versagenshäufigkeit beim kreissegmentförmigen Übergang 5 nahezu idealen – Verlauf der Hüllkurve 6 für den Querschnittsübergang zwischen Lastaufnahmebereich 2 und Restbauteil 1 bildet. Einen bezüglich der Reduktion der Kerbspannungen und Versagenshäufigkeiten ähnlich vorteilhaften Verlauf für die Übergangskurve bildet auch der Areasinus Hyperbolicus, wobei letzterer jedoch am Auslauf entlang des Lastaufnahmebereichs 2 nicht asymptotisch verläuft und sich somit insbesondere für Übergänge mit einem Winkel > 90° eignet.
In der Darstellung von 5 ist der dem Arkuskotangens 6 entsprechende Verlauf der Hüllkurve des Querschnittsübergangs zwischen Lastaufnahmebereich 2 und Restbauteil 1 noch ein Stück 10 wert in das Restbauteil 1 hinein verlängert bzw. extrapoliert. Hierdurch wird ein Teil 11 des Restbauteils 1 abgeschnitten, der in 5 schraffiert dargestellt ist. Dieser schraffierte Teil 11 des Restbauteils 1 kann ohne Nachteile bezüglich der Belastbarkeit bzw. Dauerfestigkeit des Querschnittsübergangs zwischen Lastaufnahmebereich 2 und Restbauteil 1 entfernt werden, wodurch sich weitere Massereduzierungen und Bauraumeinsparungen an dem erfindungsgemäß ausgeführten Bauteil ergeben. Anstelle den Arkuskotangens 6 tangential in das Restbauteil 1 hinein zu extrapolieren, kann der restbauteilnahe Bereich der Arkuskotangens-Kurve 6 auch um den Schnittpunkt des Arkuskotangens 6 mit der Oberfläche 12 des Restbauteils 1 punktgespiegelt werden.
Falls ein Weglassen des von dem extrapolierten Verlauf 10 der Arkuskotangenskurve 6 abgeschnittenen, schraffierten Bereichs 11 des Restbauteils 1 nicht in Betracht kommt, beispielsweise aus anderweitigen konstruktiven Gründen, so bietet sich auch eine alternative Formgebung 9 für den Verlauf der Hüllkurve zwischen Lastaufnahmebereich 2 und Restbauteil 1 an.
Dieser alternative Verlauf 9 der Hüllkurve entspricht im abgebildeten Beispiel gemäß 5 einer Viertelellipse, und ist in 5 als punktierte Linie 9 dargestellt. Man erkennt, dass der Verlauf der Viertelellipse 9 in weiten Teilen mit dem Verlauf des Arkuskotangens 6 fast genau übereinstimmt, insbesondere im Abschnitt zwischen 1 und 3 der entlang des Lastaufnahmebereichs 2 aufgetragenen Längeneinheiten.
In dem bauteilnahen Bereich zwischen 0 und 1 Längeneinheiten verläuft der als Viertelellipse 9 ausgeführte Querschnittsübergang etwas näher am Lastaufnahmebereich 2 als der Arkuskotangens 6, um beim Auftreffen auf das Restbauteil 1 sodann nahtlos in eine Tangente 12 an die Restbauteiloberfläche überzugehen. Auf diese Weise bildet die Viertelellipse 9 ebenfalls einen nahezu perfekt gleichmäßigen Querschnittsübergang zwischen Lastaufnahmebereich 2 und Restbauteil 1 insbesondere für den Fall, dass das Restbauteil 1 eine ebene Stirnfläche im Bereich bei 12 aufweisen sollte.
Einen bezüglich der Reduktion von Kerbspannungen und Versagenshäufigkeiten ähnlich vorteilhaften und mit diesem weithin fast deckungsgleichen Verlauf wie die Viertelellipse 9 bildet beispielsweise auch der (in 5 nicht eigens eingezeichnete) Areakosinus Hyperbolicus. Letzterer verläuft jedoch am Auslauf entlang des Lastaufnahmebereichs 2 nicht asymptotisch, und eignet sich somit insbesondere wieder für Übergänge mit einem Winkel > 90° zwischen Lastaufnahmebereich 2 und Restbauteil 1.
Die 6 bis 8 zeigen die Anordnung eines Elastomerlagers bzw. Hydrolagers 3 an dem Lastaufnahmebereich bzw. Lagerpin 2 eines erfindungsgemäß ausgebildeten Querlenkerbauteil 1. 6 zeigt zunächst nochmals den Querlenker gemäß 1, welcher einen Lastaufnahmebereich bzw. einen Lagerpin 2 aufweist, der mittels eines erfindungsgemäß ausgebildeten Querschnittsübergangs 6 mit dem Restbauteil 1 verbunden ist. Man erkennt in 6 auch bereits das Elastomer- bzw. Hydrolager 6.
7 zeigt den Lagerpin 2 und Hydrolager 6 tragenden Arm des Querlenkers 1 gemäß 1 und 6 nochmals in vergrößerter, isometrischer Darstellung. In weiter vergrößerter Darstellung ist der Lagerpin 2 und das darauf angeordnete, geschnitten dargestellte Hydrolager 3 nochmals in der Draufsicht gemäß 8 abgebildet.
Man erkennt jeweils den Querschnittsübergang 6 zwischen Lastaufnahmebereich bzw. Lagerpin 2 und Restbauteil 1, welcher hier wieder eine im Wesentlichen mit dem Arkuskotangens übereinstimmende Hüllkurve 6 aufweist. Um eine optimale Anlage und Kraftübertragung vom Hydrolager 3 auf den Lagerpin 2 zu gewährleisten, wurde bei der dargestellten Ausführungsform ferner die Kontur der Innenhülse 13 des Hydrolagers 3 der Kontur des Querschnittsübergangs 6 zwischen Lagerpin 2 und Restbauteil 1 angepasst, indem die Innenhülse 13 an ihrem querlenkerseitigen Ende etwas aufgeweitet wurde. Hierdurch wird die Funktion und der Federweg des Hydrolagers 3 nicht beeinträchtigt, gleichzeitig ergibt sich jedoch ein optimaler Kraftangriff am Lagerpin 2, indem auch der Querschnittsübergang 6 zwischen Lagerpin 2 und Restbauteil 1 mit als Sitz und Aufnahme für die Innenhülse 13 des Hydrolagers 3 herangezogen wird.
Das in den 6 bis 8 dargestellte Hydrolager 3 besitzt an seinen zeichnungsbezogen rechten Ende zudem ein ringförmig ausgebildetes Anschlagelement 14, welches die im Fahrbetrieb des Querlenkers 1 auftretenden radialen Auslenkungen des Hydrolagers 3 beim Auftreten starker Querkräfte begrenzt, um eine Überlastung des Hydrolagers 3 zu vermeiden.
Bei Querlenkern 1 bzw. Lagerpins 2 mit Querschnittsübergängen 4, 5 (vgl. 2 und 3) gemäß dem Stand der Technik kann dies ein Problem darstellen, da das Anschlagelement 14 im Betrieb hohe dynamische Biegemomente in den Lagerpin 2 einleitet und damit potenziell zusätzlich die Lebensdauer eines dergestalt ausgebildeten Querlenkers 1 verringert. Da der Querschnittsübergang 6 zwischen Lagerpin 2 und Querlenker 1 anhand der Erfindung jedoch eine bis zu zehnmal niedrigere Versagenswahrscheinlichkeit, bzw. eine dementsprechend erhöhte Belastbarkeit aufweist, stellen die durch das Anschlagelement 14 in den Lagerpin 2 eingeleiteten Biegemomente dank der Erfindung jedoch kein Problem mehr dar.
In den 9 bis 14 sind zwei Ausführungsbeispiele für Kugelzapfen 15, 16 von Kugelgelenken als weitere Anwendungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Kugelzapfen 15, 16 gemäß 9 und 12 sind in einem Grundbauteil (21) montiert und weisen jeweils eine Anzahl von Querschnittsübergängen 6 zwischen einem ihrer Lastaufnahmebereiche (Kugel 17 bzw. Gewindeschaft 18) und dem jeweiligen Restbauteil auf. (Da die Kugelzapfen hier mehrere betrachtete Lastaufnahmebereiche – insbesondere 17, 18 – aufweisen, definiert sich das ”Restbauteil” im Fall der betrachteten Kugelzapfen 15, 16 dadurch, dass vom Körper des Kugelzapfens 15, 16 gedanklich der jeweils betrachtete Lastaufnahmebereich, 17, 18 subtrahiert wird.) Dabei stimmen die Querschnittsübergänge 6 zwischen Lastaufnahmebereich und dem jeweiligen Restbauteil bei den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils erfindungsgemäß mit Abschnitten des positiven Astes des Arkuskotangens 6 überein.
Bei dem Kugelzapfen 15 gemäß 9 weist sowohl der Querschnittsübergang vom Gewindeschaft 18 auf den Zapfenbund 19 als auch der Querschnittsübergang von der Kugel 17 auf den Bund 19 einen mit dem Arkuskotangens 6 übereinstimmenden Verlauf der Hüllkurve auf.
10 zeigt den Querschnittsübergang von der Kugel 17 des Kugelzapfens 15 gemäß 9 auf den Bund 19 des Zapfens 15 nochmals in vergrößerter Darstellung. Man erkennt, dass sich dieser Querschnittsübergang aus zwei glatt bzw. tangential (differenzierbar) aneinandergefügten Ästen 6 des Arkuskotangens zusammensetzt, wie dies weiter vergrößert nochmals anhand 11 veranschaulicht ist. Die beiden Äste 6 des Arkuskotangens sind in diesem Ausführungsbeispiel an ihrem Schnittpunkt 20 mit der y-Achse zusammengefügt (wobei der zeichnungsbezogen obere Arkuskotangens-Ast zuvor entlang der y-Achse gespiegelt wurde). Da der Arkuskotangens 6 die y-Achse unter einem Winkel von 45° schneidet (vgl. auch 5), ergibt diese Zusammenfügung der beiden Arkuskotangens-Äste 6 insgesamt den glatten 90°-Bogen gemäß 10 und 11.
Es lassen sich jedoch auch Querschnittsübergänge mit beliebigen anderen (größeren) Winkeln auf ähnliche Weise mittels Aneinanderfügung zweier Arkuskotangens-Äste 6 belastungs- und spannungsoptimiert ausführen. Hierzu ist lediglich der Punkt 20 der Zusammenfügung der beiden Arkuskotangens-Äste 6 auf der positiven x-Halbachse so zu wählen, dass sich insgesamt der gewünschte Öffnungswinkel des Querschnittsübergangs ergibt.
Zur Erzielung kleinerer Winkel als 90° an derartigen Querschnittsübergängen lassen sich mit Vorteil jeweils Viertelellipsen 9 (vgl. 5) bzw. allgemein Teilellipsen einsetzen. Wie aus 5 ersichtlich, hat die Viertelellipse 9 beim Einsatz als Hüllkurve für einen Querschnittsübergang die Eigenschaft, nicht wie der Arkuskotangens 6 mit 45°, sondern tangential mit 0° auf das Restbauteil 1 aufzutreffen, während der Verlauf der Viertelellipse 9 in Richtung auf den Lastaufnahmebereich 2 hin fast exakt mit dem Verlauf des Arkuskotangens 6 übereinstimmt. Daher lassen sich durch Einsatz der Viertelellipse 9 anstelle des Arkuskotangens 6 insbesondere symmetrische Querschnittsübergänge (vgl. 10 und 11) auch dann kerbspannungsoptimiert realisieren, wenn ein Öffnungswinkel zwischen 0° und 90° gefordert ist.
Eine andere Variante eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kugelzapfens 16 zeigen 12 bis 14. Bei dem Kugelzapfen 16 gemäß 12 weisen wieder sowohl der Querschnittsübergang vom Gewindeschaft 18 auf den Zapfenbund 19 als auch der Querschnittsübergang von der Kugel 17 auf den Bund 19 mit dem Arkuskotangens 6 übereinstimmende Verläufe der Hüllkurve auf.
13 bzw. 14 zeigen in jeweils vergrößerter Darstellung nochmals den Querschnittsübergang von der Kugel 17 auf den Bund 19 des Kugelzapfens 16 gemäß 12. Man erkennt, dass sich dieser Querschnittsübergang auch hier wieder aus zwei glatt aneinandergefügten Ästen 6 des Arkuskotangens zusammensetzt. Die beiden Äste 6 des Arkuskotangens sind bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch im Verlauf ihrer Asymptoten entlang der der x-Achse entsprechend geglättet zusammengefügt (wobei der zeichnungsbezogen untere Arkuskotangens-Ast zuvor entlang der y-Achse gespiegelt wurde). Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft für hauptsächlich biegebelastete halsförmige Bereiche, wie dies gerade auch bei dem Kugelzapfen 16 gemäß 12 der Fall ist.
Dem erfindungsgemäßen Verlauf des Querschnittsübergangs 6 von der Kugel 17 auf den Bund 19 des Kugelzapfens 16 (fette durchgezogene Linie in 14) ist zum Vergleich noch der Verlauf des Querschnittsübergangs eines dem Kugelzapfen 16 entsprechenden Kugelzapfens aus dem Stand der Technik gegenübergestellt (punktierte Linie in 14), bei dem sich die Hüllkurve des Querschnittsübergangs aus aneinandergefügten geraden Segmenten und Kreissegmenten zusammensetzt.
Ein derartiger, aus dem Stand der Technik bekannter Kugelzapfen 22 ist auch in den 15 und 16 dargestellt. Insbesondere in 15 erkennt man, dass übliche Kugelzapfen aus dem Stand der Technik einen kegeligen Schaft 23 aufweisen und mittels einer Verschraubung 24 in eine entsprechend kegelige Sitzbohrung im Grundbauteil 21 eingezogen sind.
Dem Zapfen 22 aus dem Stand der Technik gemäß 15 und 16 ist in den 17 und 18 der erfindungsgemäß ausgebildete Zapfen 16 (vgl. 12) gegenübergestellt. Bei dem Zapfen 16 gemäß 17 bzw. 18 ist der Schaft nicht wie beim aus dem Stand der Technik bekannten Zapfen 22 in Form eines Kegelsitzes 23 ausgeführt, sondern liegt vielmehr lediglich im unmittelbar kugelnahen Bereich bei E am Grundbauteil 21 an (s. 18), wobei der Übergang vom Zapfenbund 19 zum Schaft 18 ferner auch hier wieder als Arkuskotangens-Abschnitt 6 ausgeführt ist.
Diese Ausbildung des Schaftes 18 mit einer definierten Anlage am Grundbauteil 21 lediglich im kugelnahen Bereich E, zusammen mit dem hier als Arkuskotangens 6 ausgebildeten Übergang vom Zapfenbund 19 zum Schaft 18 führt insgesamt zu einem ganzen Bündel an vorteilhaften Verbesserungen, wie dies insbesondere auch anhand einer Zusammenschau der 16 und 18 deutlich wird.
In den 16 bzw. 18 sind die Kugelzapfen 22 bzw. 16 zusammen mit dem jeweiligen Grundbauteil 21 nochmals im Längsschnitt durch den Kugelzapfen dargestellt, wobei zusätzlich Verlauf und Größe der Materialspannungen in den Kugelzapfen 22, 16 sowie im Grundbauteil 21 visuell angedeutet sind für den Fall, dass die Kugelzapfen 22, 16 jeweils mit einer zeichnungsbezogen seitwärts bzw. radial auf die Kugel 17 des jeweiligen Kugelzapfens 22, 16 wirkenden Betriebskraft F_R beaufschlagt sind. Bereiche mit (hohen) Zugspannungen sind dabei hell bzw. weiß dargestellt, während Bereiche mit (hohen) Druckspannungen dunkel bzw. schwarz dargestellt sind.
Bei dem Kugelzapfen 22 gemäß dem Stand der Technik wird zunächst einmal erkennbar, dass sich die Zugspannungen im wesentlichen punktuell in den Bereichen A und B konzentrieren. Im Bereich A ist dies mit einer vergleichsweise hohen Versagenswahrscheinlichkeit verbunden, insbesondere da sich der Bereich maximaler Druckspannungen C mit dem Bereich maximaler Zugspannungen bei A beim Wechsel der Kraftrichtung F_R genau deckt, was bei dem Kugelzapfen in 15 bzw. 16 gemäß dem Stand der Technik in den Bereichen A und C zu entsprechend hohen Spannungsamplituden bei dynamischer Beanspruchung und damit hohen Versagenswahrscheinlichkeiten in diesen Bereichen führt.
Bei dem erfindungsgemäß ausgeführten Kugelzapfen 16 gemäß 17 und 18 sind die Bereiche maximaler Zugspannung bei A und maximaler Druckspannung bei C beim Wechsel der Kraftrichtung F_R hingegen nicht deckungsgleich, sondern befinden sich dank der erfindungsgemäßen Gestaltung des Kugelzapfens 16 an verschiedenen Stellen des Halses des Kugelzapfens. Dies bedeutet, dass bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Kugelzapfen 16 die Spannungsamplitude sowohl bei A als auch bei C jeweils erheblich geringer ausfällt, wodurch die dynamische Belastbarkeit bzw. Lebensdauer des Kugelzapfens 16 gemäß 17 bzw. 18 bereits entsprechend maßgeblich höher liegt als die des aus dem Stand der Technik bekannten Kugelzapfens 22 gemäß 15 bzw. 16, bei ansonsten im wesentlichen gleicher Dimensionierung der Kugelzapfen 16 bzw. 22.
Zudem führt die Ausbildung des Schaftes 18 des Kugelzapfens 16 mit einem Sitz am Grundbauteil lediglich im unmittelbar kugelnahen Bereich E des Schaftes 18 dazu, dass sich die Zugvorspannung im Bereich D des Schaftes 18 bei dem erfindungsgemäß gestalteten Kugelzapfen 16 sehr viel gleichmäßiger über nahezu die gesamte Länge des Schaftes 18 fortpflanzt und erstreckt, als dies bei der punktuell konzentrierten Zugvorspannung im Bereich B bei dem Kugelzapfen 22 gemäß dem Stand der Technik der Fall ist.
Nicht nur führt aber diese Konzentration der Zugvorspannung bekannten Kugelzapfens 22 bei B zu einem erhöhten Versagensrisiko des Kugelzapfens 22 bei dynamischer Belastung, sondern sie verschlechtert auch den Sitz des kegeligen Schafts 23 des Kugelzapfens 22 im Grundbauteil 21, da der größte Teil der Zugvorspannung aus der Verschraubung 24 bereits im Bereich bei B konzentriert ist, dort ins Grundbauteil 21 abgeleitet wird, und daher im dynamisch hochbelasteten Bereich des Kegelsitzes am kugelseitigen Ende des Kegelsitzes 23 nicht mehr zur Verfügung steht. Dies führt bei dem Kugelzapfen 22 gemäß dem Stand der Technik somit zu einem vergleichsweise losen Sitz des kugelseitigen Endes des Schaftkegels 23, weshalb der kegelige Schaft 23 des Kugelzapfens 22 auch erst allmählich bei dynamischer Belastung durch die dann auftretenden dynamischen Betriebskräfte F_R in die kegelige Bohrung des Grundbauteils 21 sozusagen eingewalkt wird.
Um dennoch einen dauerhaft festen Sitz des aus dem Stand der Technik bekannten Kugelzapfens 22 im Grundbauteil 21 zu gewährleisten, muss der Kugelzapfen 22 somit bei der Montage eigens eine überhöhte Vorspannung durch die Verschraubung 24 erhalten, da wegen des Setzverhaltens und des damit verbundenen Vorspannkraftverlustes beim Kugelzapfen 22 gemäß dem Stand der Technik eine erhebliche Vorspannkraftreserve vorgesehen werden muss. Auch diese durch die Eigenschaften des Kegelsitzes 23 zwangsläufig bedingte überhöhte Vorspannung bei der Montage verringert die im Betrieb verfügbare Dauerfestigkeit des Kugelzapfens 22 und erhöht das Risiko des Versagens des Zapfens insbesondere im Bereich des Gewindeübergangs bei B, und bedingt zudem eine konstruktive Überdimensionierung des Kugelzapfens 22.
Bei dem erfindungsgemäß ausgeführten Kugelzapfen 16 gemäß 17 und 18, der einen arkuskotangensförmigen Querschnittsübergang zwischen Zapfenbund 19 und Schaft 18 sowie einen Sitz am Grundbauteil 21 lediglich im unmittelbar kugelnahen Bereich E aufweist, ist die Problematik des Vorspannkraftverlusts und sind die damit verbundenen Nachteile jedoch nahezu eliminiert. Dies hängt einerseits damit zusammen, dass dank des hier arkuskotangensförmigen Querschnittsübergangs insbesondere im Anlagebereich E am Grundbauteil 21 ein erheblich flacherer Anlagewinkel zwischen Kugelzapfen 16 und Grundbauteil 21 gegeben ist als bei dem steilen Kegelsitz des aus dem Stand der Technik bekannten Kugelzapfens 22 gemäß 15 bzw. 16.
Ein weiterer wesentlicher Grund für die geringen Setzerscheinungen und den geringen Vorspannkraftverlust bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Kugelzapfen 16 gemäß 17 bzw. 18 liegt jedoch auch darin, dass praktisch die gesamte Vorspannkraft der Verschraubung 24 nach der Montage des Kugelzapfens 16 im Grundbauteil 21 von Anfang an auch tatsächlich im Bereich des kugelseitigen Endes des Sitzes des Kugelzapfens 16 am Grundbauteil 21 ankommt. Die Vorspannkraft der Verschraubung 24 beim Kugelzapfen 22 gemäß dem Stand der Technik hingegen wird großenteils bereits im Bereich der Spannungskonzentration bei B verbraucht bzw. in das Grundbauteil 21 eingeleitet und gelangt zunächst gar nicht in den hochbelasteten Bereich des Kegelsitzes bei F, wodurch sich auch die oben beschriebenen Setzerscheinungen des Kugelzapfens 22 sowie der (vergleichsweise) lose Sitz des oberen Endes des kegeligen Schaftes 23 im Betrieb ergeben, mit dementsprechenden nachteiligen Folgen bezüglich Dimensionierung und Dauerfestigkeit.
Ebenso eliminiert der erfindungsgemäß ausgebildete Kugelzapfen 16 gemäß 17 und 18 die der Dauerfestigkeit des Kugelzapfens 22 gemäß 15 und 16 abträglichen Spannungskonzentrationen auch in den Bereichen B (Spannungskonzentration am Gewindeübergang zum kegelförmigen Zapfenbereich 23) und F (Spannungskonzentration am scharfkantigen Übergang zwischen Grundbauteil 21 und kegelförmigem Zapfenbereich 23) zugunsten eines sehr viel gleichmäßigeren und allmählicheren Spannungsverlaufs D auf zudem niedrigerem Spannungsniveau entlang nahezu der gesamten Schaftlänge 18, sowie zugunsten eines auf eine größere, definierte Anlagefläche verteilten Spannungsverlaufs bzw. Anpressdrucks bei E.
Schließlich ergibt sich durch den erheblich flacheren Anlagewinkel zwischen Kugelzapfen 16 und Grundbauteil 21 im Bereich des Sitzes E des Kugelzapfens 16 am Grundbauteil 21 auch eine maßlich erheblich exaktere Definition der axialen Relativposition zwischen Zapfenkugel 17 und Grundbauteil 21. Im Unterschied hierzu kann die axiale Relativposition zwischen Zapfenkugel 17 und Grundbauteil 21 bei einem Kugelzapfen 22 gemäß dem Stand der Technik mit kegelförmigem Schaft 23 aufgrund der Toleranzen des Schaftdurchmessers und des Bohrungsdurchmessers am Grundbauteil 21 sowie in Abhängigkeit von der Höhe der Vorspannung durch die Verschraubung 24 erheblich schwanken.
Der in 19 und 20 dargestellte weitere Kugelzapfen 25 ist in ein Grundbauteil 21 aus einem weicheren Werkstoff, z. B. aus Aluminium, montiert.
Auch bei diesem Kugelzapfen 25 gemäß 19 und 20 wurde der spannungsoptimierte Querschnittsübergang unter Verwendung der hier wieder mit dem Arkuskotangens 6 übereinstimmenden Hüllkurve in mehrfacher Hinsicht angewandt, und zwar am Querschnittsübergang zwischen Kugel 17 und Zapfenbund 19, am Querschnittsübergang zwischen Zapfenbund 19 und dem Schaft 18 des Kugelzapfens 25, und ferner am Querschnittsübergang vom Schaft 18 zum Gewinderolldurchmesser 27.
Um die Zapfenbohrung des weicheren Werkstoffs des Grundbauteils 21 vor Beschädigung bzw. Materialverformung zu schützen, ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 19 auf der momentenbelasteten Seite des Grundbauteils 21 zwischen der Anlage des Kugelzapfens 25 und dem Grundbauteil 21 zusätzlich ein ringförmiges Kraftübertragungselement 26 aus einem härteren Werkstoff, insbesondere Stahl, eingelegt. Auch die äußere Querschnittsform des ringförmigen Kraftübertragungselements 26 ebenso wie die Formgebung des zeichnungsbezogen oberen Endes der Zapfenbohrung im Grundbauteil 21 entspricht – ebenso wie der benachbarte Querschnittsübergang vom Zapfenbund 19 auf den Schaft 18 des Kugelzapfens 25 – auch bei dieser Ausführungsform wieder dem Verlauf des Arkuskotangens 6, um so eine gleichmäßige Wandstärke des ringförmigen Kraftübertragungselements 26 und damit einen optimalen Kraftlinienverlauf bei der Kraftübertragung auf das Grundbauteil 21 zu erzielen.
Insgesamt lassen sich dank der erfindungsgemäßen Gestaltung der Querschnittsübergänge 6 somit beispielsweise auch an Kugelzapfen 15, 16, 25 entscheidende Verbesserungen bei der Lebensdauer bzw. der Belastbarkeit erzielen. Wahlweise können dank der Erfindung somit auch Kugelzapfen bei gleicher Belastbarkeit bzw. Lebensdauererwartung kleiner, leichter und schlanker ausgeführt werden, wodurch sich in vielen Fällen wieder Vorteile bezüglich Gewicht, Bauraum und Kosten ergeben. Ähnliches gilt für viele weitere, hier nicht eigens dargestellte Anwendungsfälle der Erfindung.
Im Ergebnis wird deutlich, dass sich mit der Erfindung Bauteile insbesondere im Bereich von Lagerungen, ferner Kraftübertragungsteile wie beispielsweise Kugelzapfen und Spurstangen, oder Bauteile für Radaufhängungen realisieren lassen, die dank der Erfindung entweder entscheidend höher belastbar sind, oder die bei gleicher Belastbarkeit und Lebensdauer entsprechend kleiner und leichter dimensioniert werden können.
Die Erfindung leistet damit einen entscheidenden Beitrag zur Bereitstellung leichter, jedoch hochbelastbarer Kraftübertragungsteile, ferner zur Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von Leichtwerkstoffen bzw. zum Ersatz teurer Schmiedeverfahren durch andere Herstellungsmethoden, insbesondere bei der Anwendung im Bereich der Kraftübertragung im Antriebsstrang bzw. bei Radaufhängungen und an der Radführung von Kraftfahrzeugen.

Claims

Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil mit zumindest einem Lastaufnahmebereich (2, 18), wobei Lastaufnahmebereich (2, 18) und Restbauteil (1, 17) einstückig ausgebildet sind, und wobei zwischen Restbauteil (1, 17) und Lastaufnahmebereich (2, 18) ein verrundeter Querschnittsübergang angeordnet ist, der zwischen Lastaufnahmebereich (2, 18) und Restbauteil (1, 17) eine entlang einer Hüllkurve veränderliche Querschnittsfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Hüllkurve des Querschnittsübergangs zumindest abschnittsweise mit dem positiven Ast des Arkuskotangens (6), des Areasinus Hyperbolicus, des Areakosinus Hyperbolicus, des Kotangens Hyperbolicus, des Kosekans Hyperbolicus oder im Wesentlichen mit einer Teilellipse (9) übereinstimmt.
Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllkurve des Querschnittsübergangs (6) zwischen Lastaufnahmebereich (2, 18) und Restbauteil (1, 17) in einen Bereich (11) des Restbauteils (1, 17) tangential extrapoliert oder punktgespiegelt ist und in diesem Bereich die äußere Begrenzung des Restbauteils (1, 17) bildet.
Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllkurve mehrere stetig und glatt ineinander übergehende Abschnitte umfasst, von denen zumindest ein Abschnitt mit einem Teil des positiven Astes des Arkuskotangens, des Areasinus Hyperbolicus, des Areakosinus Hyperbolicus, des Kotangens Hyperbolicus, des Kosekans Hyperbolicus oder mit einer Teilellipse (9) im wesentlichen übereinstimmt.
Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllkurve mehrere stetig und glatt ineinander übergehende Abschnitte umfasst, deren Verlauf jeweils zumindest mit einem Teil des positiven Astes des Arkuskotangens, des Areasinus Hyperbolicus, des Areakosinus Hyperbolicus, des Kotangens Hyperbolicus, des Kosekans Hyperbolicus oder mit einer Teilellipse (9) im Wesentlichen übereinstimmt.
Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein an einem Grundbauteil (21) anordenbarer Kugelzapfen (15, 16, 27) eines Kugelgelenks ist.
Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlage des Schafts (18) des Kugelzapfens (17) am Grundbauteil (21) lediglich im Bereich des kugelseitigen Endes des Schafts (18) erfolgt, wobei die Hüllkurve des Querschnittsübergangs vom Zapfenbund zum Schaft mit zumindest einem Teil des positiven Astes des Arkuskotangens, des Areasinus Hyperbolicus, des Areakosinus Hyperbolicus, des Kotangens Hyperbolicus, des Kosekans Hyperbolicus oder mit einer Teilellipse (9) im Wesentlichen übereinstimmt.
Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Radführungslenker (1) einer Radaufhängung ist.
Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastaufnahmebereich durch einen Lagerpin (2) für die Innenhülse eines Elastomerlagers oder Hydrolagers (3) gebildet ist.
Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenhülse (13) des Elastomer- bzw. Hydrolagers (3) und der Querschnittsübergang (6) sich zumindest teilweise überdecken.
Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Innenhülse (13) des das Elastomer- bzw. Hydrolagers (3) an die Form der Hüllkurve des Querschnittsübergangs (6) angepasst ist.
Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am restbauteilfernen Ende des Lastaufnahmebereichs ein Anschlagelement (14) zur Begrenzung des Federwegs für das Elastomer- bzw. Hydrolager (3) angeordnet ist.
Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein geschmiedeter Aluminium-Radführungslenker (1) ist.
Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein gegossener und anschließend überschmiedeter oder ein gegossener Aluminium-Radführungslenker (1) ist.
Lagerungs- oder Kraftübertragungsbauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Radführungslenker (1) einen Stahl-Radführungslenker kompatibel ersetzt.