DE102009058170A1

DE102009058170A1 - Blattfederanordnung

Info

Publication number: DE102009058170A1
Application number: DE102009058170A
Authority: DE
Inventors: Rodscha 33154 Drabon; Ulrich 86462 Müller; Peter 33129 Stastny
Original assignee: Benteler SGL GmbH and Co KG
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2011-06-22
Also published as: GB201113639D0; US20120267835A1; GB2479111A; US8925909B2; WO2011072652A1; CN102341255B; CN102341255A

Abstract

Blattfederanordnung für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, wobei eine Blattfeder (1, 7) endseitig durch Karosserieanbindungen (11) mit einem Fahrzeugaufbau (12) und im mittleren Bereich durch eine Mittenanbindung (8) mit einer Fahrzeugachse (9) des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, wobei die Blattfeder (1, 7) aus mehreren Lagen (2, 3) eines Glasfaserverbundkunststoffes besteht, wobei zwischen einer oberen Lage (2) aus Glasfaserverbundkunststoff und einer unteren Lage (3) aus Glasfaserverbundkunststoff eine Verstärkung (4, 5) aus einem Kohlefaserverbundkunststoff angeordnet ist. Wenigstens eine Verstärkung (4, 5) ist längsseits eines sich zwischen der oberen und der unteren Lage (2, 3) befindenden Kerns (6) angeordnet, der aus einem anderen Werkstoff als die Verstärkungen (4, 5) besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Blattfederanordnung für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs.
Die Federung und Dämpfung eines Kraftfahrzeugs wirkt sich insbesondere vor allem auf die vertikalen Fahrzeugschwingungen aus. Die Auslegung der Federung ist maßgebend für den Fahrkomfort, d. h. für die Schwingungsbeanspruchung der Insassen als auch der Ladung. Ferner hat die Federung entscheidenden Einfluss auf die Fahrsicherheit. Zu den bekannten Federungselementen zählen Blattfedern, die sowohl im PKW als auch im Nutzfahrzeugbereich zum Einsatz kommen. Blattfedern sind ein- oder mehrlagig ausgeführt und können bei bestimmten Anwendungen auch die Funktion der Radführung übernehmen. Sie ermöglichen eine günstige Krafteinleitung in die Karosserie. Blattfedern aus Stahl haben ein nicht unerhebliches Gewicht. Gerade im Nutzfahrzeugbereich sollen jedoch möglichst große Gewichtseinsparungen realisiert werden, damit unter Einhaltung des zulässigen Gesamtgewichts möglichst viel Ladung mitgeführt werden kann. Selbstverständlich wirken sich leichtere Blattfederanordnungen auch positiv auf den Kraftstoffverbrauch aus. Es zählt daher zum Stand der Technik, Blattfedern nicht nur aus Stahl, sondern auch aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) herzustellen, um Gewicht einzusparen.
Bei Starrachsen mit Längsblattfeder aus glasfaserverstärkten Kunststoffen wird die Steifigkeit in Y-Richtung, d. h. quer zur Fahrtrichtung, im Vergleich zu Blattfedern aus Stahl bei gleicher Federbreite kleiner, selbst wenn in Z-Richtung, d. h. in Hochrichtung des Kraftfahrzeugs, die Blattfedern aus GFK die gleiche Steifigkeit besitzen wie Blattfedern aus Stahl.
Die höhere Nachgiebigkeit in Y-Richtung kann jedoch negative Auswirkungen auf das Seitenführungsverhalten des Fahrzeugs haben, da ein höherer Querversatz der Achse unter dem Einfluss von Seitenkräften erfolgt. Dem höheren Querversatz kann entgegengewirkt werden, indem Blattfedern, bei denen mindestens eine Lage aus einem Metallprofil besteht, verwendet werden. Eine solche Blattfeder wird in der DE 198 147 92 A1 beschrieben. Allerdings besitzen Metallprofile ein höheres Gewicht als glasfaserverstärkter Kunststoff, so dass das gewünschte Einsparpotential durch Metalleinlagen nicht erreicht werden kann. Weiterhin ist der Herstellprozess solcher Federn komplex.
In der JP 540 25 986 A2 wird vorgeschlagen, eine innere Schicht eines faserverstärkten Kunststoffs aus Karbonfasern (CFK) beidseitig mit GFK-Fasern zu belegen, so dass dieser dreilagige Aufbau insgesamt eine höhere Festigkeit besitzt. Die steiferen CFK-Fasern besitzen ein geringes Gewicht und sollten aufgrund der höheren Steifigkeit bzw. geringeren Elastizität im Bereich der neutralen Faser der Blattfeder, d. h. primär im mittleren Bereich angeordnet sein. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch, dass CFK-Materialien wesentlich teurer sind als Glasfaserwerkstoffe. Derzeit liegt der Faktor bei ca. 1:16 bei 1 kg Fasern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Blattfederanordnung für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs aufzuzeigen, welche sich durch ein geringes Gewicht, kostengünstige Herstellungsweise und gleichzeitig hohe Steifigkeit gegenüber Seitenkräften auszeichnet.
Diese Aufgabe ist bei einer Blattfederanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Blattfederanordnung für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs umfasst eine Blattfeder, welche endseitig durch Karosserieanbindungen mit einem Fahrzeugaufbau und in ihrem mittleren Bereich durch eine Mittenanbindung mit einer Fahrzeugachse, insbesondere einer Starrachse, des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Die Blattfeder besteht in bekannter Weise aus mehreren Lagen eines Glasfaserverbundkunststoffs, wobei zwischen einer oberen Lage und einer unteren Lage aus Glasfaserverbundkunststoff eine Verstärkung aus einem Kohlefaserverbundkunststoff (CFK) angeordnet ist.
Wenigstens eine Verstärkung ist längsseits eines sich zwischen der oberen und der unteren Lage befindenden Kerns angeordnet, wobei der Kern aus Glasfaserverbundkunststoff besteht. Es kommt eine längsseitige Verstärkung aus CFK zum Einsatz, die kostenmäßig nicht so stark ins Gewicht fällt wie eine komplette Zwischenlage aus CFK. Hierbei ist die CFK-Verstärkung nur längsseits, d. h. im Abstand von der Mittellängsebene der Blattfeder vorhanden. Der Grund ist, dass in Bezug auf seitlich angreifende Kräfte ein Kern aus CFK einen weniger großen Anteil an der Biegesteifigkeit in Querrichtung hat, da die größte Biegespannung im Abstand von der neutralen Faser und nicht in der neutralen Faser auftreten. Ein weiterer Zuwachs an Seitensteifigkeit wäre durch einen CFK-Kern realisierbar, wobei diese Maßnahme jedoch in keinem Verhältnis zu den damit verbundenen Kosten bei Verwendung des Werkstoffs CFK steht. Daher kommt der Werkstoff CFK nur in solchen Bereichen der Blattfeder zur Anwendung, in denen die höchsten Biegespannungen in Querrichtung auftreten, so dass bei geringen Kosten dennoch hohe Widerstandmomente erreicht werden können.
Da die Steifigkeit des CFK sowohl in Zug- als auch in Druckrichtung den E-Modul gegenüber Blattfedern aus GFK erhöht, sind die Verstärkungen zweckmäßigerweise beiderseits längsseitig des Kerns angeordnet. Die Verstärkungen können dabei die gleiche Dicke wie der Kern besitzen, wobei die Dicke des Kerns bzw. der Verstärkungen über die Längserstreckung der Blattfeder variieren kann. Typischerweise nimmt die Dicke des Kerns sowie der gesamten Blattfeder zur Mittenanbindung hin zu und zu den Karosserieanbindungen hin ab. Denkbar ist, dass nur die Dicke des Kerns bzw. der Verstärkungen variabel ist, während die obere und untere Lage aus GFK im Wesentlichen eine konstante Dicke aufweist. Üblicherweise nimmt die Dicke der GFK-Feder zu den Enden hin wieder zu, da dort eine Möglichkeit gegeben sein muss, um eine Verbindung mit der Karosserie zu schaffen. Hierzu können entsprechende Lager in den Enden der Blattfeder vorgesehen sein.
Die Verstärkungen selbst sind jeweils für sich gesehen schmaler als der Kern und erstrecken sich vorzugsweise über einen Bereich von 20% bis 50% der Breite der Blattfeder.
Theoretisch ist es möglich, dass die Verstärkung breiter ist als die angrenzenden Lagen aus GFK. Da sich die Verstärkung jedoch auch an den ober- und unterseitig angrenzenden GFK-Lagen abstützt und dadurch ein Verwinden der Verstärkungen aus CFK verhindert wird, ist es zweckmäßig, wenn die Verstärkungen längsseitig nicht über die obere und untere Lage aus GFK hinausragen. Mit anderen Worten wird es als zweckmäßig angesehen, wenn alle Lagen die gleiche Breite besitzen.
Zusätzlich zu der werkstofftechnischen Anpassung der Mittellage der Blattfeder ist es möglich, die Blattfeder insgesamt so zu orientieren, dass eine bessere Seitenführung erreicht wird. Es ist denkbar, dass die Mittenanordnung der Blattfeder eine Auflagerfläche zur Abstützung der Blattfeder aufweist, wobei die Auflagerfläche um einen Winkel Gamma gegenüber der Hochachse des Kraftfahrzeugs geneigt ist.
Durch die Neigung der Auflagerfläche ist es denkbar, dass auch die endseitigen Lagerungsachsen in den Karosserieanbindungen um den Winkel Gamma geneigt sind. In diesem Fall ist keine Veränderung der Federgeometrie notwendig. Es können die gleichen Blattfedern verwendet werden, die auch bei einer horizontalen Lagerungsachse bzw. horizontal verlaufenden Auflagerflächen eingesetzt werden können.
Alternativ besteht die Möglichkeit, die Lagerungsachse der Enden der Blattfeder nicht zu verändern, d. h. horizontal orientiert zu belassen, wobei die Auflagerfläche dennoch um einen bestimmten Winkel gegenüber der Hochachse des Kraftfahrzeugs geneigt ist. Bei dieser Konfiguration werden die Enden um eine in Y-Richtung, d. h. quer zur Fahrtrichtung, liegende Lagerachse verschwenkt. Das Blattfederdesign ist hierbei allerdings etwas komplizierter, da die Kraftangriffsrichtung im Bereich der Mittenanbindung beim vertikalen Einfedern in Z-Richtung zu einer Kraftkomponente in Y-Richtung führt. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Blattfedern an einer Fahrzeugachse, insbesondere einer Starrachse, heben sich diese entgegengesetzt wirkenden Kräfte jedoch auf. Somit ist auch bei einer in Y-Richtung weisenden Lagerungsachse an der Karosserieanbindung und einer gleichzeitig um den Winkel Gamma geneigten Auflagerfläche eine verbesserte Seitenführung möglich, die der höheren Seitennachgiebigkeit einer GFK-Feder entgegenwirkt. Der Winkel Gamma liegt bei allen Varianten vorzugsweise in einem Bereich von 1° bis 20°, insbesondere in einem Bereich von 1° bis 5°.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer mit Stahlblattfedern gelagerten Starrachse eines Kraftfahrzeugs;
2 eine Blattfeder aus GFK/CFK in perspektivischer Ansicht;
3 eine vergrößerte Darstellung eines Endes der Blattfeder der 2;
4 die Blattfeder der 2 in einer Explosionsdarstellung;
5 einen Teilbereich der 4 in vergrößerter Darstellung;
6 eine perspektivische Ansicht einer Blattfederanbindung und
7 die Blattfederanbindung der 6 in einer Stirnansicht.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Fahrzeugachse, hier einer Starrachse als Hinterachse eines Kraftfahrzeugs. Starrachsen zeichnen sich dadurch aus, dass die Spurweite, die Vorspur und der Sturz stets konstant zur Fahrbahn sind und generell gute Spursicherheit bieten. Die Herstellungskosten sind niedrig. Es kann jedoch unter dem Einfluss von Seitenkräften FS, die in Y-Richtung wirken, zu ungünstigen Verformungen der Blattfeder kommen, wenn die Blattfedern nicht aus Stahl, sondern aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen.
Die in 1 dargestellten Blattfedern aus Stahl sind erfindungsgemäß durch Blattfedern aus einem Glasfaserverbundwerkstoff und einem Kohlefaserverbundwerkstoff (GFK/CFK) ersetzt worden. 2 zeigt eine solche Blattfeder 1. Die Blattfaser besitzt einen dreischichtigen Aufbau und besitzt eine obere Lage 2 aus GFK sowie eine untere Lage 3 aus GFK. Zwischen der oberen und unteren Lage 2, 3 ist eine Verstärkung 4 aus CFK angeordnet. Anhand der 2 lässt sich erkennen, dass die mittlere Lage bzw. die Verstärkung 4 im mittleren Bereich der Blattfeder eine größere Dicke besitzt als an den Enden. Dahingegen besitzen die oberen und unteren Lagen 2, 3 eine über die gesamte Länge gleich bleibende Dicke. Zusätzlich sind in 2 die angreifenden Seitenkraft FS und die Reaktionskräfte dargestellt, die an den Ende der Blattfeder 1 wirken. Die gestrichelte Linie stellt beispielhaft eine Biegelinie dar, die sich unter dem Einfluss der Kräfte einstellt.
Aus der etwas vergrößerten Darstellung der 3 wird deutlich, dass zwischen der oberen und unteren Lage 2, 3 zwei im Abstand zueinander liegende Verstärkungen 4, 5 angeordnet sind. Die Verstärkungen 4, 5 sind identisch konfiguriert, wie aus der Explosionsdarstellung der 4 bzw. aus der vergrößerten Darstellung in 5 hervorgeht. Zwischen den beiden Verstärkungen 4, 5 befindet sich ein Kern 6, der vorzugsweise aus GFK besteht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist also der Kernbereich zwischen der oberen Lage 2 und der unteren Lage 3 durch einen Werkstoffmix aus GFK und CFK gefüllt. Es gibt keine Hohlräume, da der Kern 6 und die beiden seitlichen Verstärkungen 4, 5 den Bereich zwischen den Lagen vollständig ausfüllen. In 4 ist gut zu erkennen, dass auch der Kern 6 in seinem mittleren Bereich ausgebaucht ist, also eine größere Dicke besitzt als zu den Enden hin.
Der Kern 6 ist wesentlich breiter als die Verstärkungen 4, 5. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis etwa 3:2. D. h., der Kern erstreckt sich über etwa 60% der Breite, während sich die gleich breiten Verstärkungen 4, 5 über etwa jeweils 20% der Breite erstrecken. Insgesamt ist der Kernbereich symmetrisch ausgebildet, d. h. die beiden Verstärkungen 4, 5 liegen im gleichen Abstand von der Mittelhochachse M bzw. der nicht näher eingezeichneten Mittelquerebene, in welcher die Mittelhochachse M verläuft. Es ist denkbar, dass die Anordnung asymmetrisch ist, d. h., dass die Verstärkungen eine voneinander abweichende Breite besitzen, oder aber dass der Kern asymmetrisch ausgebildet ist. Eine Symmetrie oder Asymmetrie kann auch nur in Teilbereichen der Blattfedern vorhanden sein, so dass eine Blattfeder in mindestens einem Längenabschnitt einen symmetrischen Aufbau oder unsymmetrischen Aufbau besitzt, während der Aufbau in anderen Bereichen abweicht.
6 zeigt eine Ausführungsform einer Blattfeder 7, welche über eine Mittenanbindung 8 mit einer als Starrachse ausgeführten Fahrzeugachse 9 verbunden ist. Enden 10 der Blattfeder 7 sind an einer Karosserieanbindung 11 des Fahrzeugaufbaus 12 schwenkbeweglich gelagert.
Das besondere ist, dass die Blattfeder 7 um einen bestimmten Winkel Gamma verdreht ist. Die Drehachse ist die Längsachse des Kraftfahrzeugs, d. h. die X-Achse. Der Winkel Gamma ist hier in Bezug auf die Hochachse oder Z-Achse eingetragen. Anhand der 7 ist nochmals deutlich erkennbar, dass die mit A bezeichnete Lagerungsachse des Endes 10 der Blattfeder 7 nicht in Y-Richtung weist, sondern um den Winkel Gamma verschwenkt wurde.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Blattfeder 7 um den Winkel Gamma von der Fahrzeugmitte weg verschwenkt worden. Bei einer Neigung einer Radachse würde man von einem positiven Sturzwinkel sprechen. Im vorliegenden Fall wird jedoch nicht die Radachse geneigt, sondern nur die Lagerungsachse A der Blattfeder 7.
Im Rahmen der Erfindung wurde auf die Darstellung einer zweiten Blattfeder an ein und derselben Fahrzeugachse 9 verzichtet. Es versteht sich, dass die korrespondierende Blattfeder am anderen Ende der Fahrzeugachse in entgegengesetzte Richtung verschwenkt worden ist, so dass sich ein symmetrischer Aufbau ergibt. Der Winkel Gamma beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 10°.
Bezugszeichenliste

1: Blattfeder
2: obere Lage
3: untere Lage
4: Verstärkung
5: Verstärkung
6: Kern
7: Blattfeder
8: Mittenanbindungen
9: Fahrzeugachse
10: Ende von 7
11: Karosserieanbindung
12: Fahrzeugaufbau
A: Lagerungsachse
M: Mittelhochachse
FS: Seitenkraft

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 19814792 A1 [0004]
JP 54025986 A2 [0005]

Claims

Blattfederanordnung für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, wobei eine Blattfeder (1, 7) endseitig durch Karosserieanbindungen (11) mit einem Fahrzeugaufbau (12) und im mittleren Bereich durch eine Mittenanbindung (8) mit einer Fahrzeugachse (9) des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, wobei die Blattfeder (1, 7) aus mehreren Lagen (2, 3) eines Glasfaserverbundkunststoffes besteht, wobei zwischen einer oberen Lage (2) aus Glasfaserverbundkunststoff und einer unteren Lage (3) aus Glasfaserverbundkunststoff eine Verstärkung (4, 5) aus einem Kohlefaserverbundkunststoff angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Verstärkung (4, 5) längsseits eines sich zwischen der oberen und der unteren Lage (2, 3) befindenden Kerns (6) angeordnet ist, der aus einem anderen Werkstoff als die Verstärkungen (4, 5) besteht.
Blattfederanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (6) aus einem Glasfaserverbundkunststoff besteht.
Blattfederanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungen (4, 5) beiderseits des Kerns (6) angeordnet sind.
Blattfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verstärkung (4, 5) die gleiche Dicke wie der Kern (6) besitzt.
Blattfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verstärkungen (4, 5) in der Summe über eine Breite von 20% bis 50% der Breite der Blattfeder (1, 7) erstrecken.
Blattfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verstärkung (4, 5) längsseitig nicht über die obere und untere Lage (2, 3) hinausragt.
Blattfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittenanbindung (8) der Blattfeder (7) eine Auflagerfläche aufweist, auf welcher sich die Blattfeder (7) abstützt, wobei die Auflagerfläche um einen Winkel (Gamma) gegenüber der Hochachse (Z) des Kraftfahrzeugs geneigt ist, und wobei Mittenanbindungen (8) einer Fahrzeugachse (9) gegensinnig geneigt sind.
Blattfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Karosserieanbindung (11) eine Lagerungsachse (A) für die Enden (10) der Blattfeder (7) aufweist, wobei eine zur Lagerungsachse (A) senkrechte Ebene um einen Winkel (Gamma) gegenüber der Hochachse (Z) des Kraftfahrzeugs geneigt ist und wobei die Lagerungsachsen (A) zweier Blattfedern (7) einer Fahrzeugachse (9) gegensinnig geneigt sind.
Blattfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (Gamma) in einem Bereich von 1° bis 20°, insbesondere 1° bis 5° liegt.