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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsverbindung zwischen zumindest einem Drehfederstab und einem nabenförmigen Abtriebselement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Antriebsverbindungen, zum Beispiel bei tragenden oder stabilisierenden Drehfederstäben mit Abtriebshebeln an Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen, sind zumeist über Steckverzahnungen bzw. Kerbverzahnungen gebildet. Die Kerbverzahnungen sind auch bei Bauteilen aus Stahl eine Problemstelle, bei der Kerbrisse und damit verbunden Bauteilausfälle auftreten können. Je spröder der verwendete Werkstoff ist, umso höher ist die Gefahr von Kerbrissen.
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Aus der
DE 10 2009 005 899 A1 ist eine solche gattungsgemäße Antriebsverbindung bekannt, die bei einem Hinterachssteller eines Fahrzeugs angewendet wird. Pro Rad können mit diesem Steller, der fest mit dem Hilfsrahmen verschraubt ist, aktiv Kräfte gestellt werden. Der Aktuator besitzt ein geschachteltes Drehfedersystem, in dem Federarbeit gespeichert und wieder abgegeben werden kann, So wird Federarbeit im Wechselspiel der Ein- und Ausfederbewegung des Rades aufgenommen, respektive abgegeben. Gleichzeitig ist es möglich, mittels eines Antriebes Momente zu überlagern, sprich die Drehfedern – je nach Erfordernis – aufzuziehen oder zu entspannen. Durch das Vorhandensein der Hauptfeder müssen mit diesem Steller nur anteilig Stellkräfte zur Radlaständerung gestellt werden. Es findet ständig eine Überlagerung der Federkräfte aus Hauptfeder und Drehfeder statt, je nach dem wie die Fahrsituation dies erfordert und die Steuerung dies vorgibt. Am Ausgang des Drehfedersystems befindet sich eine Schwinge, an deren Ende eine Koppel angelenkt ist. Die Koppel verbindet die Schwinge mit dem Trapezlenker, welcher mit dem Rad verbunden ist. Somit können die im Steller erzeugten Drehmomente über den Lastpfad Motor/Getriebe/Drehfeder/Schwinge/Koppel/Trapezlenker/Rad letztlich als lineare Stellkräfte auf das Rad übertragen werden. Das Drehfedersystem selbst ist, wie bereits erwähnt, „geschachtelt”, und besteht im Wesentlichen aus einer in Reihe geschalteten Rohrfeder und einem mit ihr formschlüssig oder stoffschlüssig verbundenen Vollstab im Inneren der Rohrfeder. Am Getriebeausgang angeschlossen ist zunächst eine Rohrfeder. Am Ende der Rohrfeder schließt ein Vollstab an, der jedoch innerhalb der Rorhfeder wieder zurückkehrt, den Steller durchquert und bis auf die gegenüberliegende Seite des Stellers reicht. Dort ist die Verbindungsstelle zur Drehschwinge. Durch diese Anordnung, das heißt die Hin- und Rückführung von Rohr und Vollstab, wird Federlänge gewonnen, ohne nach außen hin unnötig Platz zu beanspruchen.
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Die 1 und 2 zeigen den gesamten Drehsteller mit „geschachteltem Drehfedersystem” und dem zugehörigen Antriebsmotor nebst Getriebe und Abtriebs-Schwinge. Problematisch sind hier die Verbindungsstellen zwischen Vollstabfeder und Rohrfeder. Bei der in der 2 linken Verbindungsstelle handelt es sich aus Montagegründen, respektive für eine eventuell später notwendige Demontage, also Reparatur, um eine lösbare Verbindung. Technisch verwirklicht ist die Verbindungsstelle im Stand der Technik mittels Kerbverzahnung, über die letztendlich die zu stellende Drehmomente in beiden Drehrichtungen übertragen werden.
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Die in der 2 rechte Verbindungsstelle kann im Stand der Technik eine Schweißverbindung sein. Deren Vorteile liegen auf der Hand, nämlich zum einen kostengünstiger, und zum anderen ist eine lösbare Verbindung aus Montagegrunden hier nicht erforderlich. Die Verbindung ist außerdem stoffschlüssig, und nicht formschlüssig, und dadurch absolut spielfrei. Probleme hinsichtlich Flächenpressung gibt es nicht. Als Schweißverfahren bietet sich hier beispielsweise Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen bestens an. Mit diesem Verfahren kann bis in größte Tiefen wirkungsvoll geschweißt werden.
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Im Stand der Technik erfolgt die Drehmomentübertragung von der Vollstabfeder zum Abtriebshebel mit Drehrohr rein formschlüssig über eine Kerbverzahnung. Dass der Bereich um die Kerbverzahnung selbst, sowie auch im Übergangsbereich zum Torsionsschaft der Vollstabfeder festigkeitsmäßig problematisch ist, liegt auf der Hand. Selbst bei sorgfältigster Fertigung lässt sich Kerbwirkung nicht vermeiden, da, wie der Name „Kerbverzahnung” schon verrät, eben „Kerben” existent sind.
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Überdies spielt sehr stark die Wahl des Werkstoffes mit herein. Spröde Werkstoffe sind naturgemäß kerbempfindlicher als zähe Werkstoffe. Verwendet man herkömmlichen Federstahl, mag das Problem noch nicht so stark im Vordergrund stehen. Jedoch bei Verwendung von modernen Werkstoffen, die mitunter spröder als Federstahl sind, rückt das Problem der Kerbempfindlichkeit plötzlich in den Vordergrund.
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Im Zeitalter des Einsatzes alternativer Werkstoffe ist wegen Gewicht und Werkstoffausnutzung zum Beispiel auch Titan als Werkstoff möglich. So ist es beispielsweise naheliegend, für den Vollstab Titan zu verwenden. Zudem hat Titan nur 57% der Dichte von Stahl. Es erklärt sich von selbst, dass die Drehmomente, welche über die formschlüssige Verbindung „Kerbverzahnung” übertragen werden müssen, sehr hoch sind, da Torsionsfedern aufgezogen werden. Der Schaftdurchmesser der Vollstabfeder nimmt, ausgehend von der Kerbverzahnung, allmählich ab, was in der Natur der Drehmomentübertragung begründet liegt. Zum einen erfordert die formschlüssige Verbindung wegen der auftretenden Flächenpressung einen großen Hebelarm zur Drehachse, zum anderen soll die Drehfeder relativ schlank sein um die gewünschte Federrate zu erhalten. Beide Bedingungen sind kontraproduktiv, was das Problem der Kerbwirkung betrifft. Festigkeitsersuche zeigen nämlich eindeutig, dass sich bei Verwendung des Werkstoffes Titanrisse, ausgehend von den Kerben, ausbilden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebsverbindung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, die fertigungstechnisch besonders günstig ist und die in erhöhtem Maße Risse in der Antriebsverbindung vermeidet.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angeführt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beinhalten die Unteransprüche.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei Verwendung eines relativ spröden Werkstoffes, zum Beispiel „Titan”, Kerben grundsätzlich zu vermeiden sind, das heißt also einen Verzicht auf Profile wie Kerbverzahnung, Keilwellenprofile und dergleichen, wie sie im klassischen Sinne aus dem Stand der Technik bekannt sind. Bei dieser Art von Welle/Nabe-Verbindung sind nämlich aufgrund der erforderlichen Formgebung stets unweigerlich „Kerben” vorhanden. Dies betrifft die Welle ebenso wie die Nabe, in beiden Teilen sind immer Kerben vorzufinden.
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Es wird deshalb vorgeschlagen, die beschriebene formschlüssige Verbindung durch ein ebenfalls formschlüssiges Profil, welches jedoch keine konkaven Formen verlangt, sondern ausschließlich erhabene, konvexe Konturen aufweist, zu ersetzen. So werden Kerben mit absoluter Sicherheit vermieden und zwar nicht nur im kritischen Übergangsbereich wie oben beschrieben, sondern auch im eigentlichen Übertragungsbereich für das Drehmoment. Ein solches Profil ist ein Polygonprofil, vorzugsweise in Gestalt eines Dreieckes, und hier wiederum soll die Sonderform „Gleichdick” favorisiert werden. Solche Profile sind genormt nach DIN32711, und zeichnen sich dadurch aus, dass keinerlei Kerbwirkung vorhanden ist.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung können die Polygonprofile definierter Länge über abgerundete Übergänge in anschließende Bereiche des Drehfederstabs und gegebenenfalls des Abtriebselements übergehen, wodurch Festigkeitssprünge bzw. ungleichmäßige Spannungsverteilungen in den Bauteilen vermieden sind.
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Insbesondere kann das Polygonprofil, wie oben bereits erwähnt, durch ein abgerundetes Dreikant (Gleichdick) oder Vierkant gebildet sein, zum Beispiel mit der Bezeichnung P3G oder P4C nach DIN 32711.
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Das vorgeschlagene Polygonprofil ermöglicht aufgrund der nicht vorhandenen Kerbwirkung in der Antriebsverbindung die Verwendung von hochfestem Leichtmetall, insbesondere Titan, zumindest für den Drehfederstab. Daraus resultiert unter anderem eine gewichtsgünstige Konstruktion mit hervorragenden Federeigenschaften. Besonders bevorzugt kann dabei das Abtriebselement aus Stahl und der aus Vollmaterial bestehende Drehfederstab aus Titan gefertigt sein.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Drehfederstab teil einer an Radaufhängungen in Kraftfahrzeugen vorgesehenen Stabillsatoranordnung sein, bei der ein Stellantrieb auf eine Rohrfeder und diese auf den Drehfederstab wirkt und der Drehfederstab wiederum eine einen Abtriebshebel tragende Rohrfeder beaufschlagt, wobei zwischen den beidseitigen Endabschnitten des Drehfederstabs und den korrespondierenden Endabschnitten der Rohrfedern die Polygonprofile angeordnet sind. Besonders zweckmäßig sind dabei die Rohrfedern aus dünnwandigem Federstahl und die Drehstabfeder aus Titan gefertigt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in:
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1 eine linksseitige Radaufhängung für Kraftfahrzeuge mit einer Stabilisatoranordnung mit einer Stelleinheit, die über eine Rohrfeder und eine Drehstabfeder auf einen Abtriebshebel und dieser auf ein Radführungselement wirkt;
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2 die Stabilisatoranordnung nach 1 in einem Mittellängsschnitt durch die Rohrfeder und die Drehstabfeder und deren Antriebsverbindungen;
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3 in raumbildlicher Ansicht eine der Antriebsverbindungen zwischen der Rohrfeder aus Federstahl und der Drehstabfeder aus Titan mit einem dreieckförmigen Polygonwellenprofil; und
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4 eine stirnseitige Ansicht einer Antriebsverbindung.
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Die 1 zeigt in einer Ansicht von hinten eines Kraftfahrzeugs eine linksseitige Radaufhängung 10 für ein Vorderrad 12 wahlweise Hinterrad), die jedoch nur soweit dargestellt ist, als dies für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist.
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Die Radaufhängung 10 weist einen unteren Querlenker 14 auf, der schwenkbar an einem aufbaufesten Hilfsrahmen 16 angelenkt ist. Ferner ist ein Teleskop-Stoßdämpfer 18 eingezeichnet; die Tragfeder (zum Beispiel eine Schraubendruckfeder) und weitere Radführungselemente sind nicht dargestellt.
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Auf die Radaufhängung 10 bzw. auf deren unteren Querlenker 14 wirkt eine in Fahrzeugquerrichtung ausgerichtete Stabilisatoranordnung 20, die sich links- und rechtsseitig aus einer Stelleinheit 22 und ineinander verschachtelten, stabförmigen Torsionsfedern 24 zusammensetzt, die jeweils etwa bis zur senkrechten Fahrzeuglängsmittelebene 26 geführt sind.
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Die am Hilfsrahmen 16 befestigte Stelleinheit 22 (2) ist als einem Elektromotor und einem Stellgetriebe der Hohlwellenbauart, zum Beispiel einem Harmonic-Drive-Getriebe, gebildet, hier aber nicht weiter erläutert.
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Die in der 2 gezeigte Torsionsfeder 24 der Stelleinheit 22 setzt sich aus einer ersten Rohrfeder 32, einer mit einem Abtriebshebel 28 fest verbundenen, zweiten Rohrfeder 34 und einer darin gelagerten Drehstabfeder 36 aus Vollmaterial zusammen. Die dünnwandigen Rohrfedern 32, 34 sind hier beispielhaft aus Federstahl und die Drehstabfeder 36 aus Titan hergestellt.
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Dabei verläuft der Lastpfad von der Stelleinheit 22 bis etwa zur senkrechten Fahrzeuglängsmittelebene 26 über die Rohrfeder 32, dann über die innenliegende Drehstabfeder 36 zurück zur Fahrzeugaußenseite und durch die Stelleinheit 22 hindurch zur zweiten Rohrfeder 34 und von dieser auf den der Stelleinheit 22 unmittelbar benachbarten Abtriebshebel 28, der schließlich über eine in der 1 angedeutete Koppelstange 30 mit dem Querlenker 14 gekoppelt ist.
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Mittels der beidseitigen Stelleinheiten 22 kann die Vorspannkraft bzw. Federrate der Torsionsfedern 24 im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges derart verändert werden, dass ein Niveauausgleich erzielbar und Nick- und Wankbewegungen des Aufbaus entgegengewirkt werden kann.
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Die in Umfangsrichtung formschlüssigen, die Drehmomente übertragenden Antriebsverbindungen zwischen den Endabschnitten 36a des Drehfederstabs 36 und den Endabschnitten 32a bzw. 34a der Rohrfedern 32, 34 (in den 3 und 4 anhand der Rohrfeder 32 dargestellt) sind nicht durch Kerbverzahnungen, sondern durch ein dreieckförmig ausgeführtes Polygonwellenprofil 38 (auch als Gleichdick bezeichnet) mit definierter Länge gestaltet, dessen Profil nur erhabene und konvexe Konturen mit verrundeten Übergängen ohne jegliche Kerbbildung aufweist. Das Polygonwellenprofil 38 kann nach DIN 32711 mit der Bezeichnung P3G gefertigt sein.
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Das Innenprofil der als Steckverbindung ausgeführten Antriebsverbindung in den Endabschnitten 32a, 34a der Rohrfedern 32, 34 ist komplementär zum Außenprofil bei 36a des Drehfederstabs 36 ausgebildet.
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Das Polygonwellenprofil 38 auf dem in der 3 gezeigten Endabschnitt 36a der Drehstabfeder 36 geht über verrundete Übergänge 36b in den rotationssymmetrischen Schaft 36c des Drehfederstabs 36 über. Auch die Übergänge vom korrespondierenden Innenprofil 38 der Rohrfedern 32, 34 in die rotationssymmetrischen Rohrabschnitte 32b, 34b (2) sind entsprechend verrundet ausgeführt.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Anstelle des dreieckförmigen Polygonwellenprofils 38 kann auch ein Vierkantprofil zum Beispiel mit der Bezeichnung P4C oder ein anderes, keine Kerbwirkung ausübendes Polygonprofil verwendet sein.
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Die beschriebene Antriebsverbindung mit dem Polygonprofil 38 kann auch bei anderen, hohe Drehmomente übertragenden Drehstabfedern und Abtriebselementen oder bei einer als Steckverbindung ausgelegten, festen Einspannung eines Drehfederstabs eingesetzt sein, insbesondere in Kombination mit unterschiedlichen Werkstoffen wie hochfestem Leichtmetall oder Faserverbundwerkstoff beim Drehfederstab 36.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009005899 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN32711 [0012]
- DIN 32711 [0014]
- DIN 32711 [0029]
