DE102013222188A1

DE102013222188A1 - Teleskop-Schwingungsdämpfer

Info

Publication number: DE102013222188A1
Application number: DE201310222188
Authority: DE
Inventors: Thomas Eiffländer; Michael Keigler; Hubert Scholz; Johann Dudkowiak; Wolfgang Gruber; Matthias Stangl; Martin Schwab; Andreas Reiser; Thomas Käspaizer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-04-30

Abstract

Nach der Erfindung ist ein Teleskop-Schwingungsdämpfer, insbesondere für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs, aufweisend ein Schwingungsdämpfer-Außenrohr mit einem Befestigungselement zur Anlenkung des Schwingungsdämpfers, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsdämpfer-Außenrohr wenigstens aus einer Schicht wenigstens eines Verbundwerkstoffs besteht, die konzentrisch ein Metallrohr umgibt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Teleskop-Schwingungsdämpfer nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Teleskop-Schwingungsdämpfer dämpfen zum Beispiel Schwingungen von ungefederten Teilen einer Fahrzeugachse und werden dazu meist zwischen einem Achslenker und der Karosserie eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Beim Federn der Räder verhindern die Schwingungsdämpfer das Entstehen einer Schwingbewegung und sorgen damit für ein möglichst ruhiges Fahrverhalten und gute Bodenhaftung des Kraftfahrzeuges.
Bei der Diskussion um geringere CO2-Emissionen, alternative Antriebstechniken und einen geringeren Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen ist es insbesondere wünschenswert, möglichst leichte Fahrzeugkomponenten herzustellen. Eine Möglichkeit ist es, faserverstärkte Kunststoffmaterialen zu verwenden, welche nicht nur Gewichtsersparnis ermöglichen, sondern auch hohe Steifigkeits- und Festigkeitsanforderungen erfüllen.
Derzeitige Dämpfersysteme sind entweder nicht leichtbaugerecht ausgelegt oder wenn, dann nur durch aufwändige Herstellungsprozesse realisierbar. Zudem besteht bei faserverstärkten oder auch nichtverstärkten Kunststoffdämpferrohren das Problem der Wärmeableitung durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffe.
Außerdem ist es bereits bekannt, die Außenrohre von Teleskop-Schwingungsdämpfern aus Kunststoff zu fertigen, wie in der britischen Patentschrift 1 491 251 beschrieben. Dies deshalb, dass das Volumen des Außenrohrs elastisch variieren kann.
Andere aus dem Stand der Technik bekannte Außenrohre werden aus metallischen Werkstoffen gefertigt. Vorzugsweise kommt hier Stahl zum Einsatz. Abhängig vom Werkstoff werden die Bauteile unter Berücksichtigung der Lebensdauer und der Steifigkeitsanforderungen ausgelegt. Ist eine hohe Steifigkeit erforderlich, so ist diese durch den Einsatz von metallischen Werkstoffen automatisch mit einem hohen Bauteilgewicht verbunden. Ein hohes Bauteilgewicht steht jedoch den aktuellen Anforderungen an Kraftfahrzeuge entgegen, da das Gesamtgewicht eines Kraftfahrzeuges verringert werden soll, um den Kraftstoffverbrauch und den CO₂ Ausstoß zu minimieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Teleskop-Schwingungsdämpfer für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, der ein geringes Bauteilgewicht bei gleichzeitiger Möglichkeit der Erfüllung hoher Steifigkeitsanforderungen vereint.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die abhängigen Ansprüche.
Nach der Erfindung ist ein Teleskop-Schwingungsdämpfer, insbesondere für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs, aufweisend ein Schwingungsdämpfer-Außenrohr mit einem Befestigungselement zur Anlenkung des Schwingungsdämpfers, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsdämpfer-Außenrohr wenigstens aus einer Schicht wenigstens eines Verbundwerkstoffs besteht, die konzentrisch, zumindest abschnittsweise, ein Metallrohr umgibt.
Das hat den Vorteil, dass das Außenrohr besonders leicht und stabil und trotzdem einfach und mit guter Qualität mediendicht ausgebildet werden kann. Gegenüber einer ausschließlichen Ausführung aus Metall ergibt sich eine Reduzierung der ungefederten Masse des Kraftfahrzeugs. Außerdem ist es möglich, durch den Verbundwerkstoff gezielt die Steifigkeitsanforderungen bei gleichzeitigem, geringem, spezifischen Bauteilgewicht zu erfüllen, während das Metallrohr mit sehr dünner Wandstärke gewählt werden kann, da dieses ausschließlich die Dichtheit bei einfacher Bearbeitbarkeit gewährleisten muss. Das Steifigkeitsverhalten wird durch die gezielte Wahl des Verbundwerkstoffs und auch durch die gezielte Herstellungsmethode des Verbundwerkstoffes optimal auf die jeweiligen Anforderungen ausgelegt.
Deshalb kann bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung das Metallrohr ein Leichtmetallrohr und derart dünnwandig gehalten sein, dass dieses den auftretenden Belastungen ohne zumindest eine der umhüllenden Faserverbundwerkstoffschichten nicht stand halten würde.
Bevorzugte Ausführungsformen von Teleskop-Schwingungsdämpfern sind dadurch gekennzeichnet, dass als Verbundwerkstoff ein Faserverbundwerkstoff eingesetzt ist, vorzugsweise aus Glasfasern und/oder Carbonfasern und/oder Aramidfasern und/oder Basaltfasern. Dies bewirkt eine noch größere Gewichtsreduktion beim Schwingungsdämpfer. Vorzugsweise wird das Metallrohr mit Faserverbundwerkstoffschichten umwickelt, was eine besonders einfache Herstellung ermöglicht, oder die Faserverbundwerkstoffschichten werden durch ein Pultrusions- oder ein Flechtverfahren um das Metallrohr herum angebracht. Dies begünstigt eine Serienherstellung. Dabei können die Faserverbundwerkstoffschichten bereichsweise unterschiedlich dick ausgeführt sein.
Wenn die Faserverbundwerkstoffschichten wenigstens eine direkt an das Metallrohr anschließende Glasfaserverbundwerkstoffschicht, darauf folgend wenigstens eine Carbonfaserverbundwerkstoffschicht und darauf folgend wenigstens eine weitere Glasfaserverbundwerkstoffschicht umfassen, hat das den Vorteil, dass durch die Glasfaserverbundwerkstoffschicht eine elektrische Isolierung des Schwingungsdämpfers erfolgt, während durch die Carbonfaserverbundwerkstoffschicht das Steifigkeitsverhalten mit geringstem Gewicht eingestellt werden kann und über die weitere Glasfaserschicht weitere Bauteile zur Krafteinleitung an das Schwingungsdämpfer-Außenrohr angebunden werden können.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen sehen vor, dass das Metallrohr ein Leichtmetallrohr und das Befestigungselement aus metallischem Werkstoff oder in Mischbauweise aus Kunststoff und Metall ausgebildet ist. Wenn dann das Außenrohr an das Befestigungselement über den Faserverbundwerkstoff formschlüssig und/oder kraftschlüssig angebunden ist, hat das den Vorteil, dass eine festigkeitsmäßig, entsprechend der notwendigen Anforderungen, einfach gestaltbare Verbindung zwischen Außenrohr und Befestigungselement hergestellt werden kann. Besondere Stabilität ist gewährleistet, wenn der Faserverbundwerkstoff durch Kohlefasern und/oder Glasfasern und/oder Aramidfasern verstärkt ist und als bettender Matrixwerkstoff thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff verwendet wird. Das Befestigungselement kann dabei zum Beispiel ein mit dem Außenrohr verbundenes Gelenkauge zur Anbindung des Schwingungsdämpfers an ein anderes Bauelement sein.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Teleskopschwingungsdämpfers sind dadurch gekennzeichnet, dass an der äußeren Faserverbundwerkstoffschicht zumindest eine der Wärmeabfuhr dienende Rippe oder dergleichen aus einem Werkstoff, welcher eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Faserverbundwerkstoff aufweist, vorgesehen ist. Dies dient auf hervorragende Weise der Wärmeabfuhr zur Kühlung des Schwingungsdämpfers. Zusätzlich ist dann noch von Vorteil, wenn im Faserverbundwerkstoff zumindest ein wärmeleitender Zusatzstoff, beispielsweise in Form von Metallfäden oder dergleichen, vorgesehen ist.
Ebenfalls von Vorteil für eine Wärmeabführung über die Karosserie des Kraftfahrzeugs ist, wenn der Teleskop-Schwingungsdämpfer nach dem Stand der Technik in Upside-Down-Anordnung ins Fahrwerk des Kraftfahrzeugs eingebaut ist, wobei das metallische Außenrohr mit dem Befestigungselement an einem gefederten Fahrzeugteil befestigt ist, während eine Kolbenstange eines vom Außenrohr geführten Kolbens mit ihrem freien Ende an einem zugeordneten Radträger des Kraftahrzeugs angelenkt ist.
Nachfolgend werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Teleskop-Schwingungsdämpfers für eine Kraftfahrzeugradaufhängung anhand einer beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1: einen schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Teleskop-Stoßdämpfer im Schnitt und
2: einen vergrößerten und in Explosionsdarstellung dargestellten Ausschnitt der Wandschichen eines erfindungsgemäßen Außenrohrs des Teleskop-Stoßdämpfers.
1 zeigt einen ölgefüllten Einrohr-Teleskopschwingungsdämpfer für Kraftfahrzeuge, bei welchem ein an einer nur teilweise gezeichneten Kolbenstange 1 befestigter Dämpfungskolben 6 einen Arbeitszylinder in zwei Arbeitsräume, einen deckelseitigen Arbeitsraum 8 und einen bodenseitigen Arbeitsraum 9 unterteilt. Die Arbeitsräume 8, 9 sind mit Öl als Dämpfungsfluid gefüllt und stehen über nicht gezeichnete Ventile im Dämpfungskolben 6 in Verbindung. Durch einen verschiebbaren Trennkolben 5 ist vom bodenseitigen Arbeitsraum 9 ein Gasdruckraum 3 abgetrennt, wodurch der nötige Volumenausgleich beim Verschieben des Dämpfungskolbens 6 ermöglicht wird. Der Arbeitszylinder und der Gasdruckraum 3 sind in einem Außenrohr 13 ausgebildet. Die Funktionsweise des dargestellten Schwingungsdämpfers beim Dämpfen von Stößen ist dem Fachmann aus dem Stand der Technik geläufig. Das Außenrohr 13 ist bodenseitig durch den Boden 10 abgestützt und mit diesem fest verbunden. An seinem gegenüberliegenden Ende tritt die Kolbenstange 1 aus dem Außenrohr 13 durch einen mit diesem dicht verbundenen Deckel 4 axial verschieblich und radial fixiert über eine Abdichteinrichtung aus.
Im Arbeitszylinder wird die eigentliche Dämpfarbeit vollbracht, d. h. die am Dämpfungskolben 6 sitzenden nicht gezeichneten Dämpfungsventile setzen dem durch den Dämpfungskolben 6 hindurchfließenden Öl einen Widerstand entgegen. Dadurch wird eine Druckdifferenz erzeugt, die der sich relativ zum Außenrohr 13 bewegenden Kolbenstange 1 eine Dämpfkraft entgegensetzt. Der Gasdruckraum 3 dient zum Volumen- und Temperaturausgleich. Beim Einfedern gleicht der Gasdruckraum 3 das Volumen der durch die Kolbenstange 1 verdrängten Ölmenge durch Kompression aus. Bei Wärmeentwicklung durch die Dämpfung am Kolben 6 dehnt sich das Dämpferöl aus. Diese Ausdehnung wird ebenfalls durch das Gasvolumen im Gasdruckraum 3 kompensiert. Üblicherweise hat ein Einrohrdämpfer einen Basisinnendruck von ca. 20–30 bar. Diese Vorspannung wird benötigt, damit beim Einfedern nicht die Ölsäule im deckelseitigen oberen Arbeitsraum 8 abreißt und somit kein Vakuum entsteht. Diese Kavitation würde sich negativ auf die Dämpfkraftcharakteristik des Teleskopschwingungsdämpfers auswirken.
Das Außenrohr 13 wird nach unten durch den Boden 10 mit einem Befestigungselement 7 zur Anlenkung des Schwingungsdämpfers verschlosverschlossen. Das Außenrohr 13 ist aus einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt und zwar so dünn, dass es im hochbelasteten Bereich nicht ohne zusätzliche Verstärkung stand halten würde. Deshalb werden um diese kostengünstig hergestellte Leichtmetall-Rohrform zuerst Fasern aus GFK und in einem späteren Prozessschritt Fasern aus CFK herumgewickelt oder alternativ mittels eines Pultrusions- oder Flechtprozesses angebracht. Eine zusätzliche lokale Aufdickung durch Fasern ist auch möglich und damit können gezielte Festigkeitseigenschaften erreicht werden. Die Anbringung der Fasern geschieht dabei schichtweise, wie in 2 dargestellt, womit bestimmte Eigenschaften des Dämpfers erreicht werden können. Beginnend mit einer Glasfaserschicht 14, aufgebracht auf die Leichtmetall-Rohrform 15, wird, neben der Verstärkung aufgrund der nicht vorhandenen Leitfähigkeit von Glasfasern eine elektrische Isolation des Außenrohres 13 gewährleistet. Darauffolgend wird mit einer Kohlefaserschicht 16 die Steifigkeit und Festigkeit der Leichtmetall-Rohrform 15 bis zur Hochbelastbarkeit erhöht. Abschließend wird eine weitere Glasfaserschicht 17 aufgebracht, die die Witterungsbeständigkeit gewährleistet. Die Leichtmetall-Rohrform 15 dient auch zur Gewährleistung der Wärmeableitung und als Dichtfläche für den Dämpfungskolben 6 und den Trennkolben 5. Die Explosionsdarstellung in 2 verdeutlicht den Aufbau des Außenrohrs 13 aus den Schichten 14 bis 17, wovon die Leichtmetall-Rohrform 15 die innere Schicht ist, die auch die Gleitfläche für Trennkolben 5 und Dämpfungskolben 6 bildet.
Um eine ausreichend gute Wärmeableitung zu gewährleisten, besteht der Boden 10 mit Befestigungselement 7 aus Metall und steht in direktem Kontakt mit der Leichtmetall-Rohrform 15. Dadurch wird die Wärme über den Boden 10 und die Befestigungselement 7 hervorragend abgeleitet. Dabei können auch zusätzlich Kühlrippen an Kunststoffbauteilen angebracht sein. Eine weitere Möglichkeit, um die Wärme ausreichend abzuführen wäre, Metallfasern in die Kunststoffschichten 16, 17 einzubringen bzw. andere Additive in den Kunststoff zu integrieren, welche die Wärmeleitfähigkeit verbessern.
Weiteres zu einer optimierten Wärmeableitung kann auch durch eine Upside-Down-Befestigung des Teleskop-Stoßdämpfers nach dem Stand der Technik realisiert werden. Dadurch kann dann die Wärme über die obere Befestigungselement 7 aus Metall in eine Karosserie abgeleitet werden.
Bei einfacher und wirtschaftlicher Herstellung des Außenrohres 13 mittels des kostengünstigen Pultrusionsverfahrens können anschließend Anbindungen von Krafteinleitungsbauteilen, beispielsweise Halter 18, Sensoren, Boden 10 und Deckel 4, in einem schnellen Prozessschritt an das Außenrohr integriert werden. Somit können die einzelnen Funktionsbauteile in einem nachträglichen Prozessschritt an das Außenrohr 13 angebracht werden, durch ein kostengünstiges und bereits im Urformvorgang integriertes Spritzgussverfahren. Auf eine aufwändige und kostenintensive Inserttechnlogie oder Verschraubung der Anbindungspunkte kann dadurch verzichtet werden. Um auch hierbei eine ausreichende Wärmeableitung zu gewährleisten, kann die Wärme über die metallische Befestigungselement 7 abgeleitet werden. Dabei können auch zusätzlich Kühlrippen an Kunststoffbauteilen angebracht oder Metallfasern bzw. andere die Wärmeleitung begünstigende Additive im Kunststoff integriert sein.
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

GB 1491251 [0005]

Claims

Teleskop-Schwingungsdämpfer, insbesondere für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs, aufweisend ein Schwingungsdämpfer-Außenrohr (13) mit einem Befestigungselement (7) zur Anlenkung des Schwingungsdämpfers, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsdämpfer-Außenrohr (13) wenigstens aus einer Schicht (14, 16, 17) wenigstens eines Verbundwerkstoffs besteht, die konzentrisch, zumindest abschnittsweise, ein Metallrohr (15) umgibt.
Teleskop-Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbundwerkstoff ein Faserverbundwerkstoff eingesetzt ist, vorzugsweise aus Glasfasern und/oder Carbonfasern und/oder Aramidfasern und/oder Basaltfasern.
Teleskop-Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallrohr (15) mit Faserverbundwerkstoffschichten (14, 16, 17) umwickelt ist.
Teleskop-Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Faserverbundwerkstoffschichten (14, 16, 17) durch ein Pultrusions- oder ein Flechtverfahren um das Metallrohr (15) herum angebracht werden.
Teleskop-Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundwerkstoffschichten (14, 16, 17) bereichsweise unterschiedlich dick ausgeführt sind.
Teleskop-Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundwerkstoffschichten (14, 16, 17) wenigstens eine direkt an das Metallrohr (15) anschließende Glasfaserverbundwerkstoffschicht (14), darauf folgend wenigstens eine Carbonfaserverbundwerkstoffschicht (16) und darauf folgend wenigstens eine weitere Glasfaserverbundwerkstoffschicht (17) umfassen.
Teleskop-Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass über die weitere Glasfaserverbundwerkstoffschicht (17) weitere Bauteile zur Krafteinleitung an das Schwingungsdämpfer-Außenrohr (13) angebunden sind.
Teleskop-Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallrohr (15) ein Leichtmetallrohr (15) und derart dünnwandig gehalten ist, dass dieses den auftretenden Belastungen ohne zumindest eine der umhüllenden Faserverbundwerkstoffschichten (14, 16, 17) nicht stand halten würde.
Teleskop-Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (7) aus metallischem Werkstoff oder in Mischbauweise aus Kunststoff und Metall ausgeführt ist.
Teleskop-Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (7) ein mit dem Außenrohr (13) verbundenes Gelenkauge zur Anbindung des Schwingungsdämpfers an ein anderes Bauelement ist.
Teleskop-Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (7) an das Schwingungsdämpfer-Außenrohr (13) über den Faserverbundwerkstoff formschlüssig und/oder kraftschlüssig angebunden ist.
Teleskop-Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Faserverbundwerkstoff als bettender Matrixwerkstoff thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff verwendet wird.
Teleskop-Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der äußeren Faserverbundwerkstoffschicht (17) zumindest eine der Wärmeabfuhr dienende Rippe oder dergleichen aus einem Werkstoff, welcher eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Faserverbundwerkstoff aufweist, vorgesehen ist.
Teleskop-Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Faserverbundwerkstoff zumindest ein wärmeleitender Zusatzstoff, beispielsweise in Form von Metallfäden oder dergleichen, vorgesehen ist.
Anordnung eines Teleskop-Schwingungsdämpfers nach einem der Ansprüche 1 bis 14 im Fahrwerk eines Fahrzeugs, wobei das metallische Außenrohr (13) mit dem Befestigungselement (7) an einem gefederten Fahrzeugteil befestigt ist, während die Kolbenstange (1) des vom Außenrohr (13) geführten Dämpfungskolbens (6) mit ihrem freien Ende an einem zugeordneten Radträger des Fahrzeugs angelenkt ist.