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Die Erfindung betrifft einen Stabilisator für ein Kraftfahrzeug, ein Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug sowie einen Verfahren zur Herstellung eines Stabilisators.
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Stabilisatoren werden bei modernen Kraftfahrzeugen eingesetzt, um die Wankstabilisierung und somit die Straßenlage, insbesondere bei Kurvenfahrten, zu verbessern. Der Stabilisator ist hierbei zwischen den Rädern einer Achse (Vorder- oder Hinterachse) angeordnet und verbindet diese durch Hebel und eine Drehstabfeder. Die Federwirkung wird durch die Verdrehung (Torsion) von oft runden Drehstäben erreicht. Der Mittelteil des Stabilisators, der den Drehstab bildet, ist drehbar an der Karosserie angeordnet, wobei die abgewinkelten Enden, die als Hebel wirken, an Elementen der Radaufhängung angebracht sind, normalerweise über senkrecht verlaufende Koppelstangen.
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Wird ein Rad gegenüber dem anderen angehoben, z. B. bei einseitiger Belastung in einer Kurve, bewirkt dies eine Torsion des Stabilisators bzw. dessen Mittelteils. Durch die hieraus resultierende Kraft wird das gegenüberliegende Rad ebenfalls angehoben, wodurch die Schräglage der Karosserie begrenzt wird.
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Allerdings bringt bei modernen Fahrzeugen die Anordnung der verschiedenen Aufhängungskomponenten Probleme mit sich, da Querträger, Motor, Getriebe, Antriebswellen, Ausgleichsgetriebe und/oder Steuerung einen Großteil des vorhandenen Platzes beanspruchen. Insbesondere sind die Führung und das Design beim Stabilisator problematisch, da dieser zumeist die letzte Komponente ist, die entworfen und integriert wird. Dies bedingt meist ein kompliziertes Design, welches die Funktion des Stabilisators und somit die Kinematik der Aufhängung beeinträchtigt.
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Das Design eines Stabilisators hängt im Wesentlichen von den Anforderungen an die Integrierbarkeit einerseits sowie an die Funktion andererseits ab. Die Funktion wird bspw. durch das Material, den Verlauf, den Querschnitt sowie die Anordnung der Befestigungsstellen des Stabilisators an der Aufhängung bestimmt. Der Querschnitt des Stabilisators in Längsrichtung sowie in Querrichtung und seine Länge bestimmen in entscheidendem Maße die Funktion. Bei einer vorgegebenen Steifigkeit ist der Durchmesser des mittleren Teils des Stabilisators, der üblicherweise aus Fertigungsgründen rund bzw. rohrförmig ist, festgelegt und somit auch die Form der Enden des Stabilisators. Vom Standpunkt der Funktionalität sowie der Belastung wären aber auch andere Formen wünschenswert.
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Aus der
DE 10 2010 035 524 A1 ist ein Stabilisator bekannt, der einen Stabilisatorrücken aus Verbundwerkstoff, insbesondere aus Faserverbundstoff, umfasst. Am Stabilisatorrücken sind Schenkel befestigt, die aus Verbundwerkstoff oder aus metallischem Werkstoff bestehen können. Der Rücken und die Schenkel können form-, stoff- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sein, wobei insbesondere vorgesehen ist, die Schenkel teilweise mit dem Faserverbundwerkstoff des Rückens zu umwickeln.
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Die
DE 20 2010 002 802 U1 offenbart einen Stabilisator mit einem Torsionsabschnitt sowie zwei endseitig angeordneten Armen. Die genannten Teile sind einzeln aus Faserverbundwerkstoff gefertigt und über metallische Verbindungsstücke miteinander verbunden. An den Verbindungsstücken sind Lagerbolzen für ein mit dem Fahrzeugchassis verbindbares Lager ausgebildet. Der Torsionsabschnitt und die Arme können insbesondere als Rohrstücke ausgebildet sein, die von einem Endlosrohr abgeschnitten wurden.
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Die
US 7,028,998 B2 zeigt einen Stabilisator mit einem rohrförmigen Mittelteil aus Faserverbundstoff, der aus wenigstens drei Faserschichten besteht und wenigstens teilweise von einem spiralförmigen Mantel (z. B. einem spiralig gewickelten Zellophanstreifen) umgeben ist. Ansetzteile bilden die Arme des Stabilisators, die mit einem Innenteil in das Rohr des Mittelteils eingreifen und gleichzeitig mit einem Außenteil das Rohr umgreifen. Die Ansetzteile können ggf. einen ovalen oder doppel-T-förmigen Querschnitt aufweisen.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Bereitstellung von Stabilisatoren, die sich flexibel integrieren lassen, ohne dass dies die Funktionalität des Stabilisators nachteilig beeinflusst, noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stabilisator für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, der sich in unterschiedlichste Fahrzeuge integrieren lässt und hierbei eine gute Funktionalität zeigt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Stabilisator mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Fahrwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stabilisators mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird ein Stabilisator für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, mit einem Mittelteil, der sich in eingebautem Zustand entlang der Y-Achse des Kraftfahrzeugs erstreckt, sowie zwei endseitig am Mittelteil angeordneten Endstücken. Der Mittelteil ist hierbei dazu vorgesehen, drehbar am Fahrzeugchassis befestigt zu werden. Er kann auch als Stabilisatorrücken oder Torsionsabschnitt bezeichnet werden. Wie letztere Bezeichnung bereits aussagt, unterliegt der Mittelteil hauptsächlich Torsionsmomenten. Die Endstücke schließen sich an beiden Enden des Mittelteils an und dienen zur Anbindung an die Aufhängung der einander gegenüberliegenden Räder. In eingebautem Zustand sind sie somit wenigstens mittelbar mit den Radaufhängungen verbunden. Die Endstücke können auch als Arme des Stabilisators bezeichnet werden.
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Wie bei Stabilisatoren im Stand der Technik üblich, erstreckt sich der Mittelteil entlang der Y-Achse, also der Querachse des Fahrzeugs. In diesem bekannten Koordinatensystem entsprechen die X-Achse der Längsachse des Fahrzeugs und die Z-Achse dessen Hochachse. Der Mittelteil muss hierbei nicht vollständig parallel zur Y-Achse verlaufen, sondern kann abschnittsweise auch im Winkel hierzu stehen.
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Die Endstücke stehen zumindest überwiegend im Winkel zur Y-Achse und wirken hierbei als Hebel, die Torsionsmomente auf den Mittelteil übertragen.
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Erfindungsgemäß weist wenigstens ein Endstück eine Mehrzahl von Abschnitten auf, die alternierend auf die Y-Achse hin geneigt sind. Dies bedeutet, dass die Abschnitte alternierend, also abwechselnd, stärker und schwächer auf die Y-Achse hin geneigt (d.h. bezüglich der Y-Achse geneigt) sind oder aber sogar in unterschiedliche Richtungen auf die Y-Achse hin geneigt sind. Es ergibt sich durch die Abfolge der alternierenden Abschnitte eine wellenförmige, zickzack-artige, mäandrierende Form oder eine Kombination hieraus. "Eine Mehrzahl alternierend geneigter Abschnitte" ist hier so zu verstehen, dass wenigstens zwei Abschnitte mit stärkerer (bzw. schwächerer) Neigung und ein dazwischen liegender Abschnitt mit schwächerer (bzw. stärkerer) Neigung vorgesehen sind. Entsprechendes gilt für positive/negative Neigung. Bei dieser Variante ergeben sich zwei Vorteile. Zum einen wird die Elastizität in Richtung der Y-Achse ggf. noch verstärkt, während die Elastizität in Z-Richtung im Wesentlichen unverändert bleibt. Zum anderen ist ein derart gestaltetes Endstück in der Lage, gestreckt und gestaucht zu werden, indem die unterschiedlich geneigten Abschnitte zueinander gedrückt oder voneinander weg gezogen werden. Das Endstück verhält sich hierbei nach Art einer Feder und kann durch elastische Verformung Längenunterschiede ausgleichen, die sich zwischen dem am Chassis angebrachten Mittelteil und dem Anbindungspunkt des Endstücks an der Radaufhängung ergeben. Aus diesem Grund kann ggf. auf die Zwischenschaltung einer Koppelstange verzichtet werden. Vorteilhaft sind wenigstens zwei Abschnitte mit stärkerer (bzw. positiver) Neigung und wenigstens zwei Abschnitte mit schwächerer (bzw. negativer) Neigung vorgesehen. Ebenfalls bevorzugt weisen die bezüglich der Y-Achse unterschiedlich geneigten Abschnitte eine gleichartige Neigung gegenüber der Z-Achse auf (was die Möglichkeit einschließt, dass sie parallel zur Z-Achse verlaufen).
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Bevorzugt sind die Endstücke als separat gefertigte Teile am Mittelteil befestigt. Der Stabilisator wird somit nicht von vornherein einstückig gefertigt, sondern der Mittelteil einerseits und die Endstücke andererseits werden in getrennten Verfahrensschritten hergestellt, und die Endstücke werden am Mittelteil befestigt. Wie später noch ausgeführt wird, kann hierbei das Befestigen innerhalb des Herstellungsprozesses der Endstücke oder des Mittelteils erfolgen. Jedenfalls werden entweder die Endstücke oder der Mittelteil, ggf. auch beide, vorgefertigt, bevor die Verbindung erfolgt. Der Begriff „separat gefertigt" bedeutet hierbei somit nicht zwangsläufig, dass die Fertigung im räumlichen Sinne separat erfolgt ist, sondern bedeutet, dass die Fertigung des Mittelteils einerseits und die Fertigung der Endstücke andererseits voneinander getrennte, also separate Prozesse sind. Alternativ kann, insbesondere bei den nachfolgend noch zu beschreibenden vorteilhaften Ausgestaltungen, der Stabilisator als ein- oder zweiteiliges Bauteil hergestellt sein, d.h. es können ein Endstück oder sogar beide Endstücke zusammen mit dem Mittelteil gefertigt sein.
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Es ist bevorzugt, dass die Endstücke unmittelbar am Mittelteil befestigt sind, d.h. ohne Zwischenschaltung weiterer Teile, wie Adapter oder dergleichen.
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Durch die Entkopplung der Herstellung der Endstücke vom Mittelteil ergeben sich verschiedene Vorteile. Die Endstücke können nunmehr hinsichtlich der Formgebung sowie des Materials unabhängig vom Mittelteil optimiert werden. Sie unterliegen insbesondere nicht mehr der Beschränkung, ebenfalls aus einem runden Metallprofil zu bestehen, das für den Mittelteil im Stand der Technik üblich ist. Der Mittelteil kann hierbei, wie im Stand der Technik bekannt, ein kreisförmiges Voll- oder Hohlprofil aufweisen. Daneben sind prinzipiell auch andere Formgebungen möglich, die in jedem Fall aber unabhängig von Form und Material der Endstücke wählbar sind. Der Mittelteil kann jedenfalls im Hinblick auf seine Funktion, nämlich die Aufnahme und Übertragung von Torsionsmomenten optimiert werden, während die Endstücke unabhängig hiervon für Ihre Funktion als Hebel optimierbar sind.
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Sowohl durch die individuelle Formgebung, wie auch die Materialwahl der Endstücke lässt sich das Gewicht des Stabilisators reduzieren. Außerdem kann die Biegesteifigkeit der Endstücke unabhängig vom Mittelteil eingestellt werden. So ist es bspw. möglich, die Steifigkeit in bestimmten Abschnitten oder in bestimmten Richtungen zu vergrößern oder aber auch zu verkleinern. Dies kann sowohl durch Formgebung als auch durch Materialwahl beeinflusst werden.
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Bevorzugt umfasst wenigstens ein Endstück ein anderes Material als der Mittelteil. Dies schließt selbstverständlich die Möglichkeit ein, dass das genannte Endstück vollständig aus einem anderen Material gefertigt ist als der Mittelteil. Soweit hier und im Folgenden auf "wenigstens ein Endstück" Bezug genommen wird, so betrifft dies typischerweise beide Endstücke, da der Stabilisator in der Regel symmetrisch aufgebaut ist. Prinzipiell ist aber eine unterschiedliche Ausgestaltung der beiden Endstücke denkbar. Durch die Verwendung anderer Materialien für das Endstück kann der Tatsache Rechnung getragen werden, dass das Endstück vornehmlich auf Biegung beansprucht wird, während der Mittelteil vornehmlich auf Torsion beansprucht wird. So kann z. B. für das Endstück ein Material verwendet werden, das bei gleichem Gewicht eine höhere Biegesteifigkeit aufweist als das Material des Mittelteils bzw. bei geringerem Gewicht die vergleichbare Biegesteifigkeit.
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Hierbei kann insbesondere wenigstens ein Endstück aus einem Verbundwerkstoff bestehen. Verbundwerkstoffe ermöglichen in vielen Fällen z. B. im Vergleich zu Metallen eine ähnliche oder sogar bessere Stabilität bei deutlich geringerem Gewicht. Als Verbundwerkstoffe können insbesondere faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt werden. Es können unterschiedliche Materialien in mehreren Schichten kombiniert werden. U.a. ist auch denkbar, faserverstärkte Kunststoffe mit Metallen zu kombinieren, bspw. durch einen Metallkern, der von faserverstärktem Kunststoff umgeben ist. Generell sind Materialien bevorzugt, die sich gut formen lassen, insbesondere in einem Urform-Prozess, um eine gewünschte Formgebung zu erreichen, die bestimmte gewünschte mechanische Eigenschaften unterstützt. Als Verbundwerkstoffe können beispielsweise glasfaserverstärkte oder kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe eingesetzt werden, als Nicht-Verbundstoffe sind Kunststoffe denkbar, die in Grenzen ein elastisches Verhalten aufweisen. Dabei können die Materialen gegebenenfalls mit metallischen Werkstoffen verstärkt werden.
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Der Mittelteil kann aus Metall bestehen und z. B. als Metallrohr ausgebildet sein. Daneben ist aber auch eine Fertigung des Mittelteils aus Verbundstoffen möglich. Das Material des Mittelteils ist bevorzugt so gewählt, dass es dessen Torsionssteifigkeit unterstützt.
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Wie bereits angedeutet, ermöglicht der mehrteilige Stabilisator eine Formgebung der Endstücke, die im Prinzip völlig unabhängig von der des Mittelteils ist. So kann insbesondere wenigstens ein Endstück einen anderen Querschnitt aufweisen als der Mittelteil. Dies bezieht sich sowohl auf die Form des Querschnitts als auch auf dessen Abmessungen.
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Abgesehen hiervon kann ein Endstück auch einen sich verändernden Querschnitt aufweisen, bspw. indem es sich vom Mittelteil ausgehend zum gegenüberliegenden Ende verjüngt. Denkbar ist auch, dass bspw. in einem Bereich, in dem aufgrund einer stärkeren Krümmung des Endstücks eine erhöhte Belastung durch Biegemomente zu erwarten ist, der Querschnitt bereichsweise verstärkt ist, um diesen Belastungen besser standzuhalten.
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Ein Problem bei im Stand der Technik bekannten Stabilisatoren besteht darin, dass diese nicht nur ihre Funktion erfüllen, senkrecht wirkende Kräfte zwischen den gegenüberliegenden Rädern zu übertragen, sondern daneben auch unerwünschter Weise in erheblichem Maße seitliche Kräfte (also entlang der Y-Achse des Fahrzeugs) übertragen. Dies beruht in erheblichem Maße darauf, dass die Steifigkeit der seitlichen Teile des Stabilisators in unterschiedlichen Richtungen ähnlich ist, was wiederum auf einen in alle Richtungen ähnlichen, insbesondere runden Querschnitt zurückzuführen ist.
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Eine wesentliche Verbesserung lässt sich hierbei im Rahmen der Erfindung erreichen, wenn gemäß einer Ausgestaltung die Steifigkeit eines Endstücks in Richtung der Y-Achse geringer ist als senkrecht hierzu. Dies kann bspw. dadurch erreicht werden, dass wenigstens ein Endstück in Richtung der Y-Achse einen geringeren Querschnitt aufweist als senkrecht hierzu. Der Querschnitt könnte also bspw. rechteckig sein, wobei sich die kürzere Seite des Rechtecks in Richtung der Y-Achse erstreckt, oder elliptisch, wobei sich die kleine Halbachse der Ellipse in Richtung der Y-Achse erstreckt. Alternativ wäre auch denkbar, dass gezielt versteifende Strukturen, wie z. B. Rippen, in den Querschnitt eingearbeitet werden, durch deren Ausrichtung die Steifigkeit quer zur Y-Achse maßgeblich erhöht wird. Durch eine Erhöhung der Steifigkeit quer zur Y-Achse, und somit wenigstens teilweise in Richtung der Z-Achse, wird die Übertragung von vertikalen Kräften von und zu den Radaufhängungen optimiert. Bei einer Reduzierung der Steifigkeit in Richtung der Y-Achse kann insbesondere eine Entlastung in solchen Bereichen erreicht werden, in denen die Endstücke von der Y-Achse abknicken bzw. abbiegen.
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Diese Bereiche, die sich normalerweise nahe dem Anschluss zum Mittelteil befinden, sind bei herkömmlichen Stabilisatoren starken Belastungen durch Biegemomente ausgesetzt. Bei der geschilderten Ausgestaltung lassen sich diese Biegemomente wesentlich reduzieren, was sich positiv auf die Lebensdauer des Bauteils auswirkt. Auch lassen sich die Fahreigenschaften des Fahrzeugs leichter einstellen, wenn die seitliche Steifigkeit nicht mehr bzw. nur in vernachlässigbarem Maße durch die Stabilisatoren beeinflusst wird. Neben den genannten mechanischen Aspekten hat eine Reduzierung des Querschnitts in Y-Richtung ggf. auch den Vorteil, dass ein schmaleres Bauteil sich leichter integrieren lässt.
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Um eine gleichmäßige Torsion zu gewährleisten und im Sinne eines möglichst einfachen Herstellungsprozesses kann der Mittelteil bevorzugter Weise gerade und mit gleichbleibendem Querschnitt ausgebildet sein. Der Querschnitt kann insbesondere kreisförmig sein. Ggf. kann der Mittelteil auch bei gleichbleibendem Querschnitt abschnittsweise (leicht) gebogen sein, falls die Integration in das Fahrzeugchassis dies nötig macht.
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Gemäß einer Variante sind wenigstens ein Endstück und der Mittelteil als vorgefertigte Teile durch eine form-, kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindung aneinander befestigt. D.h., das Endstück wird zunächst einzelnen gefertigt und erhält hierbei eine Form, die eine Verbindung mit dem Mittelteil ermöglicht. Anschließend wird das Endstück an den ebenfalls vorgefertigten Mittelteil angefügt und mit diesem verbunden. Hierzu stehen eine Vielzahl von Verfahren zur Wahl, bspw. Verkleben, Verpressen, Verschrauben, Vernieten und/oder Aufschrumpfen. Es ist auch denkbar, dass der Mittelteil im Anschlussbereich zum Endstück eine Form aufweist, die ein Verdrehen der beiden Teile gegeneinander verhindert. So wäre bspw. denkbar, dass bei einem ansonsten runden Querschnitt des Mittelteils in dem genannten Anschlussbereich ein vierkantiger oder sechskantiger Querschnitt gegeben ist.
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Gemäß einer anderen Variante ist wenigstens ein Endstück am Mittelteil angeformt. Genauer gesagt, wurde das wenigstens eine Endstück am vorab gefertigten Mittelteil angeformt. In diesem Fall gehen also der Fertigungsprozess des Endstücks und dessen Befestigung am Mittelteil zumindest teilweise miteinander einher. Hierbei kann z. B. der vorab gefertigte Mittelteil in ein Formwerkzeug zur (Ur-)Formung eines Endstücks eingelegt werden, wonach der Formungsprozess des Endstücks direkt am Mittelteil erfolgt. Ein solches Anformen ist bspw. bei konventionellen und faserverstärkten Kunststoffen möglich. Das so an den Mittelteil angeformte Endstück kann mit diesem eine formschlüssige und bis zu einem gewissen Grad auch stoffschlüssige Verbindung bilden. Das Endstück kann hierbei den Mittelteil teilweise umgreifen und/oder in diesen eingreifen, falls er über eine entsprechende Ausnehmung verfügt.
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Ebenfalls ist es möglich, dass der Mittelteil an wenigstens einem Endstück angeformt ist. Hierbei kann ein vorab gefertigtes Endstück in ein Formwerkzeug für den Mittelteil eingelegt werden, wonach der Mittelteil am Endstück (ur-)geformt wird.
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Durch die Erfindung wird ebenfalls ein Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Das Fahrwerk umfasst einen erfindungsgemäßen Stabilisator sowie Aufhängungen für Fahrzeugräder. Hierbei sind die Endstücke des Stabilisators unmittelbar mit den Aufhängungen verbunden. Im Stand der Technik ist es üblich, dass die Arme des Stabilisators über (in etwa senkrecht verlaufende) Koppelstangen mit den Radaufhängungen verbunden sind, deren Funktion darin besteht, einen Längenausgleich in X- und Y-Richtung zu gewährleisten, der durch die nichtgleichförmige Bewegung der Radaufhängung einerseits und des Arms bzw. Endstücks andererseits notwendig wird. Demgegenüber ist eine Zwischenschaltung von Koppelstangen bei Verwendung des erfindungsgemäßen Stabilisators ggf. nicht notwendig. Wie bereits oben erläutert, kann dies dadurch erreicht werden, dass aufgrund der Formgebung, evtl. unterstützt durch die Materialwahl, die Steifigkeit der Endstücke in Z-Richtung hoch ist, während in X- und Y-Richtung eine elastische Verformung möglich ist. Insbesondere ist es möglich, dass eine Verformung in radialer Richtung (bezüglich der Drehachse des Stabilisators) erleichtert wird. Das Endstück kann somit elastisch gestreckt und gestaucht werden, so dass hierüber Längenunterschiede ausgeglichen werden können. Gleichermaßen kann durch die Formgebung eine Verformung in Y-Richtung (also bezüglich der Drehachse axial) erleichtert werden. Es sei allerdings darauf hingewiesen, dass sich der erfindungsgemäße Stabilisator auch in Verbindung mit Koppelstangen einsetzen lässt.
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Durch die Erfindung wird des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Stabilisators für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Der Stabilisator umfasst einen Mittelteil, der sich in eingebautem Zustand entlang der Y-Achse des Kraftfahrzeugs erstreckt, sowie zwei endseitig daran angeordnete Endstücke. Erfindungsgemäß weist wenigstens ein Endstück eine Mehrzahl von Abschnitten auf, die alternierend auf die Y-Achse hin geneigt sind
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Bevorzugt umfasst das Verfahren wenigstens die Schritte:
- – Bereitstellen des Mittelteils und/oder der Endstücke in vorgefertigter Form, sowie
- – Befestigen der Endstücke und des Mittelteils aneinander.
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Die genannten Begriffe wurden bereits oben mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Stabilisator erläutert. Es versteht sich, dass auch hier das Befestigen mit dem Herstellen des Mittelteils oder der Endstücke einhergehen kann, wenn z. B. die Endstücke am Mittelteil angeformt werden oder umgekehrt. Alternativ kann das Befestigen nach dem Fertigen sowohl des Mittelteils als auch der Endstücke erfolgen. Das Bereitstellen kann selbstverständlich einen Herstellungsprozess beinhalten, der als Teil des Verfahrens angesehen werden kann.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen denen des Stabilisators.
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1A zeigt ein Fahrwerk einer Hinterachse gemäß dem Stand der Technik, wobei
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1B einen Stabilisator des Fahrwerks aus 1A mit Koppelstangen darstellt. In
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2A ist ein Fahrwerk einer Vorderachse gemäß dem Stand der Technik und in
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2B ein Stabilisator des Fahrwerks aus 2A mit Koppelstangen gezeigt. Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von unterschiedlichen, in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
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3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stabilisators,
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3A eine schematische Detailansicht des Stabilisators aus 3,
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3B eine schematische Detailansicht einer zweiten Ausführungsform eines Stabilisators,
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4 eine schematische Darstellung einer Teilansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stabilisators,
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5 eine Schnittdarstellung des Mittelteils des Stabilisators aus 3, sowie
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6 eine Schnittdarstellung des Endstücks des Stabilisators aus 3.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1A zeigt ein Fahrwerk 100 einer Hinterachse eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Stand der Technik. Zur besseren Einordnung ist ein Koordinatensystem mit der X-Achse, Y-Achse sowie Z-Achse des Fahrzeugs in der vorgesehenen Einbauposition des Fahrwerks 100 dargestellt.
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Das Fahrwerk weist neben anderen bekannten Komponenten, die hier nicht diskutiert werden sollen, beiderseits Radaufhängungen 102 für die Räder des Fahrzeugs auf. Um beim verstärkten Einfedern eines der Räder gegenüber dem anderen die Straßenlage zu verbessern, ist ein Stabilisator 110 vorgesehen, der vorliegend aus einem Rundeisen gebogen wurde. Wie in 1B erkennbar ist, die den Stabilisator 110 isoliert zeigt, kann dieser grob in einen geraden Mittelteil 111, der sich parallel zur Y-Achse erstreckt, sowie 2 seitliche Arme 112 eingeteilt werden. Letztere biegen gegenüber dem Mittelteil ab und sind somit im Winkel zur Y-Achse angeordnet.
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Jeder der Arme 112 ist über eine ihm zugeordnete, im Wesentlichen senkrecht verlaufende Koppelstange 103 mit der Radaufhängung 102 verbunden. In eingebautem Zustand ist der Mittelteil 111 um seine Längsachse drehbar am Chassis gelagert, während über die Koppelstangen 103 von den Radaufhängungen 102 ausgehende Kräfte über die Arme 112 an den Mittelteil 111 weitergeleitet werden, der bei nicht gleichmäßigem Einfedern der beiden Räder als Torsionsfeder wirkt. Da die Arme 112 hierbei als Hebel fungieren, werden sie insbesondere durch Biegemomente beansprucht. Weil sie allerdings aus dem gleichen Rundreisen bestehen wie der Mittelteil 111, sind sie hierfür nicht optimal angepasst.
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Des Weiteren sollten die Arme 112 idealerweise nur Kräfte übertragen, die zu Torsionsmomenten auf den Mittelteil 111 führen, also im Bereich der X-Z-Ebene wirken. Tatsächlich weisen sie allerdings eine erhebliche Steifigkeit in Richtung der Y-Achse auf, so dass sie auch in dieser Richtung in erheblichem Maße Kräfte übertragen. Hierbei werden insbesondere die Bereiche des Übergangs vom Mittelteil 111 zum jeweiligen Arm 112, die eine starke Krümmung aufweisen, stark belastet, was die Lebensdauer des Stabilisators 100 herabsetzen kann. Wie aus der Zusammenschau von 1A und 1B deutlich wird, bedingt die Integration des Stabilisators 110 in das Fahrwerk 100, dass die Arme 112 auch in sich nicht gerade sind, sondern eine weitere Biegung aufweisen.
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Die geschilderten Probleme treten bei dem in 2A gezeigten Fahrwerk 200 einer Vorderachse sowie deren in 2B dargestellten Stabilisator 210 gemäß dem Stand der Technik in noch stärkerem Maße auf. Auch hier ist der Stabilisator 210 wiederum über Koppelstangen 203 mit Radaufhängungen 202 verbunden. Allerdings bedingt die vorgegebene Struktur der anderen Komponenten des Fahrwerks 200 eine noch kompliziertere Form des Stabilisators 210. Zum einen ist der Mittelteil 211 nicht völlig gerade, sondern weist leichte Biegungen auf, zum anderen sind die sich seitlich anschließenden Arme 212 kompliziert mehrfach gebogen. Jede dieser Biegungen stellt beim ungleichmäßigen Einfedern der Räder und dem Auftreten von Biegemomenten auf die Arme 212 einen besonders belasteten Bereich dar. Da auch in diesem Fall der Stabilisator 210 insgesamt aus einem Rundreisen gefertigt ist, sind die Arme 212 weder für die Aufnahme von Biegemomenten optimal ausgelegt, noch sind sie in der Lage, eine Übertragung von Kräften entlang der Y-Achse zu unterdrücken.
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3 zeigt in stark schematisierter Weise eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stabilisators 10. Diese umfasst einen Mittelteil 11, der als gerades Stahlrohr ausgebildet ist. Wie bei den Stabilisatoren 110, 210 im Stand der Technik ist auch hier der Mittelteil 11 dazu bestimmt, drehbar am Chassis des Fahrzeugs befestigt zu werden. Seitlich schließen sich an den Mittelteil 11 Endstücke 12, 13 an, die allerdings nicht einstückig mit dem Mittelteil 11 ausgebildet sind, sondern im vorliegenden Fall separat gefertigte Teile aus faserverstärktem Kunststoff sind. In der 3 sind die beiden Endstücke 12, 13 nicht symmetrisch dargestellt, was allerdings rein beispielhaft zu verstehen ist. Normalerweise sind die Endstücke symmetrisch ausgebildet.
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Die beiden Endstücke 12, 13, über die der Stabilisator 10 an die Radaufhängungen des Fahrzeugs angebunden ist, können bspw. durch eine Schraubverbindung mit dem Mittelteil 11 verbunden sein, die hier nicht im Detail dargestellt ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Verbindung auch durch Verkleben, Vernieten, Aufschrumpfen oder dergleichen hergestellt werden. Schließlich ist es möglich, die Endstücke 12, 13 unmittelbar am Mittelteil 11 anzuformen.
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Wie in 3 gut erkennbar ist, entfällt dadurch, dass die Endstücke 12, 13 separate Teile sind, die Biegung im Bereich des Übergangs vom Mittelteil 11 zu den Endstücken 12, 13. Dieser Bereich wird somit durch Biegemomente weniger belastet.
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Wie in 3A erkennbar ist, die eine Detailansicht des Stabilisators 10 aus 3 zeigt, weist das Endstück 12 eine wellenartige Struktur auf. Die einzelnen Wellen gehen hierbei mit Richtungswechseln bezüglich der Y-Achse, nicht jedoch bezüglich der X- oder Z-Achse, einher. Es wechseln sich hierbei drei Abschnitte 14, die in negativer Richtung auf die Y-Achse hin geneigt sind, mit zwei Abschnitten 15 ab, die in positiver Richtung auf die Y-Achse hin geneigt sind. Die Wellenform unterstützt einerseits die Elastizität in Y-Richtung. Daneben ermöglicht sie aber auch eine gewisse Streckung und Stauchung des Endstücks 12 in radialer Richtung bezüglich der Drehachse des Stabilisators 10. Hierdurch lassen sich Längenunterschiede kompensieren, die durch die unterschiedliche Bewegung der Radaufhängung einerseits und des Stabilisators 10 andererseits entstehen. Daher kann der Stabilisator 10 auch ohne die Zwischenschaltung von Koppelstangen mit einer Radaufhängung verbunden werden.
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3B zeigt eine Detailansicht einer alternativen Ausgestaltung eines Stabilisators 10a. Dieser entspricht im Wesentlichen dem in 3 und 3A gezeigten. Allerdings ist hier am Mittelteil 11a ein Endstück 12a mit einer zickzack-förmigen Struktur angeordnet. Die sich hieraus ergebenden Vorteile hinsichtlich der Elastizität und Streckung entsprechen qualitativ denen beim s-förmigen Endstück 12. Es wechseln sich in diesem Fall zwei Abschnitte 14a, die in positiver Richtung auf die Y-Achse hin geneigt sind, mit zwei Abschnitten 15a ab, die in negativer Richtung auf die Y-Achse hin geneigt sind.
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3A und 3B sind hierbei schematisch zu verstehen und geben weder die Neigung der einzelnen Abschnitte 14, 14a, 15, 15a noch die Dicke des Endstücks 12, 12a gegenüber dem Mittelteil 11, 11a maßstäblich wieder. Auch ist in diesen Figuren das jeweilige Endstück 12, 12a innerhalb der X-Y-Ebene ausgerichtet. Es versteht sich, dass dies je nach Einfederung im Betriebszustand nicht ständig der Fall ist, sondern das Endstück 12, 12a im Allgemeinen gegenüber der X-Achse geneigt ist.
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5 zeigt eine Schnittdarstellung des Mittelteils 11. Die Schnittebene liegt hierbei in der X-Z-Ebene. Die kreisförmige Struktur des Stahlrohrs ist gut geeignet, die Torsionsmomente, die auf den Mittelteil 11 wirken, aufzunehmen. Wie bereits diskutiert, eignet sich diese Form wenig für die Endstücke 12, 13. Diese haben daher eine andere Struktur, die aus dem Querschnitt in 6 deutlich wird. Die Schnittebene liegt hierbei senkrecht zum Verlauf des Endstücks 12 und schließt die Y-Achse ein. Der annähernd rechteckige Querschnitt des Endstück 12 weist in Richtung der Y-Achse eine erheblich geringere Ausdehnung auf als quer hierzu. Daher – sowie aufgrund der bereits geschilderten Wellenform – ist auch die Steifigkeit des Endstücks 12 in dieser Richtung wesentlich geringer. Aus diesem Grund führen seitlich auftretende Kräfte (in Richtung der Y-Achse), die seitens der Radaufhängung auftreten können, hauptsächlich zu einer Biegung des Endstücks 12 und werden wenn überhaupt nur in geringerem Maße an den Mittelteil 11 und über das andere Endstück 13 an die gegenüberliegende Radaufhängung weitergegeben. Hingegen ist die Steifigkeit quer zur Y-Achse aufgrund der sehr viel größeren Abmessung wesentlich verstärkt, so dass Biegemomente besser aufgenommen werden können.
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4 zeigt eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform eines Stabilisators 10b gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieser weist einen Mittelteil 11b auf, der im Wesentlichen mit dem in 3 gezeigten übereinstimmt. Auch hier ist ein Endstück 12b, das ebenfalls aus faserverstärktem Kunststoff besteht, seitlich am Mittelteil 11b befestigt. Das Endstück 12b kann grob in zwei Abschnitte 14b, 15b eingeteilt werden. Ein erster Abschnitt 14b schließt sich an den Mittelteil 11b an und führt im Wesentlichen radial von der durch den Mittelteil 11b vorgegebenen Drehachse weg. Er ist in eingebautem Zustand in etwa waagerecht angeordnet, so dass von der Radaufhängung ausgehende Kräfte senkrecht zur Ausdehnung des ersten Abschnitts 14b wirken. Um die hiermit einhergehenden Biegemomente besser auffangen zu können, ist der Querschnitt des ersten Abschnitts 14b in Richtung der genannten Kräfte verbreitert und zeigt somit eine Struktur, die der in 6 ähnelt.
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Ein zweiter Abschnitt 15b schließt sich an den ersten Abschnitt 14b an und führt zu einem Auge 16b, über das der Stabilisator 10b an einer Radaufhängung (nicht dargestellt) befestigt werden kann. Die Befestigung kann hierbei insbesondere unmittelbar, ohne Zwischenschaltung einer Koppelstange, erfolgen. Hierzu hat der erste Abschnitt 14b, ähnlich wie in 3A oder 3B gezeigt, eine wellenförmige oder zickzack-förmige Struktur, die in der Darstellung der 4 nicht erkennbar ist. Somit ist auch hier ein Längenausgleich möglich. Der genannte zweite Abschnitt 15b verläuft bezüglich der durch den Mittelteil 11b vorgegebenen Drehachse eher tangential als radial und in eingebauten Zustand eher senkrecht als waagerecht. Daher wirken von der Radaufhängung ausgehende Kräfte im Wesentlichen längs des zweiten Abschnitts 15b und führen zu erheblich geringeren Biegemomenten. Daher kann dieser Abschnitt einen wesentlich geringeren Querschnitt aufweisen als der erste Abschnitt 14b, was zu einer Gewichtsersparnis führt.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10a, 10b, 110, 210
- Stabilisator
- 11, 11a, 11b, 111, 211
- Mittelteil
- 12, 12a, 12b, 13
- Endstück
- 112, 212
- Arm
- 14, 14a, 15, 15a
- geneigter Abschnitt
- 14b
- erster Abschnitt
- 15b
- zweiter Abschnitt
- 16b
- Auge
- 100, 200
- Fahrwerk
- 102, 202
- Radaufhängung
- 103, 203
- Koppelstange
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010035524 A1 [0006]
- DE 202010002802 U1 [0007]
- US 7028998 B2 [0008]
