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Die Erfindung betrifft eine Radaufhängung für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Querlenker bilden bei Kraftfahrzeugen eine Komponente der Fahrzeugradaufhängung. Der Querlenker verbindet hierbei den Radträger mit einem Fahrzeugaufbau, d. h. dem Chassis, der Karosserie oder einem Hilfsrahmen. Normalerweise verfügt ein solcher Querlenker über ein (2-Punkt-Lenker) oder zwei (Dreieckslenker) aufbauseitige Anbindungsstellen sowie eine radseitige Anbindungsstelle. Die aufbauseitigen Anbindungsstellen, über die eine gelenkige Verbindung, bspw. durch Metall-Gummi-Verbundlager gegeben ist, fluchten im Falle eines Dreieckslenkers in eingebautem Zustand üblicherweise mit der X-Achse (also der Längsachse) des Fahrzeugs, so dass eine Schwenkbewegung der radseitigen Anbindungsstelle in der Y-Z-Ebene ermöglicht wird. Die Hauptfunktion des Querlenkers ist hierbei, zusammen mit anderen Aufhängungskomponenten horizontale, d. h. in der X-Y-Ebene liegende Kräfte aufzunehmen.
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Neben geschmiedeten Querlenkern, die üblicherweise aus Leichtmetall oder Stahl bestehen, sind im Stand der Technik auch solche Lenker bekannt, die als Blechumformteile, bspw. in Ein-Schalen- oder Zwei-Schalen-Bauweise gefertigt werden. Unter dem Aspekt der Gewichtsersparnis sind auch Querlenker aus Faserverbundstoffen entwickelt worden, bei denen Fasern unterschiedlicher Art, bspw. Carbonfasern, Glasfasern oder Aramidfasern, in eine Kunststoffmatrix eingebunden sind.
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Eine weitere wichtige Komponente einer Fahrzeugradaufhängung ist eine Feder. Eine verbreitete Bauform stellen hierbei Spiralfedern dar, die sich bspw. einerseits auf einem Querlenker oder am Radträger und andererseits am Fahrzeugaufbau abstützen. Daneben kommen auch Blattfedern zum Einsatz, die bspw. an ein oder zwei Stellen mit dem Fahrzeugaufbau verbunden sind sowie an einer weiteren Stelle mit dem Querlenker oder dem Radträger. Neben Blattfedern aus Metall (insbesondere Federstahl) sind auch Federn aus Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff bekannt. Letztere sind ebenfalls im Hinblick auf eine Gewichtsersparnis vorteilhaft.
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Auch sind im Stand der Technik bereits Vorschläge gemacht worden, die Funktionen einer Feder in einen Querlenker zu integrieren. Der Querlenker besteht hierbei aus einem elastischen Material, normalerweise aus faserverstärktem Kunststoff, so dass er für die Federung des Radträgers sorgen kann. Dabei ist der Querlenker aufbauseitig nicht schwenkbar gelagert, sondern am Fahrzeugaufbau derart fixiert, dass eine vertikale Bewegung des am Querlenker befestigten Radträgers im Wesentlichen nur über eine elastische Verformung des Querlenkers möglich ist. Wenngleich diese Bauform im Hinblick auf eine Gewichtsersparnis sowie eine Reduzierung der Bauteile vorteilhaft ist, bedeutet sie dennoch einen Kompromiss zwischen einer optimalen Lenkfunktion einerseits, die ein in sich starres Bauteil erfordert, und einer optimalen Federfunktion andererseits, die ein elastisches Bauteil erfordert.
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Die
DE 10 2013 209 648 A1 zeigt eine Radaufhängung für ein Fahrzeug mit einem um eine karosserie- bzw. achsträgerfeste Achse verschwenkbaren Lenker, z. B. Querlenker, sowie einer Fahrzeugfeder aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, die als C- oder V-förmige Blattfeder ausgebildet ist. Die Blattfeder ist mit einem ersten Ende am Lenker und mit einem zweiten Ende an der Karosserie bzw. dem Achsträger angebracht und so in das Fahrzeug eingebaut, dass sie wenigstens über einen bestimmten Längenabschnitt entlang des Lenkers verläuft. Enden der Feder sind bevorzugt über Aufnahmen aus Gummi im Lenker einerseits sowie in der Karosserie andererseits gelagert.
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Die
US 4,613,152 A offenbart ein Aufhängungssystem für ein Fahrzeug, bei dem ein längliches Element in Querrichtung an einem Fahrzeugrahmen befestigt wird. Das längliche Element umfasst einen im Wesentlichen steifen Mittelabschnitt sowie seitlich angeordnete, elastische Federabschnitte. An den Federabschnitten werden Radträger montiert, wobei die Federabschnitte sowohl als Querlenker wie auch als Federn fungieren. Das gesamte Element kann aus Verbundstoff, bspw. Faserverstärktem Kunststoff gefertigt sein und ggf. auch einen metallischen Kern umfassen.
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Die
DE 32 43 434 A1 offenbart eine Radaufhängung für Kraftfahrzeuge mit jeweils einem Radträger, einer oberen sowie einer unteren Radführung, wobei die untere Radführung jeweils mit einem Längslenker und einem Querlenker gebildet ist, welche am Radträger und am Aufbau befestigt sind. Die Querlenker sind über eine in Längsrichtung verlaufende Achse an einem gemeinsamen Achsträger befestigt, der in Längsrichtung nachgiebig am Aufbau angelenkt ist. Die unteren Querlenker können durch eine durchgehende, starr mit dem Achsträger verbundene Blattfeder oder zwei gelenkig mit dem Achsträger verbundene Blattfedern gebildet sein, welche aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt sein können. Alternativ können die unteren Querlenker sowie ggf. die oberen Querlenker als Biegefedern einstückig mit dem Radträger aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt sein.
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Die
US 4,753,456 A zeigt ein Aufhängungssystem für ein Fahrzeug, bei dem zwei aus Verbundstoff gefertigte Querlenker starr mit dem Rahmen des Fahrzeugs verbunden sind. An den Enden der Querlenker sind Radträger-Baugruppen angeschraubt. Die Querlenker sind flexibel und fungieren gleichzeitig als Federn. Sie können insbesondere aus glas- oder carbonfaserverstärktem Kunststoff bestehen.
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Die
DE 10 2011 010 367 A1 zeigt ein Fahrwerksteil für einen Kraftwagen, dass einen Grundkörper sowie eine Verstärkungsstruktur umfasst, durch die der Grundkörper verstärkt ist. Hierbei kann der Grundkörper durch ein oder mehrere Organobleche, die aus faserverstärktem Kunststoff bestehen, gebildet sein. Auf den Grundkörper wird die bspw. rippenartige Verstärkungsstruktur aufgebracht, die aus Kunststoff, bspw. ebenfalls aus faserverstärktem Kunststoff, besteht. Ein Ausführungsbeispiel zeigt einen Querlenker.
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Die
DE 20 2014 101 981 U1 offenbart eine Radaufhängung für ein Fahrzeug, die einen Radträger umfasst, der an einem verwindungssteif ausgebildeten Querlenker angelenkt ist. Der Querlenker weist zwei aufbauseitige Lenkerlager zur Anlenkung an einem Fahrzeugaufbau und zwei radträgerseitige Lenkerlager zur Anlenkung am Radträger auf. Hierbei ist das in Fahrtrichtung des Fahrzeugs vordere radträgerseitige Lenkerlager als Loslager ausgebildet. Dieses kann bspw. durch einen querlenkerseitigen Fortsatz gebildet werden, der in einer radträgerseitigen Ausnehmung aufgenommen ist. In Letzterer kann bspw. ein Gummielement zur elastischen Lagerung des Fortsatzes angeordnet sein.
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Die
DE 199 42 060 A1 zeigt eine Anordnung eines Lenkers, bspw. eines Querlenkers, einer Radaufhängung, bei welcher an einer aufbauseitigen Lagerstelle des Lenkers eine Koppelanordnung vorgesehen ist, über die der Lenker mit dem Fahrzeugaufbau verbunden ist. Die Koppelanordnung ist mit dem Fahrzeugaufbau in zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufenden Ebenen schwingungsisoliert mit dem Aufbau verbunden. Die Verbindung kann bspw. über zwei Lagerstellen gegeben sein, in denen Gummi-Metall-Lager unterschiedlicher Härte angeordnet sind.
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Die
WO 2014/145585 A1 offenbart eine Blattfeder aus einem thermoplastischen Kunststoff, der mit Fasern, z.B. Glasfasern, verstärkt ist. Optional können Elemente aus Metall in den faserverstärkten Kunststoff eingelagert sein. Die Feder ist insbesondere für Aufhängungen von Kraftfahrzeugen vorgesehen. Bei einigen Ausgestaltungen ist die Feder am Chassis befestigt und wird beim Einfedern des Rades durch einen Querlenker kraftbeaufschlagt. Bei anderen Ausgestaltungen ist sie als freitragende Feder mit einem Radträger verbunden, wobei das freie Ende durch das Chassis kraftbeaufschlagt werden kann. Hierbei kann die Feder auch nach Art eines Querlenkers den Radträger stabilisieren.
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Die
US 5,667,206 A offenbart eine Blattfeder für den Automobilbau. Diese besteht aus einem Kompositmaterial, das eine Mehrzahl von parallelen Fasersträngen in einer Harzmatrix umfasst. Die Fasern umfassen Stränge von Glasfasern sowie Stränge einer zweiten Sorte von Fasern, die aus PET-Fasern und Nylonfasern ausgewählt sind und einen geringeren Modul, eine größere Duktilität und eine höhere Festigkeit als die Glasfasern aufweisen.
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Die
DE 10 2008 015 705 A1 offenbart einen Lenker einer Radaufhängung eines Fahrzeugs, z.B. einen Längslenker oder Querlenker, der aus faserverstärktem Kunststoff besteht. Der Lenker stützt sich am Fahrzeugaufbau ab und ist mit einem Endabschnitt an einem Radträger befestigt. Letzterer wird durch den Lenker sowohl geführt als auch gefedert, so dass auf eine separate Feder verzichtet werden kann. Es ist hierbei vorgesehen, dass der Lenker über seine gesamte Länge als umfänglich geschlossenes Rohrprofil ausgebildet ist. U.a. ist vorgesehen, die Orientierung der Fasern sowie deren Volumenanteil entlang der Längsstreckung des Lenkers zu variieren.
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Die
US 4,802,659 A offenbart eine Blattfeder aus faserverstärktem Kompositmaterial, die zur Anbindung einer Fahrzeugachse an ein Chassis vorgesehen ist. Die Feder weist einen dickeren zentralen Abschnitt zur Anbindung der Achse und zwei verjüngte Endabschnitte zur Anbindung an das Chassis auf. Um die lokalen Spannungen in der Feder unter Last zu reduzieren, ist vorgesehen, dass im Übergangsbereich zwischen dem zentralen Abschnitt und einem jeweiligen Endabschnitt eine konvexe sowie eine konkave Kontur ausgebildet sind, die speziellen mathematischen Gleichungen folgen.
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Die
US 4,768,807 A zeigt eine Fahrzeugaufhängung, bei der eine Blattfeder aus Kompositmaterial endseitig an einem Radträger befestigt ist und fahrzeugseitig über eine drehbare Haltevorrichtung am Rahmen des Fahrzeugs befestigt ist. Die drehbare Haltevorrichtung umgreift die Feder mit einer Klammer, an welcher Achsen befestigt sind, die ihrerseits in Gummi-Metall-Lagern drehbar gelagert sind.
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Die
EP 1 378 382 B1 offenbart eine Radaufhängung für ein Kraftfahrzeug mit einer quer zum Fahrzeug angeordneten Querblattfeder, die über mindestens ein Querblattfederlager mit dem Kraftfahrzeugaufbau verbunden und an mindestens einem Radträger angelenkt ist. Die Querblattfeder weist einen mittleren Bereich mit einem flachen Querschnitt auf, der über entgegengesetzt gekrümmte Bögen in Fahrzeuglängsrichtung gegenüber den radseitigen Endbereichen der Querblattfeder versetzt angeordnet ist. Die Feder weist in den Endbereichen und in den Bögen einen kompakten Querschnitt auf. Die Feder kann symmetrisch aufgebaut sein und zwei gegenüberliegende Radträger des Fahrzeugs verbinden. Insbesondere kann die Feder aus in Epoxidharz eingebetteten Glasfasern hergestellt sein.
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Die
EP 1 535 766 B1 zeigt eine Radaufhängung für ein Fahrzeug mit zwei Querlenkern, die jeweils mittels mindestens einer Elastomer-Torsionsfeder schwenkbar mit den Enden eines Hilfsrahmens verbunden sind. Hierbei ist jeder der beiden Querlenker über seine gesamte Abmessung in Fahrzeuglängsrichtung über mindestens eine der mindestens einen Elastomer-Torsionsfedern mit dem jeweiligen Ende des Hilfsrahmens verbunden. Zusätzlich kann eine unterhalb der Querlenker angreifende Blattfeder vorgesehen sein, die den Hilfsrahmen überspannt. Diese dient der Feinabstimmung des Rollverhaltens.
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Die
US 2014/0353937 A1 offenbart eine Hinterachse eines Fahrzeugs mit beiderseits angeordneten Radträgern sowie einer Blattfeder, die an die Radträger gekoppelt ist. Des Weiteren sind obere und untere Querlenker sowie Längslenker vorgesehen, die am jeweiligen Radträger angreifen. Die Blattfeder ist unter den jeweiligen oberen Querlenkern angeordnet, wobei wenigstens eine sich vertikal erstreckende Strebe die Blattfeder an den oberen Querlenker koppelt. Die Blattfeder kann insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt sein.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Entwicklung einer gewichtsoptimierten Radaufhängung, bei der der Radträger sowohl gut geführt als auch gut gefedert ist, noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Radaufhängung zur Verfügung zu stellen, die sowohl hinsichtlich ihres Gewichts, als auch der Führung sowie der Federung des Radträgers optimiert ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Radaufhängung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 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 eine Radaufhängung für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Der Begriff "Radaufhängung" bedeutet nicht, dass hier alle für die Aufhängung eines Fahrzeugrades notwendigen Komponenten umfasst sein müssen. Einige Ausführungsformen könnten auch als Radaufhängungs-Komponente oder Radaufhängungs-Baugruppe bezeichnet werden. Als Kraftfahrzeuge kommen hierbei insbesondere PKW oder LKW infrage. Es kann sich um eine Radaufhängung für ein Vorderrad oder ein Hinterrad handeln.
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Die Radaufhängung umfasst hierbei eine Lenkereinheit, welche einen wenigstens teilweise aus faserverstärktem Kunststoff gefertigten Lenkerabschnitt umfasst, der eine Rad-Anbindungsstelle für einen Radträger und wenigstens eine Aufbau-Anbindungsstelle für einen Fahrzeugaufbau, zur schwenkbaren Lagerung um eine Schwenkachse, aufweist. Der Begriff "Einheit" bedeutet hierbei nicht zwangsläufig, dass diese insgesamt einstückig ausgebildet ist. Dieser Aspekt wird im nachfolgenden noch erläutert. Der Lenkerabschnitt, und somit auch die Lenkereinheit, hat hierbei die Aufgabe, den Radträger gegenüber dem Fahrzeugaufbau zu führen, wobei eine Bewegung des Radträgers durch die Schwenkbewegung des Lenkerabschnitts um die Schwenkachse ermöglicht wird. Idealerweise nimmt die Lenkereinheit hierbei jegliche Kräfte zwischen Radträger und Fahrzeugaufbau, die entlang der Schwenkachse wirken, auf und unterbindet zumindest weitgehend eine Relativbewegung entlang der Schwenkachse.
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Der Lenkerabschnitt ist wenigstens teilweise aus einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt. Dies schließt die Möglichkeit ein, dass mehrere unterschiedliche Kunststoffe und/oder unterschiedliche Fasern verwendet werden. Bspw. wäre denkbar, dass unterschiedliche Fasern in verschiedenen Lagen übereinander eingesetzt werden. Grundsätzlich können die Fasern gewebt oder nicht gewebt, ausgerichtet oder nicht-ausgerichtet sein. Bevorzugt ist allerdings, dass die Fasern so ausgerichtet sind, dass durch ihre Ausrichtung die Steifigkeit des Lenkerabschnitts gezielt beeinflusst wird. Die Steifigkeit kann selbstverständlich auch durch die Packungsdichte und/oder das Material der Fasern sowie durch das Kunststoffmaterial selbst (also durch Faser und Matrix bwz. Harz) beeinflusst werden. Es ist hierbei auch möglich, ortsabhängig unterschiedliche Dichten, Ausrichtungen und/oder Materialien für die Fasern zu verwenden. D. h., im Unterschied zu einem Metallteil kann der faserverstärkte Kunststoff inhomogen sein.
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Bevorzugt umfasst der faserverstärkte Kunststoff Carbonfasern, Glasfasern und/oder Aramidfasern. Daneben können allerdings auch andere Fasern verwendet werden.
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Insbesondere können, wie bereits oben angedeutet, Fasern verschiedener Art gemischt bzw. in unterschiedlichen Schichten übereinander eingesetzt werden.
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Wie im Stand der Technik bekannt, verläuft die Schwenkachse normalerweise horizontal, also in der durch die X- sowie Y-Achse des Kraftfahrzeugs aufgespannten Ebene. In vielen Fällen sind mehrere, insbesondere zwei Aufbau-Anbindungsstellen gegeben, die entlang der Schwenkachse voneinander beabstandet sind. Grundsätzlich sind auch mehrere Rad-Anbindungsstellen denkbar. Der Begriff "Fahrzeugaufbau" dient hier als Sammelbegriff für Karosserie, Chassis, selbsttragende Karosserie sowie ggf. Hilfsrahmen. Die Anbindung kann ggf. über elastische Lager, insbesondere Gummi-Metall-Lager, gegeben sein. Ansonsten ist der Lenkerabschnitt bevorzugt in sich starr ausgebildet, d. h. dass beim normalen Betrieb des Fahrzeugs keine oder nur eine unwesentliche Verformung des Lenkerabschnitts eintritt.
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Erfindungsgemäß umfasst die Lenkereinheit einen wenigstens teilweise aus faserverstärktem Kunststoff gefertigten, stoffschlüssig und starr mit dem Lenkerabschnitt verbundenen, in sich elastischen Federabschnitt, der eine von der Schwenkachse beabstandete Feder-Anbindungsstelle zur Anbindung an den Fahrzeugaufbau aufweist. Der Federabschnitt ist starr mit dem Lenkerabschnitt verbunden, so dass jegliche Schwenkbewegung des Lenkerabschnitts unmittelbar auf den angrenzenden Teil des Federabschnitts übertragen wird. Die beiden Abschnitte bewegen sich somit zumindest in dem Bereich, in dem sie stoffschlüssig miteinander verbunden sind, einheitlich. Allerdings ist der Federabschnitt mit dem Fahrzeugaufbau zum einen indirekt über die Verbindung mit dem Lenkerabschnitt verbunden, zum anderen durch die genannte Feder-Anbindungsstelle. Diese ist von der Schwenkachse beabstandet, was in diesem Fall so zu verstehen ist, dass nicht nur ein Abstand von der wenigstens einen Aufbau-Anbindungsstelle gegeben ist, sondern dass die Feder-Anbindungsstelle quer zur (unendlich verlängert gedachten) Schwenkachse von dieser beabstandet ist. Hieraus ergibt sich, dass eine Schwenkbewegung des Lenkerabschnitts nur unter Verformung des Federabschnitts möglich ist. Aus dieser Verformung resultiert eine Rückstellkraft, die zwischen Fahrzeugaufbau und Lenkerabschnitt und somit zwischen Fahrzeugaufbau und Radträger wirkt. Zu diesem Zweck ist der Federabschnitt elastisch ausgebildet, wobei die Eigenschaft "elastisch" in Relation zum Lenkerabschnitt sowie in Bezug auf die normalerweise auftretenden Kräfte zu sehen ist. D. h. während sich der Lenkerabschnitt bei den im normalen Betrieb auftretenden Kräften höchstens unmerklich verformt, tritt eine merkliche Verformung des Federabschnitts auf. Insbesondere kann z. B. die Biegesteifigkeit des Lenkerabschnitts gegenüber Biegemomenten bezüglich der Schwenkachse wesentlich größer sein als die des Federabschnitts. Ein solches Biegemoment resultiert selbstverständlich aus einer Relativbewegung des Fahrzeugsaufbaus zum Radträger beim Einfedern des Rades.
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Der Federabschnitt besteht wie erwähnt wenigstens teilweise aus faserverstärktem Kunststoff, wobei die hinsichtlich des Lenkerabschnitts gemachten Erläuterungen auch hier gelten. In gleicher Weise wie der Lenkerabschnitt kann der Federabschnitt sehr leicht und dennoch stabil ausgeführt werden, weshalb die Lenkereinheit insgesamt leicht und stabil ist. Besonders vorteilhaft ist, dass die Einheit über zwei Abschnitte verfügt, denen unterschiedliche Funktionen zukommen und die für ihre jeweilige Funktion optimiert werden können. So kann der Lenkerabschnitt einerseits hinsichtlich seiner Geometrie, andererseits aber auch hinsichtlich des verwendeten Materials (d. h. des Kunststoffs und/oder der eingelagerten Fasern) zur Führung des Radträgers optimiert werden, wobei keine Kompromisse in Kauf genommen werden müssen, um den Lenkerabschnitt elastisch zu gestalten. Ebenso kann der Federabschnitt für seine Funktion, nämlich eine angemessene Rückstellkraft beim Einfedern des Rades zur Verfügung zu stellen, optimiert werden. Auch hierbei müssen keine Kompromisse in Kauf genommen werden, da dem Federabschnitt normalerweise keine Führungsfunktion für den Radträger zukommt. Auch der Lenkerabschnitt kann sowohl hinsichtlich des verwendeten Kunststoffs als auch hinsichtlich der darin eingelagerten Fasern an seine Funktion angepasst werden. Daneben ist selbstverständlich auch eine Optimierung über die Geometrie des Lenkerabschnitts möglich.
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Die Radaufhängung kann verschiedene weitere Komponenten umfassen bzw. aufweisen, z. B. einen Radträger, ein an dem Radträger angebrachtes Rad, weitere Lenker, die am Radträger ansetzen (bspw. Längslenker oder Querlenker), einen Stoßdämpfer sowie Teile eines Fahrzeugsaufbaus, an dem die Lenkereinheit wie geschildert angebunden ist. Wenngleich normalerweise die durch den Federabschnitt bereitgestellte Rückstellkraft zur Federung des Fahrzeugrades ausreicht, ist es denkbar, wenigstens eine weitere Feder vorzusehen, die gewissermaßen konventionell ausgestaltet ist. Es ist auch denkbar, dass eine Radaufhängung mehrere erfindungsgemäße Lenkereinheiten umfasst.
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Es bestehen verschiedene Möglichkeiten, eine stoffschlüssige und starre Verbindung zwischen dem Lenkerabschnitt und dem Federabschnitt herzustellen. So können Lenkerabschnitt und Federabschnitt bspw. miteinander verklebt oder mittels Ultraschall verschweißt sein. Besonders bevorzugt ist allerdings, dass der Federabschnitt einstückig mit dem Lenkerabschnitt gefertigt ist. D. h. im Rahmen des Herstellungsprozesses werden nicht zwei separate Teile gefertigt, die anschließend miteinander verbunden werden, sondern es wird von vornherein ein einziges Teil hergestellt. Hierdurch ergeben sich zahlreiche Vorteile, da keinerlei Fertigungstoleranzen für den Verbindungsbereich berücksichtigt werden müssen und zudem die Herstellungsschritte für das Vorbereiten und Durchführen der Verbindung entfallen. Somit kann die Lenkereinheit in der Regel wesentlich kostengünstiger hergestellt werden. Es ist zu beachten, dass trotz der Fertigung von Lenkerabschnitt und Federabschnitt als ein Bauteil die Materialeigenschaften des Federabschnitts weitgehend unabhängig von denen des Lenkerabschnitts eingestellt werden können, indem die Packungsdichte, Orientierung und/oder Zusammensetzung der eingelagerten Fasern sowie ggf. die Zusammensetzung der Kunststoffmatrix variiert wird.
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Bevorzugt ist die Lenkereinheit als Querlenker ausgebildet, wobei die Schwenkachse der X-Achse des Kraftfahrzeugs entspricht. Genau genommen entspricht hierbei der Lenkerabschnitt dem Querlenker. Der Lenkerabschnitt kann in ähnlicher Weise wie konventionelle Querlenker L-förmig oder gebogen sein, wobei eine erste und eine zweite Aufbau-Anbindungsstelle sowie eine Rad-Anbindungsstelle vorgesehen sind. Insbesondere kann sich der Lenkerabschnitt im Wesentlichen in einer Ebene erstrecken, die durch die genannten Anbindungsstellen gegeben ist.
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Insbesondere kann die Lenkereinheit die Funktion eines unteren Querlenkers, der unterhalb einer Drehachse des Fahrzeugrades angeordnet ist, erfüllen. Insbesondere, aber nicht ausschließlich ist es bevorzugt, dass die Feder-Anbindungsstelle oberhalb der Schwenkachse angeordnet ist. Da bei der beschriebenen Bauform normalerweise nur noch wenig Bauraum unterhalb der Schwenkachse vorhanden ist, lässt sich durch eine Feder-Anbindungsstelle oberhalb der Schwenkachse ein längerer Federabschnitt realisieren, dessen elastische Eigenschaften sich ggf. leichter optimieren lassen.
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Der Federabschnitt kann unterschiedliche Formen haben und bspw. gerade oder aber ein- oder mehrfach gebogen sein. Bspw. kann der Federabschnitt in entspanntem Zustand derart gebogen sein, dass er im eingebauten Zustand unter der Last des Fahrzeugs gerade ist. Sein Querschnitt kann zwischen dem Lenkerabschnitt und der Feder-Anbindungsstelle konstant sein oder aber variiert werden, wodurch das Verformungsverhalten gezielt beeinflusst werden kann.
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Bevorzugt verläuft der Federabschnitt wenigstens überwiegend in einem Winkel zwischen 60° und 120° über einer durch die Schwenkachse sowie die Rad-Anbindungsstelle verlaufende Ebene. Diese kann auch als "Ebene des Lenkerabschnitts" bezeichnet werden. Insbesondere kann der genannte Winkel in etwa ein rechter Winkel sein und z. B. zwischen 80° und 100° liegen. Bei dieser Ausgestaltung bilden der Federabschnitt und der Lenkerabschnitt eine in etwa Tförmige oder L-förmige Struktur. Wenn man davon ausgeht, dass der Lenkerabschnitt annähernd waagerecht orientiert ist, verläuft der Federabschnitt hier also überwiegend aufwärts bzw. abwärts, insbesondere annähernd senkrecht.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist der Federabschnitt im Bereich der Schwenkachse mit dem Lenkerabschnitt verbunden. Anders ausgedrückt, der Abstand der Rad-Anbindungsstelle von der Schwenkachse ist hierbei wesentlich größer als der Abstand des Übergangsbereichs, in dem der Federabschnitt in den Lenkerabschnitt übergeht. Ersterer Abstand kann z. B. viermal so groß sein wie Letzterer, so dass sich der Übergangsbereich gewissermaßen in einem aufbauseitigen Viertel des Lenkerabschnitts befindet. Typischerweise befinden sich der Übergangsbereich und die Rad-Anbindungsstelle auf der gleichen Seite der Schwenkachse, sie können sich aber auch auf unterschiedlichen Seiten befinden.
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Die optimale Funktion des Federabschnitts lässt sich normalerweise nicht realisieren, wenn dieser vollständig am Fahrzeugaufbau arretiert ist. Es sind Bauformen vorstellbar, wo die Feder-Anbindungsstelle schwenkbar und/oder verschiebbar am Fahrzeugaufbau angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist die Feder-Anbindungsstelle elastisch am Fahrzeugaufbau gelagert. D. h. es ist im Bereich der Feder-Anbindungsstelle ein elastisches Lager, bspw. ein Gummi-Lager vorgesehen. Hierbei kann der Federabschnitt ggf. nur an den Seiten von Gummi eingefasst sein, die quer zur Schwenkachse liegen, da in Richtung der Schwenkachse normalerweise keine Kräfte oder Verschiebung zu erwarten sind. Bspw. kann die Feder-Anbindungsstelle durch auf gegenüberliegenden Seiten angeordnete Gummielemente gelagert sein, von denen eines z. B. unmittelbar am Fahrzeugaufbau anliegt und das andere durch eine Metallplatte gesichert ist, die ihrerseits mittels einer Klammer oder einer Schraubverbindung am Fahrzeugaufbau gesichert ist.
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Der Federabschnitt kann insbesondere nach Art einer Blattfeder ausgestaltet sein. In diesem Fall ist typischerweise seine Längserstreckung zwischen dem Lenkerabschnitt und der Feder-Anbindungsstelle größer als seine Abmessungen quer hierzu, d. h. der Federabschnitt ist langgestreckt. Weiterhin ist bevorzugt, dass der Federabschnitt in Richtung der Schwenkachse eine größere Querabmessung aufweist als quer zur Schwenkachse. Durch die vergleichsweise geringe Querabmessung quer zur Schwenkachse ist der Federabschnitt gegenüber Biegemomenten bezüglich der Schwenkachse relativ flexibel. Im Hinblick auf die möglichst starre Ausgestaltung des Lenkerabschnitts und die elastische Ausgestaltung des Federabschnitts ist es ebenfalls bevorzugt, dass der Lenkerabschnitt eine Querabmessung quer zur Schwenkachse aufweist, die größer ist als eine Querabmessung des Federabschnitts quer zur Schwenkachse. Der Begriff "Querabmessung" bezieht sich hierbei jeweils auf eine Richtung quer zur Längserstreckung, die im Falle des Federabschnitts durch die Strecke vom Lenkerabschnitt zur Feder-Anbindungsstelle gegeben ist und im Falle des Lenkerabschnitts durch die Strecke von der Schwenkachse zur Rad-Anbindungsstelle.
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Es versteht sich, dass der Lenkerabschnitt nicht als geschlossene, massive Struktur ausgebildet sein muss, sondern dass er Hohlräume und/oder Ausnehmungen aufweisen kann oder dass an seiner Oberfläche Versteifungsrippen ausgebildet sein können, mittels derer er in gewicht- und materialsparender Weise verstärkt wird. Soweit sinnvoll, können entsprechende Strukturen auch in den Federabschnitt eingearbeitet sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist in den faserverstärkten Kunststoff bereichsweise wenigstens eine Komponente aus einem anderen Material eingelagert. Dies kann sich auf den faserverstärkten Kunststoff des Federabschnitts und/oder den des Lenkerabschnitts beziehen. Hierbei bedeutet "eingelagert", dass die genannte Komponente wenigstens teilweise vom faserverstärkten Kunststoff umgeben ist, d. h. ggf. können Teile der Komponente an der Oberfläche liegen. Normalerweise ist die Komponente stoffschlüssig mit dem faserverstärkten Kunststoff verbunden. Der Begriff "Komponente" ist hier im Sinne von Teil, Bauteil oder Element zu verstehen. Alternativ kann man auch von einem Einsatzteil sprechen. Hierbei kann wenigstens eine Komponente aus Metall, Keramik, Gummi oder einem weiteren Kunststoff (der sich vom Material der Matrix des faserverstärkten Kunststoffs unterscheidet) bestehen. Durch solche Komponenten, insbesondere aus Metall oder Keramik, können Bereiche der Lenkereinheit lokal verstärkt werden, wodurch sich eine verbesserte Festigkeit bzw. Steifigkeit ergibt. Man kann hierbei von einer Hybrid-Bauweise der Lenkereinheit sprechen. Unter diese Ausgestaltung fallen auch Bauformen, bei denen bspw. eine Lagerhülse aus Metall gebildet ist, die bereits beim Herstellungsprozess in den faserverstärkten Kunststoff eingelagert wird. Als Metalle kommen insbesondere Stahl oder Leichtmetalle wie Aluminium infrage. Es kann auch eine Komponente aus Gummi (z. B. eine Lagerbuchse) nach oder während des Formungsprozesses des faserverstärkten Kunststoffs einvulkanisiert werden.
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Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, Komponenten z. B. aus Metall oder Keramik vorzusehen, um bestimmte Bereiche der Lenkereinheit zu verstärken. Insbesondere kann der Bereich, in dem der Federabschnitt in den Lenkerabschnitt übergeht, besonderen Belastungen ausgesetzt sein. Daher ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Komponente in einem Übergangsbereich vom Lenkerabschnitt zum Federabschnitt angeordnet, um den Übergangsbereich zu verstärken. Wenn bspw. der Federabschnitt in einem bestimmten Winkel vom Lenkerabschnitt abzweigt, so dass sich eine T-Form ergibt, kann in den Übergangsbereich eine ebenfalls T-förmige Komponente eingelagert sein, die diesen Bereich verstärkt.
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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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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Radaufhängung;
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2 eine Schnittansicht der Radaufhängung aus 1 entlang der Linie A-A; und
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3 eine Schnittansicht der Radaufhängung aus 1 entlang der Linie B-B.
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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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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Radaufhängung 1 eines Kraftfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung wird ergänzt durch die Schnittansichten in den 2 und 3. Die Blickrichtung ist hierbei in 1 entlang der X-Achse (Längsachse) des Fahrzeugs, in 2 und 3 entlang der Z-Achse (Hochachse). Ein zentrales Element der Radaufhängung ist eine Lenkereinheit 2, die über zwei Schwenklager 7, 8, also einem vorderen Schwenklager 7 und einem hinteren Schwenklager 8 schwenkbar an einem Hilfsrahmen 30 gelagert ist. Bei der in 1 gewählten Darstellung ist eines der Schwenklager von dem anderen verdeckt. Hierdurch ist eine Schwenkachse S definiert, die im vorliegenden Fall mit der X-Achse zusammenfällt. Der Hilfsrahmen 30 ist hierbei Teil eines ansonsten nicht dargestellten Fahrzeugaufbaus und die Schwenklager 7, 8 bilden somit Aufbau-Anbindungsstellen 4, 5. Ein Lenkerabschnitt 2.1 der Lenkereinheit 2 erstreckt sich entlang der Y-Achse (Querachse) des Fahrzeugs bis zu einem Kugelgelenk 9, das eine Rad-Anbindungsstelle 3 bildet, an der die Lenkereinheit 2 mit einem Radträger 20 verbunden ist.
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In bekannter Weise ist eine (stark schematisiert dargestellte) Radnabe 21 drehbar am Radträger 20 gelagert. Des Weiteren ist ein Stoßdämpfer 22 über zwei Halterungen 23, 24 starr mit dem Radträger verbunden. Allerdings ist der Stoßdämpfer 22 nicht, wie im Stand der Technik üblich, konzentrisch von einer Spiralfeder umgeben. Vielmehr wird die Funktion einer Feder von einem Federabschnitt 2.2 der Lenkereinheit 2 übernommen. Der Federabschnitt 2.2 geht in einem Übergangsbereich 2.3 im Bereich der Schwenkachse S vom Lenkerabschnitt 2.1 aus und erstreckt sich nahezu rechtwinklig zu diesem. Hierbei sind der Lenkerabschnitt 2.1 und der Federabschnitt 2.2 einstückig aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt. Als Fasern können hierbei bspw. Carbonfasern, Glasfasern, Aramidfasern oder Gemische hiervon verwendet werden. Die Fasern können als Gewebe, Gelege oder in anderer Form vorbereitet werden und mit dem Kunststoff bzw. Harz getränkt, besprüht oder umgossen werden, welches anschließend in einer entsprechenden Form aushärtet. Der Federabschnitt 2.2 ist an einer Feder-Anbindungsstelle 6 mit dem Hilfsrahmen 30 verbunden. Der Federabschnitt 2.2 ist hierbei elastisch gelagert, indem einerseits zwischen dem Federabschnitt 2.2 und dem Hilfsrahmen 30 sowie andererseits zwischen einer durch Klammern 13, 14 am Hilfsrahmen 30 gesicherten Metallplatte 12 und dem Federabschnitt 2.2 jeweils Gummielemente 10, 11 angeordnet sind. Die Gummielemente 10, 11 erlauben dem Federabschnitt 2.2 eine begrenzte Bewegung im Bereich der Feder-Anbindungsstelle 6.
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Wenngleich der Lenkerabschnitt 2.1 ebenso wie der Federabschnitt 2.2 jeweils aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt sind, ist der Lenkerabschnitt 2.1 grundsätzlich starr ausgelegt (d. h. bei den normalerweise auftretenden Kräften erfolgt keine oder nur eine vernachlässigbare Verformung desselben), während der Federabschnitt 2.2 elastisch ausgelegt ist, so dass er sich bei einer Schwenkbewegung des Lenkerabschnitts 2.1 elastisch verbiegt. Die beim Verbiegen auftretende Rückstellkraft dient als Federkraft der Radaufhängung 1.
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Wie insbesondere in 1 erkennbar ist, ist die Querabmessung (bzw. die Dicke) des Federabschnitts 2.2 quer zur Schwenkachse S (also entlang der Y-Achse) deutlich kleiner als die Querabmessung des Lenkerabschnitts 2.1 (entlang der Z-Achse). Schon aus diesem Grund ist der Lenkerabschnitt 2.1 wesentlich biegesteifer als der Federabschnitt 2.2. Zusätzlich kann die Steifigkeit noch durch Zusammensetzung, Dichte und Orientierung der eingelagerten Fasern beeinflusst werden, die im Lenkerabschnitt 2.1 einerseits und im Federabschnitt 2.2 andererseits unterschiedlich gewählt werden können. Es ist auch denkbar, in den beiden Abschnitten 2.1, 2.2 zumindest teilweise unterschiedliche Kunststoffe einzusetzen.
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Wie des Weiteren aus den Schnittansichten der 2 sowie 3 deutlich wird, ist die Querabmessung des Federabschnitts 2.2 in Richtung der Schwenkachse S deutlich größer als quer hierzu. Insgesamt ist der Federabschnitt 2.2 nach Art einer Blattfeder ausgestaltet.
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Beim Einfedern des Radträgers 20 ist der Übergangsbereich 2.3 besonderen Belastungen ausgesetzt. Um die Struktur der Lenkereinheit 2 dort zu verstärken, ist ein Einsatz 15 aus Stahl eingearbeitet, der einen im Wesentlichen T-förmigen Querschnitt aufweist, wobei er sich sowohl in den Lenkerabschnitt 2.1 als auch in den Federabschnitt 2.2 erstreckt. Wie bereits eingangs erläutert, ist die Herstellung der Lenkereinheit 2 vergleichsweise einfach und kann beispielsweise im Wesentlichen das Tränken und Umgießen einer vorbereiteten Faser-Struktur innerhalb einer Form beinhalten. Hierbei kann der Einsatz 15 im gleichen Arbeitsschritt von der Kunststoffmasse eingeschlossen werden. Entsprechend können bspw. Teile des Kugelgelenks 9 und/oder der Schwenklager 7, 8 unmittelbar im Kunststoff eingeschlossen werden. Alternativ ist es bei Gummi-Komponenten auch möglich, dass diese nach dem Formungsprozess ein- bzw. anvulkanisiert werden. Alternativ zu einem Einsatz 15 aus Stahl ist es auch möglich, Keramik- oder Leichtmetall-Komponenten in die Kunststoffmatrix einzuarbeiten, um eine lokale Verstärkung zu erreichen. Es können auch Komponenten eines andersartigen Kunststoffs eingearbeitet werden.
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In den 1–3 ist aus Gründen der Vereinfachung kein Längslenker dargestellt. Ein solcher ist selbstverständlich in der Regel ebenfalls Teil der Radaufhängung 1. Des Weiteren können optional zusätzliche Querlenker vorgesehen sein, bspw. ein oberer Querlenker, der oberhalb der Radnabe 21 am Radträger 20 ansetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Radaufhängung
- 2
- Lenkereinheit
- 2.1
- Lenkerabschnitt
- 2.2
- Federabschnitt
- 2.3
- Übergangsbereich
- 3
- Rad-Anbindungsstelle
- 4, 5
- Aufbau-Anbindungsstelle
- 6
- Feder-Anbindungsstelle
- 7, 8
- Schwenklager
- 9
- Kugelgelenk
- 10, 11
- Gummielement
- 12
- Metallplatte
- 13, 14
- Klammer
- 15
- Einsatz
- 20
- Radträger
- 21
- Radnabe
- 22
- Stoßdämpfer
- 23, 24
- Halterung
- 30
- Hilfsrahmen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013209648 A1 [0006]
- US 4613152 A [0007]
- DE 3243434 A1 [0008]
- US 4753456 A [0009]
- DE 102011010367 A1 [0010]
- DE 202014101981 U1 [0011]
- DE 19942060 A1 [0012]
- WO 2014/145585 A1 [0013]
- US 5667206 A [0014]
- DE 102008015705 A1 [0015]
- US 4802659 A [0016]
- US 4768807 A [0017]
- EP 1378382 B1 [0018]
- EP 1535766 B1 [0019]
- US 2014/0353937 A1 [0020]
