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Die Erfindung betrifft eine Nutzfahrzeugachse und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Achse.
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Wenn in diesem Text auf Normen oder vergleichbare Vorschriften Bezug genommen wird, ist damit immer die zum Zeitpunkt der Einreichung der vorliegenden Anmeldung geltende Fassung gemeint, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
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Achsen der hier in Rede stehenden Art sind so genannte Starrachsen, d. h. nicht lenkende Achsen. Sie umfassen in der Regel ein Achsrohr, an dessen stirnseitigen Enden jeweils ein Achsstummel angeschweißt ist. Die Gesamtlänge der Achse ist dabei typischerweise so bemessen, dass sie sich im am Nutzfahrzeug befestigten Zustand über dessen Breite erstreckt. Es sind aber auch Starrachsen bekannt, die jeweils nur einen Achsstummel tragen und so bemessen sind, dass für jede Seite des Nutzfahrzeugs eine eigene Achse vorgesehen werden kann.
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Ein typisches Beispiel für eine Nutzfahrzeug-Starrachse und ihre Aufhängung am jeweiligen Nutzfahrzeug ist in der
DE 10 2008 053 886 B4 beschrieben. Bei dieser Achse sind die durch die Achsstummel definierten Drehachsen der an der Achse zu lagernden Räder koaxial zur Längsachse des Achsrohrs ausgerichtet. Die Achsstummel sind dazu mit ihren dem Achsrohr zugeordneten Stirnflächen gegen die ihnen zugeordnete Stirnfläche des Achsrohrs stoßend angeordnet und mittels Reibschweißen mit dem Achsrohr verbunden worden.
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Aus dem Bereich der Fahrwerkstechnik ist es allgemein bekannt, dass durch eine gezielte Einstellung des so genannten ”Sturz” die Stellung auch der an einer Starrachse gelagerten Räder so beeinflusst werden kann, dass sich die Räder in Folge der beim beladenen Fahrzeug einstellenden Biegebelastung der Achse bezogen die Fahrbahn, auf der das Rad abrollt, senkrecht ausrichten. Wie im Einzelnen in der
DE 10 2009 017 287 A1 beschrieben, kann so ein optimaler Reifenablauf gewährleistet und frühzeitigem Reifenverschleiß vorgebeugt werden. Als ”Sturz” wird dabei der Winkel zwischen Radmittelebene und einer Senkrechten zur Fahrbahnebene definiert. Der Sturz ist positiv, wenn das Rad im unbeladenen Zustand des Fahrzeugs an seiner oberen Seite nach außen geneigt ist.
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Ebenso hinlänglich bekannt ist es, dass durch Einstellung einer gewissen ”Vorspur” der Geradeauslauf auch der an einer Starrachse gelagerten Räder verbessert werden kann. Wird keine Vorspur eingestellt, laufen die Räder dagegen im Fahrbetrieb tendenziell außen. Als ”Spur” ist dabei der Winkel definiert, der sich zwischen der Fahrzeuglängsachse und der Radmittelebene ergibt. Von ”Vorspur” wird hier gesprochen, wenn der vordere Teil des Rades der Fahrzeuglängsachse zugelenkt ist, also der Abstand zwischen den Rädern eines an einer Starrachse gelagerten Räderpaars in normaler Vorwärtsfahrrichtung gesehen vorne geringer ist als im in Vorwärtsfahrrichtung hinteren Bereich der Räder. Im Fahrbetrieb bewirkt der Rollwiderstand der Räder, dass die im Stillstand zwischen der normalen Geradeaus-Fahrrichtung und der Ausrichtung der Räder bestehende Winkelabweichung aufgehoben wird und so ein stabiler Geradeauslauf garantiert ist.
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Vor dem Hintergrund des Standes der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine einfach und kostengünstig herzustellende Nutzfahrzeugachse zu schaffen, die optimale Laufeigenschaften der an ihr gelagerten Räder ermöglicht.
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Ebenso sollte ein kostengünstig und unaufwändig durchzuführendes Verfahren zur Herstellung einer solchen Achse angegeben werden.
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In Bezug auf die Nutzfahrzeugachse schlägt die Erfindung zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe eine mindestens mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen ausgestattete Achse vor.
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In Bezug auf das Verfahren besteht die erfindungsgemäße Lösung der oben genannten Aufgabe darin, dass bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Nutzfahrzeugachse mindestens die in Anspruch 6 genannten Arbeitsschritte absolviert werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
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Eine erfindungsgemäße Nutzfahrzeugachse umfasst demgemäß in Übereinstimmung mit dem eingangs erläuterten Stand der Technik ein Achsrohr und mindestens einen Achsstummel, der an einer der Stirnseiten des Achsrohrs angeordnet und in einer mindestens abschnittsweise um das Achsrohr umlaufenden Schweißnaht fest mit dem Achsrohr verbunden ist, wobei der Achsstummel für ein auf ihm zu lagerndes Rad des Nutzfahrzeugs eine Drehachse definiert.
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Erfindungsgemäß ist nun bei einer solchen Achse der Achsstummel in Bezug auf die Längsachse des Achsrohrs unter einem Sturzwinkel, der einem vorgegebenen Sturz des Rades entspricht, und/oder unter einem Vorspurwinkel, der einer vorgegebenen Vorspur des Rades entspricht, mit dem Achsrohr verschweißt.
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Die Erfindung basiert somit auf dem Gedanken, der Nutzfahrzeugachse schon beim Zusammenfügen ihrer Einzelteile die für einen optimalen Lauf der im Gebrauch an ihre gelagerten Räder benötigte Geometrie zu verleihen. Hierzu wird der jeweilige Achsstummel für das Verschweißen mit dem Achsrohr jeweils so ausgerichtet, dass die durch den Achsstummel definierte Drehachse in Bezug auf die Längsachse des Achsrohrs winklig gestellt ist und zwar derart, dass die Ausrichtung der durch den Achsstummel definierten Drehachse bei an dem jeweiligen Nutzfahrzeug montierter Achse dem jeweils geforderten Sturz oder der jeweiligen Spur entspricht. In Fällen, in denen für die jeweilige Achse nur eine Einstellung entweder des Sturzes oder der Spur gefordert wird, wird der Achsstummel entsprechend für das Verschweißen mit dem Achsrohr so ausgerichtet, dass seine Drehachse entweder nur unter einem dem geforderten Sturz entsprechenden Sturzwinkel oder nur unter einem der geforderten Spur entsprechenden Spurwinkel in Bezug auf die Längsachse des Achsrohrs ausgerichtet ist. Genauso ist es selbstverständlich möglich, die Ausrichtung von Achsstummel und Achsrohr für das Verschweißen so vorzunehmen, dass die durch den jeweiligen Achsstummel definierte Drehachse in Bezug auf die Längsachse sowohl hinsichtlich des Sturzes und der Spur unter einem Sturzwinkel und einem Spurwinkel angeordnet ist, den Vorgaben entsprechen, die an die Spur und den Sturz der im Gebrauch an der Achse gelagerten Rädern gestellt werden.
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Die Erfindung ist dabei in gleicher Weise für Achsen geeignet, bei denen jeweils nur an einer Stirnseite ein Achsstummel für die Lagerung eines Rads vorgesehen ist, wie auch für Achsen, bei denen an beiden Stirnseiten des Achsrohrs jeweils ein Achsstummel in Bezug auf die Längsachse des Achsrohrs unter einem Sturzwinkel, der einem vorgegebenen Sturz des Rades entspricht, und/oder unter einem Vorspurwinkel, der einer vorgegebenen Vorspur des Rades entspricht, mit dem Achsrohr verschweißt ist.
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Die erfindungsgemäße für das Schweißen vorgesehene relative Ausrichtung der Längsachse des Achsrohrs und der durch den jeweiligen Achsstummel definierten Drehachse kann dadurch erfolgen, dass die jeweilige Schweißnaht, über die der jeweilige Achsstummel mit dem Achsrohr verbunden ist, jeweils in einer Ebene verläuft, die durch zwei Vektoren aufgespannt ist, von denen – jeweils in Bezug auf die Längsachse des Achsrohrs – der eine unter dem Sturzwinkel und der andere unter dem Vorspurwinkel ausgerichtet ist. Der gemäß ISO 612/DIN 70000 bemessene Sturzwinkel liegt dabei typischerweise im Bereich von ±0,24°, wogegen der Vorspurwinkel typischerweise bei 0–0,073° liegt, was in der Praxis einer ”Vorspur” von 0 ... 25 mm/m entspricht.
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Die lagerichtige Verschweißung von Achsstummel und Achsrohr kann auch dadurch besonders präzise bewerkstelligt werden,
- – dass für das Verschweißen mit den Achsstummeln das Achsrohr in eine Spannvorrichtung eingelegt wird, in der das Achsrohr derart elastisch verformt wird, dass im verspannten Zustand seine jeweilige Stirnfläche in einer Winkellage bezogen auf seine Längsachse im unverformten Zustand des Achsrohrs ausgerichtet ist, die der Winkellage der Stirnflächen des Achsstummels bei zur Längsachse im unverformten Zustand des Achsrohrs achsparalleler Anordnung entspricht,
- – dass anschließend der Achsstummel bei achsparallel zur Längsachse im unverformten Zustand des Achsrohrs ausgerichteter Drehachse mit seiner dem Achsrohr zugeordneten Stirnfläche an die zugeordnete Stirnfläche des Achsrohrs angesetzt wird,
- – dass daraufhin der Achsstummel mit dem nach wie vor eingespannten Achsrohr verschweißt wird
und
- – dass schließlich das Achsrohr entspannt wird.
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Nach der Entspannung nimmt das Achsrohr seine ursprüngliche Form ein. Der Achsstummel und die durch ihn definierte Drehachse sind bei entspanntem Achsrohr somit unter dem jeweils vorgegebenen, durch die Ausrichtung der einander zugeordneten Stirnflächen von Achsrohr und Achsstummel bestimmten Sturz- und Vorspurwinkel ausgerichtet.
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Abhängig von den jeweiligen geometrischen oder räumlichen Gegebenheiten und den Belastungen, denen die Achse in der Praxis ausgesetzt ist, kann es zweckmäßig sein, die Schweißnaht abschnittsweise oder vollständig um das Achsrohr umlaufend auszubilden.
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Ein für die Praxis besonders vorteilhaftes und bewährtes Schweißverfahren zum Verschweißen des jeweiligen Achsstummels mit dem Achsrohr ist das Rotationsschweißen, in der Praxis häufig auch als Reibrührschweißen bezeichnet. Beim Rotationsschweißen wird das Gefüge der an die Schweißnaht angrenzenden Bereiche von Achsstummel und Achsrohr nur vergleichbar wenig beeinflusst, so dass die Materialeigenschaften von Achsrohr und Achsstummel weitestgehend auch im Bereich der Verschweißung gleichmäßig erhalten bleiben. Alternativ können jedoch auch andere Schweißverfahren, wie das MAG-, das Abbrenn-Stumpf-, das Magnet Arc- oder das lineare Reibschweißen eingesetzt werden.
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Den voranstehenden Erläuterungen entsprechend umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Nutzfahrzeugachse mindestens folgende Arbeitsschritte:
- – Bereitstellen eines Achsrohrs und eines Achsstummels, wobei an dem Achsrohr und dem Achsstummel einander zugeordnete Stirnflächen vorgesehen sind, die in Bezug aufeinander derart angeordnet sind, dass bei aneinander liegenden Stirnflächen von Achsrohr und Achsstummel die durch den Achsstummel definierte Drehachse in Bezug auf die Längsachse des Achsrohrs unter dem jeweiligen Sturzwinkel und/oder Vorspurwinkel ausgerichtet ist;
und
- – Verschweißen des Achsrohrs und des Achsstummels entlang des Umfangs der Fügezone, in der das Achsrohr und der Achsstummel mit ihren Stirnflächen aneinander liegen.
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Die erfindungsgemäß vorgesehene Ausrichtung von Achsstummel und Achsrohr für das Verschweißen kann gemäß einer ersten Variante der Erfindung dadurch bewerkstelligt werden, dass die dem Achsrohr zugeordnete Stirnfläche des Achsstummels in Bezug auf die durch den Achsstummel definierte Drehachse normal ausgerichtet ist und die der Stirnfläche des Achsstummels zugeordnete Stirnfläche des Achsrohrs in einer Ebene verläuft, die durch zwei Vektoren aufgespannt ist, von denen – jeweils in Bezug auf die Längsachse des Achsrohrs – der eine unter dem Sturzwinkel und der andere unter dem Vorspurwinkel ausgerichtet ist.
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Alternativ kann die dem Achsstummel zugeordnete Stirnfläche des Achsrohrs in Bezug auf die Längsachse des Achsrohrs normal ausgerichtet sein und die der Stirnfläche des Achsrohrs zugeordnete Stirnfläche des Achsstummels in einer Ebene verlaufen, die durch zwei Vektoren aufgespannt ist, von denen – jeweils in Bezug auf die durch den Achsstummel definierten Drehachse – der eine unter dem Sturzwinkel und der andere unter dem Vorspurwinkel ausgerichtet ist.
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Die Vektoren, die die Ebene für die jeweils nicht normal zur zugeordneten Dreh- bzw. Längsachse ausgerichteten Stirnfläche aufspannen, sind dabei in einer Projektion auf eine normal zur Längsachse des Achsrohrs ausgerichteten Ebene, also einer Ebene, auf der die Längsachse des Achsrohrs senkrecht steht, typischerweise orthogonal zueinander ausgerichtet. Im Fall, dass sowohl ein Sturz als auch eine Spur gefordert werden, schließen die Vektoren dabei mit der Längsachse des Achsrohrs jeweils einen Winkel ein, der kleiner als 90° ist. Soll dagegen nur eine einem vorgegebenen Sturz oder nur eine einer bestimmten Spur entsprechende Ausrichtung des Achsstummels in Bezug auf das Achsrohr vorgenommen werden, schließt nur der die jeweilige Ausrichtung repräsentierende Vektor mit der Längsachse des Achsrohrs einen Winkel ein, der kleiner 90° ist, wogegen der Winkel zwischen dem Vektor, der die jeweils andere Ausrichtung repräsentiert, und der Längsachse des Achsrohrs 90° beträgt.
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Mit der Erfindung steht eine Nutzfahrzeugachse zur Verfügung, die sich durch einfaches Verschweißen der Einzelbestandteile einer solchen Achse kostengünstig herstellen lässt. Aufwändige Nacharbeiten, wie ein vorrichtungstechnisch aufwändig zu realisierendes Richten des Achsstummels entsprechend den Vorgaben an den Sturz und die Spur, oder ebenso aufwändige konstruktive Maßnahmen sind für die Herstellung solcher Achsen nicht erforderlich. Stattdessen lassen sich mit der Erfindung optimale Gebrauchseigenschaften aufweisen Nutzfahrzeugachsen in großen Stückzahlen mit hoher Verlässlichkeit und optimierter Maßhaltigkeit im Serienbetrieb erzeugen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Deren Figuren zeigen jeweils schematisch und nicht maßstäblich:
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1 die Einzelteile einer erfindungsgemäßen Nutzfahrzeugachse;
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2 die Nutzfahrzeugachse im fertigen Zustand;
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3 ein Koordinatensystem, aus dem die räumliche Zuordnung der Einzelteile bei der fertig hergestellten Nutzfahrzeugachse hervorgeht;
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4 die mit Rädern bestückte Nutzfahrzeugachse im an einem unbeladenen Nutzfahrzeug befestigten Zustand in einer Ansicht von der in normaler Vorwärtsfahrtrichtung hinteren Seite des Nutzfahrzeugs;
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5 die mit Rädern bestückte Nutzfahrzeugachse im an einem stillstehenden Nutzfahrzeug befestigten Zustand in einer Ansicht von oben.
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Die Nutzfahrzeugachse 1 umfasst ein zentrales, aus einem für diese Zwecke üblicherweise verwendeten Stahl bestehendes Achsrohr 2, an dessen seitlichen Enden jeweils ringförmige Stirnflächen 3, 4 ausgebildet sind, und zwei in an sich bekannter Weise ausgebildete Achsstummel 5, 6, an deren dem Achsrohr 2 zugeordneten Stirnseiten jeweils ebenfalls eine Stirnfläche 7, 8 ausgebildet ist.
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Die Stirnflächen 3, 4 des Achsrohrs 2 sind dabei in einer in Bezug auf die Längsachse La des Achsrohrs 2 windschief ausgerichteten Ebene E angeordnet.
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Wie in 3 für die Stirnfläche 4 des Achsrohrs 2 dargestellt, ist diese Ebene E durch zwei Vektoren V1, V2 aufgespannt. Bei dem in 3 dargestellten Koordinatensystem ist die Längsachse La des Achsrohrs 2 koaxial zu einer Achse X des Koordinatensystems ausgerichtet, die sich gedacht in Breitenrichtung des Nutzfahrzeugs erstreckt, an dem die Nutzfahrzeugachse 1 montiert werden soll. Dazu orthogonal und in Richtung der normalen Vorwärtsfahrtrichtung des Nutzfahrzeugs ausgerichtet ist eine Achse Z des Koordinatensystems ausgerichtet. Senkrecht auf der durch die Achsen X und Z aufgespannten Ebene und damit vertikal ausgerichtet zum Untergrund U, auf dem das Nutzfahrzeug sich bewegt und der parallel zu den Achsen X und Z ausgerichtet ist, steht die dritte Achse Y des Koordinatensystems.
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Der Vektor V1 liegt in der durch die Achsen X, Y aufgespannten Ebene und schließt mit der Längsachse La des Achsrohrs 2 einen Sturzwinkel α' ein, der einem vorgegebenen Sturz α der an der Achse 1 beim Nutzfahrzeug gelagerten Räder R (4) entspricht (α' = 90° + α).
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Der Vektor V2 liegt dagegen in der durch die Achsen X, Z aufgespannten Ebene und schließt mit der Längsachse La einen Vorspurwinkel β' ein, der einer vorgegebenen Vorspur β der Räder R (5) entspricht (β' = 90° – β).
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Die der jeweiligen Stirnfläche 3, 4 zugeordneten Stirnflächen 7, 8 der Achsstummel 5, 6 sind normal zur durch die Achsstummel 5, 6 jeweils definierten Drehachse D ausgerichtet. D. h., die Drehachse D des jeweiligen Achsstummels 5, 6 steht senkrecht auf der Ebene, in der die Stirnfläche 7, 8 des betreffenden Achsstummels 5, 6 liegt.
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Zum Befestigen der Achsstummel 5, 6 werden diese mit ihren Stirnflächen 7, 8 zur Anlage an die ihnen jeweils zugeordnete Stirnfläche 3, 4 des Achsrohrs 2 gebracht.
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Anschließend werden die Achsstummel 5, 6 durch Reibrührschweißen in an sich bekannter Weise mit dem Achsrohr 2 verschweißt. Dabei entsteht am Umfang der Fügezone F1, F2, an der die Achsstummel 5, 6 jeweils am Achsrohr 2 anliegen, jeweils eine um das Achsrohr 2 umlaufende Schweißnaht 9, 10, die, wie die Stirnflächen 3, 4, in Bezug auf die Längsachse La des Achsrohrs 2 in der Ebene E liegt.
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Bei der fertigen Nutzfahrzeugachse 1 sind die Achsstummel 5, 6 mit der von ihnen jeweils definierten Drehachse D jeweils so ausgerichtet, dass nach der Montage der Nutzfahrzeugachse 1 am jeweiligen Fahrzeug die an ihr gelagerten Räder R einen den Vorgaben entsprechenden Sturz α und eine den Vorgaben entsprechende Vorspur β aufweisen, ohne dass dazu zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nutzfahrzeugachse
- 2
- Achsrohr
- 3, 4
- Stirnflächen des Achsrohrs 2
- 5, 6
- Achsstummel
- 7, 8
- Stirnflächen der Achsstummel 5, 6
- 9, 10
- Schweißnaht
- D
- durch die Achsstummel 5, 6 jeweils definierte Drehachse
- E
- Ebene, in der die Stirnflächen 3, 4 liegen
- F1, F2
- Fügezone
- La
- Längsachse des Achsrohrs 2
- R
- Räder
- U
- Untergrund
- V1, V2
- Vektoren
- X, Y, Z
- Achsen eines kartesischen Koordinatensystems
- α'
- Sturzwinkel
- α
- Sturz
- β'
- Vorspurwinkel
- β
- Vorspur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008053886 B4 [0004]
- DE 102009017287 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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