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Die Erfindung betrifft eine Achsstrebe für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Achsstrebe.
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Achsstreben für Fahrwerke von Fahrzeugen, beispielsweise NKWs, LKWs oder PKWs werden vorwiegend axial sowohl durch Druck- als auch durch Zugkräfte belastet. Bei Wanklasten wird die Achsstrebe in geringem Maße auf Torsion beansprucht. Eine besondere Herausforderung an die Tragfähigkeit der Achsstrebe ergibt sich aus einem Missbrauchslastfall, z. B. wenn ein Wagenheber an die Achsstrebe angesetzt wird.
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Aus der
DE 10 2013 007 284 A1 ist eine Verbindungsstrebe bekannt, die einen Stangenabschnitt und zwei quer zur Längsachse gerichtete Lageraugen aufweist. Die Verbindungsstrebe ist teilweise aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt, wobei der faserverstärkte Kunststoff durch Prepregs gebildet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Achsstrebe vorzuschlagen, welche eine geringe Bauteilmasse aufweist und kostengünstig herzustellen ist. Zudem soll die Achsstrebe ein gutes Belastungsverhalten aufweisen, unter anderem sollen Spannungen innerhalb der Achsstrebe in verbesserter Art und Weise aufgenommen werden können. Die Achsstrebe soll eine hohe laterale Steifigkeit aufweisen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Achsstrebe für ein Fahrzeug umfasst einen Schaft sowie einen ersten und zweiten Lagerbereich, wobei die Achsstrebe aus einer ersten und zweiten Tragwicklung, einem ersten und zweiten Lasteinleitelement sowie einem Kopplungsmaterial gebildet ist, wobei das Kopplungsmaterial dazu vorgesehen ist, eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Lasteinleitelementen und den beiden Tragwicklungen zu schaffen, wobei die erste Tragwicklung zumindest teilweise radial um das jeweilige Lasteinleitelement angeordnet ist, wobei ferner die zweite Tragwicklung axial zwischen den beiden Lasteinleitelementen angeordnet ist, wobei die beiden Tragwicklungen aus einem Faserkunststoffverbundmaterial ausgebildet sind, und wobei das erste Lasteinleitelement an dem ersten Lagerbereich angeordnet ist und das zweite Lasteinleitelement an dem zweiten Lagerbereich angeordnet ist.
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Die Achsstrebe weist einen Schaft und zwei Lagerbereiche auf. Der Schaft ist hierbei zwischen den beiden Lagerbereichen angeordnet und mit diesen verbunden. Die Achsstrebe erstreckt sich somit von dem ersten Lagerbereich über den Schaft zu dem zweiten Lagerbereich. Der erste Lagerbereich begrenzt die Achsstrebe zu einer ersten Seite hin, der zweite Lagerbereich begrenzt die Achsstrebe zu einer zweiten Seite hin. Der Schaft kann hierbei länger als breit sein, wobei der Schaft z. B. eine geringere Breite aufweisen kann als die beiden Lagerbereiche an ihrer breitesten Stelle.
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Insbesondere ist die Achsstrebe dazu vorgesehen in einem Fahrwerk eines Fahrzeugs verwendet zu werden, beispielsweise in einem NKW, LKW oder PKW. Auf die Achsstrebe wirken in einem Fahrbetrieb Druck- und Zugkräfte, die diese axial belasten. Axial bedeutet hierbei in Längsrichtung der Achsstrebe, wobei die Längsrichtung durch die beiden Lagerbereiche festgelegt ist. Mit anderen Worten ist die Längsrichtung der Achsstrebe von dem ersten Lagerbereich zu dem zweiten Lagerbereich entlang des Schafts definiert. Des Weiteren wird die Achsstrebe auf Torsion beansprucht, wenn an dem Fahrwerk, in welchem die Achsstrebe Verwendung findet, eine Wanklast auftritt. Wird an der Achsstrebe beispielsweise ein Wagenheber angesetzt, tritt ein sogenannter Missbrauchslastfall auf, d. h. auf die Achsstrebe wirken Biegebeanspruchungen, denen die Achsstrebe stand halten muss.
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Die beiden Tragwicklungen sind aus Faserkunststoffverbundmaterial (FKV) ausgeformt. Vorzugsweise sind die beiden Tragwicklungen aus einem carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK) ausgeformt. Alternativ können die beiden Tragwicklung auch aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) oder aus einem aramidfaserverstärkten Kunststoff (AFK) oder aus einem anderen geeigneten Faserkunststoffverbundmaterial ausgeformt sein. Die Tragwicklungen sind insbesondere endlosfaserverstärkt. Ferner sind die Tragwicklungen als radiale Wicklungen ausgebildet und verlaufen somit im Wesentlichen um die Längsachse der Achstrebe herum. Durch die erste Tragwicklung wird zumindest teilweise die Mantelfläche der Achsstrebe ausgebildet. Somit sind die beiden Lasteinleitelemente im Inneren der ersten Tragwicklung angeordnet. Die zweite Tragwicklung ist innerhalb der ersten Tragwicklung angeordnet. Mit anderen Worten ist die zweite Tragwicklung räumlich zwischen den beiden Lasteinleitelementen sowie zwischen der ersten Tragwicklung angeordnet. Im Bereich des Schaftes sind die beiden Tragwicklungen im Wesentlichen parallel zueinander ausgebildet. Insbesondere bildet die zweite Tragwicklung einen Kernbereich des Schaftes.
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Das Kopplungsmaterial verbindet die beiden Tragwicklungen und die beiden Lasteinleitelemente stoffschlüssig miteinander. Somit ist das Kopplungsmaterial in Zwischenräumen zwischen den beiden Tragwicklungen und den beiden Lasteinleitelementen angeordnet.
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An jedem Lagerbereich der Achsstrebe ist ein Lasteinleitelement ausgebildet, das eine Aufnahme, insbesondere ein Lagerauge für ein Lagerelement aufweist. Jede Aufnahme der Lasteinleitelemente ist dazu vorgesehen, ein jeweiliges Lagerelement, insbesondere ein Gummi-Metall-Lager, aufzunehmen. Die erste Tragwicklung bildet eine geschlossene Schleife, die die beiden Lasteinleitelemente formschlüssig miteinander verbindet. Insbesondere ist die erste Tragwicklung zur Aufnahme von Zugkräften vorgesehen. Auch die zweite Tragwicklung bildet eine geschlossene Schleife, wobei die zweite Tragwicklung insbesondere zur Aufnahme von Druckkräften vorgesehen ist. Die über die Lasteinleitelemente in die Achsstrebe eingeleiteten Kräfte werden insbesondere über das Kopplungsmaterial in die jeweilige Tragwicklung flächig eingeleitet. Mithin sind die beiden Lasteinleitelemente über das Kopplungsmaterial mit den beiden Tragwicklungen hinsichtlich einer Kraftübertragung flächig gekoppelt.
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Bei Einleitung einer axialen Last über die Lasteinleitelemente in die Achsstrebe, wird die axiale Last im Falle von Drucklasten von den beiden Lasteinleitelementen über das Kopplungsmaterial im Wesentlichen auf die zweite Tragwicklung und teilweise auch auf die erste Tragwicklung übertragen. Von der zweiten Tragwicklung werden die Kräfte über Seitenflächen der zweiten Tragwicklung und das daran angeordnete Kopplungsmaterial an die erste Tragwicklung weitergeleitet. Die erste Tragwicklung ist formschlüssig mit den beiden Lasteinleitelementen verbunden. Im Falle von Zuglasten wird die axiale Last von den beiden Lasteinleitelementen im Wesentlichen flächig auf die Seitenflächen der ersten Tragwicklung, insbesondere im Bereich der beiden Lasteinleitelemente übertragen. Von der ersten Tragwicklung werden die Kräfte über die Seitenflächen der ersten Tragwicklung und das daran angeordnete Kopplungsmaterial an die zweite Tragwicklung weitergeleitet. Die Achsstrebe ist auf Grund der Ausformung der beiden Tragwicklungen aus Faserkunststoffverbundmaterial leichter als herkömmliche metallische Achsstreben.
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Das Kopplungsmaterial ist aus einem Polymerwerkstoff ausgebildet. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Kopplungsmaterial aus einem duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoff ausgebildet. Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Kopplungsmaterial als kunstfaserverstärkter Spritzguss, Bulk Moulding Compound (BMC) oder als Sheet Moulding Compound (SMC) ausgebildet ist. Unter Sheet Moulding Compound ist eine plattenförmige, teigartige Pressmasse umfassend Reaktionsharze und Fasern zur Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden zu verstehen. Vorzugsweise werden Epoxid-, Polyester- oder Vinylesterharze zur Herstellung verwendet, wobei die Verstärkungsfasern matten- oder gewebeförmig vorliegen. Demgegenüber ist unter Bulk Moulding Compound eine teigartige Pressmasse umfassend Reaktionsharze und Fasern zur Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden zu verstehen. Vorzugsweise werden Polyester- oder Vinylesterharze zur Herstellung verwendet, wobei die Verstärkungsfasern vorzugsweise als Kurzfasern ausgebildet sind.
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Bevorzugt sind die beiden Lasteinleitelemente aus einem Faserkunststoffverbundmaterial oder aus einer Leichtmetalllegierung, insbesondere einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung ausgebildet. Beispielsweise können die Lasteinleitelemente als Formpressteile aus vorzugsweise langfaserverstärkten, duroplastischen Kunststoffverbundmaterial ausgeformt sein. Alternativ dazu können die Lasteinleitelemente aus einem langfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffverbundmaterial (LFT) oder aus einem kurzfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffverbundmaterial (KFT) ausgeformt sein. Dadurch wird eine Massereduktion im Vergleich zur Verwendung von metallischen Lasteinleitelementen erreicht. Die Ausbildung der Lasteinleitelemente aus einer Aluminiumlegierung erlaubt eine kostengünstige Herstellung der Lasteinleitelemente im Strangpressverfahren.
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Vorzugsweise ist eine Schutzwicklung im Wesentlichen quer zu einer Längsachse der Achsstrebe zumindest teilweise um die Achsstrebe herum angeordnet. Mithin formt die Schutzwicklung zumindest teilweise eine Mantelfläche des Schaftes aus, wobei die Schutzwicklung zumindest teilweise die beiden Tragwicklungen und das Kopplungsmaterial umgibt. Die Schutzwicklung dient insbesondere zum Schutz der Tragwicklung vor Steinschlag. Insbesondere ist die Schutzwicklung aus einem Faserkunststoffverbundmaterial ausgebildet. Ferner ist es auch denkbar die Schutzwicklung aus einem Thermoplastmaterial auszubilden.
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Ferner bevorzugt kommt die erste Tragwicklung zumindest teilweise unmittelbar am jeweiligen Lasteinleitelement zur Anlage. Mit anderen Worten ist zwischen der ersten Tragwicklung und dem jeweiligen Lasteinleitelement zumindest über einen Teil der Umfangsfläche des Lasteinleitelements kein Kopplungsmaterial angeordnet, sodass die erste Tragwicklung direkt mit dem jeweiligen Lasteinleitelement formschlüssig verbunden ist. Alternativ dazu kann eine Haftschicht oder das Kopplungsmaterial selbst zwischen der ersten Tragwicklung und dem jeweiligen Lasteinleitelement angeordnet sein.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umschließt die zweite Tragwicklung einen Innenraum, wobei der Innenraum dazu vorgesehen ist, zumindest teilweise eine Füllstruktur aufzunehmen. Insbesondere kann der Innenraum zumindest teilweise mit einem Schaummaterial gefüllt sein. Das Material ist im Wesentlichen dazu vorgesehen, den Innenraum zumindest teilweise auszufüllen, um insbesondere den Querschnitt zu stabilisieren und bei Drucklasten einen geometrischen Erhalt des Querschnittes der zweiten Tragwicklung zu unterstützen. Insbesondere kann das Schaummaterial aus einem Polymer, beispielsweise Polyurethan ausgebildet sein.
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Ferner ist es aber auch denkbar, dass das Schaummaterial als Styropor ausgebildet ist. Bevorzugt wird der Innenraum zumindest teilweise mit dem Kopplungsmaterial gefüllt. Ferner ist es auch denkbar die Füllstruktur aus einem Metall, z. B. aus einer Leichtmetalllegierung auszubilden.
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Vorzugsweise ist die Füllstruktur fachwerkartig ausgebildet. Somit ist nicht der gesamte Innenraum, der von der zweiten Tragwicklung umschlossen wird mit der Füllstruktur gefüllt. Insbesondere ist unter einer fachwerkartigen Füllstruktur eine Balkenkonstruktion zu verstehen. Die jeweiligen Balken können durch eine vorzugsweise dünne Ebene, die alle Balken miteinander verbindet und dadurch zumindest in dieser Ebene den gesamten Innenraum füllt, miteinander verbunden sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Achsstrebe umfasst insbesondere die nachfolgenden Verfahrensschritte. Zunächst werden die beiden Tragwicklungen sowie die beiden Lasteinleitelemente hergestellt. Danach werden die beiden Lasteinleitelemente und die beiden Tragwicklungen in ein Montagewerkzeug eingelegt. In einem dritten Verfahrensschritt erfolgt das Einbringen des Kopplungsmaterials in das Montagewerkzeug zum Verbinden der beiden Tragwicklungen und der beiden Lasteinleitelemente miteinander. Sofern das Kopplungsmaterial aus einem duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoff ausgebildet ist erfolgt das Einbringen des Kopplungsmaterials in das Montagewerkzeug durch Einspritzen. Insbesondere kann der duroplastische oder thermoplastische Kunststoff Verstärkungsfasern oder Verstärkungspartikel aufweisen. Alternativ kann das Kopplungsmaterial als Bulk Moulding Compound oder als Sheet Moulding Compound ausgebildet sein. Dabei wird die Bulk Moulding Compound Masse oder das Sheet Moulding Compound insbesondere in die Freiräume zwischen den beiden Tragwicklungen und den beiden Lasteinleitelementen eingelegt. Insbesondere kann ein thermoplastischer Kunststoff oder die Bulk Moulding Compound Masse bei kleinen Faserlängen auch im Spritzgussverfahren in das Montagewerkzeug eingespritzt werden. Unter Druck- und Wärmeeinfluss wird die Tragwicklung mit den beiden Lasteinleitelementen und dem Kernprofil verbunden. Mithin erfolgt eine In-Situ-Aushärtung im Montagewerkzeug. Abschließend wird die Achsstrebe aus dem Montagewerkzeug entnommen.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt
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1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Achsstrebe nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Achsstrebe nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
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3 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Schaft der Achsstrebe nach einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Gemäß den 1 und 2 umfasst eine erfindungsgemäße Achsstrebe 1 für ein – hier nicht dargestelltes – Fahrzeug einen Schaft 2 sowie einen ersten und zweiten Lagerbereich 3a, 3b. Die Achsstrebe 1 ist aus einer ersten und einer zweiten Tragwicklung 4a, 4b, einem ersten und einem zweiten Lasteinleitelement 5a, 5b sowie einem Kopplungsmaterial 6 ausgebildet. Das erste Lasteinleitelement 5a ist an dem ersten Lagerbereich 3a angeordnet und das zweite Lasteinleitelement 5b ist an dem zweiten Lagerbereich 3b angeordnet.
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Die beiden Tragwicklungen 4a, 4b sind aus einem Faserkunststoffverbundmaterial ausgebildet, wobei die beiden Lasteinleitelemente 5a, 5b aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet sind. Insbesondere sind die beiden Tragwicklungen 4a, 4b aus einem carbonfaserverstärkten Kunststoff ausgebildet. Ferner ist das Kopplungsmaterial 6 aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet, der im Rahmen des Herstellungsverfahrens der Achsstrebe 1 zwischen die beiden Tragwicklungen 4a, 4b und den beiden Lasteinleitelementen 5a, 5b eingespritzt wird, um diese miteinander stoffschlüssig zu verbinden. Die erste Tragwicklung 4a ist zumindest teilweise radial um das jeweilige Lasteinleitelement 5a, 5b angeordnet. Insbesondere ist die erste Tragwicklung formschlüssig mit den beiden Lasteinleitelementen 5a, 5b verbunden. Die zweite Tragwicklung 4b umschließt einen Innenraum 9, wobei in dem Innenraum 9 eine Füllstruktur 10 angeordnet ist. Insbesondere wird zur Ausbildung der Füllstruktur 10 das Kopplungsmaterial 6 in den Innenraum 9 eingespritzt.
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Die in 2 dargestellte Achsstrebe 1 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Achsstrebe 1 dadurch, dass die erste Tragwicklung 4a zumindest teilweise unmittelbar am jeweiligen Lasteinleitelement 5a, 5b zur Anlage kommt. Insbesondere steht über 70% der Umfangsfläche des jeweiligen Lasteinleitelements 5a, 5b direkt mit der ersten Tragwicklung 4a in Kontakt. Mithin ist lediglich in einem Bereich von weniger als 30% der Umfangsfläche des jeweiligen Lasteinleitelements 5a, 5b das Kopplungsmaterial 6 angeordnet. Somit ist die erste Tragwicklung 4a im Wesentlichen formschlüssig mit den beiden Lasteinleitelementen 5a, 5b verbunden. Über das Kopplungsmaterial 6 sind die beiden Lasteinleitelemente 5a, 5b ebenso wie die erste Tragwicklung stoffschlüssig mit der zweiten Tragwicklung 4b verbunden. Ferner besteht die fachwerkartige Füllstruktur 10 aus mehreren Balken 11, die aus dem Kopplungsmaterial 6 ausgebildet sind und zur Stabilisierung des Querschnitts der zweiten Tragwicklung 4b vorgesehen sind.
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In 3 ist die Achsstrebe 1 nach 1 in einer leicht modifizierten Ausführungsform dargestellt. Die in 3 dargestellte Achsstrebe 1 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Achsstrebe 1 dadurch, dass eine Schutzwicklung 7 im Wesentlichen quer zu einer Längsachse 8 der Achsstrebe 1 teilweise um die Achsstrebe 1 herum angeordnet ist. Insbesondere erstreckt sich die Schutzwicklung 7 über den gesamten Schaft 2 bis hin zu den beiden Lagerbereichen 3a, 3b. Die Anordnung der Schutzwicklung 7 in einem jeweiligen Halsbereich 12a, 12b, der zwischen dem jeweiligen Lagerbereich 3a, 3b und dem Schaft 2 angeordnet ist, ist vorteilhaft zur Verhinderung einer Aufweitung der ersten Tragwicklung 4a. Ferner geht aus 3 aufgrund der Schnittdarstellung insbesondere der Aufbau des Querschnitts des Schaftes 2 hervor. Innerhalb der Schutzwicklung 7 ist die erste Tragwicklung 4a angeordnet, wobei die erste Tragwicklung 4a über das Kopplungsmaterial 6 mit der zweiten Tragwicklung 4b verbunden ist. Die zweite Tragwicklung 4b umschließt den Innenraum 9, in dem die Füllstruktur 10 angeordnet ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorhergehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Weiterbildungsmöglichkeiten sind insbesondere der Beschreibung und der Ansprüche zu entnehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Achsstrebe
- 2
- Schaft
- 3a, 3b
- Lagerbereich
- 4a, 4b
- Tragwicklung
- 5a, 5b
- Lasteinleitelement
- 6
- Kopplungsmaterial
- 7
- Schutzwicklung
- 8
- Längsachse
- 9
- Innenraum
- 10
- Füllstruktur
- 11
- Balken
- 12a, 12b
- Halsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013007284 A1 [0003]
