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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Festkörpergelenk für ein Fahrwerk eines Fahrzeugs nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörpergelenks nach Anspruch 12.
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Gelenke in Fahrwerken von Straßenfahrzeugen, z. B. von PKWs oder NKWs sind üblicherweise als Kugelgelenke ausgeformt. Sind diese Kugelgelenke aus metallischem Material ausgebildet, sind diese mittels eines Schmierfetts geschmiert und werden diese mittels eines Gummibalgs abgedichtet.
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Übliche Kugelgelenke weisen aufgrund der Haftüberhöhung zu Beginn der Bewegung ein erhöhtes Losbrechmoment auf. Dies ist nachteilig, da das Kugelgelenk plötzlich und/oder verspätet anspricht. Zudem können diese Kugelgelenke bei hohen axialen oder radialen Belastungen bei Langzeitbenutzung ausschlagen und Spiel bekommen. Das ist negativ für die Funktionalität und das NVH-Verhalten des Kugelgelenks.
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Übliche Festkörpergelenke lassen nur eine Bewegung um eine Achse zu und können daher nicht eingesetzt werden für Fahrwerkanwendungen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde, ein Gelenk für die Anwendung im Fahrwerk eines Fahrzeugs vorzuschlagen, das nicht geschmiert oder abgedichtet werden muss und dessen Ansprechverhalten gleichmäßig und kontinuierlich ist.
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Die vorliegende Erfindung schlägt ausgehend von der vorgenannten Aufgabe ein Festkörpergelenk für ein Fahrwerk eines Fahrzeugs mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörpergelenks nach Anspruch 12 vor. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Ein Festkörpergelenk für ein Fahrwerk eines Fahrzeugs umfasst ein Verbindungselement und wenigstens ein Gelenksegment, wobei das wenigstens eine Gelenksegment eine Verbindungsstelle, mittels welcher das Festkörpergelenk mittels des Verbindungselements mit einem Fahrwerkselement, das auf der Gelenkachse angeordnet ist, verbindbar ist, einen Fußbereich, mittels welchem das Festkörpergelenk an einem Fahrzeugaufbau abstützbar ist, und einen weichen Bereich, mittels welchem eine Rotation um eine radiale Ebene des Festkörpergelenks ermöglicht ist, aufweist. Das wenigstens eine Gelenksegment ist blechförmig ausgeformt und erstreckt sich von dem Fußbereich über den weichen Bereich zu der Verbindungsstelle. Der weiche Bereich ist stark gekrümmt ausgeformt, so dass ein reversibles Einfedern des wenigstens einen Gelenksegments entlang der Gelenkachse ermöglicht ist. Das Fahrzeug ist beispielsweise ein PKW oder NKW.
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Das Verbindungselement dient dazu Bauelemente miteinander zu verbinden und kann z. B. als Schraube, Bolzen, Niet oder als anderes geeignetes Verbindungselement ausgeformt sein. Das Fahrwerkselement kann z. B. ein Querlenker, ein Längslenker, ein Dreiecksquerlenker, eine Radaufhängung oder ein anderes Fahrwerkselement sein.
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Das Festkörpergelenk weist das wenigstens eine Gelenksegment auf, welches die Verbindungsstelle, den Fußbereich und den weichen Bereich aufweist. Weist das Festkörpergelenk mehr als ein Gelenksegment auf, weist jedes dieser Gelenksegmente eine Verbindungsstelle, einen Fußbereich und einen weichen Bereich auf. Das Gelenksegment ist blechförmig ausgeformt. Das heißt, dass das Gelenksegment eine geringe Dicke aufweist, und eine Flächenerstreckung vielfach größer ist als die Dicke des Gelenksegments. In anderen Worten ist das Gelenksegment mittels eines dünnen Materialstreifens ausgeformt.
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Der Fußbereich und die Verbindungsstelle des wenigstens einen Gelenksegments sind fest ausgeformt und begrenzen den weichen Bereich. Vorzugsweise ist der Fußbereich und/ oder die Verbindungsstelle eben ausgeformt. Der Fußbereich kann parallel zur Verbindungsstelle ausgeformt sein. Der Fußbereich begrenzt das wenigstens eine Gelenksegment zu einer ersten Seite hin. Die Verbindungsstelle begrenzt das wenigstens eine Gelenksegment zu einer zweiten, der ersten entgegengesetzten Seite hin. Der weiche Bereich ist zwischen dem Fußbereich und der Verbindungsstelle angeordnet und mit diesen beiden Bereichen verbunden. In anderen Worten erstreckt sich das wenigstens eine Gelenksegment von dem Fußbereich über den weichen Bereich zur Verbindungsstelle. Der Fußbereich sowie die Verbindungsstelle sind nicht weich oder elastisch ausgeformt. Vorzugsweise sind der Fußbereich und/oder die Verbindungsstelle starr ausgeformt.
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Das wenigstens eine Gelenksegment ist einstückig ausgeformt. Das heißt, dass das wenigstens eine Gelenksegment nicht zerstörungsfrei in einzelne Elemente zerlegt werden kann. Somit sind Fußbereich, weicher Bereich und Verbindungsstelle nicht zerstörungsfrei voneinander trennbar. Zudem ist das wenigstens eine Gelenksegment vollständig aus einem einzigen Material ausgeformt, d. h. Fußbereich, weicher Bereich und Verbindungsstelle sind aus demselben Material ausgeformt.
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Der weiche Bereich ist derjenige Bereich des wenigstens einen Gelenksegments, der verformbar ist. Die Weichheit des weichen Bereichs wird durch die stark gekrümmte Ausformung desselben erreicht. Es liegt also eine geometrische Weichheit vor. Der weiche Bereich weist eine starke Krümmung auf. Dies heißt, dass der weiche Bereich ausgehend von der Verbindungsstelle einen geometrischen Extremwert, genauer ein globales Maximum aufweist auf einer Kurve, die durch einen Querschnitt der Ausformung des wenigstens einen Gelenksegments definiert ist, wobei der Querschnitt entlang der Gelenkachse geführt ist. Die starke Krümmung ist eine konkave Krümmung. Die Ausformung des wenigstens einen Gelenksegment ist in seinem Querschnitt einem Gelenk eines Fußes eines Arthropoden, z. B. einer Heuschrecke, nachempfunden.
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Beispielsweise ist die Ausformung des wenigstens einen Gelenksegments derart, dass der Fußbereich horizontal ausgeformt ist, dass der daran anschließende weiche Bereich eine steile Steigung aufweist, die z. B. größer als 90° sein kann, wobei die Krümmung des weichen Bereichs, der an den Fußbereich anschließt, konvex ist. Im weiteren Verlauf weist der weiche Bereich einen Wendepunkt auf, so dass die Krümmung konkav ist, wobei der konkave Bereich das Maximum aufweist. Anschließend fällt die Steigung ab bis zur horizontalen Verbindungsstelle und weist wiederum einen Wendepunkt auf. Die starke Krümmung ist z. B. derart stark, dass die Teile des weichen Bereichs, die angrenzen an das Maximum, parallel zueinander angeordnet sind.
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Aufgrund der Weichheit des weichen Bereichs ist eine Rotation um eine radiale Ebene des Festkörpergelenks ermöglicht. Das heißt, dass das Festkörpergelenk aus diesem Grund ähnlich einem Kugelgelenk eine Bewegung um mehr als eine Achse zulässt. Das Festkörpergelenk lässt also dieselben Bewegungen zu wie ein Kugelgelenk. Ist bei der Verwendung des Festkörpergelenks in einem Fahrwerk eines Fahrzeugs ein Fahrwerkselement mit dem Festkörpergelenk verbunden, kann dieses bewegt werden in Richtung einer ersten Bewegungsachse, die senkrecht ist zu der Gelenkachse, und in Richtung einer zweiten Bewegungsachse, die ebenfalls senkrecht ist zu der Gelenkachse sowie zu der ersten Bewegungsachse. Eine Bewegung in Richtung einer dritten Bewegungsachse, die deckungsgleich ist mit der Gelenkachse und eine Hochachse darstellt, ist ebenfalls möglich, da das Festkörpergelenk aufgrund der Weichheit des weichen Bereichs ein Einfedern des mit dem Festkörpergelenk verbundenen Fahrwerksbauteils zulässt. Sowohl die Rotation um die radiale Ebene des Festkörpergelenks als auch das Einfedern sind wiederholbar und reversibel.
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Vorteilhaft an dem gezeigten Festkörpergelenk ist, dass dieses vollkommen ohne Abdichtung oder Schmierung auskommt. Weiterhin kann es nicht zu einem Ausschlagen des Gelenks kommen. Zudem ist aufgrund des weichen Bereichs ein gleichmäßiges und kontinuierliches Ansprechverhalten ermöglicht, da im Gegensatz zu üblichen Kugelgelenken keine Haftüberhöhung auftritt. Weiterhin kann auf einfache Art und Weise eine Anpassung des Gelenkverhaltens vorgenommen werden, indem der Querschnitt des wenigstens einen Gelenksegments geändert wird und/ oder indem die Krümmung des weichen Bereichs angepasst wird.
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Nach einer Ausführungsform weist das Festkörpergelenk ein Wälzlager oder ein Gleitlager oder eine Lagerbuchse, welche/s verbunden ist mit dem Verbindungselement und der Verbindungsstelle des wenigstens einen Gelenksegments, auf.
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Das Wälzlager kann z. B. ein Rollenlager oder ein Kugellager oder ein anderes geeignetes Wälzlager sein. Das Wälzlager oder das Gleitlager oder die Lagerbuchse ist mit der Verbindungsstelle des wenigstens einen Gelenksegments verbunden und mit dem Verbindungselement. Weist das Festkörpergelenk mehr als ein Gelenksegment auf, ist das Wälzlager oder das Gleitlager oder die Lagerbuchse mit jeder Verbindungsstelle verbunden.
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Das Wälzlager oder das Gleitlager oder die Lagerbuchse dient dazu, eine Bewegung um die Gelenkachse, also um die dritte Bewegungsachse zu ermöglichen. Wird das Festkörpergelenk im Fahrwerk eines Fahrzeugs verwendet und ist ein Fahrwerkselement verbunden mit dem Festkörpergelenk mittels des Verbindungselements, kann dieses Fahrwerkselement mittels des Wälzlagers oder mittels des Gleitlagers oder mittels der Lagerbuchse um die Gelenkachse bewegt werden. Somit ist eine zusätzliche Rotationsbewegung ermöglicht.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist das Festkörpergelenk wenigstens zwei Gelenksegmente auf, wobei die wenigstens zwei Gelenksegmente an ihren Verbindungsstellen miteinander verbunden sind. Diese wenigstens zwei Gelenksegmente sind vorzugsweise gleichförmig ausgeformt und weisen dieselbe Steifigkeit auf. Alternativ dazu können die wenigstens zwei Gelenksegmente unterschiedlich voneinander ausgeformt sein und/ oder unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen. Weisen die wenigstens zwei Gelenksegmente unterschiedliche Steifigkeiten auf, kann dadurch ein richtungsabhängiges Gelenkverhalten erreicht und eingestellt werden.
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Jedes der wenigstens zwei Gelenksegmente ist vorzugsweise streifenförmig ausgebildet, wobei der Streifen ein schmaler Materialstreifen ist, dessen Längserstreckung deutlich größer ist als dessen Breite.
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Die wenigstens zwei Gelenksegmente sind z. B. mittels des Verbindungselements miteinander wirkverbunden. Somit hat das Verbindungselement zwei Funktionen, nämlich das Verbinden der wenigstens zwei Gelenksegmente und, bei der Verwendung des Festkörpergelenks in einem Fahrwerk eines Fahrzeugs, das Verbinden des Festkörpergelenks mit einem Fahrwerkselement. Alternativ dazu können die wenigstens zwei Gelenksegmente derart gefertigt werden, dass diese direkt miteinander verbunden sind, beispielsweise mittels Integralbauweise, wenn die Gelenksegmente aus einem Faserkunststoffverbundmaterial (FKV) ausgeformt sind, oder z. B. durch Umformung eines Materialstreifen aus einem metallischen Material.
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Beispielsweise kann ein erstes der wenigstens zwei Gelenksegmente genau gegenüberliegend zu dem zweiten der wenigstens zwei Gelenksegmente angeordnet sein auf einer Kreisbahn, deren Mittelpunkt durch die Gelenkachse festgelegt ist (180° Winkel). Dies entspricht einer symmetrischen Anordnung. Alternativ dazu kann das erste der wenigstens zwei Gelenksegmente auf der Kreisbahn näher an dem zweiten der wenigstens zwei Gelenksegmente angeordnet sein (Winkel <180° oder Winkel >180°). Dabei ist diese Kreisbahn rein geometrisch zu sehen und kein Bauelement des Festkörpergelenks. Der Abstand wird dabei jeweils von einer Symmetrieachse/ Mittelachse des einzelnen Gelenksegments zu einer Symmetrieachse/ Mittelachse des anderen Gelenksegments bestimmt. Wenn das erste der Gelenksegmente dem zweiten der Gelenksegmente nicht genau gegenüberliegt, kann ein richtungsabhängiges Gelenkverhalten durch diese Anordnung der Gelenksegmente erreicht und eingestellt werden, je nach der Anordnung der einzelnen Gelenksegmente auf der Kreisbahn zueinander.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist das Festkörpergelenk wenigstens drei Gelenksegmente auf, wobei die wenigstens drei Gelenksegmente an ihren Verbindungsstellen miteinander verbunden sind. Diese wenigstens drei Gelenksegmente sind vorzugsweise gleichförmig ausgeformt und weisen dieselbe Steifigkeit auf. Alternativ dazu können die wenigstens drei Gelenksegmente unterschiedlich voneinander ausgeformt sein und/ oder unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen. Weisen die wenigstens drei Gelenksegmente unterschiedliche Steifigkeiten auf, kann dadurch ein richtungsabhängiges Gelenkverhalten erreicht und eingestellt werden.
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Jedes der wenigstens drei Gelenksegmente ist vorzugsweise streifenförmig ausgebildet, wobei der Streifen ein schmaler Materialstreifen ist, dessen Längserstreckung deutlich größer ist als dessen Breite.
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Die wenigstens drei Gelenksegmente sind z. B. mittels des Verbindungselements miteinander wirkverbunden. Somit hat das Verbindungselement zwei Funktionen, nämlich das Verbinden der wenigstens drei Gelenksegmente und, bei der Verwendung des Festkörpergelenks in einem Fahrwerk eines Fahrzeugs, das Verbinden des Festkörpergelenks mit einem Fahrwerkselement. Alternativ dazu können die wenigstens drei Gelenksegmente derart gefertigt werden, dass diese direkt miteinander verbunden sind, beispielsweise mittels Integralbauweise, wenn die Gelenksegmente aus einem Faserkunststoffverbundmaterial (FKV) ausgeformt sind, oder z. B. durch Umformung eines Materialstreifen aus einem metallischen Material.
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Beispielsweise kann ein erstes der wenigstens drei Gelenksegmente einen Abstand von 120° zu einem zweiten der wenigstens drei Gelenksegmente auf der Kreisbahn aufweisen und einen Abstand von 240° zu einem dritten der wenigstens drei Gelenksegmente auf der Kreisbahn aufweisen. Somit weisen alle drei Gelenksegmente der wenigstens drei Gelenksegmente einen äquidistanten Abstand zueinander auf. Dies entspricht einer symmetrischen Anordnung. Alternativ dazu können diese drei Gelenksegmente keinen äquidistanten Abstand zueinander aufweisen, also unsymmetrisch zueinander angeordnet sein. Beispielsweise kann das erste der wenigstens drei Gelenksegmente näher an dem zweiten der wenigstens drei Gelenksegmente angeordnet sein als an dem dritten der wenigstens drei Gelenksegmente.
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Weist das Festkörpergelenk mehr als drei Gelenksegmente auf, beispielsweise vier Gelenksegmente, kann ein erstes Gelenksegment zu einem zweiten Gelenksegment einen Abstand von 90° auf der Kreisbahn aufweisen, zu einem dritten Gelenksegment einen Abstand von 180° Aufweisen und zu einem vierten Gelenksegment einen Abstand von 270°. Somit weist das erste der vier Gelenksegmente zu seinen beiden direkt benachbarten Gelenksegmenten, d. h. zu dem zweiten und dem vierten Gelenksegment, einen äquidistanten Abstand auf. Außerdem weist das zweite der vier Gelenksegmente zu seinen beiden direkt benachbarten Gelenksegmenten, d. h. zu dem dritten und dem ersten Gelenksegment, einen äquidistanten Abstand auf. Dies entspricht einer symmetrischen Anordnung. Direkt benachbart heißt hierbei, dass zwischen den direkt benachbarten Gelenksegmenten keine weiteren Gelenksegmente angeordnet sind. Alternativ dazu können diese vier Gelenksegmente keinen äquidistanten Abstand zueinander aufweisen, also unsymmetrisch zueinander angeordnet sein.
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Selbstverständlich kann das Festkörpergelenk mehr als vier Gelenksegmente aufweisen. Dabei können die Gelenksegmente entweder in einem äquidistanten Abstand zueinander angeordnet sein oder in keinem äquidistanten Abstand zueinander.
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Wenn die Gelenksegmente keinen äquidistanten Abstand zueinander aufweisen, kann ein richtungsabhängiges Gelenkverhalten durch diese Anordnung der Gelenksegmente erreicht und eingestellt werden, je nach der Anordnung der einzelnen Gelenksegmente auf der Kreisbahn zueinander.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist jedes Gelenksegment eine Steifigkeit auf, die von der Steifigkeit der anderen Gelenksegmente unterschiedlich ist. Die Steifigkeit jedes Gelenksegments hängt ab von der Ausformung jedes Gelenksegments. Weist z. B. der weiche Bereich eines ersten Gelenksegments eine stärkere Krümmung auf als der weiche Bereich eines zweiten Gelenksegments, so weist das erste Gelenksegment eine geringere Steifigkeit auf als das zweite Gelenksegment. Alternativ dazu können unterschiedliche Steifigkeiten der einzelnen Gelenksegmente erreicht werden, in dem jedes Gelenksegment aus einem unterschiedlichen Material ausgeformt ist, wobei sich die Steifigkeiten der Materialien unterscheiden. Weisen die einzelnen Gelenksegmente unterschiedliche Steifigkeiten auf, ist eine gezielte Einstellung eines richtungsabhängigen Gelenkverhaltens ermöglicht.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist das Festkörpergelenk genau ein Gelenksegment auf, das einen zu der Gelenkachse rotationssymmetrischen Körper ausformt. Das Gelenksegment ist weiterhin einstückig und blechförmig ausgeformt. Die Struktur des Festkörpergelenks ist angelehnt an eine Hülsenform. Vorteilhaft ist, dass dieses Festkörpergelenk weniger anfällig ist für Verschmutzung als ein Festkörpergelenk aus Materialstreifen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist das Festkörpergelenk ein Sicherungselement auf, welches angeordnet ist auf der Gelenkachse, wobei das Sicherungselement einen Widerstand gegen axiale Belastung des Festkörpergelenks erhöht. Die Sicherung ist hierbei mit der Verbindungsstelle des wenigstens einen Gelenksegments wirkverbunden. Eine axiale Belastung ist hierbei eine Zugkraft und/ oder eine Druckkraft, die in Richtung der Gelenkachse wirkt.
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Die Sicherung kann im Falle einer einen Zugbelastung, wenn das Festkörpergelenk in einem Fahrwerk eines Fahrzeugs verwendet wird, beispielsweise als ein Draht oder ein Seil ausgeformt sein. Im Falle einer Zug- und Druckbelastung, wenn das Festkörpergelenk in einem Fahrwerk eines Fahrzeugs verwendet wird, kann die Sicherung z. B. als ein Biegebalgen oder Knickbalken ausgeformt sein.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist jedes Gelenksegment ausgeformt ist aus einem Faserkunststoffverbundmaterial. Das FKV-Material ist hierbei z. B. ein Kohlefaserverbundmaterial (CFK), ein Glasfaserverbundmaterial (GFK), ein Aramidfaserverbundmaterial (AFK) oder ein anderes geeignetes FKV-Material.
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Das Festkörpergelenk wird bei Nutzung eines FKV mittels Integralbauweise gefertigt. Das wenigstens eine Gelenksegment wird ausgehend von einer flachen nassen oder trockenen Grundform aus FKV-Material mittels einer Falt-und Textiltechnik umgeformt. Weist das Festkörpergelenk beispielsweise vier Gelenksegmente auf, werden diese ausgehend von einer X-förmigen flachen Grundform, die nass oder trocken vorliegt, mittels einer Falttechnik in Form gebracht, so dass ein horizontaler Fußbereich, ein gekrümmter weicher Bereich und eine horizontale Verbindungsstelle für jedes Gelenksegment vorliegen. Die Gelenksegmente sind an ihren Verbindungsstellen miteinander verbunden, da die Grundform bereits in einem Mittelpunkt, der auf der künftigen Gelenkachse liegt, verbunden war. Nach dem Umformen wird das wenigstens eine Gelenksegment bzw. werden die Gelenksegmente ausgehärtet.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist jedes Gelenksegment ausgeformt aus einem metallischen Material. Das metallische Material kann z. B. Stahl, Federstahl, oder ein anderes geeignetes metallisches Material sein. Hergestellt wird jedes Gelenksegment mittels eines Blechumformverfahrens, ein flaches Blech kann beispielsweise mittels Biegen oder mittels Tiefziehen in die gewünschte Form gebracht werden. Anschließend können die einzelnen Gelenksegmente verbunden werden mittels des Verbindungselements, wenn das Festkörpergelenk aus mehr als einem Gelenksegment ausgeformt ist. Beispielsweise können alternativ dazu jeweils zwei Gelenksegmente gleichzeitig ausgeformt werden, indem ein Materialstreifen, dessen Länge zweimal der Länge eines einzelnen Gelenksegments entspricht, in Form gebogen wird, wobei die beiden Gelenksegmente an ihren Verbindungsstellen miteinander verbunden sind. Dies ist selbstverständlich nur möglich, wenn das Festkörpergelenk wenigstens zwei Gelenksegmente aufweist.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Festkörpergelenks aus einem FKV-Material mittels Integralbauweise, wird eine flache Grundform aus einem FKV-Material mittels einer Falt- und Textiltechnik umgeformt, so dass das wenigstens eine Gelenksegment einen Fußbereich, einen weichen Bereich, der eine starke Krümmung aufweist, und eine Verbindungsstelle aufweist. Nach dem Umformen erfolgt ein Aushärten. Das Festkörpergelenk aus FKV-Material wurde bereits in der vorherigen Beschreibung beschrieben. Die flache Grundform aus FKV-Material kann entweder in einem nassen oder einem trockenen Zustand vorliegen. Das heißt, dass das FKV-Material nass oder trocken vorliegen kann.
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Anhand der im Folgenden erläuterten Figuren werden Ausführungsbeispiele und Details der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Festkörpergelenks nach einem Ausführungsbeispiel,
- 2 eine schematische Darstellung eines Festkörpergelenks nach einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer ersten Ansicht,
- 3 eine schematische Darstellung des Festkörpergelenks nach dem Ausführungsbeispiel aus 2 in einer zweiten Ansicht, und
- 4 eine schematische Darstellung des Festkörpergelenks nach dem Ausführungsbeispiel aus 2 in einer Schnittansicht mit Verbindungselement.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Festkörpergelenks F nach einem Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist ein Festkörpergelenk F mit vier Gelenksegmenten 1, einem Verbindungselement, das hier nicht zu erkennen ist, wobei das Festkörpergelenk F mittels dieses Verbindungselements verbunden ist mit einem Fahrwerkselement 7. Das Festkörpergelenk F weist vier einzelne Gelenksegmente 1 auf. Jedes dieser Gelenksegmente 1 ist gleichförmig zu den anderen Gelenksegmenten 1 ausgebildet. Jedes dieser Gelenksegmente 1 weist einen Fußbereich 4, eine Verbindungsstelle 2 und einen weichen Bereich 5 auf.
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Der Fußbereich 4 jedes Gelenksegments 1 ist horizontal ausgebildet. Die Verbindungsstelle 2 jedes Gelenksegments 1 ist auch horizontal ausgebildet. Der weiche Bereich 5 jedes Gelenksegments 1 weist eine starke Krümmung 6 auf. Diese starke Krümmung 6 ist konkav ausgestaltet. Ein Gelenksegment 1 erstreckt sich also von dem Fußbereich 4 über den weichen Bereich 5 zu der Verbindungsstelle 2. Im Querschnitt weist jedes Gelenksegment 1 die folgende Form auf: ausgehend von dem horizontalen Fußbereich 4 weist der daran anschließende weiche Bereich 5 eine steile Steigung auf, die hier > 90° ist, das heißt die Steigung weist einen Überhang auf. Anschließend an diese Steigung folgt die starke Krümmung 6 des weichen Bereichs 5 eine konkave Krümmung. Im Bereich dieser starken konkaven Krümmung 6 weist der weiche Bereich 5 ein Maximum auf. Ausgehend von diesem Maximum fällt die Steigung des weichen Bereichs 5 wieder ab bis zu der horizontalen Verbindungsstelle 2. Die starke Krümmung 6 ist hierbei derart stark, dass die Abschnitte des weichen Bereichs 5, die an das Maximum angrenzen, parallel zueinander ausgeformt sind. Die Ausformung jedes einzelnen Gelenksegments 1 ist hierbei an ein Gelenk eines Fußes eines Arthropoden also eines Gliederfüßers angepasst.
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Die vier Gelenksegmente 1 sind an ihren Verbindungsstellen 2 mittels des Verbindungselements, welches hier nicht zu sehen ist, miteinander verbunden. Das Verbindungselement kann beispielsweise eine Schraube oder ein Bolzen sein. Mittels des Verbindungselements sind die vier Gelenksegmente 1 mit dem Fahrwerkselement 7 verbunden. Das Fahrwerkselement 7 ist beispielsweise stabförmig ausgebildet und ist auf der Gelenkachse G angeordnet. Die Gelenkachse G ist koaxial beziehungsweise deckungsgleich zu einer Hochachse y. Diese Hochachse y steht senkrecht auf einer Rotationsebene des Festkörpergelenks F, wobei diese Ebene festgelegt wird durch eine Achse x und eine Achse z, welche wiederum senkrecht aufeinander stehen. Die Achsen x, y, z bilden also ein kartesisches Koordinatensystem. Sowohl die Verbindungsstellen 2 als auch die Fußbereiche 4 sind horizontal, also senkrecht zu der Gelenkachse G. Jedes Gelenksegment 1 ist aus einem Stahlblech ausgeformt. Jedes der Gelenksegmente 1 ist blechförmig ausgebildet.
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Aufgrund der starken Krümmung 6 des weichen Bereichs 5 jedes Gelenksegments 1 weist jedes Gelenksegment 1 eine geometrische Weichheit auf. Der weiche Bereich 5 kann somit verformt werden. Es kann also eine Rotation um die radiale Ebene (Rotationsebene) des Festkörpergelenks F erfolgen, wobei die radiale Ebene festgelegt ist durch die beiden Achsen x und z. Somit wird der Gelenkeffekt des Festkörpergelenks F durch eine Elastokinematik erzeugt. Zudem ist aufgrund der Weichheit der weichen Bereiche 5 jedes Gelenksegments 1 ein Einfedern des Fahrwerkselements 7 entlang der Gelenkachse G ermöglicht. Somit kann das hier gezeigte Festkörpergelenk F dieselbe Funktion erfüllen wie ein handelsübliches Kugelgelenk. Jedoch muss das gezeigte Festkörpergelenk F nicht geschmiert oder abgedichtet werden. Zudem weist es ein kontinuierliches und gleichmäßiges Ansprechverhalten auf, was sich besonders positiv auswirkt auf ein Komfortverhalten des Festkörpergelenks F.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Festkörpergelenks F nach einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer ersten Ansicht. Diese erste Ansicht ist von schräg oben. Das dargestellte Festkörpergelenk F weist ein einzelnes Gelenksegment 1 auf, welches einen rotationssymmetrischen Körper ausbildet, wobei die Rotation um die Gelenkachse G erfolgt ist. Das Gelenksegment 1 weist hierbei denselben Querschnitt auf wie die einzelnen Gelenksegmente in 1. Insgesamt ist das Festkörpergelenk F hülsenförmig ausgestaltet. Wiederum ist der Fußbereich 4 horizontal angeordnet. Ebenso ist die Verbindungsstelle 2 horizontal angeordnet. Die starke Krümmung 6 ist ebenso wie in 1 konkav ausgebildet und weist ein Maximum auf.
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Ebenso weist das Festkörpergelenk F ein Verbindungselement auf, welches hier aber aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist. Dieses Verbindungselement ist mit der Verbindungsstelle 2 verbunden. Das Verbindungselement liegt auf der Gelenkachse G.
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Das hier dargestellte Festkörpergelenk F ist ausgeformt aus einem FKV-Material. Zur Herstellung dieses Festkörpergelenks F wird eine flache scheibenförmige Grundform aus FKV-Material, welche in nassem oder trockenem Zustand vorliegt, mittels einer Falt- und Textiltechnik umgeformt, so dass die hier gezeigte hülsenartige Struktur ausgeformt wird. Anschließend wird das FKV-Material ausgehärtet. Ebenso wie in 1 ist bei dem Festkörpergelenk F in 2 eine Rotation um die radiale Ebene (Rotationsebene) des Gelenks, die festgelegt wird durch die x- und die z-Achse, ermöglicht. Ebenso ist ein Einfedern entlang der Gelenkachse G ermöglicht. Diese Rotation und dieses Einfedern sind selbstverständlich nur dann möglich, wenn mittels des Verbindungselements ein Fahrwerkselement mit dem Festkörpergelenk F verbunden ist.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Festkörpergelenks F nach dem Ausführungsbeispiel aus 2 in einer zweiten Ansicht. Diese zweite Ansicht ist von schräg unten dargestellt. Hier ist nochmal deutlicher dargestellt, dass der Fußbereich 4 und die Verbindungsstelle 2 horizontal und parallel zueinander sind. Ebenso ist die Lage der Gelenkachse G im Zentrum des Festkörpergelenks F deutlich zu erkennen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung des Festkörpergelenks F nach dem Ausführungsbeispiel aus 2 in einer Schnittansicht mit dem Verbindungselement 3. Der Schnitt erfolgte so, dass nunmehr nur die Hochachse y und die x-Achse, die auf der y-Achse senkrecht ist, dargestellt sind. Es erfolgte also ein Schnitt entlang der xy-Ebene. Hier ist der Querschnitt des einen Gelenksegments 1 deutlich zu erkennen. Der Fußbereich 4 sowie die Verbindungsstelle 2 sind parallel zueinander und horizontal ausgebildet. Das Gelenksegment 1 bildet einen rotationssymmetrischen Körper, wobei die Symmetrieachse die Gelenkachse G ist. Diese Gelenkachse G ist koaxial zu der Hochachse y. Dargestellt ist außerdem ein Wälzlager 8 und das Verbindungselement 3, welches hier als Bolzen ausgeformt ist. Das Wälzlager 8 ist mit der Verbindungsstelle 2 und mit dem Verbindungselement 3 verbunden. Das Wälzlager 8 lässt eine Rotation um die Gelenkachse G zu. Das gezeigte Wälzlager 8 kann beispielsweise als Kugellager oder als Rollenlager ausgebildet sein. Anstelle des Wälzlagers 8 kann alternativ ein Gleitlager oder eine Lagerbuchse verwendet werden.
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Ist nun mittels des Verbindungselements 3 ein Fahrwerkselement, das hier nicht dargestellt ist, mit dem Festkörpergelenk F verbunden, so ist eine Rotation ermöglicht um die Gelenkachse G sowie eine Rotation um die radialen Ebenen des Gelenks, die festgelegt ist durch die x- und die z-Achse sowie ein Einfedern entlang der Gelenkachse G.
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Der Querschnitt des Gelenksegments 1 weist geometrisch nahezu die Form einer Ziffer „2“ auf. Vorteilhaft an dem hier gezeigten Festkörpergelenk F ist, dass dieses weder abgedichtet noch geschmiert werden muss. Zudem tritt keine Haftüberhöhung auf. Weiterhin ist das Festkörpergelenk F wenig anfällig für Verschmutzung.
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Die hier dargestellten Beispiele sind nur beispielhaft gewählt. Beispielsweise kann das Festkörpergelenk zwei Gelenksegmente oder drei Gelenksegmente oder sogar mehr als vier Gelenksegmente, beispielsweise fünf oder sechs, aufweisen. Weiterhin können die Gelenksegmente bei einer Ausformung des Festkörpergelenks mit wenigstens zwei Gelenksegmenten zueinander unterschiedlich ausgeformt sein. Beispielsweise können diese Gelenksegmente einen voneinander unterschiedlichen Querschnitt aufweisen, beispielsweise kann sich die Form der Krümmung jedes Gelenksegments voneinander unterscheiden. Somit kann jedes Gelenksegment eine voneinander unterschiedliche Weichheit aufweisen. Weiterhin können die einzelnen Gelenksegmente bei einer Ausformung des Festkörpergelenks mit wenigstens zwei Gelenksegmenten eine voneinander unterschiedliche Steifigkeit aufweisen, beispielsweise dadurch ausgelöst, dass jedes Gelenksegment aus einem unterschiedlichen Material ausgebildet ist. Zudem kann ein richtungsabhängiges Gelenkverhalten gezielt eingestellt werden, indem die einzelnen Gelenksegmente bei einer Ausformung mit wenigstens zwei Gelenksegmenten derart zueinander angeordnet werden, dass diese keinen äquidistanten Abstand zueinander aufweisen. Ab wenigstens drei Gelenksegmenten kann also eine unsymmetrische Anordnung der Gelenksegmente erfolgen. Im Gegensatz dazu ist bei einer symmetrischen Anordnung der einzelnen Gelenksegmente, wie beispielsweise in 1, ein richtungsunabhängiges Gelenkverhalten vorliegend. Ebenso liegt ein richtungsunabhängiges Gelenkverhalten vor bei der Ausgestaltung des Festkörpergelenks mit nur einem Gelenksegment wie in 2 bis 4 dargestellt.
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Bezugszeichen
- 1
- Gelenksegment
- 2
- Verbindungsstelle
- 3
- Verbindungselement
- 4
- Fußbereich
- 5
- weicher Bereich
- 6
- starke Krümmung
- 7
- Fahrwerkselement
- 8
- Wälzlager
- F
- Festkörpergelenk
- G
- Gelenkachse
- x
- Achse
- y
- Achse
- z
- Achse
