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Die Erfindung betrifft einen schaltbaren Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug, umfassend zwei Stabilisatorhälften, wobei räumlich zwischen den beiden Stabilisatorhälften ein Aktuator zur Übertragung eines Torsionsmomentes angeordnet ist, wobei zumindest eine der beiden Stabilisatorhälften über einen Flansch mit dem Aktuator wirkverbunden ist.
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Üblicherweise weist jede Radachse eines Kraftfahrzeugs einen Wankstabilisator auf, der nach dem Torsionsstabprinzip arbeitet. Der Wankstabilisator ist im Wesentlichen parallel zur jeweiligen Fahrzeugachse angeordnet und an beiden Enden über eine jeweilige Koppelstange mit der Radaufhängung verbunden. Ferner ist der Wankstabilisator zur Stabilisierung des Karosserieaufbaus gegenüber unerwünschten Wankbewegungen um die Längsachse des Kraftfahrzeuges vorgesehen. Solche Wankbewegungen treten beispielsweise bei Kurven- oder Geländefahrt des Kraftfahrzeugs auf. Die Wankbewegung des Kraftfahrzeugs wird durch den Wankstabilisator beeinflusst, indem die Einfederbewegung der linken und rechten Radaufhängung einer Achse mithilfe des Wankstabilisators miteinander gekoppelt wird. Somit findet ein Kopiereffekt zwischen den Einfederbewegungen der beiden Räder an der Achse statt.
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Aus der
EP 2 543 528 A2 ist ein geteilter Wankstabilisator eines Kraftfahrzeuges bekannt, zwischen dessen beiden Stabilisatorhälften ein Aktuator für eine Torsion der Stabilisatorhälften angeordnet ist. Wenigstens eine der Stabilisatorhälften ist mit einem die Torsion übertragenden Anschlussteil zum Anschließen des Aktuators versehen, wobei das Anschlussteil magnetisch kodiert ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen aktiven und somit schaltbaren Wankstabilisator weiterzuentwickeln, wobei insbesondere die Herstellung des Wankstabilisators optimiert werden soll. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
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Ein erfindungsgemäßer schaltbarer Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug umfasst zwei Stabilisatorhälften, wobei räumlich zwischen den beiden Stabilisatorhälften ein Aktuator zur Übertragung eines Torsionsmomentes angeordnet ist, wobei zumindest eine der beiden Stabilisatorhälften über einen Flansch mit dem Aktuator wirkverbunden ist, wobei der Flansch aus einer Legierung mit einem Kohlenstoffäquivalent zwischen 0,15 % und 0,6 % ausgebildet ist, wobei die Legierung eine Sensorfunktion aufweist, und wobei der Flansch stoffschlüssig mit dem Aktuator verbunden ist.
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Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Wankstabilisator um einen aktiven, elektromechanischen Wankstabilisator. Der Aktuator ist dabei wirksam zwischen den beiden Stabilisatorhälften angeordnet, um ein erzeugtes Torsionsmoment einerseits in die eine Stabilisatorhälfte und andererseits in die andere Stabilisatorhälfte einzuleiten. Vorzugsweise ist lediglich die erste Stabilisatorhälfte über den Flansch mit dem Aktuator wirkverbunden. Der Flansch ist einerseits beispielsweise durch eine entsprechende Aufnahme drehfest mit der Stabilisatorhälfte verbunden, welche vorzugsweise als Drehstabfeder ausgebildet ist. Andererseits ist der Flansch stoffschlüssig mit dem Aktuator verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung erfolgt bevorzugt mittels Laserschweißen. Alternativ kann die stoffschlüssige Verbindung auch mittels MAG- oder WIG-Schweißen erfolgen. Ferner ist das Diffusionsschweißen zur stoffschlüssigen Verbindung denkbar. Der Flansch ist insbesondere mit einem Aktuatorgehäuse des Aktuators verschweißt. Vorteilhaft bei der stoffschlüssigen Verbindung mittels Laserschweißen ist, dass eine geringe Wärmeeinflusszone und ein damit einhergehender geringer Verzug der miteinander verschweißten Teile aufgrund des vergleichsweise geringen Wärmeeintrags entsteht. Alternativ sind beide Stabilisatorhälften über einen jeweiligen Flansch mit dem Aktuator wirkverbunden. Die beiden Flansche sind in diesem Fall bevorzugt identisch ausgebildet. Somit können Flansche als Anschlussteile zwischen der jeweiligen Stabilisatorhälfte und dem Aktuator serienmäßig und somit kostengünstig hergestellt werden.
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Die Legierung des Flansches weist eine Sensorfunktion auf. Mit anderen Worten ermöglicht die Legierungszusammensetzung des Flansches die Sensorfunktion. Vorzugsweise ist die Legierung des Flansches für eine magnetostriktive Drehmomentmessung ausgebildet. Mit anderen Worten ist der Flansch magnetisch ausgebildet und es ist möglich, ein in dem geteilten Wankstabilisator wirkendes Torsionsmoment in ein magnetisches Signal umzuwandeln, wobei eine Torsion des Flansches das magnetische Signal generiert. Somit ist das magnetische Signal abhängig vom anliegenden Torsionsmoment innerhalb des Wankstabilisators. Demzufolge übernimmt der Flansch eine Doppelfunktion. Zum einen überträgt es das wirkende Torsionsmoment zwischen dem Aktuator und der ersten Stabilisatorhälfte. Zum anderen erzeugt der Flansch ein magnetisches Signal, das abhängig ist von dem anliegenden Torsionsmoment. Da der Flansch das volle Torsionsmoment überträgt, ist das magnetische Signal der Legierung des Flansches unmittelbare Folge des tatsächlich wirkenden Torsionsmomentes. Das magnetische Signal kann anschließend beispielsweise zur Regelung beziehungsweise Steuerung des Aktuators genutzt werden.
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Das Kohlenstoffäquivalent ist ein Maß zur Beurteilung der Schweißeignung und Neigung zur Rissbildung bei einem Stahlwerkstoff. Beim Schweißen von Stahl gehören Kalt- und Härterisse zu den größten Problemen. Grundsätzlich ist die Rissneigung bei Stahl zwar nicht sehr stark ausgeprägt. Allerdings beeinflussen der Kohlenstoffgehalt und diverse andere Legierungselemente im Stahl sein Verhalten. Die Bestimmung des Kohlenstoffäquivalents wird näher in der DIN EN 1011-2:2001-05 beschrieben.
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Vorzugsweise weist die Legierung des Flansches einen Kohlenstoffanteil zwischen 0,05 Gew.-% und 0,25 Gew.-%, einen Mangananteil zwischen 0,1 Gew.-% und 1,7 Gew.-%, einen Chromanteil zwischen 0,4 Gew.-% und 2,5 Gew.-%, einen Nickelanteil zwischen 0,75 Gew.-% und 5,5 Gew.-%, einen Molybdänanteil von höchstens 1,5 Gew.-% sowie einen Kupferanteil von höchstens 1 Gew.-% auf. Mit anderen Worten weist die Legierung des Flansches in geeigneter Kombination dieser Legierungselemente den Kohlenstoffäquivalent zwischen 0,15 % und 0,6 % auf und ist daher insbesondere für das Laserschweißen geeignet.
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Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung zumindest eines Wankstabilisators, umfassend zwei Stabilisatorhälften, wobei räumlich zwischen den beiden Stabilisatorhälften ein Aktuator zur Übertragung eines Torsionsmomentes angeordnet wird, wobei zumindest einer der beiden Stabilisatorhälften über einen Flansch mit dem Aktuator wirkverbunden wird, wird ein Flansch-Rohling, aufweisend eine Legierung mit einem Kohlenstoffäquivalent zwischen 0,15 % und 0,6 % bereitgestellt, wobei der Flansch mittels eines Umformverfahrens hergestellt wird, wobei der Flansch anschließend gehärtet wird, um beispielsweise eine Randzone auszubilden, wobei der Flansch darauffolgend angelassen wird, um einen Restaustenitgehalt zu reduzieren, und wobei der Flansch schließlich mittels Laserschweißen mit dem Aktuator stoffschlüssig verbunden wird.
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Die Umformung erfolgt vorzugsweise durch Schmieden des Flansch-Rohlings, der aufgrund seiner Zusammensetzung und des Kohlenstoffäquivalents als schweißfähiger Stahl ausgeführt ist. Unter dem Schmieden ist das Druckumformen der Legierung des Flansch-Rohlings zwischen zwei Werkzeugen unter örtlicher Änderung der Querschnittsform zu verstehen. Somit kann der Flansch als Massenprodukt kostengünstig durch spanlose Umformung hergestellt werden. Alternativ kann der Flansch auch durch andere umformende Fertigungsverfahren hergestellt werden. Ergänzend ist möglich, den Flansch nach dem Umformvorgang und vor dem Härtevorgang spanend nachzubearbeiten, um die gewünschte Endgeometrie des Flansches herzustellen.
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Das Härten ist eine Wärmebehandlung, bestehend aus einem Austenitisieren und anschließendem Abkühlen unter derartigen Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch eine Umwandlung des Austenits vorzugsweise in Martensit erfolgt. Dabei wird der Flansch-Rohling auf eine Austenitisierungstemperatur erwärmt, sodass durch vollständige Phasenumwandlung und Carbidauflösung die Matrix der Legierung austenitisch wird. Die Prozesstemperatur während des Härtens liegt vorzugsweise zwischen 940°C und 970°C. Nach dem Austenitisieren erfolgt das Abkühlen oder Abschrecken. Dabei findet keine vollständige Umwandlung in Martensit statt, wobei je nach Prozesstemperatur und Abkühlgeschwindigkeit ein Restaustenitgehalt in der Legierung verbleibt. Um möglichst das gesamte Gefüge des Werkstücks martensitisch umzuwandeln, muss die Abkühlgeschwindigkeit größer sein als die kritische Abkühlgeschwindigkeit des Stahls sein. Die Abkühlung ist so schnell wie nötig auszuwählen, um die gewünschte Härtung zu erzielen, wobei die Abkühlung so langsam wie möglich erfolgen sollte, um eine Verzug- und Rissgefahr zu reduzieren. Das Abkühlen kann in verschiedenen Medien erfolgen, die sich charakteristisch durch ihre Abkühlwirkung in den verschiedenen Temperaturbereichen unterscheiden.
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Alternativ kann das Härten des Flansches auch mittels Einsatzhärten erfolgen. Das Einsatzhärten ist ein thermochemisches Verfahren. Im Rahmen des Einsatzhärtens wird die Randschicht des Flansches mit einem Kohlenstoff abgebenden Medium aufgekohlt und anschließend abgehärtet. Hierdurch werden gewünschte Eigenschaften der Randzone, beispielsweise die Verschleißfestigkeit oder magnetische Eigenschaften verbessert. Das Abkühlen des Flansches kann entweder direkt aus der Aufkohlungstemperatur oder nach einem Absenken auf eine legierungsspezifische Härtetemperatur erfolgen.
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Vorzugsweise ist der Flansch zumindest teilweise gehärtet. Bevorzugt weist der Flansch eine gehärtete Randzone mit einer Dicke von höchstens 1,5 mm auf. In der Randzone wird während des Härteprozesses ein definierter Kohlenstoffgehalt eingestellt, der vom Kohlenstoffgehalt im sogenannten Kern des Flansches abweicht. Mit anderen Worten ist unter dem Kern der Bereich des Flansches zu verstehen, der unterhalb der Randzone vorliegt. Weist die Randzone eine Dicke von 1,5 mm auf, beginnt also der Kern des Flansches ab einer Tiefe von größer als 1,5 mm. Der definierte Kohlenstoffgehalt kann dabei beliebig eingestellt werden. Es ist beispielsweise möglich, dass der Kohlenstoffgehalt im Bereich der Randzone in Form eines Gradienten ausbildet, wobei an der Oberfläche des Flansches der höchste Kohlenstoffgehalt vorliegt. Alternativ ist denkbar, dass der Kohlenstoffgehalt in der Randzone einen plateauähnlichen Verlauf aufweist. Die Dicke sowie der Aufbau der Randzone können beispielsweise an einem Querschliff des Flansches ermittelt und untersucht werden. Zur Ausmessung und Untersuchung der Randzone eignen sich insbesondere die Lichtmikroskopie sowie die Rasterelektronenmikroskopie. Alternativ ist der gesamte Flansch gehärtet ausgebildet.
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Das Anlassen dient der Verbesserung der Zähigkeit und Maßstabilität des gehärteten Flansches, indem innere Spannungen des Gefüges abgebaut werden. Die Anlasstemperatur liegt unterhalb der Härtetemperatur und wird insbesondere eingesetzt, um den Restaustenitgehalt zu senken. Die Anlasstemperatur zur Reduzierung des Restaustenitgehaltes beträgt zwischen 190°C und 260°C. Vorzugsweise beträgt die Anlasstemperatur zwischen 200°C und 250°C. Zur effizienteren Reduzierung des Restaustenitgehaltes und Einstellung der gewünschten Eigenschaften wird das Anlassen vorzugsweise mehrstufig durchgeführt. Ferner ist denkbar, dass ein Tiefkühlen des Flansches zur weiteren Reduzierung des Restaustenitgehaltes erfolgt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Flansch einen Restaustenitgehalt von höchstens 10 % auf. Während des Härteprozesses verbleibt aufgrund der nicht gänzlich abgeschlossenen Martensitbildung ein Restaustenitgehalt im Gefüge der Randzone, der insbesondere die mechanischen Eigenschaften der gehärteten Randzone in Abhängigkeit des Restaustenitgehalts beeinflusst. Zur Ermittlung des Restaustenitgehalts in der Randzone eignet sich beispielsweise die Lichtmikroskopie, die Röntgenstrukturanalyse oder auch magnetinduktive Messverfahren.
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Je nach Ausgestaltung des Flansches und vorgesehener Nutzung der Sensorfunktion desselben ist denkbar, dass die gesamte Außengeometrie des Flansches eine gehärtete Randzone aufweist. Wirtschaftlich vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Randzone an solchen Bereichen des Flansches ausgebildet wird, an denen die Sensierung des Torsionsmoments erfolgt. Dies kann beispielsweise ein Teilbereich der Außenumfangsfläche des Flansches sein. Somit wird lediglich ein vergleichsweise kleiner Bereich der Außengeometrie des Flansches anwendungsspezifisch wärmebehandelt.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt
- 1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wankstabilisators, und
- 2 eine vereinfachte schematische Längsschnittdarstellung einer ersten Stabilisatorhälfte und eines Aktuators des erfindungsgemäßen Wankstabilisators gemäß 1.
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Gemäß 1 umfasst ein Wankstabilisator 1 für ein - hier nicht dargestelltes - Kraftfahrzeug zwei Stabilisatorhälften 2a, 2b, wobei räumlich zwischen den beiden Stabilisatorhälften 2a, 2b ein Aktuator 3 zur Übertragung eines Torsionsmomentes angeordnet ist. Die erste Stabilisatorhälfte 2a ist über einen Flansch 4 mit dem Aktuator 3 wirkverbunden.
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Nach 2 ist der Flansch 4 einerseits drehfest mit der ersten Stabilisatorhälfte 2a und andererseits drehfest mit dem Aktuator 3 verbunden. Die erste Stabilisatorhälfte 2a ist vorliegend axial in eine Ausnehmung des Flansches 4 gefügt, wobei der Flansch 4 axial an einem Aktuatorgehäuse 6 des Aktuators 3 zur Anlage kommt und in einem Schweißvorgang mittels Laserschweißen mit dem Aktuator 3 stoffschlüssig verbunden wird. Mit anderen Worten wird räumlich zwischen dem Flansch 4 und dem Aktuatorgehäuse 6 eine mittels Laserschweißen erzeugte Schweißnaht 8 ausgebildet.
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Der Flansch 4 ist aus einer Legierung mit einem Kohlenstoffäquivalent zwischen 0,15 % und 0,6 % ausgebildet. Insbesondere weist die Legierung des Flansches 4 einen Kohlenstoffanteil zwischen 0,05 Gew.-% und 0,25 Gew.-%, einen Mangananteil zwischen 0,1 Gew.-% und 1,7 Gew.-%, einen Chromanteil zwischen 0,4 Gew.-% und 2,5 Gew.-%, einen Nickelanteil zwischen 0,75 Gew.-% und 5,5 Gew.-%, einen Molybdänanteil von höchstens 1,5 Gew.-% sowie einen Kupferanteil von höchstens 1 Gew.-% auf. Vorliegend ist der Flansch aus 14NiCrMo13-4 ausgebildet.
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In einem Herstellungsverfahren des Wankstabilisators 1 wird ein - hier nicht gezeigter - Flansch-Rohling mit der genannten Legierungszusammensetzung und dem entsprechenden Kohlenstoffäquivalent in einem Schmiedevorgang umgeformt, sodass der Flansch 4 ausgebildet wird. Anschließend wird der Flansch 4 in einem Härtevorgang bei einer Temperatur von 870°C gehärtet, wobei eine gehärtete Randzone 5 mit einer Dicke von 1,5 mm durch in den Flansch eindiffundierende Kohlenstoffatome ausgebildet wird. Die Randzone 5 ist vorliegend an einem Teilbereich einer Außenumfangsfläche des Flansches 4 ausgebildet. Das Gefüge der Legierung wird dabei vollständig austenitisiert, wobei der Flansch 4 anschließend zur Beendigung des Härtevorgangs abgekühlt, um ein martensitisches Gefüge einzustellen. In einem nachgelagerten Schritt wird der Flansch 4 mehrstufig bei einer Anlasstemperatur von 200°C angelassen, wodurch innere Spannungen im Gefüge abgebaut werden und ein Restaustenitgehalt der Legierung abgebaut wird, wobei durch das Anlassen ein Restaustenitgehalt von höchstens 10 % einstellbar ist. Vorteilhafterweise wird der Flansch 4 zur Einstellung des Restaustenitgehaltes auch tiefgekühlt.
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Durch den Härtevorgang mit anschließendem Anlassen ist die Legierung des Flansches 4, insbesondere im Bereich der Randzone 5 magnetisch ausgebildet. Damit weist die Legierung eine Sensorfunktion zur Ermittlung eines Torsionsmoments auf. Der Flansch 4 eignet sich durch dessen magnetische Eigenschaften als Primärsensor, wobei ein berührungsloses Messen des Torsionsmomentes möglich ist. Torsionsmomente können gemessen werden, indem der magnetische Flansch 4 mit einem Sensorelement 7 als Sekundärsensor wechselwirkt. Der Sensor 7 ist ein Magnetfeldsensor, der das magnetische Signal des Primärsensors (Flansch) in ein elektrisches Signal umwandelt, um darauffolgend eine gezielte Betätigung des Aktuators 3 durch eine - hier nicht dargestellte Steuereinheit durchführen zu können. Das magnetische Signal ändert sich entsprechend einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Torsionsmoments. Die Legierung des Flansches 4, also der Primärsensor, ist also für eine magnetostriktive Drehmomentmessung ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wankstabilisator
- 2a, 2b
- Stabilisatorhälfte
- 3
- Aktuator
- 4
- Flansch
- 5
- Randzone
- 6
- Aktuatorgehäuse
- 7
- Sensorelement
- 8
- Schweißnaht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 1011-2:2001-05 [0008]
