DE102019118121B3

DE102019118121B3 - Achssystem und Funktionselement

Info

Publication number: DE102019118121B3
Application number: DE102019118121.6A
Authority: DE
Inventors: Olaf Drewes
Original assignee: SAF Holland GmbH
Current assignee: SAF Holland GmbH
Priority date: 2019-07-04
Filing date: 2019-07-04
Publication date: 2020-12-10
Anticipated expiration: 2039-07-05

Abstract

Betrifft ein Achssystem mit einem Funktionselement, insbesondere zum Einsatz im Fahrwerk eines Nutzfahrzeuges, welches sich entlang einer zentral durch das Funktionselement verlaufenden Rohrachse erstreckt und einen sich entlang dieser Rohrachse erstreckenden Hohlraum aufweist, wobei das Funktionselement an seiner bezogen auf die Rohrachse äußeren Seite einen Aufnahmebereich aufweist, wobei der Aufnahmebereich zumindest eine erste Stützfläche und zumindest eine zweite Stützfläche aufweist, welche sich jeweils im Wesentlichen quer zur Rohrachse erstrecken und voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Stützflächen ausgelegt sind, ein Lenkerelement zumindest gegen Verlagerungen parallel zur Rohrachse relativ zum Funktionselement abzustützen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Funktionselement und Achssystem mit einem solchen Funktionselement, insbesondere zum Einsatz im Fahrwerk eines Nutzfahrzeuges.
Es ist in Fahrwerken für Nutzfahrzeuge bekannt, dass die Achse, vorzugsweise eine starre Achse, über Lenkeranordnungen beweglich am Fahrwerk bzw. am Rahmen des Fahrzeuges festgelegt wird. Dabei sind zum einen Lösungen bekannt, bei denen der Lenker, insbesondere ein Längslenker, mit dem Achsrohr insgesamt stoffschlüssig verbunden ist, also vorzugsweise geschweißt oder geklebt ist. Alternative Lösungen schlagen vor, dass der Lenker über eine Klemmverbindung am Achsrohr festgelegt ist, sodass eine Demontage oder eine nachträgliche Anpassung des Achssystems möglich ist. Für eine solche Klemmverbindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass auf dem Achsrohr ein sogenannter Achslappen aufgesetzt und festgelegt wird, welcher wiederum zur Fixierung und zur teilweise formschlüssigen Verbindung zwischen dem Achsrohr und dem Lenker entsprechende Eingriffsgeometrien aufweist, wobei anschließend, vorzugsweise über U-Bügel oder entsprechende Zugelemente, ein auf dem Längslenker aufgesetzter Teil der Befestigungsvorrichtung verspannt wird. In den meisten Fällen wird der Achslappen auf dem Achsrohr verschweißt, was insbesondere zu einem ungünstigen Wärmeeintrag in das Material des Achsrohres führt und an der Außenseite des Achsrohres einseitig Gefügeveränderungen hervorruft, welche der Lebensdauer des Achsrohres abträglich sind. Weiterhin sind die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen relativ bauraumintensiv, da für das Achsrohr und für den Achslappen jeweils eine sehr große Bauhöhe erforderlich ist.
Die DE 10 2007 006 972 A1 betrifft eine Achseinbindung für eine gefederte Fahrzeugachse mit einem langgestreckten Achskörper, wobei ein den Achskörper an seiner Ober- oder Unterseite kreuzender Längslenker vorgesehen ist. Um die Achseinbindung hinsichtlich der im Fahrbetrieb auftretenden seitlichen Kräfte zu verbessern, ist der Achskörper im Einbindungsbereich mit einer Formstruktur versehen, welche den Längslenker und/oder mögliche Zugelemente form korrespondierend aufnimmt und in Längsrichtung des Achskörpers örtlich bindet.
Die US 1 872 196 A betrifft eine Achse für leichtgewichtige Fahrzeuge. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Verbindungssystems zur Verbindung eines Lenkers mit einem Achsrohr oder einem Achsrohrelement.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Funktionselement gemäß Anspruch 1 und einem Achssystem gemäß Anspruch 9.
Erfindungsgemäß ist ein Funktionselement, insbesondere zum Einsatz im Fahrwerk eines Nutzfahrzeuges vorgesehen, welches sich insbesondere entlang einer zentral durch das Funktionselement verlaufenden Rohrachse erstreckt und einen sich entlang dieser Rohrachse erstreckenden Hohlraum aufweist, wobei das Funktionselement an seiner bezogen auf die Rohrachse äußeren Seite einen einstückig am Funktionselement ausgebildeten Aufnahmebereich aufweist, wobei der Aufnahmebereich zumindest eine erste Stützfläche und zumindest eine zweite Stützfläche aufweist, welche sich jeweils im Wesentlichen quer zur Rohrachse erstrecken und voneinander beanstandet angeordnet sind, wobei die Stützflächen ausgelegt sind, ein Lenkerelement, zumindest gegen Verlagerungen parallel zur Rohrachse relativ zum Funktionselement abzustützen. Das Funktionselement weist somit einen vorzugsweise im Wesentlichen oder annähernd rohrförmigen Querschnitt auf, wobei ein Hohlraum vorgesehen ist, der sich innen im Funktionselementen erstreckt und vom Funktionselement vorzugsweise zumindest in einer radial um die Rohrachse laufenden Richtung umschlossen ist. Dabei weist das Funktionselement einen Aufnahmebereich auf, welcher somit eine lokale Abweichung von der rohrförmlichen Geometrie des Funktionselementes darstellt, die sich im Wesentlichen durch einen (entlang der Rohrachse betrachtet) ringförmigen Querschnitt auszeichnet. Dabei ist der Aufnahmebereich einstückiger Teil des Funktionselementes und ist dabei insbesondere bevorzugt in einem gemeinsamen Gussverfahren, oder vorzugsweise zumindest in einem gemeinsamen finalen Verarbeitungsschritt, wie beispielsweise Innenhochdruckumformen, Schmieden oder einem ähnlichen Umformverfahren, aus dem Material des Rohrkörpers, aus welchem das gesamte Funktionselementen gebildet ist, hergestellt. Dies führt zum einen dazu, dass durch das gleichmäßige Gefüge zwischen dem Aufnahmebereich und dem restlichen Material des Funktionselementes sehr hohe Kräfte und Momente ohne das Auftreten von größeren Spannungsspitzen und insbesondere lokalen, durch Gefügeverwerfungen hervorgerufenen Spannungsspitzen übertragen werden können. Zum anderen ermöglicht es das Funktionselement auf diese Weise, dass die Außengeometrie eines Achslappens unmittelbar und einstückig an dem ansonsten rohrförmig ausgebildeten Funktionselement ausgebildet wird, was insbesondere bevorzugt die Bauraumhöhe im Vergleich zu einer Konstruktion aus einem Achsrohr und einem aufgeschweißten Achslappen deutlich reduziert und zum anderen auch den Montageschritt des Festschweißen des Achslappens am Achsrohr vermeidet. Die erste und die zweite Stützfläche sind dabei vorzugsweise die Geometrien, welche einen Achslenker seitlich abstützen, während dieser in dem Aufnahmebereich eingesetzt und durch beispielsweise Zugelemente, wie U-Bügel oder -Bolzen, gegen den Aufnahmebereich verspannt ist. Auf diese Weise kann eine günstigere Kombination zwischen einer formschlüssigen und einer kraftschlüssigen Sicherung des Lenkerelementes gegen Verlagerung relativ zum Funktionselement erreicht werden. Als eine Erstreckung der Stützflächen im Wesentlichen quer zur Rohrachse wird dabei eine Erstreckung bezeichnet, welche vorzugsweise annähernd parallel zu einer senkrecht durch die Rohrachse verlaufenden Ebene verläuft, sodass ein Verrutschen des Lenkerelementes entlang bzw. parallel zur Rohrachse relativ zum Funktionselement durch die Stützflächen verhindert werden kann. Als im Wesentlichen quer bzw. parallel wird in diesem Zusammenhang eine Winkelabweichung von ca. 1 ° bis 5° von der mathematisch perfekten Parallelität angesehen, was insbesondere das Einsetzen des Achslenkers erleichtert und mit Vorteil einen zusätzlichen Verspannungseffekt beim Einsetzen des Lenkerelementes in eine V-förmige Anordnung und Ausrichtung der Stützflächen erreichen kann.
Bevorzugt weist der Aufnahmebereich zumindest zwei Haltevorsprünge auf, welche lokal von der benachbart liegenden Oberfläche des Funktionselementes bezogen auf die Rohrachse nach außen hervorstehen, wobei jeweils eine der Stützflächen an dem jeweiligen Haltevorsprung angeordnet ist. Mit Vorteil ist der Aufnahmebereich somit nicht nur durch eine lokale Vertiefung bzw. in Richtung der Rohrachse gerichteten Abweichung von der zylindrischen Form der äußeren Oberfläche des Funktionselementes gekennzeichnet, sondern es sind auch nach außen ragende Haltevorsprünge vorgesehen, welche von dieser Oberfläche nach außen abstehen. An jedem dieser zumindest zwei Haltevorsprünge ist jeweils zumindest ein Teil der Stützflächen des Aufnahmebereiches ausgebildet. Die Haltevorsprünge ermöglichen es somit, dass eine ausreichende Stützfläche zur Fixierung des Lenkerelementes bereitgestellt werden kann, ohne dass gleichzeitig eine zu starke, nach innen in Richtung der Rohrachse gerichtete Umformung bzw. Verformung des Grundkörpers des Funktionselementes vorgenommen werden muss. Der Kompromiss, welcher im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden wurde, erreicht dabei, dass durch die Haltevorsprünge die Abweichung des Grundkörpers des Funktionselementes von der Rohrform gering gehalten werden kann, was einerseits die entsprechenden Flächenträgheitsmomente, insbesondere bei Torsionsmomenten des Funktionselementes, verbessert. Gleichzeitig ist eine gewisse Vertiefung bzw. Umformung und Verlegung des Aufnahmebereiches in Richtung der Rohrachse gewünscht, um auf diese Weise den im zusammengebauten Zustand des Lenkerelementes und des Funktionselementes beanspruchten Bauraum möglichst gering zu halten. Die Haltevorsprünge sind mit Vorteil ebenfalls als einstückiger und wie zuvor beschrieben, mit demselben Herstellungsverfahren hergestellter Teil des Funktionselementes ausgebildet.
Erfindungsgemäß weist das Funktionselement einen ersten Befestigungsabschnitt zur unlösbaren Festlegung des Funktionselementes an einem Achselement auf, wobei sich der Befestigungsabschnitt im Wesentlichen quer zur Rohrachse erstreckt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Funktionselement lediglich als Teil eines größeren Verbundes aus beispielsweise einem Achsrohr und einem Achsstummel ausgelegt. Durch diese modulare Bauweise des Achsrohres ist es möglich, verschiedene Achsrohrlängen mit ein und demselben Typ von Funktionselementen zu kombinieren und auf diese Weise eine besonders hohe Variantenvielfalt eines mit dem Funktionselement ausgestatteten Achssystems zu erreichen. Das Funktionselement weist hierfür einen Befestigungsabschnitt auf, welcher zur unlösbaren Festlegung an einem Achselement, wie beispielsweise einem Achsrohr oder einem Achsstummel, ausgelegt ist. Mit Vorteil erstreckt sich dabei der Befestigungsabschnitt im Wesentlichen quer zur Rohrachse. Hiermit ist gemeint, dass beispielsweise, um eine lokale, zunächst nur punktuelle Anschmelzung zu erreichen, auch eine gewisse Abweichung von der senkrechten Erstreckung zur Rohrachse vorgesehen sein kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise Abweichungen von der senkrechten Ausrichtung des Befestigungsabschnittes relativ zur Rohrachse von 0,5° bis 5° vorgesehen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Befestigungsabschnitt senkrecht zur Rohrachse, wobei im Fall eines Stirnreibschweißens gleichzeitig auf der gesamten Fläche angeschmolzen wird, was zwar ein höheres Drehmoment erfordert, aber dabei die Geschwindigkeit des Reibschweißvorganges erhöht. Auch für konventionelle thermische Schweißverfahren, bspw. mit einem Schweißroboter, eignet sich die senkrechte Ausrichtung des Befestigungsabschnitts, da eine saubere Stoßkante zwischen den zu verschweißenden Bauteilen erreicht werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist an der dem Befestigungsabschnitt abgewandt gegenüberliegenden Seite ein einstückig mit dem Funktionselement ausgebildetes Achselement, vorzugsweise ein Achsstummel, vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform ist vorzugsweise ein weiteres Achselement einstückig mit dem Funktionselement ausgeführt. Dabei wird zwar einerseits die modulare Einsetzbarkeit des Funktionselementes deutlich eingeschränkt und der Herstellungsaufwand erhöht sich durch die größere Bauteilgröße und die komplizierteren Geometrien, welche in dem Kombinationsbauteil aus beispielsweise dem Achsstummel und dem Funktionselement resultieren. Andererseits wird aber die Verbindungsfestigkeit zwischen dem integral ausgebildeten Achselement und dem Funktionselement erhöht und es kann insbesondere der Montageaufwand verringert werden. Es versteht sich, dass alternativ zu dem einstückig mit dem Funktionselement ausgebildeten Achsstummel auch ein Achsrohr als einstückig ausgebildeter Bestandteil eines oder sogar zweier Funktionselemente vorgesehen sein kann, insbesondere dann, wenn an der Geometrie des Achsrohres nachträglich an den jeweils außen liegenden Enden des Achsrohres durch ein entsprechendes Umformverfahren die entsprechenden Funktionselemente ausgebildet werden, an welchen dann anschließend Achsstummel angesetzt sind. Der Fertigungsaufwand für diese Ausführungsform ist beträchtlich. Andererseits kann es Anwendungsbeispiele geben, wo dieser hohe Fertigungsaufwand durch die erreichbare hohe Festigkeit der Verbindung zwischen dem Achsrohr und dem Funktionselement, nämlich einer einstückigen Verbindung, aufgewogen wird und es nicht zu sehr auf die modulare Einsetzbarkeit des oder der Funktionselemente ankommt.
In einer relativen Ausführungsform weist das Funktionselement einen zweiten Befestigungsabschnitt zur unlösbaren Festlegung des Funktionselementes an einem weiteren Achselement auf, wobei sich der zweite Befestigungsabschnitt im Wesentlichen quer zur Rohrachse erstreckt und an der dem ersten Befestigungsabschnitt abgewandt gegenüberliegenden Seite des Funktionselements angeordnet ist. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist das Funktionselement somit als Einzelbauteil zur Festlegung an einem ersten Achselement, vorzugsweise einem Achsstummel, und einem zweiten Achselement, vorzugsweise einem Achsrohr, an jeweils seinen Enden längs der Rohrachse ausgelegt. Es versteht sich, dass das Funktionselement auch zwischen zwei als Achsrohr ausgebildeten Abschnitten eines Achssystems angeordnet und jeweils an diesen Achselementen festgelegt werden kann. Die sich im Wesentlichen quer zur Rohrachse erstreckende Ausrichtung des zweiten Befestigungsabschnittes entspricht der zuvor beschriebenen, im Wesentlichen quer zur Rohrachse, ausgerichteten Anordnung des ersten Befestigungsabschnitts. Bei dieser Ausführungsform ist das Funktionselement auf besonders günstige Weise modular einsetzbar und kann in besonders hoher Stückzahl mit ein und derselben Auslegung bereitgestellt werden, um in den verschiedensten Achssystemen zum Einsatz zu gelangen. Auf diese Weise können die Herstellungskosten für das Funktionselement selbst gesenkt werden und durch den Einsatz beispielsweise des Reibschweißverfahrens zur Verbindung mit einem oder mehreren Achselementen die Gesamtkosten zur Herstellung eines Achssystems deutlich reduziert werden.
Erfindungsgemäß weist der erste und/oder der zweite Befestigungsabschnitt eine Kontaktgeometrie mit einer Anfasung zu Herstellung einer Reibschweißverbindung mit dem Achselement auf. Eine angefast zulaufende Kontaktgeometrie des Befestigungsabschnitts begünstigt insbesondere die Herstellung einer Reibschweißverbindung, wobei ein Anschmelzen des Materials des Funktionselementes im Kontaktbereich mit dem Achselement erleichtert wird und die erforderlichen Drehmomente zum Reibschweißen gesenkt werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Funktionselement in seinem ersten und/oder in seinem zweiten Befestigungsabschnitt einen mittleren Radius auf, wobei die Stützflächen einen geringsten Abstand von der Rohrachse aufweisen und sich bis hin zu einem größten Abstand von der Rohrachse erstrecken, wobei die Differenz zwischen dem größten Abstand der Erstreckung der Stützflächen und dem mittleren Radius zur Differenz zwischen dem mittleren Radius und dem geringsten Abstand der Erstreckung der Stützflächen von der Rohrachse in einem Verhältnis von 1 bis 2,5, vorzugsweise von 1,3 bis 2 und besonders bevorzugt ca. 1,5 bis 1,8 steht. Das Verhältnis der Differenzen zwischen dem maximalen Abstand der Stützflächen von der Rohrachse und dem mittleren Radius sowie zwischen dem mittleren Radius und dem minimalen Abstand der Stützflächen von der Rohrachse ist ein Ausdruck dafür, wie stark, ausgehend von der ursprünglichen bzw. der Grunderstreckung der rohrförmigen Außenfläche des Funktionselementes, der Aufnahmebereich quer zur Rohrachse von dieser Grunderstreckung abweicht. Mit anderen Worten ist, je kleiner das Verhältnis ist, der Aufnahmebereich näher an der Rohrachse angeordnet, was eine größere Verformung des Grundmaterials des Funktionselementes erforderlich macht und insbesondere eine größere, nach innen gerichtete Abweichung von der Rohrform bedeutet. Je größer das Verhältnis der Differenzen ist, desto weiter ragt der Aufnahmeabschnitt außen an der Oberfläche des Funktionselementes hervor bei gleichzeitig geringerer Erstreckung des Aufnahmeabschnittes in Richtung der Rohrachse. Es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung gezeigt, dass ein Verhältnis von 1 bis 2,5 für die verschiedenen Herstellungsverfahren wie Gießen oder finales Umformen einen äußerst guten Kompromiss aus geringerer Bauhöhe des Funktionselementes mit Aufnahmeabschnitt und gleichzeitig einer ausreichend großen seitlichen Abstützung eines Lenkerelementes ermöglicht. Der bevorzugte Bereich von 1,3 bis 2 hat sich dabei insbesondere für Funktionselemente als vorteilhaft erwiesen, welche durch Umformen final hergestellt werden. Für besonders niedrig bauende Anwendungen hat sich ein Bereich von 1,5 bis 1,8 als vorteilhaft erwiesen, da hierbei der Aufnahmebereich an der Außenseite des Funktionselements relativ wenig hervorragt im Vergleich zu seiner Erstreckung in Richtung der Innenseite des Funktionselementes. Für Anwendungen, bei denen eine besonders geringe Aufbauhöhe im Vordergrund steht und dafür Abstriche bei der Gesamtfestigkeit der Verbindung zwischen dem Funktionselement und dem Lenkerelement gemacht werden können, ist dieser kleinste Verhältnisbereich somit besonders bevorzugt.
Mit Vorteil weist der Hohlraum im Bereich des Aufnahmebereiches seine von der Rohrachse aus gemessene geringste Erstreckung auf, wobei diese geringste Erstreckung in einem Verhältnis von 0,3 bis 0,75 und vorzugsweise von 0,5 bis 0,7 zum mittleren Radius des Funktionselementes im Bereich der Befestigungsabschnitte steht. Die Erstreckung des Hohlraums im Innern des Funktionselementes und insbesondere der lokal verringerte Abstand zur Rohrachse ist ein Ausdruck dafür, wie stark das Funktionselement ausgehend von der Rohrform nach innen verformt bzw. deformiert ist, um an der Außenseite den Aufnahmebereich bereitzustellen. Es hat sich dabei gezeigt, dass eine geringste Erstreckung des Hohlraums von 0,3 bis 0,75 des mittleren Radius des Funktionselements im Bereich zumindest eines der Befestigungsabschnitte hier einen besonders guten Kompromiss aus einer geringen Bauhöhe und einer ausreichend hohen Festigkeit und insbesondere guter Widerstandsfähigkeit gegen Torsions- und Biegemomente erreicht. Letzteres wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Grundauslegung bzw. der Grundquerschnitt des Funktionselementes im Bereich des Aufnahmeabschnittes zumindest größtenteils noch als ringförmiger Querschnitt ausgelegt sein kann, was eine besonders hohe Widerstandsfähigkeit gegen Torsionsmomente ermöglicht. Das Verhältnis von 0,5 bis 0,7 ist aber insbesondere für Anwendungsbeispiele vorteilhaft, bei denen die Fertigungskosten zur Herstellung der Funktionselemente gering gehalten werden soll und dabei nur ein geringer Umformgrad eines ursprünglich zylindrischen Grundkörpers des Funktionselementes vorgesehen sein soll.
Mit Vorteil weist der Aufnahmebereich zumindest eine Auflagefläche auf, welche sich im Wesentlichen in einer parallel zur Rohrachse liegenden Ebene erstreckt. Die Aufnahmefläche dient dabei insbesondere der Aufnahme der von den Zugelementen zur Verspannung eines Lenkerelementes und des Funktionselementes aufgebrachten Kräfte und gleichzeitig auch zur Übertragung der Gewichtskräfte, welche von an das Funktionselement angeschlossenen Achsrohrelementen auf den Lenker und insbesondere das Fahrwerksystem des Kraftfahrzeuges übertragen werden sollen. Gleichzeitig kann die Auflagefläche dazu dienen, eine Verklebung zwischen dem Lenkerelement und dem Funktionselement herzustellen. Um eine günstige Kraftverteilung zu realisieren, ist es besonders bevorzugt, dass die Auflagefläche nicht den gesamten Bereich zwischen den Stützflächen aufspannt, sondern lokal Vertiefungen vorgesehen sind, welche den Spannungsverlauf im Funktionselement begünstigen und insbesondere lokale Spannungsspitzen in Eckbereichen reduzieren.
Mit Vorteil weist die Auflagefläche einen Sicherungsabschnitt auf oder grenzt an einen solchen Sicherungsabschnitt an, wobei der Sicherungsabschnitt als ein Vorsprung oder als ein Rücksprung ausgebildet ist und zum unmittelbaren oder mittelbaren formschlüssigen Eingriff mit dem Lenkerelement ausgelegt ist. Der Sicherungsabstand ist somit eine lokale Vertiefung oder eine lokale Erhöhung im Bereich der Auflagefläche oder der Auflageflächen des Aufnahmebereiches und dient insbesondere dazu, parallel zu den Stützflächen verlaufende Bewegungen zwischen dem Lenkerelement und dem Funktionselement durch einen mittelbar oder unmittelbar wirkenden Formschluss zwischen dem Lenkerelement und dem Aufnahmebereich zu verhindern. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist der Sicherungsabschnitt als lokaler Rücksprung, also als Vertiefung, ausgebildet und dient zur Aufnahme eines Nutensteins, welcher in einer entsprechenden Vertiefung am Lenkerelement eingreift oder mittels der durch die Verspannelemente aufgebrachten Kräfte eine solche Vertiefung erzeugt und hierdurch eine Verklemmung und eine gleichzeitige formschlüssige Sicherung des Lenkerelementes gegen Verrutschen relativ zum Funktionselement erreicht. In einer alternativen Ausführungsform ist der Sicherungsabschnitt als lokaler Vorsprung bereits am Funktionselement und dessen Auflagefläche oder Auflageflächen ausgebildet, sodass ein zusätzlicher Nutenstein hier nicht erforderlich ist. In der letzten Alternative kann ein entsprechender Vorsprung am Lenkerelement ausgebildet sein, welcher in eine entsprechende Vertiefung am Aufnahmebereich des Funktionselementes eingreift.
Besonders bevorzugt weist das Funktionselement zumindest vier voneinander beanstandete Haltevorsprünge auf, wobei an jeweils zwei Haltevorsprüngen je eine erste Stützfläche und an den gegenüberliegenden Haltevorsprüngen je eine zweite Stützfläche ausgebildet ist. Diese Ausführungsform der vier separat voneinander an dem Aufnahmeabschnitt ausgebildeten Haltevorsprünge dient einerseits zur Gewichtsreduzierung, da die Haltevorsprünge nicht durchgehend ausgebildet sind. Andererseits kann durch die voneinander beanstandeten Haltevorsprüngen, an welchen entsprechend Stützflächen vorgesehen sind, ein besonders großer Hebelarm bei der seitlichen Abstützung eines Lenkerelementes am Funktionselement erreicht werden, was insbesondere die Betriebssicherheit und Lebensdauer der Verbindung zwischen dem Lenkerelement und dem Funktionselement verbessert.
Mit Vorteil weisen zwei der Haltevorsprünge eine Maximallänge auf, die ein 1,7- bis 2,2 -faches, bevorzugt ein 1,8- bis 2-faches des mittleren Radius des Funktionselementes im Bereich eines der Befestigungsabschnitte beträgt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind somit zwei Haltevorsprünge vorgesehen, welche eine Erstreckung über annähernd die gesamte Breite des Funktionselementes im Bereich des Aufnahmebereiches aufweisen. Durch diese Ausführungsform kann ein besonders großer Hebelarm der Abstützung des Lenkerelementes an den an den Haltevorsprüngen ausgebildeten Stützflächen erreicht werden und die Haltevorsprünge sind entsprechend besonders stabil ausgeführt.
Weiterhin bevorzugt weist das Funktionselement an seiner dem Aufnahmebereich gegenüberliegenden Seite einen verstärkten Wandabschnitt mit lokal vergrößerter Wandstärke auf. Es ist bevorzugt, um insbesondere die Gesamtfestigkeit des Funktionselements und dessen Biegefestigkeit zu erhöhen, dass das Funktionselement im Bereich des Aufnahmebereiches und insbesondere dem Aufnahmebereich gegenüberliegend eine größere Wandstärke aufweist als beispielsweise im Bereich der Befestigungsabschnitte. Dabei ist das Verhältnis der Wandstärke im verstärkten Wandabschnitt zur Wandstärke im Bereich der Befestigungsabschnitte, vorzugsweise bei ca. 1,1 bis 1,3 und besonders bevorzugt bei 1,1 bis 1,2 vorgesehen. Für das gesamte Funktionselement kann somit eine Gewichtsverringerung erzielt werden, da die Wandstärke des Funktionselementes nur dort erhöht ist, wo dies aufgrund der hohen Biegebeanspruchungen tatsächlich erforderlich ist, während in den übrigen Wandbereichen eine geringere Wandstärke gewählt werden kann. Auf diese Weise wird ein weiterer Vorteil durch die vorliegende Erfindung erzielt, nämlich dadurch, dass neben der einstückigen Ausbildung des Funktionselementes, welche eine besonders hohe Materialfestigkeit erreicht, auch die günstige Anordnung von Bereichen verstärkter Wandstärke und Bereichen dünnerer Wandstärke insgesamt zur Gewichtsreduzierung des Funktionselementes und somit eines mit diesem ausgestatteten Achssystems erreicht.
Erfindungsgemäß ist ein Achssystem vorgesehen, welches ein Funktionselement und ein Lenkerelement umfasst, wobei das Lenkerelement unmittelbar form- und kraftschlüssig an einem einstückig am Funktionselement ausgebildeten Aufnahmebereich festgelegt und durch den Aufnahmebereich gegen Verlagerung längs bzw. parallel zu einer Rohrachse gesichert ist, wobei das Funktionselement an zumindest einem Achselement stoffschlüssig festgelegt ist. Das Achssystem umfasst dabei vorzugsweise ein Funktionselement mit ausgewählten der zuvor beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften eines Funktionselementes. An diesem Funktionselement ist ein Lenkerelement unmittelbar form- und kraftschlüssig festgelegt, mit Vorteil ohne dass weitere Kraftübertragungsbauteile zwischen dem Achsrohr bzw. dem Funktionselement und dem Lenkerelement benötigt werden. Eine denkbare Ausnahme dieser unmittelbaren form- und kraftschlüssigen Festlegung ist ein Nutenstein, welcher zwischen dem Funktionselement und dem Lenkerelement angeordnet sein kann. Ansonsten aber ist die formschlüssige und kraftschlüssige Festlegung des Lenkerelementes am Funktionselement insbesondere durch den Aufnahmebereich und den an diesem ausgebildeten Stützflächen gewährleistet. Weiterhin bevorzugt ist das Funktionselement an zumindest einem seiner Enden in einem Befestigungsabschnitt an einem Achselement, einem Achsstummel oder einem Achsrohr, stoffschlüssig festgelegt. Das Achssystem vermeidet dabei den Einsatz eines zusätzlich auf ein Achsrohr aufzusetzen Achslappens und erreicht durch die Verwendung des Funktionselementes, welches insbesondere zur stoffschlüssigen Festlegung an einem Achselement ausgelegt ist, Schweißarbeiten an der Außenseite des Achsrohres. Insbesondere, wenn ein Reibschweißverfahren angewendet wird, lässt sich dabei eine besonders hohe Materialfestigkeit im Verbindungsbereich zwischen dem Funktionselement und dem Achselement erreichen.
Vorzugsweise ist bei dem Achssystem ein erstes Achselement als Achsstummel ausgebildet und am Funktionselement per Reibschweißen festgelegt und ein zweites Achselement ist als Achsrohr ausgebildet und auf der dem ersten Achselement abgewandt gegenüberliegenden Seite des Funktionselements mittels Reibschweißen am Funktionselement festgelegt. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist das Funktionselement somit als Teil eines modular aufgebauten Achssystems ausgelegt, welches zwischen zwei beliebig ausgeführten Achselementen, beispielsweise Achsrohr oder Achsstummel, angeordnet und an jedem dieser Elemente mittels eines Reibschweißverfahrens festgelegt werden kann. Auf diese Weise lassen sich die Herstellungskosten für Funktionselemente, welche in einer Vielzahl von verschiedenen Achssystem zum Einsatz gelangen können, reduziert, wodurch sich auch die Gesamtherstellungskosten für die entsprechenden Achssysteme reduzieren.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es versteht sich, dass einzelne Merkmale, die nur in ausgewählten der Figuren dargestellt sind, im Zweifel auch in Ausführungsformen anderer Figuren Anwendung finden sollen, sofern dies nicht explizit ausgeschlossen wurde oder sich aufgrund technischer Überlegungen verbietet. Es zeigen

1 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Achssystems gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 eine Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Funktionselements,
3 eine Detailansicht der in 1 dargestellten Schnittansicht,
4 eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines Funktionselementes gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die in 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsform des Achssystems 1 weist ein Funktionselement 2, ein an diesem angeordnetes und vorzugsweise festgelegtes Lenkerelement 6 sowie an den jeweils rechts und links gezeigten Enden ein erstes Achselement 4 und ein zweites Achselement 5 auf. Das Funktionselement 2 weist an seiner in der Figur oben gezeigten Seite einen Aufnahmebereich 22 auf, welcher wiederum links und rechts eine erste Stützfläche 22A und eine zweite Stützfläche 22B aufweist, welche der Abstützung des gestrichelt dargestellten Lenkerelements 6 dienen. Zwischen den Stützflächen 22A, 22B weist der Aufnahmebereich 22 zwei Auflageflächen 22C auf, welche mittig durch einen Sicherungsabschnitt 22D getrennt sind. Dabei trennt der Sicherungsabschnitt 22D die Auflageflächen 22C nur in der dargestellten Schnittansicht, da tatsächlich vorzugsweise der Sicherungsabschnitt 22D auch als lokale Aussparung in ein und derselben Auflagefläche 22C ausgebildet sein kann. Zwischen den Stützflächen 22A, 22B und den Auflageflächen 22C ist mit Vorteil ein Freischnitt mit gerundeter Geometrie vorgesehen, welcher insbesondere die Kerbwirkung im Eckenbereich verringert. Weiterhin bevorzugt weist der Aufnahmebereich 22 zumindest zwei Haltevorsprünge 24 auf, wobei die Stützflächen 22A, 22B zumindest teilweise an diesen Haltevorsprüngen 24 angeordnet sind, bzw. durch diese gebildet werden. Auf der anderen Seite weist der Aufnahmeabschnitt 22 eine zur Rohrachse A hin weisende Vertiefung auf, welche den Hohlraum 21 des Funktionselementes 2 lokal einengt und insbesondere die geringste Erstreckung E des Hohlraums 21, ausgehend von der Rohrachse A, definiert. Besonders bevorzugt ist diese geringste Erstreckung E deutlich kleiner als der mittlere Radius R_M des Funktionselements 2 im Bereich der Befestigungsabschnitte 25, 26. Die Befestigungsabschnitte 25, 26 dienen zur stoffschlüssigen Festlegung je eines Achselementes 4, 5 am Funktionselement 2. Hierfür weisen die Befestigungsabschnitte 25,26 nicht dargestellte, weitere vorteilhafte Geometrien, welche insbesondere die Herstellung einer Reibschweißverbindung begünstigen, auf. Besonders bevorzugt weist das Funktionselement auf der dem Aufnahmebereich 22 gegenüberliegenden Seite einen verstärkten Wandabschnitt 27 auf, welcher im vorliegenden Fall mit einer zunehmenden Wandstärke versehen ist, die ihr Maximum etwa unterhalb, d. h. bezogen auf die Rohrachse A auf gleicher Höhe wie der Aufnahmeabschnitt 22, erreicht. In den Bereichen der Befestigungsabschnitte 25, 26 ist die Wandstärke des Funktionselements 2 dagegen deutlich geringer als im Bereich des Aufnahmeabschnitts 22 sowie des gegenüberliegenden Bereiches mit dem verstärkten Wandabschnitt 27.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform des Funktionselements 2 längs der Rohrachse A. Zum einen ist hierbei ersichtlich, dass der Hohlraum 21 des Funktionselementes 2 mit Vorteil im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist und lediglich im Bereich des oben angeordneten Aufnahmebereiches 22 eine Abweichung von dieser Kreisform aufweist, welche sich durch eine geringste Erstreckung E des Hohlraumes von der Rohrachse A zeigt. Die geringste Erstreckung E des Hohlraums 21 beträgt dabei mit Vorteil mehr als die Hälfte des mittleren Radius R_M des Funktionselements 2 im Bereich der Befestigungsabschnitte 25, 26. Es ist gezeigt, dass die Ausformung des Aufnahmebereiches 22 dafür sorgt, dass das Lenkerelement 6 sozusagen innerhalb des von der kreisförmigen Erstreckung der Befestigungsabschnitte 25, 26 aufgespannten Raumes angeordnet werden kann und somit die Gesamtbauhöhe des Verbundes aus Lenkerelement 6 und Funktionselement 2 (in 2 somit entlang der vertikalen Richtung zu messen) sehr gering gehalten werden kann. Gleichzeitig wird durch die einstückige Ausführung des Funktionselementes 2 trotz der lokalen Abweichung von der Kreisform im Bereich des Aufnahmebereiches 22 eine besonders hohe Festigkeit und insbesondere auch Torsionssteifigkeit erreicht. Weiterhin weist das Funktionselement 2 vier Haltevorsprünge 24 auf, von denen 2 nur zwei sichtbar sind. Der größere der Haltevorsprünge 24 weist dabei eine Maximallänge L auf, welche annähernd gleich dem Durchmesser und somit dem Doppelten des mittleren Radius R_M der Erstreckung des Funktionselements im Bereich der Befestigungsabschnitte 25, 26 ist. Der kleinere Haltevorsprung 24 ist dabei deutlich nach links, im Vergleich zum restlichen Körper des Funktionselements 2, versetzt angeordnet, was einem besonders großen Hebelarm der Abstützung zwischen dem Lenkerelement 6 und dem Funktionselement 2 ermöglicht.
3 zeigt eine Detailansicht eines Ausschnittes der in 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Achssystems. Dabei sind insbesondere die Größenverhältnisse im Bereich der Haltevorsprünge 24 und der Stützflächen 22A, 22B am Beispiel einer Stützfläche 22B gezeigt. Die Stützfläche 22B (so wie auch die Stützflächen 22A) weist eine Erstreckung im Wesentlichen quer und besonders bevorzugt senkrecht zur Rohrachse A auf, die einen geringsten Abstand R₁ von der Rohrachse A aufweist und einen maximalen Abstand R₂ von der Rohrachse A. Gleichzeitig ist der mittlere Radius R_M der Erstreckung des Funktionselementes im Bereich zumindest eines der (nicht gezeigten) Befestigungsabschnitte 25, 26 gezeigt. Es zeigt sich dabei, dass durch die Ausbildung von Haltevorsprüngen die Erstreckung der Stützflächen 22B (und 22A) mit Vorteil vom mittleren Radius R_M weiter nach außen, also weg von der Rohrachse A, ausgelegt ist, als nach innen in Richtung der Rohrachse A. Bei der bevorzugten Ausführungsform der 1 und 3 ist hierbei vorzugsweise ein Verhältnis der Differenz zwischen dem größten Abstand der Stützfläche 22A, 22 B von der Rohrachse A und dem mittleren Radius R_M ein ca. 1,6 bis 1,8 -Faches der Differenz zwischen dem mittleren Radius R_M und dem geringsten Abstand R₁ der Stützflächen 22A, 22B von der Rohrachse A.
4 schließlich zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funktionselements 2, wobei der Aufnahmebereich 22 insbesondere von oben gezeigt ist, wobei die in das Material des Funktionselementes 2 eingebrachten Haltevorsprünge 24 sowie die an diesen angeordneten und voneinander beanstandet ausgebildeten Stützflächen 22A, 22B gezeigt sind. Weiterhin ist im Bereich des ersten Befestigungsabschnitts 25 sowie im Bereich des zweiten Befestigungsabschnitts 26 jeweils eine Anfasung vorgesehen, welche insbesondere die Herstellung einer Reibschweißverbindung zwischen dem Funktionselement 2 und je einem Achselement 4, 5 erleichtert und dabei insbesondere die auftretenden Drehmomente verringert, indem zunächst in einem Bereich geringerer Wandstärke das Material angeschmolzen werden kann. Nach erfolgreicher Anschmelzung verteilt sich dieser aufgewärmte Bereich zwischen den beiden Kontaktflächen der Bauteile entsprechend bei geringen Drehmomenten gleichmäßig und vergrößert sich der Bereich angeschmolzenen Materials am Funktionselement sowie am Achselement.
Bezugszeichenliste

1 -: Achssystem
2 -: Funktionselement
21 -: Hohlraum
22 -: Aufnahmebereich
22A -: erste Stützfläche
22B -: zweite Stützfläche
24 -: Haltevorsprung
25 -: erster Befestigungsabschnitt
26 -: zweiter Befestigungsabschnitt
27 -: verstärkter Wandabschnitt
4 -: erstes Achselement
5 -: zweites Achselement
6 -: Lenkerelement
A -: Rohrachse
E -: geringste Erstreckung des Hohlraums
L -: Maximallänge der Haltevorsprünge
R_M -: mittlerer Radius
R₁ -: geringster Abstand
R₂ -: größter Abstand

Claims

Funktionselement (2), insbesondere zum Einsatz im Fahrwerk eines Nutzfahrzeuges, welches eine Rohrachse (A) aufweist und einen sich entlang dieser Rohrachse (A) erstreckenden Hohlraum (21) aufweist, wobei das Funktionselement (2) an seiner bezogen auf die Rohrachse (A) äußeren Seite einen einstückig am Funktionselement (2) ausgebildeten Aufnahmebereich (22) aufweist, wobei der Aufnahmebereich (22) zumindest eine erste Stützfläche (22A) und zumindest eine zweite Stützfläche (22B) aufweist, welche sich jeweils quer zur Rohrachse (A) erstrecken und voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Stützflächen (22A, 22B) ausgelegt sind, ein Lenkerelement (6) zumindest gegen Verlagerungen parallel zur Rohrachse (A) relativ zum Funktionselement (2) abzustützen, wobei das Funktionselement (2) einen ersten Befestigungsabschnitt (25) zur unlösbaren Festlegung des Funktionselements (2) an einem Achselement (4, 5) aufweist, wobei sich der Befestigungsabschnitt (25) quer zur Rohrachse (A) erstreckt, wobei der Befestigungsabschnitt (25) eine Kontaktgeometrie mit einer Anfasung zur Herstellung einer Reibschweißverbindung mit einem Achselement aufweist.
Funktionselement (2) nach Anspruch 1, wobei der Aufnahmebereich (22) zumindest zwei Haltevorsprünge (24) aufweist, welche lokal von der benachbart liegenden Oberfläche des Funktionselements (2) bezogen auf die Rohrachse (A) nach außen hervorstehen, wobei jeweils eine der Stützflächen (22A, 22B) an dem Haltevorsprung (24) angeordnet ist.
Funktionselement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der dem ersten Befestigungsabschnitt (25) abgewandt gegenüberliegenden Seite ein einstückig mit dem Funktionselement (2) ausgebildetes Achselement (5), vorgesehen ist.
Funktionselement (2) einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend einen zweiten Befestigungsabschnitt (26) zur unlösbaren Festlegung des Funktionselements (2) an einem Achselement (4, 5), wobei sich der zweite Befestigungsabschnitt (26) quer zur Rohrachse (R) erstreckt und an der dem ersten Befestigungsabschnitt (25) abgewandt gegenüberliegenden Seite des Funktionselements (2) angeordnet ist.
Funktionselement (2) einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Funktionselement (2) in seinem ersten und/oder seinem zweiten Befestigungsabschnitt (25, 26) einen mittleren Radius (R_M) aufweist, wobei die Stützflächen (22A, 22B) einen geringsten Abstand (R₁) von der Rohrachse (A) aufweisen und sich bis zu einem größten Abstand (R₂) von der Rohrachse (A) erstrecken, wobei die Differenz zwischen dem größten Abstand (R₂) und dem mittleren Radius (R_M) zur Differenz zwischen dem mittleren Radius (R_M) und dem geringsten Abstand (R₁) in einem Verhältnis von 1 bis 2,5, steht.
Funktionselement (2) einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (21) im Bereich des Aufnahmebereiches (22) seine von der Rohrachse (A) aus gemessen geringste Erstreckung (E) aufweist, wobei diese geringste Erstreckung (E) in einem Verhältnis von 0,3 bis 0,75, zum mittleren Radius (R_M) des Funktionselements (2) im Bereich eines der Befestigungsabschnitte (25, 26) steht.
Funktionselement (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, aufweisend zumindest vier voneinander beabstandete Haltevorsprünge (24), wobei an jeweils zwei Haltevorsprüngen (24) je eine erste Stützfläche (22A) und an den gegenüber liegenden Haltevorsprüngen (24) je eine zweite Stützfläche (22B) ausgebildet ist.
Funktionselement (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei zwei der Haltevorsprünge (24) eine Maximallänge (L) aufweisen, die ein 1,7- bis 2,2-faches, des mittleren Radius' (R_M) des Funktionselements (2) im Bereich eines der Befestigungsabschnitte (25, 26) beträgt.
Achssystem (1) umfassend ein Funktionselement (2) und ein Lenkerelement (6), wobei das Lenkerelement (6) unmittelbar form- und kraftschlüssig an einem einstückig am Funktionselement (2) ausgebildeten Aufnahmebereich (22) festgelegt und durch den Aufnahmebereich (22) gegen Verlagerung längs einer Rohrachse (A) gesichert ist, wobei das Funktionselement (2) einen ersten Befestigungsabschnitt (25) zur unlösbaren Festlegung des Funktionselements (2) an einem Achselement (4, 5) aufweist, wobei sich der Befestigungsabschnitt (25) quer zur Rohrachse (A) erstreckt, wobei der Befestigungsabschnitt (25) eine Kontaktgeometrie mit einer Anfasung zur Herstellung einer Reibschweißverbindung mit einem Achselement aufweist wobei das Funktionselement (2) an zumindest einem Achselement (4, 5) stoffschlüssig festgelegt ist.