DE102022123266B3

DE102022123266B3 - Führungszapfen für ein Puffersystem und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022123266B3
Application number: DE102022123266.2A
Authority: DE
Inventors: Harald Neidlein
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-09-13
Filing date: 2022-09-13
Publication date: 2024-03-14
Anticipated expiration: 2042-09-14

Abstract

Führungszapfen für ein Puffersystem,mit folgenden Merkmalen:- einem überwiegend aus Kunststoff bestehenden Aufsatz,- einem den Aufsatz umfänglich abstützenden Federelement und- einem das Federelement tragenden Grundkörper, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:- das Federelement ist eine Stahlfeder,- der Grundkörper trägt eine koaxial in den Aufsatz ragende Schraube mit einem vom Aufsatz hintergriffenen Bund und einer Schaftlänge dergestalt, dass der Aufsatz die Stahlfeder gegen den Grundkörper vorspannt, und- der Führungszapfen umfasst ferner einen zwischen dem Aufsatz und Grundkörper angeordneten Durchschlagschutz.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Führungszapfen für ein Puffersystem. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Führungszapfen.
Die Heckklappe wird im Wesentlichen durch die Scharniere und den Schloss-Schließbügel-Verbund im Fahrzeug gehalten. Diese Komponenten allein würden allerdings nicht ausreichen, um die Heckklappe fest und klapperfrei zu positionieren, da diese Drei-Punkt-Lagerung insbesondere bei dynamischer Anregung erhebliche Bewegungen der Klappe zulässt. Deshalb wird generell bei Klappen die Bewegung über geeignete Puffersysteme eingeschränkt. Der Stand der Technik umfasst verschiedene Pufferarten und Formen und jeder Hersteller setzt seine eigenen Prioritäten.
DE 10 2004 055 638 A1 offenbart den Gegenstand des Oberbegriffs von Anspruch 1, DE 10 2011 008 324 A1 jenen des Oberbegriffs von Anspruch 4.
Nach US 2017 / 0 016 262 A1 ist der Führungszapfen zwischen einer Tür und einem Fahrzeugrahmen mit thermoplastischem Elastomer überzogen.
DE 198 14 995 A1 lehrt die beanspruchungsgerechte Ausgestaltung eines Elastomerelements durch die Auswahl eines Materials von geeigneter Shore-Härte.
DE102005047309A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Öffnen und Schließen von Karosserieteilen. Das Karosserieteil ist mittels Gelenkketten und einem Beschlagteil schwenkbar an die Karosserie befestigt, wobei diese mit einer Antriebswelle gekoppelt sind. Die Antriebswelle ist in zwei Teile geteilt, zwischen die beiden Teile ist zur Verringerung von Verschleiß und Geräuschen ein Kunststoff- bzw. Elastomer-Bauteil angeordnet.
DE102006061611A1 und DE102006012726A1 zeigen einen Anschlagpuffer bestehend aus einer Druckfeder und einem mit einer Kappe versehenen Bolzen zur Kontaktierung mit der Karosserie. Die Kappe kann elastisch und ggf. aus Gummi ausgeführt sein.
EP1691017A2 umfasst einen Anschlagpuffer für eine Tür oder Klappe eines Fahrzeuges. Der Anschlagpuffer weist ein elastisches Federelement und einen zusätzlichen Dämpfungsabschnitt, welcher aus mehreren mit einem Fluid gefüllten und verbundenen Kammern besteht.
DE19953448A1 betrifft einen Anschlagpuffer zur Anordnung zwischen zweit Kraftfahrzeugteilen. Der Anschlagpuffer besteht aus einem Befestigungselement und einem Kontaktelement. Diese beiden Teile sind beweglich und einstellbar miteinander verbunden. Ein Federelement dient zur Rückstellung des Kontaktelementes gegenüber dem Befestigungselement. Das Kontaktelement besteht aus einem weichen thermoplastischen Elastomer (TPE).
EP1300290A2 zeigt eine Pufferanordnung mit einer Schraube, einem Pufferelement, einer Schraubenfeder, einem Kopfabschnitt und einem aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Pufferelement. Das härtere Material der Pufferfläche dient zur Führung, das weichere Material als Anschlagfläche.
EP2031168A2 beschreibt ein Pufferelement, welches etwa aus einem Elastomer besteht, um Klappergeräusche zu verhindern. Das Pufferelement ist höhenverstellbar und dient zur Verwendung als Anschlag eines beweglichen Teils in einem Fahrzeug.
Die Erfindung stellt einen Führungszapfen für ein Puffersystem und ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Ein Vorzug dieser Lösung liegt in seiner Verschleißarmut, welche ihr eine besondere Eignung für die schweren Klappen von Schrägheck- und Geländelimousinen (sports utility vehicles, SUVs) verleiht. Da das erfindungsgemäße Puffersystem keine erhöhten Anforderungen an den Bauraum stellt, vermag sein Führungszapfen die in gattungsmäßigen Fahrzeugserien eingesetzten Systeme ohne Einschränkung zu ersetzen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Außerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche kann ein mit einem Elastomerelement versehener Führungszapfen aus wenigen Teilen mit geringem Aufwand vormontiert und in seiner Härte einfach an unterschiedliche Anforderungen adaptiert werden, da nur das Element geändert werden muss. Letzteres eröffnet somit einen großen konstruktiven Spielraum zur Schaffung einer kompakten und dennoch knack-, knarz- und klapperfreien Führungszapfen-Einheit. Zu denken ist beispielsweise an den reibungsarmen und in vielen Größen marktüblich erhältlichen X-Ring, welcher eine kleine Ausführung des Zapfens gestattet, oder den für seine Haltbarkeit bekannten O-Ring.
Das Elastomerelement kann hierbei aus einem Material wie Silikon bestehen, das temperaturunabhängig einen geringeren Druckverformungsrest (DVR, compression set) als TPE und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) aufweist, um das Setzverhalten des Puffers zu verbessern. TPE in dieser Hinsicht überlegen ist etwa Silikon der Härte 50 Shore-A, welches bei einer Belastung über 24 h bei einer Temperatur von 150 °C einen DVR gemäß DIN ISO 815 von lediglich 15 % aufweist.
In einer ebenfalls nicht vom Schutz der Ansprüche umfassten Ausführungsform wird der Zapfen mit einem Aufsatz in Gestalt einer Kappe aus Polyoxymethylen (POM), Polyamid (PA), Polypropylen (PP), Polycarbonat/Acrylnitril-Butadien-Styrol (PC/ABS) sowie einer TPE-Beschichtung versehen. Die innerhalb des Grundkörpers linear geführte Kappe weist somit einen vollständig gekapselten Schiebesitz auf, der keinem Verschleiß durch Schmutz oder Wasser in der Linearführung unterliegt.
Im Rahmen der Fertigung kann die Kappe hierzu in einfacher Weise seitens des Elastomerelementes auf den Grundkörper geschoben und der Führungszapfen, während dieser im TPE-Werkzeug umspritzt wird, von der anderen Seite abgestützt werden. Auf diesem Weg lässt sich dem Elastomerelement werksseitig eine gewisse Vorspannung verleihen.
Als Federelement kommt erfindungsgemäß eine Stahlfeder zum Einsatz. Wenn der Grundkörper eine koaxial in den Aufsatz ragende Schraube mit einem von letzterem hintergriffenen Bund trägt, lässt sich die durch den Aufsatz auf diese Feder ausgeübte Vorspannkraft durch Einstellung der Schaftlänge innerhalb des Grundkörpers werksseitig unkompliziert vorgeben.
Eine derartige Ausführungsform des Zapfens erweist sich zudem als toleranzunempfindlich, da die Stahlfeder einen nicht unerheblichen Federweg aufweist. Der Markt bietet ein großes Angebot geeigneter Federn mit bekannten Kraft-Weg-Kennlinien, die keinen signifikanten DVR aufweisen und einen Austausch der Kappe unabhängig vom Grundkörper erlauben.
Zu denken ist insbesondere an Wellenfedern, welche sich durch ein gutes Verhältnis von Kraft zu Arbeitshöhe auszeichnen und eine weitestgehend konstante Kraft über einen großen Federweg sicherstellen. Auch im Hinblick auf ihre hohe Akzeptanz von Bauteiltoleranzen, geringen Anforderungen an den in axialer und radialer Richtung verfügbaren Bauraum sowie die Eliminierung von Torsionsbelastungen beim Einfedern erweist sich eine Wellenfeder im vorliegenden Anwendungsfall als besonders leistungsfähig.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt die perspektivische Ansicht eines Puffersystems an der Heckklappe eines SUV.
2 zeigt einen seitens der Klappe vorgesehenen Führungskeil des Systems.
3 zeigt einen seitens des Rohbaus des SUV an dessen hinterer Stoßfängerverkleidung vorgesehenen Führungszapfen des Systems.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht des Zapfens in Alleinstellung.
5 zeigt einen Längsschnitt des durch die Stoßfängerverkleidung ragenden Zapfens, wie er bereits in laufenden Serien zum Einsatz kommt.
6 zeigt den Längsschnitt eines zweiten Führungszapfens.
7 zeigt einen 6 entsprechenden Längsschnitt des zweiten Zapfens während seiner Herstellung.
8 zeigt den Schnitt eines X-Ringes.
9 zeigt den Schnitt eines O-Ringes.
10 zeigt den Schnitt eines K-Ringes.
11 zeigt den Längsschnitt eines Führungszapfens gemäß 5 in dem die Integrationsmöglichkeit des Neukonzeptes ersichtlich ist.
12 zeigt eine perspektivische Ansicht des unter 11 beschriebenen Zapfens ohne Elastomerelement.
13 zeigt eine perspektivische Ansicht des unter 11 beschriebenen Zapfens mit Elastomerelement.
14 zeigt den Längsschnitt eines dritten Führungszapfens unter Verwendung einer Wellenfeder.
15 zeigt einen Querschnitt des dritten Zapfens in der Ebene A-A gemäß 14.
16 zeigt den Längsschnitt eines fünften Zapfens, der eine Variante zu 14 darstellt.
17 und 18 zeigen perspektivische Ansichten einer Wellenfeder.
19 zeigt die Kennlinie der Wellenfeder im Vergleich zu jenen anderer Stahlfedern.

Die 1 bis 3 illustrieren in ihrer Zusammenschau das Puffersystem (20 - 1) an der Heckklappe (21 - 1) eines SUV, welches einen - hier nicht näher betrachteten - verstellbaren Führungskeil (23 - 2) seitens der Heckklappe (21 - 1) umfasst. Die hintere Stoßfängerverkleidung (22 - 3) des SUV umrahmt in hinlänglich bekannter Weise den unteren Teil der geschlossenen Heckklappe (in 3 nicht dargestellt) und wird in deren Richtung von einem starr mit dem Rohbau verbundenen, komplementär zum Führungskeil (23 - 2) geformten Führungszapfen (24 - 3) des Puffersystems (20) durch ragt.
Generell kann es im Einzelfall auch vorteilhaft sein den Führungszapfen an der Heckklappe und den Führungskeil am Rohbau zu positionieren. Die Funktionsweise wird dadurch nicht beeinträchtigt.
Eine gewisse Elastizität wird dem nunmehr anhand der 4 und 5 näher beleuchteten Führungszapfen (24) durch eine einige mm dicke TPE-Beschichtung (4 - 5) im Bereich seiner Kontaktfläche zum harten Kunststoff-Führungskeil (23 - 2) verliehen, deren Federweg sich jedoch auf ein Mindestmaß beschränkt. Durch Verschleiß sinkt die werksseitig eingestellte Vorspannung zwischen Führungskeil (23) und Führungszapfen (24) des Puffersystems (20) im Fahrbetrieb, was unter bestimmten Umständen zu einem hörbaren Klappern der Heckklappe führen kann.
Um die Funktion des Puffersystems (20) zu optimieren und dessen genannte Schwächen zu überwinden, ist eine Erhöhung des federnden Bereiches (Selbstnachstellung) möglichst ohne werkstoffbedingte Setzungserscheinungen anzustreben. Des Weiteren wäre ein geringer Verschleiß durch Abrieb der Kontaktfläche wünschenswert. Zur Erreichung dieser Ziele wurden die im Folgenden dargestellten Konzepte entwickelt.
6 verdeutlicht das Funktionsprinzip eines Führungszapfens gemäß einer nicht vom Schutz der Ansprüche umfassten Ausführungsform. Eine zweckmäßigerweise runde Kappe (1) aus POM, PA, PP oder PC/ABS - jeweils ohne GF - wird umfänglich durch einen X-Ring (2) gegen einen letzteren tragenden Grundkörper (3) abgestützt, welcher zum Beispiel durch eine zweifache Schraubverbindung (7) an den Rohbau angebunden ist. Die Kappe (1), welche mittig eine leichte Überwölbung (5) erkennen lässt, ist mit Schiebesitz in den hohlen Grundkörper (3) eingepasst.
Im Zuge der in 7 veranschaulichten Herstellung wird die Kappe (1) seitens des X-Ringes (2) auf den Grundkörper (3) geschoben. Der solchermaßen vormontierte Führungszapfen wird sodann, während er von der gegenüberliegenden, offenen Seite des Grundkörpers (3) Abstützung (8) in einem Werkzeug erfährt, mit TPE umspritzt, gegen welches der X-Ring (2) den Schiebesitz zugleich abdichtet.
Die 8 bis 10 zeigen einige Beispiele für geeignete Elastomerelemente (2, 9, 10), wie sie üblicherweise als Wellendichtungen zur Anwendung kommen und in unterschiedlichsten Materialien und Härten erhältlich sind. An die Stelle des besagten X-Ringes (2) der 8 mag so etwa der kreisförmige und somit endlose O-Ring (9) der 9 oder der auch zum Absorbieren von Stößen mit Flüssigkeiten eingesetzte K-Ring (10) der 10 treten, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Hinsichtlich des Werkstoffes kommen neben Vinyl-Methyl-Silikon (MVQ/QVM) beispielsweise EPDM, NBR oder Fluorkautschuk (FKM) in Betracht.
Eine konkrete Umsetzung bei einem SUV sei nunmehr anhand der 11 bis 13 erläutert. Die Verbindung (7) mit dem Rohbau erfolgt auch bei diesem Führungszapfen unverändert; anstelle der Kappe (1) der 6 und 7 wird dem Grundkörper (3) gleichwohl ein federnd gegen den X-Ring (2) gelagerter Kolben (11) aufgesetzt. Zuletzt wird die aus Kolben (11), X-Ring (2) und Grundkörper (3) gebildete Baugruppe (11, 2, 3) abermals mit TPE überspritzt und so mit einer gleichsam als „Weichkomponente“ dienenden Beschichtung (4) versehen, die die einzelnen Teile zusammenhält und die federnde Eigenschaft nicht unterbindet. Die Beweglichkeit des Kolbens (11) bleibt so auch hier erhalten, weil durch den X-Ring (2) kein flüssiges TPE in den Schiebesitz des Zapfens eindringen kann.
Im erfindungsgemäßen Konzept gemäß 14 wird die Kappe (1) anstatt eines Elastomerelementes (2, 9, 10) von einer rostfreien Wellenfeder (12) abgestützt, welche von der - hier mit einem Durchschlagschutz (14) versehenen - Kappe (1) gegen den Grundkörper vorgespannt wird. Das Maß dieser Vorspannung wird dabei durch die Schaftlänge einer koaxial in die Kappe (1) ragenden Auflage- oder Bundschraube (13) im Grundkörper vorgegeben.
Wie 15 verdeutlicht, kann die Kappe (1) insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform auch rechteckig ausfallen; in dieser Variante empfiehlt sich getreu dem Poka-Yoke-Prinzip eine verdrehsichere Verzahnung mit dem Grundkörper. 16 stellt dieser Ausführungsform eine andere Variante gegenüber, deren Durchschlagschutz (14) nicht von der Kappe (1), sondern dem Grundkörper selbst getragen wird und die Wellenfeder etwas weniger exponiert positioniert ist.
17 und 18 illustrieren das Konstruktionsprinzip einer für die Ausgestaltungen gemäß der 14-17 geeigneten Wellenfeder (12). Anstelle einer Wellenfeder (12) mag der Fachmann in Ansehung der Kennlinien der 19 gleichwohl etwa eine Spiralfeder (15) oder Tellerfeder (16) als Federelement einsetzen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Führungszapfen (24) für ein Puffersystem (20), mit folgenden Merkmalen: - einem überwiegend aus Kunststoff bestehenden Aufsatz (1, 11), - einem den Aufsatz (1, 11) umfänglich abstützenden Federelement (2, 9, 10, 12, 15, 16) und - einem das Federelement (2, 9, 10, 12, 15, 16) tragenden Grundkörper (3), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Federelement (2, 9, 10, 12, 15, 16) ist eine Stahlfeder (12, 15, 16), - der Grundkörper (3) trägt eine koaxial in den Aufsatz (1, 11) ragende Schraube (13) mit einem vom Aufsatz (1, 11) hintergriffenen Bund und einer Schaftlänge dergestalt, dass der Aufsatz (1, 11) die Stahlfeder (12, 15, 16) gegen den Grundkörper (3) vorspannt, und - der Führungszapfen (24) umfasst ferner einen zwischen dem Aufsatz (1, 11) und Grundkörper (3) angeordneten Durchschlagschutz (14).
Führungszapfen (24) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eines der folgenden Merkmale: - die Stahlfeder (12, 15, 16) ist eine Wellenfeder (12), - die Stahlfeder (12, 15, 16) ist eine Spiralfeder (15) oder - die Stahlfeder (12, 15, 16) ist eine Tellerfeder (16).
Führungszapfen (24) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eines der folgenden Merkmale: - der Aufsatz (1, 11) ist rund oder - der Aufsatz (1, 11) ist rechteckig und mit dem Grundkörper (3) verdrehsicher verzahnt.
Kraftfahrzeug, mit folgendem Merkmal: - das Kraftfahrzeug weist eine Heckklappe (21), ein deren Bewegung begrenzendes Puffersystem (20) sowie einen Rohbau mit einer hinteren Stoßfänger-Verkleidung (22) auf, welche die Heckklappe (21) abschnittsweise umrahmt, wenn diese geschlossen ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Puffersystem (20) umfasst einen Führungskeil (23) seitens der Heckklappe (21) sowie einen komplementär zum Führungskeil (23) geformten Führungszapfen (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und - der Führungszapfen (24) steht in starrer Verbindung (7) mit dem Rohbau und ragt von diesem in Richtung der geschlossenen Heckklappe (21) durch die Verkleidung (22).