DE19758292A1 - Stabilisator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stabilisator für Kraftfahrzeuge, der einen annähernd run­ den, vorzugsweise einen kreisrunden oder einen ringförmigen, vorzugsweise einen kreisringförmigen Querschnitt aufweist, aus mehreren Stabilisatorabschnitten besteht und im wesentlichen U-förmig ausgeführt ist, also aus zwei U-Schenkeln und einem U-Rücken besteht, wobei zwischen den U-Schenkeln und dem U-Rücken bogenför­ mige Übergangsbereiche vorgesehen sind.

Stabilisatoren der eingangs beschriebenen Art sind grundsätzlich bekannt, beispiels­ weise aus der deutschen Offenlegungsschrift OS 28 05 007. Sie werden an den Vor­ der- und/oder Hinterachsen von Kraftfahrzeugen verwendet und dienen primär dazu, die Roll- und Wankneigung von Kraftfahrzeugen bei Kurvenfahrten zu verringern. U-förmig ausgeführte Stabilisatoren werden mit den freien Enden der U-Schenkel an den Radführungsteilen befestigt, während sie im Schulterbereich in am Fahrzeugauf­ bau angeordneten Gummilagern gelagert sind. Unter dem generell immer stärker Be­ achtung findenden Gesichtspunkt der "Gewichtsreduzierung" werden seit einiger Zeit zunehmend Stabilisatoren mit kreisförmigem Querschnitt, also aus Rohren gefer­ tigte Stabilisatoren, sogenannte Rohrstabilisatoren verwendet.

Da nun bei Rohren die Beanspruchung höher ist als bei vergleichbaren Vollstäben (D_a Vollstab < D_a Rohr), erreichen sie bei hoher Belastung nicht die geforderte An­ zahl an Lastwechseln bzw. können sie bei vorgegebener Anzahl an Lastwechseln nur für niedrigere Belastungen eingesetzt werden.

In der deutschen Offenlegungsschrift OS 28 05 007 ist nun ein Stabilisator beschrie­ ben, der aus einem U-förmig gebogenem Rohr besteht. Dabei soll die geforderte An­ zahl an Lastwechseln bei einer vorgegebenen Beanspruchung dadurch erreicht wer­ den, daß in allen Stabilisatorabschnitten gleiche Beanspruchungen vorliegen. Es han­ delt sich also um einen Stabilisator mit gleicher Beanspruchung in allen Stabilisator­ abschnitten.

In Fällen sehr hoher Beanspruchung war bisher eine wirkungsvolle Gewichtsreduzie­ rung bei Stabilisatoren nicht möglich, bzw. die Stabilisatoren haben nicht die erfor­ derliche Anzahl an Lastwechseln standgehalten.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, Stabilisatoren, insbesondere Rohrsta­ bilisatoren, zur Verfügung zu stellen, die auch bei sehr hoher Beanspruchung die ge­ forderte Anzahl an Lastwechseln standhalten bzw. bei normalen Beanspruchungen eine noch größere Gewichtsreduzierung ermöglichen.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist nach einer ersten Lehre der Erfindung dadurch ge­ löst, daß die einzelnen Stabilisatorabschnitte so dimensioniert sind, daß in den wesent­ lichen Stabilisatorabschnitten - abweichend vom Stabilisator gleicher Beanspru­ chung - eine Schwingfestigkeitsoptimierung durchgeführt wird. Hierbei haben im Idealfall die wesentlichen Stabilisatorabschnitte eine quasi-gleiche Schwingfestigkeit; dieses Ziel ist aber, bedingt durch Restriktionen (Grenzen für Durchmesser und Stei­ figkeit) nicht immer realisierbar, wobei die Optimierung aber immer in Richtung Ideal­ fall vorzunehmen ist.

Die Optimierung geschieht durch Verlagerung von mechanischer Verformungsarbeit aus dem hochbeanspruchten Schulterbogen- bzw. Schulterlagerbereich in den nor­ malerweise niedriger beanspruchten U-Rücken und wahlweise zusätzlich auch in niedriger beanspruchte Bereiche der U-Schenkel. Dies wird erreicht, indem man den Schulterbogen- bzw. Schulterlagerbereich verstärkt, also den Außendurchmesser D_a und evtl. die Wandstärke t vergrößert, wodurch dort die Federrate ansteigt, und gleichzeitig den U-Rücken und wahlweise zusätzliche Bereiche der U-Schenkel schwächt, also den Außendurchmesser D_a und evtl. die Wandstärke t verringert, wo­ durch dort die Federrate sinkt.

In den einzelnen Stabilisatorabschnitten sind die Basis-Querschnitte (vor dem Formen des Stabilisators) aus fertigungstechnischen und wirtschaftlichen Gründen vorzugs­ weise konstant mit entsprechenden Übergängen vom dem einen in den anderen Sta­ bilisatorabschnitt.

Die Veränderung der Querschnitte wird in den einzelnen Stabilisatorabschnitten so gewählt, daß die Gesamtfederrate einem vergleichbaren Voll- oder Rohrstabilisator mit über der gesamten Stabilisatorlänge quasi-gleichen Querschnitten entspricht.

Durch die Festlegung der einzelnen Bereiche mit unterschiedlichen, vorzugsweise konstanten Querschnitten, gibt es zwischen den Bereichen und in den Bereichen selbst unterschiedliche Beanspruchungen mit Maxima und Minima, so daß kein Stabi­ lisator mit gleicher Beanspruchung in allen Stabilisatorabschnitten vorliegt.

Wichtig ist zu erwähnen, daß im mehr Verformungsarbeit aufnehmenden U-Rücken die Beanspruchung um bis zu 32% (Bezug = Vollstab konstant) bzw. 17% (Bezug = Rohr konstant) angehoben werden kann, um im entlasteten Schulterbogen- bzw. Schulterlagerbereich Beanspruchungsreduzierungen von bis zu 12% (Bezug = Voll­ stab konstant) bzw. 20% (Bezug = Rohr konstant) zu erreichen.

Im Stand der Technik ist versucht worden, die Lebensdauer bzw. die zulässige Bean­ spruchung des Stabilisators dadurch zu erhöhen, daß die am stärksten beanspruchten Stabilisatorabschnitte auf unterschiedliche Weise verstärkt worden sind. Bei dem er­ findungsgemäßen Stabilisator wird jedoch die Lebensdauer bzw. die zulässige Bean­ spruchung dadurch wesentlich erhöht, daß mechanische Verformungsarbeit aus dem hochbeanspruchten Schulterbogen- bzw. Schulterlagerbereich in den normalerweise niedriger beanspruchten U-Rücken verlagert wird, indem der U-Rücken "weicher" gemacht wird.

Der mehr Verformungsarbeit aufnehmende Bereich im U-Rücken ist vorzugsweise mit einem geringeren Außendurchmesser ausgebildet als die Übergangsbereiche. Somit ist der U-Rücken des erfindungsgemäßen Stabilisators "weicher" als der U-Rücken der bekannten Stabilisatoren; er trägt somit wesentlich mehr zur Gesamtverformung bei Betriebsbelastung bei. Die Ausgestaltung des Stabilisators mit einem im Bereich des U-Rückens verringerten Außendurchmessers ist fertigungstechnisch sehr einfach zu realisieren, beispielsweise durch entsprechendes Kneten des für den Stabilisator ver­ wendeten Stabes oder Rohres vor oder auch nach dem Biegen.

Alternativ kann darüber hinaus auch die Wandstärke des Stabilisators im Bereich des U-Rückens verringert sein. Zusätzlich ist auch eine Kombination aus geringeren Au­ ßendurchmesser und verringerter Wandstärke des Stabilisators im Bereich des U-Rückens möglich, um eine weitere Gewichtsreduzierung zu erreichen.

Nach einer zweiten Lehre der Erfindung ist die zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Festigkeitserhöhung durch Aufkohlung der äußeren und/oder inne­ ren Oberflächenrandschicht des Stabilisators, insbesondere in Verbindung mit einem Vergütungsprozeß, erzielt ist. Dabei kann das Aufkohlen sowohl vor dem Vergü­ tungsprozeß erfolgen, dann bevorzugt auch vor dem Kneten und Formen des Stabili­ sators, als auch gleichzeitig mit dem Vergütungsprozeß.

Innerhalb des Fertigungsprozesses des Stabilisators verringert sich der Kohlenstoff­ gehalt des Werkstoffes in der Oberflächenrandschicht. Da der Kohlenstoffgehalt ei­ nen Einfluß auf die Zugfestigkeit des Materials hat, verringert sich durch die Abnah­ me des Kohlenstoffgehaltes in der besonders beanspruchten Oberflächenrandschicht des Stabilisators dessen Schwingfestigkeit. Die Aufkohlung erhöht also die Zugfe­ stigkeit der Oberflächenrandschicht des Stabilisators, und damit wird die Anzahl der erreichbaren Lastwechsel ebenfalls erhöht. Dieser Effekt wird durch Vergüten in be­ sonderem Maße verstärkt.

Gerade bei hohen Grundfestigkeitswerten, z. B. 1.500-1.800 MPa sind in der aufge­ kohlten Oberflächenrandschicht Erhöhungen, bezogen auf die Grundfestigkeit, von ca. 10-50% erreichbar. Hierdurch kann die zulässige Beanspruchung bzw. die Schwingfestigkeit deutlich erhöht werden.

Durch die Aufkohlung wird der Kohlenstoffgehalt der Oberflächenrandschicht des Stabilisators vorzugsweise soweit erhöht, daß er in der Oberflächenrandschicht höher ist als im Inneren des Stabilisators. Dadurch wird die Zugfestigkeit in der besonders beanspruchten Oberflächenrandschicht des Stabilisators und somit die Lebensdauer insgesamt erhöht.

Handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Stabilisator um einen Rohrstabilisator, so kann die zugelassene höhere Beanspruchung im Bereich des U-Rückens dazu ausge­ nutzt werden, daß die Wandstärke im Bereich des U-Rückens verringert wird. Dabei kann der Außendurchmesser über der gesamten Länge des Stabilisators konstant sein oder im Bereich des U-Rückens einen anderen Wert aufweisen. Durch die Möglich­ keit, sowohl den Außendurchmesser als auch den Innendurchmesser des Stabilisators zu verändern, um die zulässige höhere Beanspruchung im Bereich des U-Rückens auszunutzen, gibt es keine Probleme, die vom Kraftfahrzeughersteller vorgegebenen Außenabmessungen des Stabilisators einzuhalten.

Ändert sich der Außendurchmesser des erfindungsgemäßen Stabilisators, so kann die­ se Änderung sowohl beim Vollstabilisator als auch beim Rohrstabilisator entweder sprunghaft oder kontinuierlich ausgebildet sein. Entsprechendes gilt auch für die Än­ derung der Wandstärke beim Rohrstabilisator, also der Änderung des Innendurch­ messers alleine oder in Kombination mit dem Außendurchmesser.

Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verbessern der Oberflächenrandschicht durch Aufkohlen, vorzugsweise in Verbindung mit einem Vergüten, nicht auf Stabili­ satoren beschränkt, sondern kann auch bei anderen schwingungsbeanspruchten Bauteilen aus Stahl, wie zum Beispiel bei Federn, angewandt werden.

Schließlich kann es noch besonders vorteilhaft sein, bei einem als Rohrstabilisator ausgeführten erfindungsgemäßen Stabilisator die innere Oberfläche durch Kugel­ strahlen zu behandeln und dadurch Druckeigenspannungen zu erzeugen; Selbstver­ ständlich können auch andere bekannte Methoden zur Erzeugung zur Druckeigen­ spannungen angewendet werden. Auch dadurch, daß Druckeigenspannungen er­ zeugt werden, z. B. durch Kugelstrahlen, kann die Anzahl der zulässigen Lastwechsel erhöht werden, unter Umständen sogar beachtlich erhöht werden.

Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Stabilisa­ tor auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschrei­ bung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine Hälfte eines erfindungsgemäßen Stabilisa­ tors, in diesem Fall eines Rohrstabilisators.

Die Figur zeigt eine Hälfte eines spiegelsymmetrischen Stabilisators 1, in diesem Falle eines Rohrstabilisators, der einen kreisringförmigen Querschnitt aufweist und im we­ sentlichen U-förmig ausgeführt ist, mit einem U-Schenkel 2 und einer Hälfte eines U- Rückens 3. Der U-Schenkel 2 und der U-Rücken 3 sind durch einen bogenförmigen Übergangsbereich 4 miteinander verbunden. Ein solcher Stabilisator 1 wird mit den freien Enden der U-Schenkel 2 an den hier nicht dargestellten Radführungsteilen ei­ nes Kraftfahrzeuges befestigt. Das dargestellte freie Ende des U-Schenkels 2 wird da­ bei an den entsprechenden Radführungsteilen befestigt. Der U-Rücken 3 ist in in der Nähe des Übergangsbereiches 4 angeordneten, hier nicht dargestellten Gummilagern am Fahrzeugaufbau gelagert.

Bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stabilisators 1 ist der Außendurchmesser des Stabilisators 1 im torsionsspannungsdo­ minanten Stabilisatorabschnitt 5, welcher sich im Bereich des U-Rückens 3 befindet, kleiner als im normalspannungsdominanten Stabilisatorabschnitt 6, welcher sich im Übergangsbereich 4 befindet. Zusätzlich ist auch die Wandstärke des Stabilisators 1 im torsionsspannungsdominanten Stabilisatorabschnitt 5 geringer als im normalspan­ nungsdominanten Stabilisatorabschnitt 6. Der beschriebenen Verringerung des Au­ ßendurchmessers und der Wandstärke geht die erfindungsgemäße Überlegung vor­ aus, daß der "weichere" U-Rücken 3 eine größere mechanische Verformungsarbeit aufnimmt als der die zulässige Anzahl an Lastwechseln stärker beschränkende Über­ gangsbereich 4. Die Änderung sowohl des Außendurchmessers als auch der Wand­ stärke des Stabilisators 1 erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kontinu­ ierlich, so daß keine die Schwingfestigkeit des Stabilisators 1 negativ beeinflussenden Kanten entstehen.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stabilisators 1 ist durch Aufkohlung der Kohlenstoffgehalt der äußeren Oberflächenrandschicht des Stabilisators 1 so weit erhöht worden, daß er an der Oberflächenrandschicht, und zwar sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite, höher als im Inneren der Stabilisatorwand ist. Dadurch kann, insbesondere in Verbindung mit einer Vergütung, die Zugfestigkeit der Oberflächenrandschicht des Stabilisators im Vergleich zur Zug­ festigkeit eines entkohlten Materials um die Hälfte, vorzugsweise sogar um über zwei Drittel erhöht werden.

Zumindest im Übergangsbereich 4 ist die innere Oberfläche des Stabilisators 1 noch besonders behandelt; nämlich durch Kugelstrahlen. Durch diese Maßnahme kann die zulässige Anzahl an Lastwechsel nochmals um einen Faktor von etwa vier erhöht werden.

Claims (7)

1. Stabilisator für Kraftfahrzeuge, der einen annähernd runden, vorzugsweise einen kreisrunden oder einen ringförmigen, vorzugsweise einen kreisringförmigen Quer­ schnitt aufweist, aus mehreren Stabilisatorabschnitten besteht und im wesentlichen U-förmig ausgeführt ist, also aus zwei U-Schenkeln (2) und einem U-Rücken (3) be­ steht, wobei zwischen den U-Schenkeln (2) und dem U-Rücken (3) bogenförmige Übergangsbereiche (4) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den wesentlichen Stabilisatorabschnitten - abweichend vom Stabilisator gleicher Bean­ spruchung - eine Schwingfestigkeitsoptimierung durchgeführt ist, vorzugsweise da­ durch, daß die einzelnen Stabilisatorabschnitte so dimensioniert sind, daß in den wesentlichen Stabilisatorabschnitten - abweichend vom Stabilisator gleicher Bean­ spruchung - eine quasi-gleiche Schwingfestigkeit vorhanden ist.

2. Stabilisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im torsionsspannungs­ dominanten Stabilisatorabschnitt (5) der Außendurchmesser des Stabilisators (1) kleiner ist als im normalspannungsdominanten Stabilisatorabschnitt (6).

3. Stabilisator für Kraftfahrzeuge, der einen annähernd runden, vorzugsweise einen kreisrunden oder einen ringförmigen, vorzugsweise einen kreisringförmigen Quer­ schnitt aufweist, aus mehreren Stabilisatorabschnitten besteht und im wesentlichen U-förmig ausgeführt ist, also aus zwei U-Schenkeln (2) und einem U-Rücken (3) be­ steht, wobei zwischen den U-Schenkeln (2) und dem U-Rücken (3) bogenförmige Übergangsbereiche (4) vorgesehen sind, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Festigkeitserhöhung durch Aufkohlung der äußeren und/oder inneren Oberflächenrandschicht des Stabilisators (1), insbesondere in Ver­ bindung mit einem Vergütungsprozeß, erzielt ist.

4. Stabilisator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Aufkohlung der Kohlenstoffgehalt der Oberflächenrandschicht des Stabilisators (1) soweit erhöht wird, daß er an der Oberflächenrandschicht höher ist als im Inneren des Stabilisators (1) bzw. als im Inneren des kreisringförmigen Querschnittes.

5. Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem kreisringförmigen Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke im torsionsspannungsdominanten Sta­ bilisatorabschnitt (5) geringer ist als im normalspannungsdominanten Stabilisatorab­ schnitt (6).

6. Stabilisator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser im torsionsspannungsdominanten Stabilisatorabschnitt (5) geringer ist als im normal­ spannungsdominanten Stabilisatorabschnitt (6).

7. Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem kreisringförmigen Quer­ schnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche zumindest teilweise, vor­ zugsweise in den Übergangsbereichen (4), kugelgestrahlt ist.