DE3230114C2 - Rear axle for motor vehicles - Google Patents
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Abstract
Die Hinterachse wird gebildet aus zwei biege- und torsionssteifen Längslenkern, an denen die Räder gelagert sind, und einer die Längslenker verbindenen biegesteifen aber torsionsweichen Querstrebe, die zwischen den Verbindungslinien der Radachsen und Lagerachsen der Längslenker angeordnet und durch Schweißen winkelsteif mit den Längslenkern verbunden ist. Für die Querstrebe ist ein offenes Profil verwendet, das bei waagerechter Anordnung seiner Symmetrieebene zwischen den Längslenkern einen V-förmigen und im Bereich des Anschlusses mit den Längslenkern einen U-förmigen Querschnitt aufweist, wobei die beiden Querschnittsformen allmählich ineinander übergehen.The rear axle is made up of two flexurally and torsionally rigid trailing arms on which the wheels are mounted, and a flexurally rigid but torsionally soft cross brace connecting the trailing arms, which is arranged between the connecting lines of the wheel axles and the bearing axles of the trailing arms and is connected to the trailing arms in a rigid manner by welding. An open profile is used for the cross brace, which has a V-shaped cross-section when its plane of symmetry is arranged horizontally between the trailing arms and a U-shaped cross-section in the area of the connection with the trailing arms, with the two cross-sectional shapes gradually merging into one another.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hinterachse für Kraftfahrzeuge mit biege- und torsionssteifen Längslenkern, an denen die Räder gelagert sind, und einer biegesteifen aber torsionsweichen Querstrebe mit V- förmigem Querschnitt, die mit den beiden Längslenkern durch Schweißen winkelsteif verbunden ist, wobei die Längslenker kastenförmigen Querschnitt mit waagerecht angeordneter Ober- und Unterkante aufweisen und die Querstrebe derart in den Hinterachsverband eingebaut ist, daß die Symmetrieebene ihres Querschnittes im wesentlichen waagerecht angeordnet ist. Eine derartige Hinterachse ist aus der DE-AS 27 35 939 bekannt.The invention relates to a rear axle for motor vehicles with bending and torsion-resistant longitudinal control arms on which the wheels are mounted, and a bending-resistant but torsion-soft cross strut with a V-shaped cross section, which is connected to the two longitudinal control arms by welding in an angle-rigid manner, whereby the longitudinal control arms have a box-shaped cross section with horizontally arranged upper and lower edges and the cross strut is installed in the rear axle assembly in such a way that the plane of symmetry of its cross section is arranged essentially horizontally. Such a rear axle is known from DE-AS 27 35 939.
Eine ähnliche Hinterachse ist beispielsweise durch die DE-PS 24 30 048 bekannt, bei der allerdings zum Unterschied zu der eingangs beschriebenen Hinterachse die die beiden Längslenker verbindende, ein Querschnitt ebenfalls V-förmige Querstrebe mit im wesentlichen in senkrechter Lage angeordneter Symmetrieebene in den Hinterachsverband eingebaut ist.A similar rear axle is known, for example, from DE-PS 24 30 048, in which, however, in contrast to the rear axle described at the beginning, the cross strut connecting the two trailing arms, which also has a V-shaped cross section and with a plane of symmetry arranged essentially in a vertical position, is built into the rear axle assembly.
Zur Erzielung ausreichender Torsions- und Biegesteifigkeit sind bei Hinterachsen dieser Bauart die Längslenker vorzugsweise als Kastenprofil ausgebildet. Andererseits führt die Forderung nach ausreichender Torsionsweichheit bei gleichzeitiger Biegesteifigkeit für die die Längslenker verbindende Querstrebe zur Verwendung eines offenen Profils. Zu diesem Zweck ist es bekannt, die Querstrebe als U-, Winkel-, V- oder Z-Profil auszubilden.In order to achieve sufficient torsional and bending stiffness, the trailing arms on rear axles of this type are preferably designed as box profiles. On the other hand, the requirement for sufficient torsional flexibility and simultaneous bending stiffness for the cross strut connecting the trailing arms leads to the use of an open profile. For this purpose, it is known to design the cross strut as a U-, angle, V- or Z-profile.
Die Querstrebe ist dabei so zu bemessen, daß die auf sie in zwei Ebenen wirksam werdenden maximalen Biegemomente einwandfrei aufgenommen werden. Diese Biegemomente rühren in der senkrechten Querstrebe von den zur Längslenkerachse exzentrisch angreifenden Radaufstandskräften und in der horizontalen Ebene von den bei Kurvenfahrt auftretenden Seitenkräften her.The cross brace must be dimensioned in such a way that it can easily absorb the maximum bending moments acting on it in two planes. In the vertical cross brace, these bending moments arise from the wheel contact forces acting eccentrically on the trailing arm axis and in the horizontal plane from the lateral forces occurring when cornering.
Auf der anderen Seite besitzen die offenen Profile ausreichende Torsionsweichheit, damit das unabhängige Ein- und Ausfedern der beiden Räder nicht über Gebühr beeinträchtigt ist. Der dabei auftretende Verdrehwiderstand kann jedoch in vorteilhafter Weise gleichzeitig als stabilisierender Effekt genutzt werden, wobei in vielen Fällen auf den Einbau eines zusätzlichen Querstabilisators ganz verzichtet werden kann.On the other hand, the open profiles have sufficient torsional flexibility so that the independent compression and rebound of the two wheels is not unduly impaired. However, the resulting torsional resistance can also be used advantageously as a stabilizing effect, whereby in many cases the installation of an additional anti-roll bar can be dispensed with altogether.
Die für die Querstrebe dieser Hinterachse aus den oben erwähnten Gründen ausschließlich in Frage kommenden offenen Profile zeigen jedoch bei Verdrehung eine mehr oder weniger starke Tendenz zur Querschnittsverwölbung, d. h., ihre freien Schenkel verschieben sich gegeneinander oder falls sie durch die besondere Art der Anschlußverbindung daran gehindert sind, werden durch diese Verformungsverhinderung entsprechend hohe Spannungsspitzen in den Anschlußstellen zu den Längslenkern erzeugt. Aufgrund der besonderen Eigenschaften der offenen Profile wird die Verbindung zwischen der Querstrebe und den torsions- und biegesteifen Längslenkern besonders problematisch, da die Gefahr von Anrissen infolge lokaler Überschreitung der zulässigen Spannungswerte entsprechend groß ist.However, the open profiles, which are the only ones that can be used for the cross-member of this rear axle for the reasons mentioned above, show a more or less strong tendency towards cross-sectional warping when twisted, i.e. their free legs move against each other or, if they are prevented from doing so by the special type of connection, this prevention of deformation creates correspondingly high stress peaks in the connection points to the trailing arms. Due to the special properties of the open profiles, the connection between the cross-member and the torsionally and flexurally rigid trailing arms is particularly problematic, as the risk of cracks as a result of locally exceeding the permissible stress values is correspondingly high.
Um die Spannungsspitzen an den Verbindungsstellen der Querstrebe mit den Längslenkern in Grenzen zu halten, ist es bekannt, für die Querstrebe ein bekanntermaßen verwölbungsarmes V-Profil zu wählen (DE-PS 24 30 048). In dem Maße wie die gegenseitige Verschiebung der freien Schenkel dieses Profils im Vergleich zu einem anderen offenen Profil geringer ist, werden auch die Spannungen an den Verbindungsstellen mit den Längslenkern geringer sein. Andererseits haftet diesem Profil jedoch der Nachteil an, daß es aufgrund seiner geometrischen Form für den Anschluß an die Längslenker nicht günstig ist und daher trotz der an sich geringen Wölbspannungen des V-Profils - Festigkeitsprobleme an den Verbindungsstellen auftreten.In order to keep the stress peaks at the connection points of the cross strut with the trailing arms within limits, it is known to choose a V-profile for the cross strut, which is known to have low warping (DE-PS 24 30 048). To the extent that the mutual displacement of the free legs of this profile is smaller compared to another open profile, the stresses at the connection points with the trailing arms will also be lower. On the other hand, however, this profile has the disadvantage that, due to its geometric shape, it is not suitable for connection to the trailing arms and therefore, despite the inherently low warping stresses of the V-profile, strength problems arise at the connection points.
Durch Einschweißen von weiteren Bauteilen, beispielsweise von speziell geformten Knoten- und Verstärkungsteilen bzw. durch Querschnittsveränderung in Form einer Sicke, hat man versucht, die Spannungsspitzen abzubauen und die Kräfte auf eine größere Übertragungsfläche bzw. günstiger angeordnete Schweißnähte zu verteilen.By welding in additional components, for example specially shaped nodes and reinforcement parts or by changing the cross-section in the form of a bead, attempts have been made to reduce the stress peaks and distribute the forces over a larger transmission area or more favorably arranged weld seams.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Querstrebe so auszubilden bzw. ein solches Profil zu verwenden, das einesteils möglichst verwölbungsarm und das andererseits besonders günstig für den Anschluß an die Längslenker, insbesondere im Hinblick auf die Aufnahme und Übertragung der bei Verdrehung der Querstrebe auftretenden Schub- und Normalkräfte ist.The invention has the task of designing the cross brace in such a way or to create such a profile which, on the one hand, is as warp-free as possible and, on the other hand, is particularly suitable for the connection to the trailing arms, in particular with regard to the absorption and transmission of the shear and normal forces occurring when the cross member is twisted.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der V-förmige Querschnitt der Querstrebe unter Beibehaltung der waagerechten Lage der Symmetrieebene seines Querschnittes für den Anschluß an die Längslenker an beiden Endabschnitten der Querstrebe unter allmählichem Übergang in einen U-förmigen Querschnitt übergeführt ist.To achieve this object, it is proposed according to the invention that the V-shaped cross section of the cross strut is converted into a U-shaped cross section with a gradual transition while maintaining the horizontal position of the plane of symmetry of its cross section for the connection to the longitudinal control arms at both end sections of the cross strut.
Mit der besonderen Gestaltung der Querstrebe wird erreicht, daß einesteils die aufgrund der geringen Verwölbungsneigung des V-Profils an sich schon geringen Verwölbungsverschiebungen in der Übergangszone der beiden Profile weiter abgebaut werden und daß andererseits die an den Verbindungsstellen zu den Längslenkern wirksam werdenden Verwölbungskräfte unter weitgehender Vermeidung von unzulässig hohen Spannungswerten in die Längslenker übertragen bzw. von diesen aufgenommen werden.The special design of the cross strut ensures that, on the one hand, the already low warping displacements in the transition zone between the two profiles due to the low warping tendency of the V-profile are further reduced and, on the other hand, that the warping forces acting at the connection points to the trailing arms are transferred to or absorbed by the trailing arms while largely avoiding unacceptably high stress values.
Versuche haben dies bestätigt, indem bei Beanspruchung der Achse auf Torsion gegenüber einem durchgehenden V- oder U-Profil eine bedeutende Steigerung der Dauerhaltbarkeit bzw. der ertragenen Schwingspiele bis zum ersten Anriß einer Schweißnaht festgestellt werden konnte. Als weiterer Vorteil der Überführung des V-Profils in ein U-Profil im Bereich der Anschlußstellen kommt hinzu, daß sich der Anschluß der Querstrebe an die Längslenker mit einem U-Profil rein geometrisch einfacher und weniger aufwendig durchführen läßt, als mit einem V-Profil.Tests have confirmed this, as when the axle is subjected to torsion, a significant increase in the durability or the number of cycles tolerated until the first crack in a weld seam was found compared to a continuous V- or U-profile. A further advantage of converting the V-profile into a U-profile in the area of the connection points is that the connection of the cross strut to the longitudinal control arms is geometrically simpler and less complex with a U-profile than with a V-profile.
Um vollen Nutzen aus der Verwendung eines wölbarmen V-Profils zu ziehen, wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, daß der Übergangsbereich zwischen dem als V-Profil ausgebildeten mittleren Abschnitt und den als U-Profil ausgebildeten äußeren Abschnitten der Querstrebe unmittelbar neben der Anschlußstelle mit den Längslenkern vorgesehen ist.In order to take full advantage of the use of a low-warp V-profile, a further feature of the invention proposes that the transition region between the middle section designed as a V-profile and the outer sections of the cross strut designed as a U-profile is provided immediately next to the connection point with the longitudinal control arms.
Zur Gestaltung der Profile wird im einzelnen ferner vorgeschlagen, daß der Stegteil des U-Profils etwa kreisbogenförmig ausgebildet ist und daß das U-Profil im Bereich einer Übergangszone knickfrei in das V-Profil überführt ist. Im Bereich der Übergangszone werden Spannungen aufgrund der Verwölbungsverschiebungen in den Schenkeln des Profils abgebaut.In terms of the design of the profiles, it is also proposed that the web part of the U-profile be shaped like an arc of a circle and that the U-profile be transferred into the V-profile without kinks in the area of a transition zone. In the area of the transition zone, stresses due to warping shifts in the legs of the profile are reduced.
Unter Beibehaltung des Schenkelabstandes des U-Profils an den äußeren Abschnitten der Querstrebe wird zwecks Erhaltung ausreichender Biegesteifigkeit in der Symmetrieebene für das V-Profil vorgeschlagen, daß die Schenkel des V-Profils an ihren Endabschnitten derart zueinander abgebogen sind, daß diese annähernd parallel zueinander stehen. Durch diese an sich bekannte Abknickung wird nicht nur das Widerstandsmoment gegen Biegung vergrößert, sondern auch die Bauhöhe verringert und eine erhebliche Versteifung gegen Ausknicken der Schenkel bei starker Verdrehung erzielt.While maintaining the distance between the legs of the U-profile on the outer sections of the cross brace, in order to maintain sufficient bending stiffness in the plane of symmetry for the V-profile, it is proposed that the legs of the V-profile be bent towards each other at their end sections so that they are almost parallel to each other. This bending, which is known per se, not only increases the moment of resistance to bending, but also reduces the overall height and achieves considerable stiffening against buckling of the legs under strong twisting.
Schließlich wird vorgeschlagen, daß die als Kastenprofil ausgebildeten Längslenker die als U-Profil ausgebildeten Endabschnitte der Querstege umschließen und daß die Querstrebe die Längslenker in bekannter Weise auf deren gesamter Breite durchdringt. Zweckmäßig liegen dabei die Schenkel des U-Profils gegen die Innenwandung der Längslenker beidseitig auf großer Fläche an, so daß die Möglichkeit einer langen Schweißnaht entlang des Randes einer Aussparung im Längslenker ergibt.Finally, it is proposed that the box-section trailing arms enclose the end sections of the crossbars, which are U-sections, and that the crossbar penetrates the trailing arms in a known manner across their entire width. It is practical for the legs of the U-section to rest against the inner wall of the trailing arms on both sides over a large area, so that it is possible to have a long weld seam along the edge of a recess in the trailing arm.
Die zweckmäßigen Weiterbildungen nach den Ansprüchen 5 und 6 stellen an sich bekannte Maßnahmen dar.The expedient further developments according to claims 5 and 6 represent measures known per se.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigtAn embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below. It shows
Fig. 1 eine Draufsicht auf die linke Hälfte einer erfindungsgemäßen Hinterachse, und die Fig. 1 is a plan view of the left half of a rear axle according to the invention, and
Fig. 2 bis 4 Schnitte entsprechend den Linien II-II, III-III und IV-IV. Fig. 2 to 4 sections according to lines II-II, III-III and IV-IV.
Die erfindungsgemäße Hinterachse besteht im wesentlichen aus zwei Längslenkern 10, die an ihrem vorderen Ende mit je einem Lagerauge 11 am nicht dargestellten Fahrzeugaufbau elastisch angelenkt sind und die an ihrem rückwärtigen Ende mittels eines an einem Radträger 12 befestigten Radbolzens 13 die Hinterräder 15 tragen, und einer die beiden Längslenker verbindenden Querstrebe 14. Am Hinterrad 15 sind der Reifen mit 16, die Radfelge mit 17 und die Bremstrommel, an der das Rad 15 mittels der Radmuttern 18 befestigt ist, mit 19 bezeichnet. Für den Anschluß eines Teleskopstoßdämpfers weist der Radträger 12 einen Fortsatz 20 auf.The rear axle according to the invention consists essentially of two trailing arms 10 , which are elastically connected at their front end to a bearing eye 11 on the vehicle body (not shown) and which carry the rear wheels 15 at their rear end by means of a wheel bolt 13 fastened to a wheel carrier 12 , and a cross strut 14 connecting the two trailing arms. On the rear wheel 15 , the tire is designated 16 , the wheel rim 17 and the brake drum, to which the wheel 15 is fastened by means of the wheel nuts 18 , is designated 19. The wheel carrier 12 has an extension 20 for connecting a telescopic shock absorber.
Der Längslenker 10 ist zur Erzielung einer hohen Torsions- und Biegesteifigkeit als Kastenprofil ausgebildet mit einer oberen und einer unteren im Querschnitt U-förmigen Halbschale 21 und 22, die entlang ihrer Flansche 23 und 24durch Punktschweißen (Schweißpunkte 25) miteinander verbunden sind.In order to achieve high torsional and bending stiffness, the trailing arm 10 is designed as a box profile with an upper and a lower half shell 21 and 22 which are U-shaped in cross section and which are connected to one another along their flanges 23 and 24 by spot welding (welding points 25 ).
Zur Abfederung des Wagenaufbaus dient die Schraubenfeder (nicht dargestellt), die sich gegen die Längslenker 10 über den Federsitz 26 abstützt.The coil spring (not shown) serves to cushion the vehicle body, which is supported against the trailing arms 10 via the spring seat 26 .
Die die Längslenker 10 verbindende Querstrebe 14 ist zwischen der Lagerachse der Längslenker 10 und der Verbindungslinie der Radachsen angeordnet. Sie weist im Bereich zwischen den Längslenkern 10 einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt auf und ist so angeordnet, daß ihre Schenkel 14 a und 14 b um die gleichen Winkel schräg nach vorn unten bzw. schräg nach vorn oben gerichtet sind (Fig. 2). Die Enden der Schenkel sind symmetrisch in eine etwa parallele Lage abgebogen.The cross strut 14 connecting the trailing arms 10 is arranged between the bearing axis of the trailing arms 10 and the connecting line of the wheel axles. In the area between the trailing arms 10, it has a substantially V-shaped cross section and is arranged in such a way that its legs 14 a and 14 b are directed obliquely downwards and upwards at the same angle ( Fig. 2). The ends of the legs are bent symmetrically into an approximately parallel position.
Im Bereich einer Übergangszone 27 ist das V-Profil der Querstrebe in ein U-Profil überführt, wobei die Verbindung zwischen den parallelen Schenkeln 14 a&min; und 14 b&min; durch einen halbkreisbogenförmigen Stegteil 14 c&min; hergestellt ist.In the area of a transition zone 27, the V-profile of the cross strut is converted into a U-profile, whereby the connection between the parallel legs 14 a' and 14 b' is made by a semicircular web part 14 c' .
Die Querstrebe 14 tritt mit ihren als U-Profil ausgebildeten Endabschnitten 28 in eine entsprechende seitliche Öffnung des Längslenkers 10 ein und durchsetzt den Längslenker bis an dessen äußeren Flansche 23. Der Längslenker 10 weist im Bereich der Verbindungsstelle mit der Querstrebe 14 einen nach innen gerichteten keilförmigen Vorsprung 29 auf, der mit seiner Spitze auf die Scheitellinie des U-Profils 28 trifft. Mit der dadurch bedingten Verbreiterung des Längslenkers 10 wird eine breite Basis für die Verbindung mit der Querstrebe 14 geschaffen, insbesondere ergibt sich eine über den Scheitelpunkt der Querstrebe 14 verlaufende sehr lange und damit günstige Schweißnaht 30, die im Punkt 31 nur kurz unterbrochen ist.The cross strut 14 enters with its end sections 28 designed as a U-profile into a corresponding lateral opening of the trailing arm 10 and penetrates the trailing arm up to its outer flanges 23 . In the area of the connection point with the cross strut 14 , the trailing arm 10 has an inwardly directed wedge-shaped projection 29 , the tip of which meets the apex line of the U-profile 28. The resulting widening of the trailing arm 10 creates a broad base for the connection to the cross strut 14 , in particular a very long and therefore advantageous weld seam 30 is created which runs over the apex of the cross strut 14 and is only briefly interrupted at point 31 .
Der Abstand der beiden Schenkel 14 a&min; und 14 b&min; des U-förmigen Profils 28 der Querstrebe 14 ist so gewählt, daß die Schenkel satt auf der Innenseite der jeweiligen Längslenker-Halbschalen 21 und 22 anliegen. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, zusätzlich zur Schweißnaht 30 weitere Schweißnähte entlang den Rändern von Durchbrüchen auf der Ober- und Unterseite des Längslenkers 10 vorsehen zu können. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Längslenker 10 kreisrunde Aussparungen 31 a und 31 b auf, bei denen unter Hochstellung des Lochrandes Ringsicken 32 a und 32 b gebildet sind. Entlang des Lochrandes sind die Schenkel des an dieser Stelle U-förmigen Querstrebenprofils mit der oberen und unteren Halbschale des Längslenkers 10 durch Schweißen verbunden. Die Schweißnähte sind mit 33 a und 33 b bezeichnet. Durch diese Ringsicken wird einesteils einem Verzug durch Schweißspannungen vorgebeugt und andererseits der Schweißverbindung in vorteilhafter Weise eine gewisse Elastizität verliehen.The distance between the two legs 14 a' and 14 b' of the U-shaped profile 28 of the cross strut 14 is selected so that the legs lie snugly on the inside of the respective trailing arm half shells 21 and 22. This makes it possible to create additional welds along the edges of openings on the top and bottom of the trailing arm in addition to the weld 30 . 10. In this embodiment, the trailing arm 10 has circular recesses 31 a and 31 b , in which ring beads 32 a and 32 b are formed when the hole edge is raised. Along the hole edge, the legs of the cross strut profile, which is U-shaped at this point, are connected to the upper and lower half shells of the trailing arm 10 by welding. The weld seams are designated 33 a and 33 b . These ring beads prevent distortion due to welding stresses and advantageously give the welded connection a certain elasticity.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Hinterachse besteht darin, daß die in den Verbindungsstellen der Querstrebe 14 mit den Längslenkern 21, 22 bei einer Verdrehung der Querstrebe 14 aufgrund unterschiedlicher Ein- und Ausfederung der Räder 15 auftretenden Verwölbungskräfte einesteils reduziert sind und andererseits diese Kräfte in den Längslenkern sehr gut aufgenommen werden mit dem Ergebnis einer beträchtlichen Steigerung der Wechselfestigkeit.The advantage of the rear axle according to the invention is that the warping forces occurring in the connection points of the cross strut 14 with the trailing arms 21, 22 when the cross strut 14 is twisted due to different compression and rebound of the wheels 15 are on the one hand reduced and on the other hand these forces are very well absorbed in the trailing arms with the result of a considerable increase in the fatigue strength.
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