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Die
Erfindung betrifft ein Verbindungselement für eine Kraftfahrzeugstruktur
sowie eine Fahrzeugstruktur, die ein solches Element umfasst.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere ein Verbindungselement für eine Kraftfahrzeugstruktur,
die von einem länglichen
Teil gebildet ist, der aus einem Zusammenbau von einerseits mindestens
einem metallischen länglichen
elementaren Element und andererseits mindestens einem länglichen
elementaren Element aus einem viskoelastischen Material besteht.
Es ist derart angeordnet, dass das Verbindungselement im Querschnitt
mindestens ein erstes und mindestens ein zweites Element aufweist,
die abwechselnd in mindestens zwei nicht parallele Richtungen gestapelt
sind.
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Im
Stand der Technik sind solche Elemente bereits bekannt.
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Die
Elemente, die „Spannstangen" genannt werden,
werden insbesondere dazu verwendet, um den Vibrationskomfort und
den akustischen Komfort der Fahrzeuge durch Dämpfung der Vibrationen zu verbessern.
Die Vibrationen des Motors und der Züge führen nämlich zu mechanischen Erregungen im
Wagenkasten des Fahrzeugs. Diese letztgenannten erregen globale
Schwingungsmodi des Wagenkastens bei den niedrigen Frequenzen. So
beeinflussen die mechanischen Erregungen des Wagenkastens stark
das Fahrverhalten und den Komfort des Fahrzeugs.
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Die
verwendeten Spannstangen zur Kontrolle der globalen Schwingungsmodi
sind im Bereich des Unterbaus des Fahrzeugs angeordnet. Sie verbinden
verschiedene Teile des Unterbaus, um das Fahrzeug zu versteifen
und die Vibrationen zu dämpfen.
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Eine
der Technologien besteht darin, Spannstangen mit Hilfe von metallischen
Materialien und Materialien, die einen viskoelastischen Charakter
haben, herzustellen. Das viskoelastische Material besitzt die Besonderheit,
sich unter der Wirkung von Belastungen, die ihm die Struktur vorgibt,
zu verformen. Es ermöglicht
die Umwandlung der Vibrationsenergie in Wärme. So haben die viskoelastischen Materialien
den Vorteil, dass sie die globalen Schwingungsmodi des Wagenkastens
durch Dämpfung
kontrollieren.
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Ein
solches Element nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus dem
Dokument
EP 1 209 062 bekannt.
In diesem Dokument ist das Verbindungselement von einem Rohr gebildet,
das in einen Zylinder eingesetzt ist. Das Rohr und der Zylinder sind
jeweils mit einem Teil des Fahrzeugunterbaus verbunden. Das Rohr
und der Zylinder sind durch ein viskoelastisches Material gekoppelt,
um ihre Verschiebung zu kontrollieren.
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Unter
den anderen bekannten Elementen sind Spannstangen zu nennen, die
von einer abwechselnden Stapelung von Bändern 1 aus metallischen
Materialien (Stahl ...) und Bändern 2 aus
viskoelastischen Materialien gebildet sind, wie in 1 dargestellt.
Diese Elemente ermöglichen
die Ableitung der Vibrationsenergie dank einer Scherbeanspruchung
des Bandes 2 aus viskoelastischem Material, das zwischen
zwei Stahlbändern 1 angeordnet ist.
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Allerdings
dieser Spannstangentyp hat große
Nachteile. Bei einer starken Spannungen kann nämlich das viskoelastische Material 2 reißen oder sich
von den metallischen Bändern 1 lösen und
zum Bruch des Spannstange führen,
wie in 1 dargestellt. Um diese Art der Beeinträchtigung
zu vermeiden, sind die aktuellen Spannstangen oft überdimensioniert.
Dieser Spannstangentyp kann somit 1 bis 3 Kilogramm wiegen.
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Andererseits
werden die Spannstangen, die den vorher beschriebenen entsprechen,
für einen Fahrzeugtyp
ent wickelt. So muss für
jedes neue Fahrzeug die Ausführung
der Spannstangen völlig neu überdacht
werden. Die Geometrie und die Wahl der Materialien der Spannstange
sind nämlich
jedem Fahrzeug eigen.
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Schließlich ist
das Herstellungsverfahren einer solchen Spannstange komplex und
kostspielig. Es erfordert das Ziehen und dann das Bearbeiten der metallischen
Teile 1. Das viskoelastische Material 2 wird dann
durch eine Vernetzung, die direkt auf den metallischen Teilen 1 ausgeführt wird,
oder auch der Kleben auf diese Teile 1 befestigt. Die Zusammenfügung der
metallischen Teile 1 und des viskoelastischen Materials 2 wird
dann durch eine Bolzenverbindung gefestigt. Das für die Herstellung
erforderliche Werkzeug ist dann jedem Spannstangentyp und somit
jedem Fahrzeugtyp eigen.
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Das
Dokument
DE 100 40 673 beschreibt weitere
Spannstangentypen, die von festen Kabeln gebildet sind, die verschiedene
Teile des Unterbaus des Fahrzeugs verbinden. Dieser Kabeltyp ermöglicht es,
die Struktur des Fahrzeugs zu versteifen.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung aller oder eines
Teils der Nachteile des vorher angeführten Standes der Technik.
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Zu
diesem Zweck ist das Verbindungselement für eine Kraftfahrzeugstruktur
gemäß der Erfindung,
das überdies
der generischen Definition, die der oben angeführte Oberbegriff beschreibt,
entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die elementaren Elemente
jeweils die Form von im Wesentlichen zylindrischen Drähten haben
und verschlungen sind, um ein Kabelgeflecht zu bilden.
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Überdies
kann die Erfindung eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:
- – in
eine Richtung senkrecht auf die Längsachse des Elements grenzen
ein oder mehrere Elemente aus viskoelastischem Material an ein oder
mehrere metallische Elemente an,
- – mindestens
ein erstes und ein zweites Element sind derart zusammengebaut, dass
im Querschnitt das Element mindestens ein erstes elementares Element
aufweist, das an mindestens zwei weitere elementare Elemente angrenzt,
von denen mindestens eines von unterschiedlicher Natur zum ersten
Element ist,
- – das
Element ist zu weniger als einem Drittel von elementaren Elementen
aus viskoelastischem Material gebildet,
- – das
Element umfasst zwischen einem Drittel und zwei Drittel elementare
Elemente aus viskoelastischem Material,
- – das
Verbindungselement ist von einem Mantel aus einem kautschukartigen
Material umgeben.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist, eine Fahrzeugstruktur vorzuschlagen,
die ein solches Verbindungselement umfasst.
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Zu
diesem Zweck umfasst die Fahrzeugstruktur einen Unterbau, umfassend
zwei Längsträger, Querstreben,
die dazu dienen, die Längsträger und
die Gabeldeichseln, die in der Verlängerung der Längsträger montiert
sind, zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner mindestens
ein Verbindungselement umfasst, wobei das oder die Verbindungselemente
derart angeordnet sind, dass sie einen Längsträger mit einem weiteren Teil
des Unterbaus verbinden.
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Überdies
kann die Erfindung eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:
- – sie
umfasst ein oder mehrere Verbindungselemente, die einen Längsträger mit
einem Stück verbinden,
das sich an den Längsträger angrenzend
befindet, wie beispielsweise eine Gabeldeichsel;
- – das
oder die Verbindungselemente sind derart angeordnet, dass sie einen
ersten Längsträger mit
dem zweiten Längsträger verbinden,
- – die
Fahrzeugstruktur umfasst einen Boden, der auf den Längsträgern liegt,
und einen Tunnel, der sich in der Mitte des Bodens befindet, wobei
mindestens ein erstes Verbindungselement derart angeordnet ist,
dass es einen ersten Längsträger mit einem
ersten Strukturzwischenstück
verbindet, das sich zwischen den Längsträgern befindet, und dass mindestens
ein zweites Verbindungselement derart angeordnet ist, dass es ein
zweites Strukturzwischenstück
mit dem zweiten Längsträger verbindet;
- – mindestens
zwei Verbindungselemente sind derart angeordnet, dass ein erster
Längsträger mit
einem Strukturzwischenstück,
wie beispielsweise einem Tunnel, verbunden wird, und dass mindestens
zwei zusätzliche
Verbindungselemente derart angeordnet sind, dass dieses selbe Stück mit dem
zweiten Längsträger verbunden wird,
so dass die vier Verbindungselemente ein Kreuz beschreiben;
- – mindestens
ein erstes Verbindungselement ist derart angeordnet, dass eine erste
Querstrebe mit einem ersten Längsträger verbunden
wird, und mindestens ein zweites Verbindungselement ist derart angeordnet,
dass die erste Querstrebe mit einem zweiten Längsträger verbunden wird, so dass
die beiden Verbindungselemente ein V beschreiben.
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Weitere
Besonderheiten und Vorteile gehen aus der Studie der nachfolgenden
Beschreibung hervor, die sich auf die Figuren bezieht, wobei:
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1 eine
schematische Querschnittansicht eines Verbindungselements nach dem
Stand der Technik darstellt,
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2 eine
schematische Ansicht eines Verbindungselements nach einer Ausführungsart
der Erfindung darstellt,
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3 zwei
schematische Querschnittansichten des Verbindungselements aus 2 nach den
Linien AA bzw. BB darstellt,
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4 eine
schematische Seitenansicht des Verbindungselements aus 2,
das Zugbeanspruchungen ausgesetzt ist, darstellt,
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5 eine
Unteransicht eines Fahrzeugunterbaus, wie in 2 dargestellt,
nach einer ersten Ausführung
darstellt,
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6 eine
perspektivische Ansicht eines stilisierten Fahrzeugs darstellt,
in dem Verbindungselemente installiert wurden, wie in 2 nach
einer zweiten Ausführung
dargestellt.
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Die 2 und 3 stellen
eine Spannstange oder ein Kabel 8 dar, das dazu bestimmt
ist, zwei teile eines Kraftfahrzeugunterbaus zu verbinden. Das Kabel 8 besteht
aus Drähten 1, 2,
die im Wesentlichen zylindrische Formen aufweisen.
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Die
Drähte 1, 2 sind
verschlungen, um ein Kabelgeflecht 8 zu bilden. Dieses
Kabel 8 besitzt Drähte 1, 2 unterschiedlicher
Natur: ein Teil der Drähte 1 ist
aus metallischem Material, beispielsweise aus Stahl, der andere
Teil 2 ist aus viskoelastischem Material, beispielsweise
aus SMACTANE, einem Material, das von der Firma SMAC vertrieben
wird. Dieses Material wurde auf Grund seiner guten Stoß- und Vibrationsabsorptionsfähigkeit
in einem breiten Frequenzband ausgewählt.
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Das
viskoelastische Material kann vorzugsweise zu Drähten verarbeitet werden. Andererseits muss
es vorzugsweise ein relativ geringes Schermodul im Vergleich mit
dem Stahl besitzen, um eine optimale Arbeit dieses Materials unter
den von den Metalldrähten 1 auferlegten
Spannungen zu ermöglichen.
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Die
Anzahl von Drähten 1, 2,
aus denen das Kabel 8 besteht, beträgt zwischen 2 und 10 und vorzugsweise
zwischen 4 und 6. Die Zusammensetzung dieses Kabels 8 umfasst
immer mindestens einen Draht 1, 2 von unterschiedlicher
Natur zu dem oder den anderen Drähten 1, 2.
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Wenn
das Kabel 8 zwei Drähte
umfasst, kann der Draht 2 aus viskoelastischem Material
um den Metalldraht 1 gewickelt werden oder umgekehrt.
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Wenn
das Kabel mindestens drei Drähte
umfasst, besitzt in einem Querschnitt des Kabels 8 mindestens
ein Draht 1, 2 an ihn angrenzend, d.h. in seiner
unmittelbaren Nachbarschaft, zwei getrennte Drähte 1, 2,
von denen mindestens einer von unterschiedlicher Natur zum ersten
betreffenden Draht 1, 2 ist.
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Die
direkte Nachbarschaft bezeichnet die nächsten Drähte 1, 2 zum
ersten betreffenden Draht 1, 2. So ist jeder Draht 1, 2 mindestens
in direktem Kontakt mit einem weiteren Draht 1, 2,
oder von diesem durch ein Material getrennt, das zum Füllen der Zwischenräume 9 dient.
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So
umfasst das Kabel mindestens vier Drähte, wobei verschiedene Zusammensetzungsverhältnisse
möglich
sind:
- – weniger
als 33 % Drähte 2 aus
viskoelastischem Material zu mehr als 66 metallischen Drähten 1,
- – zwischen
33 % und 66 % Drähte 2 aus
viskoelastischem Material zu zwischen 66 % und 33 % Drähten aus
metallischem Material,
- – mehr
als 66 % Drähte 2 aus
viskoelastischem Material zu weniger als 33 % metallischen Drähten 1.
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Vorzugsweise
umfasst die Zusammensetzung des Kabels 8 50 % Drähte 2 aus
viskoelastischem Material und 50 % metallische Drähte 1.
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Es
ist in jedem Fall festzustellen, dass in einem Querschnitt des Kabels 8 die
metallischen Drähte 1, 2 und
die Drähte
aus viskoelastischem Material abwechselnd in mindestens zwei nicht
parallele Richtungen gestapelt sind.
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Das
Geflecht verändert
auch die Querverteilung der metallischen Drähte 1 und der Drähte 2 aus viskoelastischem
Material entlang des Kabels 8. Diese Situation ist in 3 dargestellt,
in der zwei Querschnitte (AA und BB) des Kabels 8 der 2 an
unterschiedlichen Stellen ausgeführt
sind.
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Eine
Vielzahl unterschiedlicher Anordnungen der Drähte 1, 2 unterschiedlicher
Natur kann vorgesehen werden.
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Wenn
somit eine Richtung senkrecht auf die Längsachse des Kabels 8 betrachtet
wird, können
n metallische Drähte 1 an
m Drähte 2 aus
viskoelastischem Material angrenzen; n und m stellen ganze Zahlen
dar, die größer oder
gleich 1 sind. Bei dieser Anordnung können n und m unterschiedliche
Werte haben.
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Innerhalb
eines selben Kabels 8 können
die metallischen Drähte 1 unterschiedliche
Durchmesser der Drähte 2 aus
viskoelastischem Material besitzen. Ebenso können Drähte 1, 2 derselben
Natur unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
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Bei
einer Variante sind in einem selben Kabel 8 mehrere metallische
Drähte 1 von
unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder mehrere Drähte 2 aus
viskoelastischem Material von unterschiedlicher Zusammensetzung
zu finden.
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Die
Kabeln 8, wie vorher beschrieben, können durch einen Mantel, der
aus einem kautschukartigen Material hergestellt ist, vor Korrosion
geschützt werden.
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4 stellt
schematisch den Einfluss der Zug- und/oder
Torsionsspannungen zwischen den Befestigungspunkten 10 der
Spannstange 8 dar. Die Drähte 2 aus viskoelastischem
Material werden durch die metallischen Drähte 1 gespannt, wobei
diese letztgenannten härter
und fester als die Drähte 2 aus
viskoelastischem Material sind. Das viskoelastische Material 2 wird
somit verformt und lokal unter der Wirkung der zwischen den Befestigungspunkten 10 angelegten
Belastungen abgeschert. Die Vibrationsenergie, die in den Zugstangen 8 vorhanden
ist, wird in Form von Wärmeenergie
abgeleitet.
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Das
erfindungsgemäße Kabel 8 weist
auch Dämpfungseigenschaften
auf, wenn es Torsionskräften
ausgesetzt ist; was mit den Elementen des Standes der Technik nicht
möglich
war, die keine zufrieden stellende Dämpfung gewährleisten können, wenn sie Torsionskräften ausgesetzt
sind. Diese letztgenannten arbeiten nämlich nur mit Zug.
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Die
erfindungsgemäßen Spannstangen 8 haben
den Vorteil, dass sie weniger zerbrechlich als die bestehenden Systeme
sind. Insbesondere besteht dank des Geflechts nicht die Gefahr,
dass die Spannstangen 8 brechen, wenn ein Teil des viskoelastischen
Materials nach einer starken Beanspruchung beeinträchtigt ist.
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Andererseits
können
die erfindungsgemäß hergestellten
Spannstangen 8 dank ihrer Form leicht zwischen ihren Befestigungspunkten 10 vorgespannt werden;
was bei den Spannstangen des Standes der Technik nicht der Fall
ist. Es ist nämlich
leicht zu verstehen, dass es kom plexer ist, Spannstangen vorzuspannen,
die aus Stapeln von Bändern 1, 2 bestehen,
wie in 1 dargestellt, als ein Kabelgeflecht 8. Diese
interessante Montagemethode hat den Vorteil, dass das Problem des
Knickens der Spannstangen 8 vermieden wird.
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Andererseits
ist es möglich,
ein selbes erfindungsgemäß hergestelltes
Kabel 8 mehrmals vorzuspannen, was bei den Elementen des
Standes der Technik nicht der Fall ist. Im Falle eines Knickens müssen diese
letztgenannten ausgetauscht werden.
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So
können
die Abmessungen und somit das Gewicht dieses Spannstangentyps 8 optimiert
werden. Da im Durchschnitt vier Spannstangen pro Fahrzeug verwendet
werden, kann eine starke Erleichterung, die bis zu mehreren Kilo
gehen kann, dank der Erfindung verwirklicht werden.
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Ferner
ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
des Kabels 8 einfach und kostengünstig. Es erfolgt ein einfaches
Flechten des oder der metallischen Drähte 1 und des oder
der Drähte 2 aus
viskoelastischem Material. Es können
Kilometer von geflochtenen Kabeln 8 hergestellt werden.
Sie werden dann nach der gewünschten
Abmessung der Spannstangen 8 abgeschnitten. Dieses einfache
und rasche Verfahren ist mit der Erzeugung in großer Serie
vereinbar.
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Ferner
kann die Entwicklung einer neuen Spannstange 8 für ein neues
Fahrzeug erfolgen, ohne das bestehende Industrieverfahren in Frage
zu stellen. So kann, auch wenn die Anzahl, der Durchmesser, das
Flechtmoment .... der Drähte 1, 2 in
Abhängigkeit
von den gewünschten
Eigenschaften (Steifigkeit, abzuleitende Vibrationsenergie) variieren,
dieselbe Flechtmaschine verwendet werden.
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5 stellt
einen Kraftfahrzeugunterbau dar, auf dem Spannstangen 8,
wie vorher beschrieben, montiert sind.
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Der
dargestellte Unterbau umfasst herkömmlicherweise Querstreben 5,
die dazu dienen, die beiden Längsträger 4 des
Fahrzeugs zu verbinden. Ein Boden 6 liegt auf den Längsträgern 4 auf. Ein
Tunnel 7 befindet sich in der Mitte des Bodens 6. Der
Tunnel 7 kann durch eine Verformung des Bodens 6 durch
Ziehen hergestellt werden oder von einem aufgesetzten Teil gebildet
sein, der unter dem Boden 6 angeordnet ist. Ferner sind
Gabeldeichseln 3 vorne und hinten am Fahrzeug in der Verlängerung der
Längsträger 4 angeordnet.
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Spannstangen 8 können zwischen
verschiedenen Teilen des Unterbaus angeordnet sein. Die Spannstangen 8 sind
im Allgemeinen durch Bolzen befestigt, um eine einfache Demontage
zu ermöglichen.
Die Verbindung zwischen den Spannstangen 8 und dem Unterbau
des Fahrzeugs muss möglichst steif
sein, um den Durchgang einer maximalen Kraft zu ermöglichen.
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Vorzugsweise
verbinden die Spannstangen 8 einen Längsträger 4 mit einem weiteren
Teil des Unterbaus.
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Beispielsweise
können
die Spannstangen 8 die beiden Längsträger 4 miteinander
verbinden oder auch einen Längsträger 4 und
einen an diesen Längsträger 4 angrenzenden
Teil, wie beispielsweise eine Gabeldeichsel 3, eine Querstrebe 5 oder
einen Teil des Bodens 6, verbinden.
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Die
Spannstangen 8, die auf dem Unterbau montiert sind, haben
im Allgemeinen eine Abmessung zwischen 50 und 200 Zentimetern und
vorzugsweise eine Länge
unter 100 Zentimetern.
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Mehrere
Spannstangen 8, die mehrere Teile des Unterbaus verbinden,
können
verwendet werden, um den Vibrationskomfort und den akustischen Komfort
eines Fahrzeugkastens zu verbessern.
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So
kann eine Spannstange 8 einen ersten Längsträger 4 mit einem Strukturzwischenstück verbinden,
das sich zwischen den beiden Längsträgern 4 befindet,
beispielsweise ein Teil des Bodens 6, ein Tunnel 7 ...
Diese Vorrichtung kann durch eine weitere Spannstange 8 ergänzt werden,
die ein weiteres Strukturzwischenstück, das sich zwischen den beiden
Längsträgern 4 befindet,
mit dem zweiten Längsträger 4 verbindet.
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Bei
einer besonderen Ausführung
werden vier Spannstangen verwendet; zwei Spannstangen 8 verbinden
einen ersten Längsträger 4 mit
dem Tunnel 7 und zwei weitere Spannstangen 8 verbinden den
Tunnel 7 mit dem zweiten Längsträger 4. Die vier Spannstangen
können
derart in Bezug zueinander angeordnet sein, dass sie ein Kreuz beschreiben.
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Nach
einer weiteren Ausführung,
die in 6 dargestellt ist, kann eine erste Spannstange 8 eine
erste Querstrebe 5, die sich hinten am Fahrzeug befindet,
mit einem ersten Längsträger 4 verbinden, und
eine zweite Spannstange 8 kann die erste Querstrebe 5 mit
dem zweiten Längsträger 4 verbinden.
In der Unteransicht des Unterbaus können diese beiden Spannstangen 8 im
Wesentlichen ein V beschreiben. Auf dieselbe Weise können zwei
zusätzliche Spannstangen
verwendet werden, um die beiden Längsträger 4 mit dem Motorkäfig 11 zu
verbinden.
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Es
wurde insbesondere festgestellt, dass es die Montage von vier Spannstangen 8,
die nach der vorher beschriebenen Ausführung auf einem Fahrzeugunterbau
des Typs Coupé-Cabriolet
befestigt sind, ermöglicht,
den ersten Torsionsmodus des Wagenkastens zu dämpfen, der bei 20 Hz–25 Hz mit
ungefähr
12 dB auftritt.
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Andererseits
kann bei der Ausführung
einer Fahrzeugstruktur beschlossen werden, die erfindungsgemäß herge stellten
Spannstangen mit rein metallischen Spannstangen zu kombinieren.
Diese Zusammensetzung ermöglicht
es insbesondere, eine zusätzliche
Steifigkeit für
den Unterbau zu bieten.
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Die
oben beschriebene Spannstange 8 kann auch bei einer Innenausrüstung des
Fahrzeugs verwendet werden, um die Verformungen der gewählten Ausrüstung zu
begrenzen und so den Komfort der Passagiere zu verbessern. So weist
die für
diese Anwendung verwendete Spannstange 8 im Querschnitt mindestens
einen metallischen Draht 1 und mindestens einen Draht 2 aus
viskoelastischem Material auf, die abwechselnd in mindestens zwei
nicht parallele Richtungen gestapelt sind.
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Die
Spannstange 8 kann somit auf dem Beschlag einer Rückenlehne
einer Sitzfläche
eines Fahrzeugs angeordnet sein. Eine solche Vorrichtung 8 ermöglicht es,
dem Sitz eine Steifigkeit zu verleihen und so seine Bewegungen zu
begrenzen, wenn große
Spannungen auf ihn einwirken. Die Spannstange 8 kann insbesondere
auf einem Beschlag einer Rückenlehne
verwendet werden, um verschiedene Teile, aus denen der Beschlag
besteht, zu verbinden.
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Wenn
beispielsweise ein Sitzbeschlag von parallelflacher Form betrachtet
wird, können
die vier Ecken dieses Beschlags mit Hilfe von zwei kreuzförmig angeordneten
Spannstangen 8 verbunden werden.