DE60222494T2 - Stabilisatorstab - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf verbesserte Stabilisierungsstangen, so z.B. Stabilisierungsstangen, die in Fahrzeugaufhängungen verwendet werden.
  • Konventionelle Stabilisierungsstangen umfassen einen Torsionsstab, der im Allgemeinen aus Stahl hergestellt ist und Verbindungspunkte an jedem Ende dieser Stange aufweist, an welchen die Stange an geeigneten Aufhängungskomponenten des Fahrzeugs angebracht ist.
  • Andersen U.S. Patent Nr. 4.138.141 beschreibt einen röhrenförmigen Aufhängungsstab, der an jedem Ende mit einem Anbringungsarm verbunden ist. Allerdings besteht gegenwärtig Bedarf nach einer verbesserten Stabilisierungsstange, die wenig Gewicht aufweist und korrosionsbeständig ist, und die mit einer minimalen Anzahl an Teilen angebracht werden kann.
  • Der nächstliegendste Stand der Technik, EP 391.222 offenbart einen Stabilisierer für Passagier- oder Frachtfahrzeuge, der aus einer Torsionsröhre aus mehreren Schichten aus Glasfaser-Bündeln besteht, die mit Epoxidharz/Epoxykunststoff verbunden sind. Die Endbereiche der Röhre weisen zusätzliche Schichten (1'') auf, die in einen Winkel zu den Hauptschichten gesetzt werden können, so dass sie als Verstärkungen (2) für die Einfügung in die Positionierungs- und Befestigungspunkte der Stabilisiererstützsarme dienen.
  • EP-A-0,439,197 offenbart ein faserverstärktes Verbundmaterial, das wenigstens eine Verbundmaterialschicht aufweist, in die verstärkende Fasern aus Harz-/Kunststoff-Material mit Zwangs/Begrenzungs-Typ-Schwingungsdämpfungsmaterial imprägniert sind, und wenigstens einer Verbundmaterialschicht, in die verstärkende Fasern in einem unterschiedlichen Material imprägniert sind.
  • GB-A-2,178,820 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Matrix-Materials mit darin eingebetteten Fasern. Faserlagen werden auf einen radial ausdehnbaren Kern aufgebracht und dann gedehnt. Im gedehnten Zustand wird ein Harz/Kunststoff angewendet und ausgehärtet.
  • ÜBERBLICK
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Stabilisierungsstange nach Anspruch 1 bereitgestellt.
  • Zusammenfassend beinhaltet die Stabilisierungsstange einen faserverstärkten Verbundstab. Jedes Ende des Stabs passt in eine Aussparung in einem jeweiligen Anbringungsarm, und die Arme sind an den Stabenden an den Aussparungen befestigt. Die Arme sind vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung hergestellt. Der Verbundstab umfasst eine faserverstärkte Kunststoffröhre.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Übersicht über die Stabilisierungsstange, die eine bevorzugte Ausführung dieser Erfindung umfasst.
  • 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts des eingekreisten Bereichs von 1.
  • 3 ist eine Draufsicht einer alternativen Verbundröhre, die für die Verwendung in der Stabilisierungsstange dieser Erfindung geeignet ist.
  • 4 ist ein schematisches Diagramm, das drei Schichten von Fasern in der Verbundstange von 1 und 2 illustriert.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER GEGENWÄRTIG BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Es wird sich nun den Zeichnungen gewidmet. 1 zeigt eine Übersichtsansicht einer Aufhängungsstange 10, die eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung umfasst.
  • Die Stabilisierungsstange 10 umfasst einen Verbundstab 12 und ein Paar von Armen 14. Jeder der Arme 14 ist an einem jeweiligen Ende des Verbundstabs 12 wie nachfolgend beschrieben gesichert. Die Stabilisierungsstange 10 ist an einem Fahrzeug durch ein Paar von Klemmen 16 an Position gehalten. Jede der Klemmen 16 umfasst ein jeweiliges Ende des Verbundsstabs 12 unmittelbar einwärts bezüglich eines jeweiligen der Arme 14. In Gebrauch sind die Enden der Arme 14, die von dem Stab 12 entfernt sind, an geeignete Aufhängungskomponenten (nicht gezeigt) gekoppelt, und die Klemmen 16 sind an das Fahrgestell des Fahrzeugs (nicht gezeigt) gekoppelt.
  • Der Verbundstab 12 umfasst ein erstes Ende 20 und ein zweites Ende 22. Hierbei ist beabsichtigt, dass der Begriff „Ende" in weitem Sinne sowohl das äußerste Ende also auch Abschnitte des Stabes 12, die an das äußerste Enden angrenzen, umfasst. Wie in 2 gezeigt ist der Stab 12 in dieser Ausführungsform röhrenförmig und umfasst eine innere Oberfläche 24. In diesem Beispiel ist der Stab 12 kreisförmig symmetrisch um eine Längenachse 26. Andere Geometrien sind möglich wie z.B. ein hexagonaler Querschnitt für die inneren und/oder äußeren Oberflächen des röhrenförmigen Stabes.
  • Die Arme 14 sind in diesem Beispiel identisch, und ein innerer Abschnitt von einem der Arme 14 ist in 2 im Querschnitt gezeigt. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst jeder Arm eine Aussparung 3. In diesem Beispiel ist die Aussparung 31 ringförmig und radial außerhalb eines zentralen Steckers 32 angeordnet. Das Ende 20 des Stabes 12 ist in der Aussparung 31 angeordnet und umgibt den Stecker 32. Der innerste Abschnitt des Arms 14 bildet eine Anlagefläche 38, die gestaltet wurde, um mit Klemme 16 in Kontakt zu stehen und dadurch die Stabilisierungsstange 10 axial in Bezug auf die Klemme 16 zu positionieren. Zu beachten ist, dass der Stab 12 einen kleineren äußeren Durchmesser aufweist als das innere Ende von Arm 14. Im Beispiel der 2 verhindert der Anlagekontakt zwischen der Anlagefläche 38 und der Klemme 16, dass sich die Stabilisierungsstange 10 nach links in Bezug auf Klemme 16 bewegt. Die andere Klemme 16 schränkt auf ähnliche Weise die Bewegung der Stabilisierungsstange 10 nach rechts ein. Wie in 2 gezeigt, umfasst jede Klemme 16 eine Hülse 40, die eine Drehverbindung mit dem Verbundstab 12 bildet und eine Drehung des Stabes 12 in Bezug auf die Klemme 16 erlaubt, wobei die Klemmen zusammen eine Translationsbewegung der Stabilisierungsstange 10 verhindern.
  • In diesem Beispiel umfasst jeder Arm 14 einen Bereich größeren Querschnitts 34, de sich näher am Stab 12 befindet, und einen Bereich kleineren Querschnitts 36, der sich weiter entfernt vom Stab 12 befindet (1). Diese verjüngte Anordnung für die Arme 14 reduziert das Gewicht und die Kosten der Arme 14, ohne diese übermäßig zu schwächen.
  • Es ist in keiner Ausführungsform von Bedeutung, dass der Stab 12 so gerade ist wie in 1 gezeigt. In Abhängigkeit von der Anwendung kann es von Vorzug sein, andere Konfigurationen für den Stab bereitzustellen wie beispielsweise in 3 gezeigt ist.
  • Um das Gewicht und die Kosten des Stabs 12 zu minimieren, ist es von Vorzug, die Fasern des Stabes 12 so auszurichten, dass die Torsions- und Biegelasten effizient auf den Stab 12 wirken. Insbesondere wirkt der Stab 12 als Torsionsstab in Richtung sowohl gegen als auch im Uhrzeigersinn, und daher ist es vorzuziehen, Fasern einzuschließen, die in einem Winkel zur Längsachse 26 (2) ausgerichtet sind. Auch wirken Biegekräfte auf den Stab 12 in der Nähe der Klemmen 16, und es wird bevorzugt, dass Fasern im Allgemeinen in einem Winkel parallel zur Längsachse 26 ausgerichtet sind, um diesen Biegelasten standzuhalten. In einem Beispiel ist der Stab 12 aus vielen Schichten aus im Wesentlichen unidirektionalen Fasern geformt. In einem Beispiel werden 32 separate Schichten auf eine Spindel gewalzt. Die Spindel ist mit einem Gleitmittel versehen, so dass die Spindel entfernt werden kann, nachdem der Stab geformt wurde. Jede der Schichten ist in diesem Beispiel aus im Wesentlichen unidirektionalen Kohlefasern hergestellt, die in einen Harz-/Kunststoffbinder eingebettet sind. Zum Beispiel kann jede Schicht eine Dicke von ca. 0,1524 mm (0,006 Zoll) mit einer Dichte von ca. 1,522 g/cm3 (0,055 lbs/zoll3) aufweisen. Geeignete imprägnierte Fasern können von Newport Carbon Fibers als Produktnummer NCT 301-1 G150 (34–700) erhalten werden. In diesem Beispiel wird der Harz-/Kunststoffbinder aus geeignetem Epoxid gebildet.
  • In diesem Beispiel werden die 32 separaten Schichten ausgerichtet wie in Tabelle 1 dargestellt. In Tabelle 1 ist Schicht 1 die radial innerste Schicht, und Schicht 32 ist die radial äußerste Schicht. Tabelle 1
    Schicht Nr. Faser-Winkel
    1, 3, 5, 7, 13, 15, 21, 23, 29, 31 +45°
    2, 4, 6, 8, 14, 16, 22, 24, 30, 32 –45°
    9-12, 17-20, 25-28 0°
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung von drei der Schichten 28, 29 und 30. Zu beachten ist, dass die Fasern von Schicht 28 in einen ersten Satz von Fasern eingeschlossen sind, die in einem Winkel von 0° in Bezug auf die Längsachse orientiert sind. In 4 sind diese ersten Fasern schematisch bei 50 angedeutet und der Harz-/Kunststoffbinder ist schematisch bei 56 angedeutet. In der nächsten Schicht (Schicht 29) sind Fasern 52 des zweiten Satzes in einem Winkel von +45° in Bezug auf die Längsachse orientiert, und in der nächsten Schicht (Schicht 30) sind die Fasern 54 des dritten Satzes in einem Winkel von –45° in Bezug auf die Längsachse orientiert. Die geeignet orientierten Faserschichten sind in der gewünschten Breite zugeschnitten, so dass sie ohne wesentliche Lücken oder Überlagerungen um die Spindel gerollt werden können (oder um eine vorher aufgerollte Faserschicht). In der herkömmlichen Art und Weise sind die Übergänge zwischen den Kanten der einzelnen Faserschichten in Umfangsrichtung um die Spindel versetzt Sobald die 32 Schichten um die Spindel gerollt worden sind, wird eine Schicht aus Cellophanband spiralförmig über die äußerste Schicht gewickelt, und die Anordnung wird dann in einem Ofen ausgebacken, um den Harz auszuhärten.
  • Es ist in keiner Ausführungsform von Bedeutung, dass die Fasern präzise bei 0°, +45° und –45° orientiert sind. In jedem Fall kann ein Toleranzband von +/– 15°, stärker bevorzugt von +/– 10°, oder am stärksten bevorzugt von +/– 5° um jede Richtung verwendet werden.
  • Auch ist es nicht wesentlich, dass alle Fasern wie oben beschrieben orientiert sind. Bevorzugt sind mehr als 50%, stärker bevorzugt mehr als 75% oder am stärksten bevorzugt mehr als 95% der Fasern in den oben beschriebenen bevorzugten Richtungen orientiert.
  • Viele Materialien können für den Verbundstab verwendet werden. Bevorzugt wird Kohlefaser wie oben beschrieben verwendet, allerdings können auch Fiberglas, Aramid-Faser und andere Fasern verwendet werden. Falls gewünscht, kann eine äußere Schicht von Aramid-Fasern verwendet werden, um den Stoßwiderstand zu verbessern. Ferner können viele Herstellungsverfahren verwendet werden, um den Verbundstab 12 einschließlich der Aufwalztechnik wie oben beschrieben, sowie Blasformungsprozesse und Filamentwicklungsprozesse zu verwenden.
  • Die Arme 14 können aus jedem geeigneten Material hergestellt werden.
  • Leichtmetalllegierungen wie Legierungen, die Aluminium, Magnesium und Titan enthalten, sind vorzuziehen, da sie das Gesamtgewicht der Stabilisierungsstange reduzieren. Die Querschnittsform der Arme kann zur Reduzierung des Gewichts optimiert werden, wie z.B. durch Verwendung eines ovalen oder I-Strahl-Querschnittsprofils, wenn geeignet. Die Arme können in jeder gewünschten Art und Weise geformt sein, wie etwa durch Gießen oder Schmieden. Wenn die Arme aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sind, kann die Legierung anodisiert werden, um galvanische Korrosion zwischen Aluminium und der Kohlefaser zu vermeiden.
  • Bevorzugt ist der Arm derart geformt, dass gestauchte Profile vermieden werden, so dass die Einfachheit der Herstellung verbessert wird.
  • Die Arme werden an den Stabenden durch Verwendung irgendeines geeigneten Verfahrens gehalten. Das derzeit bevorzugte Verfahren ist die Verwendung radialer Krimpplättchen, um den äußersten Abschnitts eines jeden Arms gegen das Rohr 12 oder den Stecker 32 zu deformieren oder zu krimpen. Der Stecker 32 unterstützt das Stabende gegen radiale Komprimierung während des Krimpvorgangs. Solches radiales Krimpen verwendet bevorzugt vielfache Krimppunkte, um ein Verrutschen an der Verbindung zu verringern oder zu verhindern. Der Stecker 32 kann integral mit dem Arm 14 geformt werden, wie in 2 gezeigt, oder kann alternativ als separates Element hergestellt werden. Auch kann der Stecker 32 mit kreisförmigen oder nicht-kreisförmigen (z.B. hexagonalen oder pentagonalen) Querschnittsformen vorgesehen werden. Bevorzugt stimmt die Querschnittsform des Steckers 32 mit der zentralen Öffnung von Rohr 12 überein. Andere Verfahren wie Klebung und/oder Pins können verwendet werden, um die Arme an dem Stab zu sichern. Falls gewünscht kann ein Dichtmaterial wie Silikon oder Klebstoff verwendet werden, um die Verbindung zwischen Arm und Stab zu kleben und abzudichten. Dies reduziert ein Durchsickern von Wasser und verbessert somit die Verbindung.
  • Die oben beschriebene Stabilisierungsstange bietet wichtige Vorteile. Sie ist ungewöhnlich leicht und korrosionsbeständig verglichen mit einer herkömmlichen Stabilisierungsstange aus Stahl, und die Konfiguration der Arme erlaubt es, die axiale Bewegung der Stabilisierungsstange in Bezug auf das Fahrzeug-Fahrgestell auf eine besonders einfache und preisgünstige Art und Weise zu steuern.
  • Die vorangegangene detaillierte Beschreibung hat nur einige wenige der vielen Formen beschrieben, die diese Erfindung annehmen kann. Diese detaillierte Beschreibung ist daher als eine Art Illustration beabsichtigt. Nur die folgenden Ansprüche sind dazu gedacht, den Umfang dieser Erfindung zu definieren.

Claims (14)

  1. Stabilisierungsstange (10), umfassend: einen faserverstärkten Verbundstab (12), umfassend eine Mehrzahl von Fasern, die in einen Harz-/Kunststoffbinder eingebettet sind, wobei der Stab ein erstes und ein zweites Stabende (20, 22) umfasst; einen ersten und einen zweiten Arm (14), wobei jeder Arm eine jeweilige Aussparung (31) umfasst, wobei jede Aussparung ein jeweiliges der Stabenden aufnimmt, wobei die Arme an den jeweiligen Aussparungen an den jeweiligen Stabenden gesichert sind; und eine erste und eine zweite Schelle (16), die wenigstens teilweise um das erste bzw. das zweite Stabende (20, 22) positioniert sind, wobei die erste und zweite Schelle (16) derart positioniert sind, dass sie am ersten bzw. zweiten Arm (14) anliegen, um die axiale Bewegung des Stabes bzgl. der Schellen zu begrenzen, wobei jede Schelle (16) eine Hülse (40) umfasst, die eine Drehverbindung mit dem Verbundstab (12) bildet und eine Rotation des Stabes relativ zur Schelle erlaubt.
  2. Stabilisierungsstange nach Anspruch 1, wobei der Verbundstab eine Längsachse umfasst, wobei die Fasern einen ersten (28), zweiten (29) und dritten (30) Satz von Fasern umfassen, wobei die Fasern des ersten Satzes (28) in einem Winkel von 0° +/– 15° in Bezug auf die Achse orientiert sind, wobei die Fasern des zweiten Satzes (29) in einem Winkel von 45° +/– 15° in Bezug auf die Achse orientiert sind, und wobei die Fasern des dritten Satzes (30) in einem Winkel von –45° +/– 15° in Bezug auf die Achse orientiert sind.
  3. Stabilisierungsstange nach Anspruch 1, wobei die Arme (14) eine Leichtmetalllegierung umfassen.
  4. Stabilisierungsstange nach Anspruch 1, wobei der Stab von röhrenförmiger Form ist.
  5. Stabilisierungsstange nach Anspruch 4, ferner umfassend einen ersten und zweiten Stecker (32), die innerhalb des ersten und zweiten Stabendes (20, 22) innerhalb der ersten bzw. zweiten Aussparung (31) positioniert sind.
  6. Stabilisierungsstange nach Anspruch 5, wobei der erste und zweite Stecker (32) integral mit dem ersten bzw. zweiten Arm (14) verbunden sind.
  7. Stabilisierungsstange nach Anspruch 5, wobei die Arme über die jeweiligen Stabenden (20, 22) gequetscht sind, um die Arme (14) an dem Stab (12) zu sichern.
  8. Stabilisierungsstange nach Anspruch 2, wobei die Fasern des ersten (28), zweiten (29) und dritten (30) Satzes mehr als 50% aller Fasern in dem Verbundstab (12) umfassen.
  9. Stabilisierungsstange nach Anspruch 2, wobei die Fasern des ersten (28), zweiten (29) und dritten (30) Satzes mehr als 75% aller Fasern in dem Verbundstab (12) umfassen.
  10. Stabilisierungsstange nach Anspruch 2, wobei die Fasern des ersten (28), zweiten (29) und dritten (30) Satzes mehr als 95% aller Fasern in dem Verbundstab (12) umfassen.
  11. Stabilisierungsstange nach Anspruch 1, wobei der Verbundstab (12) eine Längsachse umfasst, wobei die Fasern erste (28), zweite (29) und dritte (30) Sätze von Fasern umfassen, wobei die Fasern des ersten Satzes (28) in einem Winkel von 0° +/– 10° bzgl. der Achse orientiert sind, wobei die Fasern des zweiten Satzes (29) in einem Winkel von +45° +/– 10° bzgl. der Achse orientiert sind, und wobei die Fasern des dritten Satzes (30) in einem Winkel von –45 +/– 10° bzgl. der Achse orientiert sind.
  12. Stabilisierungsstange nach Anspruch 1, wobei der Verbundstab (12) eine Längsachse umfasst, wobei die Fasern erste (28), zweite (29) und dritte (30) Sätze von Fasern umfassen, wobei die Fasern des ersten Satzes (28) in einem Winkel von 0° +/– 5° bzgl. der Achse orientiert sind, wobei die Fasern des zweiten Satzes (29) in einem Winkel von +45° +/– 5° bzgl. der Achse orientiert sind, und wobei die Fasern des dritten Satzes (30) in einem Winkel von –45° +/– 5° bzgl. der Achse orientiert sind.
  13. Stabilisierungsstange nach Anspruch 1, wobei die Fasern Kohlefasern umfassen.
  14. Stabilisierungsstange nach Anspruch 1, wobei die Arme (14) sich jeweils von einer größeren Querschnittsfläche (34) zu eine kleineren Querschnittsfläche (36) verjüngen, wobei die größere Querschnittsfläche zwischen der Stange (12) und der kleineren Querschnittsfläche (36) angeordnet ist.
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