DE10351954A1 - Verbundlenkerachse und Verfahren zur Herstellung eines Querträgers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbundlenkerachse für Kraftfahrzeuge, welche zwei durch einen Querträger 4 verbundene Längslenker 2, 3 aufweist und ein Verfahren zur Herstellung eines Querträgers 4. Der Querträger besteht aus einem Hohlprofil mit einem bereichsweise offenen Mittelabschnitt 5. Dieser weist einen langgestreckten Ausschnitt 8 auf, an dessen Randbereichen zumindest abschnittsweise Stege 11 vorgesehen sind. An dem Mittelabschnitt 5 schließen sich rohrförmig geschlossene Enden 6, 7 an. Die Stege 11 sind bogenförmig gekrümmt, wobei der Öffnungswinkel zwischen einer an den Außenumfang des Mittelabschnitts 5 angelegten Tangente und einer an das Ende der Stege angelegten Tangente zwischen 5 DEG und 90 DEG , vorzugsweise zwischen 15 DEG und 70 DEG beträgt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Verbundlenkerachse für Kraftfahrzeuge und ein Verfahren zur Herstellung eines Querträgers hierfür.
• Verbundlenkerachsen zeichnen sich durch einen fahrzeugspezifisch einfachen Aufbau bei geringem Raumbedarf und guten kinematischen Eigenschaften aus. Der die beiden seitlichen Längslenker verbindende Querträger wirkt als Torsionsprofil, so dass sich bei gleichzeitigem Einfedern eine Längslenkercharakteristik und bei wechselseitigem Einfedern eine Schräglenkercharakteristik ergibt.
• Aus der DE 199 49 341 A1 ist eine Verbundlenkerachse für Kraftfahrzeuge bekannt, mit zwei durch einen Querträger verbundenen Längslenkern, wobei der Querträger aus einem Hohlprofil mit einem einlagigen bereichsweise offenen Mittelabschnitt besteht, an den sich beidseitig rohrförmig geschlossene Enden anschließen.
• Ein gleichartiges Konzept offenbart die DE 101 22 998 A1 . Der Querträger ist rohrartig gestaltet und weist im Mittelabschnitt einen ovalen lang gestreckten Ausschnitt auf.
• Zum Stand der Technik zählt ebenfalls eine Fahrzeugachse gemäß der DE 195 33 479 C2 . Der Querträger dieser Achse weist eine Aussparung auf, die sich axial zur Rohrkörperlängsachse erstreckt, wobei die Aussparung in ihren Randbereichen zumindest abschnittsweise durch Stege eingefasst ist, die innerhalb des Rohrkörpers ausgeführt sind. Die Stege sind stark nach innen abgewinkelt, wobei die Höhe der Stege etwa der Breite der Aussparung im Rohrkörper entsprechen soll.
• Mit den vorgenannten Konfigurationen von Verbundlenkerachsen kann ein auf die dynamischen Belastungen abgestimmte Auslegung der Widerstandsmomente erreicht werden. Die im Fahrbetrieb auftretenden Hauptspannungen konzentrieren sich in den Übergangsbereichen zwischen den Enden und den offenen Mittelabschnitt, also zur freien Torsionslänge hinter dem Anbindungsbereich zu den Längslenkern. Dies kann die Lebensdauer des Querträgers bei Torsionsbelastung und damit der gesamten Verbundlenkerachse beeinträchtigen.
• Zur Herstellung der Querträger der Verbundlenkerachsen werden der Abwicklung entsprechende Platinen gestanzt. Diese werden dann entsprechend rohrförmig umgeformt und entlang aneinander liegenden Längskanten gefügt. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass die Schnittkantenoberfläche durch den Platinenbeschnitt zur Ausbildung von Mikrorissen in Richtung des Blechs neigt. Dies führt zu einer erhöhten Rissgefahr, was im Belastungsfall durch die wirkenden Schwerkräfte zur erheblichen Minderung der Lebensdauer im Fahreinsatz der Achse führen kann. Dies ist insbesondere dann festzustellen, wenn die Fertigungswerkzeuge längere Zeit im Einsatz waren und sich der Schnittspalt der Stanzen bzw. den Schneidwerkzeugen vergrößert und an die Toleranzgrenzen gelangt ist. Folglich besteht ein verdecktes Risiko bezüglich der Lebensdauereinbußen durch verschlechterte Schnittkantenbedingungen.
• Auch können die hohen und nicht immer gleich auftretenden Rücksprungkräfte am beschnittenen Profil beim Profilformen zu Formungenauigkeiten führen, woraus letztendlich Ungleichmäßigkeiten im Rollsteifigkeitsverhalten der Verbundlenkerachse resultieren können.
• Der Erfindung liegt daher ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Verbundlenkerachse der bekannten Bauart hinsichtlich der Lebensdauer bei hoher dynamischer Leistungsfähigkeit zu verbessern und ein Verfahren zur Herstellung eines anwendungstechnisch optimierten Querträgers aufzuzeigen.
• Die Lösung des gegenständlichen Teils dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einer Verbundlenkerachse mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.
• Der die beiden Längslenker verbindende Querträger ist als Hohlprofil ausgeführt mit einem bereichsweise offenen Mittelabschnitt, der einen langgestreckten Ausschnitt aufweist, an dessen Randbereichen zumindest abschnittsweise Stege vorgesehen sind. Die Enden des Querträgers sind rohrförmig geschlossen.
• Kernpunkt der Erfindung bildet die Maßnahme, dass die Stege bogenförmig gekrümmt sind, wobei der Öffnungswinkel zwischen einer an den Außenumfang des Mittelabschnitts angelegten Tangente und einer an das Ende der Stege angelegten Tangente zwischen 5° und 90° beträgt. Durch diese Maßnahme, also das Anformen der bogenförmig gekrümmte Stege wird die offene Schnittfläche am Ende des beschnittenen Bereichs unmittelbar aus dem Wirkbereich der Scherkräfte gelegt. Dies führt zu einer wesentlichen Steigerung des dynamischen Belastungsvermögens des Querträgers. Negative Einflüsse aus Qualitätsschwankungen im Platinenschnitt werden deutlich verringert.
• Insgesamt kann die Lebensdauer des Querträgers und damit der Verbundlenkerachse gesteigert werden. Zudem wird der Umformvorgang der beschnittenen Platine zum fertigen Rohrprofil verbessert, da die Rücksprungkräfte durch den bzw. die ausgeformen Stege wesentlich vermindert werden. Hierdurch wird eine bessere Formtoleranz für das Profil erzielt.
• Besonders vorteilhaft liegt der Öffnungswinkel zwischen 15° und 70°, wie dies Patentanspruch 2 vorsieht. Der Radius der bogenförmig gekrümmten Stege richtet sich nach der jeweiligen Blechstärke.
• Je nach Ausführung der Verbundlenkerachse in Anpassung auf den Fahrzeugtyp und die geforderten betrieblichen Parameter können die Stege, bezogen auf die Längsachse des Querträgers, nach innen gerichtet (Patentanspruch 3) oder nach außen gerichtet (Patentanspruch 4) sein.
• Gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 5 erstrecken sich die Stege umlaufend über die gesamte Länge des Ausschnitts. Diese Gestaltung lässt für die Praxis besonders bei schweren Ausführungsformen von Verbundlenkerachsen Vorteile erwarten.
• Grundsätzlich können sich die Stege gemäß Patentanspruch 6 auch nur im Übergangsbereich vom Mittelabschnitt auf die Enden erstrecken, also in dem Bereich, in dem die Schnittkanten des Ausschnitts zusammenlaufen und der Querträger zum geschlossenen Rohrprofil übergeht. Hier konzentrieren sich die im Fahrbetrieb auftretenden Hauptspannungen. Diese können durch die erfindungsgemäß angeformten Stege in diesen Bereichen kompensiert werden.
• Für die Praxis bietet sich insbesondere eine ovale Kontur des Abschnitts im Mittelabschnitt an, wie dies Patentanspruch 7 vorsieht.
• Die Lösung des verfahrensmäßigen Teils der Aufgabe besteht in einem Verfahren gemäß Patentanspruch 8.
• Zur Herstellung eines Querträgers wird zunächst eine ebene Platine gefertigt, deren Geometrie der Abwicklung eines Querträgers entspricht. Die Platine ist grundsätzlich von rechteckiger Konfiguration, wobei an ihren Längsseiten im Platinenbeschnitt konkave Ausschnitte hergestellt sind. Die Ränder der Ausschnitte werden in einer zusätzlichen Formstufe oder direkt im Platinenbeschnitt bogenförmig abgewinkelt. Anschließend wird die Platine in bekannter Weise rohrförmig eingerollt und entlang der dann aneinander liegenden Längskanten der Enden des Querträgers gefügt. Vorzugsweise erfolgt dies als Verschweißen.
• Die Herstellung des Querträgers ist rationell und sehr gut zu automatisieren. Wie bereits oben erläutert, ist das Einformen der beschnittenen Platine in die fertige Rohrprofilform verbessert, da die Rücksprungkräfte durch die ausgeformten Stege wesentlich vermindert werden, was zu einer besseren Profilgenauigkeit beiträgt.
• Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
• 1 in perspektivischer Darstellungsweise eine erfindungsgemäße Verbundlenkerachse;
• 2 einen Vertikalschnitt durch den Mittelabschnitt einer ersten Ausführungsform eines Querträgers;
• 3 einen Vertikalschnitt durch den Mittelabschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Querträgers;
• 4 den Randbereich eines Ausschnitts mit der Darstellung eines bogenförmig gekrümmten Stegs;
• 5a die Platine eines Querträgers in der Abwicklung;
• 5b einen Querschnitt durch die Mittelquerebene einer Platine gemäß der Darstellung von 5a mit der Darstellung einer ersten Ausführungsvariante der Randbereiche und
• 5c einen Querschnitt durch die Mittelquerebene einer Platine gemäß in Darstellung von 5a mit der Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante der Randbereiche.
• 1 zeigt eine Verbundlenkerachse 1 in perspektivischer Darstellungsweise. Die Verbundlenkerachse 1 umfasst im wesentlichen zwei radführende Längslenker 2, 3 und einen die beiden Längslenker 2, 3 verbindenden Querträger 4. Der Querträger 4 besteht aus einem einzigen Hohlprofil mit einem bereichsweise offenen Mittelabschnitt 5, an den sich jeweils beidseitig rohrförmig geschlossene Enden 6, 7 anschließen.
• Die Geometrie des Querträgers 4 ist abgestimmt auf die im Kraftfahrzeug zu erwartenden Belastungen der Verbundlenkerachse 4.
• Der Mittelabschnitt 5 weist einen ovalen langgestreckten Ausschnitt 8 auf. Hierdurch ergeben sich im Mittelabschnitt 5 offene Querschnitte mit einer kreissektorförmigen, ovalen oder V- bzw. U-förmigen Konfiguration. Die im Querschnitt über den Umfang gemessene Schenkellänge im Mittelabschnitt 5 nimmt von den Enden 6, 7 ausgehend zur Mitte des Querträgers hin ab. An den Längslenkern 2, 3 sind geeignete Aufnahmen 9, 10 für die Enden 6, 7 des Querträgers 4 ausgebildet. In den Aufnahmen 9, 10 sind die Enden 6, 7 eingepasst und gefügt, in der Regel verschweißt. Hierdurch ist eine gute Kraftübertragung von den Längslenkern 2, 3 in den Querträger 4 gewährleistet.
• Der Ausschnitt 8 weist in seinen Randbereichen zumindest abschnittsweise Stege 11, 12 bzw. 13 auf (s. hierzu 2, 3 und 4). Die Stege 11, 12, 13 sind bogenförmig gekrümmt. In den Ausführungsformen des Querträgers 4 gemäß der 2 und 4 sind die Stege 11 bzw. 13 bezogen auf die Längsachse L des Querträgers 4 nach innen gerichtet, wohingegen die Stege 12 bei dem Querträger 4 in der Ausführungsform gemäß der 3 bezogen auf die Längsachse L des Querträgers 4 nach außen gerichtet sind.
• Die Krümmung der Stege 11, 12 bzw. 13 ist grundsätzlich so gewählt, dass die Öffnungswinkel α, β bzw. γ zwischen einer an den Außenumfang U des Mittelabschnitts 5 angelegten Tangente T1, T2 bzw. T3 und einer an das Ende 14, 15, 16 der Stege 11, 12 bzw. 13 angelegten Tangente T4, T5, T6 zwischen 5° und 90°, vorzugsweise zwischen 15° und 70° beträgt.
• Der Öffnungswinkel α des Querträgers 4 bei der in 2 dargestellten Ausführungsform liegt konkret bei ca. 66°. Bezogen auf die durch den Ausschnitt 8 bzw. generell durch den Querträger 4 verlaufende Horizontaleben HE beträgt der Winkel δ 48°.
• Der Öffnungswinkel β bei der Ausführungsform des Querträgers 4 gemäß der Darstellung von 3 beträgt 50°. Bezogen auf eine den Querträger 4 schneidende Horizontalebene HE ergibt sich ein Winkel ε von 32°.
• Der Öffnungswinkel γ eines Querträgers 4 gemäß der Darstellung von 4 beträgt 36°. Hieraus ergibt sich ein Winkel η der Tangente T6 von Ende 16 bzw. Steg 13 bezogen auf die Horizontalebene HE von 16°.
• Die bogenförmig gekrümmten Stege 11, 12 bzw. 13 führen dazu, dass die offene Schnittfläche an den Enden 14, 15 bzw. 16 aus dem normalen Konturverlauf des Hohlprofils des Querträgers 4 verlegt werden. Mögliche negative Einflüsse aus dem Platinenabschnitt, beispielsweise Mikrorisse, werden so aus dem Bereich der Hauptspannungen und des Hauptkraftverlaufes hieraus verlagert. Diese vergleichsweise einfache Maßnahme trägt wesentlich zu einer Steigerung der Lebensdauer bei hoher dynamischer Leistungsfähigkeit einer Verbundlenkerachse 1 bei.
• Anhand der 1 erkennt man, dass sich die Stege 11 über die gesamte Länge des Ausschnitts 5 erstrecken. Möglich ist es auch, dass die Stege 11, 12 oder 13 nur im Übergangsbereich vom Mittelabschnitt 5 auf die Enden 6, 7 vorgesehen sind.
• Zur Herstellung des Querträgers 4 wird eine Platine 17 aus Metall, beispielsweise Stahl, Aluminium oder einem anderen metallischen Werkstoff bereitgestellt. Diese erhält einen Blechbeschnitt, so dass ihre Umfangsgeometrie der Abwicklung des Querträgers 4 entspricht. Die grundsätzliche Konfiguration der Abwicklung ist rechteckig, wobei an den Längsseiten 18 der Platine 17 konkave Ausschnitte 19 gestanzt werden. Die Kontur erkennt man in der 5a . In einem separaten Umformschritt werden die Ränder 20 der Ausschnitte gegenüber der Ebenen der Platine 17 bogenförmig abgewinkelt, wie dies in den 5b und 5c exemplarisch zu erkennen ist. Anschließend wird die beschnittene Platine 17 rohrförmig umgeformt und die an den Enden 6, 7 aneinander liegenden Längskanten 21, 22 miteinander verschweißt. Die Enden 6, 7 weisen dann den runden geschlossenen Querschnitt auf.

1

Verbundlenkerachse

2

Längslenker

3

Längslenker

4

Querträger

5

Mittelabschnitt

6

Ende v. 4

7

Ende v. 4

8

Ausschnitt

9

Aufnahme

10

Aufnahme

11

Steg

12

Steg

13

Steg

14

Ende v. 11

15

Ende v. 12

16

Ende v. 13

17

Platine

18

Längsseite

19

Ausschnitt

20

Rand

21

Längskante

22

Längskante

L

Längsachse

U

Außenumfang

T1

Tangente

T2

Tangente

T3

Tangente

T4

Tangente

T5

Tangente

T6

Tangente

HE

Horizontalebene

α

Öffnungswinkel

β

Öffnungswinkel

γ

Öffnungwinkel

δ

Winkel

ε

Winkel

η

Winkel

Claims (8)

1. Verbundlenkerachse für Kraftfahrzeuge, welche zwei durch einen Querträger (4) verbundene Längslenker (2, 3) aufweist, wobei der Querträger (4) aus einem Hohlprofil besteht mit einem bereichsweise offenen Mittelabschnitt (5) mit einem langgestreckten Ausschnitt (8), an dessen Randbereichen zumindest abschnittsweise Stege (11, 12, 13) vorgesehen sind, und sich an den Mittelabschnitt (5) rohrförmig geschlossene Enden (6, 7) anschließen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (11, 12, 13) bogenförmig gekrümmt sind, wobei der Öffnungswinkel (α, β, γ) zwischen einer an den Außenumfang (U) des Mittelabschnitts (5) angelegten Tangente (T1. T2. T3) und einer an das Ende (14, 15, 16) der Stege (11, 12, 13) angelegten Tangente (T4, T5, T6) zwischen 5° und 90° beträgt.
2. Verbundlenkerachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (α, β, γ) zwischen 15° und 70° beträgt.
3. Verbundlenkerachse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (11, 13), bezogen auf die Längsachse (2) des Querträgers (4), nach innen gerichtet sind.
4. Verbundlenkerachse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (12), bezogen auf die Längsachse (2) des Querträgers (4), nach außen gerichtet sind.
5. Verbundlenkerachse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Stege (11, 12, 13) über die gesamte Länge des Ausschnitts (8) erstrecken.
6. Verbundlenkerachse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Stege (11, 12, 13) im Übergangsbereich vom Mittelabschnitt (5) auf die Enden (6, 7) erstrecken.
7. Verbundlenkerachse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschnitt (8) oval langgestreckt ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Querträgers (4) für eine Verbundlenkerachse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine ebene Platine (17) gefertigt wird, deren Geometrie der Abwicklung eines Querträgers (4) entspricht, wobei die Platine (17) an ihren Längsseiten (18) konkave Ausschnitte (19) aufweist, wonach die Ränder (20) der Ausschnitte (19) gegenüber der Ebene der Platine bogenförmig abgewinkelt werden und anschließend die Platine rohrförmig umgeformt und entlang der aneinanderliegenden Längskanten (21, 22) gefügt wird.