CN105034742B - 机动车轴和用于制造机动车轴的横梁的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机动车轴(1)，包括两个纵拉杆(2)和一个连接这两个纵拉杆的横梁(3)，其中，横梁(3)包括具有U形横截面的开口的型材，所述型材具有一个腹板(10)和在纵向侧从该腹板弯曲的侧边(11、12)；所述型材(7)的开口在装入位置指向车道；车辆前侧的侧边(11)在所述型材(7)的端部部段(E1、E2)内具有相对于所述型材(7)的中间部段(M)减小的高度(h)；车辆前侧的侧边(11)的高度(H)在从中间部段(M)向端部部段(E1、E2)过渡时连续变化，其中，车辆前侧的侧边(11)的高度(H)通过纵向侧的、形状为圆弧形或者椭圆弧形的凹进(9)而变化。本发明还涉及一种用于制造机动车轴(1)的横梁(3)的方法。

Description

机动车轴和用于制造机动车轴的横梁的方法
技术领域
本发明涉及一种机动车轴，包括两个纵拉杆和一个连接这两个纵拉杆的横梁，其中，所述横梁包括具有U形横截面的开口的型材，所述型材具有腹板和在纵向侧从该腹板弯曲的侧边；所述型材的开口在装入位置指向车道。此外，本发明涉及一种用于制造相应的机动车轴的横梁的方法。
背景技术
本发明的轴结构也大多称为复合转向轴。对其提出非常确定的要求：产生预先规定的行驶特性和相应的行驶舒适性。
在设计复合转向轴的横梁时在现有技术中已知大量的变体方案。例如WO 2013/185217 A1或者DE 10 2007 058 582 A2公开了用于机动车轴的横梁，该横梁用管状的型材制造。该型材的中间部段变形，使得在那里产生一个具有大致U形横截面的双壁型材。由此该区域容易扭转，而该型材的保持管状的端部部段具有相应较高的刚度。
DE 10 2009 050 058 A1公开了一种用于机动车的复合转向轴，其中，横梁用成形的板坯构造并且具有U形横截面。在端部区域内横梁通过加强元件加固，横梁在加强元件的端部区域内具有变大的壁厚，由此实现从横梁的容易扭转的中间部段向横梁的端部区域的非常平稳的刚度过渡。
在DE 10 2009 004 441 A1中，通过有利地在横梁的端部区域内设置弹簧座圈来减小刚度跃变。
从JP 2000-052733 A中获知一种用于制造机动车轴的横梁的方法，其中首先剪裁板坯并且由该被剪裁的板坯成形横梁。在该横梁的情况下横截面也在它的长度上变化，以便以相应的方式调整刚度。
从DE 199 49 341 A1中也得知一种用于机动车轴的横梁。这里同样首先剪裁板坯，其中该剪裁这样进行，使得在后来将该板坯变形为大致管状横梁的情况下，所产生的型材的中间部段不被完全封闭，从而在该区域内存在比在所述型材的端部区域内较小的扭转刚度。
大多数复合转向轴应该具有小的滚动刚度或者扭转刚度。这意味着：复合转向轴的横梁能够围绕其纵轴线旋转。特别是在通过复合转向轴连接的两个车轮沿相反方向跳动的情况下，该特性具有重要意义。
但是同时在侧向力作用的情况下轮距调整和外倾调整都应该尽可能保持。这意味着：复合转向轴应该具有高的轮距刚度和外倾刚度。这点能够通过复合转向轴的横梁在侧向力作用的情况下具有高的抗弯强度而实现。这种高的抗弯强度能够通过相应调整横梁的几何条件而实现。具有矩形或U形型材横截面的横梁就横截面面积而言具有大的抗弯强度，从而该横截面形状十分经常地在发明的轴中使用。型材横截面越大，抗弯强度也越大。
在JP S 58-53504A中公开了一种包括具有矩形横截面的横梁的机动车轴。该横梁的横截面(更确切而言无论高度还是宽度)逐渐变化。该横梁在它的中心具有最大的横截面并且该横截面朝向相对置的端部连续减小。
然而，随着型材横截面的增大，横梁的滚动刚度也升高。但是这与应该使滚动刚度保持得尽可能小的要求相反。
为了使滚动刚度相对于抗弯强度在型材横截面增大的情况下仍然保持得小，通常在复合转向轴的情况下减小横梁的壁厚。该壁厚减小具有降低滚动刚度的效果。但是壁厚不能任意薄。横梁型材的过薄壁厚导致型材的焊接性变差。为了保持横梁的端部区域的强度，通常给端部区域提供多个加强板。这些加强板在型材的开口内与其焊接。在壁过薄的情况下具有加强板的型材的持久牢固的焊接不再可能。因此，可实现的、复合转向轴的轮距或外倾刚度与滚动刚度之比受到限制。
发明内容
因此本发明的任务是，提供一种机动车轴，其允许较大程度地将复合转向轴的轮距和外倾刚度与滚动刚度彼此解耦并且消除所述的现有技术缺点。另外，本发明的任务是，建议一种相应的用于制造这种机动车轴的方法。
本发明的主题是机动车轴，其包括两个纵拉杆和一个连接两个纵拉杆的横梁，其中，横梁包括具有U形横截面的开口的型材，所述型材具有一个腹板和在纵向侧从该腹板弯曲的侧边；所述型材的开口在装入位置指向车道。另外，车辆前侧的侧边在型材的端部部段内具有相对于型材的中间部段减小的高度。
本发明的机动车轴是具有原则上常规的结构图的复合转向轴。该轴包括两个纵拉杆，这两个纵拉杆在它们的一个端部与车身连接，而纵拉杆的另一端部分别设有用于容纳车轮的车轮支架。这两个纵拉杆与一个横梁连接，横梁包括具有U形横截面的开口的型材。这里该型材具有一个腹板，该腹板基本上从一个纵拉杆到达另一个纵拉杆。纵向侧的侧边从该腹板弯曲，这些侧边构成横梁型材的侧壁。另外，U形横截面在这里应该理解为矩形的横截面或帽形的横截面。这两个侧边还限定该型材的开口，该开口在装入位置指向车道。
通过在型材的端部部段内减小车辆前侧的侧边的高度，在那里减小滚动刚度。但是抗弯强度通过该措施不受影响。因此型材横截面能够选择为，使得横梁型材的抗弯强度达到希望的值，从而调出在侧向力下的高的轮距刚度和外倾刚度。同时通过减小车辆前侧的侧边在型材的端部部段内的高度而减小整个轴的滚动刚度，而抗弯强度保持不变。
也就是说能够得到一种新的和附加的可能性：在很大程度上互相独立地调整本发明的机动车轴的刚度，从而能够覆盖大范围的结构规定参数。
同时，不再需要改变壁厚或者不必选择小的壁厚，从而也消除与此关联的焊接问题。
结果得到一种在其动力学特性方面极大改善的机动车轴，此外其通过可靠的焊接性还具有较长的使用寿命和在制造中较小的废品率。
优选地，车辆前侧的侧边的高度在从中间部段向端部部段过渡时连续变化。
这具有这样的优点，即：在横梁和机动车轴的机械特性方面在横梁的长度上不发生有害的跃变。沿横梁的纵轴线的刚度跃变例如能够导致整个轴的使用寿命缩短，因为在该位置优先发生折断或者裂缝。在高度沿横梁的纵轴线连续或均匀变化的情况下避免这点。车辆前侧的侧边的自由边缘因而优选具有波形的轮廓。
这样的波形轮廓特别是在车辆前侧的侧边的高度通过纵向侧的、形状为圆弧形或椭圆弧形的凹进而变化时产生。这种凹进特别是能够使刚度在没有大的刚度跃变的情况下均匀地变化，由此在没有有害的应力峰值的情况下对整个轴施加负荷。
特别是，高度在型材的端部区域内到中间部段的连续过渡与形状为圆弧形或椭圆弧形的凹进的结合以有利的方式影响横梁型材内的应力分布。
在横梁的纵拉杆侧的端部基本上存在要改变的侧边的最大高度。但是纵拉杆侧的端部的精确设计始终依赖于横梁在纵拉杆上的连接部的结构设计。随着距各个纵拉杆的距离的增加，车辆前侧的侧边的高度降低，例如以圆弧形或椭圆弧形的形状降低，直到侧边的高度达到最小值。之后，侧边的高度再次连续升高，直到该高度在横梁的中间部段内再次达到最大值。如果侧边在型材的中间部段内的高度达到最大值，该高度就基本上保持恒定，直到开始向型材的另一个端部部段过渡。
在本发明的一种优选的设计方案中，端部部段的长度最大为横梁的长度的45％，优选最大为横梁的长度的三分之一。通过选择端部部段的长度而获得改变横梁型材的滚动刚度的另外的可能性。
在本发明的另一种特别的设计方案中，侧边在端部部段内的最低高度与侧边在中间部段内的高度之比为0.5到0.9。该比优选为0.7到0.8。
该高度比是另一个重要的参数，借助它能够相对于轮距和外倾刚度调整滚动刚度。如果侧壁在端部部段内的高度选择得过小，则滚动刚度对于能够保证本发明的机动车轴的足够的运转性也过小。如果高度变化选择得过小，则不再给出刚度参数的足够的解耦。具体结构由机动车轴的预设特性影响。
在本发明的另一种优选的设计方案中，侧边的自由边缘弯曲。对此应该理解为，型材的横截面不再具有纯粹的U形或矩形的形状，而具有帽子的形状。
此外优选地，横梁的侧边的至少部分区域向内移。
这导致：在横梁的长度上横截面面积以及因而的平面转动惯量也能够变化，这同样表示本发明的机动车轴的刚度值的调整可能性。
此外，本发明的主题是一种用于制造机动车轴的横梁的方法，具有如下的方法步骤：
-提供板坯，
-在一个纵向侧端部区域内剪裁该板坯的纵向侧边缘的部分区域，其中，通过剪裁产生形状为圆弧形或椭圆弧形的凹进，
-将该板坯变形为具有U形横截面的开口的型材，
-以机械方式再加工型材。
为了制造本发明的机动车轴，首先提供通常的矩形钢板。这里可以使用所有在底盘中使用的钢种。该板坯通过两个纵向侧边缘和两个横向侧边缘限定。所述纵向侧边缘通常理解为具有较大纵向延展距离的边缘。
然后，例如剪裁两个纵向侧边缘之一。该剪裁在该板坯的一个纵向侧端部区域内进行。通过该剪裁产生形状为圆弧形或椭圆弧形的凹进。在将该板坯变形为具有U形横截面的开口的型材时，该板坯的(沿该板坯的横向看的)中间区域成形为型材的腹板，其上连接有在纵向侧从该腹板弯曲的侧边。两个侧边之一则通过剪裁板坯的纵向侧边缘而具有在端部部段内局部减小的高度。
在后来将横梁装配到机动车轴内时型材的开口指向下方，而部分区域的高度减小的侧边指向行驶方向。
最后变形后的型材再以机械方式再加工。另外，这例如包括加工横梁的端部区域以便构成相应的用于机动车轴的纵拉杆的连接部。再加工特别包括至少精压板坯的边缘的被剪裁的区域，因为通过剪裁存在产生降低使用寿命的裂缝的危险，这通过精压被再次减小。
所述板坯的剪裁例如可以在剪裁过程中或者也在冲压过程中进行。
在本发明的方法的一种特别的设计方案中，所述板坯在一个纵向侧端部区域内优选在最大等于该板坯的长度的45％的区域内被剪裁。最优选地，该剪裁在最大等于该板坯的长度的三分之一的区域内进行。
在根据这些方法步骤完成该构件后产生以上关于本发明的机动车轴描述的横梁。横梁的在装配位置位于车辆前侧的侧边因而在其端部部段内具有相对于中间部段减小的高度。
另外，在本发明的一种特别的设计方案中，所述板坯的纵向侧边缘在剪裁后被弯曲。从位于一个平面上的板坯观察，所述边缘优选向上远离支承面弯曲。然后将该板坯变形为，使得所产生的型材横截面具有帽子的形状。这意味着：型材的侧边的自由边缘向外从型材开口离开伸出地构造。
此外，本发明的方法优选规定，型材的侧边的至少部分区域向内移。通过侧边的部分区域的移动产生这样的可能性，即进一步改变横梁的机械特性，特别是改变平面转动惯量，并且特别是在横梁的长度上改变和调整机械特性。由此能够根据要求定制横梁的机械特性。
附图说明
本发明的其他目的、优点和特征从根据附图对下面的实施例的说明产生。在附图中：
图1示出本发明的机动车轴，
图2示出从下面看的本发明的机动车轴的局部，
图3示出本发明的机动车轴的一部分的前视图，
图4示出图5中的横截面的位置，
图5示出横向轮廓的横截面，
图6示出横梁的制造方法。
具体实施方式
图1示出本发明的机动车轴1。该机动车轴1包括两个纵拉杆2以及一个连接这两个纵拉杆的横梁3。纵拉杆2分别具有将纵拉杆2与车身连接的连接部4。此外纵拉杆2设有与车轮支架连接的连接部5。
此外，机动车轴1具有弹簧座6，利用该弹簧座能够容纳螺旋弹簧。
横梁3包括具有U形横截面的开口的型材7。该型材7具有一个腹板10以及两个在纵向侧从该腹板弯曲的侧边11、12。这里的特征是，车辆前侧的侧边11(也就是说指向行驶方向X的侧边)在型材7的端部部段E1、E2内具有相对于型材7的中间部段M减小的高度H。
沿横梁3的长度L，端部部段E1从一个纵拉杆2出发延伸直到与端部部段E1连接的中间部段M。另外，沿横梁3的长度L，在中间部段M上连接第二端部部段E2，该第二端部部段本身又到达另一个纵拉杆2。
车辆前侧的侧边11的高度H沿横梁的长度L连续变化。从所述一个纵拉杆2出发，侧边11的高度H在端部部段E1内逐渐减小并且达到一个最小高度h并且在那以后再次连续升高。在向中间部段M的过渡处，高度H达到其最大值。在向第二端部部段E2的过渡处，高度H则再次连续减小。车辆前侧的侧边11在本发明的图示的结构中采取波形。通过侧边11的对称的高度变化实现最优的应力分布。在这里看不见的车辆后侧的侧边12在横梁3的整个长度L上具有恒定的高度。
横梁3的型材横截面的最大延展距离处于中间部段M内。横截面的该延展距离确定机动车轴1的抗弯强度。随着横截面增大，抗弯强度也增大。
但是与此相反机动车轴1的滚动刚度应该尽可能保持得小。如果车辆前侧的侧边11的高度H在横梁3的长度L上保持恒定，则随着型材横截面增大，滚动刚度也增加。但是通过在端部部段E1、E2中的延展距离，滚动刚度再次减小，使得与在侧边11的高度H恒定的情况下相比，存在较大的抗弯强度与滚动刚度之比。
图2示出从下面看的本发明的机动车轴1的一个端部部段E1、E2。这里明显看出，横梁3除了型材7以外还具有加强板8。加强板8用于加强型材7在纵拉杆2上的连接区。该加强板8通常借助环形的焊缝以材料锁合的方式与型材7连接。为了在这里能够产生一种可在机动车轴的使用寿命内保持的材料锁合，需要型材7的壁厚足够大。随着壁厚的降低，如下危险升高：一方面在焊接过程期间焊缝再次裂开或者因不能足够地保持的焊缝而极大减少机动车轴1的使用寿命，因为焊缝在机动车轴1的运转期间会撕裂。
在本发明的机动车轴1的情况下，能够为型材7选择足够大的壁厚，因为机动车轴1的滚动刚度不必通过壁厚调节。该滚动刚度在很大程度上通过型材7的端部部段E1、E2中的凹进9调整。
在前视图(图3)中再次说明车辆前侧的侧边11的高度H的变化。图3示出本发明的机动车轴1的一半。侧边11的高度H在型材7的长度L上变化。侧边11的高度H从型材7的纵拉杆侧的端部出发连续减小，直到该高度达到最小高度h。之后，侧边11的高度H再次升高，直到在中间部段M的区域中的最大高度H。该高度变化通过凹进9产生，该凹进具有圆弧形或者椭圆弧形的形状。从图3中还明显地看出，车辆后侧的侧边12的高度不改变，该高度在整个长度L上保持恒定。为了再次说明车辆前侧的侧边11的高度H的变化，图5示出型材7的多个在型材7的不同位置处的横截面。这些截面的位置在图4中示出。
截面A表示在型材7的中间部段M内的型材横截面。型材7具有一个腹板10以及在纵向侧从该腹板弯曲的侧边11、12。侧边11、12的自由边缘13向外弯曲。车辆前侧的侧边11在这里具有高度H。型材7的由侧边11、12围成的开口在装入位置指向车道的方向。
截面B位于型材7的端部部段E1内。这里可以看到：车辆前侧的侧边11现在具有比在型材7的中间部段M内的高度H低的高度。而车辆后侧的侧边12保持不变。
截面C表示在型材7的如下位置处的型材横截面，即，在该位置车辆前侧的侧边11具有其最小高度h。从该点起，车辆前侧的侧边11的高度再次连续升高，直到该高度在型材7的与纵拉杆2的直接连接区内再次具有最大值(截面D)。
图6示出用于本发明的机动车轴1的横梁的制造过程。首先提供板坯14。该板坯在这里由两个纵向侧边缘16以及两个横向侧边缘17限定。板坯14的一个纵向侧边缘16例如被剪裁，使得在板坯14的该纵向侧边缘16上产生多个凹进15。
之后，将板坯14成形为具有U形横截面的开口的型材。这点这样实现，即一个沿横向侧方向看处于中间的区域110被变形为U形横截面7的腹板10，区域111构成车辆前侧的侧边11，区域112构成车辆后侧的侧边12。
将板坯14划分为各区域111、110、112的划分在图6a)中说明。这里为了说明，就本发明的机动车轴在车辆中的位置而言还再次示出行驶方向X和横向Y。图6b)和6d)或者图6c)和6e)示出通过完成的U形型材7在本发明的横梁3的中间部段内或者在一个端部部段内的横截面。在变形为U形型材7后，横梁3具有车辆前侧的侧边11，该车辆前侧的侧边在其中间部段内具有与车辆后侧的侧边12大致相同的高度。而在端部部段内，车辆前侧的侧边11以比车辆后侧的侧边12低的高度构造。这通过被剪裁的区域15引起，由此在该位置在横梁3内构成凹进。
然后，以机械方式再加工该U形型材7。所述再加工一方面包括剪裁端部部段E1、E2以便能够保证连接到机动车轴1的纵梁2上，以及例如精压加工被剪裁的区域15的边缘以便通过避免在该区域内的裂缝源而改善使用寿命。
最后，可以将纵向侧边缘16如在图6d和6e中所示那样还变形为弯曲的边缘13，以便进一步改进机动车轴1的特性。
附图标记列表
1 机动车轴
2 纵拉杆
3 横梁
4 连接部
5 连接部
6 弹簧座
7 型材
8 加强板
9 凹进
10 腹板
11 侧边
12 侧边
13 边缘
14 板坯
15 凹进
16 边缘
17 边缘
110 区域
111 区域
112 区域
E1 端部部段
E2 端部部段
H 高度
h 高度
L 长度
M 中间部段
x 行驶方向
y 横向

Claims (10)

1.一种机动车轴(1)，包括两个纵拉杆(2)和一个连接这两个纵拉杆的横梁(3)，其中，横梁(3)包括具有U形横截面的开口的型材，所述型材具有一个腹板(10)和在纵向侧从该腹板弯曲的侧边(11、12)；所述型材(7)的开口在装入位置指向车道；车辆前侧的侧边(11)在所述型材(7)的端部部段(E1、E2)内具有相对于所述型材(7)的中间部段(M)减小的高度(h)；车辆前侧的侧边(11)的高度(H)在从中间部段(M)向端部部段(E1、E2)过渡时连续变化，其特征在于，车辆前侧的侧边(11)的高度(H)通过纵向侧的、形状为圆弧形或者椭圆弧形的凹进(9)而变化。
2.根据权利要求1所述的机动车轴，其特征在于，所述端部部段(E1、E2)的长度最大为横梁(3)的长度(L)的45％。
3.根据权利要求1或2所述的机动车轴，其特征在于，车辆前侧的侧边(11)的在端部部段中的最小高度(h)与车辆前侧的侧边(11)的在中间部段(M)中的高度(H)之比为0.5到0.9。
4.根据权利要求1或2所述的机动车轴，其特征在于，所述侧边(11、12)的自由边缘(13)被弯曲。
5.根据权利要求1或2所述的机动车轴，其特征在于，所述横梁(3)的侧边(11、12)的至少部分区域向内移。
6.一种用于制造机动车轴(1)的横梁(3)的方法，具有下列方法步骤：
-提供板坯(14)，
-在一个纵向侧端部区域内剪裁板坯(14)的纵向侧边缘(16)的部分区域，其中，通过剪裁产生形状为圆弧形或椭圆弧形的凹进(15)，
-将板坯(14)变形为具有U形横截面的开口的型材(7)，
-以机械方式再加工型材(7)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述再加工包括至少精压板坯的边缘的被剪裁的区域。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，板坯(14)在纵向侧端部区域内被剪裁，所述纵向侧端部区域最大等于板坯(14)的长度的45％。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在剪裁后使板坯(14)的纵向侧边缘(16)弯曲。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，使型材(7)的侧边(11、12)的至少部分区域向内移。
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