DE10032961B4

DE10032961B4 - Drehstabfeder

Info

Publication number: DE10032961B4
Application number: DE10032961A
Authority: DE
Inventors: Ronald J. Maumee McLaughlin
Original assignee: PULLMANN Co; PULLMANN COMPANY MILAN
Current assignee: PULLMANN Co; PULLMANN COMPANY MILAN
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: GB0016569D0; US6270282B1; JP2001047825A; GB2351952A; DE10032961A1; GB2351952B

Abstract

Eine Drehstabfeder hat eine Spitzengelenkverbindung, die zwei Einzelgelenke umfaßt, welche durch einen gemeinsamen Gelenkzapfen miteinander verbunden sind. Der Gelenkzapfen ist in Form eines Winkels gebogen, um die V-Form der Drehstabfeder zu definieren. Durch Verwendung des gebogenen Gelenkzapfens können gerade Lenker für die Arme der V-förmigen Drehstabfeder verwendet werden, wobei gleiche Bauteile an jedem der Einzelgelenke verwendet werden können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Drehstabfedern, wie sie in Radaufhängungen für Lastkraftwagen, Busse usw. verwendet werden.
Bei Radaufhängungen von Lastwagen oder Bussen wird mindestens eine Drehstabfeder verwendet, um die Achse mit dem Fahrzeugrahmen zu verbinden. Durch den Drehstab wird die Achse gegenüber dem Fahrzeugrahmen so eingestellt, daß die entsprechende Aufhängungsgeometrie insbesondere beim Ein- und Ausfedern unter allen Fahr- und Straßenzuständen erhalten bleibt. Da der dynamische Betriebsbereich bei solchen Fahrzeugen, insbesondere bei Schwerlastkraftwagen sehr groß ist, treten beträchtliche Lasten an der Aufhängung auf, die zusammen mit von Fahrbahnunebenheiten herrührenden Schwingungen in der Aufhängung schädigende Wirkungen auf die einzelnen Aufhängungsbauteile, insbesondere die Drehstabfedern, und auch negative Auswirkungen hinsichtlich der Ermüdung des Fahrers haben. Diese stark dynamischen Betriebszustände können die Abnutzung einer Drehstabfeder in der Aufhängung so beschleunigen, daß ein vorzeitiges Versagen auftreten kann.
Drehstäbe sollen bei großen Fahrzeugen die Achse stabilisieren. Sie verhindern, daß die Achse verkippt, sich beim Bremsen oder Beschleunigen nach vorne oder nach hinten bewegt, oder daß ein Giermoment an der Achse entsteht. Zwar sind viele verschiedene Ausführungskonstruktionen bekannt, im wesentlichen werden aber eine der folgenden zwei Konzepte zur Stabilisierung der Achse verwendet. Das erste Konzept verwendet gerade Stäbe, die an jedem Ende eine Gelenkverbindung haben. Zwei dieser Stäbe sind vorne und hinten im Fahrzeug so befestigt, daß ein Ende an der Achse und das andere am Rahmen angebracht ist. Auf ähnliche Weise ist ein dritter Stab quer im Fahrzeug, im wesentlichen senkrecht zu den anderen beiden befestigt. Das zweite Konzept verwendet eine V-förmige Drehstabfederkonstruktion. Diese Drehstabfeder hat eine Gelenkverbindung an der Spitze des V's sowie je eine an den Enden der Schenkel. Die Spitze ist an der Achse befestigt, und die Schenkel am Rahmen. Die V-Ausbildung kontrolliert sowohl Längs- als auch Querbewegung. Die V-förmige Drehstabkonstruktion ist besonders hinsichtlich der Achsenstabilität vorteilhaft.
Übliche V-förmige Drehstäbe bestehen aus zwei oder drei gelenkverbundenen Schmiedeösen oder -augen, die fest mit Rohren verbunden sind, um die nötige mechanische Festigkeit aufzuweisen. Die Augen und Rohre sind für Stoß- und Schwingungsenergie eine direkte Einkoppelstrecke von der Aufhängung in den Rahmen, die Karosserie und andere Teile der gefederten Fahrzeugmasse. Um die zu unterbinden, baut man Isolationselemente in die Gelenkverbindungskonstruktion ein. Die isolierende Funktion macht jedoch die Gelenkverbindungen zu einem kritischen multifunktionalen Bauteil nicht nur der Drehstabkonstruktion, sondern auch der gesamten Aufhängung.
Derzeit verwendete Gelenkverbindungen basieren auf mindestens einem von zwei Produktprinzipien. Das erste besteht darin, daß die Konstruktionen flexible elastomere Buchsen verwenden, und das zweite besteht darin, daß die Konstruktionen Metall an Metall oder Metall-/Kunststoff-Bauteilen verwenden. Beide Konstruktionen haben ihre eigenen Vorteile; aufgrund ihrer beschränkten Betriebseigenschaften ist jedoch keine dieser Konstruktionen voll befriedigend hinsichtlich der erforderlichen Kombination aus Geräusch-, Schwingungs- und Robustheitsisolierung (noise, vibration and harshness = NVH), der Torsions- bzw. Schwingungsfreiheit und der Steuerung der lateralen Federrate. Alle drei Eigenschaften sind wesentliche Elemente für die optimale Isolierung, wobei gleichzeitig die erforderliche Fahrzeughandhabung und/oder Stabilität erhalten bleiben sollen. Alle drei Eigenschaften haben einen merklichen Einfluß auf das NVH- und Handhabungsverhalten, was einen entsprechenden Einfluß auf die Physis des Fahrers hat. Schwenkverbindungen, bei denen flexible elastomere Buchsen verwendet werden, haben bekanntlich gute Isoliereigenschaften; aufgrund ihrer Flexibilität können sie jedoch die Stabilität beeinträchtigen, die durch eine starre Verbindung an der Apex bzw. Spitze des V erzeugt werden kann. Außerdem kompliziert der begrenzte Torsionsschwingungswinkel der flexiblen elastomeren Buchse und der „Nullpunkt" der Torsionsfeder den Einbau von Drehstabfedern mit dieser Art von Gelenkverbindung. Die Gelenkverbindungen, bei denen starre Kugellager aus Metall oder Metall/Kunststoff verwendet werden, basieren auf dem Gleitlagerprinzip. Wenngleich das Gleitlager prinzip für eine Aufhängungsfreiheit in der vertikalen Ebene sorgt und einen relativ einfachen Einbauvorgang erfordert, stellt die Steifigkeit des Lagers eine Begrenzung seiner Isolationseigenschaften dar. Somit wirkt diese Art von Drehstabfeder als Leiter für Stöße und Schwingungen in den Rahmen und irgendwann in die Kabine. Weitere Nachteile starrer Konstruktionen aus Metall oder Metall/Kunststoff bestehen darin, dass sie aus zahlreichen kostspieligen halbpräzisen Lagerbauteilen zusammengesetzt sind, die teuere Manschettendichtungen erfordern, welche durch Umwelteinflüsse schnell verschleissen und leicht zerstört werden. Außerdem erfordern derartige Gleitlagerkonstruktionen ständige Wartung und Schmierung.
Bei V-förmigen Drehstabfedern (mit drei Gelenkverbindungen) ist das kritischste Bauteil die Spitzengelenkverbindung, die normalerweise an der Antriebsachse angeordnet ist. Diese Spitzengelenkverbindung ist deshalb kritisch, weil sie den zweifachen Kräften der Einzelgelenke ausgesetzt ist, eine größere konische Verschiebung als die Einzelgelenke erfährt, der Quelle strassenbedingter Stöße, Reifen, Geräuschen und Schwingungen allgemein am nächsten ist und das Verhältnis ihrer Federraten in Längs- und Lateralrichtung die Wirksamkeit der Gelenkisolierung sowie die Fahrzeugstabilität beeinflusst.
US 5,564,521 A beschreibt eine V-förmige Drehstabfeder für Kraftfahrzeuge. Diese umfasst einen ersten und einen zweiten Stab, der jeweils mit einer Endgelenkverbindung ausgestattet ist. Zur Herstellung der Spitzengelenkverbindung sind an den Stäben jeweils ein Auge mit Bohrung vorgesehen, während diese winklig in Bezug auf die Langsachse des jeweiligen Stabs angeordnet sind. Eine Halterung hält einen Gelenkzapfen, der das erste und zweite Auge des ersten und zweiten Stabs durchlauft. Diese Halterung ist wiederum mit einer Grundplatte versehen, die über eine Zwischenplatte an einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs befestigt ist.
US 5,458,359 A beschreibt ebenfalls eine V-förmige Drehstabfeder für Kraftfahrzeuge. Die Spitzengelenkverbindung dieser Drehstabfeder umfasst eine Halterung, an der drehbar ein Gelenkzapfen angeordnet ist. Die Halterung und somit auch der Gelenkzapfen sind zentral an einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs befestigt. Die beiden Stäbe der Drehstabfeder werden über entsprechende Augen an den beiden Enden des Gelenkzapfens befestigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehstabfeder mit einer Spitzengelenkverbindung bereitzustellen, bei der sowohl die Isoliereigenschaften wie auch die durch die Gelenkverbindung geschaffene Stabilität möglichst groß sind.
Die obige Aufgabe wird durch eine Drehstabfeder für Kraftfahrzeuge gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen vorliegender Drehstabfeder gehen aus den abhängigen Ansprüchen sowie der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Die erfindungsgemäße ausgebildete Drehstabfeder hat eine Spitzengelenkverbindung, die für ein verbessertes Betriebsverhalten zusammen mit der Fähigkeit, hohe Kräfte aufnehmen zu können, aufweist. Die Spitzengelenkverbindung ist extrem wirtschaftlich und äußerst effektiv hinsichtlich ihrer Schwingungsisoliereigenschaften. Die Spitzengelenkverbindung der erfindungsgemäß ausgebildeten Drehstabfeder besteht aus zwei Einzelgelenken, die einen gemeinsamen, ungefähr L-förmigen Gelenkzapfen teilen. Der L-förmige Gelenkzapfen positioniert die beiden Einzelgelenke so, dass die zentralen Achsen der Stäbe durch das Buchsenende verlaufen und sich an der Apex treffen.
Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
1 teilperspektivische Ansicht einer Hinterachsaufhängung mit einer V-förmigen Drehstabfeder gemäß dem Stand der Technik;
2 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die Drehstabfeder der 1;
3 eine teilperspektivische Ansicht einer Hinterachsaufhängung mit einer V-förmigen Drehstabfeder gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die Drehstabfeder der 3.
In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in den einzelnen Figuren. In 1 ist eine Hinterachsaufhängung eines Lastkraftwagens oder eines Busses mit Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Hinterachsaufhängung 10 hat einen Rahmen 12, eine Antriebsachse 14, zwei Federn 16 und eine V-förmige Drehstabfeder 18. Der Rahmen 12 trägt eine (nicht dargestellte) Karosserie und andere Fahrzeugteile, die als die gefederte Masse bezeichnet werden. Die Antriebsachse 14 hat ein Differential 20, das von einer (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine über eine (ebenfalls nicht dargestellte) Antriebswelle angetrieben wird. Die Antriebsachse 14 hat zwei Hohlrohre 22, die zum jeweiligen (nicht dargestellten) Rad laufen. In jedem Hohlrohr 22 läuft eine Achswelle 24 zu einer (nicht dargestellten) Aufnahme am Rad. Der Antrieb von der Brennkraftmaschine erfolgt über die Antriebswelle zum Differential 20 und von dort über die Achswellen 24 zu den Rädern. Die Federn 16 liegen zwischen dem Rahmen 12 und der Antriebsachse 14, wie es im Stand der Technik üblich ist. Darüber hinaus können (nicht dargestellte) Schwingungsdämpfer zwischen Rahmen 12 und Antriebsachse 14 zum Dämpfen von Relativbewegungen zwischen den beiden Bauteilen vorgesehen werden. Die Drehstabfeder 18 liegt ebenfalls zwischen dem Rahmen 12 und der Antriebsachse 14, um diese zueinander zu stabilisieren.
In 2 ist die V-förmige Drehstabfeder 18 genauer gezeigt. Sie hat eine Spitzengelenkverbindung 30, zwei Endgelenkverbindungen 32 und zwei Rohre 34, die jeweils zwischen Spitzengelenkverbindung 30 und der jeweiligen Endgelenkverbindung 32 verlaufen. Die Spitzengelenkverbindung 30 und die Endgelenkver bindungen 32 sind an den Rohren 34 durch Schweißungen oder ähnlich bekannte Verbindungen befestigt.
In 3 ist eine Hinterachsaufhängung für einen Lastwagen oder ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt und mit Bezugszeichen 110 bezeichnet. Die Hinterachseaufhängung 110 hat einen Rahmen 12, eine Antriebsachse 14, zwei Federn 16 und eine V-förmige Drehstabfeder 118. Die Hinterachskonstruktion 110 entspricht somit bis auf die Drehstabfeder 118 der Hinterachsaufhängung 10.
Es wird nun auf 4 Bezug genommen. Die V-förmige Drehstabfeder 118 besteht aus einer Spitzengelenkverbindung 130, zwei Endgelenkverbindungen 132 und den beiden Rohren 34. Jedes Rohr 34 verläuft zwischen der Spitzengelenkverbindung 130 und einer entsprechenden Endgelenkverbindung 132. Die Spitzengelenkverbindung 130 und die Endgelenkverbindungen 132 sind an den Rohren 34 durch Schweißen oder andere bekannte Mittel befestigt.
Die Spitzengelenkverbindung 130 besteht aus einem ersten Einzelgelenk 140 und einem zweiten Einzelgelenk 142. Das Einzelgelenk 140 hat ein Auge 150, eine Buchse 152 und einen Gelenkzapfen 154. In der gleichen Weise hat das Einzelgelenk 142 ein Auge 150, eine Buchse 152 und ebenfalls einen Gelenkzapfen, der mit dem Gelenkzapfen 154 identisch ist.
Der Gelenkzapfen 154 ist ein ungefähr L-förmiges Teil, das unter einem bestimmen Winkel zum Erzeugen der V-Form der Drehstabfeder 118 gebogen ist. Der Gelenkzapfen 154 hat ein erstes maschinell bearbeitetes Ende 160, das einen Teil des Einzelgelenkes 140 bildet, und ein zweites maschinell bearbeitetes Ende 162, das einen Teil des Einzelgelenkes 142 bildet. Die Enden 160 und 162 sind durch einen zentralen Abschnitt 164 miteinander verbunden. Jedes Ende 160 und 162 hat einen geformten Durchmesser 166, der zu der Buchse 152 paßt und einen allgemein rechteckigen Abschnitt 168, der dazu benutzt wird, die Drehstabfeder 118 unter Verwendung eines Befestigungsteils 170 an der Antriebsachse 14 anzubringen, wie in 3 gezeigt ist.
Jede der Endgelenkverbindungen 132 besteht aus einem Auge 150, eine Buchse 152 und einem Innenteil 174. Das Innenteil 174 ist ein gerader Zapfen, der einen geformten Durchmesser 176 definiert, welcher zu der Buchse 152 paßt. Das Innenteil 174 hat ferner zwei allgemein rechteckige Abschnitte 178, die dazu dienen, die Drehstabfeder 118 unter Verwendung eines Befestigungsteils 180 am Rahmen 12 anzubringen, wie in 3 zu sehen ist.
Die Montage der Drehstabfeder 118 umfaßt die maschinelle Bearbeitung beider Enden der Rohre 34, derart, daß sie den Außendurchmessern der Augen 150 entsprechen. Vorgeformte Augen 150 werden dann an jedem Ende der Rohre 34 angeschweißt. Der vorgeformte Gelenkzapfen 154 und die Innenteile 174 werden dann in eine entsprechende Buchse 152 eingesetzt, und die Buchse 142 wird mit den Teilen 154 und 174 haftend verbunden. Ein Innenteil 174 und eine Buchse 152 werden in ein entsprechendes Auge 150 durch Komprimieren der Buchse 152 eingesetzt, während die Buchse 152 in das Auge 150 eingesetzt wird. Die speziellen Abmessungen des Auges 150 und der Buchse 152, die auf das Innenteil 174 montiert werden, bestimmen den Grad an Kompression der Buchse 152. Das zweite Innenteil 174 und die Buchse 152 werden in derselben Weise in ein entsprechendes Auge 150 eingesetzt. Schließlich werden der Gelenkzapfen 154 und seine beiden Buchsen 152 in ihre beiden zugehörigen Augen 154 eingesetzt. Diese Montage der Teile 154 und 174, der Buchsen 152 und der Augen 150 kann einzeln, gruppenweise oder auch gleichzeitig erfolgen. Wenngleich nach der obigen Beschreibung die Buchse 52 mit den Teilen 154 und 174 zusammengebaut und dann in die Augen 150 eingesetzt wird, können natürlich auch zuerst die Buchsen 152 in die Augen 150 und erst dann die Teile 154 und 174 eingesetzt werden, falls dies zweckmäßig ist. Wenngleich die Drehstabfeder 118 als geschweißte Rohrkonstruktion dargestellt ist, kann die Drehstabfeder 118 auch als Gußteil, Schmiedeteil, Schweißteil, Kunststoffteil aus einem polymeren Werkstoff oder in anderer Weise ausgebildet sein.
Die dargestellte und beschriebene Drehstabfeder 118 hat für den Hersteller zahlreiche Vorteile. Ein Vorteil ist die Vereinheitlichung der Teile zwischen den Endgelenkverbindungen 132 und der Spitzengelenkverbindung 130. Wenngleich es nicht unbedingt erforderlich ist, daß alle diese Bauteile dieselben oder gleichen sind, bietet die Konstruktion die Möglichkeit, sie gleich auszubilden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich eine beträchtliche Spannungsverringerung in den metallischen Bauteilen verwirklichen läßt, wenn die Drehstabfeder 118 so eingebaut wird, daß die Längsachse jedes Stabes durch die Buchse an der Apex (Spitze) verläuft. Die Spannungen in den metallischen Bauteilen kann um bis zu 70% verringert werden. Außerdem minimiert diese Konstruktion die auf die Buchsen ausgeübten seitlichen Kräfte und verringert die seitlichen Bewegungen der Buchsen.

Claims

Drehstabfeder für Kraftfahrzeuge, V-förmig ausgebildet mit: einer ersten Endgelenkverbindung (132), einem ersten Stab (34), der an der ersten Endgelenkverbindung (132) befestigt ist, einer zweiten Endgelenkverbindung (132), einem zweiten Stab (34), der an der zweiten Endgelenkverbindung (132) befestigt ist, und einer Spitzengelenkverbindung (130), die an dem ersten und zweiten Stab (34) befestigt ist und aufweist: ein erstes Auge (150), das am ersten Stab (34) eine erste Bohrung definiert, eine erste Buchse (152), die in der ersten Bohrung des ersten Auges (150) angeordnet ist, ein zweites Auge (150), das am zweiten Stab (34) eine zweite Bohrung definiert, eine zweite Buchse (152), die in der zweiten Bohrung des zweiten Auges (150) angeordnet ist, und einen L-förmigen Gelenkzapfen (154), der sowohl in der ersten wie auch in der zweiten Buchse (152) angeordnet ist und der ein erstes Ende (160) angrenzend an die erste Buchse (152) und ein zweites Ende (162) angrenzend an die zweite Buchse (152) aufweist, während das erste (160) und das zweite Ende (162) jeweils über ein eigenes Befestigungsteil (170) an einer Antriebsachse (14) des Kraftfahrzeuges befestigt sind.
Drehstabfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkzapfen (154) das erste geformte Ende (160), das zweite geformte Ende (162) und einen zentralen Abschnitt (164) aufweist, der zwischen den beiden geformten Enden (160, 162) angeordnet ist.
Drehstabfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des ersten Stabes (34) durch die erste Buchse (152) verläuft.
Drehstabfeder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des ersten Stabes (34) durch die Mitte der ersten Buchse (152) verläuft.
Drehstabfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des zweiten Stabes (34) durch die zweite Buchse (152) verläuft.
Drehstabfeder nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des zweiten Stabes (34) durch die Mitte der zweiten Buchse (152) verläuft.
Drehstabfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Form eines V hat, dessen eingeschlossener Winkel durch den Gelenkzapfen (154) definiert wird.