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Die
Erfindung betrifft einen Lenker einer Radaufhängung eines
Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Derartige
Lenker werden beispielsweise als Längs- oder Querlenker
in Mehrlenkerachsen oder Dreieckslenker in Federbeinachsen von Kraftfahrzeugen
eingesetzt. Bei der Auslegung solcher Lenker sind eine Vielzahl
von zum Teil widerstreitenden Zielen miteinander in Einklang zu
bringen. Für eine möglichst leichtgewichtige Ausgestaltung
ist es wünschenswert, den Lenker dünnwandig auszubilden oder
Leichtbauwerkstoffe einzusetzen. Andererseits muss jedoch stets
eine ausreichende Tragfähigkeit gewährleistet
werden. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass der Lenker
im eingebauten Zustand in einem Kraftfahrzeug während des
Fahrbetriebs komplexen Belastungen unterworfen wird, wobei einzelne
Bereiche stärker, andere hingegen schwächer beansprucht
werden.
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Im
Hinblick auf ein möglichst geringes Gewicht und eine hohe
Bauteilfestigkeit wird daher angestrebt, die Geometrie des Lenkers
den auftretenden Belastungen anzupassen. Gerade durch die fertigungstechnischen
Möglichkeiten sind hier jedoch deutliche Grenzen gesetzt.
Diese liegen nicht allein im technologischen Bereich. Vielmehr sind
bei einer Serienfertigung vor allem wirtschaftliche Gesichtspunkte
zu berücksichtigen, die sich in dem Erfordernis einer möglichst
einfachen und kostengünstigen Herstellung widerspiegeln.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, Lenker aus faserverstärktem
Kunststoff herzustellen. Aus der
US 4,557,500 A1 ist eine vordere oder hintere
Aufhängung für ein Kraftfahrzeug mit einer Blattfeder
aus Verbundmaterial bekannt, wobei die Blattfeder am Gestell des
Fahrzeuges befestigt ist und mit ihrem freien Ende den Radträger
und den Stoßdämpfer stützt, wobei die
Blattfeder in ihrer vertikalen Symmetrieebene eine Höhe
aufweist, die etwa ab ihrem Befestigungspunkt am Fahrgestell zu dem
oder den Enden hin zunimmt, welche die Radstützen tragen.
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Aus
der
US 6,811,169 B2 ist
eine Radaufhängung bekannt, bei welcher eine Blattfeder
aus einem Kunststoffverbund-Material mit annähernd rechteckigem
Querschnitt einen sinusförmigen Verlauf aufweist, wobei
ein Ende der Blattfeder mit dem Radträger verbunden und
ein anderer Abschnitt karosserieseitig eingespannt ist.
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Aus
der
DE 10 2006
024 605 A1 ist schließlich ein Lenker gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, welcher aus einem faserverstärktem
Kunststoffmaterial besteht und mit einem Endabschnitt letztlich
an einem Radträger oder dergleichen angelenkt ist, während
der andere Endabschnitt des Lenkers am Fahrzeug-Aufbau abgestützt
ist, wobei der Lenker bezüglich des Radträgers bzw.
bezüglich des an diesem angebrachten Rades sowohl eine
Führungsfunktion als auch eine Federungsfunktion wahrnimmt
und für letzteres nach Art eines Biegebalkens ausgebildet
ist. Dieser Lenker weist einen relativ biegesteifen Abschnitt auf,
der sich vom Radträger zu einer geeigneten, eine gewünschte
Radträger-Bewegung ermöglichenden gelenkigen, als
Schwenkachse dienenden Abstützung am Fahrzeug-Aufbau erstreckt.
Hieran anschließend weist der Lenker einen demgegenüber
biegeweicheren Abschnitt auf, der mit seinem freien Ende ebenfalls letztlich
am Fahrzeug-Aufbau abgestützt ist.
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Bei
diesem Lenker gemäß der
DE 10 2006 024 605 A1 wird
also eine quasi zweigeteilte Lenkerausführung vorgeschlagen,
wobei sowohl die Führungsfunktion als auch die Federungsfunktion
in einem einzigen Lenker bzw. einem einzigen, zusammenhängenden
Bauteil integriert sind. Dabei weist dieser Lenker zwei Abschnitte
mit höchst unterschiedlichem Querschnitt auf. Ein biegeweicher,
als Blattfeder ausgebildeter Abschnitt des Lenkers übernimmt
dabei die Federungs-Funktion, während die Radführungs-Funktion
von einem biegesteiferen Abschnitt mit kreisrunden Querschnitt übernommen wird,
der sich von einem Radträger zu einem geeigneten gelenkigen
Anlenkpunkt am Fahrzeug-Aufbau erstreckt. Jenseits dieses gelenkigen
Anlenkpunktes, d. h. an von dem Radträger abgewandte Seite
des Anlenkpunktes, schließt sich dann der zweite, die Federungs-Funktion übernehmende
Abschnitt des Lenkers an. Durch diese Ausgestaltung lässt
sich eine erhebliche Bauraum-Reduzierung erzielen und es wird möglich,
die sonst notwendige Schraubenfeder, welche koaxial um einen Stoßdämpfer
angeordnet ist, nicht mehr zu verbauen.
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Jedoch
bietet auch dieser bekannte Lenker noch Möglichkeiten für
Verbesserungen. Denn nachteilig an dieser Ausgestaltung eines Lenkers
ist der relativ komplexe Querschnitt des Lenkers über seine Länge,
welcher einen flachen, als Biegefeder dienenden Abschnitt und einen
sich daran fließend anschließenden rohrförmigen
Abschnitt mit kreisrundem Querschnitt aufweist. Ein solches Bauteil
erfordert einen hohen Herstellaufwand, zumal der Lenker aus einem
faserverstärkten Kunststoff besteht, wobei die zwei höchst
unterschiedlichen Abschnitte aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen
Lenker der eingangs geschilderten Art zu schaffen, welcher einfach
herzustellen ist und welcher sowohl die Führungsfunktion als
auch die Federungsfunktion an der Radaufhängung dauerhaft
wahrnehmen kann.
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Die
Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des
Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar
sind.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die gestellte
Aufgabe dadurch lösen lässt, dass der Lenker als
ein über seine gesamte Länge geschlossenes Hohlprofil
ausgebildet ist. Unter einem Lenker mit einem geschlossenen Hohlprofil
wird definitionsgemäß ein Lenker verstanden, dessen Querschnittsgeometrie
senkrecht zur Längserstreckung desselben unter Einschluss
eines Hohlraumes einen geschlossenen Verlauf aufweist, also bei spielsweise
einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt aufweist,
nicht jedoch einen U-förmigen Querschnitt. Ein solcher
Lenker lässt sich vergleichsweise einfach herstellen sowie
baulich an alle Lasterfordernisse anpassen.
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Demnach
geht die Erfindung aus von einem Lenker einer Radaufhängung
eines Fahrzeugs, der mit einem Endabschnitt an einem Radträger
eines Rades angelenkt ist, während der andere Endabschnitt
des Lenkers am Fahrzeug-Aufbau abgestützt ist, wobei der
Lenker aus faserverstärktem Kunststoffmaterial besteht
und wobei der Radträger durch den Lenker geführt
und gefedert ist. Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht
die Erfindung außerdem vor, dass der Lenker über
seine gesamte Länge zwischen seinen Endabschnitten als
umfänglich geschlossenes Hohlprofil ausgebildet ist.
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Überraschend
konnte festgestellt werden, dass sich mit dieser Ausgestaltung der
aus der
DE 10 2006
024 605 A1 bekannte Lenker auf einfache Weise entscheidend
vereinfachen und verbessern lässt, nämlich dadurch,
dass der Lenker über seine gesamte Länge als umfänglich
geschlossenes Hohlprofil ausgebildet ist. Dies erleichtert nicht
nur auf besondere Weise die Herstellbarkeit des Faserverbund-Lenkers,
sondern auch seine Eigenschaften hinsichtlich seiner zur Führung
des Rades notwendigen Steifigkeit und seines Federungsvermögens
zur Abfederung des Rades. Denn mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten
Lenker lässt sich auf die sonst notwendige Schraubenfeder
verzichten, welche bisher koaxial um einen Stoßdämpfer
herum angeordnet und gegebenenfalls mit dem Lenker verbunden ist.
Die individuell auszuwählende Querschnittsgeometrie des
Lenkers über dessen Länge macht eine optimale
Führung eines Rades und seine Federung möglich.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Lenker über seine
gesamte Länge oder in Abschnitten seiner Länge
zwischen den Endabschnitten eine geschlossene Querschnittsgeometrie
aufweist, die zumindest einer speziellen Polynomfunktion folgt.
Diese Polynomfunktion ist derart, dass sie den Belastungsverlauf
des Lenkers über dessen Längserstreckung während
des Betriebs berücksichtigt. So kann vorgesehen sein, dass
der Lenker über seine gesamte Länge zwischen den
Endabschnitten oder in Abschnitten seiner Länge eine kreisförmige
oder eine elliptische Querschnittsgeometrie aufweist. Weiter kann
der Lenker über seine gesamte Länge zwischen den
Endabschnitten oder in Abschnitten seiner Länge eine kreuzförmige
oder kleeblattförmige Querschnittsgeometrie aufweisen.
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Dabei
braucht die genannte Querschnittsgeometrie über die Länge
des Lenkers nicht konstant sein. Daher sieht eine weitere Ausgestaltung
der Erfindung vor, dass die kreisförmige, elliptische,
kreuzförmige oder kleeblattförmige Querschnittsgeometrie des
Lenkers zwischen den Endabschnitten desselben oder in Abschnitten
seiner Länge unterschiedlich ausgebildet ist. Auch bei
dieser Formgebung wird das grundlegende Bauprinzip der Erfindung
eingehalten, wobei der Lenker jedoch über seine Längserstreckung
unterschiedliche Querschnittsgeometrien aufweist.
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In
diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die senkrecht zur
Längserstreckung des Lenkers ausgebildeten Stege der kreuzförmigen
oder kleeblattförmige Querschnittsgeometrie (also die Kreuz-Schenkel
oder die Kleeblatt-Schenkel) über die axiale Erstreckung
des Lenkers unterschiedliche Ausdehnungen aufweisen. Die unterschiedliche
Ausdehnung kann dabei die Breite senkrecht zur Längserstreckung
des Lenkers und/oder die Wanddicke des Lenkers an der jeweiligen
Stelle betreffen. So kann weiter vorgesehen sein, dass die Wandstärken des
Lenkers über dessen axiale Erstreckung aber auch in der
gleichen Querschnittsebene unterschiedlich ausgebildet sind.
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Gemäß einer
anderen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Material, aus dem
der Lenker aufgebaut ist, über dessen axiale und/oder radiale
Erstreckung unterschiedlich ausgebildet ist. Beispielsweise kann
die Orientierung bzw. der Anstellwinkel der verbauten Fasern zur
Längsachse des Faserverbund-Lenkers über deren
Längserstreckung unterschiedlich sein. Ebenso ist es möglich,
in Abhängigkeit von der Längserstreckung des Lenkers
den Faservo lumenanteil zu variieren, um den Lenker an der jeweiligen
Stelle gezielt biegeweicher oder biegesteifer zu gestalten.
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Weiter
sieht die Erfindung vor, dass der Lenker als Längslenker
ausgebildet ist. Alternativ oder kumulativ kann vorgesehen sein,
dass der Lenker als Querlenker ausgebildet ist.
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In
anderen praktischen Weiterbildungen kann vorgesehen sein, dass das
Hohlprofil des Lenkers über seine Länge einen
S-Schlag aufweist, wobei eine Krümmung des Hohlprofils
von einem Endabschnitt bis zu dem anderen Endabschnitt eine Krümmungsumkehr
etwa in der Mitte der Krümmung aufweist.
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Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Lenker als
Kragarm ausgebildet ist, dessen Längssteifigkeit mit zunehmender
Auslenkung abnimmt.
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Ebenso
liegt es im Rahmen der Erfindung vorzusehen, dass die Endabschnitte
mit tangentialem Einlauf in die durch den Radträger und
durch den Fahrzeug-Aufbau gebildeten Lagerstellen eingreifen.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis zwischen der
Breite und der Höhe des als Rohr ausgebildeten Hohlprofils
zwischen 1,01:1 und 4:1, vorzugsweise 2:1 beträgt.
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Besonders
vorteilhaft ist schließlich eine Ausgestaltung der Erfindung,
die sich dadurch auszeichnet, dass das Hohlprofil des Lenkers aus
glasfaserverstärktem Kunststoff, aus kohlenstofffaserverstärktem
Kunststoff, aus kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff
oder aus einem langfaserverstärktem Thermoplast besteht.
Die Fasern erstrecken sich dabei vorzugsweise ungeschnitten von
einem axialen Ende zu dem anderen axialen Ende des Lenkers.
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Zur
Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung
beigefügt. In dieser zeigt
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Lenkers an einem Fahrzeugrad von der Seite,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Lenkers von hinten,
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3 den
Lenker aus 1 und 2 in perspektivischer
Ansicht,
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4 einen
Abschnitt des Lenkers aus 3 und 4 in
perspektivischer Ansicht, und
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5 einen
Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Lenker
mit nichtsymmetrischer Querschnittsgeometrie.
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Demnach
ist in 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Lenkers 1 einer hinteren Radaufhängung eines
nicht dargestellten Fahrzeugs von der Seite dargestellt. Der in 1 als
Längslenker 2 ausgebildete Lenker 1 ist
mit einem Endabschnitt 3 an einem Radträger 4 eines
Rades 5 angelenkt, während der andere Endabschnitt 6 des Lenkers 1 am
nur angedeuteten Fahrzeug-Aufbau 7 abgestützt
ist. Der Lenker 1 besteht aus einem faserverstärkten
Kunststoffmaterial und ist als umfänglich geschlossenes
Hohlprofil 8 bzw. Rohr ausgebildet, welches über
seine gesamte Länge zwischen den beiden Endabschnitten 3, 6 einen
elliptischen Querschnitt aufweist, worauf in Bezug auf die 3 und 4 noch
näher eingegangen werden wird.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
und ebenfalls als elliptisches Hohlprofil 8 ausgebildeten
Lenkers 1' einer Radaufhängung 9 von
hinten gesehen dargestellt. Bei dieser Radaufhängung 9 ist
der Längslenker 2', an welchem der Radträger 4 und
das Rad 5 angebracht sind, konventionell ausgebildet, ebenso
wie ein unterer Querlenker 10. Der Lenker 1',
welcher ansonsten wie der Lenker 1 aus 1 als
geschlossenes Hohlprofil 8 bzw. Rohr aufgebaut ist, ist
bei diesem Ausführungsbeispiel als oberer Querlenker 11 ausgebildet.
Entsprechend ist ein vorderer Endabschnitt 3' des Lenkers 1' mit
dem Längslenker 2' und ein hinterer Endabschnitt 6' des
Lenkers 1' mit dem Fahrzeug-Aufbau 7 verbunden.
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Der
Lenker 1 bzw. 1' ist in 3 in perspektivischer
Darstellung in einem Raum mit den Achsen X, Y und Z abgebildet.
Wie dort zu erkennen ist, weist der Lenker 1, 1' einen
S-Schlag, also eine Krümmung mit etwa in der Krümmungsmitte
befindlicher Krümmungsumkehr und eine dreifache Steigung
auf, insofern, dass je nach Lage des vorderen Endabschnitts 3, 3' und
des hinteren Endabschnitts 6, 6' des Lenkers 1, 1' die
Werte auf den Achsen X, Y, Z den Wert Null oder den Maximalwert
erreichen. Die genaue geometrische Ausbildung des S-Schlags hängt
unter anderem vom vorhandenen Bauraum und/oder von den auftretenden
Betriebslasten auf den Lenker 1, 1' ab.
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Ist
der Lenker als Längslenker 2 entsprechend der
Darstellung nach 1 ausgebildet, entspricht die
Y-Achse der Längsrichtung des Fahrzeuges. Hierbei fungiert
der Lenker 1 als Kragarm, dessen Längssteifigkeit
mit zunehmender Auslenkung abnimmt. Dabei hat sich insbesondere
der S-Schlag des Hohlprofils 8 als vorteilhaft hinsichtlich
der gewünschten Eigenschaften Steifigkeit einerseits und Federungsvermögen
andererseits herausgestellt, da in diesem Fall das Hohlprofil 8 bzw.
der Lenker 1, 1' als Torsionsfeder wirkt. Ebenfalls
von nicht unerheblicher Bedeutung hat es sich erwiesen, dass die
Endabschnitte 3, 3' bzw. 6, 6' mit
tangentialem Einlauf in die durch den Radträger 4 bzw.
durch den Fahrzeug-Aufbau 7 gebildeten Lagerstellen versehen bzw.
angeordnet sind.
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Die
zuvor beschriebene Ausgestaltung des Hohlprofils 8 ist
ein entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen
Lenkers 1, 1'. Denn die bislang nicht oder nicht
genügend berücksichtigten Querkräfte, welche
insbesondere auf einen Längslenker 1 einwirken,
werden bei der in 3 dargestellten Lösung
eines Längslenkers 2 bzw. eines Querlenkers 11 quasi aufgehoben,
so dass auf den Lenker 1, 1' nur eine Längskraft
FY und eine Normalkraft FZ einwirkt.
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In 4 ist
ein Endabschnitt 3 bzw. 3' des als elliptisches
Rohr ausgebildeten Hohlprofils 8 des Lenkers 1 bzw. 1' in
perspektivischer Darstellung mit Blick auf das Ende und das Innere
des Hohlprofils 8 gezeigt. Das Hohlprofil 8 weist
einen Außenmantel 12 und einen Innenmantel 13 auf,
deren radialer Abstand zueinander die Dicke D der Rohrwandung 14 definiert.
Die Dicke D der Rohrwandung 14 wird in Abhängigkeit
des gewählten Materials des Hohlprofils 8 derart
in ein Verhältnis zur Höhe H und zur Breite B
des Hohlprofils gesetzt, dass der Lenker 1, 1' bezüglich
der Funktionen Steifigkeit und Federungsvermögen optimiert
ist. Das Hohlprofil 8 schließt dabei einen Hohlraum 16 ein.
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Um
ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Führung,
also Steifigkeit, und Federung zu erzielen, dient auch die Abstimmung
zwischen der Höhe H und der Breite B des Hohlprofils 8.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel nach 4 beträgt
das Verhältnis zwischen Breite B und Höhe H 2:1,
so dass das Hohlprofil 8 den Querschnitt eines idealen
Ovals erhält. Es lassen sich aber auch andere Höhen-/Breitenverhältnisse
des elliptischen Querschnitts des Hohlprofils 8 bzw. Rohres
realisieren, solange von dem geschlossenen Querschnittsprofil des
Hohlprofils 8 nicht abgewichen wird. So kann das Verhältnis
B:H zwischen 1,01:1 bis 4:1 betragen.
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Wichtig
ist hierbei, dass der Umfang des Hohlprofils 8 über
seine gesamte Länge geschlossen ist, also dass keinerlei
Unterbrechungen in radialer bzw. axialer Richtung vorhanden sind.
Denn derartige Unterbrechungen in Form von jeweils nach außen offenen
Schlitzen, Bohrungen oder dergleichen würden die Federungs-
und Führungscharakteristika des Hohlprofils negativ beeinflussen
und im normalen Fahrbetrieb zudem die Gefahr darstellen, dass unerwünschte
Fremdkörper oder Wasser in das Hohlprofil 8 eindringen
und dieses beschädigen könnten.
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5 zeigt
schließlich einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Längsträger 1'', dessen Hohlprofil eine
kleeblattförmige bzw. kreuzförmige Querschnittsgeometrie
aufweist. Demnach weist der Längsträger 1'' zumindest über
einen mehr oder weniger langen Längsabschnitt vier miteinander verbundene
Stege 15a, 15b, 15c und 15c auf,
die in Abhängigkeit von der örtlich zu erwartenden
Betriebsbelastung des Längsträgers 1'' unterschiedliche
Steg-Geometrien aufweisen. Deutlich erkennbar weisen die Stege 15a und 15d eine
größere Erstreckung L1, L2 senkrecht zur Längsachse
des Längsträgers 1'' auf als die beiden
anderen Stege 15b und 15c. Zudem ist die Wanddicke
D1 des Steges 15a in diesem Ausführungsbeispiel
deutlich größer als die der anderen Stege 15b bis 15d,
sowie die Wanddicke D2 aller Stege 15a bis 15c radial
innen kleiner als radial außen (D1). Auch bei diesem Längsträger 1'' schließt
das durch die Stege 15a bis 15c gebildete Hohlprofil
einen Hohlraum 16 ein.
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Bezüglich
des Materials des Hohlprofils 8 kommen verschiedene Faser-Kunststoff-Verbund-Materialien
infrage, welche sowohl tragende als auch federnde Eigenschaften
aufweisen, insbesondere glasfaserverstärkter Kunststoff,
kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, kohlenstofffaserverstärkter
Kohlenstoff oder langfaserverstärkte Thermoplaste. Die
Ausrichtung, die Anzahl bzw. der Faservolumenanteil, der Durchmesser
und der Aufbau der Fasern sowie der sie umgebenden Matrix werden
nach den zu erwartenden fahrzeugspezifischen Betriebsbelastungen
und Einbauverhältnissen ausgewählt bzw. an diese
angepasst.
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- 1
- Lenker
- 1'
- Lenker
- 1''
- Lenker
- 2
- Längslenker
- 2'
- Längslenker
- 3
- Endabschnitt
des Lenkers 1
- 3'
- Endabschnitt
des Lenkers 1'
- 4
- Radträger
- 5
- Rad
- 6
- Endabschnitt
des Lenkers 1
- 6'
- Endabschnitt
des Lenkers 1'
- 7
- Fahrzeug-Aufbau
- 8
- Hohlprofil,
Rohr
- 9
- Radaufhängung
- 10
- Unterer
Querlenker
- 11
- Oberer
Querlenker
- 12
- Außenmantel
des Hohlprofils 8
- 13
- Innenmantel
des Hohlprofils 8
- 14
- Rohrwandung
- 15a
- Steg
- 15b
- Steg
- 15c
- Steg
- 15d
- Steg
- B
- Breite
des Hohlprofils 8
- D,
D1, D2
- Wandstärke
des Hohlprofils bzw. Stegs
- FY
- Längskraft
- FZ
- Normalkraft
- H
- Höhe
des Hohlprofils 8
- L1,
L2
- Ausdehnung,
Breite eines Stegs 15
- X
- Achse
- Y
- Achse
- Z
- Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4557500
A1 [0004]
- - US 6811169 B2 [0005]
- - DE 102006024605 A1 [0006, 0007, 0013]