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Die Erfindung bezieht sich auf ein Schwenklager für eine Fahrzeugradaufhängung, umfassend eine oder mehrere Anbindungsstellen zur Ankopplung von Radführungsgliedern und eine Radlageraufnahme, welche in Form eines Rings mit einer Innenkontur und einer Außenkontur ausgebildet ist, wobei die Innenkontur eine Anlagefläche für ein Radlager definiert, welche einen in Umfangsrichtung konstanten Radius aufweist.
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Schwenklager, welche auch als Radträger oder Achsschenkel bezeichnet werden, stellen die Verbindung zwischen einem Dämpfer oder Federbein, einem Radlager sowie einer Spurstange und einem Führungsgelenk an der Vorderachse eines Kraftfahrzeugs her. Da Schwenklager den ungefederten Massen am Fahrzeug zuzurechnen sind, besteht ein großes Interesse daran, diese möglichst leichtgewichtig auszubilden. Üblicherweise sind diese als Guss- oder Schmiedeteile aus Stahl ausgebildet, können jedoch auch aus Leichtmetall gefertigt sein. Im Fahrbetrieb werden Schwenklager u. a. durch Dämpfer- und/oder Federkräfte und Radführungskräfte beansprucht. Zudem müssen Bremsmomente aufgenommen werden. Diese Kräfte und Momente stellen neben der Einbausituation die wesentlichen Rahmenbedingungen für die Konstruktion dar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zur weiteren Gewichtsverminderung aufzuzeigen.
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Hierzu wird ein Schwenklager gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass die Außenkontur des Rings in Bezug auf die Anlagefläche der Innenkontur eine Unrundheit aufweist, wodurch der Ring eine in Umfangsrichtung variierende Wanddicke besitzt.
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Durch Anpassung der Wanddicke der Radlageraufnahme an die benötigte Stützwirkung kann im Bereich der Radlageraufnahme Material eingespart werden und somit das Bauteilgesamtgewicht des Schwenklagers reduziert werden. Im Vergleich zu einem Schwenklager mit konstanter Wanddicke an der Radlageraufnahme besteht ein Gewichtseinsparpotential von ca. 5 bis 10%.
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Je nach Anbindung der Radbremse sowie der Radführungsglieder, worunter vorliegend ganz allgemein auch ein gegebenenfalls am Schwenklager angreifender Dämpfer oder ein Federbein sowie eine Spurstange verstanden werden, sind Wandaufdickungen und Wanddickenverminderungen an die jeweilige Einbausituation in der Radaufhängung anzupassen. Die erforderlichen Wanddickenvariationen können beispielsweise durch Analyse der Spannungen und/oder Verformungen eines entsprechenden Schwenklagers mit konstanter Wanddicke bestimmt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
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Vorzugsweise ist die Radlageraufnahme so gestaltet, dass Abschnitte des Rings mit unterschiedlicher Wanddicke kontinuierlich ineinander übergehen. Hierdurch kann eine gute Homogenisierung der im Bauteil unter Last auftretenden Spannungen erzielt werden.
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Bevorzugt gehen die Abschnitte des Rings mit unterschiedlicher Wanddicke sprungfrei ineinander über, so dass lokale Spannungskonzentrationen vermieden werden.
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Die Variation der Wanddicke kann in Abhängigkeit eines oder mehrerer Lastfälle vorgenommen sein, wobei Bereiche mit höherer Belastung eine größere Wanddicke und Bereiche mit geringerer Belastung eine kleinere Wanddicke aufweisen. Über definierte Lastfälle können die im Fahrbetrieb auftretenden Belastungen gut abgebildet werden.
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Grundsätzlich kann die Wanddickenvariation an einem einzigen Lastfall orientiert werden, wodurch sich der Abstimmungsaufwand gering halten lässt. Vorzugsweise werden als Lastfälle jedoch eine Geradeausfahrt und mindestens eine Kurvenfahrt mit definierten Kurvenparametern an einem standardisierten Fahrzeug zur Abstimmung der Wanddicken herangezogen. Versuche haben gezeigt, dass sich hierdurch gute Ergebnisse erzielt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Unrundheit der Außenkontur als Abweichung vom mittleren Radius der Außenkontur definiert. Sie beträgt 1 bis 5% des mittleren Radius der Außenkontur, wobei der mittlere Radius die Hälfte der Summe aus maximalem und minimalem Radius der Außenkontur ist. Obgleich die Wanddickenvariation verhältnismäßig gering ist, können hierdurch an einem Stahlguß-Schwenklager für ein Personenkraftfahrzeug Gewichtsersparnisse von ca. 140 g erzielt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann an einem Schwenklager für ein linkes Vorderrad der Ring bei einem Umfangswinkel im Bereich von 80 bis 110°, bei einem Umfangswinkel im Bereich von 170 bis 210° und bei einem Umfangswinkel im Bereich von 350 bis 20° eine erhöhte Wanddicke vorgesehen werden, wobei der Umfangswinkel im mathematischen Drehsinn auf eine 12 Uhr Stellung in Einbaulage bei Betrachtung von der Radseite her als Nulllage bezogen ist. Beim rechten Vorderrad erfolgt die Anordnung der Bereiche mit erhöhter Wanddicke spiegelbildlich. Dies ermöglicht eine sowohl bei Geradeausfahrt als auch bei Kurvenfahrt günstige Spannungsverteilung in der Radlageraufnahme.
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Weiterhin kann das Schwenklager so ausgestaltet sein, dass ein Lageraußenring eines Radlagers mit der Anlagefläche der Innenkontur verpresst ist. Die ermöglicht eine einfache und platzsparende Befestigung des Radlagers und vermeidet durch etwaige Befestigungsmittel induzierte Spannungskonzentrationen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine räumliche Ansicht eines Ausführungsbeispiels für ein Schwenklager nach der Erfindung,
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2 eine Detailansicht der Radlageraufnahme im Schnitt mit eingebautem Radlager, und in
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3 verschiedene Varianten a bis c von Radlageraufnahmen nach der Erfindung mit variierender Wanddicke sowie in d eine Radlageraufnahme mit konstanter Wanddicke.
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Das Ausführungsbeispiel zeigt ein Schwenklager 1 für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs am Beispiel einer Vorderachse eines Personenkraftfahrzeugs.
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Dabei stellt das Schwenklager 1 ein Verbindungsglied zwischen einem Dämpfer oder Federbein, einem Radlager, einer Spurstange und einem Führungsgelenk dar. Jedoch kann auch einen andere Konfiguration der fahrzeugseitigen Schnittstellen vorgesehen sein.
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Zur Ankopplung der genannten Komponenten bildet das Schwenklager 1 des Ausführungsbeispiels verschiedene Anbindungsabschnitte aus, welche vorliegend in ein einstückiges Bauteil integriert sind.
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Als Dämpfer- oder Federbeinaufnahme dient ein im Wesentlichen zylindrischer Hülsenabschnitt 10. Der Hülsenabschnitt 10 weist an einer radabgewandten Seite einen Längsschlitz sowie eine an den Außenumfang des Hülsenabschnitts angeformte Klemmeinrichtung auf. Letztere ermöglicht ein Verspannen der Hülsenhälften zur Festlegung beispielsweise eines Endabschnitts eines Behälterrohres eines Dämpfers. Die Längsachse A des Hülsenabschnitts 10 kann in Einbaulage des Schwenklagers zur Vertikalrichtung B mit einem Winkel von bis zu 10 Grad angestellt sein.
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Der Hülsenabschnitt 10 ist über Stege 11 mit einem Mittelabschnitt 12 verbunden, der eine Radlageraufnahme 13 aufweist. Die Radlageraufnahme 13 bildet einen Ring 14 mit einer Außenkontur 15 und einer Innenkontur 16 aus. Der Radialabstand zwischen der Außenkontur 15 und der Innenkontur 16 stellt die Wanddicke des Rings 14 dar.
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Die Innenkontur 16 des Rings 14 definiert eine Anlagefläche für ein Radlager 20, welches in 3 dargestellt ist. Dessen Drehachse C steht senkrecht zur Vertikalrichtung B.
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Das Radlager 20 weist vorliegend einen einteiligen Lageraußenring 21 auf, der in die Innenkontur 16 der Radlageraufnahme 13 axial eingepresst ist. Ferner weist das zweibahnig ausgebildete Radlager 20 zwei Lagerinnenringe, nämlich einen radseitigen Lagerinnenring 22 und einen getriebeseitigen Lagerinnenring 23 auf, die an einer Radnabe 30 festgelegt sind.
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Weiterhin weist das Schwenklager 1 einen Spurstangenanbindungsarm 17 auf, der, bezogen auf die Vertikalrichtung B in Einbaulage, unterhalb der Drehachse C des Radlagers 20 vom Mittelabschnitt 12 entgegen der Vorwärtsfahrtrichtung absteht und an seinem Ende eine Ankopplungsstelle 17a zur Ankopplung einer Spurstange aufweist. Der Spurstangenanbindungsarm 17 kann durch mehrere Stege 17b gebildet werden, welche eine Gitterstruktur mit mehreren Durchbrechungen 17c bilden.
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An der dem Spurstangenanbindungsarm 17 gegenüberliegenden Seite weist der Mittelabschnitt 12 zwei Vorsprünge 18 auf, welche der Ankopplung eines Bremssattels dienen. Jeder Vorsprung 18 kann an seinem freien Ende ein Auge 18a ausbilden, das über je zwei Stege 18b und 18c mit dem Mittelabschnitt verbunden ist. Zwischen den Stegen 18b und 18c kann jeweils eine Durchbrechung 18d vorgesehen sein. Einer der Vorsprünge 18 kann in Vertikalrichtung oberhalb, der andere hingegen unterhalb der Drehachse C angeordnet sein.
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Das Schwenklager 1 weist ferner einen Führungsgelenkanbindungsabschnitt 19 zur Ankopplung eines Radführungslenkers auf. Der Führungsgelenkanbindungsabschnitt 19 ist bezogen auf die Einbaulage am Fahrzeug unterhalb der Radlageraufnahme 13 angeordnet und weist eine Ankopplungsstelle 19a zur Ankopplung eines entsprechenden Gelenks des Radführungslenkers auf.
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Zur Verminderung des Bauteilgewichts des Schwenklagers 1 weist der Ring 14 der Radlageraufnahme 13 eine variierende Wanddicke auf. Dabei ist gleichwohl die Innenkontur 16, welche die Anlagefläche für das Radlager 20 definiert, in Umfangsrichtung mit einem konstanten Radius versehen. Die Anlagefläche ist somit in Umfangsrichtung kreisförmig.
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Die Wanddickenvariation des Rings 14 wird allein durch die Formgebung der Außenkontur 15 bewerkstelligt, so dass dieser eine Unrundheit besitzt.
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Diese Unrundheit und die damit verbundene Variation der Wanddicke ist in Abhängigkeit eines oder mehrerer Lastfälle vorgenommen, wobei Bereiche mit höherer Belastung eine größere Wanddicke und Bereiche mit geringerer Belastung eine kleinere Wanddicke aufweisen. Es ergibt sich somit eine belastungsabhängige Wanddickenvariation.
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Die jeweiligen Bereiche können mit beispielsweise mit Finite-Element-Methoden bestimmt oder auch experimentell ermittelt werden. Sie hängen von der individuellen Konfiguration des jeweiligen Schwenklagertyps ab und lassen sich nicht generalisieren. Wesentlich ist jedoch, dass durch die belastungsabhängige Wanddickenvariation am Ring 14 der Radlageraufnahme 13 ein Verringerung des Bauteilgesamtgewichts in der Größenordnung von etwa 5 bis 10% im Vergleich zu einem Ring 14‘ mit konstanter Wanddicke wie in 3d dargestellt erzielt werden kann, und zwar ohne Einbußen im Hinblick auf die Tragfähigkeit des Schwenklagers 1.
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Eine Möglichkeit zur Abstimmung der Wanddickenvariation in Umfangsrichtung besteht darin, am Lageraußenring 21 im Bereich der radseitigen und getriebeseitigen Wälzkörperlaufbahnen umlaufende Knotenlinien festzulegen, entlang derer mit Finite-Element-Methoden die Verschiebungen der Knoten bei vordefinierten Lastfällen bestimmt werden. Für die einzelnen Knoten wird anschließend die radiale Verschiebung gegenüber der Ausgangslage bestimmt. Hieraus ergeben sich dann die vom Umlaufwinkel φ abhängigen Rundheitsabweichungen für den jeweiligen Lastfall. Der Umfangswinkel φ ist für ein linkes Schwenklager im mathematischen Drehsinn auf eine Nulllage bezogen, die der 12-Uhr-Stellung in Einbaulage bei Betrachtung von der Radseite her entspricht. Für das rechte Schwenklager gilt dies spiegelbildlich.
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Auf diese Weise können für einen Ring 14 mit konstanter Wanddicke die Umfangsbereiche mit den größten Radialverschiebungen bestimmt und an diesen Stellen die Wanddicke erhöht, in Bereichen der kleinsten Radialverschiebungen die Wanddicke hingegen verkleinert werden. Wird dieser Prozess mehrfach durchlaufen, erhält man den für das jeweilige Schwenklager 1 gesuchten Wanddickenverlauf für den Ring 14 der Radlageraufnahme 13 in Abhängigkeit des Umfangswinkels φ.
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Der gefundene Wanddickenverlauf kann so geglättet werden, dass Abschnitte des Rings 14 mit unterschiedlicher Wanddicke kontinuierlich ineinander übergehen. Zudem kann der Wanddickenverlauf in Umfangsrichtung zur Vermeidung von Spannungskonzentrationen sprungfrei ausgebildet werden.
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Die Abstimmung des Wanddickenverlaufs kann in Abhängigkeit eines einzelnen Lastfalls vorgenommen werden. 3a zeigt einen Wanddickenverlauf, der auf eine Geradeausfahrt abgestimmt ist. 3b zeigt einen weiteren Wanddickenverlauf, der auf eine definierte Kurvenfahrt abgestimmt ist, d.h. auf das Durchfahren einer Kurve durch ein standardisiertes Fahrzeug mit vorgegebener Geschwindigkeit und vorgegebenem Kurvenradius. Wie gut zu erkennen ist, ergeben sich hier unterschiedliche Wanddickenverläufe.
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3c zeigt einen Wanddickenverlauf, der auf beide vorgenannten Lastfälle, d.h. eine Geradeausfahrt und eine Kurvenfahrt mit definierten Kurvenparametern abgestimmt ist. Bei der Abstimmung können beide Lastfälle gleich oder unterschiedlich gewichtet werden. Zudem ist es möglich, weitere Lastfälle in die Abstimmung mit einzubeziehen.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf die beschriebene Vorgehensweise beschränkt. Vielmehr können zur Bestimmung der Wanddickenvariation auch andere Größen herangezogen werden, welche deutlich mit der Belastung im Ring 14 der Radlageraufnahme 13 korrelieren.
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Möglich ist insbesondere auch eine Vorgehensweise, welche auf der Ermittlung der im Ring 14 auftretenden Spannungen bei einem oder mehreren Lastfällen beruht.
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Die aus dieser Vorgehensweise resultierende Unrundheit der Außenkontur 15 kann als Abweichung vom mittleren Radius der Außenkontur 15 verstanden werden. Sie liegt in der Größenordnung von 1 bis 5% des mittleren Radius, wobei der mittlere Radius die Hälfte der Summe aus maximalem und minimalem Radius der Außenkontur 15 ist.
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Für das in 1 dargestellte Schwenklager 1 eines linken Vorderrads ergeben sich bei Abstimmung auf Geradeausfahrt und Kurvenfahrt erhöhte Wanddicken bei Umfangswinkeln φ zumindest in den Bereichen von 80 bis 110°, 170 bis 210° und 350 bis 20°.
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Es versteht sich, dass bei einer anderen Ausgestaltung der Bremsen-, Dämpfer-, Spurstangen- und Führungsgelenkanbindung die Bereiche erhöhter und reduzierte Wanddicke in Umfangsrichtung anders verteilt sein können. Der jeweilige Wanddickenverlauf lässt sich mit der oben beschriebenen Vorgehensweise für jeden Schwenklagertyp bestimmen. In allen Fällen ergibt sich aus der Wanddickenvariation und der Unrundheit der Außenkontur 15 der Radlageraufnahme 14 in Umfangsrichtung ein Gewichtseinsparpotential, welches es erlaubt, ohne Einbußen an Tragfähigkeit die ungefederten Massen an einem Kraftfahrzeug zu reduzieren.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schwenklager
- 10
- Hülsenabschnitt
- 11
- Steg
- 12
- Mittelabschnitt
- 13
- Radlageraufnahme
- 14
- Ring
- 15
- Außenkontur
- 16
- Innenkontur
- 17
- Spurstangenanbindungsarm
- 17a
- Ankopplungsstelle
- 17b
- Steg
- 17c
- Durchbrechung
- 18
- Vorsprung zur Radbremsenankopplung
- 18a
- Auge
- 18b
- Steg
- 18c
- Steg
- 18d
- Durchbrechung
- 19
- Führungsgelenkanbindungsabschnitt
- 19a
- Ankopplungsstelle
- 20
- Radlager
- 21
- Lageraußenring
- 22
- radseitiger Lagerinnenring
- 23
- getriebeseitiger Lagerinnenring
- 30
- Radnabe
- A
- Dämpferachse
- B
- Vertikalrichtung
- C
- Drehachse des Radlagers
- D
- Horizontale
- φ
- Umfangswinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011016628 A1 [0002]
- EP 1314630 A2 [0002]
- DE 10212873 A1 [0002]
