DE19758292C2 - Stabilisator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stabilisator für Kraftfahrzeuge, der einen annähernd run­ den, vorzugsweise einen kreisrunden oder einen ringförmigen, vorzugsweise einen kreisringförmigen Querschnitt aufweist, aus mehreren Stabilisatorabschnitten besteht und im wesentlichen U-förmig ausgeführt ist, also aus zwei U-Schenkeln und einem U-Rücken besteht, wobei zwischen den U-Schenkeln und dem U-Rücken bogenförmi­ ge Übergangsbereiche vorgesehen sind.

Stabilisatoren der eingangs beschriebenen Art sind grundsätzlich bekannt, beispiels­ weise aus der DE 28 05 007 A1. Sie werden an den Vorder- und/oder Hinterachsen von Kraftfahrzeugen verwendet und dienen primär dazu, die Roll- und Wankneigung von Kraftfahrzeugen bei Kurvenfahrten zu verringern. U-förmig ausgeführte Stabili­ satoren werden mit den freien Enden der U-Schenkel an den Radführungsteilen befe­ stigt, während sie im Schulterbereich in am Fahrzeugaufbau angeordneten Gummila­ gern gelagert sind. Unter dem generell immer stärker Beachtung findenden Gesichts­ punkt der "Gewichtsreduzierung" werden seit einiger Zeit zunehmend Stabilisatoren mit kreisringförmigem Querschnitt, also aus Rohren gefertigte Stabilisatoren, soge­ nannte Rohrstabilisatoren verwendet.

Da nun bei Rohren die Beanspruchung höher ist als bei vergleichbaren Vollstäben (D_a Vollstab < D_a Rohr), erreichen sie bei hoher Belastung nicht die geforderte Anzahl an Lastwechseln bzw. können sie bei vorgegebener Anzahl an Lastwechseln nur für nied­ rigere Belastungen eingesetzt werden.

In der DE 28 05 007 A1 ist nun ein Stabilisator beschrieben, der aus einem U-förmig gebogenem Rohr besteht. Dabei soll die geforderte Anzahl an Lastwechseln bei einer vorgegebenen Beanspruchung dadurch erreicht werden, daß in allen Stabilisatorab­ schnitten gleiche Beanspruchungen vorliegen. Es handelt sich also um einen Stabili­ sator mit gleicher Beanspruchung in allen Stabilisatorabschnitten. Die Auslegung der bekannten Stabilisatoren unter dem Gesichtspunkt gleicher Beanspruchung hat dazu geführt, daß man die besonders hoch beanspruchten Bereiche verstärkt hat. (siehe Seite 6, zweiter Absatz und Seite 9, zweiter Absatz der DE 28 05 007 A1), nämlich durch Vergrößerung des Außendurchmessers, durch Vergrößerung der Wandstärke und/oder durch spezielles Härten der Übergangsbereiche. Gleichwohl ist in Fällen sehr hoher Beanspruchung bisher eine wirkungsvolle Gewichtsreduzierung bei Stabilisatoren nicht möglich gewesen bzw. haben die Stabilisatoren nicht der erforderlichen An­ zahl an Lastwechseln standgehalten.

Ein Rohrstabilisator der Art, wie er aus der DE 28 05 007 A1 bekannt ist, ist auch aus der DE 28 46 445 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Rohrstabilisator sind die beson­ ders hoch beanspruchten Bereiche dadurch verstärkt worden, daß die Wandstärke ver­ größert worden ist, beispielsweise auch dadurch, daß man in die besonders hoch bean­ spruchten Bereiche, nämlich in die bogenförmigen Übergangsbereiche zwischen den U- Schenkeln und dem U-Rücken, rohrförmige Einlagen eingebracht hat.

Das, was zuvor im Bezug auf die DE 28 05 007 A1 und die DE 28 46 445 A1 ausge­ führt worden ist, gilt auch für die aus der GB 2 058 688 A und aus der GB 2 058 689 A bekannten Stabilisatoren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Stabilisatoren, insbesondere Rohrstabili­ satoren, zur Verfügung zu stellen, die auch bei sehr hoher Beanspruchung die gefor­ derte Anzahl an Lastwechseln standhalten bzw. bei normalen Beanspruchungen eine noch größere Gewichtsreduzierung ermöglichen.

Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Stabi­ lisator der in Rede stehenden Art dadurch gelöst, daß in den wesentlichen Stabilisator­ abschnitten - abweichend vom Stabilisator gleicher Beanspruchung - unter Erhöhung der Beanspruchung des torsionsdominant beanspruchten U-Rückens durch Verlage­ rung von mechanischer Verformungsarbeit aus den Übergangsbereichen in den U- Rücken eine Schwingfestigkeitsoptimierung durchgeführt ist, so daß eine quasi- gleiche Schwingfestigkeit vorhanden ist. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß bei unterschiedlichen Beanspruchungsarten gleiche Beanspruchungen nicht zu gleicher Schwingfestigkeit führen, daß vielmehr ein torsionsdominant beanspruchter Stabili­ satorabschnitt bei gleicher Beanspruchung - gleiche Vergleichsspannung - eine grö­ ßere Schwingfestigkeit hat als ein normalspannungsdominant beanspruchter Stabili­ satorabschnitt.

Bei dem erfindungsgemäßen Stabilisator haben im Idealfall die wesentlichen Stabili­ satorabschnitte eine quasi-gleiche Schwingfestigkeit; dieses Ziel ist aber, bedingt durch Restriktionen (Grenzen für Durchmesser und Steifigkeit) nicht immer realisier­ bar, wobei die Optimierung aber immer in Richtung Idealfall vorzunehmen ist. Die Optimierung geschieht durch Verlagerung von mechanischer Verformungsarbeit aus dem hochbeanspruchten Schulterbogen- bzw. Schulterlagerbereich in den normaler­ weise niedriger beanspruchten U-Rücken und wahlweise zusätzlich auch in niedriger beanspruchte Bereiche der U-Schenkel. Dies wird erreicht, indem man den Schulter­ bogen- bzw. Schulterlagerbereich verstärkt, also den Außendurchmesser D_a und evtl. die Wandstärke t vergrößert, wodurch dort die Federrate ansteigt, und gleichzeitig den U-Rücken und wahlweise zusätzliche Bereiche der U-Schenkel schwächt, also den Außendurchmesser D_a und evtl. die Wandstärke t verringert, wodurch dort die Feder­ rate sinkt.

In den einzelnen Stabilisatorabschnitten sind die Basis-Querschnitte (vor dem Formen des Stabilisators) aus fertigungstechnischen und wirtschaftlichen Gründen vorzugs­ weise konstant mit entsprechenden Übergängen vom einen in den anderen Stabi­ lisatorabschnitt.

Die Veränderung der Querschnitte wird in den einzelnen Stabilisatorabschnitten so gewählt, daß die Gesamtfederrate insgesamt der eines vergleichbaren Voll- oder Rohr­ stabilisators mit über der gesamten Stabilisatorlänge quasi-gleichen Querschnitten ent­ spricht.

Durch die Festlegung der einzelnen Bereiche mit unterschiedlichen, vorzugsweise konstanten Querschnitten, gibt es zwischen den Bereichen und in den Bereichen selbst unterschiedliche Beanspruchungen mit Maxima und Minima, so daß kein Stabilisator mit gleicher Beanspruchung in allen Stabilisatorabschnitten vorliegt.

Wichtig ist zu erwähnen, daß im mehr Verformungsarbeit aufnehmenden U-Rücken die Beanspruchung um bis zu 32% (Bezug = Vollstab konstant) bzw. 17% (Bezug = Rohr konstant) angehoben werden kann, um im entlasteten Schulterbogen- bzw. Schulterlagerbereich Beanspruchungsreduzierungen von bis zu 12% (Bezug = Voll­ stab konstant) bzw. 20% (Bezug = Rohr konstant) zu erreichen.

Im Stand der Technik ist versucht worden, die Lebensdauer bzw. die zulässige Bean­ spruchung des Stabilisators dadurch zu erhöhen, daß die am stärksten beanspruchten Stabilisatorabschnitte auf unterschiedliche Weise verstärkt worden sind. Bei dem er­ findungsgemäßen Stabilisator wird jedoch die Lebensdauer bzw. die zulässige Bean­ spruchung dadurch wesentlich erhöht, daß mechanische Verformungsarbeit aus dem hochbeanspruchten Schulterbogen- bzw. Schulterlagerbereich in den normalerweise niedriger beanspruchten U-Rücken verlagert wird, indem der U-Rücken "weicher " gemacht wird.

Der mehr Verformungsarbeit aufnehmende Bereich im U-Rücken ist vorzugsweise mit einem geringeren Außendurchmesser ausgebildet als die Übergangsbereiche. So­ mit ist der U-Rücken des erfindungsgemäßen Stabilisators "weicher" als der U- Rücken der bekannten Stabilisatoren; er trägt somit wesentlich mehr zur Gesamtver­ formung bei Betriebsbelastung bei. Die Ausgestaltung des Stabilisators mit einem im Bereich des U-Rückens verringerten Außendurchmessers ist fertigungstechnisch sehr einfach zu realisieren, beispielsweise durch entsprechendes Kneten des für den Stabi­ lisator verwendeten Stabes oder Rohres vor oder auch nach dem Biegen. Alternativ kann darüber hinaus auch die Wandstärke des Stabilisators im Bereich des U-Rückens verringert sein. Zusätzlich ist auch eine Kombination aus geringeren Außendurchmes­ ser und verringerter Wandstärke des Stabilisators im Bereich des U-Rückens möglich, um eine weitere Gewichtsreduzierung zu erreichen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stabilisators ist ergänzend dadurch gekennzeichnet, daß eine Festigkeitserhöhung durch Aufkohlung der äußeren und/oder inneren Oberflächenrandschicht des Stabilisators, insbesondere in Verbin­ dung mit einem Vergütungsprozeß, erzielt ist. Dabei kann das Aufkohlen sowohl vor dem Vergütungsprozeß erfolgen, dann bevorzugt auch vor dem Kneten und Formen des Stabilisators, als auch gleichzeitig mit dem Vergütungsprozeß.

Innerhalb des Fertigungsprozesses des Stabilisators verringert sich der Kohlenstoff­ gehalt des Werkstoffes in der Oberflächenrandschicht. Da der Kohlenstoffgehalt einen Einfluß auf die Zugfestigkeit des Materials hat, verringert sich durch die Abnahme des Kohlenstoffgehaltes in der besonders beanspruchten Oberflächenrandschicht des Sta­ bilisators dessen Schwingfestigkeit. Die Aufkohlung erhöht also die Zugfestigkeit der Oberflächenrandschicht des Stabilisators, und damit wird die Anzahl der erreichbaren Lastwechsel ebenfalls erhöht. Dieser Effekt wird durch Vergüten in besonderem Maße verstärkt.

Gerade bei hohen Grundfestigkeitswerten, z. B. 1.500-1.800 MPa sind in der aufge­ kohlten Oberflächenrandschicht Erhöhungen, bezogen auf die Grundfestigkeit, von ca. 10-50% erreichbar. Hierdurch kann die zulässige Beanspruchung bzw. die Schwing­ festigkeit deutlich erhöht werden.

Durch die Aufkohlung wird der Kohlenstoffgehalt der Oberflächenrandschicht des Stabilisators vorzugsweise soweit erhöht, daß er in der Oberflächenrandschicht höher ist als im Inneren des Stabilisators. Dadurch wird die Zugfestigkeit in der besonders beanspruchten Oberflächenrandschicht des Stabilisators und somit die Lebensdauer insgesamt erhöht.

Handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Stabilisator um einen Rohrstabilisator, so kann die zugelassene höhere Beanspruchung im Bereich des U-Rückens dazu ausge­ nutzt werden, um die Wandstärke im Bereich des U-Rückens zu verringern. Dabei kann der Außendurchmesser über der gesamten Länge des Stabilisators konstant sein oder im Bereich des U-Rückens einen anderen Wert aufweisen. Durch die Möglich­ keit, sowohl den Außendurchmesser als auch den Innendurchmesser des Stabilisators zu verändern, um die zulässige höhere Beanspruchung im Bereich des U-Rückens auszunutzen, gibt es keine Probleme, die vom Kraftfahrzeughersteller vorgegebenen Außenabmessungen des Stabilisators einzuhalten.

Ändert sich der Außendurchmesser des erfindungsgemäßen Stabilisators, so kann die­ se Änderung sowohl beim Vollstabilisator als auch beim Rohrstabilisator entweder sprunghaft oder kontinuierlich ausgebildet sein. Entsprechendes gilt auch für die Än­ derung der Wandstärke beim Rohrstabilisator, also der Änderung des Innendurchmes­ sers alleine oder in Kombination mit dem Außendurchmesser.

Schließlich kann es noch besonders vorteilhaft sein, bei einem als Rohrstabilisator ausgeführten erfindungsgemäßen Stabilisator die innere Oberfläche durch Kugelstrahlen zu behandeln. Auch durch diese Maßnahme kann die Anzahl der zulässigen Lastwechsel erhöht werden, unter Umständen sogar beachtlich erhöht werden.

Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Stabilisator auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Pa­ tentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung ei­ nes bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine Hälfte eines erfindungsgemäßen Stabilisators, in diesem Fall eines Rohrstabilisators.

Die Figur zeigt eine Hälfte eines spiegelsymmetrischen Stabilisators 1, in diesem Falle eines Rohrstabilisators, der einen kreisringförmigen Querschnitt aufweist und im we­ sentlichen U-förmig ausgeführt ist, mit einem U-Schenkel 2 und einer Hälfte eines U- Rückens 3. Der U-Schenkel 2 und der U-Rücken 3 sind durch einen bogenförmigen Übergangsbereich 4 miteinander verbunden. Ein solcher Stabilisator 1 wird mit den freien Enden der U-Schenkel 2 an den hier nicht dargestellten Radführungsteilen eines Kraftfahrzeuges befestigt. Das dargestellte freie Ende des U-Schenkels 2 wird dabei an den entsprechenden Radführungsteilen befestigt. Der U-Rücken 3 ist in der Nähe des Übergangsbereiches 4 angeordneten, hier nicht dargestellten Gummilagern am Fahrzeugaufbau gelagert.

Bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stabilisators 1 ist der Außendurchmesser des Stabilisators 1 im torsionsspannungsdo­ minanten Stabilisatorabschnitt 5, welcher sich im Bereich des U-Rückens 3 befindet, kleiner als im normalspannungsdominanten Stabilisatorabschnitt 6, welcher sich im Übergangsbereich 4 befindet. Zusätzlich ist auch die Wandstärke des Stabilisators 1 im torsionsspannungsdominanten Stabilisatorabschnitt 5 geringer als im normalspan­ nungsdominanten Stabilisatorabschnitt 6. Der beschriebenen Verringerung des Au­ ßendurchmessers und der Wandstärke geht die erfindungsgemäße Überlegung voraus, daß der "weichere" U-Rücken 3 eine größere mechanische Verformungsarbeit auf­ nimmt als der die zulässige Anzahl an Lastwechseln stärker beschränkende Über­ gangsbereich 4. Die Änderung sowohl des Außendurchmessers als auch der Wand­ stärke des Stabilisators 1 erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kontinuierlich, so daß keine die Schwingfestigkeit des Stabilisators 1 negativ beeinflussenden Kanten entstehen.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stabilisators 1 ist durch Aufkohlung der Kohlenstoffgehalt der äußeren Oberflächenrandschicht des Stabilisators 1 so weit erhöht worden, daß er an der Oberflächenrandschicht, und zwar sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite, höher als im Inneren der Stabili­ satorwand ist. Dadurch kann, insbesondere in Verbindung mit einer Vergütung, die Zugfestigkeit der Oberflächenrandschicht des Stabilisators im Vergleich zur Zugfe­ stigkeit eines entkohlten Materials um die Hälfte, vorzugsweise sogar um über zwei Drittel erhöht werden.

Zumindest im Übergangsbereich 4 ist die innere Oberfläche des Stabilisators 1 noch besonders behandelt, nämlich durch Kugelstrahlen. Durch diese Maßnahme kann die zulässige Anzahl an Lastwechsel nochmals um einen Faktor von etwa vier erhöht werden.

Claims (7)

1. Stabilisator für Kraftfahrzeuge, der einen annähernd runden, vorzugsweise einen kreisrunden oder einen ringförmigen, vorzugsweise einen kreisringförmigen Quer­ schnitt aufweist, aus mehreren Stabilisatorabschnitten besteht und im wesentlichen U- förmig ausgeführt ist, also aus zwei U-Schenkeln (2) und einem U-Rücken (3) besteht, wobei zwischen den U-Schenkeln (2) und dem U-Rücken (3) bogenförmige Über­ gangsbereiche (4) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den wesentli­ chen Stabilisatorabschnitten - abweichend vom Stabilisator gleicher Beanspruchung - unter Erhöhung der Beanspruchung des torsionsdominant beanspruchten U-Rückens (3) durch Verlagerung von mechanischer Verformungsarbeit aus den Übergangsberei­ chen (4) in den U-Rücken (3) eine Schwingfestigkeitsoptimierung durchgeführt ist, so daß eine quasi-gleiche Schwingfestigkeit vorhanden ist.

2. Stabilisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im torsionsspannungs­ dominanten Stabilisatorabschnitt (5) der Außendurchmesser des Stabilisators (1) klei­ ner ist als im normalspannungsdominaten Stabilisatorabschnitt (6).

3. Stabilisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Festigkeits­ erhöhung durch Aufkohlung der äußeren und/oder inneren Oberflächenrandschicht des Stabilisators (1), insbesondere in Verbindung mit einem Vergütungsprozeß, erzielt ist.

4. Stabilisator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Aufkohlung der Kohlenstoffgehalt der Oberflächenrandschicht des Stabilisators (1) soweit erhöht wird, daß er an der Oberflächenrandschicht höher ist als im Inneren des Stabilisators (1) bzw. als im Inneren des kreisringförmigen Querschnittes.

5. Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem kreisförmigen Quer­ schnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke im torsionsspannungsdominan­ ten Stabilisatorabschnitt (5) geringer ist als im normalspannungsdominanten Stabili­ satorabschnitt (6).

6. Stabilisator nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser im torsionsspannungsdominanten Stabilisatorabschnitt (5) geringer ist als im normal­ spannungsdominanten Stabilisatorabschnitt (6).

7. Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem kreisringförmigen Quer­ schnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche zumindest teilweise, vor­ zugsweise in den Übergangsbereichen (4), kugelgestrahlt ist.