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Die Erfindung betrifft ein Torsionselement für einen Verbundlenker oder einen Stabilisator eines Fahrzeuges.
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Weiters betrifft die Erfindung eine Verbundlenkerachse eines Kraftfahrzeuges.
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Darüber hinaus hat die Erfindung einen Stabilisator eines Kraftfahrzeuges zum Gegenstand.
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Stabilisatoren kommen in Fahrzeugen zur Anwendung, um die Bewegung des Aufbaus um die Längsachse (Rollen) zu stabilisieren. Bei Abweichungen aus der Mittellage erzeugen Stabilisatoren ein Torsionsmoment, welches der Auslenkung entgegenwirkt. Das Torsionsmoment entsteht durch ein an zwei Punkten des Aufbaus gelagertes Torsionselement, beispielsweise in Form eines Torsionsstabes, an dessen Enden üblicherweise Hebel zur Anlenkung und Übertragung der Kräfte angeordnet sind.
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Verbundlenkerachsen weisen zwei Längsträger bzw. Längsschwingen auf, die durch ein als Stabilisator wirkendes Torsionselement verbunden sind.
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Um ein möglichst geringes Gewicht, bei sehr hoher mechanischer Belastbarkeit zu erzielen, ist es bekannt geworden, Torsionselemente aus Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (FKV) herzustellen. Aus der
DE 3910641 C2 ist beispielsweise ein derartiger Stabilisator bekannt geworden, der aus einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff hergestellt ist.
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Wechselnde Torsionsbelastungen erfordern in Faser-Kunststoff-Verbundbauweise einen ausgeglichenen Lagenaufbau, wobei bezüglich der Torsionsachse des Torsionselementes, insbesondere in Form eines Torsionsrohres, die Fasern diagonal angeordnet werden müssen. Die Fasern verlaufen hierbei unter einem Winkel von üblicherweise 30 bis 60°, optimaler Weise 54°, zu der Torsionsachse. Unter dem Begriff Torsionsachse wird in diesem Dokument eine (geometrische) Achse des Torsionselementes verstanden, um welche das Torsionselement tordiert wird. Die Fasern müssen aufgrund der wechselnden Belastungen bei den herkömmlichen Bauarten zu gleichen Anteilen in Plus- und Minusrichtung orientiert werden. Eine wechselnde Belastung führt jedoch dazu, dass sich unter Torsion eine Hälfte der Lagen infolge der Torsion einschnürt, während die jeweils gegensinnig orientierten Fasern expandieren, wobei es zu einer Verdrillung der Faserlagen kommt. Diese gegensinnigen Effekte werden allein durch eine Matrixkomponente behindert, welche jedoch in dem Faserverbund die schwächste Komponente darstellt. Für torsionssteife Bauteile, wie Antriebswellen, lässt sich dieser Konflikt lösen, denn durch die hohe Torsionssteifigkeit sind die Verdrehwinkel der Enden und damit die Verdrilleffekte der Lagen entsprechend gering. Für Stabilisatoranwendungen sind jedoch vergleichsweise hohe Drehwinkel, beispielsweise +/–15°, erforderlich, die bei der maximalen Verschränkung der Achse auftreten können. Die gegensinnigen Verdrillungen im ausgeglichenen Lagenverbund erhöhen das Risiko von Zwischenfaserbrüchen und interlaminaren Scherbrüchen. Die Auslegung von Torsionsprofilen aus Faserverbund für derart wechselnde Belastungen ist daher risikoreich und nur in Sonderfällen, beispielsweise bei Sportwagen, in Anwendung.
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Des Weiteren besteht bei Verbundlenkerachsen das Problem, dass das Torsionselement eine hohe Biegesteifigkeit aufweisen muss. Diese soll meist um ein Vielfaches höher sein als die Torsionssteifigkeit. Diese konträren Anforderungen lassen sich in Faser-Kunststoff-Verbundbauweise schwer lösen, da herkömmliche Profilformen aus Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen, welche die Biegesteifigkeit erfüllen, eine zu große Torsionssteifigkeit aufweisen.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung die oben genannten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden.
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Diese Aufgabe wird mit einem Torsionselement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Torsionselement zumindest ein als Blattfeder ausgebildetes Längsprofil aufweist, wobei das zumindest eine Längsprofil von einer Torsionsachse des Torsionselementes mittels Abstandhaltern beabstandet ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, aufgrund der Verwendung mindestens eines als Blattfeder wirkenden Längsprofils sowohl gute Torsionseigenschaften als auch eine hohe Biegesteifigkeit zu realisieren, wobei sich die Biegesteifigkeit und die Torsionssteifigkeit weitgehend unabhängig voneinander einstellen lassen. Unter dem Begriff Längsprofil wird in dem vorliegenden Zusammenhang ein Profil verstanden, dessen Länge größer ist als dessen Breite und Dicke. Die Längserstreckung des Längsprofils ist bevorzugt im Wesentlichen in Richtung der Längserstreckung des Torsionselementes bzw. in Richtung der Torsionsachse orientiert.
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Gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Abstandhalter scheibenförmig ausgebildet sind. Als besonders vorteilhaft hat es sich hierbei herausgestellt, dass die Abstandhalter als ringförmige Scheiben ausgebildet sind. Die Abstandhalter können beispielsweise einen umlaufenden Rand von elliptischer, kreisförmiger, abgerundeter oder polygonaler Form aufweisen. Je nach Position entlang der Torsionsachse können die Abstandhalter unterschiedlich ausgebildet sein, so können sich die Abtsandhalter beispielsweise hinsichtlich ihrer Durch- bzw. Halbmesser unterscheiden. Bevorzugt ist es, wenn die Torsionsachse für jeden der Abstandhalter eine Symmetrieachse darstellt, da sich hierdurch ein besonders gut definiertes Torsionsverhalten ergibt.
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Um eine gute Verbindung zwischen den Abstandhaltern und dem zumindest einen Längsprofil so wie eine hohe mechanische Stabilität zu erzielen, kann es vorgesehen sein, dass die Abstandhalter Aufnahmen zur formschlüssigen Aufnahme eines Abschnittes des zumindest einen Längsprofils aufweisen. Die Aufnahmen können beispielsweise als Durchführungen durch einen vom Rand beabstandeten Bereich der Scheibe, Einspannungen oder Aussparungen im Rand der Scheiben ausgebildet sein.
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Günstiger Weise weist das zumindest eine Längsprofil einen viereckigen Querschnitt auf. Als besonders bevorzugte Ausführungsform wird hierbei ein rechteckiger Querschnitt angesehen, wenngleich auch andere Querschnittsformen, wie beispielsweise ein trapezförmiger Querschnitt, elliptische oder andere polygonale Querschnittsformen, zur Realisierung der Erfindung möglich sind.
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Die Höhe des zumindest einen Längsprofils kann über seine Längserstreckung zumindest abschnittsweise variieren. Insbesondere können Seitenkanten des Längsprofils entlang der Torsionsachse neben einem ebenen und gradlinigen Verlauf auch einen räumlichen, gewellten Kurvenverlauf aufweisen. Ein räumlicher Kurvenverlauf des Längsprofils ermöglicht eine optimale Anpassung der Form des Längsprofils an unterschiedliche Erfordernisse hinsichtlich der Biegesteifigkeit, während sich eine über die gesamte Länge des Längsprofils geradlinige Ausbildung desselben, sich durch eine einfache Formgebung und Herstellbarkeit auszeichnet.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das zumindest eine Längsprofil aus einem Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoff gebildet, wobei auch die Abstandhalter aus einem Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoff gebildet sein können.
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Besonders günstig hinsichtlich des Einbaus und der Handhabung des Torsionselementes ist es, wenn das zumindest eine Längsprofil und die Abstandhalter einstückig ausgebildet sind. Anders gesagt, ist es gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Torsionselement nach seiner Fertigstellung ein einziges einteiliges Stück bildet.
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Eine Ausführungsform der Erfindung, welche sich durch eine besonders hohe Biegesteifigkeit bei gleichzeitig guter Tordierbarkeit des Torsionselementes auszeichnet, sieht vor, dass die Höhe des zumindest einen Längsprofils normal zu der Torsionsachse des Torsionselements orientiert ist, wobei die Höhe des zumindest einen Längsprofils größer als die Dicke des zumindest einen Längsprofils ist.
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Um den Einbau des Torsionselementes zu vereinfachen, kann an den längsseitigen Enden des zumindest einen Längsprofils je zumindest ein Flansch angeordnet sein. Die Flansche, welche auch gleichartig, wie die Abstandhalter ausgebildet sein können, dienen zur Krafteinleitung bzw. zum Anschluss an Längsschwingen einer Verbundlenkerachse oder im Fall eines Stabilisators zur Befestigung von Hebeln, durch welche das Torsionselement an einem Fahrzeugaufbau angebunden ist. Die Flansche können Befestigungsbohrungen aufweisen, um das Torsionselement mit metallischen Längsträgern verschrauben zu können. Alternativ zu einem Verschrauben der Flansche kann auch ein Verkleben mit den Längsträgern erfolgen. Weiters können die Flansche eine umlaufende Profilierung ähnlich einer Stirnverzahnung aufweisen, um mit einer kongruent dazu ausgebildeten Struktur eines Längsträgers eine formschlüssige Verbindung herzustellen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung, welche sich dadurch besonders auszeichnet, dass sich die Torsionssteifigkeit und die Biegesteifigkeit in unterschiedliche Raumrichtungen weitgehend unabhängig voneinander einstellen lassen, sieht vor, dass mehrere in einer Umfangrichtung der Abstandhalter voneinander beabstandete Längsprofile angeordnet sind, wobei die Längsprofile und die Abstandhalter einen Käfig um die Torsionsachse des Torsionselementes bilden.
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Die oben genannte Aufgabe lässt sich auch mit einer Verbundlenkerachse der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch lösen, dass sie ein erfindungsgemäßes Torsionselement aufweist. Hierbei kann das erfindungsgemäße Torsionselement ein herkömmliches Torsionselement, beispielsweise einen Torsionsstab, vollständig ersetzen oder aber zusätzlich zu einem herkömmlichen Torsionselement (Torsionsstab) angeordnet werden. Für eine vollständige Ersetzung eines herkömmlichen Torsionselementes ist vor allem eine Ausführungsform der Erfindung geeignet, wie sie den Gegenstand des Anspruchs 13 bildet, wo mehrere Längsprofile zum Einsatz kommen. Bei einer zusätzlichen Anordnung eines erfindungsgemäßen Torsionselementes zu einem herkömmlichen Torsionselement kann es hingegen vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Torsionselement auch nur ein Längsprofil aufweist. Eine gemeinsame Anordnung eines erfindungsgemäßen und eines herkömmliche Torsionsprofils kann beispielsweise so realisiert werden, dass entlang der Torsionsachse des erfindungsgemäßen Torsionsprofils ein herkömmlicher Torsionsstab angeordnet wird, der sodann von dem erfindungsgemäßen Torsionsprofil umgeben ist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann auch mit einem Stabilisator der oben genannten Art dadurch gelöst werden, dass er ein erfindungsgemäßes Torsionselement aufweist. Auch bei dieser Ausführungsform gilt das im letzten Absatz Gesagte sinngemäß.
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Die Erfindung samt weiteren Vorteilen wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In dieser zeigt 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Torsionselement in einer perspektivischen Ansicht.
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Gemäß 1 kann ein erfindungsgemäßes Torsionselement 1 als Blattfedern ausgebildete Längsprofile 2, 3, 4, 5 aufweisen, die von einer Torsionsachse des Torsionselementes 1 mittels Abstandhaltern 6, 7, 8, 9, 10 beabstandet sind. Die Abstandhalter 6, 7, 8, 9, 10 können, wie dargestellt, als ringförmige Scheiben ausgebildet sein und Aufnahmen zur formschlüssigen Aufnahme eines Abschnittes des zumindest einen Längsprofils 2, 3, 4, 5 aufweisen. Die Abstandhalter 6, 7, 8, 9, 10 können, müssen aber nicht, aus demselben Material wie die Längsprofile 2, 3, 4, 5 hergestellt sein.
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Die als Blattfedern wirkenden Längsprofile 2, 3, 4, 5 weisen bevorzugt einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei dies jedoch nicht zwingend der Fall sein muss.
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Seitenkanten der jeweiligen Längsprofile 2, 3, 4, 5 können entlang der Torsionsachse beispielsweise einen ebenen und geradlinigen, oder wie es dargestellt ist, einen glatten und räumlichen Kurvenverlauf aufweisen.
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Wie aus 1 weiter erkennbar ist, können die Längsprofile 2, 3, 4, 5 so angeordnet sein, dass die Höhen der Längsprofile 2, 3, 4, 5 normal zu der Torsionsachse des Torsionselements 1 orientiert sind. Unter Höhe eines Längsprofils 2, 3, 4, 5 wird hierbei jene Seite verstanden die größer als die Dicke des Längsprofils 2, 3, 4, 5 und kleiner als dessen Länge ist. Die Höhe des Längsprofils 2, 3, 4, 5 kann über dessen Länge hinweg, wie dargestellt, konstant bleiben oder aber auch variieren.
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Die Längsprofile 2, 3, 4, 5 sind in einer Umfangrichtung der Abstandhalter 6, 7, 8, 9, 10 voneinander beabstandet angeordnet und bilden gemeinsam mit den Abstandhalter 6, 7, 8, 9, 10 einen Käfig um die Torsionsachse des Torsionselementes 1.
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An den längsseitigen Enden der Längsprofile 2, 3, 4, 5 kann je ein Flansch 11, 12 angeordnet sein, um das Torsionsprofil 1 an Längsträger bzw. Längsschwingen einer Verbundlenkerachse oder über Hebel an einen Fahrzeugaufbau anbinden zu können. Die Längsträger einer Verbundlenkerachse können auch an die Enden des Torsionsprofils integriert werden. Hierbei können auch Aufbaufedern, beispielsweise C- oder Blattfedern, an die auslaufenden Enden der Längsträger integriert werden.
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Das Torsionselement 1 lässt sich trotz komplexer Geometrie aus einem Faser-Kunststoff-Verbund herstellen. Dafür kann ein Harz Infusions- oder Injektionsverfahren, beispielsweise Reaction Injection Moulding (RIM), Resin Transfer Moulding (RTM) oder ähnliche Verfahren, verwendet werden, wobei die noch nicht mit Harz getränkte und ggf. stabilisierte, textile Preform mit Harz getränkt und ausgehärtet wird. Das Torsionselement 1 ist vorzugsweise mehrteilig aufgebaut, wobei die Mehrteiligkeit jedoch auf die textile Preform des Längsprofils 2 beschränkt sein kann, sodass das fertige Torsionsprofil 1 trotz mehrteiliger Preform ein einstückiges Bauteil bilden kann.
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Das zur Herstellung verwendete Werkzeug kann radiale Schieber aufweisen, welche die Zwischenräume zwischen den Längsprofilen 2, 3, 4, 5 ausbilden. Die Erstellung der Preform kann im Werkzeug erfolgen, indem ausgehend vom ersten Längsprofil 2 radial umlaufend abwechselnd textile Zuschnitte und Werkzeugschieber um einen Dorn bzw. Kern angeordnet werden. Die scheibenförmigen Abstandhalter 6, 7, 8, 9, 10, die zur Beabstandung der Längsprofile 2, 3, 4, 5 eingesetzt werden, können vorher auf den Kern angebracht oder während eines Einlegens der Zuschnitte eingebaut werden. Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass Faserstrukturen, welche die Längsprofile 2, 3, 4, 5 bilden, in die axial angeordneten, scheibenförmigen Abstandhalter 6, 7, 8, 9, 10 übergehen, sodass eine teilweise durchgängige Faserstruktur vorhanden ist. Die Infusion kann radial von innen nach außen erfolgen, wobei der Kern hierbei entsprechende Fließkanäle für das Harz aufweisen muss. Alternativ hierzu kann es vorgesehen sein, die Faserstruktur entlang der Torsionsachse aufsteigend zu injizieren, sodass Luft nach oben entweichen kann. Hierfür kann eine aufrecht stehende Anordnung des Werkzeuges vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Torsionselement
- 2
- Längsprofil
- 3
- Längsprofil
- 4
- Längsprofil
- 5
- Längsprofil
- 6
- Abstandhalter
- 7
- Abstandhalter
- 8
- Abstandhalter
- 9
- Abstandhalter
- 10
- Abstandhalter
- 11
- Flansch
- 12
- Flansch
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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