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Die
Erfindung betrifft ein Elastomerlager für eine Radaufhängung, insbesondere
Einzelradaufhängung,
bei einem Kraftfahrzeug, mit einem ein Befestigungselement, z. B.
Zapfen, in einem Lagerbereich umschließenden Gummikörper, und
mit einer den Gummikörper
inklusive darin geführtem
Befestigungselement aufnehmenden Außenschale, wobei der Lagerbereich
des Befestigungselementes im Axialschnitt eine konkave Gestalt aufweist,
welcher der ebenfalls axial nach innen gewölbte Gummikörper folgt.
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Bei
einem Elastomerlager der eingangs beschriebenen Gestaltung entsprechend
der
FR 26 52 312 A1 ist ein quaderförmiges Befestigungselement mit
nach einer Ausgestaltung konkaven Randflächen im Lagerbereich vorgesehen,
um mit daran anliegenden Gummikörperhälften für deren
Zentrierung zu sorgen. Dadurch will man insgesamt bei einfachem Aufbau
eine problemlose Montage und Demontage erreichen.
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Darüber hinaus
kennt man Elastomerlager aus der Praxis und im Übrigen durch die
DE 102 53 262 A1 . Bei der
Einzelradaufhängung
werden die Fahrzeugräder
eines Kraftfahrzeuges durch Querlenker – meist in Dreiecksform (Dreieckslenker)- und/oder
Längslenker
geführt.
Eine solche Einzelradaufhängung
kann sowohl bei der Vorder- als auch der Hinterachse zum Einsatz
kommen. Ebenso bei Front- oder Heck-/Standardantrieb. Neben überwiegend
PKWs verfügen
heutzutage zunehmend auch Nutzfahrzeuge, insbesondere Omnibusse, über Einzelradaufhängungen.
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Für die zugehörigen Elastomerlager
an der Radaufhängung,
insbesondere zur Anlenkung eines Querlenkers an beispielsweise einem
Radträger
oder der Karosserie, ergeben sich bedingt durch den Einsatzzweck
verschiedene Anforderungen. So will man im allgemeinen eine hohe
Radialsteifigkeit erreichen, um Bewegungen eines zugehörigen Fahrzeugrades in überwiegend
Z- bzw. Hochachsenrichtung hauptsächlich federnd von einer Schraubenfeder und
nicht dem betreffenden Elastomerlager aufnehmen zu lassen. Außerdem ermöglicht eine
hohe Radialsteifigkeit eines solchen Elastomerlagers an der Vorderachse
ein direktes Anlenken des Fahrzeuges bei Kurvenfahrt, beeinflusst
also die Fahrdynamik günstig.
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Daneben
wird eine geringe Torsionssteifigkeit gewünscht, um einen guten Federungskomfort zu
gewährleisten.
Denn dadurch bleibt der Anteil der nichtlinearen dynamischen Kennlinie
des Gummikörpers
an der Gesamtfederrate (Gummikörper
bzw. Elastomerlager + Schraubenfeder) gering.
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Schließlich soll
das an der beschriebenen Stelle eingesetzte Elastomerlager axialsteif
sein, um Bewegungen des angeschlossenen Fahrzeugrades überwiegend
in Fahrzeuglängsrichtung
bzw. Y-Richtung im Lagerpunkt zu unterbinden. Es kommt also darauf
an, bei einem solchen Elastomerlager eine hohe axiale und radiale
Steifigkeit bzw. Härte
zugleich mit einer kleinen Torsionsfederrate zu verbinden, um einerseits
eine einwandfreie Radführung
zu erreichen und andererseits den Federungskomfort vorteilhaft zu
beeinflussen.
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Die
zuvor herausgearbeiteten Anforderungen werden im Stand der Technik
nur unzureichend gemeistert. Denn die bekannten Elastomerlager sind nicht
in der Lage, eine bestimmet axiale Steifigkeit bei gleichzeitig
kleiner Torsionsfederrate zur Verfügung zu stellen.
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In
diesem Zusammenhang führt
auch der weitere Stand der Technik nach der
DE 100 29 639 C2 nicht
weiter. Denn dort wird ein Feder-Dämpferelement beschrieben, bei
welchem die Steifigkeit in den Horizontalrichtungen größer ist
als diejenige in der vertikalen Richtung. Dazu greift das bekannte
Feder-Dämpferelement
auf einen Elastomerkörper
zurück,
welcher bezüglich
seiner Außen-
und Innenkontur ein zumindest annähernd rohrförmiges Elastomerelement ist,
welches zumindest in Teilbereichen seiner zylindrischen Außen- und Innenkonturen
mittels Hülsen
verstärkt
wird.
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Die
DE 41 28 488 A1 beschreibt
schließlich ein
Doppelkegellager mit einem doppelkegelförmigen, inneren Metallteil
mit zwei inneren, konischen Anlage flächen als Lagerteil sowie zwei
getrennten Gummi-Metall-Buchsen. Diese beiden Gummi-Metall-Buchsen
bestehen aus jeweils einem inneren Metallkonus und einem in einem
radialen Abstand dazu angeordneten, äußeren Metallkonus mit einer dazwischen
einvulkanisierten Gummischicht.
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Schließlich beschäftigt sich
die
DE 35 36 284 C2 mit
einem Strebengelenk für
Kraftfahrzeuge, welches aus einem ringförmigen Strebengehäuse mit
einem Gewindeansatz für
die Verbindung mit der Strebe und einem im Strebengehäuse über einen
elastisch verformbaren Federkörper
gelagerten quer verlaufenden inneren Gelenkzapfen verfügt. Der
Gelenkzapfen verläuft
in dem Strebengehäuse
mittels eines stabförmigen
Federkörpers,
welcher aus Scheiben eines elastomeren Werkstoffes und Einlagen
eines demgegenüber
höherfesten
Werkstoffes besteht.
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Der
Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Elastomerlager
für eine
Radaufhängung,
insbesondere Einzelradaufhängung,
bei einem Kraftfahrzeug der eingangs beschriebenen Ausgestaltung
so weiter zu entwickeln, dass eine radial und axial steife Auslegung
bei gleichzeitig kleiner Torsionsfederrate mit einfachen und kostengünstigen
Mitteln erreicht wird.
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Zur
Lösung
dieser technischen Problemstellung ist ein gattungsgemäßes Elastomerlager
im Rahmen der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Gummikörper als
Konkavbogenring ausgebildet ist und das Befestigungselement umschließt, und
dass der Gummikörper
zweiteilig mit eingelagerter Zwischenschale ausgeführt ist,
wobei die Zwischenschale axial in zwei Zwischenschalenhälften geteilt
ist, welche im Mittenbereich einen vorgegebenen Abstand zueinander
aufweisen, und wobei die Zwischenschale mittig angeordnet ist und
den Gummikörper
in zwei in etwa gleichstarke Gummikörperschichten unterteilt.
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Das
heißt,
der Gummikörper
verfügt – wie der
Lagerbereich – über eine
konkave Gestalt, wobei die jeweiligen Krümmungen von einerseits Lager bereich
und andererseits Gummikörper
aneinander angepasst sind, und zwar jeweils axial nach Innen gewölbt.
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Nach
bevorzugter Ausführungsform
weist hierzu die Außenschale
im Detail eine zylindrische Außenoberfläche und
eine demgegenüber
axial vorgewölbte
konvexe Innenoberfläche
auf. Auf diese Weise ist der Gummikörper zwischen der konvex vorgewölbten Innenoberfläche der
Außenschale
und dem konkav nach innen gewölbten
Lagerbereich des Befestigungselementes angeordnet und eingespannt.
Der Gummikörper
beschreibt also insgesamt im Raum einen Konkavbogenring, weil das
Befestigungselement meistens stabförmig ausgebildet ist und der
Gummikörper
das Befestigungselement umringt. Dieser Konkavbogenring wird von
der Außenschale
ebenfalls im Sinne eines Ringes umschlossen.
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Um
die nötige
radiale Steifigkeit bzw. Härte zu
erreichen, ist der Gummikörper
zweiteilig mit der eingelagerte Zwischenschale ausgeführt. Dabei
ist die Zwischenschale in der Regel aus Metall gefertigt und kann
in den zweiteiligen Gummikörper
einvulkanisiert werden. Grundsätzlich
lässt sich
auch eine Zwischenschale aus einem Kunststoff realisieren.
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Die
eingelagerte Zwischenschale stellt sicher, dass Kräfte in Radialrichtung
größtenteils
von der Zwischenschale aufgenommen werden und kaum merklich in Verformungen
des Gummikörpers münden. Dadurch
wird die gewünschte
harte Auslegung in Radialrichtung in Folge der starren Zwischenschale
erreicht.
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Die
Zwischenschale mittig im Vergleich zu dem Gummikörper angeordnet und unterteilt
diesen in die beiden in etwa gleich starken Gummikörperschichten.
Die beiden Gummikörperschichten
sind jeweils an die Zwischenschale anvulkanisiert, an diese angeklebt
oder sonst wie mit dieser verbunden. Das gleiche gilt für die Außenschale,
welche mit der äußeren Gummikörperschicht
die erforderliche Verbindung eingeht. Auch die innere (Hieran schließen sich
die ursprünglichen
Beschreibungsseiten 4 bis 11 als Seiten 5 bis 12 neuer Zählung in
unveränderter Reihenfolge
an.) Gummikörperschicht
mag an den Lagerbereich anvulkanisiert oder klebend mit diesem verbunden
sein.
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Insgesamt
sind der Gummikörper
und die Zwischenschale kreisbogenförmig ausgeführt und formen den bereits
angesprochenen Konkavbogenring. Dabei verfügt der Kreisbogen über einen
solchen Radius, welcher in etwa der zugehörigen axialen Länge des
Gummikörpers
und der Zwischenschale entspricht. Tatsächlich überragt die Zwischenschale
den Gummikörper
axial (geringfügig),
so dass von einer in etwa gleichen axialen Länge des Gummikörpers wie
der Zwischenschale und auch der Außenschale ausgegangen werden
kann. Diese Länge entspricht
nun im Wesentlichen dem Radius des Kreisbogens, dem der Gummikörper und
die Zwischenschale von ihrer Gestalt her folgen.
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Auf
diese Weise wird ergänzend
zu der bereits angesprochenen Radialsteifigkeit die nötige Steifigkeit
in Axialrichtung erreicht. Denn Kräfte in Axialrichtung des Befestigungselementes
bzw. Zapfens werden nun von dem Gummikörper mit ggf. eingelagerter
Zwischenschale im Sinne von kombinierten Schub- und Druckkräften aufgenommen.
Das stellt die konkave Gestalt des Gummikörpers wie der Zwischenschale
sicher. Solche kombinierten Schub- und Druckkräfte korrespondieren bei Elastomeren allgemein
zu hohen Federraten, führen
also dazu, dass das erfindungsgemäße Elastomerlager in axialer
Richtung steif ausgebildet ist.
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Dagegen
wird in torsionaler Richtung, d. h. in Verdrehrichtung des Lagers,
nur eine geringe Federrate den auftretenden Kräften entgegengesetzt. Dadurch
werden mit Torsionen des beschriebenen Elastomerlagers verbundene
Radbewegungen besonders vorteilhaft von der Federung aufgenommen,
so dass ein guter Federungskomfort gewährleistet ist. Außerdem bleibt
durch diese Auslegung der Anteil der nichtlinearen dynamischen Kennlinie
des Gummikörpers
an der Gesamtfederrate aus dem Gummikörper und beispielsweise einer
Schraubenfeder gering.
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Die
geringe Torsionsfederrate lässt
sich dadurch erklären,
dass damit verbundenen Drehbewegungen des Gummikörpers ohne Widerstand zugelassen
werden. Tatsächlich
spielt bei solchen Drehbewegungen der elastomere Werkstoff zur Darstellung
des Gummikörpers
seine gummielastischen Eigenschaften voll aus, weil die Zwischenschale
und auch die Außenschale
solchen intramolekularen Torsionsbewegungen des Gummikörpers keinen
Widerstand entgegensetzten.
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Die
Außenschale
und ggf. die Zwischenschale mögen
in Umfangrichtung wenigstens zweiteilig ausgebildet sein. Dies deshalb,
um die Außenschale
beispielsweise in einer Augenaufnahme eines Querlenkers einspannen
zu können.
Darüber
hinaus ist die Zwischenschale axial in zwei Zwischenschalenhälften geteilt.
In diesem Zusammenhang weisen die beiden Zwischenschalenhälften im
Mittenbereich des Elastomerlagers einen vorgegebenen Abstand zueinander
auf.
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Diese
Tatsache trägt
dem Umstand Rechnung, dass axiale Kräfte, die auf das Befestigungselement
einwirken, nicht nur den Gummikörper
mit Schub/Druckkräften
beaufschlagen, sondern dies auch für die im Gummikörper eingebettete
Zwischenschale gilt. Damit solche Schub-/Druckkräfte nicht zu einer Verformung
der (zumeist aus Metall gefertigten) Zwischenschale korrespondieren,
sind jeweils die beiden Zwischenschalenhälften realisiert, die in Axialrichtung
problemlos gedehnt oder gestaucht werden können. Da der Abstand der beiden
Zwischenschalenhälften
im Mittenbereich gering ist und nur einige Millimeter beträgt, jedenfalls
deutlich unter 1 cm angesiedelt sind, sind mögliche negative Auswirkungen
dieser nicht durchgängigen
Zwischenschale auf die Radialsteifigkeit praktisch nicht zu erwarten.
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Im
Ergebnis wird ein Elastomerlager zur Verfügung gestellt, das im Unterschied
zu bisherigen Ausführungsformen über eine
hohe Axial- und Radialsteifigkeit verfügt und dennoch gleichzeitig
torsional weich ausgelegt ist, um Radbewegungen im Sinne einer Feder
praktisch ungedämpft
aufnehmen zu können,
damit diese nahezu vollständig
von der hierfür
verantwortlichen (Schrauben-)Federung beherrscht werden. Das alles
gelingt bei geringen Fertigungskosten, weil sich das gesamte Elastomerlager -wie
ein herkömmliches
Gummi-/Metall-Lager- im Zuge eines einzigen oder jedenfalls weniger
einzelner Herstellungsschritte durch im Wesentlichen bekannte Kunststoffspritzgießvorgänge produzieren lässt. Hierin
sind die wesentlichen Vorteile zu sehen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher
erläutert;
es zeigen:
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1 schematisch
das Hinterrad eines PKWs mit dem dort realisierten erfindungsgemäßen Elastomerlager,
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2 eine
perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Elastomerlagers und
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3 einen
Axialschnitt durch das Lager nach 2.
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In
der 1 ist eine linke hintere Einzelradaufhängung für ein Fahrzeugrad 1 an
einer Kraftfahrzeugkarosserie 2 dargestellt. Neben dem
Fahrzeugrad 1 bzw. Hinterrad 1 erkennt man einen
hydraulischen Stoßdämpfer 3 sowie
eine lediglich angedeutete Schraubenfeder 4, die sich gegenüber dem Kraftfahrzeug
bzw. der Kraftfahrzeugkarosserie 2 und einem unteren Querlenker 5 abstützt. Der
Querlenker 5, der Stoßdämpfer 3 sowie
ein unterer Längslenker 6 sind gelenkig
mit einem Achsschenkel 7 verbunden, der das Fahrzeugrad
bzw. Hinterrad 1 des Kraftfahrzeuges trägt.
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Mit
einem Pfeil 8 ist die Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges
angedeutet, die ausweislich des dargestellten Koordinatensystems
mit der X- oder Längsrichtung
der Kraftfahrzeugkarosserie 2 zusammenfällt. Demgegenüber erstreckt
sich der Querlenker 5 größtenteils in Fahrzeugquer-
bzw. Y-Richtung. Bewegungen des Fahrzeugrades 1 in Hochachsen- oder
Z-Richtung werden wie üblich
von der Schraubenfeder 4 in Verbindung mit dem Stoßdämpfer 3 aufgenommen.
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Zu
diesem Zweck vollzieht der Querlenker 5 Bewegungen im Wesentlichen
in eben dieser Z-Richtung, und zwar um eine Achse 9 unter
Berücksichtung
des erfindungsgemäßen Elastomerlagers 10. Tatsächlich ist
der Querlenker 5 um die Achse 9 drehbar an die
Fahrzeugkarosserie 2 angelenkt, wobei hierfür das nachfolgend
noch näher
zu beschreibende Elastomerlager 10 sorgt. Grundsätzlich kann
dieses Elastomerlager 10 natürlich auch an anderer Stelle
der Radaufhängung
oder sonst wie oder sonst wo eingesetzt werden.
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Anhand
der 2 erkennt man, dass das Elastomerlager 10 mit
Hilfe eines Befestigungselementes 11 an der Fahrzeugkarosserie 2 drehbar
verankert wird. Zu seiner Aufnahme dient ein Lageraufnahmeauge 12 im
Querlenker 5. Durch endseitige Bohrungen 13 des
Befestigungselementes 11 greifen nicht dargestellte Befestigungsmittel
hindurch und legen das Befestigungselement bzw. den Zapfen 11 an der
Kraftfahrzeugkarosserie 2 fest, so dass der Querlenker 5 unter
Zwischenschaltung des Elastomerlagers 10 die auftretenden
Bewegungen des Fahrzeugrades 1 gegenüber der Kraftfahrzeugkarosserie 2 aufnehmen
kann.
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Wie
einleitend bereits dargestellt, ist es erforderlich, dass das Elastomerlager 10 in
Richtung seiner Achse A, d. h. entlang der (Lager-)Achse 9,
steif ausgebildet ist. Denn der Querlenker 5 soll selbstverständlich keine
Bewegungen in dieser Axialrichtung bzw. Fahrzeuglängs- oder
X-Richtung vollführen. Das
selbe gilt für
die Radialrichtung R, d. h. im Wesentlichen in der Z-/Y-Ebene. Dagegen
soll die Torsionsfederrate des Elastomerlagers 10 klein
bemessen sein. Solche Torsionen sind in der 1 durch einen
Doppelpfeil angedeutet.
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Anhand
der 2 und 3 erkennt man, dass ein Gummikörper 14a, 14b des
Elastomerlagers 10 das Befestigungselement 11 umschließt. Der Gummikörper 14a, 14b ist
zweiteilig ausgebildet und verfügt über eine
mittig im Vergleich zum Gummikörper 14a, 14b vorgesehene
Zwischenschale 15. Mit Hilfe der Zwischenschale 15 wird
die nötige
Steifigkeit bzw. Härte
des Elastomerlagers 10 in der Radialrichtung R erreicht
(vgl. 3).
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Denn
in der 3 angedeutete Bewegungen in eben dieser Richtung
werden größtenteils
von der Zwischenschale 15 aufgenommen, die aus Metall gefertigt
sein mag und in die beiden in etwa gleichstarken Gummikörperschichten 14a, 14b einvulkanisiert
ist. An dieser Eigenschaft des Elastomerlagers 10 ändert sich
auch dadurch nichts, dass die Zwischenschale 15 axial (in
Richtung der Achse A bzw. 9) in zwei Zwischenschalenhälften geteilt
ist, wobei die beiden Zwischenschalenhälften im Mittenbereich des
Elastomerlagers 10 einen vorgegebenen Abstand B zueinander
aufweisen. Denn dieser Abstand liegt im Millimeterbereich und ändert im
Ergebnis nichts oder kaum etwas daran, dass Kräfte in Radialrichtung R hauptsächlich von
der (metallischen) Zwischenschale 15 aufgenommen und kaum
in Verformungen der beiden Gummikörperschichten 14a, 14b umgewandelt
werden.
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Der
Gummikörper 14a, 14b wird
inklusive des darin geführten
Befestigungselementes 11 von einer Außenschale 16 aufgenommen.
Von besonderer Bedeutung ist nun, dass ein Lagerbereich 17 des Befestigungselementes 11,
dessen Länge
L der axialen Ausdehnung des Elastomerlagers 10 entspricht, eine
konkave Gestalt aufweiset. D. h., das Befestigungselement 11 bzw.
der an dieser Stelle realisierte Zapfen 11 verfügt im Lagerbereich 17 für das Elastomerlager 10 nicht über zylindrische
Außenwände, sondern
diese Außenwände sind
nach innen gewölbt,
um den konkaven Charakter darzustellen.
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Der
konkaven Gestalt des Lagerbereiches 17 des Befestigungselementes 11 folgt
der Gummikörper 14a, 14b und
ebenso die Zwischenschale 15. Denn diese sind in gleicher
Weise axial nach innen gewölbt
ausgebildet.
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Demgegenüber verfügt die Außenschale 16 über eine
zylindrische Außenoberfläche 16a und
eine im Vergleich hierzu axial vorgewölbte konvexe Innenoberfläche 16b.
Dabei ist der Gummikörper 14a, 14b zwischen
der besagten konvexen Innenoberfläche 16b der Außenschale 16 und
dem Lagerbereich 17 bzw. den konkav nach innen gewölbten Außenwänden des
Befestigungselementes 11 in dem Lagerbereich 17 angeordnet
bzw. eingespannt.
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Man
erkennt, dass sowohl der Gummikörper 14a, 14b als
auch die Zwischenschale 15 jeweils im Axialschnitt (vgl. 3)
kreisbogenförmig
ausgebildet sind und über
einen Radius S verfügen,
welcher in etwa ihrer zugehörigen
axialen Länge
L entsprechen. Auch die konvexe Innenoberfläche 16b der Außenschale 16 weist
den vorgenannten Radius S auf.
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Im Übrigen überragen
die Zwischenschale 15 und auch die Außenschale 16 geringfügig den Gummikörper 14a, 14b axial.
Dadurch kann sich der Gummikörper 14a, 14b in
dieser Axialrichtung geringfügig
ausdehnen und wird dennoch durch die Zwischenschale 15,
die Außenschale 16 und
den Lagerbereich 17 des Befestigungselementes 11 geführt. Dennoch
kann man von einer in etwa übereinstimmenden
Länge L
des Elastomerlagers 10, seiner Außenschale 16, der
Zwischenschale 15 und schließlich der Gummikörperschichten 14a, 14b bzw. des
Gummikörpers 14a, 14b im
Ganzen ausgehen. Diese Länge
L entspricht nun dem Radius S des Kreisbogens, welcher ebenfalls
in etwa übereinstimmend
von der Außenoberfläche des
Befestigungselementes 11 im Lagerbereich 17, den
Gummikörperschichten 14a, 14b,
der Zwischenschale 15 und schließlich der konvexen Innenoberfläche 16b der Außenschale 16 beschrieben
wird.
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Auf
dieser Weise führen
Kräfte
F in axialer Richtung dazu, dass der fest mit dem Befestigungselement 11 verbundene
Gummikörper 14a, 14b nicht oder überwiegend
nicht scherend beansprucht wird, sondern vielmehr in seinem Innern
kombinierte Schub-/Druckkräfte
auftreten. Im Gegensatz zu Scherbeanspruchungen, die im schlimmstenfall
sogar den Gummikörper 14a, 14b zerstören können, werden
solche Schub-/Druckbeanspruchungen mit hoher Federrate von dem Gummikörper 14a, 14b aufgenommen,
so dass die einleitend bereits beschriebene axiale Steifigkeit des
Elastomerlagers 10 erreicht wird. Das ist durch Pfeile
in der 3 schematisch angedeutet.
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Schließlich erkennt
man noch in der 2, dass sowohl die Außenschale 16 als
auch die Zwischenschale 15 in Umfangsrichtung wenigstens zweiteilig
ausgebildet sind. Auf diese Weise kann das Elastomerlager 10 problemlos
in das Lageraufnahmeauge 12 des Querlenkers 5 eingepresst
werden und wird hierin unverlierbar mit einer gewissen Vorspannung
gehalten. Diese Vorspannung ergibt sich aus dem Unterschied des
(kleineren) Innendurchmessers des Lageraufnahmeauges 12 im
Vergleich zum unkomprimierten größeren Außendurchmesser der
Außenschale 16.
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Als
geeignete Elastomere zur Herstellung der Gummikörperschichten 14a, 14b empfiehlt
die Erfindung die Verwendung von beispielsweise Naturkautschuk (NR),
Polyurethan-Kautschuk (AU; EU), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)
oder auch Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR). Selbstverständlich kann
auch auf Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPDM) zurückgegriffen werden.