DE102011079842B4

DE102011079842B4 - Vorrichtung mit einem Torsionsabschnitt

Info

Publication number: DE102011079842B4
Application number: DE102011079842.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Wolf; Thomas Eiffländer; Stephan Pollmeyer; Jens Heimann; Gabriele Fruhmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2031-07-27
Also published as: DE102011079842A1

Abstract

Vorrichtung (30) mit einem Torsionsabschnitt (31) und zwei an den axialen Enden des Torsionsabschnitts (31) angeordneten Längshebeln (42, 44), wobei die Vorrichtung (30) mit einem Faserverbundmaterial hergestellt ist, und der Torsionsabschnitt (31) mindestens zwei miteinander verbundene Torsionsprofile (34, 36) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Torsionsprofile (34, 36) unter einer Torsions-Vorspannung (52, 54) stehend mit den beiden Längshebeln (42, 44) verbunden sind, und dass die Torsions-Vorspannungen (52, 54) in den mindestens zwei Torsionsprofilen (34, 36) vom Betrag identisch jedoch entgegengesetzt gerichtet sind, so dass sie sich gegenseitig aufheben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, beispielsweise einen Stabilisator oder einen Verbundlenker für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs, mit einem Torsionsabschnitt und zwei an den axialen Enden des Torsionsabschnitts angeordneten Längshebeln, wobei die Vorrichtung mit einem Faserverbundmaterial hergestellt ist und der Torsionsabschnitt mindestens zwei miteinander verbundene Torsionsprofile aufweist.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der US 4 625 995 A bekannt.
Gattungsgemäße Stabilisatoren kommen in Kraftfahrzeugen zur Anwendung, um Roll- bzw. Wankbewegungen des Aufbaus um die Fahrzeuglängsachse zu minimieren. Bei einer Abweichung der Winkellage des Kraftfahrzeugaufbaus von der Mittellage bauen die Stabilisatoren ein Torsionsmoment auf, das der Auslenkung entgegenwirkt. Das Torsionsmoment entsteht durch ein in der Regel an zwei Punkten am Kraftfahrzeugaufbau angebundenes Torsionsprofil, an dessen Enden jeweils ein Längshebel zur Anlenkung und Übertragung der Kräfte angeordnet ist. Im Zuge einer weiteren Optimierung des Energieverbrauchs von Kraftfahrzeugen ist es sinnvoll, das Fahrzeuggewicht möglichst gering zu halten. Zur Gewichtsminimierung im Fahrwerksbereich können Stabilisatoren oder auch Verbundlenker der Radaufhängung aus leichten Faserverbundmaterialien genutzt werden.
Wechselnde Torsionsbelastungen mit Drehwinkeln von bis zu ± 15° pro Seite, dass heißt bis zu 30° Gesamttorsion, wie sie zum Beispiel bei Stabilisatoranwendungen auftreten, erfordern bei einer Faserverbundbauweise der Stabilisatoren jedoch einen besonderen Aufbau der Faserverbundmaterial-Lagen. Hierbei sind in Relation zu einer Längsachse eines Torsionsprofils diagonal angeordnete Verstärkungsfasern bzw. Verstärkungsfaserstränge mit einem für eine Torsionsbeanspruchung optimalen Verlaufswinkel zwischen 30° und 60° vorzusehen. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Verlaufswinkel der Verstärkungsfaserstränge von ca. 54° erwiesen.
Die Verstärkungsfaserstränge sind üblicherweise in eine Matrix eingebettet, die beispielsweise durch das Imprägnieren bzw. das Infiltrieren der Verstärkungsfaseranordnung mit einem duroplastischen oder mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial geschaffen wird. Die Verstärkungsfaserstränge müssen aufgrund der in diesem Anwendungsfall wechselnden Torsionsbelastung mit gleichen Raumanteilen in der so genannten Plusrichtung und der Minusrichtung der Torsionsbelastung ausgerichtet werden. Eine abwechselnde Torsionsbelastung mit entsprechend positiven oder negativen Drehwinkeln des Torsionsprofils führt jedoch dazu, dass auf die eine Hälfte der Stränge der Verstärkungsfasern Kräfte einwirken, die diese einzuschnüren versuchen, während auf die andere Hälfte der gegensinnig orientierten Stränge der Verstärkungsfasern Kräfte einwirken, die diese aufzuspleißen bzw. auszudehnen versuchen.
Die Verstärkungsfaser werden mit der Matrix zusammen im Weiteren als Verbund bezeichnet.
Unter dem Begriff einschnürende Kräfte werden solche Kräfte verstanden, welche die Verstärkungsfasern auf Zug belasten und strecken, während aufspleißende Kräfte die Verstärkungsfaser bzw. den Verbund auf Schub belasten und zwischen den gegensinnig gewickelten Faserverstärkungen auftreten.
Die beschriebenen gegenläufigen Verdrillungen in einem solchen ausgeglichenen Lagenverbund erhöhen das Risiko von Zwischenfaserbrüchen und interlaminaren Scherbrüchen, da die Matrix zwischen den Fasern infolge der sich einschnürenden Faserstränge zwar auf Druck, aufgrund der sich aufspleißenden Faserstränge jedoch auch auf Zug belastet wird. Zur Erzielung einer optimalen Festigkeit sollte die Matrix in einem Faserverbundbauteil jedoch nur auf Druck belastet werden. Wegen des beschriebenen konventionellen Aufbaus von Stabilisatoren oder Verbundlenker aus Faserverbundmaterialien und der damit verbundenen geringen Dauerbetriebsfestigkeit werden solche in der Praxis nur in Einzelfällen eingesetzt. Für torsionssteife Bauteile, wie zum Beispiel Antriebswellen, lässt sich dieses Problem hingegen lösen, weil durch die notwendige hohe Torsionssteifigkeit einer Welle die Verdrehwinkel im Betrieb gering bleiben, so dass Verdrilleffekte zwischen den Lagen des Faserverbundmaterials keinen schädigen Einfluss haben.
Aus der EP 0 243 191 A1 und aus der WO 2005/028221 A1 sind aus einem Faserverbundmaterial gefertigte Verbundlenker- bzw. Torsionskurbelachsen bekannt, bei denen ein neben seiner Radführungsfunktion auch als Stabilisator wirkendes Torsionsrohr aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist.
Aus der DE 39 10 641 A1 ist ferner eine Stabilisatoranordnung für Kraftfahrzeuge mit einem quer zur Fahrzeuglängsachse angeordneten Torsionselement bekannt, das zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist. Um die Entstehung von Rissen, insbesondere durch Steinschlag und/oder durch eindringende Feuchtigkeit zu verhindern, ist der Stabilisator zumindest bereichsweise mit einer Weichkunststoffumhüllung versehen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stabilisator oder einen Verbundlenker für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs vorzustellen, welcher aus einem Faserverbundmaterial hergestellt ist, der betriebsübliche Torsionswinkel aufnehmen kann, und der zugleich eine hohe Ausfallsicherheit gegenüber einer pulsierenden Beanspruchung mit die Richtung wechselnden Torsionskräften, wie sie im normalen Kraftfahrzeugbetrieb auftreten, aufweist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch zwei gegensinnig gewickelte Torsionsprofile aus einem Faserverbundwerkstoff, die darüber hinaus jeweils unter einer gleich großen, jedoch entgegengerichteten Vorspannung stehen, die Verstärkungsfaserstränge auch unter dem Einfluss von alternierenden Torsionslasten im Betrieb ausschließlich mit Kräften belastet werden, die in Einschnürrichtung wirken, so dass auf die Matrix des Verbundwerkstoffes nur belastungsoptimale Druckspannungen einwirken.
Die Erfindung geht demnach aus von einer Vorrichtung, beispielsweise ein Stabilisator oder ein Verbundlenker für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs, mit einem Torsionsabschnitt und zwei an den axialen Enden des Torsionsabschnitts angeordneten Längshebeln, wobei die Vorrichtung mit einem Faserverbundmaterial hergestellt ist. Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist vorgesehen, dass der Torsionsabschnitt mindestens zwei miteinander verbundene Torsionsprofile aufweist, dass die Torsionsprofile unter einer Torsions-Vorspannung stehend mit den beiden Längshebeln verbunden sind, und dass die Torsions-Vorspannungen in den mindestens zwei Torsionsprofilen vom Betrag identisch jedoch entgegengesetzt gerichtet sind, so dass sie sich gegenseitig aufheben.
Durch diesen Aufbau werden die eingangs beschriebenen kritischen Belastungszustände innerhalb des Faserverbundwerkstoffes vermieden und es sind zugleich große Verdrehwinkel der Stabilisatorenden von bis zu ± 15° pro Seite erreichbar. Zugleich wird das Risiko von Faserbrüchen und interlaminaren Scherbrüchen infolge der beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs in der Regel auftretenden auf- und abschwellenden Torsionsbelastung erheblich reduziert. Die Vorrichtung kann gleichermaßen als Stabilisator oder als Verbundlenker in eine vorgegebene Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges integriert werden.
Die mindestens zwei Torsionsprofile sind als Vollzylinder oder als Hohlzylinder unter Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs hergestellt, wobei ein Torsionsprofil mit einer z.B. positiven Vorspannung und das andere mit einer gleich großen, jedoch entgegengerichteten negativen Vorspannung beaufschlagt ist. Die Torsions-Vorspannungen können z.B. durch das Verdrehen der fertigen Torsionsprofile um einen Vorspannungswinkel von ± γVor erzeugt werden, bevor die Torsionsprofile mit den Längshebeln verbunden werden, so dass sich die Torsions-Vorspannungen in ihrer Außenwirkung gegenseitig vollständig aufheben. Andere, hiervon abweichende Querschnittsgeometrien sind gleichfalls möglich.
Die Vorspannung innerhalb der Torsionsprofile ist so gewählt, dass bei einem maximalem Torsionswinkel γ der Vorrichtung bzw. des Stabilisators eines der beiden Torsionsprofile belastet wird, während das gegensinnig gewundene Torsionsprofil entsprechend entlastet wird, wobei jedoch stets eine Restvorspannung im entlasteten Torsionsprofil verbleibt und das belastete Torsionsprofil noch über eine hinreichende Versagenssicherheit verfügt. Hierdurch ist sichergestellt, dass sich die Verstärkungsfasern im Matrixmaterial der Torsionsprofile unabhängig von Größe und Richtung des einwirkenden Torsionswinkels bzw. des resultierenden Torsionsmomentes nur einschnüren und nicht aufspleißen, so dass das Matrixmaterial nur auf Druck belastet wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass die mindestens zwei Torsionsprofile mit im Wesentlichen schraubengewindeförmig oder seilförmig gewickelten Verstärkungsfasersträngen (Rovings) gebildet sind, die von einem Matrixmaterial umgeben sind. Aufgrund dieser lastflussgerechten Anordnung der Verstärkungsfaserstränge erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung hohe Verdrehwinkel γ bei einem zugleich geringen Gewicht. Die Verstärkungsfaserstränge bestehen ihrerseits aus einer Vielzahl von im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden, diskreten Verstärkungsfaserfilamente. Die Verstärkungsfaserstränge sind vorzugsweise in der Art eines Seils miteinander verseilt bzw. verdrillt, und sind zur Schaffung der Torsionsprofile mit einem geeigneten, mechanisch hinreichend belastbaren Matrixmaterial infiltriert bzw. in dieses eingebettet. Das Torsionsprofil kann zusätzlich zu den spiralförmig gewundenen Verstärkungsfasersträngen, insbesondere parallel zu einer Längsachse des Torsionsprofils, unidirektionale Fasern, d.h. koaxiale Fasern aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Vorrichtung sind die Verstärkungsfaserstränge im ersten Torsionsprofil im Wesentlichen rechtsgängig und im zweiten Torsionsprofil im Wesentlichen linksgängig gewunden. Dabei sind die mindestens zwei Torsionsprofile derartig vorgespannt mit den beiden Längshebeln verbunden, dass die jeweilige Torsions-Vorspannung in der Wickelrichtung der Verstärkungsfaserstränge des jeweiligen Torsionsprofils wirkt, so dass ein rechtsgängig gewickeltes Torsionsprofil mit einem rechtsdrehenden Torsionsmoment und ein linksgängig gewickeltes Torsionsprofil mit einem linksdrehenden Torsionsmoment belastet ist.
Aufgrund der gegensinnigen Verseilung der Verstärkungsfaserstränge in den beiden Torsionsprofilen ergibt sich in Verbindung mit den gleichfalls entgegengerichteten Torsions-Vorspannungen innerhalb der Torsionsprofile eine nahezu vollständige Unempfindlichkeit der Vorrichtung bzw. des Stabilisators gegenüber Torsionswinkeln mit schnell wechselnder Größe und Richtung.
Der innere Aufbau der Torsionsprofile folgt beispielsweise im Wesentlichen dem Aufbau eines herkömmlichen Stahlseiles mit verdrillten Litzen aus Draht und mindestens einer darin eingebetteten Einlage, wobei an die Stelle der Litzen und der Einlage hier die miteinander verdrillten bzw. verwundenen oder koaxial verlaufenden Verstärkungsfaserstränge treten. Die Verstärkungsfaserstränge können aber auch um eine koaxiale, rohrartige Einlage gewickelt sein, die selbst aus gewickelten und/oder unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern aufgebaut ist
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die mindestens zwei Torsionsprofile mittels mindestens einer vorzugsweise mittig angeordneten drehelastischen Anbindungsvorrichtung verbunden sind. Die drehelastische Kopplung zwischen den Torsionsprofilen mittels der Anbindungsvorrichtung erhöht die Knicksteifigkeit der Torsionsprofile im Fall einer Druckbelastung. Die mindestens eine Anbindungsvorrichtung kann aus einem elastischen Material, wie zum Beispiel Gummi oder einem anderen elastischen Kunststoffmaterial, gefertigt werden. Alternativ dazu kann auch ein federelastisches metallisches Material zum Einsatz kommen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung sind die mindestens zwei Torsionsprofile parallel nebeneinander angeordnet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Torsionsprofile in Bezug zur Fahrzeuglängsachse hintereinander versetzt angeordnet sind. Hierdurch ist eine konstruktiv einfache Integration der Vorrichtung in eine vorgegebene Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs möglich. Die Fahrzeuglängsachse verläuft hierbei unter einem Winkel von 90° zu einer Längsachse der Vorrichtung bzw. der Torsionsprofile. Alternativ dazu können die Torsionsprofile auch übereinander, also parallel zu einer Hochachse des Kraftfahrzeugs angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung sind die mindestens zwei Torsionsprofile koaxial ineinander angeordnet. Infolge dieser Weiterbildung ergibt sich eine Platz sparende Konstruktion, die vor allem für begrenzte Einbauräume in Kraftfahrzeugen geeignet ist. Hierbei sind die Wandstärken der Torsionsprofile so gewählt, dass sich in den Torsionsprofilen ungefähr die gleichen Flächenträgheitsmomente ergeben.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind die axialen Enden der mindestens zwei Torsionsprofile jeweils mittels eines Scharniers an die Längshebel angelenkt, wobei das Scharnier um die Fahrzeuglängsachse schwenkbar oder biegeweich ausgebildet ist. Hierdurch ist unter anderem eine um die Fahrzeuglängsachse gelenkige Anbindung der Torsionsprofile an die Längshebel gegeben.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Vorrichtung sind die Verstärkungsfaserstränge aus Kohlefasern, Glasfasern, Basaltfasern, Kunststofffasern, Naturfasern oder mit einer Kombination von mindestens zwei der genannten Verstärkungsfasern gebildet. Als weitere Arten von Verstärkungsfasern kommen unter anderem Aramid^®-Fasern, andere Mineralfasern oder auch recyclingfähige Sisalfasern in Betracht.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Matrixmaterial ein duroplastisches Kunststoffmaterial, ein thermoplastisches Kunststoffmaterial, ein keramisches Material, ein metallisches Material oder eine Kombination von mindestens zwei der genannten Materialien.
Insbesondere mit kohlefaserarmierten, duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoffen können Torsionsprofile hergestellt werden, die bei Verdrehwinkeln von bis zu ± 15° hohe Drehmomente aufnehmen können, die korrosionsfest sowie wartungsarm sind, und die zugleich nur ein geringes Gewicht aufweisen. Als duroplastisches Matrixmaterial sind beispielsweise Epoxydharze oder Polyesterharze geeignet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung an einer Ausführungsform näher erläutert. Darin zeigt

1 die Anordnung eines Stabilisators in einer bekannten McPherson-Vorderachse,
2 eine vereinfachte Darstellung der wesentlichen Kräfte und Momente an einem Stabilisator gemäß 1,
3 eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäß ausgebildeten, gegensinnig vorgespannten Stabilisator mit Stabilisatorprofilen aus einem Faserverbundmaterial,
4 eine prinzipielle Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie IV-IV in der 3,
5 ein Diagramm mit einem typischen Momentenverlauf innerhalb des erfindungsgemäßen Stabilisators bei unterschiedlich großen Torsionswinkeln γ,
6 eine Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Stabilisators mit einer drehelastischen Anbindung zwischen den beiden Torsionsprofilen sowie einer gelenkigen Anbindung an seine beiden Längshebel,
7 eine schematische Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie VII-VII in der 6, und
8 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch ein Scharnier zur gelenkigen Ankopplung der Torsionsprofilenden an die Längshebel entlang der Schnittlinie VIII-VIII in der 6.

1 veranschaulicht die Einbaulage eines herkömmlichen Stabilisators in einer McPherson-Vorderachse. Die McPherson-Vorderachse 10 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs umfasst unter anderem zwei, jeweils mit einem Querlenker 12 verbundne Vorderräder 14 sowie zwei Federbeine 16 mit nicht bezeichneten Feder- und Dämpfungselementen. Ein Koordinatensystem 18 veranschaulicht die Lage sämtlicher Komponenten im Raum. Die x-Achse des Koordinatensystems 18 verläuft parallel zu der Fahrzeuglängsachse und ist der normalen Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs entgegen gerichtet. Die z-Achse verläuft parallel zur Fahrzeughochachse, während die y-Achse parallel zur Fahrzeugquerachse verläuft. Ein Stabilisator 20 weist an den nicht bezeichneten axialen Enden seines Torsionsabschnitts jeweils eine Längskurbel 22 zur Anlenkung an die Federbeine 16 bzw. an die Querlenker 12 auf. Die Kraftüberleitung von dem Stabilisator 20 auf den nicht eingezeichneten Aufbau des Kraftfahrzeugs geschieht über zwei Anbindungen 24, die als Schellen mit Gummieinlage ausgebildet sein können. Durch den Stabilisator 20 wird, wie eingangs beschrieben, insbesondere unerwünschten Wankbewegungen des Kraftfahrzeugaufbaus um die x-Achse durch ein Tordieren seines Torsionsabschnitts entgegengewirkt.
Die 2 zeigt die wesentlichen Kräfte und Momente an einem solchen Stabilisator 20. Das Koordinatensystem 18 veranschaulicht die Lage im Raum. Infolge des Wankwinkels φ zwischen der xy-Ebene (Fahrebene des Kraftfahrzeugs) und einem nicht eingezeichneten Aufbau (Karosserie) eines Kraftfahrzeugs entstehen an den Längskurbeln 22 des Stabilisators 20 jeweils entgegengerichtete Torsionskräfte F, die zur Verwindung der nicht bezeichneten Enden des Stabilisators 20 jeweils um die Torsionswinkel ±γ/2 um die y-Achse bzw. die Fahrzeugquerachse herum führen. Der solchermaßen tordierte Stabilisator 20 wirkt im Ergebnis der unerwünschten Wankbewegung entgegen. Der Stabilisator 20 weist über seinen Torsionsabschnitt, also entlang der y-Achse, eine Länge s (Spurweite) auf, während seine Kurbelarme 22 jeweils eine Länge b aufweisen. Für den Wankwinkel φ und die Torsionswinkel γ gilt dann die Gleichung φ × (s/2) = (y/2) × b.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30, die hier exemplarisch als ein Quer-Stabilisator 32 für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Alternativ dazu kann die Vorrichtung 30 z.B. auch als Verbundlenker innerhalb einer Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges dienen. Das Koordinatensystem 18 veranschaulicht wiederum die Lage der Komponenten im Raum. Der Stabilisator 32 weist einen Torsionsabschnitt 31 mit zwei parallel zueinander angeordnete Torsionsprofile 34, 36 auf, die hier als massive zylindrische Stäbe aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet sind. Die ersten Enden 38, 40 der beiden Torsionsprofile 34, 36 sind jeweils starr mit einem ersten Längshebel 42 verbunden. Entsprechend sind die hiervon wegweisenden zweiten Enden 38' bzw. 40' der beiden Torsionsprofile 34, 36 jeweils mit einem zweiten Längshebel 44 verbunden. Die durch die beiden Torsionsprofile 34, 36 miteinander verbundenen Längshebel 42, 44 sind in einem nicht bezeichneten Abstand parallel zur x-Achse (Fahrzeuglängsachse) angeordnet, während die beiden Torsionsprofile 34, 36 in einem verhältnismäßig kleinen, nicht bezeichneten Abstand zueinander parallel zur y-Achse (Fahrzeugquerachse) angeordnet sind. Infolge des geringen Abstandes zwischen den beiden Torsionsprofilen 34, 36 ergibt sich ein vergleichsweise Raum sparender Aufbau des Stabilisators 32 in x-Richtung.
Zumindest die beiden Torsionsprofile 34 und 36 sind erfindungsgemäß aus einem mechanisch hoch belastbaren Faserverbundmaterial gefertigt. Dieses Faserverbundmaterial ist mit einer Vielzahl von Verstärkungsfasersträngen 46, wie zum Beispiel Kohlefaser- oder Glasfaserstränge gebildet, die lagenweise um Längsachsen 48, 50 der Torsionsprofile 34, 36 herum miteinander verseilt bzw. aufgewickelt sind, und die mit einem Matrixmaterial imprägniert bzw. infiltriert sind. Der innere Aufbau der Torsionsprofile 34, 36 mit den Verstärkungsfasersträngen bzw. Verstärkungsfaserbündeln ist hierbei mit dem Aufbau eines konventionellen Stahlseils mit verseilten Litzen und mit mindestens einer zentralen Einlage vergleichbar, wobei an die Stelle der Litzen und der Einlagen die Verstärkungsfaserstränge treten. Als Matrixmaterial kommen zum Beispiel Epoxydharze oder Polyesterharze in Betracht. Alternativ dazu können thermoplastische Kunststoffe oder mineralische Materialien als Matrixmaterial eingesetzt werden.
Abweichend von der dargestellten vollzylindrischen Form können die beiden Torsionsprofile 34, 36 auch als Hohlzylinder oder mit hiervon abweichenden Querschnittsgeometrien ausgeführt sein. Von wesentlicher Bedeutung für die Funktion des Stabilisators 32 ist, dass die Verstärkungsfaserstränge 46 in dem einen Torsionsprofil 34 im Wesentlichen vollständig rechtsgängig gewickelt sind, während die Verstärkungsfaserstränge 46 im anderen Torsionsprofil 36 im Wesentlichen durchgehend linksgängig gewickelt sind. Ein Teil der Verstärkungsfaserstränge 46 kann innerhalb der Torsionsprofile 34, 36 auch parallel zu deren Längsachsen 48, 50 verlaufen. Nicht bezeichnete Wicklungswinkel zwischen den Verstärkungsfasersträngen 46 und den Längsachsen 48, 50 der Torsionsprofile 34, 36 liegen in einem Bereich zwischen 30° und 60°, bevorzugt jedoch bei 54°.
4 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch den Stabilisator 32 gemäß der Schnittlinie IV-IV in 3. Die beiden Torsionsprofile 34, 36 des Stabilisators 32 mit einer jeweils kreisförmigen Querschnittsgeometrie sind mit dem hier nur sichtbaren ersten Längshebel 42 verbunden. Für die Funktion des erfindungsgemäßen Stabilisators 32 ist es ferner von Bedeutung, dass die beiden Torsionsprofile 34, 36 jeweils unter einer gleich großen, jedoch entgegengerichtet wirkenden mechanischen Torsions-Vorspannungen 52, 54 verbaut sind. Zur Veranschaulichung der beiden Torsions-Vorspannungen 52, 54 sind in 3 die entgegengerichteten Torsionskräfte +F und -F eingezeichnet.
Die entgegengerichteten, jedoch betragsmäßig gleich großen Torsions-Vorspannungen 52, 54, welche zu entsprechenden Vorspannungs-Torsionsmomenten M₁ vor und M₂ _Vor in den Torsionsprofilen führen, heben sich im Ruhezustand bzw. in der Einbaulage des Stabilisators 32 gegenseitig im Wesentlichen vollständig auf. Die Torsions-Vorspannungen, 54 können dadurch aufgebaut und fixiert sein, dass die Torsionsprofile 34, 36 vor dem Zusammenbau mit den Längshebeln 42, 44 jeweils entgegengesetzt um einen Vorspannungswinkel ± γ_vor um die Längsachsen 48, 50 der Torsionsprofile 34, 36 verdreht bzw. tordiert werden.
Infolge der z.B. definitionsgemäß positiven Torsions-Vorspannungen 52 werden die im Wesentlichen durchgängig rechtsgängig gewickelten Verstärkungsfaserstränge im ersten Torsionsprofil 34 mit einer in Einschnürrichtung wirkenden Kraft belastet. Dieselbe Wirkung hat die dann negativ zu definierende Vorspannung 54 auf die im Wesentlichen linksgängig gewickelten Verstärkungsfaserstränge des zweiten Torsionsprofils 36, welches dann ebenfalls mit einer in Einschnürrichtung wirkenden Kraft belastet ist.
Die Größe bzw. die Stärke der Torsions-Vorspannungen 52, 54 ist hierbei so bemessen, dass in der Matrix der Torsionsprofile 34, 36 unabhängig von dem vom Stabilisator 32 maximal aufzunehmenden Torsionswinkel γ keine Zugspannungen auftreten. Frei vom jeweils eingestellten Torsionswinkel γ ist die Matrix im Faserverbundmaterial der Torsionsprofile 34, 36 demnach nur belastungsoptimalen Druckkräften ausgesetzt. Diese Druckkräfte ändern sich bei einem Wankausgleich von einem vorspannungsbestimmten Minimalwert in der Nichtauslenkungslage des Fahrzeugaufbaus zu einem wankbestimmten Maximalwert bei einer maximalen Wankauslenkung des Fahrzeugaufbaus gegenüber dem Fahrzeugrad bzw. der Fahrbahn. Ein mechanisches Versagen des Stabilisators 32, wie es beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs unter wechselnden Torsionsbelastungen auftreten kann, wird dadurch zuverlässig vermieden.
Das Diagramm der 5 zeigt den Verlauf der Momente M₁ und M₂ in den beiden Torsionsprofilen 34, 36 sowie das daraus resultierende Gesamtmoment M_Statulisator im Stabilisator, jeweils in Abhängigkeit vom anliegenden Torsionswinkel γ. Für das Verhältnis zwischen dem Torsionswinkel γ, dem Wankwinkel φ des Fahrzeugaufbaus, der Länge b der Längshebel sowie der Breite s des Stabilisators ist die weiter oben wiedergegebene mathematische Beziehung maßgebend.
Im Ruhezustand, also im vollständig unbelasteten Zustand des Stabilisators 32 bei einem Torsionswinkel γ von 0°, ist das Gesamtmoment M_Stabilisator gleich Null, weil sich die durch die Vorspannungen in den beiden Torsionsprofilen hervorgerufenen entgegengesetzten Momente +M₁ vor und -M₂ _Vor in diesem Punkt gegenseitig vollständig kompensieren. Erreicht der Torsionswinkel γ beispielsweise den Wert +γ_Max, so erreicht das Moment M₁ im ersten Torsionsprofil 34 das Maximum +M_1,Max, während das Moment M₂ im zweiten Torsionselement 36 den Wert -M_2,Min einnimmt. Genau umgekehrt verhält es sich aufgrund des symmetrisch aufgebauten Stabilisators, wenn der Torsionswinkel γ den Wert von -γ_Max erreicht.
Die beiden Torsionsprofile 34, 36 sowie die jeweiligen Torsions-Vorspannungen 52 und 54 sind so bemessen, dass für den Fall, dass der Torsionswinkel γ den Wert -γ_Max oder +γ_Max erreicht, immer noch ein Sicherheitsmoment 56 bis zu einem kritischen Moment ±M_Krit verbleibt, bei dessen Überschreitung es zu einem mechanischen Versagen des Stabilisators durch Bruch kommen könnte. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau ist sichergestellt, dass die Matrix der Torsionsprofile 34, 36 des Stabilisators 32 im betriebsrelevanten Torsionswinkelintervall zwischen -γ_Max und +γ_Max stets nur mit Druckspannungen beansprucht wird. Hierdurch kann der Stabilisator 32 ohne die Gefahr von Ermüdungsbrüchen, Delaminationen, Scherbrüchen oder andere Effekte im Faserverbundwerkstoff befürchten zu müssen, problemlos mit schnell wechselnden Lasten, wie sie beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs üblicherweise auftreten, dauerhaft belastet werden.
Die 6 bis 8, auf die nachfolgend Bezug genommen wird, zeigen eine Modifikation des Stabilisators 32 gemäß der 3 und 4. 6 zeigt eine Draufsicht auf eine Weiterbildung des Stabilisator 32a, bei dem im Unterschied zur Ausführungsform des Stabilisators 32 gemäß den 3 und 4 die axialen Enden der Torsionsprofile 34, 36 jeweils mittels eines Scharniers 60 bzw. eines Gelenks an die beiden parallelen Längshebel 42, 44 angelenkt sind, und die Torsionsprofile 34, 36 darüber hinaus mittels einer drehelastischen Anbindungsvorrichtung 62 zusammengekoppelt sind. Die, der besseren zeichnerischen Übersicht halber, nicht bezeichneten axialen Enden der beiden Torsionsprofile 34, 36 sind hierbei jeweils über eine Traverse 64 miteinander verbunden, die ihrerseits an das Scharnier 60 angekoppelt ist.
7 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Schnitts VII-VII nach 6, gemäß der die drehelastische Anbindungsvorrichtung 62 hier eine näherungsweise ovale Querschnittsgeometrie aufweist, in die zwei kreisförmige Ausnehmungen 66, 68 zur Durchführung der Torsionsprofile 34, 36 eingebracht sind. Alternativ dazu können auch mehrere Anbindungsvorrichtungen auf die Torsionsprofile 34, 36 aufgeschoben sein. Um ein Verrutschen der Anbindungsvorrichtung 62 auf den Torsionsprofilen 34, 36 entlang der y-Achse des Koordinatensystems 18 zu verhindern, besteht zwischen den beiden Ausnehmungen 66, 68 und den Torsionsprofilen 34, 36 bevorzugt eine leichte Presspassung. Diese Presspassung kann wie in 7 gezeigt durch jeweils eine ringförmige oder zylindrische gummielastische Manschette 41a, 41b erreicht werden, die radial innen an dem jeweiligen Torsionsprofil 34, 36 und radial außen an der jeweiligen Ausnehmungen 66, 68 anliegt. Alternativ dazu kann die Querschnittsgeometrie der drehelastischen Anbindungsvorrichtung 62 von der ovalen Form abweichen. Die mindestens eine drehelastische Anbindungsvorrichtung 62 kann auf die Torsionsprofile 34, 36 aufgeklebt oder auf andere Weise auf diesen festgesetzt sein. Die Anbindungsvorrichtung 62 kann beispielsweise aus einem elastischen Material, wie zum Beispiel Gummi, gebildet sein. Durch die drehelastische Anbindungsvorrichtung 62 erhöht sich unter anderem vorteilhaft die Knicksteifigkeit der Torsionsprofile 34, 36 bei einer Druckbelastung derselben.
Abweichend von der dargestellten räumlichen Anordnung der Torsionsprofile 34, 36 in der xy-Ebene (siehe auch 3), können diese auch senkrecht übereinander beabstandet in der yz-Ebene des Koordinatensystems 18 angeordnet sein, um insbesondere den erforderlichen Einbauraum parallel zur x-Achse, d.h. in Richtung der Fahrzeuglängsachse zu minimieren.
Gemäß einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform können die Torsionsprofile auch koaxial ineinander angeordnet sein, wodurch sich eine besonders Platz sparende Konstruktion ergibt. Diese Anordnung setzt jedoch voraus, dass zumindest ein äußeres Torsionsprofil als Hohlprofil ausgebildet ist, um ein inneres Torsionsprofil mit einem im Vergleich hierzu geringeren Durchmesser in dieses koaxial aufnehmen zu können. Darüber hinaus müssen die Wandstärken der Torsionsprofile so dimensioniert sein, dass sich trotz unterschiedlicher Durchmesser annähernd dieselben Torsionssteifigkeiten ergeben.
8 zeigt einen Teilquerschnitt durch das erste axiale Ende 40 des ersten Torsionsprofils 34 mit dem auch in 6 gezeigten Scharnier 60, sowie mit dem zugehörigen Längshebel 42 entlang der Schnittlinie VIII-VIII der 6. Das Scharnier 60 erlaubt eine um die x-Achse (Fahrzeuglängsachse) des Koordinatensystems 18 bewegliche bzw. verschwenkbare Anbindung des Torsionsprofils 34 sowie des hier nicht sichtbaren zweiten Torsionsprofils mittels der Traverse 64 an den ersten Längshebel 42. Auf dieselbe Weise erfolgt die gelenkige Anbindung des hier nicht dargestellten zweiten Längshebels 44 an die Torsionsprofile. Die endseitige mechanische Kopplung der Torsionsprofile 34, 36 untereinander, von denen hier nur das vordere Torsionsprofil 34 sichtbar ist, erfolgt mithilfe der Traverse 64.
Die Vorrichtung bzw. der Stabilisator gemäß der Erfindung erlaubt aufgrund der speziellen Konstruktion mit mindestens zwei Torsionsprofilen, die jeweils mit im Wesentlichen durchgehend rechts- oder linksgängig miteinander verseilten bzw. gewickelten Verstärkungsfasersträngen aufgebaut sind, die mit einem Matrixmaterial infiltriert sind, und die zudem jeweils unter einer gleich großen, jedoch entgegengesetzten Vorspannung stehen, die Aufnahme von ihr Vorzeichen wechselnden Torsionslasten, wobei die Gefahr des mechanischen Versagens infolge von Delamination und/oder Brüchen innerhalb des Faserverbundmaterials weitgehend ausgeschlossen ist.
Bezugszeichenliste

10: McPherson-Vorderachse
12: Querlenker
14: Vorderrad
16: Federbein
18: Koordinatensystem
20: Querstabilisator, Stabilisator
22: Längskurbel
24: Anbindung
30: Vorrichtung
31: Torsionsabschnitt
32: Quer-Stabilisator, Stabilisator
32a: Quer-Stabilisator, Stabilisator
34: Erstes Torsionsprofil
36: Zweites Torsionsprofil
38: Erstes Ende des ersten Torsionsprofils 34
38': Zweites Ende des ersten Torsionsprofils 34
40: Erstes Ende des zweiten Torsionsprofils 36
40': Zweites Ende des zweiten Torsionsprofils 36
41a: Manschette
41b: Manschette
42: Erster Längshebel
44: Zweiter Längshebel
46: Verstärkungsfaserstrang
48: Längsachse des ersten Torsionsprofils
50: Längsachse des zweiten Torsionsprofils
52: Torsions-Vorspannung (positiv)
54: Torsions-Vorspannung (negativ)
56: Sicherheitsmoment
60: Scharnier
62: Anbindungsvorrichtung
64: Traverse
66: Ausnehmung, Anbindung
68: Ausnehmung, Anbindung

Claims

Vorrichtung (30) mit einem Torsionsabschnitt (31) und zwei an den axialen Enden des Torsionsabschnitts (31) angeordneten Längshebeln (42, 44), wobei die Vorrichtung (30) mit einem Faserverbundmaterial hergestellt ist, und der Torsionsabschnitt (31) mindestens zwei miteinander verbundene Torsionsprofile (34, 36) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Torsionsprofile (34, 36) unter einer Torsions-Vorspannung (52, 54) stehend mit den beiden Längshebeln (42, 44) verbunden sind, und dass die Torsions-Vorspannungen (52, 54) in den mindestens zwei Torsionsprofilen (34, 36) vom Betrag identisch jedoch entgegengesetzt gerichtet sind, so dass sie sich gegenseitig aufheben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Torsionsprofile (34, 36) mit schraubengewindeförmig oder seilförmig gewickelten Verstärkungsfasersträngen (46) gebildet sind, die von einem Matrixmaterial umgeben sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfaserstränge (46) im ersten Torsionsprofil (34) rechtsgängig und im zweiten Torsionsprofil (36) linksgängig gewunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Torsionsprofile (34, 36) derartig vorgespannt mit den beiden Längshebeln (42, 44) verbunden sind, dass die jeweilige Torsions-Vorspannung (52, 54) in der Wickelrichtung der Verstärkungsfaserstränge (46) des jeweiligen Torsionsprofils (34, 36) wirkt, so dass ein rechtsgängig gewickeltes Torsionsprofil mit einem rechtsdrehenden Torsionsmoment und ein linksgängig gewickeltes Torsionsprofil mit einem linksdrehenden Torsionsmoment belastet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfaserstränge (46) um eine koaxiale, rohrartige Einlage gewickelt sind, die selbst aus gewickelten und/oder unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern aufgebaut ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Torsionsprofile (34, 36) mittels mindestens einer drehelastischen Anbindungsvorrichtung (62) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Torsionsprofile (34, 36) parallel nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Torsionsprofile koaxial ineinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Enden (38, 38', 40, 40') der mindestens zwei Torsionsprofile (34, 36) jeweils mittels eines Scharniers (60) an den Längshebeln (42, 44) angelenkt sind, wobei das Scharnier (60) um die Fahrzeuglängsachse (x) schwenkbar oder biegeweich ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfaserstränge (46) aus Kohlefasern, Glasfasern, Basaltfasern, Kunststofffasern, Naturfasern oder aus einer Kombination von mindestens zwei der genannten Verstärkungsfasern gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial ein duroplastisches Kunststoffmaterial, ein thermoplastisches Kunststoffmaterial, ein keramisches Material, ein metallisches Material oder eine Kombination von mindestens zwei der genannten Materialien ist.