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Dokumentenidentifikation DE102004041427A1 02.03.2006
Titel Fahrzeugstarrachse mit integrierten Federkonsolen
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Henze, Steffen, Dipl.-Ing., 06886 Lutherstadt Wittenberg, DE;
Schütz, Klaus, Dipl.-Ing., 34513 Waldeck, DE;
Tölle, Kai, Dipl.-Ing., 34246 Vellmar, DE;
Weber, Steffen, Dipl.-Ing., 34260 Kaufungen, DE
DE-Anmeldedatum 27.08.2004
DE-Aktenzeichen 102004041427
Offenlegungstag 02.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.03.2006
IPC-Hauptklasse B60B 35/02(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
Zusammenfassung Angetriebene Fahrzeugstarrachse aus einem Achskörper mit einem Differentialgehäuse, mit mindestens zwei auskragenden Federkonsolen und mit äußeren Achsendstücken in Form von Achszapfen, Radträgern, Fäusten oder Gabeln. Dazu hat der Achskörper einen Aufbau, bei dem die einzelnen zwischen dem Differentialgehäuse und den jeweiligen äußeren Achsendstücken gelegenen Federkonsolen pro Achshälfte integrale Achskörperbestandteile sind.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine angetriebene Fahrzeugstarrachse entwickelt, mit der der Fahrkomfort und die Fahrsicherheit bei minimalem Reifenverschleiß erhöht wird. Gleichzeitig soll der Aufbau der Achse eine einfache Anpassung an verschiedene selbstfahrende Fahrzeuge erleichtern.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine angetriebene Fahrzeugstarrachse aus einem Achskörper mit einem Differentialgehäuse, mit mindestens zwei auskragenden Federkonsolen und mit äußeren Achsendstücken in Form von Achszapfen, Radträgern, Fäusten oder Gabeln.

Aus der DE 296 16 257 U1 ist eine luftgefederte Fahrzeugstarrachse bekannt, die aus einem Achsrohr und daran angeschweißten Längslenkern besteht. Auf das Achsrohr, das an seinen beiden Enden jeweils als Achszapfen ausgebildet ist, sind beidseitig Längslenker mit entsprechenden Aufsteckbohrungen aufgeschoben. Entlang der Aufsteckbohrungen sind die Längslenker mit dem Achsrohr verschweißt. Der Längslenker ist nach hinten über das Achsrohr hinaus verlängert. Sein dortiges freies Ende dient als Auflage einer Luftfeder. U.a. aufgrund der genannten Verlängerung ist der Längslenker ein auf Biegung belastetes Bauteil. Um eine Schwächung des Längslenkers durch die Aufsteckbohrungen zu verringern, muss das Querschnittsprofil des Längslenkers relativ groß ausgelegt werden. Derartige Versteifungsmaßnahmen tragen nachteilig zur Höhe der ungefederten Masse bei.

Ferner ist aus der EP 0 881 107 B1 eine angetriebene Starrachse bekannt, bei der die Federkonsolen über separate Flansche am Achskörper durch Verschraubungen befestigt sind. Hier führen große Anlage- und Abstützflächen im Bereich der Montagefugen zwischen dem Achskörper und den Federkonsolen u.a. durch Materialdopplung zu einer großen ungefederten Masse.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, eine angetriebene Fahrzeugstarrachse zu entwickeln, mit der der Fahrkomfort und die Fahrsicherheit bei minimalem Reifenverschleiß erhöht wird. Gleichzeitig soll der Aufbau der Achse eine einfache Anpassung an verschiedene selbstfahrende Fahrzeuge erleichtern.

Diese Problemstellung wird mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Dazu hat der Achskörper einen Aufbau, bei dem die einzelnen zwischen dem Differentialgehäuse und den jeweiligen äußeren Achsendstücken gelegenen Federkonsolen pro Achshälfte integrale Achskörperbestandteile sind.

Derartige angetriebene Fahrzeugstarrachsen werden vorwiegend in Nutzfahrzeugen eingesetzt. Die Bauteile dieser Achsen, nämlich das Differentialgehäuse und/oder Antriebsgehäuse, die beiden Federkonsolen und die zwei Achsendstücke werden je nach Fahrzeugleistung, Spurweite und zulässiger Achslast zusammengestellt und in der Regel jeweils stirnseitig miteinander verschweißt. Die einzelne Federkonsole besteht hierbei funktional aus einem Achsrohrabschnitt und einem Kragarm. Der Achsrohrabschnitt stellt die direkte Verbindung zwischen dem Kessel des Differentialgehäuses und dem jeweiligen Achsendstück her. Der Kragarm ist der Träger des Federelements und ggf. des Dämpfers. Auch der Stabilisator kann dort angelenkt sein.

Will man z.B. eine Achse mit einer Spurbreite fertigen, die größer ist als die Standartspurbreite, werden Federkonsolen verwendet, deren Achsrohrabschnitte verlängert sind. Anstelle der längeren Federkonsolen kann bei unveränderter Rahmenbreite und höherer Fahrzeugleistung ein größeres Differentialgehäuse benutzt werden. Auch können bei Fahrzeugen mit niedriger Bodenfreiheit und kleineren Radgrößen einfache Federkonsolen verwendet werden, bei denen die Federauflageflächen gegenüber dem Achskörper eine andere Position einnehmen, obwohl das Differential und die Achsendstücke gestalterisch gegenüber der Standartachse nicht geändert wurden.

Der Achskörper hat trotz der zusätzlichen Funktion als Federelementträger einen modularen Aufbau, der eine Vielzahl von Achskörpervarianten zulässt.

Durch die Integration der Federkonsolen in den Achskörper kann dieser konstruktiv präziser an das vorhandene Lastkollektiv angepasst werden. U.a. werden die Achsrohrquerschnitte in der Nähe des Differentials zur Vergrößerung des Widerstandsmoments größer gewählt. Ferner werden innerhalb der Federkonsole die Übergangsstellen zwischen dem Achsrohrabschnitt und dem Kragarm derart geformt, dass die dort üblichen Spannungsspitzen im Material weitgehend abgebaut werden. Durch den Wegfall der üblichen Verbindungselemente zwischen dem herkömmlichen Achsrohr und dem Federsattel wird zudem Bauraum gewonnen.

Durch die Summe dieser Maßnahmen wird bei unveränderter Belastbarkeit des Achskörpers zum einen dessen Masse verringert und zum anderen werden Kosten im Bereich der Fertigung, der Lagerhaltung, der Montage und der Wartung eingespart.

Die Gewichtsreduktion verringert die ungefederte Achsmasse und mindert somit u.a. die Trampelneigung der Starrachse. Letzteres verbessert die Bodenhaftung und somit die Fahrsicherheit. Auch wirkt sich das positiv auf die Standzeit der Reifen aus.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung schematisch dargestellter Ausführungsformen:

1: Achskörper mit integrierten Federkonsolen in Blechbauweise;

2: Seitenansicht zu 1.

3: wie 1, jedoch in Guss- oder Schmiedebauweise;

4: Seitenansicht zu 3.

Die 1 bis 4 zeigen beispielhaft zwei verschiedene Achskörper (10, 110,), die jeweils Teil einer angetriebenen Nutzfahrzeugstarrachse sein können. Hierbei kann diese Achse auch eine Lenkachse sein.

Nach 1 umfasst der dargestellte Achskörper (10) den Kessel (12) eines Differentialgehäuses (11), zwei Federkonsolen (30) und zwei Achszapfen (61) als äußere Achskörperendstücke (60).

Der Kessel (12), z.B. als Blechteil gefertigt, sitzt ggf. zentral in der geometrischen Mitte des Achskörpers (10). Auf dem Kessel (12) ist ein z.B. geschmiedeter Lagerbock (13) angeordnet. Über diesen Lagerbock (13) stützt sich der Achskörper (10) über einen nicht dargestellten Dreieckslenker am Fahrzeugrahmen ab. Seitlich hat der Kessel (12) jeweils eine große Öffnung mit z.B. rechteckigem Querschnitt. Die Ecken dieser Querschnitte sind abgerundet. Mindestens 60% der vertikalen Ausdehnung dieser fast ovalen Querschnitte liegt unterhalb einer auf der Achsmittellinie (5) liegenden Horizontalebene (8). Dadurch hat die auf Zug beanspruchte Zone des Achskörpers (10) einen größeren Abstand zur neutralen Faser – hier ist dies z.B. die Achsmittellinie (5) – als die entsprechend gegenüberliegende mit Druck belastete Zone.

Die ebenen Stirnflächen dieser Öffnungen bilden eine Fügekontur (18).

An das Differentialgehäuse (11) schließen sich beidseitig die Federkonsolen (30) an. Jede Federkonsole (30) besteht hier beispielsweise aus einer unteren und einer oberen aus Stahlblech gefertigten Schale (33, 34), vgl. 2. Beide Schalen (33, 34) sind miteinander verschweißt und umgeben einen Hohlraum (17). Die einzelne Federkonsole (30) umfasst neben einem direkt zwischen dem Kessel (13) und dem Achsendstück (60) gelegenem Achsrohrabschnitt (31) einen nach vorn ragenden Kragarm (32), der z.B. zumindest annähernd parallel zu einer Vertikalebene verläuft, die in der Fahrzeuglängsachse liegt. Jeder Kragarm (32) hat normal zu seiner Längsausdehnung beispielsweise elliptische bis ovale geschlossene Querschnitte, die sich vom Achsrohrabschnitt (31) weg verjüngen. Die Verjüngung erfolgt kontinuierlich ohne Querschnittssprünge, jedoch in der Regel nicht linear. Ggf. ändert sich hierbei auch die Blechwandstärke.

Im Bereich des freien Endes der einzelnen Federkonsole (30) befindet sich jeweils eine Bohrung (42) über die das Federelement befestigt wird. Diese Bohrung (42) liegt im Zentrum der zumindest bereichsweise ebenen Federauflagefläche (41). Letztere ist bei einem in der Konstruktionslage stehenden Fahrzeug zumindest annähernd parallel zur Fahrbahnoberfläche orientiert. Im Gegensatz hierzu ist die Mittellinie (19) des Kessels (12) z.B. um 3 Winkelgrade geneigt. Die Mittellinie (19) steigt in Fahrtrichtung an.

Die Auskraglänge (L) der einzelnen Federkonsole (30) beträgt, gemessen in Fahrzeuglängsrichtung zwischen der auf der Achsmittellinie (5) gelegenen Vertikalebene (7) und der Mittellinie (43) der Montagebohrung (42), über die das jeweilige Federelement befestigt ist, mindestens die halbe Länge des minimalen Kesseldurchmessers. Die Höhe der Federauflagefläche (41) liegt in der Regel mindestens 15% des Kesseldurchmessers unterhalb der durch die Achskörperachse (5) vorgegebene Horizontalebene (8) und oberhalb der Unterkante des Kessels (12).

Unterhalb des freien Endes der einzelnen Federkonsole (30) ist ein Lagebock (51) in Form einer Schelle zur Anlenkung eines achsführenden unteren Lenkers dargestellt.

Auf den Federauflageflächen (41) der Federkonsolen (30) wird bei der Verwendung eines Schlauchrollbalgs der Abrollkolben befestigt. Wird z.B. ein Mehrfaltenbalg benutzt, sitzt der Balg – wie auch bei der Verwendung einer mechanischen Feder – über einen Teller auf der Federauflagefläche (41).

Zum Achsendstück (60) hin endet der Achsrohrabschnitt (31) der einzelnen Federkonsole (30) mit einem kreisrohrförmigen Querschnitt. Dort wird das Achsendstück (60) z.B. durch Reibschweißen befestigt. Die kreisringförmige Fügekontur (48) liegt mit ihrer geometrischen Mitte auf der Achskörperachse (5). Zudem ist sie normal zur Achsmittellinie (5) orientiert.

Im Ausführungsbeispiel ist das Achsendstück (60) ein regulärer rohrförmiger mehrfach gestufter Achszapfen (61).

Auf jedem Achsrohrabschnitt (31) ist ein Bremsträgerflansch (65) z.B. durch Schweißen befestigt. Der einzelne Bremsträgerflansch (65) ist normal zur Achsmittellinie (5) ausgerichtet. Die Bohrungen zur Befestigung der nicht dargestellten Bremsbelagträger und des Bremssattels liegen i.d.R. hinter der durch die Achskörperachse (5) vorgegebenen Vertikalebene (7), vgl. 2. Nach 1 kann die Fügekontur (48) – gestrichelt dargestellt – auch hinter dem Bremsträgerflansch (65) liegen.

Bei der Variante nach den 1 und 2 bilden alle Achsköperteile, einschließlich der Achszapfen (61) einen gemeinsamen Hohlraum der ggf. partiell – unterhalb der Antriebshalbwellen – getrennt durch Schwallwände einen Vorratsraum für Schmiermittel darstellt. Das Schmiermittel wird hierbei auch von den Kragarmen (32) der Federkonsolen (30) aufgenommen. Dies führt zu einer deutlichen Vergrößerung der schmiermittelkühlenden Achskörperoberfläche.

Die 3 und 4 zeigen einen Achskörper (110) bei dem zumindest die Federkonsolen (130) als Guss- oder Schmiedeteilen ausgebildet sind. Auch hier besteht die einzelne, einteilige Federkonsole (130) aus einem weitgehend rohrförmigen Achsrohrabschnitt (131) und einem beispielsweise gitterstrukturartigen Kragarm (132). Innerhalb des Achskörpers (110) können Guss- und Schmiedeteile ggf. miteinander kombiniert werden.

Wie in der Variante aus den 1 und 2 liegen auch hier die einzelnen Flächenschwerpunkte der Wandungsquerschnitte des Achsrohrabschnittes (131) unterhalb der Achsmittellinie (5). Räumlich gehen diese Querschnitte vor dem Bremsträgerflansch (65) von einer beispielsweise ovalen Form in eine kreisringförmige Form über. Bei den kreisringförmigen Querschnitten liegen die Flächenschwerpunkte der Querschnitte auf der Achsmittellinie (5).

Der einzelne Kragarm (132) der Federkonsole (130) ist als gebogener I-Träger geformt. Der I-Träger umfasst einen oberen großteils auf Zug belasteten, flachen sichelförmig gebogenen Gurt (136), einen vergleichbaren, mehr auf Druck belasteten, unteren Gurt (137) und mindestens einen zentralen Steg (138), der beide Gurte (136, 137) zumindest abschnittsweise verbindet. Der obere Gurt (136) geht nahezu tangential in die nach vorn orientierte Außenfläche des Achsrohrabschnittes (131) über. Der untere Gurt (137) stützt sich z.B. unter 45 Winkelgraden an der Unterseite des Achsrohrabschnittes (131) ab. Die Gurte (136, 137) und der Steg (138) wirken zusätzlich als Kühlrippen für den im Achskörperhohlraum vorhandenen Schmierstoff.

An der Stelle, an der der obere (136) und der untere Gurt (137) zusammenstoßen ist ein Lagerbock (151) für die Anlenkung der radführenden Lenker angeformt. Ein weiterer Lagerbock (152) befindet sich z.B. auf der Rückseite des Achsrohrabschnittes (131), vgl. 4. Dort wird i.d.R. ein Stabilisator gelagert.

Am freien Ende des jeweiligen Kragarmes (132) ist eine ebene Fläche (141) zur Abstützung eines Federelementes angeformt. Im Bereich des Zentrums dieser Fläche (141) befindet sich wie bei der zuvor beschriebenen Variante eine Bohrung (142).

Bei asymmetrischen Achskörpern wird zumindest auf einer Kesselseite zwischen dem Kessel und der Federkonsole ggf. ein Distanzstück, z.B. durch einschweißen, angeordnet. Es ist auch möglich, die Federkonsolen einer Achse zueinander unsymmetrisch auszubilden. Sie sind dann z.B. in einer Horizontalebene unterschiedlich stark gekrümmt.

Um die einzelnen vorgefertigten, ggf. fertigbearbeiteten Achskörperteile möglichst verzugsarm zusammenzufügen, werden beispielsweise Schweißverfahren wie Laser-, Press- oder Plasmaschweißen verwendet.

5Achsmittellinie, Achskörperachse 7Vertikalebene, auf der (5) liegt 8Horizontalebene, auf der (5) liegt 9Fahrtrichtung 10, 110Achskörper 11, 111Differentialgehäuse, Achskörperteil 12Kessel 13Lagerbock für Dreieckslenker 17Hohlraum 18Fügekontur 19Kesselmittellinie 30, 130Federkonsole, Achskörperteil 31, 131Achsrohrabschnitt 32, 132Kragarm, Federträger 33obere Schale 34untere Schale 35Schweißfuge 136Gurt, oben 137Gurt, unten 138Gurtsteg 41, 141Federauflagefläche, Federauflagestelle 42, 142Montagebohrung 43Mittellinie 47Hohlraum 48Fügekontur 51, 151Lagerbock 152Lagerbock 55Bohrung für Stoßdämpferbefestigung 60, 160Achsendstück, Achskörperteil 61Achszapfen 65Bremsträgerflansch

Anspruch[de]
  1. Angetriebene Fahrzeugstarrachse aus einem Achskörper (10, 110) mit einem Differentialgehäuse (11, 111), mit mindestens zwei auskragenden Federkonsolen (30, 130) und mit äußeren Achsendstücken (60, 160) in Form von Achszapfen (61), Radträgern, Fäusten oder Gabeln,

    – wobei die einzelnen zwischen dem Differentialgehäuse (11, 111) und den jeweiligen äußeren Achsendstücken (60, 160) gelegenen Federkonsolen (30, 130) pro Achshälfte integrale Achskörperbestandteile sind.
  2. Fahrzeugstarrachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Fügekontur (18) zwischen dem Differentialgehäuse (11) und der Federkonsole (30, 130) mindestens 1,7-mal größer ist als die Querschnittsfläche der Fügekontur (48) zwischen der Federkonsole (30, 130) und dem jeweiligen äußeren Achsendstück (60, 160).
  3. Fahrzeugstarrachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskraglänge (L) der einzelnen Federkonsole (30, 130) – gemessen in Fahrzeuglängsrichtung zwischen der auf der Achsmittellinie (5) gelegenen Vertikalebene (7) und der Mittellinie (43) der Montagebohrung (42), über die das jeweilige Federelement befestigt ist, mindestens die halbe Länge des minimalen Kesseldurchmessers beträgt.
  4. Fahrzeugstarrachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügekonturen (18, 48) eben sind.
  5. Fahrzeugstarrachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügekonturen (18, 48) parallel zur vertikalen Fahrzeugmittenlängsebene ausgerichtet sind.
  6. Fahrzeugstarrachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Stirnflächen benachbarter Achskörperteile (11, 111; 30, 130; 60, 160) flächengleich sind.
  7. Fahrzeugstarrachse mit mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Stirnflächen benachbarter Achskörperteile (30, 130; 60, 160) miteinander reibverschweißt sind.
  8. Fahrzeugstarrachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelne Federkonsole (30) ein Hohlkörper ist.
  9. Fahrzeugstarrachse nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Differentialgehäuse (11) und die Federkonsole (30) einen zusammenhängenden Hohlraum (17, 47) umgeben.
  10. Fahrzeugstarrachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der einzelne Federkonsole (30) im mittleren Bereich zwischen der Federauflagestelle (41) und dem Achsrohrabschnitt (31) ein geschlossenes Hohlprofil darstellt.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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