Die Schwinge befindet sich üblicherweise zwischen Rad und Karosserie und ist ein sicherheitsrelevantes Bauteil für den Fahrer, das Kräfte überträgt, die Vibrationsübertragung dämpft und die Richtung steuert.
Die Schwinge befindet sich üblicherweise zwischen Rad und Karosserie und ist ein sicherheitsrelevantes Bauteil, das die Kraftübertragung übernimmt, Vibrationen dämpft und die Lenkung steuert. Dieser Artikel stellt die gängigen Schwingenkonstruktionen auf dem Markt vor und vergleicht und analysiert deren Einfluss auf Fertigungsprozess, Qualität und Preis.
Die Fahrwerksaufhängung eines Autos lässt sich grob in Vorder- und Hinterradaufhängung unterteilen. Sowohl die Vorder- als auch die Hinterradaufhängung verfügen über Schwingarme, die die Räder mit der Karosserie verbinden. Die Schwingarme befinden sich üblicherweise zwischen den Rädern und der Karosserie.
Die Führungsschwinge verbindet Rad und Rahmen, überträgt Kräfte, reduziert Schwingungen und steuert die Fahrtrichtung. Sie ist ein sicherheitsrelevantes Bauteil für den Fahrer. Die kraftübertragenden Strukturteile des Fahrwerks sorgen dafür, dass sich die Räder relativ zur Karosserie auf einer bestimmten Bahn bewegen. Diese Strukturteile tragen die Last, und das gesamte Fahrwerk ist für das Fahrverhalten des Fahrzeugs verantwortlich.
Gemeinsame Funktionen und Konstruktionsprinzip der Schwinge eines Autos
1. Um die Anforderungen an die Lastübertragung zu erfüllen, sind die Konstruktion und Technologie der Schwingarmstruktur entscheidend.
Die meisten modernen Autos verwenden Einzelradaufhängungen. Je nach Bauform lassen sich Einzelradaufhängungen in Dreiecks-, Längslenker-, Mehrlenker-, Kerzen- und McPherson-Aufhängungen unterteilen. Bei der Mehrlenkerachse bilden Querlenker und Längslenker eine Zweikraftstruktur mit zwei Befestigungspunkten. Zwei Zweikraftstangen sind in einem bestimmten Winkel am Kreuzgelenk angebracht, und die Verbindungslinien der Befestigungspunkte bilden eine Dreiecksstruktur. Der untere Querlenker der McPherson-Vorderachse ist eine typische Dreipunkt-Schwinge mit drei Befestigungspunkten. Die Verbindungslinie der drei Befestigungspunkte bildet eine stabile Dreiecksstruktur, die Belastungen in verschiedene Richtungen aufnehmen kann.
Die Konstruktion des Zweikraft-Schwingarms ist einfach, wobei die genaue Auslegung häufig von den jeweiligen Fachkenntnissen und Bearbeitungsmöglichkeiten des Unternehmens abhängt. Beispielsweise besteht die Konstruktion aus gestanztem Blech (siehe Abbildung 1) aus einer einzigen, nicht geschweißten Stahlplatte, deren Hohlraum meist die Form eines „I“ aufweist. Bei der geschweißten Blechkonstruktion (siehe Abbildung 2) handelt es sich um eine geschweißte Stahlplatte, deren Hohlraum eher die Form eines „O“ hat. Alternativ werden lokale Verstärkungsplatten zum Verschweißen verwendet, um kritische Stellen zu verstärken. Bei der Konstruktion aus geschmiedetem Stahl ist der Hohlraum massiv, und seine Form wird meist an die Anforderungen der Chassis-Auslegung angepasst. Auch bei der Konstruktion aus geschmiedetem Aluminium (siehe Abbildung 3) ist der Hohlraum massiv, und die Formanforderungen ähneln denen von geschmiedetem Stahl. Die Stahlrohrkonstruktion ist einfach aufgebaut, und der Hohlraum ist kreisförmig.
Die Konstruktion des Dreipunkt-Schwingarms ist komplex und wird häufig nach den Vorgaben des Originalherstellers (OEM) festgelegt. Bei der Bewegungssimulation darf der Schwingarm keine anderen Bauteile beeinträchtigen, und es gelten meist Mindestabstandsanforderungen. Beispielsweise wird bei gestanzten Blechkonstruktionen neben geschweißten Blechkonstruktionen häufig die Konstruktion des Schwingarms verändert, etwa durch Öffnungen für Sensorkabel oder die Verbindungsstrebe des Stabilisators. Der Hohlraum behält dabei die Form einer Öffnung bei, wobei eine geschlossene Konstruktion vorteilhafter ist als eine offene. Bei geschmiedeten Konstruktionen ist der Hohlraum meist I-förmig und weist die üblichen Eigenschaften der Torsions- und Biegefestigkeit auf. Gussgefertigte Konstruktionen sind in Form und Hohlraum meist mit Verstärkungsrippen und gewichtsreduzierenden Bohrungen versehen, die den Gusseigenschaften entsprechen. Bei der Kombination von Blechschweiß- und Schmiedeteilen wird aufgrund der Platzverhältnisse im Fahrzeugchassis das Kugelgelenk in das Schmiedeteil integriert und dieses mit dem Blech verbunden. Die Bearbeitungsstruktur aus gegossenem und geschmiedetem Aluminium bietet eine bessere Materialausnutzung und Produktivität als das Schmieden und ist hinsichtlich der Materialfestigkeit den Gussteilen überlegen, was eine Anwendung neuer Technologien darstellt.
2. Die Übertragung von Vibrationen auf den Körper soll reduziert werden, ebenso wie die Konstruktion des elastischen Elements am Verbindungspunkt des Schwingarms.
Da die Fahrbahnoberfläche, auf der das Auto fährt, nie vollkommen eben ist, wirkt die vertikale Reaktionskraft der Fahrbahn auf die Räder oft stark, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten auf unebener Fahrbahn. Diese Stoßkräfte können zu einem unangenehmen Fahrgefühl führen. Um dies zu erreichen, werden im Fahrwerk elastische Elemente verbaut, die die starre Verbindung in eine elastische umwandeln. Nach einem Stoß erzeugen die elastischen Elemente Vibrationen, die wiederum den Fahrkomfort beeinträchtigen. Daher benötigt das Fahrwerk Dämpfungselemente, um die Vibrationsamplitude schnell zu reduzieren.
Die Verbindungspunkte in der Konstruktion des Schwingarms sind elastische Elemente und Kugelgelenke. Die elastischen Elemente dienen der Schwingungsdämpfung und ermöglichen eine geringe Anzahl von Dreh- und Schwingfreiheitsgraden. In Fahrzeugen werden häufig Gummibuchsen als elastische Bauteile eingesetzt, aber auch hydraulische Buchsen und Kreuzgelenke finden Verwendung.
Abbildung 2 Blechschweiß-Schwenkarm
Die Gummibuchse besteht meist aus einem Stahlrohr mit Gummiaußenhülle oder einer Sandwichkonstruktion aus Stahlrohr, Gummi und Stahlrohr. Das innere Stahlrohr muss bestimmte Anforderungen an Druckfestigkeit und Durchmesser erfüllen; rutschfeste Rillen sind an beiden Enden üblich. Die Gummischicht wird hinsichtlich Materialzusammensetzung und Konstruktion an die jeweiligen Steifigkeitsanforderungen angepasst.
Der äußerste Stahlring hat oft einen erforderlichen Einlaufwinkel, was das Einpressen begünstigt.
Die hydraulische Buchse zeichnet sich durch eine komplexe Struktur aus und ist ein Produkt mit aufwendigem Herstellungsverfahren und hohem Mehrwert innerhalb der Buchsenkategorie. Sie verfügt über einen Hohlraum im Gummi, der mit Öl gefüllt ist. Die Hohlraumstruktur ist auf die Leistungsanforderungen der Buchse abgestimmt. Tritt Öl aus, wird die Buchse beschädigt. Hydraulische Buchsen ermöglichen eine optimierte Steifigkeitskennlinie und verbessern so das Fahrverhalten des Fahrzeugs.
Das Kreuzgelenk besitzt eine komplexe Struktur und besteht aus einem Verbundbauteil aus Gummi und Kugelgelenken. Es bietet eine höhere Haltbarkeit als Buchsen, einen größeren Schwenk- und Drehwinkel, eine spezielle Steifigkeitskurve und erfüllt die Leistungsanforderungen des gesamten Fahrzeugs. Beschädigte Kreuzgelenke verursachen während der Fahrt Geräusche im Fahrerhaus.
3. Mit der Bewegung des Rades ändert sich die Konstruktion des Schwingelements am Verbindungspunkt des Schwingarms.
Die unebene Fahrbahnoberfläche bewirkt, dass die Räder relativ zum Rahmen auf und ab springen. Gleichzeitig bewegen sich die Räder, beispielsweise beim Abbiegen oder Geradeausfahren, wodurch die Radbahn bestimmten Vorgaben genügen muss. Schwingarm und Kreuzgelenk sind meist über ein Kugelgelenk verbunden.
Das Kugelgelenk des Schwingarms ermöglicht einen Schwenkwinkel von mehr als ±18° und einen Drehwinkel von 360°. Es erfüllt die Anforderungen an Rundlaufgenauigkeit und Lenkung vollständig. Für das Kugelgelenk gelten Garantiebedingungen von 2 Jahren oder 60.000 km bzw. 3 Jahren oder 80.000 km für das gesamte Fahrzeug.
Je nach Verbindungsmethode zwischen Schwingarm und Kugelgelenk lassen sich folgende Konstruktionen unterscheiden: Schraub- oder Nietverbindung (Kugelgelenk mit Flansch), Presspassung (Kugelgelenk ohne Flansch) und integrierte Verbindung (Schwingarm und Kugelgelenk bilden eine Einheit). Bei einteiligen Blechkonstruktionen und mehrteiligen Schweißkonstruktionen kommen die ersten beiden Verbindungsarten häufiger zum Einsatz; die zweite Verbindungsart, beispielsweise bei Stahl-, Aluminium- und Gusseisenkonstruktionen, ist weit verbreiteter.
Das Kugelgelenk muss unter Lastbedingungen verschleißfest sein, da es aufgrund des größeren Arbeitswinkels im Vergleich zur Buchse höhere Anforderungen an die Lebensdauer stellt. Daher muss das Kugelgelenk als kombinierte Konstruktion ausgeführt werden, die eine gute Schmierung des Schwenkbereichs sowie ein staub- und wasserdichtes Schmiersystem umfasst.
Abbildung 3 Geschmiedeter Aluminiumschwingarm
Der Einfluss der Schwingarmkonstruktion auf Qualität und Preis
1. Qualitätsfaktor: Je leichter, desto besser
Die Eigenfrequenz des Körpers (auch als freie Schwingungsfrequenz des Schwingungssystems bezeichnet), die durch die Federsteifigkeit und die von der Feder getragene Masse (gefederte Masse) bestimmt wird, ist ein wichtiger Leistungsindikator des Fahrwerks und beeinflusst den Fahrkomfort. Die vertikale Schwingungsfrequenz des menschlichen Körpers entspricht der Frequenz der Auf- und Abwärtsbewegung beim Gehen und liegt bei etwa 1–1,6 Hz. Die Eigenfrequenz des Körpers sollte möglichst nahe an diesem Frequenzbereich liegen. Bei konstanter Federsteifigkeit gilt: Je kleiner die gefederte Masse, desto geringer die vertikale Auslenkung der Federung und desto höher die Eigenfrequenz.
Bei konstanter vertikaler Last ist die Eigenfrequenz des Fahrzeugs umso niedriger, je geringer die Federungssteifigkeit ist und desto größer der Platz ist, den das Rad zum Auf- und Abspringen benötigt.
Bei gleichen Straßenverhältnissen und gleicher Fahrzeuggeschwindigkeit ist die Stoßbelastung des Fahrwerks umso geringer, je kleiner die ungefederten Massen sind. Zu den ungefederten Massen zählen unter anderem die Radmassen, die Massen der Kreuzgelenke und der Lenkhebel.
Im Allgemeinen hat die Aluminiumschwinge die geringste Masse und die Gusseisenschwinge die größte. Alle anderen liegen dazwischen.
Da die Masse eines Satzes Schwingarme meist weniger als 10 kg beträgt, im Vergleich zu einem Fahrzeug mit einer Masse von mehr als 1000 kg, hat die Masse des Schwingarms nur einen geringen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch.
2. Preisfaktor: hängt vom Entwurfsplan ab
Je höher die Anforderungen, desto höher die Kosten. Unter der Voraussetzung, dass die strukturelle Festigkeit und Steifigkeit des Schwingarms den Anforderungen entsprechen, beeinflussen Fertigungstoleranzen, Fertigungsaufwand, Materialart und -verfügbarkeit sowie Anforderungen an die Oberflächenkorrosion den Preis direkt. Beispiele für Korrosionsschutzfaktoren: Eine elektrolytisch verzinkte Beschichtung kann durch Oberflächenpassivierung und weitere Behandlungen eine Korrosionsbeständigkeit von ca. 144 Stunden erreichen. Der Oberflächenschutz lässt sich in kathodische Elektrophorese-Lackierung unterteilen, die durch Anpassung der Beschichtungsdicke und Behandlungsmethoden eine Korrosionsbeständigkeit von 240 Stunden ermöglicht. Zink-Eisen- oder Zink-Nickel-Beschichtungen erfüllen die Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit von über 500 Stunden. Mit steigenden Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit steigen auch die Kosten des Bauteils.
Die Kosten können durch einen Vergleich der Konstruktions- und Strukturvarianten des Schwingarms reduziert werden.
Bekanntermaßen beeinflussen unterschiedliche Anordnungen der Befestigungspunkte das Fahrverhalten. Insbesondere ist zu beachten, dass dieselbe Anordnung der Befestigungspunkte, aber unterschiedliche Anschlusspunktkonstruktionen, zu unterschiedlichen Kosten führen können.
Es gibt drei Verbindungsarten zwischen Strukturbauteilen und Kugelgelenken: Verbindung über Standardbauteile (Schrauben, Muttern oder Nieten), Presspassung und Integration. Im Vergleich zur Standardverbindung reduziert die Presspassung die Anzahl der benötigten Bauteile wie Schrauben, Muttern, Nieten usw. Die integrierte, einteilige Konstruktion verringert im Vergleich zur Presspassung die Anzahl der Teile des Kugelgelenkgehäuses.
Es gibt zwei Verbindungsarten zwischen dem Strukturbauteil und dem elastischen Element: Die vorderen und hinteren elastischen Elemente sind entweder axial parallel oder axial senkrecht zueinander angeordnet. Unterschiedliche Methoden erfordern unterschiedliche Montageverfahren. Beispielsweise verläuft die Pressrichtung der Buchse in die gleiche Richtung und senkrecht zum Schwingenkörper. Eine Einstationen-Doppelkopfpresse kann verwendet werden, um die vorderen und hinteren Buchsen gleichzeitig einzupressen und so Personal, Ausrüstung und Zeit zu sparen. Bei unterschiedlicher Einbaurichtung (vertikal) kann eine Einstationen-Doppelkopfpresse verwendet werden, um die Buchse nacheinander einzupressen und zu montieren, was ebenfalls Personal und Ausrüstung spart. Soll die Buchse von innen eingepresst werden, sind zwei Stationen und zwei Pressen erforderlich, um die Buchse nacheinander einzupressen.
