Neugestaltung (1)

Neugestaltung von Radlagerung und Antriebswelle

GKN, Hersteller von Kraftfahrzeugzubehör, und SKF stellen eine neue kompakte Baugruppe vor, die Radlagerung und Antriebswelle integriert, – eine Antwort auf die Forderungen des Konstrukteurs nach reduziertem Fahrzeuggewicht und Verbau von ModulenDie Radaufhängung in einem Kraftfahrzeug setzt sich aus vielen Teilen zusammen: Rad und Reifen, Feder, Stoßdämpfer, Lagerung und – bei einer angetriebenen Einheit – noch eine Antriebswelle mit Gelenken. GKN ist der weltweit führende Hersteller von Antriebswellen und Gleichlaufgelenken, und alle wesentlichen Konstruktionen von Gleichlaufgelenken in heutigen Fahrzeugen sind von GKN mitentwickelt. SKF dagegen ist führend bei der Entwicklung integrierter Radlagerungen seit den Anfängen dieser Technik in den dreißiger Jahren.

Die engen Verbindungen zwischen dem wagenäußeren Gleichlaufgelenk, der Antriebswelle und der Radlagereinheit sind bekannt. Ein gemeinsames Entwicklungsprojekt zwischen der GKN Automotive Driveline Division und der SKF Automotive Division sollte die Möglichkeit untersuchen, inwieweit Radlagereinheit und Antriebswelle zu einem Modul vereinheitlicht werden könnten. Das Ergebnis dieser Zusammenarbeit, die Compact HHM, wurde der Öffentlichkeit auf der Internationalen Automobilausstellung in Frankfurt 1999 vorgestellt. Bedeutend geringere ungefederte Massen, ein kleinerer Wendekreis und Optimierungsmöglichkeiten im Zusammenspiel zwischen Aufhängung und Gleichlauf-Festgelenk sind die Vorteile für den Anwender.

Modularer Aufbau

Die Zielrichtung dieses Entwicklungsprojekts wurde durch den Trend zu Systemlösungen und durch die Forderung der Fahrzeugindustrie nach Gewichtsreduzierung vorgegeben. Die Integration von Komponenten ist zwar schon seit Jahren ein Thema in der Fachpresse, aber erst in den letzten eineinhalb Jahren hat sich auf diesem Gebiet Entscheidendes getan. Der Ansatz, modulare Einheiten zu entwickeln, die das Verbauen vereinfachen und gleichzeitig Gewichtsreduzierungen ermöglichen, haben dem Projektteam neue Wege eröffnet.

Seit Jahren schon ist die Verringerung des Fahrzeuggewichts eines der wichtigsten Ziele der Achs-Konstrukteure. Seit Wirtschaftlichkeit, Energieeinsparung und Emissionsreduktion zunehmend im Mittelpunkt stehen, kommt dieser Zielsetzung eine noch größere Bedeutung zu. Neben der Reduktion des Fahrzeug-Gesamtgewichts kommt es vor allem darauf an, die ungefederten Massen zu verringern und so Fahrverhalten und Fahrkomfort zu verbessern.

Das Zusammenspiel von Reifen-Antriebsrad, Radaufhängung und Lenkungsanordnung ist außerordentlich komplex. Der Konstrukteur muss die Gesamtheit von Aufhängung, Lenkung und Antriebsstrang beachten, um dynamische Kraftänderungen am Lenkgestänge zu vermeiden. Bei der heutigen Lösung sind erhebliche Kompromisse erforderlich. Es wird deshalb sehr begrüßt, wenn dem Konstrukteur hier mehr Flexibilität angeboten wird, was beim Einsatz einer Compact HHM gegeben ist.

Geringeres Gewicht

Zwischen dem äußeren Gleichlaufgelenk der Antriebswelle und der Radlagereinheit wurde eine neue Schnittstelle definiert. Bei herkömmlichen Konstruktionen wird das Gleichlaufgelenk über eine Dehnschraube beziehungsweise. Mutter am Achsstummel befestigt, was insgesamt bei den kritischen ungefederten Massen mehr Gewicht bringt. Bei der Compact HHM jedoch kann durch eine spezielle Verbindung zwischen Radlagerungseinheit und Gleichlauf-Festgelenk – entweder mit Vielkeilprofil auf großem Durchmesser mit Sicherungsring oder kaltvernietet–ein Gewichtsvorteil erzielt werden.

Beim Umbau einer Mittelklasselimousine mit Frontantrieb auf Compact HHM konnte allein an einem Federbein mehr als 750 Gramm Gewicht (ungefederte Massen) eingespart werden. Bei den angetriebenen Hinterrädern einer große Limousine waren die Ergebnisse noch beeindruckender: hier waren es fast fünf Kilo weniger allein bei Lager und Antriebswelle. Eine solche Gewichtseinsparung kann man bei Vorderrad- wie Hinterradantrieb und in noch höherem Maße bei Allradantrieb erzielen.

Radlagerungseinheit, Gleichlauf-Festgelenk, Verbindungswelle und Gleichlauf-Verschiebegelenk sind einer zerlegbaren zweiteiligen und in einer fest integrierten (einteiligen) Ausführung erhältlich. Die Compact HHM wurde auf speziellen Prüfständen und Versuchseinrichtungen in der Entwicklungsabteilung beider Unternehmen anspruchsvollsten Prüfungen unterzogen. Danach wurden beide Basisausführungen über alle Fahrzeugklassen auf ihr NVH-Verhalten getestet.

Kleinerer Beugewinkel

In Bezug auf den Abstand zwischen Mittelpunkt des Gleichlauf-Festgelenks und der Lenkachse ist bei herkömmlichen Konstruktionen keine weitere Verbesserung möglich. Jeder Millimeter, den der Gelenkmittelpunkt näher zur optimalen Position gerückt werden kann, bringt dem Konstrukteur Vorteile in Bezug auf die Optimierung des Einbauraums von Aufhängung und Lenkung.

Dies hat Vorteile in dreierlei Hinsicht:

  • Verwendung eines Gleichlaufgelenks mit geringerem maximalem Ausschlagwinkel,
  • Optimierung der Länge der Gelenkwelle und des Gelenkverschiebewegs,
  • Potential zur Optimierung des Wendekreises.
    Ein Gleichlaufgelenk mit kleinerem Beugewinkel baut kompakter, so dass solche Einheiten weitere

Möglichkeiten zur Gewichtseinsparung bieten.

Die Gebrauchsdauer einer Radlagereinheit hängt wesentlich davon ab, dass die bei der Montage gewählte Vorspannung über die Betriebszeit des Fahrzeugs erhalten bleibt. In der Compact HHM kann der Vorspannungsverlust wesentlich geringer gehalten werden, als dies bei der Befestigung mit Dehnschraube beziehungsweise Mutter am Achsstummel möglich ist. Neben der Gewichtsreduktion kann durch die Kaltvernietung eine höhere Steifigkeit über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs erreicht werden.

Der hohe Stand von Fertigungstechnik, Schmierung und Abdichtung der Radlagerungseinheit und der Gleichlauf-Gelenkwelle in Verbindung mit den Vorteilen der Compact HHM bedeuten, dass dieses System eine längere Lebensdauer erreicht, als das Fahrzeug, in dem es eingebaut ist.

Weitere Optimierungs-
möglichkeiten

In der modernen Fahrzeugfertigung gibt es einen weiten Bereich von Möglichkeiten, die verschiedenen Baugruppen zu einem kompletten Fahrzeug zusammenzusetzen. Die zerlegbare Compact HHM bietet dieselben Service- und Montagemöglichkeiten wie die heute üblichen Lösungen für Radlager und Gleichlaufgelenk.

Die voll integrierte Lösung mit fester Verbindung zwischen Gleichlauf-Festgelenk und Radlagerungseinheit bietet noch mehr Möglichkeiten zur Optimierung. Die Gewichtsersparnis ist maximal, und der Abstand zwischen Gelenkmittelpunkt und Lenkachse beziehungsweise Radaufstand kann noch weiter optimiert werden. Wie bereits erwähnt, wurde die Funktionstüchtigkeit bereits in verschiedenen Fahrzeugen untersucht und getestet.

Mit zunehmender Entwicklung hin zu modularen Lösungen werden nicht nur in der Fahrzeugkonstruktion Änderungen vorgenommen, sondern auch bei Fertigungs- und Montageverfahren. Die Vorteile der einteiligen Compact HHM decken einen Bereich ab, der weit über das hinausgeht, was man bei der Gleichlaufgelenkwelle und der Radlagerungseinheit jeweils im einzelnen erreichen kann.

GKN und SKF sind jeder für sich Inhaber weltweiter Patente in vielen Bereichen von Gleichlauf-Gelenkwellen, Gleichlaufgelenken und Radlagereinheiten. Als neues Patent ist bei der Compact HHM das Befestigungssystem mit einem speziellen Sicherungsring hinzugekommen.

David Worth, SKF Automotive Division, Großbritannien

 

 

 

 

 

 

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