Das Fußhebelwerk für den VW Golf und VW Touran

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    17-Mar-2017

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  • ENTWICKLUNG Fahrwerk

    532 ATZ 6/2004 Jahrgang 106

    Das Fuhebelwerk des neuen Golf berzeugt durch seinen einfachen modularen Aufbau. Durch den gezielten Einsatz von Leichtbau-Werkstoffenbei gleichzeitiger Vereinfachung der Montagevorgnge konnten gegenberdem Vorgngermodell Kosten und Gewicht erheblich reduziert werden.

    Das Fuhebelwerkfr den VW Golf undVW Touran

  • zelnen Lagerbockteile und die Anbindungder Crashstrebe erfolgen durch Durchsetz-fgen. Zustzlich bietet diese Verbindungs-technik gegenber dem bisherigen Schwei-en beim Vorgnger-Golf den Vorteil, dasses keinen Verzug gibt und eine automati-sche Prozesskontrolle zum Einsatz gebrachtwerden kann. Auch bei der Verbindung vonAluminium und Stahl im Bereich der An-bindung der Crashstrebe zum Lagerbock istes gelungen, ein Durchsetzfgeverfahreneinzusetzen. Dadurch konnte auf die Ver-wendung von zustzlichen Verbindungs-elementen wie zum Beispiel Stanznieteverzichtet werden.

    Durch die neue Verbindungstechnikund den Wegfall der Lackierung beim La-gerbock ist es mglich, die einzelnen Mon-tageschritte wie Durchsetzfgen, Montie-ren und Verschrauben auf einer Montage-linie durchzufhren. Dieser Ablauf bietetim Gegensatz zur Montage des Vorgnger-Fuhebelwerks, bei dem erst geschweit,dann lackiert und anschlieend montiertwerden musste, eine deutliche Vereinfa-chung des Fertigungsablaufs mit dem ent-sprechenden Einsparpotenzial.

    Das Fuhebelwerk der Bremse fr denRechtslenker, Bild 3, unterscheidet sich imWesentlichen durch seinen Aluminium-Druckguss-Lagerbock, der bauraumbedingteine deutlich geringere Tiefe besitzt als derLinkslenker-Lagerbock aus Aluminium-blech. Beim Bremspedal ist abweichendzum Linkslenker ein Lagerrohr auermittig

    533ATZ 6/2004 Jahrgang 106

    Dipl.-Ing. Uwe Romeikeist Mitarbeiter in derEntwicklung von Fu-hebelwerken bei derVolkswagen AG inBraunschweig.

    Dipl.-Ing. AndreasSchulte ist Mitarbeiterin der Entwicklung vonFuhebelwerken beider Volkswagen AG inBraunschweig.

    Martin Edler istMitarbeiter in derEntwicklung von Fu-hebelwerken bei derVolkswagen AG inBraunschweig.

    Dipl.-Ing. MichaelThiel ist Leiter derUnterabteilung Ent-wicklung von Fu-hebelwerken bei derVolkswagen AG inBraunschweig.

    Die Autoren1 Einleitung

    Unter einem Fuhebelwerk versteht mandie Baugruppe im Fahrzeug, in der alle zumFahrbetrieb notwendigen Pedale enthaltensind. Im Volkswagenwerk Braunschweigwerden die Komponenten fr die Bremseund Kupplung entwickelt und hergestellt.Konzeptionell bedingt werden die Fuhe-belwerke Kupplung und Bremse als ge-trennte Module aufgebaut und anschlie-end im Fahrzeug montiert. Der modulareAufbau ermglicht auerdem durch gerin-ge Modifikationen einzelner Bauteile denEinsatz des Fuhebelwerks in verschiede-nen Fahrzeugen des Konzerns. Bisher wur-den diese Baugruppen fast ausschlielichin konventioneller Bauweise aus Stahl-blech hergestellt. Um die geforderte Ge-wichtsreduzierung zu erreichen, war dergezielte Einsatz von Leichtbauwerkstoffenerforderlich. Um Synergieeffekte zu nutzen,sind die Konzepte der Fuhebelwerke frden neuen Golf und den Touran gleich.

    2 Fuhebelwerk Bremse Linkslenker und Rechtslenker

    Das Fuhebelwerk Bremse, Bild 1, ist eineeigenstndige Einheit, die auf die Montage-platte aufgesetzt und mit ihr und demBremskraftverstrker verschraubt wird. DieHauptkomponenten des Fuhebelwerkssind der Lagerbock, bestehend aus Ober-und Unterteil aus Aluminiumblech, sowiedas Bremspedal und die Crashstrebe ausStahlblech. Die Crashstrebe hat die Aufga-be, beim Frontalaufprall des Fahrzeugs dasBremspedal aus dem Gefahrenbereich derFe zu ziehen und trgt somit zu einerdeutlich niedrigeren Fuverletzungsgefahrbei. Die Anbindung des FuhebelwerksBremse an den Bremskraftverstrker er-folgt ber die Bremsdruckstange. Zur Auf-nahme der Bremsdruckstange wird einKunststoffteil mit einer PTFE-Lagerschaleeingesetzt. Die Verrastung der Druckstangeerfolgt durch einfaches Niederdrcken desPedals nach der Montage. Die Lagerstelledes Bremspedals im Lagerbock ist als einge-brdeltes Rohr im Bremspedal ausgefhrt.

    Der Linkslenker-Lagerbock Bremse wur-de beim Golf der vierten Generation nochin Stahlblech ausgefhrt. Zur Gewichtsre-duzierung wurde dieses Teil fr den neuenGolf in Aluminiumblech entwickelt. Hier-durch wurde eine Gewichtsersparnis von26 % erreicht, Bild 2. Des Weiteren konnteauf die Lackierung des Bauteils verzichtetwerden. Die Crashstrebe wird aus Festig-keitsgrnden weiterhin in Stahl ausge-fhrt. Zur Vermeidung von Kontaktkorro-sion wird sie mit einer Einschicht-Nassla-ckierung versehen. Die Verbindung der ein-

    Bild 1: Fuhebelwerk Bremse LinkslenkerFigure 1: Brake pedal system left hand drive

    2 Fuhebelwerk Bremse Linkslenker und Rechtslenker

  • eingeschweit. Die Crashstrebe besitzt dasgleiche Funktionsprinzip, ist aber an denLagerbock mittels zweier Schrauben ange-bunden.

    Eine Besonderheit bei diesem Projekt bestand darin, die Entwicklungszeit frden Aluminium-Druckguss-Lagerbock aufsechs Monate zu verkrzen. Damit die Er-probung des Lagerbocks zum Serienanlauferfolgreich abgeschlossen werden konnte,wurden unterschiedliche Herstellverfahrenangewendet.

    Im Anschluss an die Konstruktionspha-se mit Berechnung und Optimierung wur-den die ersten Teile im Lost-Foam-Verfah-ren gegossen. Hierbei wird aus dem CAD-Datensatz ein Polystyrol-Modell durch La-serstrahlsintern hergestellt und mit Gipsummantelt. Beim Gieen verdampft derSchaum des Modells und anschlieendwird der Gips entfernt.

    Durch dieses Verfahren standen binnenzwei Wochen erste Teile zur Verfgung, dieauf Prfstnden statisch und dynamischerprobt werden konnten. Parallel wurdendiese Teile in Crash-Fahrzeugen verbaut,um die Funktion der Crashstrebe nachzu-weisen.

    Gleichzeitig wurde mit der Anfertigungvon Niederdruck-Sandgussteilen begon-nen. Durch dieses Verfahren konnten Teilehergestellt werden, die sehr hnliche Ei-genschaften hinsichtlich Festigkeit undWandstrke aufweisen wie der spter frdie Serie geplante Druckguss. Mit diesenTeilen konnten bereits sechs Wochen nachKonstruktionsfertigstellung weitere serien-nahe Prototypen aufgebaut werden, um al-le fr eine Freigabe notwendigen Erpro-bungen durchzufhren.

    Die Serienwerkzeuge wurden nach derpositiven Erprobung der Lost-Foam-Teileaufgelassen. Durch diese Vorgehensweisekonnte die Umsetzungsdauer um acht Wo-chen reduziert und die Belieferung der Seriesichergestellt werden.

    Des Weiteren werden an die Lagerungder Fuhebelwerke Bremse fr den Links-und Rechtslenker hohe Anforderungen ge-stellt. Neben den Eigenschaften wie Genau-igkeit, Verschleifestigkeit und Fettfreiheitliegt der besondere Anspruch in den Dmp-fungseigenschaften. Um die geforderte Ge-nauigkeit im Lagerrohr des Bremspedals zuerreichen, erfolgt nach dem Einbrdelnnoch eine Kalibrierung der Lagerstelle.

    In das Lagerrohr werden Lagerbuchseneingesetzt, deren Ausgangsmaterial aus ei-nem Stahlrcken besteht, auf den einePTFE-Folie mit einem Streckmetall aufge-bracht wird. Die Teile werden gerollt und ineinem nachfolgenden Arbeitsschritt kali-briert, um auch bei den Lagerbuchsen diehchst mgliche Genauigkeit zu erzielen.

    Diese Kalibrierbarkeit wird durch das in derPTFE-Folie enthaltene Streckmetall erreicht.Zustzlich liefern die Lagerbuchsen die ge-forderten Dmpfungseigenschaften, umGerusche, wie sie beispielsweise bei einerABS-Regelung entstehen, zu vermindern.

    In Verbindung mit dem blankgezogenenAuendurchmesser des Lagerbolzens er-gibt sich eine optimale Lagerung desBremspedals.

    3 Fuhebelwerk Kupplung

    Das Fuhebelwerk Kupplung besteht ausdem Kupplungspedal mit Pedalkappe, demLagerbock, dem Kupplungsgeberzylindermit Aufnahmeteil, der bertotpunktfedersowie diversen Verbindungselementen,Bild 4. Zur Bettigung der Kupplung wirddie Pedalkraft mit Hilfe des Kupplungsge-berzylinders hydraulisch bertragen. Die

    ENTWICKLUNG Fahrwerk

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    2 Fuhebelwerk Bremse Linkslenker und Rechtslenker

    Bild 2: Vergleich Gewichte, Golf IV und VFigure 2: Weight comparison, Golf IV and V

    Bild 3: FuhebelwerkBremse RechtslenkerFigure 3: Brake pedalsystem right hand drive

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    eingebaute bertotpunktfeder dient zumeinen zur Pedalrckstellung im ungetrete-ten Zustand, zum anderen aber auch zurKraftuntersttzung bei Bettigung.

    Bei der Neuentwicklung des Kupplungs-Fuhebelwerks fr den neuen Golf standder Einsatz eines Lagerbocks aus Kunststoffim Vordergrund. Gegenber der Schwei-konstruktion aus Stahl beim alten Golfkonnten Kosten und Gewicht erheblich re-duziert, sowie die Mahaltigkeit optimiertwerden: keine Nacharbeit und Verzug durchSchweien keine Lackierung fr Korrosionsschutzerforderlich.

    Die Kunststoffbauweise bietet ein hohesPotenzial an Funktionsintegration. Der Pe-dalanschlag wurde am Lagerbock integriertund die bertotpunktfeder direkt im Lager-bock (ohne Zusatzteil) gelagert. Mit Hilfe ei-nes Bajonett-Verschlusses wird der Kupp-lungsgeberzylinder auf einfache Weise imLagerbock verrastet.

    Bezglich Festigkeit und Steifigkeit wer-den an den Lagerbock hohe Ansprche ge-stellt. Bei der Werkstofffestlegung wurdenein glasfaserverstrktes Polypropylen (PPLGF) und Polyamid (PA 6 GF) in die engereAuswahl gezogen. Die Entscheidung fielauf ein PP LGF, das im Gegensatz zu PA 6 GFkein Wasser aufnimmt und somit eine h-here Dimensionsstabilitt aufweist. Imkonditionierten Zustand konnte mit PP LGFeine hhere Bauteilsteifigkeit erzielt wer-den. Die geringere Dichte sowie eine gerin-gere Verarbeitungstemperatur (Energie-kosten) sprechen fr den Einsatz von PPLGF. Beim Spritzgieprozess ist eine scho-nende Verarbeitung von PP LGF erforder-lich, um die tragende Langglasfaser mg-lichst zu erhalten. Bei der Werkzeugausle-gung ist auf eine effektivere Khlung alsbeim PA 6 GF zu achten.

    Bei der Konstruktion des Kupplungspe-dals wurde auf die bewhrte Kunststoff-bauweise zurckgegriffen, die bereits imPolo zum Einsatz kommt. Das Kupplungs-pedal ist bezglich seines Bauraums (Bo-denbelag, Fuspitzenfreiheit, Lenksule)stark begrenzt. Andererseits bewirken dieBettigungskrfte eine extreme Beanspru-chung des Kupplungspedals hinsichtlichBiegung und aufgrund seiner starken Krp-fung auch hinsichtlich Torsion. Hier hatsich ein gegenseitig verripptes Schaftprofilbewhrt, das eine sehr gute Biege- und Tor-sionssteifigkeit aufweist und sich im Stan-dard-Spritzgie-Verfahren herstellen lsst,Bild 5. Als Werkstoff kommt hier das leich-ter flieende PA GF zum Einsatz, um diekomplexe Rippenstruktur ausformen zuknnen. Ein groer Vorteil der Kunststoff-bauweise beim Kupplungspedal ist die In-

    tegration aller erforderlichen Funktionsbe-reiche wie Lagerung, Pedalplatte sowie dieAnbindungen von bertotpunktfeder undKupplungsgeberzylinder ohne zustzlicheMontage weiterer Bauteile.

    Fr die Rechtslenker-Version war es auf-grund der engen Bauraumsituation sowieeiner groen seitlichen Krpfung nicht mg-lich, das Kupplungspedal in Vollkunststoff-Bauweise auszufhren. Beim Vorgngermo-dell wurde noch auf eine Stahl-Schweikon-struktion zurckgegriffen, die nun beim

    neuen Golf als Kupplungspedal in Hybrid-Bauweise kostengnstig realisiert werdenkonnte, Bild 5. Die Hybrid-Technik vereintdie Vorteile von Stahl und Kunststoff. DieStahlverstrkung wurde gezielt im geome-trisch eingeschnrten und hoch bean-spruchten Pedalschaft eingesetzt, alle Funk-tionsbereiche wurden weiterhin in Kunst-stoff ausgespritzt. Bei der Herstellung wirdein Flachstahl per Handlingsgert in einSpritzgiewerkzeug eingelegt und anschlie-end mit PA 6 GF umspritzt.

    3 Fuhebelwerk Kupplung

    Bild 4: Aufbau des Fuhebelwerks Kupplung, Golf VFigure 4: Components of the brake pedal system clutch, Golf V

    Bild 5: Kupplungspedal-VersionenFigure 5: Versions of the clutch pedal

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    In punkto Funktionssicherheit kommtder Verbindung von Geberzylinder undKupplungspedal eine besondere Bedeu-tung zu. Zur optimalen Kraft- und Weg-bertragung ist eine verschleifeste undspielfreie Lagerung erforderlich, die infolgeder Kupplungskrfte und etwaiger Miss-brauchskrfte hohen Beanspruchungenausgesetzt ist. Weiterhin wird eine einfa-che und sichere Montage angestrebt. An-hand dieses Anforderungsprofils wurde einAufnahmeteil aus POM entwickelt, wel-ches den Kugelkopf der Stelstange desKupplungsgeberzylinders aufnimmt undgleichzeitig im Pedal verrastet ist. Durch ei-ne zweiteilige, mit einem Filmscharnier be-weglich verbundene Ausfhrung des Auf-nahmeteils konnte eine einfache Montagerealisiert werden, Bild 6. Zunchst wird dasAufnahmeteil im aufgespreizten Zustandim Pedal vorverrastet; anschlieend wirddie Stelstange in das Aufnahmeteil ein-gefhrt. Beim Fgevorgang wird die Stel-stange vom Aufnahmeteil in seiner Lage-rung umschlossen; gleichzeitig wird dasAufnahmeteil selbst im Pedal verrastet. An-hand umfangreicher Lebensdauer- und Ma-terial-Versuche wurde die Verschleifestig-keit der Materialpaarung von Aufnahme-teil und Stelstange ermittelt und optimalabgestimmt.

    4 Zusammenfassung

    Die konstruktiven Lsungen zeigen, dassdie hohen Ansprche an die Funktion, Stei-figkeit und Festigkeit des Fuhebelwerksauf engstem Bauraum mit komplex ge-formten Bauteilen und entsprechendenMaterialien realisiert werden konnten.Durch den gezielten Leichtbau wurde eineGewichtsersparnis von 26 % gegenberdem Vorgnger erreicht. Dieses Ziel konntebei gleichzeitiger Kostenreduzierung von30 % fr die Fuhebelwerke Bremse undKupplung umgesetzt werden. Durch diemodulare Bauweise ist das Fuhebelwerkso aufgebaut, dass es in Zukunft durch ge-ringfgige Modifikationen der Brems- undKupplungspedale auch in anderen Fahr-zeugklassen des Konzerns eingesetzt wer-den kann.

    3 Fuhebelwerk Kupplung

    Bild 6: Montageprinzip: Kupplungsgeberzylinder-Stelstange im KupplungspedalFigure 6: Assembly principle: push rod of the clutch master cylinder in the clutch pedal

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