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ENTWICKLUNG Fahrwerk

532 ATZ 6/2004 Jahrgang 106

Das Fußhebelwerk des neuen Golf überzeugt durch seinen einfachen modularen Aufbau. Durch den gezielten Einsatz von Leichtbau-Werkstoffenbei gleichzeitiger Vereinfachung der Montagevorgänge konnten gegenüberdem Vorgängermodell Kosten und Gewicht erheblich reduziert werden.

Das Fußhebelwerkfür den VW Golf undVW Touran

zelnen Lagerbockteile und die Anbindungder Crashstrebe erfolgen durch Durchsetz-fügen. Zusätzlich bietet diese Verbindungs-technik gegenüber dem bisherigen Schwei-ßen beim Vorgänger-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 Durchsetzfügeverfahreneinzusetzen. Dadurch konnte auf die Ver-wendung von zusätzlichen Verbindungs-elementen wie zum Beispiel Stanznieteverzichtet werden.

Durch die neue Verbindungstechnikund den Wegfall der Lackierung beim La-gerbock ist es möglich, die einzelnen Mon-tageschritte wie Durchsetzfügen, Montie-ren und Verschrauben auf einer Montage-linie durchzuführen. Dieser Ablauf bietetim Gegensatz zur Montage des Vorgänger-Fußhebelwerks, bei dem erst geschweißt,dann lackiert und anschließend montiertwerden musste, eine deutliche Vereinfa-chung des Fertigungsablaufs mit dem ent-sprechenden Einsparpotenzial.

Das Fußhebelwerk der Bremse für 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 außermittig

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

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

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

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

Die Autoren1 Einleitung

Unter einem Fußhebelwerk versteht mandie Baugruppe im Fahrzeug, in der alle zumFahrbetrieb notwendigen Pedale enthaltensind. Im Volkswagenwerk Braunschweigwerden die Komponenten für die Bremseund Kupplung entwickelt und hergestellt.Konzeptionell bedingt werden die Fußhe-belwerke Kupplung und Bremse als ge-trennte Module aufgebaut und anschlie-ßend im Fahrzeug montiert. Der modulareAufbau ermöglicht außerdem durch gerin-ge Modifikationen einzelner Bauteile denEinsatz des Fußhebelwerks in verschiede-nen Fahrzeugen des Konzerns. Bisher wur-den diese Baugruppen fast ausschließlichin 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 Fußhebelwerke fürden neuen Golf und den Touran gleich.

2 Fußhebelwerk Bremse Linkslenker und Rechtslenker

Das Fußhebelwerk Bremse, Bild 1, ist eineeigenständige Einheit, die auf die Montage-platte aufgesetzt und mit ihr und demBremskraftverstärker verschraubt wird. DieHauptkomponenten des Fußhebelwerkssind 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 derFüße zu ziehen und trägt somit zu einerdeutlich niedrigeren Fußverletzungsgefahrbei. Die Anbindung des FußhebelwerksBremse an den Bremskraftverstärker er-folgt über die Bremsdruckstange. Zur Auf-nahme der Bremsdruckstange wird einKunststoffteil mit einer PTFE-Lagerschaleeingesetzt. Die Verrastung der Druckstangeerfolgt durch einfaches Niederdrücken desPedals nach der Montage. Die Lagerstelledes Bremspedals im Lagerbock ist als einge-bördeltes Rohr im Bremspedal ausgeführt.

Der Linkslenker-Lagerbock Bremse wur-de beim Golf der vierten Generation nochin Stahlblech ausgeführt. Zur Gewichtsre-duzierung wurde dieses Teil für 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-keitsgründen weiterhin in Stahl ausge-führt. Zur Vermeidung von Kontaktkorro-sion wird sie mit einer Einschicht-Nassla-ckierung versehen. Die Verbindung der ein-

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


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

Eine Besonderheit bei diesem Projekt bestand darin, die Entwicklungszeit fürden Aluminium-Druckguss-Lagerbock aufsechs Monate zu verkürzen. 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 Gießen verdampft derSchaum des Modells und anschließendwird der Gips entfernt.

Durch dieses Verfahren standen binnenzwei Wochen erste Teile zur Verfügung, dieauf Prüfständen 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 ähnliche Ei-genschaften hinsichtlich Festigkeit undWandstärke aufweisen wie der später fürdie Serie geplante Druckguss. Mit diesenTeilen konnten bereits sechs Wochen nachKonstruktionsfertigstellung weitere serien-nahe Prototypen aufgebaut werden, um al-le für eine Freigabe notwendigen Erpro-bungen durchzuführen.

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 Fußhebelwerke Bremse für den Links-und Rechtslenker hohe Anforderungen ge-stellt. Neben den Eigenschaften wie Genau-igkeit, Verschleißfestigkeit und Fettfreiheitliegt der besondere Anspruch in den Dämp-fungseigenschaften. Um die geforderte Ge-nauigkeit im Lagerrohr des Bremspedals zuerreichen, erfolgt nach dem Einbördelnnoch eine Kalibrierung der Lagerstelle.

In das Lagerrohr werden Lagerbuchseneingesetzt, deren Ausgangsmaterial aus ei-nem Stahlrücken 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 diehöchst mögliche Genauigkeit zu erzielen.

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

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

3 Fußhebelwerk Kupplung

Das Fußhebelwerk Kupplung besteht ausdem Kupplungspedal mit Pedalkappe, demLagerbock, dem Kupplungsgeberzylindermit Aufnahmeteil, der Übertotpunktfedersowie diversen Verbindungselementen,Bild 4. Zur Betätigung der Kupplung wirddie Pedalkraft mit Hilfe des Kupplungsge-berzylinders hydraulisch übertragen. Die




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

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

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eingebaute Übertotpunktfeder dient zumeinen zur Pedalrückstellung im ungetrete-ten Zustand, zum anderen aber auch zurKraftunterstützung bei Betätigung.

Bei der Neuentwicklung des Kupplungs-Fußhebelwerks für den neuen Golf standder Einsatz eines Lagerbocks aus Kunststoffim Vordergrund. Gegenüber der Schweiß-konstruktion aus Stahl beim alten Golfkonnten Kosten und Gewicht erheblich re-duziert, sowie die Maßhaltigkeit optimiertwerden:■ keine Nacharbeit und Verzug durchSchweißen■ keine Lackierung für Korrosionsschutzerforderlich.

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

Bezüglich Festigkeit und Steifigkeit wer-den an den Lagerbock hohe Ansprüche ge-stellt. Bei der Werkstofffestlegung wurdenein glasfaserverstärktes 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 hö-here Dimensionsstabilität aufweist. Imkonditionierten Zustand konnte mit PP LGFeine höhere Bauteilsteifigkeit erzielt wer-den. Die geringere Dichte sowie eine gerin-gere Verarbeitungstemperatur (Energie-kosten) sprechen für den Einsatz von PPLGF. Beim Spritzgießprozess ist eine scho-nende Verarbeitung von PP LGF erforder-lich, um die tragende Langglasfaser mög-lichst zu erhalten. Bei der Werkzeugausle-gung ist auf eine effektivere Kühlung alsbeim PA 6 GF zu achten.

Bei der Konstruktion des Kupplungspe-dals wurde auf die bewährte Kunststoff-bauweise zurückgegriffen, die bereits imPolo zum Einsatz kommt. Das Kupplungs-pedal ist bezüglich seines Bauraums (Bo-denbelag, Fußspitzenfreiheit, Lenksäule)stark begrenzt. Andererseits bewirken dieBetätigungskräfte eine extreme Beanspru-chung des Kupplungspedals hinsichtlichBiegung und aufgrund seiner starken Kröp-fung auch hinsichtlich Torsion. Hier hatsich ein gegenseitig verripptes Schaftprofilbewährt, das eine sehr gute Biege- und Tor-sionssteifigkeit aufweist und sich im Stan-dard-Spritzgieß-Verfahren herstellen lässt,Bild 5. Als Werkstoff kommt hier das leich-ter fließende PA GF zum Einsatz, um diekomplexe Rippenstruktur ausformen zukönnen. Ein großer Vorteil der Kunststoff-bauweise beim Kupplungspedal ist die In-

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

Für die Rechtslenker-Version war es auf-grund der engen Bauraumsituation sowieeiner großen seitlichen Kröpfung nicht mög-lich, das Kupplungspedal in Vollkunststoff-Bauweise auszuführen. Beim Vorgängermo-dell wurde noch auf eine Stahl-Schweißkon-struktion zurückgegriffen, die nun beim

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


Bild 4: Aufbau des Fußhebelwerks 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-übertragung ist eine verschleißfeste undspielfreie Lagerung erforderlich, die infolgeder Kupplungskräfte und etwaiger Miss-brauchskräfte 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 Stößelstange desKupplungsgeberzylinders aufnimmt undgleichzeitig im Pedal verrastet ist. Durch ei-ne zweiteilige, mit einem Filmscharnier be-weglich verbundene Ausführung des Auf-nahmeteils konnte eine einfache Montagerealisiert werden, Bild 6. Zunächst wird dasAufnahmeteil im aufgespreizten Zustandim Pedal vorverrastet; anschließend wirddie Stößelstange in das Aufnahmeteil ein-geführt. Beim Fügevorgang wird die Stößel-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 Verschleißfestig-keit der Materialpaarung von Aufnahme-teil und Stößelstange ermittelt und optimalabgestimmt.

4 Zusammenfassung

Die konstruktiven Lösungen zeigen, dassdie hohen Ansprüche an die Funktion, Stei-figkeit und Festigkeit des Fußhebelwerksauf engstem Bauraum mit komplex ge-formten Bauteilen und entsprechendenMaterialien realisiert werden konnten.Durch den gezielten Leichtbau wurde eineGewichtsersparnis von 26 % gegenüberdem Vorgänger erreicht. Dieses Ziel konntebei gleichzeitiger Kostenreduzierung von30 % für die Fußhebelwerke Bremse undKupplung umgesetzt werden. Durch diemodulare Bauweise ist das Fußhebelwerkso aufgebaut, dass es in Zukunft durch ge-ringfügige Modifikationen der Brems- undKupplungspedale auch in anderen Fahr-zeugklassen des Konzerns eingesetzt wer-den kann. ■


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

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