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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Federeinrichtung gemäß den Merkmalen
der Patentansprüche
1 bzw. 5.
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Lager,
wie z. B. Hinterachsgetriebelager von Fahrzeugen, haben ganz allgemein
die Aufgabe, zwei Elemente miteinander zu verbinden und Kräfte zu übertragen.
Treten an einem zu lagernden Bauteil Schwingungen auf, so werden
diese über
das Lager mehr oder weniger stark auf das andere mit dem Lager verbundene
Bauteil übertragen.
Bei Fahrzeugen werden beispielsweise Drehschwingungen des Motors über den
Antriebsstrang auf das Hinterachsgetriebe übertragen und können sich
von dort über
Hinterachsgetriebelager bis in die Karosserie fortpflanzen, was
insbesondere aus akustischen Gründen
unerwünscht
ist. Um dem entgegen zu wirken, könnten solche Lager relativ
weich ausgelegt werden, was jedoch mit einer insbesondere bei sportlichen
Fahrzeugen erwünschten
straffen Anbindung des Motors und des Antriebsstrangs an die Karosserie
unvereinbar ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Federeinrichtung zu schaffen, mit der
die oben genannten Probleme vermieden werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 5 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Patentanspruch
1 bezieht sich auf ein „passives
System". „Passiv" bedeutet in diesem
Zusammenhang, dass keine Energie von außen benötigt wird. Patentanspruch 5
hingegen beansprucht ein „aktives
System", mit dem
Schwingungen z. B. elektrisch oder hydraulisch gesteuert ausgekoppelt
werden können.
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Beiden
Ausführungen
gemeinsam ist die Eigenschaft, dass die Kopplung eines, ganz allgemein gesprochen, „Krafteinleitungselements" und eines „Kraftausleitungselements" bei einem konstanten
Betriebspunkt, z. B. bei einem Fahrzeug, das sich mit konstanter
Last vorwärts
bewegt, „weich" erfolgt, wohingegen
bei instationärem
Betrieb, d. h. bei Laständerungen,
das Krafteinleitungselement und das Kraftausleitungselement relativ
straff miteinander gekoppelt sind. Anders ausgedrückt weist
eine Federeinrichtung gemäß der Erfindung
in einem ersten Verschiebebereich, der im folgenden als Hauptarbeitsbereich
bezeichnet wird, eine flachere Kraft-Verschiebeweg-Kennlinie auf als
in Verschiebebereichen, die „außerhalb" des Hauptarbeitsbereichs
liegen.
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Eine
passive Federeinrichtung gemäß Patentanspruch
1 weist ein Krafteinleitungselement und ein Kraftausleitungselement
auf, die über
eine Hauptfeder federnd, insbesondere translatorisch federnd miteinander
gekoppelt sind. Ferner ist eine Feder-/Dämpferanordnung vorgesehen,
die mechanisch parallel zu der Hauptfeder zwischen dem Krafteinleitungselement
und dem Kraftausleitungselement angeordnet ist. Die Feder-/Dämpferanordnung muss
nicht unbedingt auch räumlich
parallel angeordnet sein, sondern kann beispielsweise innerhalb der
Hauptfeder angeordnet sein. Die Feder-/Dämpferanordnung wiederum ist
durch eine serielle Anordnung mindestens einer Nebenfeder und mindestens eines
Dämpfungselements
gebildet.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung weist die Feder-/Dämpferanordnung
einen mit dem Kraftausleitungselement verbundenen Dämpferzylinder
auf, in dem ein hohlzylindrischer Dämpferkolben verschieblich angeordnet
ist. Der Dämpferkolben
unterteilt den Dämpferzylinder
in eine erste Dämpferkammer
und eine zweite Dämpferkammer.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist in dem hohlzylindrischen Dämpferkolben
ein mit dem Krafteinleitungselement verbundener Kolben angeordnet.
Dieser mit dem Krafteinleitungselement verbundene Kolben wiederum
unterteilt den Dämpferkolben
in eine erste Dämpferkolbenkammer
und in eine zweite Dämpferkolbenkammer.
In der ersten Dämpferkolbenkammer
und in der zweiten Dämpferkolbenkammer
kann jeweils eine erste bzw. eine zweite Feder der Feder-/Dämpferanordnung
angeordnet sein. Die Federn der Feder-/Dämpferanordnung weisen vorzugsweise
eine geringere Federhärte
auf als die Hauptfeder der Federeinrichtung. Alternativ dazu können die
Federn der Feder-/Dämpferanordnung
eine progressive Federcharakteristik aufweisen, d. h. es kann vorgesehen
sein, dass die Federhärte
mit zunehmender Kompression zunimmt.
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Die
aktive Federeinrichtung gemäß Patentanspruch
5 weist ebenfalls in einem ersten Verschiebebereich, der als Hauptarbeitsbereich
bezeichnet werden kann, eine flachere Kraft-Verschiebeweg-Kennlinie
auf als in Verschiebebereichen, die „außerhalb" des Hauptarbeitsbereichs liegen. Eine solche
aktive Federeinrichtung weist ebenfalls ein Krafteinleitungselement
und ein Kraftausleitungselement auf, die über eine Hauptfeder federnd,
insbesondere translatorisch federnd miteinander gekoppelt sind.
Die Federeinrichtung weist ferner eine „inverse Federanordnung" auf, die mechanisch
parallel zu der Hauptfeder zwischen dem Krafteinleitungselement
und dem Kraftausleitungselement angeordnet ist. Die inverse Federanordnung
weist eine kraftfreie Stellung auf, in der die Gesamtfedercharakteristik
der Federeinrichtung allein durch die Hauptfeder bestimmt ist. Die
inverse Federanordnung kann darüber hinaus
erste ausgelenkte Stellungen und zweite ausgelenkte Stellungen einnehmen.
In den ersten ausgelenkten Stellungen ist die inverse Federanordnung so
ausgelenkt, dass sie ein Stauchen der Hauptfeder unterstützt. „Unterstützen" bedeutet in diesem
Zusammenhang, dass die für
das Stauchen der Federeinrichtung erforderliche Gesamtstauchkraft
kleiner ist als die für
das Stauchen der Hauptfeder erforderliche Teilstauchkraft. In den
zweiten ausgelenkten Stellungen unterstützt die inverse Federanordnung ein
Auseinanderziehen der Hauptfeder. „Unterstützen" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass
die für
das Auseinanderziehen der Federeinrichtung erforderliche Gesamtzugkraft
kleiner ist als die für
das Auseinanderziehen der Hauptfeder erforderliche Teilzugkraft.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung weist das inverse Federelement
ein „rampenförmiges Element" auf. Das rampenförmige Element
kann mit dem Krafteinleitungselement verbunden sein. Ferner ist
mindestens ein Federglied vorgesehen, das mit dem Kraftausleitungselement
gekoppelt ist und das an dem rampenförmigen Element anliegt bzw.
bei einer Stauchung oder beim Auseinanderziehen der Federeinrichtung
an dem rampenförmigen
Element entlang gleitet. Je nach Relativstellung des mindestens einen
Federglieds in Bezug auf das rampenförmige Element erzeugt das Federglied
eine Druckkraft oder eine Zugkraft, die dann zwischen dem Krafteinleitungselement
und dem Kraftausleitungselement wirkt. Durch diese Druckkraft oder
durch die Zugkraft wird, wie oben erläutert, das Stauchen der Hauptfeder
bzw. das Auseinanderziehen der Hauptfeder unterstützt.
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Im
folgenden wir die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
passive Federeinrichtung gemäß der Erfindung;
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2 ein
Diagramm zur Erläuterung
der Federcharakteristik einer Federeinrichtung gemäß der Erfindung;
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3 eine
aktive Federeinrichtung gemäß der Erfindung
mit hydraulischer Verstellung; und
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4 eine
aktive Federeinrichtung gemäß der Erfindung
mit elektrischer Verstellung.
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1 zeigt
eine passive Federeinrichtung 1 mit einem Krafteinleitungselement 2 und
einem Kraftausleitungselement 3. Das Krafteinleitungselement 2 und
das Kraftausleitungselement 3 sind über eine Hauptfeder 4,
die hier als Spiralfeder ausgebildet ist, translatorisch federnd
miteinander gekoppelt.
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Das
Kraftausleitungselement 3 weist meist einen zylinderförmigen Abschnitt 5 auf.
In dem zylinderförmigen
Abschnitt 5 ist ein hohler zylindrischer Kolben 6,
der im folgenden auch als „Dämpferkolben" bezeichnet wird,
verschieblich angeordnet. Der Dämpferkolben 6 unterteilt
den Zylinder 5 des Kraftausleitungselements 3 in
eine erste Dämpferkammer 7 und
eine zweite Dämpferkammer 8.
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In
dem hohlen Dämpferkolben 6 wiederum ist
ein Kolben 9 verschieblich angeordnet. Der Kolben 9 ist über eine
Kolbenstange 10 fest mit dem Krafteinleitungselement 2 verbunden.
Der Kolben 9 unterteilt den hohlen Dämpferkolben 6 in eine
erste Dämpferkolbenkammer 11 und
eine zweite Dämpferkolbenkammer 12.
In der ersten Dämpferkolbenkammer 11 ist
eine erste Feder 13 angeordnet. In der zweiten Dämpferkolbenkammer 12 ist
eine zweite Feder 14 angeordnet. Wenn an der Federeinrichtung 1 keine äußere Kraft anliegt,
drücken
die beiden Federn 13, 14 den Kolben 9 in
eine mittlere Stellung.
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Der
zylindrische Abschnitt 5 des Krafteinleitungselements 3,
der darin angeordnete hohle Dämpferkolben 6,
der Kolben 9 und die beiden Federn 13, 14 bilden
eine „Feder-/Dämpferanordnung", die mechanisch
parallel zu der Hauptfeder 4 angeordnet ist. Die Feder-/Dämpferanordnung
kann, wie in 1 gezeigt, innerhalb der Hauptfeder 4 angeordnet
sein. Alternativ dazu kann sie aber räumlich parallel, d.h. neben
der Hauptfeder 4 angeordnet sein.
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Im
folgenden wird die Funktionsweise der Federeinrichtung näher erläutert. Eine
Kraftübertragung
zwischen dem Krafteinleitungselement 2 und dem Kraftausleitungselement 3 erfolgt
einerseits über
die Hauptfeder 4, die relativ weich sein kann und andererseits über die
mechanisch parallel zu der Hauptfeder 4 angeordneten Feder-/Dämpfereinrichtung.
Im stationären
Betrieb, d. h. bei konstanter Belastung steht das Krafteinleitungselement
und der darmit über
die Kolbenstange 10 verbundene Kolben 9 im wesentlichen
ortsfest in Bezug auf das Kraftausleitungselement. Im stationären Betrieb
wird die Kraft also primär
bzw. ausschließlich über die
Hauptfeder 4 übertragen.
Die Federn 13, 14 stellen den Dämpferkolben 6 in
Bezug auf den Kolben 9 mittig ein. Bei Schwingungen mit
relativ geringer Schwingungsamplitude bewegt sich das Krafteinleitungselement und
der damit über
die Kolbenstange 10 verbundene Kolben 9 relativ
zu dem Kraftausleitungselement. Bei nur leichten Schwingungen um
einen stationären
Betriebspunkt bleibt der Dämpferkolben 6 im
wesentlichen fest bzw. wird nur sehr geringfügig verschoben. Bei leichten
Schwingungen bzw. bei stationärem
Betrieb weist die Federeinrichtung 1 somit eine recht weiche
bzw. flache Federcharakteristik auf.
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Ändert sich
der Betriebspunkt schlagartig, d. h. tritt eine relativ schlagartige Änderung
des Belastungszustandes ein, so geht der Kolben 9 in der
einen bzw. anderen Richtung in Anschlag an den Dämpferkolben 6, was
letztlich zu einer Verschiebung des Dämpferkolbens 6 in
dem zylindrischen Abschnitt 5 des Kraftausleitungselements 3 führt. Sobald
der Kolben 6 merklich in dem zylindrischen Abschnitt 5 des
Kraftausleitungselements 3 verschoben wird, ergibt sich
ein relativ starker Anstieg der „Federhärte" der Federeinrichtung 1.
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Vollständigkeitshalber
sei darauf hingewiesen, dass die erste Dämpferkammer 7 beispielsweise über eine
Bypassleitung 15 und eine darin angeordnete Drossel 16 in
Fluidverbindung mit der zweiten Dämpferkammer 8 stehen
kann. Die Verbindung der beiden Dämpferkammern 7, 8 kann
auch über
einen in dem Dämpferkolben 6 vorgesehenen
Verbindungskanal erfolgen.
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2 zeigt
den prinzipiellen Verlauf der Federcharakteristik einer aktiven
Federeinrichtung gemäß der Erfindung
den Ausführungsbeispielen
der 3 oder 4. Die Federcharakteristik der
Federeinrichtung ergibt sich durch Überlagerung der Federcharakteristik 4a der
Hauptfeder 4 und der Feder-/Dämpfercharakteristik 17 der
Feder-/Dämpferanordnung.
Die Federcharakteristik der gesamten Federeinrichtung 1 ist
fett strichpunktiert dargestellt. Die Federcharakteristik der Gesamtanordnung
weist einen Hauptarbeitsbereich 18 auf. Im Hauptarbeitsbereich 18 ist
die Kraft-Verschiebeweg-Kennlinie aufgrund der Überlagerung der beiden Teilkennlinien 4a und 17 relativ
flach, insbesondere deutlich flacher als außerhalb des Hauptarbeitsbereichs 18.
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3 zeigt
eine „aktive" Federeinrichtung 1 mit
hydraulischer Steuerung. Die Federeinrichtung 1 weist ebenfalls
ein Krafteinleitungselement 2 und ein Kraftausleitungselement 3 auf,
die über
eine Hauptfeder 4 federnd miteinander gekoppelt sind. Es
sei ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass die Aus drücke „Krafteinleitungselement" und „Kraftausleitungselement" lediglich der terminologischen
Unterscheidung der beiden Bauteile 2, 3 dienen
und selbstverständlich
auch in umgekehrter Reihenfolge verwendet werden können.
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Das
Krafteinleitungselement 2 weist einen hohlzylindrischen
Abschnitt 19 auf. In dem hohlzylindrischen Abschnitt 19 ist
verschieblich ein Kolben 20 angeordnet, der den hohlzylindrischen
Abschnitt 19 in einen Zylinderraum 21 und einen
Zylinderraum 22 unterteilt. Der Kolben 20 weist
eine hier relativ dick dargestellte Kolbenstange 23 auf,
die zwei zylindrische Kolbenstangenabschnitte 24, 25 und
einen dazwischen liegenden kugelförmigen Abschnitt 26 aufweist.
Der kugelförmige
Abschnitt 26 kann auch als „rampenförmiger Abschnitt" bezeichnet werden.
Der zylindrische Abschnitt 25 ist in einer Ausnehmung 27 des
Kraftausleitungselements 3 verschieblich. Das Kraftausleitungselement 3 fungiert
auch als Halteelement für
federvorgespannte Stifte 28, 29. Die Stifte 28, 29 sind
durch Spiralfedern 30, 31 vorgespannt. In der
in 3 gezeigten Neutralstellung bzw. kraftlosen Stellung
der Kolbenstange 23 drücken
die Stifte 28, 29 mittig von außen gegen
den kugelförmigen Abschnitt 26.
Die Kolbenstange 23 mit ihren zylindrischen Abschnitten 24, 25 und
dem kugelförmigen Abschnitt 26 sowie
die federvorgespannten Stifte 28, 29 bilden die „inverse
Feder", auf deren
Funktion später
noch näher
eingegangen wird.
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In
der Kolbenstange 23 sind hydraulische Kanäle 32, 33 vorgesehen.
Der Kanal 32 steht in Fluidverbindung mit dem Zylinderraum 22,
der Kanal 33 mit dem Zylinderraum 21. In dem Kraftausleitungselement 3 sind
ebenfalls hydraulische Kanäle 34, 35, 36 vorgesehen.
Die Kanäle 34, 36 sind
Abflusskanäle bzw.
Saugkanäle.
Der Kanal 25 ist ein Zuflusskanal bzw. ein Druckkanal.
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Im
folgenden wird die Funktionsweise näher erläutert. In der hier gezeigten
Neutral- bzw. Betriebspunktstellung ist die Federcharakteristik
der Feder einrichtung 1 primär durch die Federcharakteristik der
Hauptfeder 4 festgelegt. Ein Verschieben des Krafteinleitungselements 2 in
Bezug auf das Kraftausleitungselement 3 ist somit zunächst ausschließlich entgegen
der Kraft der Hauptfeder 4 möglich. Da die Fluidkanäle 32, 33 gegenüber den
Kanälen 34–36 in
der hier gezeigten Neutralstellung abgesperrt sind, steht der Kolben 20 im
wesentlichen fest in Bezug auf das Krafteinleitungselement. Bei
einer Verschiebung des Krafteinleitungselements 2 wird
somit die Kolbenstange 23 mit verschoben. Die Stifte 28, 29 gleiten
dabei entlang der Außenkontur
des kugelförmigen
Abschnitts 26. Je nach Verschieberichtung des Krafteinleitungselements 2 üben die
federvorgespannten Stifte 28, 29 auf die Kolbenstange 23 eine Kraft
aus, welche versucht, die Kolbenstange 23 entweder in die
Ausnehmung 27 hinein zu drücken oder aus der Ausnehmung 27 heraus
zu drücken.
Sobald der Fluidkanal 32 in Fluidverbindung mit dem Fluidkanal 34 steht
und der Fluidkanal 33 in Fluidverbindung mit dem Fluidkanal 35 steht
oder der Fluidkanal 32 in Fluidverbindung mit dem Fluidkanal 35 und
der Fluidkanal 33 in Fluidverbindung mit dem Fluidkanal 36 steht,
kann eine Relativverschiebung zwischen dem Kolben 20 und
dem zylindrischen Abschnitt 19 stattfinden. Die federvorgespannten
Stifte 28, 29 und der kugelförmige Abschnitt 26 wirken
dann als „inverse
Feder". Wird auf
das Krafteinleitungselement und das Kraftausleitungselement eine
Druckkraft aufgebracht, so wird die Stauchung durch die inverse
Feder unterstützt.
Dies bedeutet, dass die für
das Stauchen der Federeinrichtung 1 erforderliche Gesamtstauchkraft
kleiner ist als die für
das Stauchen der Hauptfeder 4 erforderliche Teilstauchkraft.
Werden hingegen das Krafteinleitungselement 2 und das Kraftausleitungselement 3 auseinandergezogen,
so wird dies ebenfalls von der inversen Feder unterstützt. Dies
bedeutet, dass die für
das Auseinanderziehen der Federeinrichtung 1 erforderliche
Gesamtzugkraft kleiner ist als die für das Auseinanderziehen der
Hauptfeder 4 erforderliche Teilzugkraft.
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Die
Federeinrichtung 1 wurde als aktive Federeinrichtung bezeichnet,
da hierbei aktiv Energie zugeführt
wird, d. h. hydraulische Energie.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
aktiven Federeinrichtung. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
ist das Krafteinleitungselement fest mit dem durch die zylindrischen
Abschnitte 24, 25 und dem kugelförmigen Abschnitt 26 gebildeten
rampenförmigen
Element verbunden. Der zylindrische Abschnitt 25 ist in
einer Ausnehmung 27 eines Halteelements 37 verschieblich
angeordnet. An dem Halteelement 37 sind auch die federvorgespannten Stifte 28, 29 angeordnet.
Das Halteelement 37 ist über eine durch einen Elektromotor 38 drehbare
Gewindespindel 39 mit dem Kraftausleitungselement 3 gekoppelt.
In dem Halteelement 37 sind ferner Sensoren 40, 41 vorgesehen,
mit denen die Relativstellung der Halteeinrichtung 37 bzw.
der Stifte 28, 29 in Bezug auf den kugelförmigen Abschnitt 26 des
rampenförmigen
Elements ermittelt werden kann. Die Sensoren 40, 41 sind über eine
elektrische Leitung 42 mit einem Steuergerät 43 verbunden,
das über eine
elektrische Leitung den Elektromotor 38 ansteuert.
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Auch
bei diesem Ausführungsbeispiel
wird im Hauptarbeitsbereich, in dem die Stifte 28, 29 an der
Kontur des kugelförmigen
Abschnitts 26 entlanggleiten, ein Verschieben des Krafteinleitungselements 2 in
Bezug auf das Kraftausleitungselement 3 durch die „inverse
Feder" unterstützt. Die
für das
Verschieben des Krafteinleitungselements 2 gegenüber dem
Kraftausleitungselement 3 erforderliche Kraft ist also
geringer als die für
eine entsprechende Verschiebung der Hauptfeder 4 erforderliche
Kraft, wodurch sich der in 2 gezeigte
relativ flache Kennlinienverlauf im Hauptarbeitsbereich ergibt.
Mittels des Elektromotors 38 kann der „Off-Set", d. h. die Vorspannung bzw. die Lage
der in 4 gezeigten Neutralstellung nachjustiert werden.