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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Federeinrichtung gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 3.
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Eine Federeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist aus der
DE 38 09 208 A1 bekannt. Eine Federeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 3 ist aus der
EP 0 127 741 A1 bekannt. Zum technischen Hintergrund der Erfindung zählt die
DE 103 12 576 A1 .
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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 bzw. 3 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 3 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.
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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 3 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:
- 1 eine passive Federeinrichtung gemäß der Erfindung;
- 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Federcharakteristik einer Federeinrichtung gemäß der Erfindung;
- 3 eine aktive Federeinrichtung gemäß der Erfindung mit hydraulischer Verstellung; und
- 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 Ausdrücke „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 Federeinrichtung 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.
