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Die
Erfindung betrifft eine Federvorrichtung, bestehend wenigstens aus:
- – einem
Ober- und Unterbau, die in einem variablen Höhenabstand zueinander angeordnet
sind, wobei Ober- und Unterbau jeweils als Rahmen oder Platte ausgebildet
sind, wobei wiederum der Oberbau mit einem Tragkörper, insbesondere in Form
eines Fahrersitzes, in Verbindung steht, während der Unterbau auf einem
Fundament montiert ist;
- – einem
Scherenlenkersystem, umfassend zwei parallel verlaufende Scherenlenker
mit jeweils einem Kreuzungs- und mittleren Gelenkpunkt, wobei die
beiden Scherenlenker an zwei gegenüberliegenden Seiten des Ober-
und Unterbaues so befestig sind, dass der Höhenabstand regulierbar ist;
sowie
- – einer
Luftfederanordnung, umfassend zwei Endbereiche, die mit Anbindungsmöglichkeiten
ausgestattet sind, und einen Luftfederbalg aus elastomerem Werkstoff,
der unter Ausbildung einer Schlaufe eine volumenelastische Luftkammer umschließt, wobei
die Schlaufe im Rahmen der Ein- und Ausfederung mit der freien Außenfläche eines
Abrollkolbens korrespondiert.
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Eine
gattungsgemäße Federvorrichtung
wird in der europäischen
Patentschrift
EP 0
988 512 B1 (
1)
vorgestellt. Eine Luftfederanordnung mit den als Luftfeder (Luftfedermodul)
bezeichneten Grundbauteilen Luftfederbalg, Deckel und Abrollkolben
erstreckt sich dabei vom Oberbau zum Unterbau der Federvorrichtung.
Neben dieser Luftfeder ist zusätzlich
ein externer steuerbarer Dämpfer
(Schwingungsdämpfer)
vorhanden, der sich ebenfalls vom Oberbau zum Unterbau erstreckt,
wobei im Bereich des Ober- und Unterbaues Kugelgelenke, umfassend
zumeist kugelige Gelenkaugen und Zapfen, vorhanden sind. Die Federvorrichtung
ist zudem mit einem Positionssensor ausgerüstet. Hinsichtlich des Verfahrensablaufes
wird auf das Blockschema (
2,
3) der oben zitierten Patentschrift verwiesen.
Nachteilig bei einer derartigen Federvorrichtung ist, dass diese störanfällig ist,
so dass gegebenenfalls die Feder- wie auch Dämpfungswirkung nicht mehr ausreichend ist.
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Darüber hinaus
ist bekannt, bei einer gattungsgemäßen Federvorrichtung die Luftfederanordnung
nur innerhalb des Bereiches von Unterbau und dem Kreuzungs- und mittleren Gelenkpunkt
des Scherenlenkersystems wirken zu lassen. Nachteilig bei einer
derartigen Konstruktion ist, dass sich die Luftfeder nicht geradlinig
bewegt, sondern eine Schwenkbewegung ausführt, was eine starke Belastung
nach sich zieht. Außerdem
müssen
bei einer Verwendung eines zusätzlichen
Schwingungsdämpfers
auch hier Kugelgelenke eingesetzt werden, da Dämpfer nur eine geradlinige
Bewegung ausführen können. Kugelgelenke
sind jedoch verschleißanfällig, zumal
der Schwingungsdämpfer
im Rahmen der Ein- und Ausfederung ständigen Winkeländerungen
ausgesetzt ist.
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Luftfederanordnungen
finden darüber
hinaus im Fahrzeugbau (PKW, Nutz- und Schienenfahrzeuge) eine breite
Anwendung, und zwar im Rahmen einer breiten Konstruktionsvielfalt.
Neben der einfachen Luftfederausführung, umfassend die oben genannten
Grundbauteile, kommt dabei eine Luftfederanordnung als Luftfeder-Dämpfer-Einheit (LFD-Einheit)
zum Einsatz. Hinsichtlich der diesbezüglichen Luftfeder- bzw. LFD-Technologie
wird beispielsweise auf folgende Druckschriften verwiesen:
DE 36 41 623 C2 ,
DE 199 32 717 A1 ,
DE 199 52 919 A1 ,
DE 100 01 018 A1 ,
DE 103 47 934 A1 ,
DE 103 14 621 A1 ,
EP 0 866 759 B1 ,
EP 0 897 489 B1 und
WO 2004/109149 A1.
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Im
Rahmen einer Weiterentwicklung besteht nun die Aufgabe der Erfindung
darin, eine gattungsgemäße Federvorrichtung,
insbesondere für
einen Fahrersitz, bereitzustellen, die auf einem einfachen wie auch
störungsfreien
Konzept beruht.
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Gelöst wird
die Aufgabe dadurch, dass
- – zusätzlich zu dem Scherenlenkersystem
ein Kniehebelsystem, umfassend zwei parallel verlaufende Kniehebel
mit jeweils einem mittleren Gelenkpunkt, vorhanden ist, wobei die
beiden Kniehebel seitengleich mit den beiden Scherenlenkern angeordnet
sind und dabei ebenfalls so mit dem Ober- und Unterbau befestigt
sind, dass der Höhenabstand
regulierbar ist;
- – die
beiden Kreuzungs- und mittleren Gelenkpunkte der Scherenlenker sowie
die beiden mittleren Gelenkpunkte der Kniehebel jeweils durch ein Joch
miteinander verbunden sind, wobei sämtliche Gelenkpunkte auf einer
zwischen Ober- und Unterbau sich befindenden Quermittenebene zu liegen
kommen; und dass
- – die
beiden Joche als Befestigungskonsolen für die beiden Endbereiche der
horizontal verlaufenden Luftfederanordnung dienen, ohne dass der Luftfederbalg
in seiner Ein- und Ausfederung gestört wird, wobei die beiden Joche
im Bereich der Gelenkpunkte im voll ausgefederten Zustand den weitesten
Abstand bei gleichzeitig größtem Höhenabstand
sowie im voll eingefederten Zustand den kürzesten Weg bei gleichzeitig
geringstem Höhenabstand
von Ober- und Unterbau aufweisen.
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Die
Luftfederanordnung ist dabei vorzugsweise als Luftfeder-Dämpfer-Einheit
(LFD-Einheit) ausgebildet,
indem die Luftfeder und der Dämpfer
in Achsrichtung der Luftfederanordnung als integrierte Bauteile
wirken, und zwar im Gegensatz zu der Ausführung gemäß
EP 0 988 512 B1 (
1).
Folgende Varianten sind in diesem Zusammenhang von besonderer Bedeutung:
- – Die
LFD-Einheit umfasst einen konzentrisch angeordneten Schwingungsdämpfer innerhalb
der Luftfeder. Diese Konzeption wird häufig auch als Luftfederbein
bezeichnet.
- – Die
LFD-Einheit umfasst einen konzentrisch angeordneten hydraulischen
Schwingungsdämpfer, der
insbesondere mit einer verstellbaren Dämpfercharakteristik ausgestattet
ist.
- – Die
LFD-Einheit umfasst einen konzentrisch angeordneten Gasdämpfer. Das
Gas ist dabei zumeist Luft. Der Gasdämpfer steht direkt mit der Luftkammer
der Luftfeder in Verbindung und arbeitet mit demselben Arbeitsdruck
wie die Luftfeder. Luft- und Dämpferkammer
kommen dabei als ein n-Kammer-System (n ≥ 2) zur Anwendung, beispielsweise
in Form einer Luftkammer und zwei Dämpferkammern. Die einzelnen
Kammern sind dabei insbesondere durch Ventilplatten von einander
getrennt.
Als Alternative hierzu ist der Gasdämpfer durch reibungsarme
Dichtungselemente so von der Luftkammer der Luftfeder getrennt,
dass innerhalb des Gasdämpfers
ein höherer
Druck als innerhalb der Luftkammer einstellbar ist. In dieser Konstellation
dient der Gasdämpfer
gegebenenfalls auch als Vorratsbehälter zur Speisung der Luftfeder.
Die
hier vorgestellten Gasfeder-Dämpfer-Kombinationen
haben die Kurznomenklatur GFD.
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Unabhängig von
den hier vorgestellten Varianten arbeitet die LFD-Einheit mit selbsttätiger, sich an
Vorgabewerten orientierender Niveauregelung. Alternativ hierzu kann
diese auch mit von außen
einstellbarer variabler Niveaulage arbeiten.
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Der
Luftfederbalg ist in Bezug auf dessen Meridianschnitt zylindrisch,
konisch oder konturiert gestaltet und umfasst dabei einen statischen
und dynamischen Bereich (Schlaufenbereich). Der Luftfederbalg weist
dabei jeweils einen eingebetteten, insbesondere fadenförmigen Festigkeitsträger auf,
insbesondere wiederum in Form von Cordfäden, und zwar unter Ausbildung
einer luft- und druckdichten Balginnenschicht, einer ein- oder mehrlagigen
Festigkeitsträgerschicht
sowie einer Balgaußenschicht. Hinsichtlich
des Verlaufes des fadenförmigen
Festigkeitsträgers
kommen folgende zwei Varianten zur Anwendung:
- – Der fadenförmige Festigkeitsträger verläuft derart,
dass in Bezug auf zwei Lagen ein Kreuzungswinkel gebildet wird.
Einen derartigen Luftfederbalg nennt man auch Kreuzlagenbalg. Die
Kreuzungswinkel sind konstant oder verlaufen inkonstant, was insbesondere
bei einem konturierten Luftfederbalg der Fall ist. Der Kreuzungswinkel
ist zumeist so gewählt,
dass eine selbst stabilisierende Wirkung des „Grenzwinkels" in Bezug auf einen
maximalen Durchmesser erfolgt. Ist dagegen der Kreuzungswinkel so
gewählt,
dass dieser stabilisierende Grenzwinkel nicht erreicht wird, ist eine
stützende
Außenführung zur
Durchmesserbegrenzung erforderlich.
- – Der
fadenförmige
Festigkeitsträger
verläuft
in axialer Balgrichtung. Einen derartigen Luftfederbalg bezeichnet
man auch als Axialbalg. Bei dieser Festigkeitsträgerkonstellation wird zumeist eine
stützende
Außenführung verwendet.
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Die
beiden Balgenden werden insbesondere mittels Klemmringen, Spannschellen,
Spannteller oder dergleichen am Deckel einerseits und am Abrollkolben
andererseits befestigt. Zwecks Verstärkung können die Balgenden aufgedickt
sein (
EP 0 839 676
A1 ). Auch separate Elastomerringe werden verwendet (
EP 0 929 759 B1 ).
Auch das Anvulkanisieren der Balgenden am Deckel bzw. Abrollkolben ist
möglich
(
DE 40 11 517 A1 ).
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf schematische Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Federvorrichtung für
einen Fahrersitz;
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2a eine
Federvorrichtung mit einer LFD-Einheit, umfassend einen konzentrisch
angeordneten hydraulischen Schwingungsdämpfer, im voll ausgefederten
Zustand;
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2b eine
Federvorrichtung mit einer LFD-Einheit, umfassend einen konzentrisch
angeordneten hydraulischen Schwingungsdämpfer, im voll eingefederten
Zustand;
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3a eine
Federvorrichtung mit einer LFD-Einheit, umfassend einen konzentrisch
angeordneten Gasdämpfer,
im voll ausgefederten Zustand;
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3b eine
Federvorrichtung mit einer LFD-Einheit, umfassend einen konzentrisch
angeordneten Gasdämpfer,
im voll eingefederten Zustand.
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1 zeigt
einen Fahrersitz 1 mit einer Federvorrichtung 2,
die hier nur vereinfacht dargestellt ist, und zwar ohne Details
der Luftfederanordnung, was nun in den 2a, 2b und 3a, 3b im
Einzelnen aufgezeigt wird.
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Nach 2a umfasst
die Federvorrichtung 3 einen Oberbau 4 und Unterbau 5,
die im voll ausgefederten Zustand in einem Höhenabstand H zueinander angeordnet
sind.
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Ober-
und Unterbau sind dabei jeweils als vierseitige Rahmen ausgebildet.
Der Oberbau steht mit dem Fahrersitz 1 (1)
in Verbindung, während der
Unterbau auf einem Fundament montiert ist.
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Das
Scherenlenkersystem umfasst zwei parallel verlaufende Scherenlenker 6 mit
jeweils einem Kreuzungs- und mittleren Gelenkpunkt X, wobei die beiden
Scherenlenker an zwei gegenüberliegenden Seiten
(hier einseitige Darstellung) des Ober- und Unterbaues so befestigt
sind, dass der Höhenabstand
H regulierbar ist, und zwar unter dem Gesichtspunkt einer wirksamen
Ein- und Ausfederung. Hierzu wird das eine Ende des Lenkers 7 innerhalb
des Seitenbereiches des Oberbaues 4 fest, jedoch drehbeweglich
fixiert (Befestigungs- und Gelenkposition 8). An seinem
anderen Ende wird der Lenker 7 innerhalb des Seitenbereiches
des Unterbaues 5 mittels einer Gleitschiene 9 gleitend
fixiert (Befestigungs- und Gleitposition 10). Mit dem Lenker 11 erfolgt
die Anbindung am Ober- und Unterbau in gleicher Weise wie beim Lenker 7,
jedoch unter dem Umkehrprinzip der beiden Positionen 8 und 10.
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Zusätzlich zu
dem Scherenlenkersystem ist ein Kniehebelsystem, umfassend zwei
parallel verlaufende Kniehebel 12 mit jeweils einem mittleren Gelenkpunkt
Y, vorhanden, wobei die beiden Kniehebel seitengleich mit den beiden
Scherenlenkern 6 angeordnet sind. Die Befestigung des Kniehebels
am anderen Ende des Ober- und Unterbaues erfolgt wiederum derart,
dass der Höhenabstand
H regulierbar ist. Hierzu werden die beiden Enden des Kniehebels innerhalb
des Seitenbereiches des Ober- und
Unterbaues fest, jedoch drehbeweglich fixiert (Befestigungs- und
Gelenkposition 13).
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Die
beiden Kreuzungs- und mittleren Gelenkpunkte X der Scherenlenker 6 sowie
die beiden mittleren Gelenkpunkte Y der Kniehebel 12 sind
jeweils durch ein Joch miteinander verbunden, wobei sämtliche
Gelenkpunkte X und Y auf einer zwischen Ober- und Unterbau sich
befindenden Quermittenebene Z zu liegen kommen. Die beiden Joche
sind insbesondere als U-förmig
gepresste und ausgesteifte Bauteile ausgebildet. Die beiden Joche
bzw. die Gelenkpunkte X und Y sind in einem regulierbaren Abstand
S zueinander angeordnet, und zwar ebenfalls unter dem Gesichtspunkt
einer wirksamen Ein- und Ausfederung.
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Die
beiden Joche dienen nun als Befestigungskonsolen für die beiden
Endbereiche A und B der horizontal verlaufenden Luftfederanordnung 14 mit
Luftfederbalg 15 mit im Wesentlichen zylindrischen Meridianschnitt,
Deckel 16, Abrollkolben 17 mit freier Außenfläche 18 und
Außenführung 19.
Die Luftfederanordnung ist dabei als LFD-Einheit mit einem konzentrisch angeordneten
hydraulischen Schwingungsdämpfer 20 ausgestattet.
Ein Gehäuse 21 umfasst
dabei den Endbereich des Abrollkolbens. Der Endbereich A der Luftfederanordnung,
gebildet aus Deckel und Außenführung, steht
hier mit dem Joch (Kreuzungs- und Gelenkpunkt X) des Scherenlenkersystems
in Verbindung. Bei einem Luftfederbalg ohne Außenführung übernimmt insbesondere ein topfförmiger Deckel
die Anbindung. Der Endbereich B, gebildet im Wesentlichen aus dem
Gehäuse 21,
ist dagegen mit dem Joch (Gelenkpunkt Y) des Kniehebelsystems verbunden.
Anstelle des Gehäuses
kann auch ein verlängerter
Abrollkolben oder ein rohrförmiges
Dämpferbauteil
zur Anbindung dienen.
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Im
voll ausgefederten Zustand gemäß 2a haben
die beiden Joche im Bereich der Gelenkpunkte X und Y den weitesten
Abstand S bei gleichzeitig größtem Höhenabstand
H von Oberbau 4 und Unterbau 5.
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Nach 2b befindet
sich die Luftfederanordnung 14 im voll eingefederten Zustand,
wobei die beiden Joche im Bereich der Gelenkpunkte X und Y den kürzesten
Abstand S' bei gleichzeitig
geringstem Höhenabstand
H' von Oberbau 4 und
Unterbau 5 aufweisen. Der Luftfederbalg 15 korrespondiert
dabei mit der freien Außenfläche 18 (2a)
des Abrollkolbens, und zwar unter Ausbildung einer Schlaufe 22.
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Nach 3a ist
die Federvorrichtung 23 bei gleichem Scherenlenker- und
Gelenksystem wie bei 2a mit einer Luftfederanordnung 24 ausgerüstet, die
bei diesem Ausführungsbeispiel
als LFD-Einheit mit einem konzentrisch angeordneten Gasdämpfer 25 ausgestattet
ist. Der Endbereich A der Luftfederanordnung ist hier ein topfförmiger Deckel 26,
während
der Endbereich B aus einem Gehäuse
mit integrierten Abrollkolben 28 besteht, der wiederum
eine freie Außenfläche 29 besitzt.
Zwischen den beiden Endbereichen A und B wirkt der Luftfederbalg 30,
der bei der Einfederung mit der freien Außenfläche des Abrollkolbens unter
Ausbildung einer Schlaufe 32 (3b) korrespondiert.
Der Abrollkolben weist innerhalb seines Umlaufbereiches eine Durchmessererweiterung 31 auf.
Hier liegt auch die Endposition der Schlaufe 32. In dieser
Position erfährt
die Luftfeder die größte erreichbare
Stellkraft, mit der die Kniehebel schließlich wieder auseinander gedrückt werden.
Beim Ausfedern sinkt die erforderliche Stellkraft mit der flacher
werdenden Stellung der Kniehebel. Allerdings sollten die Kniehebel
in ihrer durch die erforderliche Sitzhöhe vorgegebenen Endstellung
noch eine gewisse Neigung (Grundneigung) beibehalten, damit keine
Selbsthemmung der Federvorrichtung auftritt.
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Mit
Ausnahme des Luftfederbalges sowie gegebenenfalls Dichtungselementen
und Puffern, die sämtlich
aus elastomerem Werkstoff bestehen, sind alle anderen Bauteile der
Luftfederanordnung aus Metall oder Kunststoff mit metallähnlichen
Eigenschaften gebildet. Der Kunststoff ist dabei insbesondere glasfaserverstärkt (
EP 1 110 010 B1 ).
Auf diese Weise ist eine wirksame Anbindung der aus diesen Werkstoffen
gebildeten Endbereiche A und B der Luftfederanordnung an die beiden
Joche gewährleistet.
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In
den beiden Ausführungsbeispielen
gemäß 2a, 2b und 3a, 3b bildet
der den Deckel zugewandte Endbereich A die Anbindung an das Joch
des Scherenlenksystems, während
der dem Abrollkolben zugewandte Endbereich B die Anbindung an das
Joch des Kniehebelsystems übernimmt.
Dies ist die übliche
Konstellation. Aber auch eine Umkehrkonzeption ist möglich. So
ist im Fahrzeugbau der Deckel einer Luftfederanordnung zumeist mit
der Karosserie verbunden, während
der Abrollkolben bzw. ein Dämpferbaubeil
mit einer Fahrwerksanbindung versehen ist. Jedoch werden zunehmend
auch hier Luftfederanordnungen mit einer Deckelanbindung am Fahrwerk
sowie einer Abrollkolbenanbindung an die Karosserie eingesetzt.
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- 1
- Fahrersitz
- 2
- Federvorrichtung
- 3
- Federvorrichtung
- 4
- Oberbau
- 5
- Unterbau
- 6
- Scherenlenker
(Scherenlenkersystem)
- 7
- Lenker
- 8
- Befestigungs-
und Gelenkposition
- 9
- Gleitschiene
- 10
- Befestigungs-
und Gleitposition
- 11
- Lenker
- 12
- Kniehebel
(Kniehebelsystem)
- 13
- Befestigungs-
und Gelenkposition
- 14
- Luftfederanordnung
- 15
- Luftfederbalg
- 16
- Deckel
- 17
- Abrollkolben
(Tauchkolben)
- 18
- freie
Außenfläche (Abrollfläche)
- 19
- Außenführung
- 20
- hydraulischer
Schwingungsdämpfer
- 21
- Gehäuse
- 22
- Schlaufe
(Rollfalte)
- 23
- Federvorrichtung
- 24
- Luftfederanordnung
- 25
- Gasdämpfer
- 26
- Deckel
(Luftfedertopf)
- 27
- Gehäuse
- 28
- Abrollkolben
(Tauchkolben)
- 29
- freie
Außenfläche (Abrollfläche)
- 30
- Luftfederbalg
- 31
- Durchmessererwreiterung
des Abrollkolbens
- 32
- Schlaufe
(Rollfalte)
- A
- Endbereich
der Luftfederanordnung
- B
- Endbereich
der Luftfederanordnung
- H
- maximaler
Höhenabstand
- H'
- geringster
Höhenabstand
- S
- weitester
Abstand der Joche
- S'
- kürzester
Abstand der Joche
- X
- Kreuzungs-
und mittlerer Gelenkpunkt des Scherenlenkersystems
- Y
- mittlerer
Gelenkpunkt des Kniehebelsystems
- Z
- Quermittenebene