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Die Erfindung betrifft eine Luftfeder für eine Niveauregelanlage eines Kraftfahrzeuges mit
- - einem oberen und einem unteren Endteil,
- - einem druckdicht dazwischen eingespannten, flexiblen, aus elastomerem Material bestehenden, schlauchförmigen Balg, der von axial innen nach axial außen zumindest die folgenden Lagen enthält:
- - eine erste Lage aus elastomerem Material,
- - eine zweite Lage aus elastomerem Material, die Festigkeitsträger enthält,
- - eine dritte Lage aus elastomerem Material.
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Luftfedern für eine Niveauregelanlage eines Kraftfahrzeuges, deren schlauchförmiger Balg aus mehreren Lagen besteht, sind aus dem Stand der Technik, z.B. der
DE 197 38 468 A1 und der
WO 2004/ 018 895 A1 , seit langem bekannt. Derartige Luftfedern wurden in einem Kraftfahrzeug bisher hauptsächlich dazu verwendet, den Fahrzeugaufbau gegenüber den Rädern zu federn. In diesem Fall können im Bereich einer Luftfeder aufgrund der Nähe einer Bremsscheibe und möglicherweise aufgrund der Nähe des Motors erhöhte Temperaturen entstehen. Den erhöhten Temperaturen halten moderne Luftfedern stand, solange in ihnen nur ein geringer Innendruck bis maximal 20 bar vorliegt. In modernen Kraftfahrzeugen sollen die Luftfedern jedoch neben der Federung des Fahrzeugaufbaus auch zur Dämpfung der Schwingungen des Fahrzeugaufbaus mit Hilfe der Luft in ihnen eingesetzt werden. Hierbei wird die Schwingungsenergie in der Luftfeder in Wärme umgewandelt, so dass die Temperatur im Inneren der Luftfeder gegenüber einer herkömmlichen Luftfeder nochmals ansteigen kann. Darüber hinaus ist eine wirksame Luftdämpfung bei den üblichen Bauraumverhältnissen nur möglich, wenn die Bälge der Luftfedern unter hohem Innendruck von 30 bar und mehr stehen. Es kann in einer Luftfeder, die gleichzeitig zur Dämpfung herangezogen wird, also dazu kommen, dass auf den schlauchförmigen Balg gleichzeitig eine hohe Temperatur und ein hoher Innendruck einwirken. Es hat sich gezeigt, dass eine Luftfeder der eingangs genannten Art diesen Randbedingungen auf Dauer nicht standhält. So kann es aufgrund des hohen Innendruckes in der Luftfeder dazu kommen, dass bei hohen Temperaturen das aufgeweichte Material der ersten Lage durch die Festigkeitsträger in der zweiten Lage hindurchgedrückt wird. Dies kann auf Dauer zu Luftundichtigkeiten in dem schlauchförmigen Balg der Luftfeder führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Luftfeder und einen schlauchförmigen Balg aus elastomerem Material für eine Luftfeder zu schaffen, bei der der Balg gleichzeitig einer hohen Temperatur und einem hohen Innendruck standhält.
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Gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 8 wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die erste Lage zwei Teillagen aus elastomerem Material enthält, wobei die radial äußere Teillage, im Folgenden Faserlage genannt, mit einer Matrix aus Fasern verstärkt ist.
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Die Fasern werden vorzugsweise direkt bei der Herstellung der radial äußeren Teillage in das Elastomer dieser Lage eingemischt.
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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil ist darin zu sehen, dass der schlauchförmige Balg der Luftfeder gleichzeitig hohen Innendrücken von 30 bar und mehr und hohen Temperaturen von 80 °C und mehr standhalten kann. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Elastomer der Faserlage, das mit den Fasern vermischt ist, nur unter sehr großem Kraftaufwand durch die Zwischenräume in der Festigkeitsträgerlage (dies ist die zweite Lage) hindurchgedrückt werden kann, da die Fasern die Zwischenräume „verstopfen“. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die dynamischen Eigenschaften der ersten Lage und damit des schlauchförmigen Balges trotz der Faserlage weitestgehend erhalten bleiben. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich die einzelnen Fasern in der Faserlage bei einer dynamischen Belastung des Balges in Längsrichtung der Luftfeder gegeneinander verschieben und aneinander „vorbeischieben“ können. Gleichzeitig kann die radiale innere Oberfläche der Faserlage zur Abdichtung des schlauchförmigen Balges auf einfache Art und Weise mit einer luftdichten Schicht versehen werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 sind die Fasern weitestgehend homogen in der Faserlage verteilt. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass bei einem hohen Innendruck in den Luftfedern sämtliche Zwischenräume zwischen den Festigkeitsträgern in der Festigkeitsträgerlage durch die Fasern „verstopft“ werden, so dass die Luftdichtigkeit des Balges über seine gesamte Länge gewährleistet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 kommen in der Faserlage auf 100 Gewichtsteile des Kautschuks in dem elastomeren Material 5 - 20 Gewichtsteile der Fasern (in die Faserlage kommt also eine Menge an Fasern von 5 - 20 phr). Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass sich die Härte der Faserlage durch die genannte Menge an Fasern bereits so stark steigern lässt, dass die erhöhten Anforderungen an Temperaturbeständigkeit und Druckbeständigkeit erfüllt werden können. Gleichzeitig werden die dynamischen Eigenschaften der Faserlage nicht zu stark negativ beeinflusst, da sich aufgrund der hinzugefügten Fasern das Elastizitätsmodul der Faserlage nur geringfügig erhöht.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 ist die Oberfläche der Fasern mit einem Haftvermittler versehen. Als Haftvermittler kann z.B. ein RFL-Dip verwendet werden. Aufgrund des Haftvermittlers verbinden sich die Fasern gut mit dem umliegenden elastomeren Material der Faserlage. Mit der Weiterbildung wird der Vorteil erreicht, dass dauerhaft eine homogene Verteilung der Fasern in der Faserlage und damit dauerhaft eine Funktionstüchtigkeit der Faserlage gewährleistet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 bestehen die Fasern aus Cellulose. Als Cellulose können z.B. Baumwollfasern, Flachsfasern oder Zellstofffasern Gewählt werden. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass CelluloseFasern preiswert sind und sich gut mit einem Haftvermittler versehen lassen.
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Gemäß einer Weiterbildung der ersten Erfindung nach Anspruch 6 ist die radial innere Teillage der ersten Lage eine luftdichte und temperaturbeständige Lage, die im Vergleich zu der Faserlage eine (vorzugsweise wesentlich) geringere Härte aufweist. Eine wesentlich geringe Härte im Sinne ist dann gegeben, wenn die Shore-Härte der radial inneren Teillage mindestens 10 % geringer ist als die Shore-Härte der Faserlage. Der Vorteil der Weiterbildung ist darin zu sehen, dass die radial innere Teillage ausschließlich im Hinblick auf Luftdichtigkeit und Temperaturbeständigkeit ausgelegt werden kann. Die mechanischen Eigenschaften brauchen nicht berücksichtigt zu werden, da die mechanische Beständigkeit der ersten Lage auch bei hoher Temperatur und hohem Innendruck durch die Faserlage herbeigeführt wird. Es ist deshalb möglich, die radial innere Teillage gezielt auf Luftdichtigkeit und Temperaturbeständigkeit zu spezialisieren. Ein Kompromiss im Hinblick auf zusätzlich notwendige mechanische Eigenschaften dieser Teillage ist nicht notwendig.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 enthält die zweite Teillage von axial innen nach axial außen zumindest die folgenden Lagen:
- - eine erste Lage mit Festigkeitsträgern,
- - eine Zwischenlage aus elastomerem Material,
- - eine zweite Lage mit Festigkeitsträgern.
Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass die Festigkeitsträger in der ersten Lage einen bestimmten Winkel zur Längsachse der Luftfeder einnehmen können und in der zweiten Lage die Festigkeitsträger einen entgegengesetzt orientierten, vom Betrag her gleichen Winkel zur Längsachse der Luftfeder einnehmen können, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass durch die Festigkeitsträger in der zweiten Lage eine Art „engmaschiges Netz“ entsteht, durch das die Fasern der Faserlage auch bei hohem Innendruck in der Luftfeder nur unter sehr hohem Kraftaufwand hindurchzudrücken sind (das „engmaschige Netz“ wird durch die Fasern frühzeitig „verstopft“).
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Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit den nachstehenden Figuren erläutert, darin zeigt:
- 1 eine Luftfeder in schematischer Darstellung,
- 2 einen Ausschnitt aus 1,
- 3 einen Ausschnitt aus 2.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Luftfeder 4 mit einem oberen Endteil 6 in Form eines Luftfederdeckels 6 und einem unteren Endteil 8 in Form eines Abrollkolbens 8. Zwischen dem Luftfederdeckel 6 und dem Abrollkolben 8 ist luftdicht ein schlauchförmiger Balg 10 mit Hilfe von Spannringen 12 und 14 eingespannt. An seinem unteren Ende ist der Balg 10 unter Ausbildung einer Abrollfalte an dem Abrollkolben 8 befestigt. Der schlauchförmige Balg 10 besteht aus einem flexiblen, elastomeren Material. Der Balg 10 ist von einer Außenführung 22 umschlossen, welche radiale Kräfte aufnehmen kann.
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2 zeigt den in der 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Balges 10 in Vergrößerung und im Querschnitt (die Außenführung 22 ist nicht gezeigt). Der schlauchförmige Balg 10 besteht von axial innen (diese Seite ist in der 2 mit „i“ bezeichnet) nach radial außen (diese Seite ist in der 2 mit „a“ bezeichnet) aus den folgenden Lagen (vom „Innenraum der Luftfeder in radialer Richtung zum „Außenraum“ der Luftfeder betrachtet), die jeweils direkt aneinander grenzen:
- - eine erste Lage 1 aus elastomerem Material,
- - eine zweite Lage 2 aus elastomerem Material, die Festigkeitsträger 16 enthält,
- - eine dritte Lage 3 aus elastomerem Material.
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Die erste Lage 1 besteht aus zwei Teillagen 1a, 1b aus elastomerem Material, wobei die radial äußere Teillage 1b, im Folgenden Faserlage 1b genannt, mit einer Matrix aus Fasern 18 verstärkt ist. Die einzelnen Fasern 18 sind als kleine Schnipsel oder Klumpen ausgebildet und homogen in der Faserlage 1b verteilt. Wenn in dem Luftvolumen der Luftfeder 4, das von dem Balg 10 luftdicht umschlossen wird (siehe 1) ein hoher Innenluftdruck herrscht, so wird auf die Teillage la und auf den Balg 10 insgesamt ein hoher Druck und somit eine hohe radiale Kraft (da der Außenluftdruck sehr viel kleiner ist) ausgeübt. Herrscht in dem Luftvolumen gleichzeitig eine hohe Temperatur, so kann es dazu kommen, dass die erste Lage 1 in axialer Richtung gegen die zweite Lage 2 gedrückt wird. Hierbei „verstopfen“ die Fasern 18 die Zwischenräume zwischen den einzelnen
Festigkeitsträgern 16 (ähnlich wie Blätter ein Sieb verstopfen können), so dass eine hohe Druckfestigkeit und Temperaturbeständigkeit des Balges 10 gegeben ist.
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Auf 100 Gewichtsteile des Kautschuks in dem elastomeren Material der Faserlage 1b kommen 5 - 20 Gewichtsteile der Fasern 18. Die Fasern 18 bestehen z.B. aus Cellulose, z.B.
aus Baumwollfasern, Flachsfasern oder Zellstofffasern und sind auf ihrer Oberfläche mit einem Haftvermittler, z.B. RFL-Dip versehen.
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Die Teillage la ist als luftdichte und temperaturbeständige Lage ausgebildet, die im Vergleich mit der Faserlage 1b eine wesentlich geringere Härte aufweist. Die Teillage la kann z.B. während der Herstellung des Balges 10 auf die Teillage 1b aufgestrichen werden. Alternativ ist es möglich, die Teillagen 1a und 1b als separate Lagen auszubilden, die während der Herstellung des Balges 10 aufeinandergelegt werden und durch Vulkanisation miteinander verbunden werden.
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Die Lage 2 besteht von axial innen nach axial außen gesehen aus den folgenden Teillagen:
- - eine erste Teillage 2a mit Festigkeitsträgern 16,
- - eine Zwischenlage 2b aus elastomerem Material,
- - eine zweite Teillage 2c mit Festigkeitsträgern 16.
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Die 3 zeigt in schematischer Darstellung, wie die Festigkeitsträger 16 in den Teillagen 2a, 2c (siehe auch 2) liegen. Die Festigkeitsträger 16 in der Teillage 2a nehmen zu der Längsachse 20 der Luftfeder 6 (siehe auch 1) einen Winkel α ein. Die Festigkeitsträger 16 in der Teillage 2c nehmen zu der Längsachse 20 einen Winkel β ein, der den gleichen Betrag hat wie der Winkel α, jedoch bezüglich der Längsachse 20 das entgegengesetzte Vorzeichen hat. Durch die Ausrichtung der Festigkeitsträger 16 in den Teillagen 2a, 2c entsteht in der Lage 2 eine Art „engmaschiges Netz“. Die „Maschen“ dieses Netzes werden durch die Fasern 18 (siehe 2) schnell verstopft, wenn auf den Balg 10 ein hoher Luftinnendruck wirkt. Infolgedessen kann auch bei einer hohen Temperatur im Innern der Luftfeder kein elastomeres Material aus der Lage 1 (siehe 2) durch die Festigkeitsträger 16 hindurch nach radial außen gedrückt werden. Somit ist eine hohe Dichtigkeit des Balges 10 gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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(Teil der Beschreibung)
- 1
- erste Lage
- 2
- zweite Lage
- 3
- dritte Lage
- 4
- Luftfeder
- 6
- oberes Endteil
- 8
- unteres Endteil
- 10
- Balg
- 12
- Klemmring
- 14
- Klemmring
- 16
- Festigkeitsträger
- 18
- Fasern
- 20
- Längsachse
- 22
- Außenführung
