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Die Erfindung betrifft eine Luftfeder mit einem Luftfederkolben, einem Luftfederdeckel und einem Luftfederbalg aus elastomerem Material mit in das elastomere Material eingebetteten Festigkeitsträgern, bei der der Luftfederbalg eine elektrische Leitfähigkeit aufweist.
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Luftfedern sind häufig beispielsweise in Schienen- oder Straßenfahrzeugen, insbesondere in Lastkraftwagen im Einsatz. Der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise von Luftfedem sind dem Fachmann daher bekannt.
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Je nach Anwendung kann es erforderlich sein, den Luftfederbalg mit einer elektrischen Leitfähigkeit auszustatten. Die elektrische Leitfähigkeit lässt sich beispielsweise durch den Einsatz von Stahlcord als Festigkeitsträger realisieren. Stahlcord ist jedoch verhältnismäßig teuer und lässt sich nicht besonders gut verarbeiten. Des Weiteren ist Stahlcord nicht sehr dehnbar und haftet auch nicht sehr gut am Gummi. Die Balgwand kann auch nur als Ganzes leitfähig gemacht werden.
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Um die Leitfähigkeit der Balgwand einer Luftfeder zu erreichen, können auch leitfähige Zusatzstoffe in der Gummimischung verwendet werden, wie z.B. Ruß oder Kohlefasern. Auch von sich aus leitfähige Elastomere können zum Einsatz kommen. Die spezifische Leitfähigkeit der Elastomere liegt jedoch um Größenordnungen niedriger als die Leitfähigkeit von Metallen. Auch kann durch den Einsatz von leitfähigen Zusatzstoffen wiederum nur die Balgwand als Ganzes leitfähig gemacht werden. Die elektrischen Eigenschaften des Produkts müssen außerdem vor der Produktion bereits durch die Wahl des Vormaterials festgelegt werden.
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Der Verschleiß des Luftfederbalges einer derartigen Luftfeder lässt sich am Fahrzeug bisher nur optisch beurteilen, was aufgrund der Einbauverhältnisse und des fehlenden Farbkontrastes der Luftfederbälge häufig sehr schwierig ist.
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In der
DE 103 25 624 B3 und der
DE 44 13 559 A1 sind Luftfedern der genannten Art offenbart, die elektrische Leiter im Luftfederbalg aufweisen, bei denen die Änderungen der elektrischen Eigenschaften der elektrischen Leiter im Luftfederbalg während des Betriebes als Signal für eine Höhenmessung genutzt werden.
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In der
DE 44 13 559 A1 werden in die Balgwand eingebettete metallische Leiter verwendet, was den Nachteil aufweist, dass diese in ihren mechanischen Eigenschaften deutlich vom Festigkeitsträgergewebe abweichen. Stahl haftet außerdem nicht optimal an der umgebenden Gummimatrix, so dass die Gefahr der Rissinitialisierung in der Balgwand durch diese Unterschiede gegeben ist.
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Bei der Luftfeder der
DE 103 25 624 B3 besteht das Festigkeitsträgergewebe selbst aus elektrisch leitfähigen Fasern bzw. aus mit elektrisch leitenden Schichten ausgerüsteten Fasern. Deshalb weichen die mechanischen Eigenschaften der elektrischen Leitern nicht vom Festigkeitsträgergewebe ab. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass hier die gesamte Balgwand als Ganzes leitfähig ist.
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Eine Sensierung des Verschleißzustandes des Luftfederbalges ist mit derartigen Anordnungen nicht erreichbar, da die leitfähigen Strukturen integraler Bestandteil des Luftfederbalges sind. Durch einen Abrieb der Balgwand bis auf die leitfähigen Strukturen würde die Luftfeder zerstören.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Luftfeder der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der eine kontinuierliche Erfassung des Verschleißzustandes im laufenden Betrieb möglich ist, ohne dass es zu einer vorzeitigen Zerstörung des Luftfederbalges kommt.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Luftfederbalg auf mindestens einer seiner radialen Mantelflächen eine sich über die gesamte mindestens eine Mantelfläche sich erstreckende Schicht aus einer textilen Struktur aufweist, die eine elektrisch leitende Leiterbahn oder mehrere unabhängig voneinander angeordnete jeweils für sich elektrisch leitfähige Leiterbahnen aufweist, wobei die elektrischen Eigenschaften der einen oder der mehreren Leiterbahnen durch mechanischen Verschleiß der textilen Struktur veränderbar und diese Veränderungen messbar sind.
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Eine derartige textile Struktur verändert das mechanische Verhalten des Balges bei entsprechender Auslegung nur wenig und lässt sich verhältnismäßig einfach mit elektrisch leitfähigen Leiterbahnen ausrüsten. Außerdem lässt sich die Verschleißbeständigkeit des Balges durch eine derartige textile Struktur verbessern.
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Der Verschleiß der textilen Struktur führt zu einem Abrieb der Leiterbahnen, was sich beispielsweise durch die Änderung des elektrischen Widerstandes der einzelnen Leiterbahnen bemerkbar macht. Diese Widerstandsänderungen sind dem Verschleiß der textilen Struktur proportional und lassen sich durch einfache elektrische Messmethoden kontinuierlich erfassen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die textile Struktur als ein textiles Gewirke ausgebildet.
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Gewirke haben den Vorteil, dass eine gute konstruktionsbedingte Dehnung der Struktur einstellbar ist. Damit kann sich die Schutzschicht im Einsatz den Verformungen des Luftfederbalges besonders gut anpassen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Gewirke als Kettwirkware aus einem ersten Garn aus Filamenten mit einem Modul von mehr als 5N/1000dtex, bezogen auf 5% Dehnung und einem zweiten Garn aus Filamenten mit einem Modul von weniger als 2cN/1000dtex, bezogen auf 5% Dehnung aufgebaut ist, wobei das erste und das zweite Garn jeweils ein zusammenhängendes Netzwerk bilden und die Garne nicht umeinander gedreht sind.
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Eine derartige elastische Kettwirkware, deren Dehnung nicht nur auf der Konstruktion des Gewirkes beruht, eignet sich gut für die Beschichtung von Luftfederbälgen, da die hohe Dehnbarkeit der Kettwirkware zu einer besonders guten Verformbarkeit führt und dadurch die Bewegungsfähigkeit des Luftfederbalges beim Abrollen auf dem Luftfederkolben nicht oder nicht nennenswert einschränkt. Der Aufbau aus zwei Garnen, von denen das eine elastisch, das andere nicht elastisch ist, gewährleistet eine gute Verarbeitbarkeit der Kettwirkware.
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In einer Weiterbildung der Erfindung liegen das erste und das zweite Garn mindestens teilweise gemeinsam in den Maschen.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die jeweils zusammenhängenden Netzwerke der Garne miteinander verbunden sind und so besser verarbeitbar sind. Dadurch, dass die Garne zwar mindestens teilweise in gemeinsamen Maschen liegen, aber dennoch voneinander unabhängige Netzwerke bilden, bleibt die Kettwirkware auch bei Zerstörung nur eines Netzwerkes, beispielsweise durch Abrieb, noch stabil und einsatzfähig.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das erste Garn aus Polyamidfilamenten aufgebaut.
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Polyamid weist eine gute Zugfestigkeit bei gleichzeitig guten Dehnungseigenschaften auf.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das erste Garn ein Polyamid 6 mit einem Titer zwischen 20 und 60 dtex.
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Ein derartiges Polyamid weist eine besonders für diesen Anwendungsfall besonders geeignete Zugfestigkeit bei gleichzeitig guten Dehnungseigenschaften auf.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das erste Garn aus Polyesterfilamenten aufgebaut.
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Polyester ist gegen die bei der Vulkanisierung der Luftfederbälge auftretenden Temperaturen besonders gut beständig und weist eine gute Haftfähigkeit zu der umgebenden Elastomermatrix auf.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das zweite Garn ein elastisches Polyurethan.
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Elastisches Polyurethan ist als elastisches Material gut geeignet, da es aufgrund seiner hohen Elastizität im Betrieb der Luftfeder die unterschiedlichen Dehnungen des Luftfederbalges nur wenig behindert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das zweite Garn ein Elasthan mit einem Gesamttiter von 20 bis 60 dtex.
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Diese Garnart hat sich in Versuchen als besonders vorteilhaft für die Verarbeitbarkeit und die Lebensdauer der Luftfederbälge herausgestellt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Kettwirkware mit zwei Legeschienen nach folgendem Muster gewirkt, nämlich
- - Legeschiene 1 mit elastischem Garn in geschlossener Tuchbindung der Abfolge 1-0-1/1-2-1 und
- - Legeschiene 2 mit nicht elastischem Garn in geschlossener Trikotbindung der Abfolge 2-3-2/1-0-1
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Kettwirkware in gegenlegiger Konstruktion aufgebaut.
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Bei deiner derartigen Kettwirkware sind 4 Auflegearten möglich, nämlich Garn 1 oder Garn 2 außen und Wirkrichtung in Richtung der Hauptachse der Luftfeder oder Wirkrichtung senkrecht zur Richtung der Hauptachse der Luftfeder. Von diesen 4 Kombinationen erwies sich das Auflegen in Wirkrichtung nicht nur ökonomisch günstiger sondern auch in dynamischer Haltbarkeit als besser. Die außen liegenden Polyamidfasern schützen das Netzwerk besser von Abrieb. Senkrecht zur Wirkrichtung liegendes Textil hat den Nachteil dass in der Rollfalte der Bälge lange Garne in Richtung der Hauptachse der Luftfeder, nämlich in der Rollfalte parallel zur Hauptachse der Luftfeder liegen und frühzeitig dynamisch brechen. In Wirkrichtung verlegtes Gewebe verhält sich dynamisch besser, da nur ganz kurze Garnstücke in Richtung der Hauptachse der Luftfeder verlaufen und damit die Kettwirkware dynamisch stabiler ist. Die gegenlegige Konstruktion hat dabei den Vorteil, dass sich die Kettwirkware bei der Verarbeitung weniger verzieht.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein erstes Garn der Kettwirkware mit einer elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet.
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Durch die Konstruktion der Kettwirkware und die Verwendung elektrisch leitfähig beschichteter Fäden ist es möglich, mehrere unabhängig voneinander angeordnete Leiterbahnen in der Kettwirkware zu konstruieren, in dem sich beim ersten Garn jeweils ein elektrisch leitfähig beschichtetes erstes Garn mit einem nicht-leitfähigen ersten Garn abwechselt.
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Durch die Konstruktion des Gewirkes ist es möglich, die leitfähigen bzw. leitfähig beschichteten Garne im Wesentlichen auf nur einer der beiden Mantelflächen des Gewirkes und die zweiten Garne im Wesentlichen nur auf der gegenüberliegenden Mantelfläche des Gewirkes verlaufen zu lassen. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass die elektrisch leitfähigen Schichten der ersten Garne der Kettwirkware auf der inneren Mantelfläche gut gegen Verschleiß geschützt sind. Liegen Sie auf der äußeren Mantelfläche, werden sie schneller abgerieben, die Ermittlung des Verschleißes wird empfindlicher. Dadurch ist es möglich, den Zeitpunkt des Verschleißbeginns der Leiterbahnen den jeweiligen Betriebserfordernissen gut anzupassen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Kettwirkware auf ihrer äußeren Mantelfläche mit einer Schutzschicht beschichtet.
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Eine derartige Schutzschicht, beispielsweise aus einem Resorcin-Formaldehyd-Latex, ermöglicht es, den Verschleißbeginn insbesondere bei außenliegenden Leiterbahnen noch genauer einzustellen. Ein verschleiß der Leiterbahnen wird erst messbar, wenn die Schutzschicht abgerieben ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine erste Garn der Kettwirkware mit einem Metall bedampft.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine erste Garn der Kettwirkware mit Silber bedampft.
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Eine metallische Beschichtung, insbesondere mit Silber, ermöglicht eine besonders gute Differenzierung des Verschleißzustandes, da die Leitfähigkeit einer derartigen Schicht besonders gut ist. Die Schichten sind besonders dünn, so dass bereits geringer Abrieb zu einer deutlichen Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Leiterbahnen führt.
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Die Messung des Verschleißzustandes erfolgt beispielsweise mit einer wheatstoneschen Brückenschaltung, wobei als Messgröße der elektrische Widerstand der Leiterbahnen dient. Durch geeignete elektronische Methoden, beispielsweise eine Multiplexerschaltung, lassen sich dabei auch eine Vielzahl von Leiterbahnen überwachen.
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Durch den Abrieb der elektrisch leitfähigen Schichten erhöht sich der elektrische Widerstand der Leiterbahnen, wobei die Erhöhung einer Verschleißzunahme des Luftfederbalges proportional ist. Ein vorbestimmter Grenzwert kann als Verschleißgrenze des Luftfederbalges dienen. Die Messwerte lassen sich in elektronisch aufbereiteter Form auch für eine kontinuierliche Verschleißanzeige im Armaturenbrett von Kraftfahrzeugen nutzen.
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Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Beispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt
- 1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Luftfeder mit einer Kettwirkware mit elektrisch leitfähigen Leiterbahnen als textile Schutzschicht auf der äußeren radialen Mantelfläche des Luftfederbalges,
- 2 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Kettwirkware mit einem ersten, elektrisch leitfähig beschichteten Garn als Leiterbahn und
- 3 ein Schaltbild einer Wheatstone-Brückenschaltung zur Messung des elektrischen Widerstandes der Leiterbahn.
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In der 1 ist eine Luftfeder 1 mit einem Rollbalg 2 dargestellt. Der Rollbalg 2 ist aus elastomerem Werkstoff gebildet und ist an seinem ersten axialen Ende an einem Luftfederdeckel 3 mittels eines Spannringes 4 gasdicht befestigt und an seinem zweiten axialen Ende an einem Luftfederkolben oder auch Abrollkolben 5 ebenfalls mit einem Spannring 6 gasdicht befestigt. Der Abrollkolben 5 ist dabei so angeordnet, dass er mit seinem dem zweiten Ende des Luftfederbalges 2 zugeordneten Ende in das Innere 7 des Luftfederbalges 2 hineinragt und der Luftfederbalg 2 in bekannter Weise eine Rollfalte 8 bildet, die sich bei Relativbewegungen zwischen Luftfederdeckel 3 und Abrollkolben 5 längs der Hauptachse der Luftfeder 1 auf der äußeren Mantelfläche 9 des Abrollkolbens 5 abrollt.
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Der Luftfederdeckel 3 ist an einer nicht genauer dargestellten Karosserie 10 und der Abrollkolben 5 an einem nicht genauer dargestellten Fahrwerksteil 11 eines nicht gezeigten Fahrzeuges befestigt.
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Der Luftfederbalg 2 weist auf seiner äußeren radialen Mantelfläche 12 eine textile Struktur 13 auf, die sich über die gesamte Mantelfläche 12 erstreckt. Die textile Struktur 13 ist aus einer Kettwirkware aufgebaut, die durch Vulkanisation mit dem elastomeren Werkstoff des Luftfederbalges 2 fest verbunden ist. Die hohe Dehnungsfähigkeit der textilen Struktur 13 ermöglicht eine gute Verformung der Struktur auch in der Rollfalte 8.
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In 2 ist die textile Struktur 13 in einer Ausschnittvergrößerung prinzipiell dargestellt.
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Die textile Struktur 13 ist als Kettwirkware aus ersten Garnen 14 aus Elasthan und zweiten Garnen 15 aus Polyamid gewirkt. Die Wirkrichtung 16 verläuft in dieser Darstellung vom unteren Rand der Figur zum oberen Rand der Figur und liegt parallel zur Hauptachse der Luftfeder 1. Die Darstellung zeigt, dass die erste Garne 14 nach einem Wirkmuster in geschlossener Tuchbindung der Abfolge 1-0-1/1-2-1 und die zweiten Garne 15 nach einem Wirkmuster in geschlossener Trikotbindung der Abfolge 2-3-2/1-0-1 gewirkt sind. Die Kettwirkware ist in eine hier nicht gezeigte Elastomermatrix aus peroxidisch vernetztem Ethylen-Propylen-Kautschuk eingebettet. In allen Maschen 17 der Kettwirkware 13 sind die Garne 14 und 15 zusammengewirkt. Die Garne 14 und 15 bilden jedoch jedes für sich ein geschlossenes Netzwerk, das unabhängig vom jeweils anderen Bestand hat.
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Ein erstes Garn 18 ist mit einer metallischen Oberflächenschicht aus Silber bedampft und bildet innerhalb der ansonsten nicht elektrisch leitenden Kettwirkware 13 eine in Wirkrichtung 16 durchgehende Leiterbahn 19. Diese Leiterbahn 19 lässt sich über geeignete, hier nicht gezeigte Anschlüsse mit einer Messeinrichtung verbinden, die in 3 gezeigt ist.
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Die in 3 als Schaltbild gezeigte Messeinrichtung 20 ist eine wheatstonesche Brückenschaltung, die zur Messung des elektrischen Widerstandes bzw. der Veränderung des elektrischen Widerstandes von elektrischen Leitern dient. In zwei Zweigen 21 und 22 der Brücke 20 sind jeweils zwei Widerstände 23, 26 und 24, 25 in Reihe geschaltet und die Speisespannung liegt an den parallelen Zweigen zwischen den Einleitungspunkten 28 und 29 an. Die Brücke ist abgeglichen, d.h. eine Ausgangsspannung zwischen den Abgreifpunkten 31 und 32 ist gleich Null, wenn das Verhältnis der Widerstände 23 und 26 sowie 24 und 25 in den beiden Zweigen der Brücke gleich ist, d.h. Verhältnis aus Widerstand 23 zu 24 ist gleich Verhältnis aus Widerstand 25 zu 26 . Sobald sich ein Widerstand ändert, wird die Brücke verstimmt und die Ausgangspannung zwischen den Abgreifpunkten 31 und 32 ändert sich. Im vorliegenden Fall ist der Widerstand 26 der elektrische Widerstand der Leiterbahn 19 der Kettwirkware 13. Bei kleinen Änderungen des Widerstandes 26 folgt die Ausgangsspannung zwischen den Abgreifpunkten 31 und 32 linear und lässt sich mit einem einfachen Spannungsmessgerät 34 erfassen. Werden die Änderungen des Widerstandes 26 größer und folgt damit die Ausgangsspannung zwischen den Abgreifpunkten 31 und 32 dieser Änderung nicht mehr linear, ist die Änderung mittels einer digitalen Auswerteeinheit 35 bestimmbar.
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Die gemessenen Werte lassen sich in geeignet aufbereiteter Form in einer hier nicht gezeigte Kontrolleinheit überwachen.
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Bezugszeichenliste
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(Teil der Beschreibung)
- 1
- Luftfeder
- 2
- Luftfederbalg
- 3
- Luftfederdeckel
- 4
- Spannring
- 5
- Abrollkolben / Luftfederkolben
- 6
- Spannring
- 7
- Innenraum des Balges 2
- 8
- Rollfalte
- 9
- Mantelfläche des Kolbens 5
- 10
- Karosserie
- 11
- Fahrwerksteil
- 12
- äußere radiale Mantelfläche des Balges 2
- 13
- textile Struktur / Kettwirkware
- 14
- Elasthangarn
- 15
- Polyamidgarn
- 16
- Wirkrichtung
- 17
- Maschen der Kettwirkware 13
- 18
- beschichtetes erstes Garn
- 19
- durchgehende Leiterbahn
- 20
- Messeinrichtung /Wheatstonesche Brücke
- 21, 22
- Messzweige der Brücke 20
- 23, 24, 25
- Widerstände der Brücke 20
- 26
- Widerstand der Leiterbahn 19
- 28, 29
- Einleitungspunkte für eine Eingangsspannung
- 31, 32
- Abgreifpunkte für eine Ausgangsspannung
- 34
- Spannungsmessgerät
- 35
- digitale Auswerteeinheit
