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Die Erfindung betrifft ein Federelement, das ein erstes Federband mit wellenförmigem Verlauf und ein zweites Federband mit wellenförmigem Verlauf aufweist. Derartige Federelemente kommen insbesondere in einer Feder-Dämpfer-Anordnung für ein Kraftfahrzeug zum Einsatz, wobei jeweils zwei solcher Feder-Dämpfer-Anordnungen gemeinsam eine Achse des Kraftfahrzeugs gegenüber der Karosserie abstützen.
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Bekannte Feder-Dämpfer-Anordnungen mit zylindrischen Schraubenfedern haben aufgrund ihrer Auslegung zur Aufnahme beträchtlicher Kräfte entsprechend große Durchmesser, so dass die Radhäuser zur Aufnahme solcher Feder-Dämpfer-Anordnungen große Abmessungen aufweisen und damit die nutzbare Breite des Kofferraums bzw. des Motorraums beschränken.
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Aus der
DE 199 62 026 A1 ist ein Federelement für eine Feder-Dämpfer-Anordnung bekannt, das aus zwei wellenförmigen Federelementhälften gebildet ist, die zum Dämpferelement spiegelbildlich angeordnet sind. Die Wellenzüge der beiden Federelementhälften verlaufen mit Abstand parallel zueinander und sind an ihren Endabschnitten miteinander und mit dem Dämpferelement verbunden.
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Aus der
US 2007/0 267 792 A1 sind Federelemente bekannt, die zwei einander gegenüberliegende wellenförmige Federbänder umfassen, zwischen denen ein Dämpferelement angeordnet ist. Dabei ist ein erstes der Federbänder, das eine geringere Anzahl von Wellen aufweist und an den Enden mit dem Dämpferelement verbunden ist, für geringe bis mittlere Lasten ausgelegt. Das zweite der Federbänder, das eine größere Anzahl von Wellen hat und nur mit dem unteren Ende mit dem Dämpferelement verbunden ist, ist für hohe Lasten ausgelegt.
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Aus der
DE 10 2008 006 411 A1 der Anmelderin ist eine Bandfeder aus Verbundmaterial mit doppelwellenförmigem Verlauf bekannt. Die Bandfeder umfasst ein wellenförmiges erstes Federband und ein wellenförmiges zweites Federband, die parallel zueinander angeordnet sind und an ihren innenliegenden Umkehrabschnitten ihrer Wellenzüge fest miteinander verbunden sind. In den Umkehrabschnitten sind Durchgangslöcher gebildet, durch die ein rohrförmiges Dämpferelement hindurchgesteckt werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Federelement, insbesondere für eine Feder-Dämpfer-Anordnung, vorzuschlagen, das günstige, insbesondere nur eindimensionale Belastungsverhältnisse im Einsatz und damit eine hohe Lebensdauer aufweist und das eine hohe seitliche Stabilität bietet. Des Weiteren soll das Federelement einen kompakten Aufbau haben und einfach herstellbar sein.
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Die Lösung besteht in einem Federelement umfassend ein erstes Federband mit wellenförmigem Verlauf um eine erste Federmittellinie L1 und ein zweites Federband mit wellenförmigem Verlauf um eine zweite Federmittellinie L2, wobei das erste Federband und das zweite Federband in Bezug auf eine gedachte Fläche M wellenförmig ausgebildet sind, welche durch die erste Federmittellinie L1 und die zweite Federmittellinie L2 aufgespannt ist, wobei die Federbänder in Richtung ihrer Breite B mit Abstand zueinander angeordnet sind und wobei das erste Federband und das zweite Federband mittels zumindest zweier Verbindungsstege miteinander fest verbunden sind.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Federelements besteht darin, dass die beiden Federbänder durch ihre wellenförmige Gestalt nur eindimensional belastet werden. Insbesondere treten hauptsächlich Zug- und Druckkräfte auf, welche zu einer reinen Biegebelastung der beiden Federbänder führen. Dies wird dadurch erreicht, dass das erste und das zweite Federband mit ihren Wellenzügen um die durch die beiden Federmittellinien L1 und L2 aufgespannte Fläche mäandrieren oder, mit anderen Worten, dass die beiden Federbänder wellenförmig um die Fläche M verlaufen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich das Federelement einfach aus zwei separaten Federbändern herstellen lässt. Es ergibt sich eine günstige Materialausnutzung und eine gute Anpassbarkeit der Federgestalt an die Bauraumverhältnisse für die Feder-Dämpfer-Anordnung.
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Die Bezeichnung „Federband” ist insbesondere so zu verstehen, dass die Dicke H der Feder um ein Vielfaches kleiner ist als die Breite B der Feder, die wiederum um ein Vielfaches kleiner ist als die Länge L der Feder. Vorzugsweise sind die beiden Federbänder unmittelbar miteinander verbunden. Hiermit ist gemeint, dass die beiden Federbänder bei der Herstellung untrennbar miteinander verbunden werden, bzw. nicht zerstörungsfrei trennbar sind. Dies kann beispielsweise durch stoffschlüssige Verbindung erfolgen, beispielsweise mittels Kleben oder Schweißen. Eine homogene Struktur wird dadurch erreicht, dass das Federelement einteilig hergestellt ist, vorzugsweise aus einem einheitlichen Material. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die beiden Federbänder mittels zumindest zweier Verbindungsstege miteinander verbunden sind, die die beiden Federbänder mit Abstand zueinander halten. Dabei können die zumindest zwei Verbindungsstege einteilig mit den Federbändern gestaltet sein, oder zunächst separat hergestellt und nachträglich mit den Federbändern unmittelbar fest verbunden werden.
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Das erfindungsgemäße Federelement ist vielseitig einsetzbar, insbesondere für Radaufhängungen eines Kraftfahrzeugs. Dabei kann das Federelement sowohl bei halbstarren Achsen als auch bei starren Achsen und auch bei Einzelradaufhängungen zum Einsatz kommen. Insbesondere eignet sich das Federelement als Teil einer Feder-Dämpfer-Anordnung, die dazu dient, das Fahrzeugrad gegenüber der Karosserie abzustützen. Dabei kann ein Dämpferelement in dem zwischen den zwei benachbarten Federbändern des Federelements gebildeten Zwischenraum aufgenommen werden.
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Erfindungsgemäß sind zwei Federbänder vorgesehen, die in Querrichtung ihrer Wellen, das heißt in Richtung der Breite B, mit Abstand zueinander angeordnet sind. Es ist jedoch für spezielle Anwendungen auch denkbar, drei oder mehr Federbänder vorzusehen, die unmittelbar miteinander fest verbunden sind. Beispielsweise kann das Federelement auch zwei Paare von Federbändern umfassen, die fest miteinander verbunden sind, wobei zwischen den beiden Paaren von Federbändern ein Dämpferelement aufgenommen werden kann. Sofern vorliegend demnach von zwei Federbändern die Rede ist, ist dies im Sinne von zumindest zwei zu verstehen.
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Die beiden Federbänder umfassen jeweils mehrere vollständige Wellen, wobei eine sämtliche Maxima der Wellen verbindende erste Begrenzungslinie G1 und eine sämtliche Minima der Wellen verbindende zweite Begrenzungslinie G2 den Wellenzug seitlich begrenzen. Die Federmittellinien L1 und L2 sind als Mittellinien zwischen den Begrenzungslinien G1 und G2 des jeweiligen Federbandes definiert. Dabei entsprechen die Federmittellinien L1 und L2 etwa der Kraftwirkung bei Einleitung einer Kraft in das Federelement bzw. die beiden Federbänder. Die beiden Federmittellinien sind immer äquidistant und deckungsgleich zueinander. In Bezug auf die übliche Achsdefinition des Kraftfahrzeugs, nach der die X-Achse die Längsachse, die Y-Achse die Querachse und die Z-Achse die Hochachse des Kraftfahrzeugs bildet, liegen die Federmittellinien L1 und L2 in Ebenen, die etwa parallel zur Y-Z-Ebene verlaufen.
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Nach einer ersten Möglichkeit können die beiden Federmittellinien L1 und L2 parallel zueinander ausgerichtet sein, so dass die von den beiden Federmittellinien L1 und L2 aufgespannte Fläche M eine Ebene ist. Nach einer zweiten Möglichkeit können die beiden Federmittellinien L1 und L2 auch bogenförmig gekrümmt sein, insbesondere eine C-förmige Krümmung aufweisen. Bei dieser Ausgestaltung ist die gedachte Fläche M, welche von den beiden Federmittellinien L1 und L2 aufgespannt wird, eine eindimensional gekrümmte Schale. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, dass die beiden Federmittellinien L1 und L2 S-förmig gekrümmt sind. Dabei spannen die beiden S-förmig gekrümmten Federmittellinien L1 und L2 eine wellenförmige Mittelfläche M des Federelements auf. Es ist selbstverständlich nach einer weiteren Möglichkeit auch denkbar, dass die erste und die zweite Federmittellinie L1 und L2 einen gekrümmten Verlauf haben, der sich aus einer Überlagerung einer bogenförmigen und einer S-förmigen Kurve ergibt.
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Eine für den Kraftverlauf in den einzelnen Federbändern und für die Fertigung besonders günstige Ausgestaltung wird dadurch erreicht, dass das erste Federband und das zweite Federband gleich gestaltet sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass die beiden Federbänder in Bezug auf eine zwischen diesen liegende Symmetrieebene S, die vorzugsweise etwa parallel zur Y-Z-Ebene verläuft, spiegelsymmetrisch gestaltet sind. Dabei ist sowohl denkbar, dass die beiden Federbänder mit gleicher Phase um die durch die beiden Federmittellinien aufgespannte Fläche M angeordnet sind („oszillieren”), oder auch mit Phasenversatz. Die Anzahl der Welleneinheiten, die insgesamt zwei Umkehrabschnitte und zwei Zwischenabschnitte umfassen, beträgt vorzugsweise n + ½, wobei n eine ganze Zahl ist. Durch diese Ausgestaltung wird eine günstige Krafteinleitung in das Federelement erreicht. Es ist jedoch auch möglich, dass die Anzahl der Welleneinheiten der Federbänder n beträgt.
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Es können zwei oder mehr Verbindungsstege vorgesehen sein, welche die beiden einander gegenüberliegenden Federbänder miteinander verbinden. Für die Krafteinleitung und Stabilität des Federelements ist es vorteilhaft, wenn die beiden Federbänder an ihren beiden Endabschnitten miteinander verbunden sind. Dabei bilden die beiden miteinander verbundenen Endabschnitte mit dem Verbindungssteg eine gemeinsame Stützfläche zur Auflage auf einem formangepassten Federteller. Vorzugsweise haben die Verbindungsstege, welche die beiden Endabschnitte der einander gegenüberliegenden Federbänder miteinander verbindet, eine erhöhte Dicke. Hiermit wird der Verschleiß im Bereich der Krafteinleitung reduziert und die Lebensdauer des Federelements insgesamt erhöht. Eine für die Festigkeit des Federelements besonders günstige Form wird dadurch erreicht, dass die Oberfläche der Verbindungsstege in Seitenansicht auf den Wellenzug der Federbänder gegenüber einer Senkrechten zur Federmittellinie winklig verläuft.
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Vorzugsweise ist zwischen dem ersten und dem zweiten Federband in Aufsicht auf die gedachte Fläche M, die von den beiden Federmittellinien L1 und L2 aufgespannt wird, eine längliche Ausnehmung gebildet, die von einer inneren Kante des ersten Federbands und von einer inneren Kante des zweiten Federbands seitlich begrenzt wird. Die so gebildete zumindest eine Ausnehmung stellt, in Draufsicht auf das Federelement, das heißt etwa in Z-Achsrichtung, eine Durchgangsöffnung dar, in die ein Dämpferelement eingeführt wird. Es ist nach einer ersten Möglichkeit vorgesehen, dass die beiden inneren Kanten der einander gegenüberliegenden Federbänder parallel zueinander bzw. zur Z-Y-Ebene verlaufen. Dabei sind die äußeren Kanten der beiden Federbänder in Draufsicht auf die gedachte Fläche M vorzugsweise wellenförmig gestaltet, wobei die äußeren Kanten insbesondere im Bereich der Übergangsabschnitte nach außen gewölbt sind und im Bereich der Verbindungsabschnitte nach innen gewölbt sind. Nach einer zweiten Möglichkeit sind die inneren Kanten der einander gegenüber liegenden Federbänder wellenförmig gestaltet, so dass sich auch an den Außenkanten der beiden Federbänder ein entsprechender wellenförmiger Verlauf ergibt.
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Das erste und das zweite Federband lassen sich jeweils auch als Wellenzug definieren, der jeweils mehrere Umkehrabschnitte und jeweils zwei benachbarte Umkehrabschnitte miteinander verbindende Zwischenabschnitte aufweist. Eine hohe Federsteifigkeit wird dadurch erreicht, dass die Umkehrabschnitte jeweils ein größeres Widerstandmoment aufweisen als die Zwischenabschnitte. Hierfür ist insbesondere vorgesehen, dass die Dicke HU, welche die Wandstärke der beiden Federbänder im Bereich der Umkehrabschnitte definiert, größer ist als die Dicke HV in den Zwischenabschnitten. Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Breite BU des ersten Federbands und des zweiten Federbands jeweils in den Umkehrabschnitten kleiner ist als die Breite BV in den Zwischenabschnitten. Dabei stellt die Breite B die Erstreckung des jeweiligen Federbandes in Richtung einer mathematischen Erzeugenden der Federmittellinienwellen L1 bzw. L2 in Richtung der X-Achse dar.
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Eine besonders hohe Festigkeit des Federelements wird erreicht, wenn das erste Federband und das zweite Federband über ihre Länge eine im Wesentlichen konstante effektive Querschnittsfläche aufweisen. Durch diese Ausgestaltung ändert sich die Anzahl der Materialfasern über die Länge der beiden Federbänder nicht. Dadurch, dass die Dicke der beiden Federbänder in Umkehrabschnitten größer ist als in den Zwischenabschnitten, ergibt sich hier in vorteilhafter Weise jeweils ein erhöhtes Widerstandsmoment. Für einen geringen Verschleiß und damit verbunden eine lange Lebensdauer des Federelements ist vorgesehen, dass sowohl die Variation der Breite der Federbänder als auch die Variation der Dicke der Federbänder im Wesentlichen stetig oder feingestuft erfolgen soll.
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Das Widerstandsmoment B berechnet sich aus der Breite B und der Dicke H des Federbandes gemäß der Formel W = (B·H2)/12. Das erhöhte Widerstandsmoment in den Umkehrabschnitten führt bei Belastung des Federelements zu reduzierten Spannungen in diesen Umkehrabschnitte, so dass eine örtliche Überbeanspruchung als Folge von Schubbeanspruchungen im Material vermieden werden kann. Insbesondere sollen Spannungsspitzen auf der Außenseite der Umkehrabschnitte vermieden werden. In dem belasteten Federelement herrschen weitgehend gleichmäßige Spannungszustände, so dass eine optimale Materialausnutzung gegeben ist und damit das geringstmögliche Gewicht realisierbar ist. Insgesamt ist die Bauform des Federelements sehr kompakt.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Federelements sind das erste Federband, das zweite Federband und die Verbindungsstege aus Faserverbundmaterial hergestellt. Es ist jedoch auch möglich, das erfindungsgemäße Federelement aus einem Stahlwerkstoff herzustellen, insbesondere aus einem Federstahl.
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Die Herstellung aus Faserverbundmaterial ist besonders günstig, da sie eine gute Anpassung der Federgeometrie an die vorhandenen Einbauverhältnisse ermöglicht. Außerdem lässt sich mit Federelementen aus Faserverbundmaterial im Vergleich zu solchen aus Federstahl erheblich Gewicht reduzieren, was sich insgesamt günstig auf den Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeuges auswirkt. Vorzugsweise sind das erste Federband und das zweite Federband und die Verbindungsstege aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) und/oder aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) und/oder aus aramidfaserverstärktem Kunststoff hergestellt. Durch Verwendung spezieller Fasermaterialien in den Umkehrabschnitten und/oder durch zusätzliche Lagen von Prepregs oder zusätzliche Umwicklungen (Rowings) quer zum Längsverlauf des Federbandes kann das Widerstandsmoment in den Umkehrabschnitten erhöht werden, wobei die Querschnittsfläche im Wesentlichen gleich bleibt. Während die Variation der Breite im Wesentlichen durch die Gestalt des Zuschnitts der verwendeten Prepregs erfolgt, kann die Variation der Dicke durch abschnittsweise vorgesehene erhöhte Mehrlagigkeit der Prepregs erzeugt werden.
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Eine besonders günstige Materialausnutzung und eine Kostenoptimierung ist dadurch möglich, dass die beiden Federbänder mehrlagig ausgeführt sind, wobei eine mittlere Schicht aus Prepregs geringerer Qualität, beispielsweise aus glasfaserverstärktem harzgetränkten Material hergestellt wird, während Außenschichten aus höherwertigen Prepregs, beispielsweise aus kohlefaserverstärktem oder aramidfaserverstärktem harzgetränkten Material hergestellt werden.
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Erzeugnisse aus Faserverbundwerkstoff werden aus Matten aus harzgetränkten Geweben oder Gelegen (Prepregs) mit bestimmter Zuschnittform oder aus harzgetränkten Faserbündeln, die parallelfaserig oder ineinander verdreht sein können (Rowings) hergestellt. Die Prepregs oder Rowings werden in Formen eingelegt und dort unter Druckaufgabe auf eine erhöhte Temperatur gebracht, bei der das die Matrix bildende Harz irreversibel erhärtet. Das Fasermaterial in der Matrix führt dabei zur erhöhten Festigkeit des fertigen Erzeugnisses.
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Die genannten Matten können mehrschichtig übereinandergelegt werden, wobei auch unterschiedliche Mattenqualitäten verwendet werden können. Die genannten Faserstränge können miteinander verwoben oder verschränkt werden, so dass gewebeähnliche Strukturen entstehen. Die Fasern können als Glasfasern, als Kohlenstoffasern, als Aramidfasern (Kevlar) oder auch als Metallfasern sortenrein oder miteinander vermischt zum Einsatz kommen. Die hier verwendeten Harze erhärten in der Regel bei Temperaturen von 150°–180°C irreversibel und geben den Fertigerzeugnis ihre bleibende Form.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Es zeigt:
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1 ein erfindungsgemäßes Federelement mit zwei Bandfedern in einer ersten Ausführungsform
- a) in perspektivischer Ansicht;
- b) in einer ersten Seitenansicht;
- c) in einer zweiten Seitenansicht;
- d) in Draufsicht;
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2 ein erfindungsgemäßes Federelement mit zwei Bandfedern in einer zweiten Ausführungsform
- a) in perspektivischer Ansicht;
- b) in einer ersten Seitenansicht;
- c) in einer zweiten Seitenansicht;
- c) in Draufsicht;
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3 ein erfindungsgemäßes Federelement mit zwei Bandfedern in einer dritten Ausführungsform
- a) in perspektivischer Ansicht;
- b) in einer ersten Seitenansicht;
- c) in einer zweiten Seitenansicht;
- c) in Draufsicht;
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4 eine Prinzipdarstellung eines Federelements gemäß einer der 1 bis 3 mit geraden Federmittellinien L1, L2
- a) in entspanntem Zustand;
- b) in Einspannung zwischen parallelen Federauflagen;
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5 eine Prinzipdarstellung eines Federelements gemäß einer der 1 bis 3 mit bogenförmig gekrümmten Federmittellinien L1, L2
- a) in entspanntem Zustand;
- b) in Einspannung zwischen parallelen Federauflagen;
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6 eine Prinzipdarstellung eines Federelements gemäß einer der 1 bis 3 mit S-förmig gekrümmten Federmittellinien L1, L2
- a) in entspanntem Zustand;
- b) in Einspannung zwischen parallelen Federauflagen; und
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7 eine Prinzipdarstellung eines Federelements gemäß einer der 1 bis 3 mit durch Überlagerung einer Bogenform und einer S-Form entstandenen gekrümmten Federmittellinien L1, L2
- a) in entspanntem Zustand;
- b) in Einspannung zwischen parallelen Federauflagen.
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Die 1a, 1b, 1c und 1d, welche im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen ein erfindungsgemäßes Federelement 2 in einer ersten Ausführungsform. Das Federelement 2 umfasst ein erstes Federband 3 mit wellenförmigem Verlauf um eine erste Federmittellinie L1 sowie ein zweites Federband 4 mit wellenförmigem Verlauf um eine zweite Federmittellinie L2. Die erste Federmittellinie L1 und die zweite Federmittellinie L2 sind bei der vorliegenden Ausführungsform parallel zueinander angeordnet und spannen gemeinsam eine gedachte Fläche M auf, um die das erste Federband 3 und das zweite Federband 4 „mäandrieren”. Unter „mäandrieren” wird der wellenförmige Verlauf der Federbänder 3, 4 um die jeweilige Federmittellinie L1, L2 bzw. die Fläche M verstanden. Die beiden Federbänder 3, 4 sind gleich gestaltet und umfassen insgesamt drei vollständige Welleneinheiten und eine halbe Welleneinheit, wobei auch eine andere Anzahl von vollständigen Welleneinheiten denkbar ist, beispielsweise 2, 4, 5 etc. Als Welleneinheit wird hier eine aus zwei Umkehrabschnitten 9, 10 und zwei Zwischenabschnitten 12, 13 gebildete vollständige Welleneinheit des Federelements 2 verstanden.
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Das erste Federband 3 und das zweite Federband 4 sind an ihren Endabschnitten 6, 7 jeweils mittels eines Verbindungssteges 8, 9 miteinander verbunden. In Seitenansicht auf das Federelement 2 ergibt sich somit eine ringförmig geschlossene Struktur, wie insbesondere aus 1c hervorgeht. Es ist ersichtlich, dass das erste Federband 3 und das zweite Federband 4 gleich sind und relativ zu einer dazwischen liegenden Symmetrieebene S spiegelsymmetrisch gestaltet sind. Es ist jedoch auch denkbar, dass die beiden Federbänder 3, 4 unterschiedlich gestaltet sind, beispielsweise gegeneinander um eine halbe Wellenlänge phasenversetzt sind. Die beiden Federbänder 3, 4 haben jeweils vier vollständige erste Umkehrabschnitte 9 sowie vier vollständige zweite Umkehrabschnitte 10. An den letzten ersten Umkehrabschnitt 9 schließt sich jeweils der Endabschnitt 5 an und an den letzten zweiten Umkehrabschnitt 10 schließt sich jeweils der Endabschnitt 6 an. Die jeweils einander gegenüberliegenden Endabschnitte 5, 6 der beiden Federbänder 3, 4 sind mittels der Verbindungsstege 7, 8 miteinander verbunden.
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Die stärker gekrümmten Umkehrabschnitte 9, 10 sind durch Zwischenabschnitte 12, 13 mit geringerer Krümmung miteinander verbunden. Dabei ist vorgesehen, dass jeweils zwei benachbarte Zwischenabschnitte 12, 13 in Bezug auf eine Querebene durch das Maximum des dazwischen liegenden Umkehrabschnittes 9, 10 symmetrisch angeordnet sind. Die Materialdicke des ersten Federbandes 3 und des zweiten Federbandes 4 ist variabel, wobei das erste Federband 3 und das zweite Federband 4 über ihre Länge vorzugsweise eine im Wesentlichen konstante effektive Querschnittsfläche aufweisen. Es ist für eine Erhöhung des Widerstandsmoments vorgesehen, dass die Dicke HU der beiden Federbänder 3, 4 in den Umkehrabschnitten 9, 10 größer ist als Dicke Hz in den Zwischenabschnitten 12, 13. Entsprechend ist die Breite BZ der beiden Federbänder 3, 4 in den Zwischenabschnitten 12, 13, aufgrund der weitestgehend konstanten Querschnittsfläche der Federbänder 3, 4 über deren Länge, größer als die Breite BU in den Umkehrabschnitten 9, 10. Die Dickenänderungen sind hierbei weitestgehend stetig. Bei Zug-Druck-Krafteinleitung in die jeweils äußeren Endabschnitte kommt es zu einer Verkürzung und Längung des aus den beiden Federbändern 3, 4 zusammengesetzten Federelementes 2. Die Biegewiderstandsmomente der Umkehrabschnitte 9, 10 sind aufgrund der erhöhten Dicke HU wesentlich höher als die der Zwischenabschnitte 12, 13. Hiermit werden möglichst gleichmäßige Spannungszustände im Material des Federelements 2 über dessen gesamte Länge erreicht.
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Zwischen den beiden Federbändern 3, 4 ist bei der Ausführungsform gemäß 1 genau eine einzige längliche Ausnehmung 11 gebildet, durch die ein Dämpferelement (nicht dargestellt) in das Federelement 2 eingesteckt werden kann. Die die Ausnehmung 11 seitlich begrenzenden inneren Kanten 14, 15 sind in Seitenansicht gerade. Aufgrund der konstanten Querschnittsfläche über der Länge und den verdickten Umkehrabschnitten 9, 10 sind die beiden Federbänder 3, 4 in ihren Zwischenabschnitten 12, 13 verbreitert, so dass die äußeren Kanten 16, 17 einen wellenförmigen Verlauf aufweisen. Dies ist insbesondere aus 1c) ersichtlich.
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Wie insbesondere aus 1d hervorgeht, sind die beiden Verbindungsstege 7, 8 so gestaltet, dass sie eine etwa kreisförmige Ausnehmung 11 in Draufsicht bilden, durch die das Dämpferelement eingeführt werden kann. Das Federelement 2 mit seinen Komponenten erstes Federband 3, zweites Federband 4 und den Verbindungsstegen 7, 8 ist insgesamt vorzugsweise aus Faserverbundmaterial hergestellt, wobei eine Herstellung aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere einem Federstahl, ebenso denkbar ist.
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Die 2a, 2b, 2c und 2d, welche im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen ein erfindungsgemäßes Federelement 102 in einer zweiten Ausführungsform. Diese entspricht weitestgehend derjenigen aus 1, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf obige Beschreibung Bezug genommen werden kann. Dabei sind gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile mit um 100 hochgesetzten Bezugszeichen versehen. Im Folgenden wird auf die Besonderheiten der vorliegenden Ausführungsform eingegangen.
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Wie insbesondere aus 2a hervorgeht, weisen die Umkehrbereiche 109, 110 einen größeren Umschlingungswinkel von etwa 180° auf, so dass die dazwischen liegenden Zwischenabschnitte 112, 113 in etwa parallel zueinander verlaufen. Dies gilt auch für die Endabschnitte 105, 106, welche mittels der Verbindungsstege 107, 108 miteinander verbunden sind. Dabei liegen die beiden Verbindungsstege 107, 108 jeweils in Ebenen, die etwa senkrecht zu den Federmittellinien L1 und L2 verlaufen.
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Die beiden Federbänder 103, 104 sind jeweils so geformt, dass sich in Draufsicht auf das Federelement 102 eine in etwa runde Ausnehmung 111 ergibt. Dies ist insbesondere aus 2d erkennbar. Dabei haben die inneren Kanten 114, 115 in Bezug auf die Symmetrieebene S einen wellenförmigen Verlauf, d. h. der Abstand der inneren Kanten 114, 115 zur Symmetrieebene S variiert über die Länge des Federelements 102. Dabei haben die beiden Federbänder 103, 104 in ihren Umkehrabschnitten 109, 110 jeweils einen geringeren Abstand zur Symmetrieebene S als in ihren Zwischenabschnitten 112, 113. Auch bei der vorliegenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dicke HU der beiden Federbänder 103, 104 in den Umkehrabschnitten 109, 110 gegenüber der Dicke HV in den Verbindungsabschnitten 112, 113 vergrößert ist. In Draufsicht auf das Federelement 102 ist ersichtlich, dass dieses etwa ringförmig gestaltet ist bzw. eine etwa zylinderförmige Einhüllende aufweist.
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Die 3a, 3b, 3c und 3d, welche im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen ein erfindungsgemäßes Federelement 202 in einer dritten Ausführungsform. Diese entspricht hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise weitestgehend derjenigen aus 1, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Der einzige Unterschied der vorliegenden Ausführungsform gemäß derjenigen aus 1 besteht darin, dass zusätzlich zu dem oberen und dem unteren Verbindungssteg 207, 208 ein weiterer mittlerer Verbindungssteg 220 vorgesehen ist. Der mittlere Verbindungssteg 220 ist in Bezug auf die Längserstreckung des Federelements 202 zwischen den beiden äußeren Verbindungsstegen 207, 208 angeordnet, so dass in Seitenansicht zwei Ausnehmungen 211, 221 gebildet sind (siehe 3c). Mittels des zusätzlichen Verbindungssteges 220 wird die Stabilität des Federelements 202 insgesamt erhöht, da die beiden Federbänder 203, 204 auch in einem mittleren Abschnitt miteinander verbunden sind. Dies kann unter Umständen in Anwendungsfällen von Vorteil sein, in denen mit höheren Querkräften zu rechnen ist. Der mittlere Verbindungssteg 220 hat in Draufsicht auf das Federelement 202 eine gerundete Innenkante, welche nahtlos an die innere Kante 214 des ersten Federbandes 203 sowie die innere Kante 215 des zweiten Federbandes 204 anschließt. Der Verbindungssteg 220 ist dabei hinsichtlich der Länge in einem Umkehrabschnitt 209 angeordnet.
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Allen Ausführungsformen ist gemein, dass die beiden Federbänder und die Verbindungsstege einteilig hergestellt sind. Durch die Ausgestaltung derart, dass die beiden Federbänder um die durch die beiden Federmittellinien L1 und L2 aufgespannte Fläche M mäandrieren, wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die beiden Federbänder hauptsächlich eindimensional belastet werden. Insbesondere treten im wesentlichen Zug- und Druckkräfte auf, die zu einer reinen Biegebelastung der beiden Federbänder führen. Es ergeben sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung insgesamt ein geringer Verschleiß und damit eine hohe Lebensdauer der erfindungsgemäßen Federelemente.
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In 4 ist ein erfindungsgemäßes Federelement 402 in Seitenansicht in Prinzipdarstellung gezeigt, das zwei Federbänder mit jeweils geraden Längsmittellinien L1 und L2 hat. Die beiden Längsmittellinien L1 und L2 verlaufen parallel zueinander und liegen hintereinander, weswegen sie in der gezeigten Ansicht als eine Linie erscheinen. Die von den parallelen Längsmittellinien L1 und L2 aufgespannte Mittelfläche M ist demnach eine Ebene, die senkrecht zur Zeichenebene liegt. Das vorliegend dargestellte Federelement 402 hat drei volle Welleneinheiten; das Prinzip lässt sich jedoch auch auf die erfindungsgemäßen Federelemente mit n + ½ Welleneinheiten übertragen, wobei n eine ganze Zahl ist. In Darstellung a) ist der Wellenzug Z zwischen zwei parallelen Begrenzungslinien G1, G2 in entspanntem Zustand mit der Länge L0 dargestellt.
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In Darstellung b) ist das verkürzte Federelement 402 nur durch die parallelen Begrenzungslinien G1, G2 gekennzeichnet, wobei das Federelement unter der Einwirkung von entgegengesetzt gerichteten Kräften F zwischen zwei zueinander parallelen Federtellern TO, TU auf die Länge LZ verkürzt ist. Die Kräfte F greifen in Richtung einer Kraftwirkungslinie K an, die sich zwischen einem oberen Windungsmittelpunkt Wo und einem unteren Windungsmittelpunkt WU der Bandfeder B erstreckt.
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In 5 ist ein erfindungsgemäßes Federelement 502 in Seitenansicht in Prinzipdarstellung gezeigt, dessen Federbänder bogenförmig gekrümmte, insbesondere C-förmig gekrümmte Längsmittellinien L1, L2 haben. Die beiden Längsmittellinien L1 und L2 verlaufen äquidistant zueinander und liegen hintereinander, weswegen sie in der gezeigten Ansicht als eine Linie erscheinen. Die von den gekrümmten Längsmittellinien L1 und L2 aufgespannte Mittelfläche M ist zylindrisch, wobei die Mantellinien der zylindrischen Mittelfläche M parallel zur X-Achse verlaufen. Das vorliegend dargestellte Federelement 502 hat drei volle Welleneinheiten. Das Prinzip lässt sich jedoch auch auf Federelemente mit n + ½ Welleneinheiten übertragen, wie sie in den 1 bis 3 gezeigt sind, wobei n eine ganze Zahl ist. In Darstellung a) ist der Wellenzug Z zwischen zwei C-förmig gekrümmten Begrenzungslinien G1, G2 in entspanntem Zustand mit der Länge L0 dargestellt.
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In Darstellung b) ist das verkürzte Federelement 502 nur durch die jetzt parallelen geraden Begrenzungslinien G1, G2 gekennzeichnet, wobei das Federelement unter der Einwirkung von entgegengesetzt gerichteten Kräften F zwischen zwei parallelen Federtellern TO, TU auf die Länge LZ verkürzt ist. Die Kräfte F greifen in Richtung einer Kraftwirkungslinie K an, die gegenüber einem oberen Windungsmittelpunkt Wo und gegenüber einem unteren Windungsmittelpunkt WU des Federelements jeweils einem gleichgerichteten gleichgroßen Seitenversatz eo, eu aufweist, so dass die Kraftwirkungslinie K zu den Längsmittellinien L1, L2 parallel versetzt ist.
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In 6 ist ein erfindungsgemäßes Federelement 602 in Seitenansicht in Prinzipdarstellung gezeigt, dessen Federbänder jeweils S-förmig gekrümmte Längsmittellinien L1, L2 haben. Die beiden S-förmig gekrümmten Längsmittellinien L1 und L2 verlaufen äquidistant zueinander und liegen hintereinander, weswegen sie in der gezeigten Ansicht als eine Linie erscheinen. Die beiden S-förmig gekrümmten Längsmittellinien L1 und L2 spannen eine zylindrische Mittelfläche M auf, deren Mantellinien parallel zur X-Achse, das heißt senkrecht zur Zeichenebene verlaufen. Das vorliegend dargestellte Federelement 602 hat drei volle Welleneinheiten. Das Prinzip lässt sich jedoch auch auf Federelemente mit n +1 Welleneinheiten übertragen, wie sie in den 1 bis 3 gezeigt sind, wobei n eine ganze Zahl ist. In Darstellung a) ist der Wellenzug Z zwischen zwei S-förmig gekrümmten Begrenzungslinien G1, G2 in entspanntem Zustand mit der Länge L0 dargestellt.
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In Darstellung b) ist das verkürzte Federelement 602 nur durch die jetzt parallelen geraden Begrenzungslinien G1, G2 gekennzeichnet, wobei das Federelement 602 unter der Einwirkung von zwei entgegengesetzt gerichteten Kräften F zwischen zwei zueinander parallelen Federtellern TO, TU auf die Länge LZ verkürzt ist. Die Kräfte F greifen in Richtung der Kraftwirkungslinie K an, die gegenüber einem oberen Windungsmittelpunkt Wo und einem unteren Windungsmittelpunkt WU des Federelements jeweils einen entgegengesetzt gerichteten gleich großen Seitenversatz eo, eu aufweist, so dass die Kraftwirkungslinie K die Längsmittellinien L1, L2 auf halber Länge schneidet.
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In 7 ist erfindungsgemäßes Federelement 702 in Seitenansicht in Prinzipdarstellung gezeigt, dessen Federbänder Längsmittellinien L1 und L2 aufweisen, die jeweils aus der Überlagerung einer bogenförmigen, insbesondere C-förmig gekrümmten Kurve und einer S-förmig gekrümmten Kurve gebildet sind. Die beiden Längsmittellinien liegen hintereinander, weswegen sie in der gezeigten Ansicht als eine Linie erscheinen. Die beiden durch überlagerte Krümmungen gebildeten Längsmittellinien L1 und L2 verlaufen äquidistant zueinander und spannen eine zylindrische Mittelfläche M auf, deren Mantellinien parallel zur X-Achse, das heißt senkrecht zur Zeichenebene verlaufen. Das vorliegend dargestellte Federelement 502 hat drei volle Welleneinheiten. Das Prinzip lässt sich jedoch auch auf Federelemente mit n + ½ Welleneinheiten übertragen, wie sie in den 1 bis 3 gezeigt sind, wobei n eine ganze Zahl ist. In Darstellung a) ist der Wellenzug Z zwischen zwei Begrenzungslinien G1, G2 in entspanntem Zustand mit der Länge L0 dargestellt, die in ihrer Krümmung den Längsmittellinien L1 und L2 entsprechen.
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In Darstellung b) ist das verkürzte Federelement 702 nur durch die jetzt parallelen geraden Begrenzungslinien G1, G2 gekennzeichnet, wobei das Federelement unter der Einwirkung von zwei entgegengesetzt gerichteten Kräften F zwischen zwei zueinander parallelen Federtellern TO, TU auf die Länge LZ verkürzt ist. Die Kräfte greifen in Richtung der Kraftwirkungslinie K an, die durch einen oberen Windungsmittelpunkt Wo verläuft und gegenüber einem unteren Windungsmittelpunkt WU des Federelements ein seitlichen Versatz eu aufweist.
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Mit der Abwandlung der Federform können auf diese Weise verschiedene Federcharakteristiken dargestellt werden. Es versteht sich, dass jedes der in den 1 bis 3 gezeigten Federelemente gerade, bogenförmig gekrümmte oder S-förmig gekrümmte Federmittellinien gemäß den Prinzipskizzen der 4 bis 7 aufweisen kann, oder Mischformen hiervon.
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Bezugszeichenliste
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- 2, 102, ...
- Federelement
- 3, 103, ...
- erstes Federband
- 4, 104, ...
- zweites Federband
- 5, 105, ...
- Endabschnitt
- 6, 106, ...
- Endabschnitt
- 7, 107, ...
- Verbindungssteg
- 8, 108, ...
- Verbindungssteg
- 9, 109, ...
- Umkehrabschnitt
- 10, 110, ...
- Umkehrabschnitt
- 11, 111, ...
- Ausnehmung
- 12, 112, ...
- Zwischenabschnitt
- 13, 113, ...
- Zwischenabschnitt
- 14, 114, ...
- innere Kante
- 15, 115, ...
- innere Kante
- 16, 116, ...
- äußere Kante
- 17, 117, ...
- äußere Kante
- 220, 320
- Verbindungssteg
- 221, 321
- Ausnehmung
- L1
- Federmittellinie
- L2
- Federmittellinie
- M
- Mittenfläche
- G
- Begrenzungslinie
- K
- Kraftwirkungslinie
- S
- Symmetrieebene
- T
- Federteller
- W
- Windungsmittelpunkt
- Z
- Wellenzug