DE102010039621A1

DE102010039621A1 - Dämpfungselement mit wellenförmigem Stützring

Info

Publication number: DE102010039621A1
Application number: DE102010039621A
Authority: DE
Inventors: Thomas Burlage; Jan Wucherpfennig
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2012-02-23
Also published as: US20120043708A1; WO2012022768A1

Abstract

Dämpfungselement umfassend ein hohles zylindrisches Federelement (20) sowie einen Stützring (10), wobei das Federelement (20) unterhalb der oberen Stirnseite (21) eine umlaufende Vertiefung (23) in der inneren Mantelfläche (25) aufweist, und der Stützring (10) in dieser Vertiefung (23) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Vertiefung (23) als auch der äußere Rand des Stützrings (12) in radialer Richtung wellenförmig ausgebildet sind, wobei Wellenberge und Wellentäler von Vertiefung und Stützring in Form, Größe und Anordnung einander entsprechen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dämpfungselement umfassend ein hohles zylindrisches Federelement sowie einen Stützring, wobei das Federelement unterhalb der oberen Stirnseite eine umlaufende Vertiefung in der inneren Mantelfläche aufweist, und der Stützring in dieser Vertiefung angebracht ist. Weiterhin betrifft die Erfindung Kraftfahrzeuge, die mit mindestens einem erfindungsgemäßen Dämpfungselement ausgestattet sind.
Aus Polyurethanelastomeren hergestellte Federelemente werden in Kraftfahrzeugen beispielsweise innerhalb des Fahrwerks verwendet und sind allgemein bekannt. Sie werden insbesondere zur Schwingungsdämpfung eingesetzt. Sie werden überwiegend neben dem Hauptstoßdämpfer, der häufig auf der Basis von Metallfedern oder Druckgaselementen basiert, als Zusatzstoßdämpfer eingesetzt. Üblicherweise sind diese Federelemente Hohlkörper, die konzentrisch geformt sind und entlang der Federachse unterschiedliche Durchmesser oder Wandstärken aufweisen können. Grundsätzlich könnten diese Federelemente auch als Hauptstoßdämpfer fungieren, sie übernehmen aber in Kombination mit dem Hauptstoßdämpfer häufig eine Endanschlagfunktion. Dabei beeinflussen sie die Kraft-Weg-Kennung des gefederten Rades durch das Ausbilden oder Verstärken einer progressiven Charakteristik der Fahrzeugfederung. So können die Nickeffekte des Fahrzeuges reduziert und die Wankabstützung verstärkt werden. Insbesondere durch die geometrische Gestaltung wird die Anlaufsteifigkeit optimiert, was maßgeblichen Einfluss auf den Federungskomfort des Fahrzeuges hat. Durch die gezielte Auslegung der Geometrie ergeben sich über der Lebensdauer nahezu konstante Bauteileigenschaften. Durch diese Funktion wird der Fahrkomfort erhöht und ein Höchstmaß an Fahrsicherheit gewährleistet.
Aufgrund der sehr unterschiedlichen Charakteristika und Eigenschaften einzelner Automobilmodelle müssen die Federelemente individuell an die verschiedenen Automobilmodelle angepasst werden, um eine ideale Fahrwerksabstimmung zu erreichen. Beispielsweise können bei der Entwicklung der Federelemente das Gewicht des Fahrzeugs, das Fahrwerk des speziellen Modells, die vorgesehenen Stoßdämpfer sowie die gewünschte Federcharakteristik berücksichtigt werden. Hinzu kommt, dass für verschiedene Automobile aufgrund des zur Verfügung stehenden Bauraums individuelle, auf die Baukonstruktion abgestimmte Einzellösungen entwickelt werden müssen.
Häufige Vorgaben betreffen die Federlänge, die Anlaufsteifigkeit und das Blockmaß, das die Restfederhöhe bei einer definierten Last, z. B. 30 kN bei statischer oder 35 kN bei dynamischer Belastung darstellt. Um ein vorgegebenes Blockmaß zu erreichen, werden häufig Stützringe eingesetzt, die auf das eigentliche Dämpfungselement aufgesetzt werden oder es umfassen. Derartige Stützringe, die aus harten Materialien wie Metallen oder harten Kunststoffen oder auch aus elastischen Materialien gefertigt sein können, erhöhen in gewünschter Art das Blockmaß. Derartige Stützringe sind beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 101 24 924 A1 sowie dem Gebrauchsmuster DE 20 2004 008 993 U1 bekannt. Diesen Stützringen ist gemein, dass sie in einer Einkerbung des Federelements von außen aufgesteckt werden und damit zu einer Verkürzung des Federwegs führen. Bei manchen Automobilmodellen ist der Bauraum allerdings derart gestaltet, dass für die Anbringung eines äußeren Stützrings gemäß Stand der Technik kein Platz vorhanden ist.
Eine weitere Möglichkeit, das Blockmaß zu erhöhen, besteht darin, einen Befestigungstopf am oberen Ende des Federelements vorzusehen. Eine solche Konstruktion ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 103 17 815 A1 bekannt. Der Topf ist aus einem härteren Material als das Federelement gefertigt und dient zum einen der Befestigung im Gehäuse der Karosserie und zum anderen zur Begrenzung des Federweges. Aber auch bei dieser Bauart kann es vorkommen, dass im Bauraum kein Platz für einen Topf ist. Ferner findet bei dieser Bauart keine Dämpfung zwischen Gehäuse und Federelement in radialer Richtung statt, da der Topf kaum dämpfende Eigenschaften aufweist. Zudem ist zumindest die in DE 103 17 815 A1 offenbarte Konstruktion aufwändig, da ein vorgefertigter Topf bei der Herstellung des Federelements durchschäumt werden muss.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Dämpfungselement bereitzustellen, das über geforderte Federungseigenschaften bei einem begrenzten Blockmaß verfügt, das einfach und kostengünstig herzustellen ist und auch in radiale Richtung dämpfende Wirkung entfaltet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Erfindung gelöst, wie er in Anspruch 1 wiedergegeben ist. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Kraftfahrzeuge, die eines oder mehrere der erfindungsgemäßen Dämpfungselemente enthalten.
Erfindungsgemäß umfasst das Dämpfungselement als wesentliche Bauteile ein hohles zylindrisches Federelement sowie einen Stützring. Bevorzugt sind beide Bauteile im Querschnitt im Wesentlichen konzentrisch. In Längsrichtung können beide Bauteile unterschiedlich ausgestaltet sein, wobei die Längsrichtung senkrecht zur Querschnittsfläche definiert ist. Die Begriffe „Längsachse”, „oben” und „unten” bezeichnen im Folgenden die Orientierung, in der derartige Federelemente üblicherweise angebracht sind, z. B. in Kraftfahrzeugen als Zusatzfedern bei Stoßdämpfersystemen.
Erfindungsgemäße Federelemente können aus verschiedenen elastischen Materialien hergestellt sein, beispielsweise Gummi oder geschäumte Thermoplaste. Bevorzugt basieren erfindungsgemäße Federelemente auf Elastomeren auf der Basis von zelligen Polyisocyanat-Polyadditionsprodukten, besonders bevorzugt auf der Basis von zelligen Polyurethanelastomeren, die Polyharnstoffstrukturen enthalten können. Zellig bedeutet, dass die Zellen bevorzugt einen Durchmesser von 0,01 mm bis 0,5 mm, besonders bevorzugt von 0,01 mm bis 0,15 mm aufweisen.
Besonders bevorzugt haben die Polyisocyanat-Polyadditionsprodukte mindestens eine der folgenden Materialeigenschaften: eine Dichte nach DIN EN ISO 845 zwischen 270 und 900 kg/m3, eine Zugfestigkeit nach DIN EN ISO 1798 von ≥ 2,0 N/mm2, eine Bruchdehnung nach DIN EN ISO 1798 von ≥ 200% oder eine Weiterreißfestigkeit nach DIN ISO 34-1 B (b) von ≥ 8 N/mm. In weiter bevorzugten Ausführungsformen besitzt ein Polyisocyanat-Polyadditionsprodukt zwei, weiter bevorzugt drei dieser Materialeigenschaften, besonders bevorzugte Ausführungsformen besitzen alle vier der genannten Materialeigenschaften.
Elastomere auf der Basis von Polyisocyanat-Polyadditionsprodukten und ihre Herstellung sind allgemein bekannt und vielfältig beschreiben, beispielsweise in EP 62 835 A1 , EP 36 994 A2 , EP 250 969 A1 , DE 195 48 770 A1 und DE 195 48 771 A1 . Unterschiedliche Arten von Federelementen und Verfahren zu ihrer Herstellung sind dem Fachmann ebenfalls bekannt, beispielsweise aus den Dokumenten DE 101 24 924 A1 , DE 10 2004 049 638 A1 oder WO 2005/019681 A1 .
In erfindungsgemäßen Dämpfungselementen eingesetzte Federelemente sind hohle zylindrische Gebilde, die eine innere Mantelfläche, eine äußere Mantelfläche sowie ein oberes Ende und ein unteres Ende aufweisen. Bevorzugt sind sie im Längsschnitt betrachtet im Wesentlichen konisch, wobei der Außendurchmesser im Bereich des oberen Endes größer ist als der Außendurchmesser im Bereich des unteren Endes. Das untere Ende kann unterschiedlich ausgestaltet sein, beispielsweise als umlaufende Lippe, die nach innen oder nach außen gerichtet ist. Die Formgebung und Materialstärke des unteren Endes stellt einen Freiheitsgrad bei dem Entwurf von Federelementen dar, um insbesondere das Anlaufverhalten der Feder individuell zu gestalten. Entsprechende Ausführungsformen sind dem Fachmann bekannt.
Die innere Mantelfläche kann eben oder rau sein. Sie kann Konturelemente aufweisen, die sich beispielsweise von der Mantelfläche in Richtung der Achse erstrecken und regelmäßig oder unregelmäßig angeordnet sein können. Die konkrete Ausgestaltung der inneren Mantelfläche hängt zum Beispiel davon ab, welche Anforderungen hinsichtlich der Haftung auf einer Kolbenstange oder der Geräuschentwicklung beim Fahren an das Dämpfungselement gestellt werden. Ferner können in der inneren Mantelfläche Einkerbungen vorgesehen sein, die das Verformungs- und Dämpfungsverhalten des Federelements bei einer axialen Druckbelastung beeinflussen.
Auch die äußere Mantelfläche kann eben oder rau gestaltet sein. Ferner kann die äußere Mantelfläche Konturelemente sowie Einbuchtungen oder Vorsprünge aufweisen. Die konkrete Ausgestaltung hängt unter anderem von den Anforderungen an das Verformungs- und Dämpfungsverhalten des Federelements ab. Entsprechende Ausgestaltungen sind dem Fachmann bekannt.
Das obere Ende des Federelements wird im Folgenden auch als obere Stirnseite bezeichnet. Sie kann ebenfalls unterschiedlich gestaltet sein, beispielsweise als ebene Fläche oder als Fläche mit Erhebungen und Vertiefungen, je nach Anforderung an das Dämpfungsverhalten am Einbauort. Auch die Stirnseite kann rau ausgeführt sein. Erfindungsgemäß befindet sich unterhalb der oberen Stirnseite eine umlaufende Vertiefung in der inneren Mantelfläche, die geeignet ist, einen Stützring aufzunehmen. Unter einer umlaufenden Vertiefung ist zu verstehen, dass im Querschnitt senkrecht zur Längsachse betrachtet der Durchmesser der inneren Mantelfläche in radialer Richtung in der Vertiefung größer ist als im axial darüber und darunter angrenzenden Bereich der inneren Mantelfläche. Die Vertiefung kann umlaufend geschlossen sein, sodass der Durchmesser der inneren Mantelfläche in jeder radialen Richtung in der Vertiefung größer ist als im axial darüber und darunter angrenzenden Bereich. Von der Erfindung sind aber auch solche Bauteile umfasst, bei denen die Vertiefung nicht umlaufend geschlossen ist, sondern einen oder mehrere Abschnitte aufweist, bei denen das oben beschriebene Erfordernis an die Radien nicht erfüllt ist.
Erfindungsgemäß umfasst das Dämpfungselement neben dem Federelement weiterhin einen Stützring. Der Stützring weist im Querschnitt betrachtet innen eine Aussparung auf, die bevorzugt kreisrund ausgeführt ist. Der Stützring kann aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein, beispielsweise aus Metallen wie Aluminium oder Aluminiumlegierungen oder aus harten Kunststoffen wie thermoplastischem Polyurethan, Polyamid, Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol oder Polyoxymethylen. Der Stützring kann auch aus einem harten Gummi gefertigt sein, bevorzugt mit einer Härte von mehr als 60 Shore A. Ein Stützring aus Gummi bietet insbesondere dann Vorteile, wenn es bei Kunststoffen zu Problemen mit der Dauerfestigkeit kommen könnte. Die Kunststoffe können auch durch Fasern verstärkt sein, beispielsweise durch Glasfasern. Bevorzugte Materialien zur Herstellung des Stützrings sind thermoplastisches Polyurethan, Polyoxymethylen, Polypropylen, Polyethylen sowie Gummi. Sie können nach bekannten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise Druckgussverfahren für Metalle, Spritzgussverfahren für Kunststoffe und Vulkanisierverfahren für Gummi.
In das Federelement eingesetzt bewirkt der Stützring eine Verringerung des Blockmaßes. Je nach konkreter Ausgestaltung kann er auch eine Versteifung des Dämpfungselements in radialer Richtung bewirken. Durch die Wahl des Materials sowie die Dimensionierung des Stützrings können diese Effekte gezielt beeinflusst werden.
Erfindungsgemäß ist der Stützring in der Vertiefung in der inneren Mantelfläche des Federelements angebracht. Im einfachsten Fall könnte die Vertiefung als Ringnut ausgestaltet sein. Allerdings besteht bei einer derartigen Konstruktion das Problem, dass bei einer radialen Druckbelastung, beispielsweise beim Zusammenbau des Dämpfungselements oder dem Einbau des Dämpfungselements in den Bauraum in der Karosserie eines Kraftfahrzeugs, der Stützring leicht aus der Vertiefung springen kann. Es wurde gefunden, dass dieses Problem sicher dadurch gelöst werden kann, dass sowohl die Vertiefung als auch die radial äußere Kontur des Stützrings nicht kreisrund, sondern wellenförmig gestaltet werden.
Wellenförmig bedeutet in Bezug auf den Stützring, dass der äußere Rand des Stützrings Bereiche aufweist, deren Ausdehnung in radialer Richtung größer ist als die Ausdehnung der übrigen Bereiche des äußeren Randes. In Bezug auf die Vertiefungen in der inneren Mantelfläche des Federelements bedeutet wellenförmig, dass es Bereiche der Vertiefung gibt, deren radiale Ausdehnung größer ist als die der übrigen Bereiche der Vertiefung. Bereiche mit größerer radialer Ausdehnung werden im Folgenden als Wellenberge bezeichnet, Bereiche mit geringerer radialer Ausdehnung als Wellentäler. Erfindungsgemäß entsprechen Wellenberge und Wellentäler der Vertiefung im Federelement und des Stützrings in Form, Größe und Anordnung einander. Das bedeutet, dass sie in ihrer Formgebung, Größe und Anordnung in axialer, radialer und tangentialer Richtung derart gestaltet sind, dass sich nach dem Zusammenbau des Dämpfungselements die Wellenberge des Stützrings in den Wellenbergen der Vertiefung befinden.
Die Wellenform hat gegenüber einer kreisrunden Form den Vorteil, dass bei gleichem nominellem Außendurchmesser die Umfangslinie länger ist. Dadurch steht eine größere Berührungsfläche zwischen Stützring und Federelement zur Verfügung. Außerdem ist die Umfangslinie nicht mehr nur in tangentialer Richtung angeordnet, sondern bei den Übergängen von Wellenbergen und Wellentälern auch zumindest teilweise in radialer Richtung. Diese Orientierung der Umfangslinie bewirkt im Vergleich zur Kreisform, dass der Stützring bei gleicher Überdeckung seines Randes nicht mehr so leicht aus der Vertiefung springen kann, wenn das Dämpfungselement radial auf Druck belastet wird. Der Stützring kann so dimensioniert werden, dass er in radialer Richtung biegeweich ist. Diese Eigenschaft ist insbesondere dann von Vorteil, wenn Stützring und Federelement von Hand montiert werden, da in diesem Fall die geringe radiale Steifigkeit bewirkt, dass der Stützring beim radialen Zusammendrücken des Federelements nicht axial ausweicht.
In bevorzugten Ausführungsformen weist die Vertiefung in der inneren Mantelfläche des Federelements und der äußere Rand des Stützrings jeweils von 2 bis 10, besonders bevorzugt von 4 bis 8, insbesondere 6 Wellenberge und Wellentäler auf. Weiterhin bevorzugt sind die Wellenberge und Wellentäler in der Vertiefung in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet. Darunter ist zu verstehen, dass die Ausdehnungen der Wellentäler zwischen benachbarten Wellenbergen in Umfangsrichtung im Wesentlichen gleich sind. Selbstverständlich können die Wellenberge und Wellentäler je nach Anforderung an das Dämpfungselement auch ungleichmäßig verteilt sein. Eine derartige Konstruktion kann vorteilhaft sein für Dämpfungselemente, die nicht nur axial auf Druck sondern auch auf Torsion beansprucht werden, beispielsweise bei großen Lenkeinschlägen, wie sie bei McPherson-Vorderachskonstruktionen auftreten können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dämpfungselements beträgt das Verhältnis der Summe der Umfangslängen von Wellenbergen zu Wellentälern am äußersten Umfang des Stützrings mindestens zwei. Das bedeutet, dass der äußerste Umfang des Stützrings in Summe mindestens zu zwei Dritteln von Wellenbergen gebildet wird, in Summe maximal ein Drittel des äußersten Umfangs weist Lücken in Form von Wellentälern auf. Bei einem kleineren Verhältnis von Wellenbergen zu Wellentälern am äußersten Umfang besteht die Gefahr, dass der Stützring seine radial stützende Funktion verliert, und dass sich die Wellenberge des Stützrings bei einer starken radialen Druckbelastung in das Material des Federelements einstanzen und es dadurch beschädigen.
Ein erfindungsgemäßer Stützring ist durch drei Radien charakterisiert, den Innenradius, den Radius am Fuß der Wellentäler sowie dem Außenradius. Der Innenradius bezeichnet den radialen Abstand von der Achse durch das Zentrum der Aussparung bis zu dem inneren Rand des Stützrings. Der Außenradius ist der entsprechende Abstand von der Achse zum Außenrand im Bereich der Wellenberge. Der Radius am Fuß der Wellentäler bezeichnet den Abstand von der Achse bis zu dem äußeren Rand des Stützrings, der durch die Wellentäler geformt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Innenradius des Stützrings von 1,5 bis 4 mm, besonders bevorzugt von 2 bis 3 mm kleiner als der Radius des Stützrings am Fuß der Wellentäler. Die Differenz zwischen Innenradius und Radius am Fuß der Wellentäler bestimmt die minimale Materialstärke des Stützrings in radialer Richtung. Im Hinblick auf eine möglichst biegeweiche Gestaltung des Stützrings ist ein kleiner Wert dieser Differenz vorteilhaft. Die maximale Ausdehnung des Stützrings in axialer Richtung hat wesentlichen Einfluss auf die zu erreichende Blockmaßerhöhung und wird entsprechend den Anforderungen an die Blockmaßerhöhung gewählt. In bevorzugten Ausführungsformen weist der Stützring eine maximale Ausdehnung in axialer Richtung von 1 bis 30 mm, besonders bevorzugt von 3 bis 10 mm, insbesondere von 4 bis 7 mm auf.
Ein sicherer Halt des Stützrings in dem Federelement kann auf unterschiedliche Arten gewährleistet werden. Bei einer ausreichenden Überdeckung des Randes des Stützrings durch die Vertiefung im Federelement kann der Außenradius des Stützrings geringer sein als der entsprechende Radius der Vertiefung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Außenradius des Stützrings gerade so groß wie der Radius der Vertiefung in den Wellenbergen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Außenradius des Stützrings größer als der entsprechende Radius der Vertiefung, sodass nach dem Zusammenbau eine Vorspannung vorliegt. Der Grad der Vorspannung wird im Folgenden definiert als das Verhältnis der Differenz zwischen dem Außenradius des Stützrings im Bereich der Wellenberge und dem Radius der Vertiefung im Bereich der Wellenberge zur Differenz zwischen dem maximalem Außenradius des Federelements und dem Radius der Vertiefung im Bereich der Wellenberge. Bevorzugt beträgt dieses Verhältnis von 0% bis 20%, besonders bevorzugt von 0% bis 15%, insbesondere von 0% bis 5%.
Für den Effekt der Vorspannung ist lediglich das den Stützring umgebende Material des Federelements entscheidend. Für die Bestimmung des maximalen Außenradius wird daher in axialer Richtung ausgehend von der oberen Stirnseite des Federelements nach unten nur ein Bereich betrachtet, der der dreifachen maximalen axialen Ausdehnung des Stützrings entspricht. Beträgt beispielsweise die axiale Ausdehnung des Stützrings 5 mm, so wird der maximale Außenradius des Federelements in den obersten 15 mm des Federelements bestimmt.
Wie oben erwähnt ist für einen sicheren Halt des Stützrings in der Vertiefung des Federelements die Überdeckung des Randes des Stützrings wichtig. Ein weiterer Einflussfaktor ist die Formgebung sowohl des Randes des Stützrings als auch der Vertiefung im Federelement. Unter dem Profil des Randes des Stützrings sowie dem Profil der Vertiefung wird in diesem Zusammenhang ein Längsschnitt entlang der Achse durch das jeweilige Bauteil verstanden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Profile von Stützringrand und Vertiefung im Wesentlichen rechteckig. Die Ecken können dabei in üblichen Toleranzmaßen gerundet sein. Diese Ausführungsform ist für den Halt des Stützrings im Federelement besonders vorteilhaft. Allerdings stellt dieses Profil hohe Anforderungen an die großtechnische Herstellung der Federelemente. Diese werden üblicherweise in Formen hergestellt, beispielsweise geschäumt im Falle von Federelementen auf Basis zelliger Polyisocyanat-Polyadditionsprodukte. Bei der Entformung kann es je nach Tiefe der rechteckigen Vertiefungen zu Beschädigungen der Teile kommen. Die Vertiefungen im Federelement können aber auch dadurch hergestellt werden, dass sie nach der Fertigung des Federelements ausgeschnitten oder ausgefräst werden. Gerade für Bauteile in Kleinserie kann diese Art der Fertigung auch wirtschaftlich interessant sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Profile gerundet, insbesondere halbkreisförmig. Die Herstellung derartiger Profile ist aus fertigungstechnischer Sicht besonders vorteilhaft. Um einen sicheren Halt des Stützrings im Federelement zu gewährleisten, ist im Vergleich zu den eckigen Profilen eine größere radiale Überdeckung des Stützringrandes durch das Federelement erforderlich. Dies bedeutet, dass die Vertiefung in radialer Richtung größer sein muss als bei den eckigen Profilen, um denselben Halt zu gewährleisten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Profil des äußeren Randes des Stützrings im Bereich der Wellenberge derart gestaltet, dass von beiden stirnseitigen Oberflächen des Stützrings radial nach außen jeweils konkave Flanken ausgebildet sind, die über eine konvexe Spitze miteinander verbunden sind. Diese Ausführungsform vereint die Vorteile der eckigen und der runden Profile, sie ist mit geringem Beschädigungsrisiko fertigbar und bietet einen guten Halt des Stützrings bei vergleichsweise geringer radialer Überdeckung.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die konkaven Flanken und die konvexe Spitze gerundet. Die Übergänge von den konkaven Flanken in die konvexe Spitze werden als Wendepunkte bezeichnet. Vorteilhaft ist in axialer Richtung betrachtet der Abstand zwischen den beiden Wendepunkten größer als die Summe der Abstände zwischen den Wendepunkten und den Ebenen durch die axialen Stirnseiten des Stützrings.
Die Überdeckung des Stützringrandes durch das Federelement ist vorzugsweise derart gestaltet, dass der Innenradius des Federelements an der Stirnseite im Bereich der Wellenberge von 1 bis 6 mm, besonders bevorzugt von 1 bis 4 mm, insbesondere von 1,5 bis 3 mm kleiner ist als der Außenradius des Stützrings im Bereich der Wellenberge. Die Materialstärke des den Stützring überdeckenden, stirnseitigen Teils des Federelements in axialer Richtung beträgt bevorzugt von 1 bis 8 mm, besonders bevorzugt von 1,5 bis 5 mm, insbesondere von 2 bis 3 mm. Die stirnseitige Oberfläche des Federelements überragt die stirnseitige Oberfläche des Stützrings in axialer Richtung bevorzugt von 0,5 bis 5 mm, besonders bevorzugt von 1 bis 3 mm. Dieser Überstand gewährleistet, dass bei einer axialen Druckbelastung des Federelements von unten zunächst dämpfendes Material des Federelements komprimiert wird, bevor der Stützring mit dem Einbauraum der Karosserie eines Kraftfahrzeugs in Kontakt kommen kann. Dadurch werden Klappergeräusche beim Fahren deutlich verringert oder gänzlich vermieden.
Aus fertigungstechnischen Gründen sowie aus Gründen der Stabilität des Federelements darf eine bestimmte Mindestmaterialstärke der Außenwand des Federelements nicht unterschritten werden. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Materialstärke, gemessen als Abstand von der Vertiefung im Bereich der Wellenberge zur äußeren Mantelfläche des Federelements, mindestens 2 mm, besonders bevorzugt mindestens 4 mm. Als Abstand ist die kürzeste Entfernung zwischen einem Punkt der Vertiefung im Bereich eines Wellenberges zu einem Punkt auf der äußeren Mantelfläche zu verstehen.
Das Federelement kann für Zusatzfedern allgemein übliche Maße, d. h. Längen und Durchmesser annehmen. Bevorzugt weist das Federelement eine Höhe zwischen 30 mm und 200 mm, besonders bevorzugt zwischen 40 mm und 150 mm auf. Bevorzugt beträgt der äußere Durchmesser des Federelements an seiner weitesten Stelle zwischen 30 mm und 150 mm, besonders bevorzugt zwischen 40 mm und 70 mm. Der Innendurchmesser des Hohlraums des Federelementes beträgt vorzugsweise zwischen 6 mm und 35 mm. Dämpfungselemente, bei denen der Außenradius des Stützrings im Bereich der Wellenberge im Verhältnis zum maximalen Außenradius des Federelements möglichst groß gewählt wird, zeichnen sich durch besonders hohe Versteifung im oberen Bereich des Federelements aus. Eine geringe Differenz zwischen dem Innenradius und dem Radius des Stützrings am Fuß der Wellentäler bewirkt eine Reduzierung der Biegesteifigkeit des Stützrings, die sowohl für den Einbau als auch im Betrieb Vorteile bietet.
Erfindungsgemäß werden die Bauteile Federelement und Stützring separat gefertigt und anschließend komplettiert. Dies hat den Vorteil, dass die einzelnen Herstellschritte effizient und kostengünstig durchgeführt werden können, und dass eine Qualitätskontrolle nach der jeweiligen Fertigung möglich ist. Im Vergleich zu Verfahren, bei denen die Bauteile kombiniert hergestellt werden, z. B. durch Umschäumen eines vorgefertigten Stützringes, lassen sich somit durch Ausschuss entstehende Kosten minimieren.
Das erfindungsgemäße Dämpfungselement kann von Hand komplettiert werden, indem der Stützring von oben in das Federelement gedrückt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Stützring in axialer Richtung symmetrisch ausgestaltet. Dadurch wird die Montage vereinfacht, da es bei einem derartigen Stützring keine Rolle spielt, welche Stirnseite nach oben montiert wird.
Anhand der Zeichnungen wird im Folgenden die Erfindung weiter erläutert, wobei die Zeichnungen als Prinzipdarstellungen zu verstehen sind. Sie stellen keine Beschränkung der Erfindung, beispielsweise im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Ausgestaltungsvarianten von Bauteilen des Dämpfungselementes, dar. Es zeigen:
1: Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Dämpfungselements mit Stützring und Federelement vor dem Zusammenbau
2: Aufsicht und Ansicht des erfindungsgemäßen Stützrings gemäß 1
3: Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Federelement im Bereich der Vertiefung
4: Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Federelement (Wellentäler)
5: Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Federelement (Wellenberge) mit Detailansicht der Vertiefung
6 bis 9: Ansichten und Schnitte eines konkreten Ausführungsbeispiels
Bezugszeichenliste

10: Stützring
11: Stirnseite des Stützrings
12: äußerer Rand des Stützrings
13: Fuß eines Wellentals des Stützrings
14: Innenrand des Stützrings
15: konkave Flanke des Randprofils des Stützrings
16: konvexe Spitze des Randprofils des Stützrings
20: Federelement
21: Stirnseite des Federelements
22: Stege
23: Vertiefung in der inneren Mantelfläche des Federelements
24: Radius der Vertiefung im Bereich eines Wellenberges
25: innere Mantelfläche des Federelements
26: äußere Mantelfläche des Federelements
27: maximaler Außenradius des Federelements
28: minimale Materialstärke des Federelements
29: stirnseitige Überdeckung
30: Achse
40: Konturelemente

1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Dämpfungselements mit Stützring 10 und Federelement 20 vor dem Zusammenbau. Der äußere Rand 12 des Stützrings wird durch sechs Wellenberge gebildet. Die minimale Materialstärke des Stützrings in radialer Richtung befindet sich zwischen dem Innenrand 14 und dem Fuß des jeweiligen Wellentals 13. Die obere Stirnseite 11 und die untere Stirnseite des Stützrings sind eben ausgebildet. Das Federelement 20 ist in perspektivischer Ansicht von oben auf die Stirnseite 21 dargestellt. Auf der Stirnseite 21 befinden sich Stege 22, die in diesem Beispiel fertigungsbedingt sind und aufgrund ihrer dünnen Ausführung kaum einen Beitrag zu den Dämpfungseigenschaften leisten. In anderen Ausführungsformen können allerdings durchaus Konturelemente auf der Stirnseite vorhanden sein, die die Dämpfungseigenschaften des Federelements in axialer und/oder radialer Richtung beeinflussen. Unterhalb der Stirnseite 21 weist das Federelement eine wellenförmige Vertiefung 23 in der inneren Mantelfläche 25 auf. Die Vertiefung 23 entspricht in der Anzahl der Wellenberge und Wellentäler sowie deren Dimension und Anordnung denen des Stützrings.
In 2 ist der Stützring gemäß 1 in einer Aufsicht auf die Stirnfläche und einer Ansicht senkrecht zur Stirnfläche dargestellt. Aus der Ansicht rechts in 2 ist das Profil des äußeren Rands 12 des Stützrings ersichtlich. Von den Stirnseiten 11 ausgehend verringert sich die Materialstärke jeweils in Form einer konkaven Flanke 15. Die maximale Ausdehnung in radialer Richtung bildet eine konvexe Spitze 16, die mit den beiden konkaven Flanken 15 verbunden ist.
3 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Federelement im Bereich der Vertiefung, in 4 als Schnitt C-C bezeichnet. Die maximale Ausdehnung der Vertiefung in radialer Richtung ist durch den Radius der Vertiefung 24 im Bereich der Wellenberge gegeben. Wie aus dieser Darstellung und der Schnittebene C-C in 4 hervorgeht, befindet sich bei diesem Ausführungsbeispiel der maximale Außenradius 27 des Federelements nicht in derselben Ebene wie der Radius der Vertiefung 24, sondern darunter.
4 entspricht einem Längsschnitt durch das Federelement entlang der Achse und durch zwei gegenüberliegende Wellentäler. In 3 ist dieser Schnitt mit A-A gekennzeichnet. Wie 4 zu entnehmen ist, findet bei diesem Ausführungsbeispiel in den Wellentälern keine Überdeckung des Stützrings statt. Die Vertiefungen 23 mit den entsprechenden Überdeckungen befinden sich in den Bereichen der Wellenberge. Dies ist jedoch kein zwingendes Merkmal. Ein erfindungsgemäßes Dämpfungselement kann durchaus auch derart gestaltet sein, dass das Federelement den Stützring auch im Bereich der Wellentäler überdeckt.
Die innere Mantelfläche 25 ist in diesem Beispiel im oberen Bereich des Federelements konisch ausgeformt mit sich erweiterndem Querschnitt in Richtung der oberen Stirnseite 21. Im mittleren Bereich ist die innere Mantelfläche 25 zylindrisch mit kreisförmigem Querschnitt und einer umlaufenden Einbuchtung versehen. Sie weist mehrere Konturelemente 40 auf, die von der Mantelfläche 25 in Richtung der Achse 30 vorstehen. Diese Konturelemente 40 sind so dimensioniert, dass nach Montage des Dämpfungselements auf einer Kolbenstange eines Stoßdämpfers eines Kraftfahrzeugs bei einer axialen und/oder radialen Relativbewegung zwischen Kolbenstange und Dämpfungselement zunächst die Konturelemente 40 mit der Kolbenstange in Kontakt treten, bevor gegebenenfalls die innere Mantelfläche 25 die Kolbenstange berührt. Dadurch wird sichergestellt, dass durch das Dämpfungselement Quietschgeräusche beim Fahren deutlich verringert oder gänzlich vermieden werden. Die konkrete Form und Funktion der Konturelemente 40 ist als beispielhaft anzusehen. Dem Fachmann sind auch andere Formen und Dimensionen geläufig.
5 entspricht einem Längsschnitt durch das Federelement entlang der Achse und durch zwei gegenüberliegende Wellenberge. In 3 ist dieser Schnitt mit B-B gekennzeichnet. In dieser Darstellung sind deutlich die Form der Vertiefung sowie die Überdeckung des Stützrings zu erkennen. Die maximale Ausdehnung in radialer Richtung der Vertiefung ist deren Radius im Bereich eines Wellenbergs 24. In der Detailansicht auf der rechten Seite von 5 ist der im Längsschnitt auf der linken Seite eingekreiste Bereich vergrößert dargestellt. In der Detailansicht ist gut zu erkennen, dass die minimale Materialstärke zwischen Vertiefung und äußerer Mantelfläche nicht unbedingt der Abstand zwischen Radius der Vertiefung 24 und dem maximalen Außenradius 27 entsprechen muss. In 5 sind exemplarisch zwei weitere Abstände 28a und 28b als Pfeile eingezeichnet, die je nach konkreter Dimensionierung des Federelements die minimale Materialstärke des Federelements darstellen können. Zu beachten ist, dass die minimale Materialstärke 28 zur äußeren Mantelfläche 26 definiert ist und nicht zur Stirnseite 21. Nach oben wird die Vertiefung im Federelement durch eine stirnseitige Überdeckung 29 abgeschlossen. Analog zum Profil des Stützrings wird auch das Profil der Vertiefung 23 durch zwei konkave Flanken und eine mit diesen verbundene konvexe Spitze gebildet.
Beispiel
In 6 bis 9 sind Ansichten und Schnitte eines konkreten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dämpfungselements dargestellt. Das Federelement basiert auf einem zelligen Polyisocyanat-Polyadditionsprodukt, der Stützring ist aus thermoplastischem Polyurethan gefertigt. Die 6 zeigt Aufsicht und Ansicht des Stützringes analog zu der Darstellung in 2. In 7 ist ein Querschnitt durch das Federelement in Höhe des Radius der Vertiefung analog zu 3 abgebildet. Dieser Querschnitt ist in 8 mit D-D bezeichnet. 8 zeigt einen Längsschnitt entlang der Achse durch zwei Wellentäler analog zu 4. Dieser Schnitt ist in 7 mit A-A bezeichnet. 9 entspricht einem Längsschnitt entlang der Achse durch zwei Wellenberge analog zu 5. Dieser Schnitt ist in 7 mit B-B bezeichnet. Die Darstellungen in den 6 bis 9 sind maßstäblich. Die Längen- und Durchmesserangaben in den 6 bis 9 beziehen sich auf die Einheit Millimeter.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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DE 19548770 A1 [0011]
DE 19548771 A1 [0011]
DE 102004049638 A1 [0011]
WO 2005/019681 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 845 [0010]
DIN EN ISO 1798 [0010]
DIN EN ISO 1798 [0010]
DIN ISO 34-1 B (b) [0010]

Claims

Dämpfungselement umfassend ein hohles zylindrisches Federelement (20) sowie einen Stützring (10), wobei das Federelement (20) unterhalb der oberen Stirnseite (21) eine umlaufende Vertiefung (23) in der inneren Mantelfläche (25) aufweist, und der Stützring (10) in dieser Vertiefung (23) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Vertiefung (23) als auch der äußere Rand des Stützrings (12) in radialer Richtung wellenförmig ausgebildet sind, wobei Wellenberge und Wellentäler von Vertiefung und Stützring in Form, Größe und Anordnung einander entsprechen.
Dämpfungselement nach Anspruch 1, wobei die Vertiefung (23) und der äußere Rand des Stützrings (12) jeweils von 2 bis 10, bevorzugt von 4 bis 8, insbesondere 6 Wellenberge und Wellentäler aufweisen.
Dämpfungselement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wellenberge und Wellentäler in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Dämpfungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verhältnis der Summe der Umfangslängen von Wellenbergen zu Wellentälern am äußersten Umfang des Stützrings (12) mindestens zwei beträgt.
Dämpfungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Innenradius des Stützrings von 1,5 bis 4 mm, bevorzugt von 2 bis 3 mm kleiner ist als der Radius des Stützrings am Fuß der Wellentäler (13).
Dämpfungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die maximale Ausdehnung des Stützrings in axialer Richtung von 1 bis 30 mm, bevorzugt von 3 bis 10 mm, insbesondere von 4 bis 7 mm beträgt.
Dämpfungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verhältnis der Differenz zwischen dem Außenradius des Stützrings (12) im Bereich der Wellenberge und dem Radius der Vertiefung im Bereich der Wellenberge (24) zur Differenz zwischen dem maximalem Außenradius des Federelements (27) und dem Radius der Vertiefung im Bereich der Wellenberge (24) von 0% bis 20%, bevorzugt von 0% bis 15%, insbesondere von 0% bis 5% beträgt.
Dämpfungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Profil des äußeren Randes des Stützrings (12) im Bereich der Wellenberge derart gestaltet ist, dass von beiden stirnseitigen Oberflächen radial nach außen jeweils konkave Flanken (15) ausgebildet sind, die über eine konvexe Spitze (16) miteinander verbunden sind.
Dämpfungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Innenradius des Federelements an der Stirnseite im Bereich der Wellenberge von 1 bis 6 mm, bevorzugt von 1 bis 4 mm, insbesondere von 1,5 bis 3 mm kleiner ist als der Außenradius des Stützrings im Bereich der Wellenberge.
Dämpfungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Materialstärke des den Stützring überdeckenden, stirnseitigen Teils des Federelements (29) in axialer Richtung von 1 bis 8 mm, bevorzugt von 1,5 bis 5 mm, insbesondere von 2 bis 3 mm beträgt.
Dämpfungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Materialstärke, gemessen als Abstand von der Vertiefung im Bereich der Wellenberge zur äußeren Mantelfläche des Federelements (26), mindestens 2 mm, bevorzugt mindestens 4 mm beträgt.
Dämpfungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die stirnseitige Oberfläche des Federelements (21) die stirnseitige Oberfläche des Stützrings (11) von 0,5 bis 5 mm, bevorzugt von 1 bis 3 mm überragt.
Dämpfungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Federelement (20) auf Basis von zelligen Polyisocyanat-Polyadditionsprodukten gefertigt ist.
Dämpfungselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Stützring (10) aus einem harten Kunststoff, insbesondere auf Basis von thermoplastischem Polyurethan, Polyoxymethylen, Polypropylen oder Polyethylen, oder aus einem Gummi mit einer Härte von mindestens 60 Shore A gefertigt ist.
Kraftfahrzeug mit mindestens einem Dämpfungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 14.