DE102010041406A1 - Spring element, particularly additional spring for wheel suspension of motor vehicle, has spring body made of elastomer, where viscoelastic properties of elastomer changes under influence of external magnetic or electric force field - Google Patents

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Abstract

The spring element has a spring body (1) partially made of elastomer, where the viscoelastic properties of the elastomer changes under influence of an external magnetic or electric force field. The change in viscoelastic properties results into a change in stiffness or damping of the spring body. Magnetically or electrically polarizing particles are introduced in the elastomer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Federelement, insbesondere eine Zusatzfeder für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges, mit einem aus einem Elastomer bestehenden Federkörper, welcher auf einer Außenfläche einen variablen, eine Steifigkeit und eine Dämpfung des Federkörpers beeinflussenden Konturverlauf aufweist.The invention relates to a spring element, in particular an additional spring for a wheel suspension of a motor vehicle, having a spring body consisting of an elastomer, which has on an outer surface a variable, a stiffness and damping of the spring body influencing contour profile.

Federelemente aus einem Elastomermaterial kommen im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik vorzugsweise als Zusatzfedern von Stoßdämpfern, als Pralldämpfer oder als Endanschläge zum Einsatz. Auch im Bereich der Arbeitsmaschinen ist ein Einsatz von aus einem Elastomermaterial bestehenden Federelementen weit verbreitet. Hierbei werden durch das jeweilige Federelement äußere Kräfte und/oder Momente aufgenommen und Bewegungen bei der dabei auftretenden Verformung aufgrund der viskoelastischen Eigenschaften des Elastomers gedämpft. Dabei weist das jeweilige Federelement zumeist eine progressive Federkennlinie auf, die durch die äußere Formgebung und Werkstoffwahl festgelegt ist und im späteren Betrieb nur aufgrund der Alterung des Elastomermaterials Veränderungen unterworfen ist.Spring elements made of an elastomer material are used in the field of automotive engineering preferably as additional springs of shock absorbers, as impact absorbers or as end stops for use. Also in the field of work machines use of existing of an elastomeric spring elements is widely used. In this case, external forces and / or moments are absorbed by the respective spring element and damped movements in the deformation occurring due to the viscoelastic properties of the elastomer. In this case, the respective spring element usually has a progressive spring characteristic, which is determined by the outer shape and choice of material and is subjected to changes in later operation only due to the aging of the elastomeric material.

Aus der DE 200 16 151 U1 ist ein Federelement bekannt, welches einen aus einem Elastomer bestehenden Federkörper aufweist und insbesondere als Zusatzfeder einer Luftfederung eines Kraftfahrzeuges geeignet ist. Dabei weist der Federkörper einen im Wesentlichen zylindrischen Aufbau mit einer Innenbohrung auf, wobei eine Außenfläche mit einem variablen Konturverlauf gestaltet ist, indem der Außendurchmesser des Federkörpers u. a. durch mehrere Einschnürungen variiert wird. Dieser äußere, variable Konturverlauf des Federkörpers beeinflusst die Steifigkeit und die Dämpfung des Federkörpers, da sich bei einem Zusammenstauchen nacheinander die Flanken der einzelnen Einschnürungen aneinander legen und damit die Steifigkeit des Federelements erhöhen, sowie die Dämpfung verändern.From the DE 200 16 151 U1 a spring element is known, which has a spring body made of an elastomer and is particularly suitable as an additional spring of an air suspension of a motor vehicle. In this case, the spring body has a substantially cylindrical structure with an inner bore, wherein an outer surface is designed with a variable contour profile by the outer diameter of the spring body is varied, inter alia, by a plurality of constrictions. This outer, variable contour of the spring body influences the stiffness and damping of the spring body, as in a collapse, the flanks of the individual constrictions one another successively and thus increase the stiffness of the spring element, and change the damping.

Ausgehend von einem Federelement des Standes der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Federelement zur Verfügung zu stellen, bei welchem die Feder- und Dämpfungseigenschaften, neben durch die Gestaltung der Feder definierte Eigenschaften, auch während des Betriebes aktiv beeinflusst werden können. Dabei soll das erfindungsgemäße Federelement insbesondere für den Einsatz im Bereich einer Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges geeignet sein, um das NVH-Verhalten (Noise Vibration Harshness) aktiv beeinflussen oder eine Anpassung auf unterschiedliche Fahrbahnzustände oder Beladungszustände vornehmen zu können.Starting from a spring element of the prior art, it is the object of the present invention to provide a spring element in which the spring and damping properties, in addition to defined by the design of the spring properties, can also be actively influenced during operation. In this case, the spring element according to the invention should be suitable in particular for use in the area of a wheel suspension of a motor vehicle to actively influence the NVH behavior (noise vibration harshness) or to be able to adapt to different road conditions or loading conditions.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die darauf folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.This object is achieved on the basis of a preamble of claim 1 in conjunction with its characterizing features. The subsequent dependent claims give each advantageous embodiments of the invention.

Die Erfindung umfasst die technische Lehre, dass in dem Elastomer des Federkörpers metallische Partikel eingelagert sind, welche unter Einwirkung eines äußeren magnetischen oder elektrostatischen Kraftfeldes die viskoelastischen Eigenschaften des Elastomer verändern und damit eine Änderung der Steifigkeit und/oder der Dämpfung des Federkörpers herbeiführen. Vorteilhafterweise ist das Elastomer hierbei ein magnetorheologisches Elastomer.The invention includes the technical teaching that in the elastomer of the spring body metallic particles are incorporated, which change the viscoelastic properties of the elastomer under the action of an external magnetic or electrostatic force field and thus bring about a change in the stiffness and / or damping of the spring body. Advantageously, the elastomer is a magnetorheological elastomer.

Eine derartige Ausgestaltung eines Federelements hat den Vorteil, dass sich die Steifigkeit und/oder die Dämpfung auch abseits der konstruktiven Gestaltung und damit auch aktiv beim späteren Einsatz variieren lassen. Folglich ist eine gezielte Anpassung an äußere Parameter während des Betriebes möglich, beispielsweise eine Anpassung einer Zusatzfeder einer Radaufhängung an unterschiedliche Beladungszustände des Kraftfahrzeuges oder Unregelmäßigkeiten in der Fahrbahnbeschaffenheit. Folglich kann auch das NVH-Verhalten optimiert werden. Schließlich ist es durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Zusatzfeder möglich, ein Federelement universell für mehrere Einsatzfälle vorzusehen und anschließend eine individuelle Abstimmung auf die jeweiligen Betriebsparameter vorzunehmen.Such a design of a spring element has the advantage that the stiffness and / or the damping can also be varied away from the structural design and thus actively during later use. Consequently, a targeted adaptation to external parameters during operation is possible, for example, an adaptation of an additional spring of a wheel suspension to different loading conditions of the motor vehicle or irregularities in the road surface. Consequently, the NVH behavior can also be optimized. Finally, it is possible by the inventive design of an additional spring to provide a spring element universally for several applications and then make an individual vote on the respective operating parameters.

Demgegenüber ist das Federelement der DE 200 16 151 U1 hinsichtlich seiner Steifigkeit und Dämpfung initial durch die Formgebung sowie die Werkstoffauswahl festgelegt. Eine Anpassung an äußere Parameter ist nicht möglich, vielmehr muss eine derartige Zusatzfeder schon bei der Herstellung auf den jeweiligen Einsatzfall abgestimmt werden.In contrast, the spring element is the DE 200 16 151 U1 initially determined by the shape and the choice of materials in terms of its stiffness and damping. An adaptation to external parameters is not possible, but such an additional spring must be tuned during manufacture to the particular application.

Entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung bildet eine Spule das Kraftfeld aus, deren Wicklungen um eine radial zu einer Rotationsachse des Federkörpers verlaufende Wicklungsachse und durch eine Innenbohrung des Federkörpers hindurchgreifend gewickelt sind. Alternativ hierzu bildet eine Spule das Kraftfeld aus, deren Wicklungen um eine koaxial zu einer Rotationsachse des Federkörpers verlaufende Wicklungsachse gewickelt sind. In beiden Fällen lässt sich im Bereich des Federkörpers optimal ein Kraftfeld ausbilden, um auf die metallischen Partikel einzuwirken.According to one embodiment of the invention, a coil forms the force field whose windings are wound around a winding axis extending radially to a rotation axis of the spring body and through an inner bore of the spring body. Alternatively, a coil forms the force field whose windings are wound around a winding axis extending coaxially to a rotation axis of the spring body. In both cases, a force field can optimally be formed in the region of the spring body in order to act on the metallic particles.

In Weiterbildung der Erfindung weist die Spule eine den Konturverlauf des Federkörpers entsprechende Innenkontur auf. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass sich die Spule damit sehr dicht an dem Federkörper positionieren lässt und damit die Ausbildung des Kraftfelds im Bereich des Federkörpers weiter verbessert werden kann. Hierbei kann die Spule insbesondere entsprechend der Kontur des Federkörpers ebenfalls profiliert ausgestaltet sein.In development of the invention, the coil has a contour of the spring body corresponding inner contour. Such a configuration has the advantage that the coil can thus be positioned very close to the spring body and thus the formation of the force field in the region of Spring body can be further improved. In this case, the coil can also be designed profiled in particular according to the contour of the spring body.

Entsprechend einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Federkörper als rotationssymmetrisches Bauteil mit einem konischen Querschnitt ausgebildet. Hierdurch wird eine progressive Federkennlinie des Federelements erreicht.According to a further advantageous embodiment of the invention, the spring body is designed as a rotationally symmetrical component with a conical cross section. As a result, a progressive spring characteristic of the spring element is achieved.

Vorteilerhafterweise weist der Federkörper einen variablen, die Steifigkeit und die Dämpfung des Federkörpers beeinflussenden Konturverlauf auf.Vorteilerhafterweise, the spring body on a variable, the stiffness and the damping of the spring body influencing contour profile.

Vorteilhafterweise ist auf der Außenfläche des Federkörpers zumindest eine umlaufende Einkerbung vorgesehen. Durch diese Maßnahme kann die Steifigkeit und die Dämpfung des Federelements generell beeinflusst werden.Advantageously, at least one circumferential notch is provided on the outer surface of the spring body. By this measure, the stiffness and the damping of the spring element can be influenced in general.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Further, measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of preferred embodiments of the invention with reference to FIGS.

Es zeigt:It shows:

1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Federelements gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und 1 a sectional view of a spring element according to the invention according to a first preferred embodiment of the invention; and

2 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Federelements gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. 2 a sectional view of a spring element according to the invention according to a second preferred embodiment of the invention.

Aus 1 ist eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Federelements gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich. Dieses Federelement setzt sich aus einem Federkörper 1 zusammen, welcher aus einem magnetorheologischen Elastomer besteht und einen konischen Querschnitt aufweist, sowie als rotationssymmetrisches Bauteil ausgeführt ist. Das magnetorheologische Elastomer besteht dabei aus einer Elastomermatrix mit darin dispergierten magnetisch aktiven Partikeln, welche unter Einwirkung eines äußeren magnetischen Kraftfeldes zu einer Veränderung der viskoelastischen Eigenschaften des Elastomers und damit zu einer Variation der Steifigkeit und der Dämpfung des Federkörpers 1 führen.Out 1 is a sectional view of a spring element according to the invention according to a first preferred embodiment of the invention can be seen. This spring element is composed of a spring body 1 together, which consists of a magnetorheological elastomer and has a conical cross section, and is designed as a rotationally symmetrical component. The magnetorheological elastomer consists of an elastomer matrix with dispersed therein magnetically active particles, which under the action of an external magnetic force field to a change in the viscoelastic properties of the elastomer and thus to a variation of the stiffness and the damping of the spring body 1 to lead.

Um nun das Kraftfeld im Bereich des Federkörpers 1 ausbilden zu können, ist im Bereich des Federkörpers 1 eine Spule 2 vorgesehen, deren Wicklungen 3 um eine radial zu einer Rotationsachse 4 des Federkörpers 1 verlaufende, in 1 in die Zeichenebene hinein weisende Wicklungsachse gewickelt sind und dabei durch eine Innenbohrung 5 des Federkörpers 1 hindurchgreifen.To now the force field in the area of the spring body 1 Being able to train is in the area of the spring body 1 a coil 2 provided, whose windings 3 around a radial axis of rotation 4 of the spring body 1 running, in 1 are wound in the plane pointing in winding axis and thereby through an internal bore 5 of the spring body 1 reach through.

Wie des Weiteren aus 1 ersichtlich ist, sind auf der Außenfläche des Federkörpers 1 zwei umlaufende Einkerbungen 6 und 7 vorgesehen. Ferner ist zu erkennen, dass eine Innenkontur der Spule 2 im Wesentlichen dem Konturverlauf des Federkörpers 1 entspricht, so dass die Spule 2 den Federkörper 1 sehr dicht umschlingt und ebenfalls einen konischen Querschnitt aufweist. Dadurch wird eine verbesserte Ausbildung des magentischen Kraftfeldes im Bereich des Federkörpers 1 erreicht.As further out 1 it can be seen are on the outer surface of the spring body 1 two circumferential notches 6 and 7 intended. Furthermore, it can be seen that an inner contour of the coil 2 essentially the contour of the spring body 1 matches, so the coil 2 the spring body 1 wraps around very tightly and also has a conical cross-section. This results in an improved design of the magnetic force field in the region of the spring body 1 reached.

Im stromlos geschalteten Zustand der Spule 2 wird eine Steifigkeit und eine Dämpfung des Federelements durch die Geometrie, insbesondere den Konturverlauf der Außenfläche des Federkörpers 1, und die Materialeigenschaften des magnetorheologischen Elastomers ohne Einwirkung eines äußeren Kraftfelds bestimmt. In diesem Fall wird also ein progressiver Verlauf der Federsteifigkeit des Federelements im Wesentlichen durch den konischen Querschnitt, sowie die Einkerbungen 6 und 7 bei einem Stauchen des Federkörpers 1 definiert.In the de-energized state of the coil 2 is a stiffness and damping of the spring element by the geometry, in particular the contour of the outer surface of the spring body 1 , and determines the material properties of the magnetorheological elastomer without the action of an external force field. In this case, therefore, a progressive course of the spring stiffness of the spring element essentially by the conical cross section, as well as the notches 6 and 7 at a compression of the spring body 1 Are defined.

Wird nun allerdings die Spule 2 mit einem Strom beaufschlagt und stellt sich daraufhin im Bereich des Federkörpers 1 ein der Stromstärke entsprechendes Magnetfeld ein, so ordnen sich die in der Elastomermatrix dispergierten magnetisch aktiven Partikel kettenartig an, so dass die viskoelastischen Eigenschaften des Elastomers verändert werden und insgesamt eine Variation der Steifigkeit und der Dämpfung des Federelements auftritt.Now, however, the coil 2 subjected to a current and then arises in the area of the spring body 1 a magnetic field corresponding to the current intensity, the magnetically active particles dispersed in the elastomer matrix are arranged in a chain-like manner, so that the viscoelastic properties of the elastomer are changed and overall a variation of the stiffness and the damping of the spring element occurs.

Aus 2 geht eine Schnittansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Federelements hervor. Im Unterschied zu der im Vorfeld beschriebenen Variante sind in diesem Fall die Wicklungen 3' einer Spule 2' um eine koaxial zu der Rotationsachse 4 des Federkörpers 1 verlaufende Wicklungsachse gewickelt, die Wicklungen 3' weisen also im vorliegenden Fall in die Zeichenebene hinein. Zudem greifen die Wicklungen 3' nicht durch die Innenbohrung 5 des Federkörpers 1 hindurch.Out 2 shows a sectional view of a second preferred embodiment of a spring element according to the invention. In contrast to the previously described variant, the windings are in this case 3 ' a coil 2 ' around a coaxial with the axis of rotation 4 of the spring body 1 extending winding axis wound, the windings 3 ' Thus, in the present case, they point into the plane of the drawing. In addition, the windings engage 3 ' not through the inner bore 5 of the spring body 1 therethrough.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Federelements ist es möglich, die Steifigkeit und die Dämpfung des Federelements durch Strombeaufschlagung der Spule 2 bzw. 2' mittels einer damit einhergehenden Veränderung der viskoelastischen Eigenschaften des magnetorheologischen Elastomers gezielt zu variieren. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße Federelement während des Betriebes entsprechend äußerer Parameter aktiv auf eine bestimmte Charakteristik eingestellt werden, so dass für unterschiedliche Betriebspunkte unterschiedliche optimale Steifigkeiten und Dämpfungen verwirklicht werden können. Bei Anwendung des Federelements im Bereich einer Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges kann somit gezielt auf verschiedene Beladungszustände oder Zustände der Fahrbahn reagiert werden bzw. unerwünschten Geräuschen oder Vibrationen gezielt entgegengewirkt werden.The inventive design of a spring element, it is possible, the stiffness and damping of the spring element by applying electricity to the coil 2 respectively. 2 ' to vary specifically by means of a concomitant change in the viscoelastic properties of the magnetorheological elastomer. Accordingly, the spring element according to the invention can be actively adjusted to a specific characteristic during operation in accordance with external parameters, so that for different operating points, different optimum stiffnesses and dampings can be realized. When the spring element is used in the region of a wheel suspension of a motor vehicle, it is therefore possible to respond specifically to different loading states or states of the roadway or to deliberately counteract unwanted noises or vibrations.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Federkörperspring bodies
2, 2'2, 2 '
SpuleKitchen sink
3, 3'3, 3 '
Wicklungenwindings
44
Rotationsachseaxis of rotation
55
Innenbohrunginternal bore
66
Einkerbungnotch
77
Einkerbungnotch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 20016151 U1 [0003, 0008] DE 20016151 U1 [0003, 0008]

Claims (9)

Federelement, insbesondere Zusatzfeder für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges, mit einem aus einem Elastomer bestehenden Federkörper (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Federkörper teilweise aus einem Elastomer besteht, welches unter Einwirkung eines äußeren magnetischen oder elektrischen Kraftfeldes seine viskoelastischen Eigenschaften verändern und damit eine Änderung der Steifigkeit und/oder der Dämpfung des Federkörpers (1) herbeiführt.Spring element, in particular auxiliary spring for a wheel suspension of a motor vehicle, with a spring body consisting of an elastomer ( 1 ), characterized in that the spring body partially consists of an elastomer, which change its viscoelastic properties under the action of an external magnetic or electric force field and thus a change in the stiffness and / or the damping of the spring body ( 1 ) brought about. Federelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in das Elastomer magnetisch und/oder elektrisch polarisierende Partikel eingebracht sind.Spring element according to claim 1, characterized in that in the elastomer magnetically and / or electrically polarizing particles are introduced. Federelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfeld zumindest durch eine Spule (2) ausgebildet ist, deren Wicklungen (3) um eine radial zu einer Rotationsachse (4) des Federkörpers (1) verlaufende Wicklungsachse und durch eine Innenbohrung (5) des Federkörpers (1) hindurchgreifend gewickelt sind.Spring element according to claim 1 or 2, characterized in that the force field at least by a coil ( 2 ) whose windings ( 3 ) about a radial axis of rotation ( 4 ) of the spring body ( 1 ) extending winding axis and by an inner bore ( 5 ) of the spring body ( 1 ) are wound through. Federelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfeld zumindest durch eine Spule (2') ausgebildet ist, deren Wicklungen (3') um eine koaxial zu einer Rotationsachse (4) des Federkörpers (1) verlaufende Wicklungsachse gewickelt sind.Spring element according to claim 1 to 3, characterized in that the force field at least by a coil ( 2 ' ) whose windings ( 3 ' ) about a coaxial to a rotation axis ( 4 ) of the spring body ( 1 ) extending winding axis are wound. Federelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Spule (2; 2') eine dem Konturverlauf des Federkörpers (1) entsprechende Innenkontur aufweist.Spring element according to claim 3 or 4, characterized in that at least one coil ( 2 ; 2 ' ) a the contour of the spring body ( 1 ) has corresponding inner contour. Federelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Federkörper (1) als rotationssymmetrisches Bauteil mit einem konischen Querschnitt ausgebildet ist.Spring element according to one of the preceding claims, characterized in that the spring body ( 1 ) is formed as a rotationally symmetrical component with a conical cross section. Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Federkörper auf der Außenfläche einen variablen insbesondere die Steifigkeit und die Dämpfung des Federkörpers beeinflussenden Konturverlauf aufweist.Spring element according to one of claims 1 to 5, characterized in that the spring body on the outer surface has a variable in particular the stiffness and the damping of the spring body influencing contour profile. Federelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenfläche des Federkörpers (1) zumindest eine umlaufende Einkerbung (6, 7) vorgesehen ist.Spring element according to one of the preceding claims, characterized in that on the outer surface of the spring body ( 1 ) at least one circumferential notch ( 6 . 7 ) is provided. Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges, umfassend zumindest ein Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Wheel suspension of a motor vehicle, comprising at least one spring element according to one of claims 1 to 8.
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