-
Die Erfindung betrifft ein Federbein mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.
-
Bei Federbeinen ist die optimale Lage des Kraftvektors in Bezug auf dessen Wirkrichtung (Solllage) und die tatsächlich vorherrschende Lage des Kraftvektors (Wirklinie) nicht kongruent.
-
Insbesondere spiralförmige Tragfedern eines Federbeins weisen im Fahrbetrieb einen belastungsabhängigen Querkraftanteil auf, wobei dieser in einem Betriebpunkt minimal sein kann. Ist die Wirklinienlage des Kraftvektors im Betriebspunkt (Konstruktionslage) mit der geometrisch gewünschten Solllage deckungsgleich, so ist für diesen Betriebszustand der optimale Zustand erreicht, wobei über den gesamten Arbeitsbereich (Ein- und Ausfedern) der Tragfeder kein querkraftfreier Zustand mehr ermöglicht ist.
-
Unter der Solllage des Federbein-Kraftvektors ist diejenige Orientierung des Kraftvektors zu verstehen, in der keine Querkräfte auf Dämpferkolben/-stange und auf die Dichtungselemente an Dampferkolben und Dämpferstange wirken.
-
Für ein rotationssymmetrisches Federbein bedeutet dies, dass zwischen der Wirklinie des Kraftvektors und dem Mittelpunkt des Federbein-Fußgelenks kein Hebelarm wirkt und die hierdurch erzeugten Momente, Abstützkräfte an Dampferkolben/-stange und an der Kolbenstangenführung, insbesondere an den Dichtungselementen an Dämpferkolben und Dampferstange, verursachen.
-
Weiterhin wird bei Federbeinen zur Veränderung des Querkraftanteils einer Tragfeder bzw. zur manuellen Korrektur der querkraftbedingten Abstützkräfte zumindest eine Keilscheibe an zumindest einem Tragfederende untergelegt, wodurch ein verbesserter Deckungsanteil von der vorherrschenden Wirklinie und der Soll-Wirklinie – sprich Solllage – erzielt ist.
-
Nachteile herkömmlicher Federbeine und der damit verbundenen manuellen Korrektur begründen sich im erheblichen messtechnischen und maschinellen Aufwand zur Ermittlung der Keilscheibendicke sowie bei der Positionierung der Keilscheibe im Fertigungsprozess.
-
Die
DE 10 2009 011 669 A1 offenbart ein mechanisches, selbstkorrigierendes Federbein mit einem teleskopierbaren Stoßdämpfer und einer Tragfeder, wobei das Federbein zur Abstützung eines Fahrzeugaufbaus gegenüber einer Radaufhängung geeignet ist. Die Tragfeder liegt mit zumindest einem Ende an einer korrespondierenden Federaufnahme auf, wobei sich diese gegenüber einem Widerlager abstützt. Zur freien Einstellung eines Momentanpols weist das Federbein einen kardanisch wirkenden Stützkörper auf, der es ermöglicht, dass die Wirklinie der Federkraft in allen Betriebszuständen des Federbeins in der gewünschten Solllage gehalten wird.
-
Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist die Komplexität des Federbeins und der sich daraus ergebende Einbauraum. Insbesondere die aufwändige Mechanik des kardanisch wirkenden Stützkörpers wirkt sich negativ auf die Herstellungskosten sowie auf das Gewicht eines solchen Federbeins aus. Ferner ist bei derartigen mechanischen Bauteilen mit einem erhöhten Verschleiß zu rechnen, was zu höheren Wartungskosten führen kann.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein verbessertes, selbstkorrigierendes Federbein anzugeben, welches die Wirklinie der Federkraft in allen Betriebszuständen des Federbeins in einer geometrischen Solllage hält. Ferner soll das Federbein einen geringeren Einbauraum benötigen, verschleißfrei, leicht und kostengünstig ausführbar sein.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist der Stützkörper ein wenigstens teilweise mit einem Dämpfungsmedium gefüllter ringförmiger Hohlkörper. Der kardanisch weiche, in Axialrichtung steife Stützkörper kann auf einfache Art und Weise aus einem biegsamen und druckfesten Material hergestellt werden. Eine Auflagefläche des Stützkörpers, die in direkter Wirkverbindung mit einer Auflagefläche eines Widerlagers bzw. mit einer Auflagefläche einer Federaufnahme stehen kann, kann so gestaltet werden, dass eine Wirkfläche des Stützkörpers im Arbeitsbereich des Federbeins annähernd konstant bleibt.
-
Vorteilhaft ist dabei, dass die Einfederung des Stützkörpers hauptsächlich über die Verformung der Flanken des Stürzkörpers erfolgen kann. Weiterhin vorteilhaft ist dabei, dass das Dämpfungsmedium frei im ringförmigen Hohlkörper zirkulieren kann, so dass die Wirklinie der Federkraft in allen Betriebszuständen des Federbeins bei einer auftretenden Seitenkraft selbstkorrigierend in die geometrische Solllage bewegt wird.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegen Erfindung zu verlassen.
-
Vorzugsweise kann das im ringförmigen Hohlkörper enthaltene Dämpfungsmedium eine Flüssigkeit, insbesondere ein Hydrauliköl sein, das einerseits als inkompressibles Medium Abstützkräfte überträgt und andererseits durch die Zirkulation im ringförmigen Hohlkörper kardanische Bewegungen zwischen einer Tragfeder und einem Widerlager zulässt.
-
Dadurch, dass der ringförmige Hohlkörper die Form eines Torus aufweist, kann das Dämpfungsmedium frei im Hohlkörper zirkulieren und dementsprechend die Wirklinie der Federkraft in allen Betriebszuständen des Federbeins in der gewünschten Solllage halten.
-
Alternativ kann der ringförmige Hohlkörper einen U-förmigen Querschnitt oder einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt aufweisen, wobei die Abschnitte wiederum einen unterschiedlichen radialen Abstand zu einer Kolbenstange aufweisen. Da derartige Stützkörper keine asymmetrische Kraftverteilung in dessen Auflagefläche aufweisen, kann hierdurch eine symmetrische und momentenarme Kraftübertragung ermöglicht werden. Mit anderen Worten ausgedrückt, überträgt der Stützkörper kein oder lediglich ein geringes kardanisches Moment.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der ringförmige Hohlkörper unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Hierdurch kann mit einfachen Mitteln der Strömungswiderstand für das Dämpfungsmedium erhöht werden, wodurch die Geschwindigkeit, mit der sich die Wirklinie der Federkraft verändert, steuerbar ist.
-
Zudem kann es von Vorteil sein, wenn der ringförmige Hohlkörper zumindest eine Abtrennung aufweist. Die zumindest eine Abtrennung kann radial angeordnet sein, so dass der Hohlkörper in zumindest zwei Kammern unterteilt wird. Durch die eingeschränkte Zirkulation des Dämpfungsmediums kann die kardanische Bewegung zwischen Tragfeder und Widerlager eingeschränkt werden. Ferner kann die Abtrennung eine Ausnehmung, bspw. eine Drosselbohrung aufweisen, die zwei nebeneinander liegende Kammern miteinander verbindet. Hierdurch kann bspw. auch Luft als Dämpfungsmedium verwendet werden. Ebenso können durch zumindest einen Bypass unterschiedliche Kammern miteinander verbunden werden. Alternativ ist es möglich, dass der ringförmige Hohlkörper zumindest eine im Wesentlichen parallel zu den Flanken und/oder im Wesentlichen parallel zu den Auflageflächen des Stützkörpers angeordnete Abtrennung aufweist. Hierdurch lässt sich der Stützkörper in einzelne Ringkanäle segmentieren. Die radiale als auch im Wesentlichen parallele Segmentierung des Hohlkörpers vermeidet ein vollständiges Entweichen des Dämpfungsmediums bei einer Leckage, wobei in Ausgestaltung der Erfindung ein einstückiges Ausbilden von Abtrennung und Hohlkörper möglich ist. Weiterhin ist es denkbar, die Abtrennung nachträglich, bspw. durch ein Vulkanisationsverfahren oder durch Kleben, mit dem Hohlkörper zu verbinden.
-
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Stützkörper wenigstens einen Anschluss zum Befüllen und/oder Entleeren des ringförmigen Hohlkörpers für ein Dämpfungsmedium aufweist. Vorzugsweise kann ein Ventil als Anschluss verwendet werden. Dessen ungeachtet ist es ebenfalls denkbar, nach dem Einbringen des Dämpfungsmediums den Anschluss zu versiegeln. Abhängig von der Menge des eingebrachten Dämpfungsmediums kann die axiale Erstreckung des Hohlkörpers verändert werden, wodurch sich das Federbein verlängert oder verkürzt. Hierdurch kann mit einfachen Mitteln die Bodenfreiheit zwischen dem Fahrzeugaufbau und der Fahrbahnoberfläche eingestellt werden. Vorzugsweise ist – in Einbaulage des Federbeins – der Anschluss an der Oberseite des Stötzkörpers angeordnet. Ferner kann der Anschluss auch an der Unterseite des Stützkörpers angeordnet sein. Dadurch, dass die Oberseite des Stötzkörpers sich am oberen Widerlager bzw. die Unterseite des Stützkörpers sich am unteren Widerlager oder an der Federaufnahme abstützt, ist durch den Anschluss, zusätzlich zur kraftschlüssigen Verbindung, eine formschlüssige Verbindung zwischen Stützkörper und Widerlager ermöglicht. In einer weiteren Ausführungsform kann der Anschluss auch seitlich an den Flanken des Stützkörpers angeordnet sein. Eine Kombination aus oberem und seitlichem Anschluss ist ebenfalls denkbar.
-
Dadurch, dass der Stützkörper Abstützkräfte übertragen und kardanische Bewegungen ausführen muss ist es vorteilhaft, wenn dieser aus einem elastischen Material besteht. Zur Verstärkung des elastischen Materials kann in dieses eine oder mehrere Gewebelagen eingebracht sein. Vorzugsweise ist das elastische Material des Stützkörpers ein Elastomer oder ein Silikon.
-
Im Folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
-
Dabei zeigen:
-
1 ausschnittsweise einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes ABC-Federbein,
-
2 ausschnittsweise einen Axialschnitt des Abstützkörpers mit einer Kippwinkelbegrenzung,
-
3 ausschnittsweise einen Axialschnitt des Abstützkörpers mit einer weiteren Kippwinkelbegrenzung,
-
4 ausschnittsweise einen Axialschnitt des Abstützkörpers mit einem Anschluss,
-
5 ausschnittsweise einen Axialschnitt des Abstützkörpers, wobei der Abstützkörper eine symmetrische Kraftübertragung ermöglicht, und
-
6 ausschnittsweise einen Axialschnitt des Abstützkörpers, wobei der alternative Abstützkörper ebenfalls eine symmetrische Kraftübertragung ermöglicht.
-
1 zeigt ausschnittsweise den oberen Teil eines in Einbaulage dargestellten Federbeins 1 für ein aktiv geregeltes Fahrwerk eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einen Pkw. Das Federbein 1 umfasst im Wesentlichen einen nicht dargestellten Stoßdämpfer, eine Kolbenstange 2, eine Tragfeder 3, die einen nicht dargestellten Fahrzeugaufbau gegenüber einer ebenfalls nicht dargestellten Radaufhängung abstützt, sowie einen aus Stahl oder Aluminium bestehenden Hydraulikkolben 4. Die vorzugsweise aus Stahl oder Aluminium hergestellte Kolbenstange 2, ist an ihrem unteren Ende verschieblich im Stoßdämpfer gelagert und durchgreift mit ihrem oberen Ende den Hydraulikkolben 4. Eine obere und eine untere Radialdichtung 5, 5' dichten die Kolbenstange 2 und den zur Kolbenstange 2 verfahrbaren Hydraulikkolben 4 gegeneinander ab. Die Tragfeder 3, die bspw. eine aus Stahl oder Aluminium gefertigte Spiralfeder sein kann, liegt mit einem Kopfteil 6 und einem nicht dargestellten Fußteil an je einer aus Kunststoff oder Schaumstoff gebildeten Federaufnahme 7 auf. Die ringförmige Federaufnahme 7 weist in ihrer axialen Erstreckung unterschiedliche Dicken auf, um die zur Axialrichtung A des Federbeins 1 schräg verlaufende Windungen am Kopf- und Fußteil 6 der spiralförmigen Tragfeder 3 auszugleichen. Zu diesem Zweck liegt die Tragfeder 3 an der Unterseite der Federaufnahme 7 zumindest teilweise an dieser auf, wobei die Oberseite der Federaufnahme 7 eine Ringfläche in einer Ebene bildet. Die Federaufnahme 7 kann mit einem aus Kunststoff oder Aluminium gebildeten unteren Widerlager 8' fest verbunden sein bzw. mit diesem ein einstückiges Bauteil bilden. An der ringförmigen Auskragung des zylindrischen Hydraulikkolbens 4 weist dieser ein oberes Widerlager 8 auf. Zur querkraftfreien Lagerung des Hydraulikkolbens 4 und der Kolbenstange 2 gegenüber der Tragfeder 3 ist zwischen dem oberen und dem unteren Widerlager 8, 8' ein Stützkörper 9 angeordnet. Zusätzlich kann ein weiterer nicht dargestellter Stützkörper 9 am Fußteil der Tragfeder 3 angeordnet sein. Der Stützkörper 9 ist erfindungsgemäß als ringförmiger Hohlkörper 9' ausgebildet und zumindest teilweise mit einem Dämpfungsmedium, insbesondere einem Hydrauliköl gefüllt. Auch ist es möglich, dass mehrere Stützkörper 9 in axialer Erstreckung des Federbeins 1 hintereinander angeordnet sein können.
-
2 zeigt ausschnittsweise den ringförmigen Stützkörper 9, insbesondere den Hohlkörper 9' mit einer oberen und einer unteren Kippwinkelbegrenzung 10, 10'. Die Kippwinkelbegrenzung 10, 10' kann bspw. durch einen außerhalb des Hohlkörpers 9' liegenden umlaufenden Steg gebildet sein. Vorzugsweise weisen das obere und das unter Widerlager 8, 8' radial zum Hydraulikkolben 4 gerichtete Fortsätze auf, deren abgewinkelte Enden sich in Axialrichtung A des Federbeins 1 gegenüberliegen, so dass auf der dem Hydraulikkolben 4 zugeordneten, inneren Flanke des Hohlkörpers 9' ein oberer und ein unterer ringförmiger Steg gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die aus Stahl oder Aluminium gebildete Kippwinkelbegrenzung 10, 10' auch auf der radial außen liegenden Seite, also an der äußeren Flanke des Hohlkörpers 9' angeordnet werden. Dadurch, dass der Hohlkörper 9' kardanisch weich und in Axialrichtung A des Federbeins 1 nachgiebig ausgebildet ist, erfolgt die Verformung des Hohlkörpers 9' hauptsächlich über dessen Flanken. Die Verformung der Flanken führt dazu, dass die obere und die untere Kippwinkelbegrenzung 10, 10' aufeinander zu bewegt werden und, bei einer entsprechend starken Verformung der Flanken, in Anlage zueinander geraten. Durch die sich in Anlage zueinander befindenden Kippwinkelbegrenzungen 10, 10' wird der Kippwinkel zwischen dem Federbein 1 und der Tragfeder 3 begrenzt.
-
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann der Hohlkörper 9' auch eine innerhalb des Hohlkörpers 9' liegende Kippwinkelbegrenzung 10, 10', bspw. in Form eines ringförmigen Stegs, aufweisen. Wie in 3 gezeigt, kann die Kippwinkelbegrenzung 10, 10' jeweils einstückig aus dem oberen und dem unteren Widerlager 8, 8' gebildet sein. Die Kippwinkelbegrenzung 10, 10' ragt dabei von dem Widerlager 8, 8' in den Hohlkörper 9' hinein. Dabei ist es vorteilhaft, wenn im Bereich der Durchdringung eine Abdichtung zwischen Kippwinkelbegrenzung 10, 10' und Stützkörper 9 erfolgt. Alternativ kann die Kippwinkelbegrenzung 10, 10' auch als separates Bauteil in den Stützkörper 9 eingebracht oder aus dem Stützkörper 9 einstückig ausgebildet sein. Zumindest eine Kippwinkelbegrenzung 10, 10' kann bspw. aus Stahl, Aluminium oder Kunststoff gebildet sein.
-
Ferner kann in einer alternativen Ausführungsform die innerhalb und/oder außerhalb des Hohlkörpers 9' angeordnete Kippwinkelbegrenzung 10, 10' aus einzelnen Segmenten gebildet sein.
-
4 zeigt einen erfindungsgemäßen Stützkörper 9 mit einer Auskragung 11 zur formschlüssigen Verbindung des Stützkörpers 9 mit dem unteren Widerlager 8'. Dabei taucht zumindest eine Auskragung 11 in zumindest eine korrespondierende Ausnehmung am unteren Widerlager 8' ein. Alternativ kann die Auskragung 11 und die Ausnehmung des betreffenden Widerlagers 8, 8' auch ringförmig ausgeführt sein. Die formschlüssige Verbindung zwischen dem Stützkörper 9 bzw. dem Hohlkörper 9' und dem betreffenden Widerlager 8, 8' kann zusätzlich durch eine stoffschlüssige Verbindung, bspw. durch Kleben, Vulkanisieren, oder durch eine kraftschlüssige Verbindung (Reibung) ergänzt werden. Weiterhin zeigt die Figur einen an der Oberseite des Stützkörpers 9 angeordneten Anschluss 12 zum Befüllen des Hohlkörpers 9' mit einem Dämpfungsmedium sowie einen an der äußeren Flanke des Hohlkörpers 9' angeordneten seitlichen derartigen Anschluss 12'.
-
5 zeigt ausschnittsweise einen in Einbaulage zur Fahrbahnoberfläche orientierten Teil des Federbeins 1 mit einer bevorzugten Ausführungsform des ringförmigen Stützkörpers 9, bei welchem eine symmetrische und momentenarme Kraftübertragung ermöglicht ist.
-
Der Stützkörper 9 weist an seiner in Richtung der Tragfeder 3 orientierten Seite eine Senke in Form einer Ringnut 13 auf. Ferner liegt ein korrespondierender umlaufender Steg 14 in der Ringnut 13 ein, wobei der Steg 14 mit dessen unteren Ende auf der der Tragfeder 3 zugeordneten Scheitelfläche der Ringnut 13 aufliegt und sich dabei auf dieser abstützt. Wie in der Figur gezeigt, bilden das aus Kunststoff gefertigte Widerlager 8' und die Federaufnahme 7 ein einstückiges Bauteil (Federteller). Alternativ ist ebenso eine zweiteilige Ausführung möglich.
-
Die radiale Beabstandung der Ringnut 13 zu den Flanken des Stützkörpers 9 ist von einem ersten Radius r1 und von einem zweiten Radius r2 abhängig. Damit die hydraulische Wirkfläche bei der Einfederung konstant bleibt, sollte zumindest das Verhältnis r1 = r2 vorherrschen. Vorzugsweise ist jedoch der erste Radius r1 kleiner als der zweite Radius r2, wodurch die Materialdehnung in beiden durch die Radien r1 und r2 verursachten Rollfalten annähernd äquivalent gehalten werden kann.
-
Weiterhin zeigt die Figur, dass der Stützkörper 9, mit Ausnahme der die Ringnut 13 aufweisende Seiten, von einem Profil 15 umgriffen ist. Vorzugsweise ist das Profil 15 im Querschnitt U-förmig ausgebildet und aus einem metallischen Werkstoff. Dadurch, dass der Stützkörper 9 zwischen dem Widerlager 8' und dem Profil 15 angeordnet ist, kann der Stützkörper 9 vorteilhaft vor einer möglichen Beschädigung geschützt werden.
-
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass zumindest die Ringfläche der äußeren Profilflanke eine Auflage 16 für die korrespondierende Kippwinkelbegrenzung 10 bildet und somit die Bewegung des Widerlagers 8' gegenüber dem Profil 15 auf einfache Art und Weise begrenzt. Zu diesem Zweck ist die Außenseite der betreffenden Kippwinkelbegrenzung 10 als umlaufender Metallrand ausgebildet, der sich bei einer Überschreitung eines gewünschten Federwegs auf einer Auflage 16 des Profils 15 abstützt. Alternativ oder zusätzlich kann der Metallrand, der sich in Axialrichtung A erstreckt und mit seinen Enden das jeweilige Widerlager 8' zumindest teilweise umgreift, auch auf der der Kolbenstange 2 zugewandten Seite (Innenseite) der Kippwinkelbegrenzung 10 angeordnet sein, so dass die Innenseite des Widerlagers 8' und die korrespondierende Ringfläche der inneren Profilflanke eine weitere Kippwinkelbegrenzung 10 bilden.
-
6 zeigt eine konstruktiv abgewandelte Ausführungsform des in 5 beschriebenen Stützkörpers 9. Nachstehend soll daher lediglich auf die wesentlichen Unterschiede zu dem in der 5 beschriebenen Ausführungsbeispiel eingegangen werden.
-
Die 6 zeigt das sich in Richtung der Tragfeder 3 hin verjüngende Profil 15. Dabei weist das Profil 15 einen ersten Horizontalbereich 17' auf, auf dem der Stützkörper 9 zumindest abschnittsweise aufliegt. Da sich der Stützkörper 9 in Axialrichtung A des Federbeins 1 hin ebenfalls verjüngt, bildet dieser einen oberen Abschnitt X und einen unteren Abschnitt Y aus, wobei die beiden Abschnitte X, Y durch den ersten Horizontalbereich 17' und durch einen zweiten Horizontalbereich 17 miteinander einstückig verbunden sind.
-
Die beiden Horizontalbereiche 17, 17' erstrecken sich radial in Richtung der Außenseite des Federbeins 1 und sind in Axialrichtung A im Wesentlichen parallel zueinander beabstandet.
-
Weiterhin zeigt die 6 die an die Kontur des Stützkörpers 9 angepasste Kontur des Stegs 14, wobei dieser an seinem oberen Ende das untere Widerlager 8' trägt. Folglich weist der Steg 14 ebenfalls einen sich verjüngenden Querschnitt auf. Als Verjüngung wird hierbei ein sich unterscheidender Abstand eines Abschnittes oder Punktes zur Rotationsachse des Federbeins 1, insbesondere zur Kolbenstange 2 angesehen.
-
Dadurch, dass der Stützkörper 9 zwischen dem Steg 14 und dem Profil 15 einliegt, kann sich der Steg 14 und somit die Tragfeder 3 relativ zum Profil 15 bewegen und dabei gleichzeitig bspw. gegen eine mechanische Beschädigung geschützt. Die radiale Beabstandung von Steg 14 und Profil 15 ist dabei von den Radien r1 und r2 des oberen und des unteren Abschnitts X, Y abhängig.
-
Weiterhin zeigt die Figur die innenliegende Kippwinkelbegrenzung 10 sowie die hierzu korrespondierende Auflage 16 des Profils 15.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009011669 A1 [0008]
