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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstellen der Federrate einer Gasfeder für Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Betrachtet man die heute im Kraftfahrzeugbau verwendeten Federungsarten, so stehen sich hauptsächlich mechanische Federelemente und Luftfederungsanlagen gegenüber. Beide Federungsarten sind selbstverständlich nicht in der Lage alle aufgestellten technischen Forderungen zu erfüllen. Es zeigt sich aber bei einem Vergleich beider Federungsarten, dass die Luftfederung erhebliche Vorteile gegenüber der mechanischen Federung hat. Daher kommen im Nutzfahrzeug, mittlerweile auch in PKW's, Luftfederungsanlagen in immer stärkerem Umfang zum Einsatz. Die Vorteile der Luftfederung werden nachfolgend erläutert: Erstens stellt sich durch Veränderung des Balgdruckes in Abhängigkeit vom Beladungszustand immer wieder der gleiche Abstand zwischen der Fahrbahn und dem Fahrzeugaufbau ein. Damit bleibt die Einstiegs- oder Beladungshöhe sowie die Scheinwerfereinstellung konstant. Zweitens bleibt der Federungskomfort über den gesamten Beladungsbereich durch Veränderung des Balgdruckes nahezu gleich. Der Fahrer eines Kraftfahrzeuges wird immer die gleiche, ihm angenehme Schwingungsart empfinden. Drittens werden die Stabilität der Lenkung und die Übertragung der Bremskräfte verbessert, da alle Räder immer kraftschlüssig mit der Straße verbunden sind.
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Solche Luftfederbälge haben die Aufgabe in Abhängigkeit von der Ansteuerung durch die Luftfederventile je nach Lastzustand des Fahrzeuges, den erforderlichen Druck im Balgvolumen aufzunehmen. Beim Federn rollen diese Bälge auf einem zylindrischen Kolben ab, der durch seine Formgebung die Federcharakteristik entscheidend beeinflusst. Dadurch kann die Eigenfrequenz variiert und für jeden Fahrzeugtyp die optimale Federung weitgehend verwirklicht werden. Dabei benötigen Schlauchrollbälge kein Zusatzvolumen. Das im Kolben befindliche Luftvolumen kann zur Federung mit herangezogen werden.
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Mittels Berechnungsformeln lässt sich zeigen, dass die Federrate von drei Kenngrößen abhängt, nämlich Druck, Luftvolumen und effektiver Fläche, welche durch den Kolbendurchmesser und der Kontur, an welcher der Rollbalg entlang abrollt, bestimmt wird.
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Der Balgdruck ist beeinflussbar durch die Steuerung, Wegnahme oder Luftzufuhr in den Balg-Raum. Das Luftvolumen ist durch die Steuerung nicht beeinflussbar, sondern hängt vom momentanen Federungszustand des Fahrzeugs ab. Die effektive Fläche ist abhängig von der starren fest vorgegebenen Formgebung der Abrollkontur. Federkonstante ist jedoch gerade wegen dieser Gestaltung beeinflussbar. Federkonstante ändert sich stets während der Abrollbewegung im fest vorgegebenen Rahmen.
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Zunächst soll mit Bezug auf die 7 und 8 auf die Begriffe „effektive Fläche” und „Meniskus” eingegangen werden:
Die „effektive Fläche” entspricht dem Flächeninhalt einer der projizierten Flächen, welche sich aufbauseitig, sowie radseitig direkt gegenüberstehen. Somit also dem Flächeninhalt, welcher sich aus dem Kolbendurchmesser errechnet. Die effektive Fläche multipliziert mit dem anstehenden Druck ergibt die Kraft, die das Federbein gegenüber dem Aufbau ausübt. Sie ist also ein Maß dafür, welche Last letztlich „getragen werden kann”. Ist der Kolbendurchmesser konstant, ist die projizierte Fläche über dem Ein- und Ausfederweg ebenfalls konstant. Besitzt der Kolben entlang der Abrollkontur einen veränderlichen Durchmesser, ändert sich die projizierte Fläche ständig entsprechend der momentanen Stellung. Ein nutzbringender Nebeneffekt ist, dass durch gezielte Gestaltung der Abrollkontur auch die Federrate beeinflusst werden kann. Das ist die eigentliche Absicht.
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Als „Meniskus” wird die untere Falte an der Umlenkung des Rollbalges bezeichnet. Er bildet einen wesentlichen Beitrag an der effektiven Fläche. Bei konstantem Kolbendurchmesser ändert der Meniskus seine Gestalt nicht, bei veränderlichem Durchmesser hingegen ändert er seine Gestalt entlang der vorgegebenen Abrollkontur.
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Gemäß der in der 7 gezeigten Konstellation ergibt sich neben den Parametern Druck und Volumen eine weitere Möglichkeit, die Federkonstante zu beeinflussen. Das heißt, je nach Ausbildung der Kontur, auf welcher der Rollbalg abrollt, ändert sich auch die Federrate. Anders ausgedrückt, die effektive Fläche ändert sich immer gemäß der vorhandenen Kontur, an der der Meniskus gerade steht. Und damit wird der Federkonstante ein fest vorgegebener Wert für diese Momentanstellung zugewiesen. Die Federkonstante folgt allerdings entlang der Abrollkontur stets der festgelegten Geometrie und damit starren Regeln. Es wäre wünschenswert, diese Kontur gewissermaßen dynamisch und x-beliebig ändern zu können.
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In der 8 sind die physikalischen Zusammenhänge bei dynamisch änderbarer Abrollkontur für den Rollbalg gezeigt. Es gibt einen Stand der Technik, bei dem mittels zusätzlichen Luftbalgs eine Änderung der projizierten Fläche bewirkt wird. Je nachdem, wie dieser Zusatzbalg mit Druck beaufschlagt wird, ändert sich die Abrollkontur, und die projizierte Fläche vergrößert sich, die Tragkraft steigt an. Eine Änderung der Federkonstante ist die Folge.
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Eine solche Vorrichtung beschreibt beispielsweise die
DE 10 2010 000 072 A1 , bei der die Rollfalte des Federbalgs auf einem Kolben abrollt, dessen Außenumfang mittels eines um den Kolben vorgesehenen Balgs aufweitbar ist. Durch Druckbeaufschlagung des Balgs kann somit die wirksame Kolbenfläche innerhalb der Gasfeder vergrößert bzw. deren Federrate „härter” eingestellt werden.
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Durch Druckbeaufschlagung wird der Zusatzbalg aufgeblasen, und weist naturgemäß lediglich eine stets konvex gekrümmte Kontur auf. Andere Formen sind jedoch nicht möglich. Der Balg ist empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. So kann der Balg platzen, wodurch dessen Funktion nicht mehr gewährleistet ist. Es sind zwei Leitungen, nämlich neben der elektrischen Zuleitung für das Steuerventil auch noch eine Luftleitung erforderlich. Die Luftleitung weist eine erhebliche Leckage-Gefahr auf.
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Die gattungsbildende
DE 41 35 900 A1 zeigt eine Luftfeder für Kraftfahrzeuge mit einer aufbau- und einer fahrwerkseitigen Abstützung sowie einer Einrichtung zur Veränderung der Luftfederkraft unabhängig vom Luftfederhub, wobei die Veränderung der Luftfederkraft durch eine Veränderung der wirksamen Fläche der Luftfeder erreicht wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, die rein mechanisch ausgelegt ist und die präzise und stufenlos auch in Zwischenstellungen zur Anpassung an fahrspezifische Anforderungen verstellbar ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Leisten über zumindest eine radial innenliegende Konusmutter und eine elektrisch angetriebene Gewindespindel nach außen verstellbar sind. Die Leisten sind dabei in einer solchen Anzahl um dem Umfang des Kolbens anzuordnen, dass die Rollfalte des Federbalges problemlos an deren Außenumfangsflächen abrollen kann. Die Leisten können ferner eine Grundkonfiguration aufweisen, wie sie an sich bei Kolben von Gasfedern bekannt sind (zum Beispiel konisch, etc.). Die Leisten können von ihrer Grundstellung aus über die zumindest eine Konusmutter radial nach außen ausgestellt werden, wobei sie sowohl in Zwischenstellungen als auch voll ausgefahren stabil und präzise gehalten sind und die Rollfalte entsprechend führen.
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Erfindungsgemäß werden also die Zusatzbalge durch ein rein mechanisch arbeitendes System ersetzt. Dieses besteht aus den fächerartigen Segmenten oder Leisten, welche in einem Kulissenkäfig geführt sind, und über Konusmuttern radial nach außen, respektive nach innen, verstellt werden. Die Verstellung erfolgt dabei rein elektrisch über Zahnradstufe. Die oben als Nachteil beschriebenen Punkte entfallen dadurch. Ein markanter Vorteil wäre die Tatsache, dass die Segmente jede beliebige Kontur annehmen können, je nach Erfordernis. Es versteht sich von selbst, dass Konusmuttern und Verstellspindel gegenläufige Gewinde, also Rechts-Linksgewindekombination haben. Ein weiterer Vorteil ist es, wenn man diesen beiden Gewinden nun unterschiedliche Steigungen zuweisen würde. Der Effekt besteht darin, dass die Segmente, je nach Ausgestaltung der Gewindesteigungen, oben gegen unten unterschiedlich kippen würden. Es müssten zur sicheren Funktion nur die Kontaktflächen der Segmente an der Mutterseite ballig ausgeführt werden.
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Erfindungsgemäß ergibt sich daher eine umschaltbare, veränderliche effektive Fläche für eine Luftfeder. Das Wirkprinzip wird rein mechanisch mittels Segmente oder Leisten umgesetzt, also nicht pneumatisch, wie im Stand der Technik. Dadurch ergibt sich eine stufenlose Modifikation der projizierten Fläche des Rollbalges mit vielgestaltiger Kraftwirkung im Federbein sowie mit veränderlicher Federrate.
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Nachfolgend sind Weiterbildungen der Erfindung nochmals im Einzelnen aufgeführt: So können die Leisten besonders bevorzugt in einem ringförmigen Kulissenkäfig radial verstellbar geführt sein, innerhalb dem die zumindest eine Konusmutter unverdrehbar und die Gewindespindel verdrehbar angeordnet sind. Die Leisten weisen dabei bevorzugt zumindest eine schräge Rampe auf, die mit der Konusmutter entsprechend zusammenwirken, wodurch eine robuste Verstellbarkeit der Leisten über die Konusmutter und die Gewindespindel erzielbar ist.
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Zur Erzielung einer baulich einfachen, besonders montagegünstigen Konstruktion der Gasfeder kann die Gewindespindel auf einer auf den Kolben aufstülpbaren Stützhülse geführt sein und somit eine präzise zu fertigende Baueinheit mit dieser bilden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Leisten in schlitzförmigen Ausnehmungen des Kulissenkäfigs geführt und über zwei beidseitig angeordnete Konusmuttern verstellbar sein, die über ein Links- und ein Rechtsgewinde auf der Gewindespindel gegensinnig zueinander axial verstellbar sind. Die Leisten können dadurch gleichmäßig oder bei unterschiedlichen Gewindesteigungen an der Gewindespindel und den Konusmuttern gezielt ungleichmäßig (ähnlich einer Kippbewegung) ausgestellt werden, um somit eine noch verbesserte Anpassung der wirksamen Kolbenflächen bzw. der Federhärte der Gasfeder zu ermöglichen.
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Alternativ dazu können die Leisten einerseits am Kulissenkäfig federnd nachgiebig gehalten sein und andererseits über nur eine Konusmutter und die Gewindespindel radial nach außen spannbar sein. Die Leisten sind dazu bevorzugt in dem einen Bereich derart dünnwandig ausgeführt, dass sie im Rahmen der vorgegebenen Stellwege elastisch nachgiebig sind.
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In einer weiteren, alternativen Ausgestaltung der Erfindung können die Leisten einerseits über Lagerstifte an dem Kulissenkäfig schwenkbar angelenkt und andererseits wiederum über nur eine Konusmutter und die Gewindespindel radial nach außen verstellbar sein.
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Die Außenkonfiguration der Leisten kann rotationssymmetrisch zylindrisch, konisch oder bevorzugt ballig ausgeführt sein, um neben der die Federhärte beeinflussenden Gestaltung der Außenkontur auch ein reibungsloses Abrollen der Rollfalte des Federbalgs sicherzustellen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Stützhülse an ihrer dem Federbalg abgewandten Stirnseite einen Flansch aufweisen, an dem der die Gewindespindel antreibende Elektromotor befestigt ist. Damit wird eine autarke, lediglich eine Stromzuführung benötigende Verstelleinheit geschaffen, die relativ günstig in die Radaufhängung des Kraftfahrzeugs integrierbar ist.
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Der Elektromotor kann dabei baulich einfach und robust über ein Zahnritzel auf ein an der freien Stirnseite der Gewindespindel angeordnetes Zahnrad abtreiben. Ferner können fertigungstechnisch günstig die Leisten, der Kulissenkäfig, die Gewindespindel, das Stützrohr und der Elektromotor mit Zahnritzel eine auf den inneren Kolben aufsetzbare Vormontageeinheit bilden.
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Der Federbalg kann bei einer Radaufhängung mit einem Federbein um einen zentral angeordneten Teleskop-Stoßdämpfer herum angeordnet sein, wobei der Kolben durch das Dämpferrohr des Stoßdämpfers gebildet ist, auf das die Vormontageeinheit bevorzugt aufgesetzt ist.
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Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung also eine Reihe von technischen Vorteilen. Auch eine beliebige Formgebung der Segmente ist möglich. Dadurch völlig freie Gestaltung des Verlaufes der Federkonstante über dem Ein- und Ausfederweg. Durch Zuweisen unterschiedlicher Gewindesteigungen an den beiden Konusmuttern ist eine unterschiedliche Kippung der Segmente im oberen Bereich gegenüber dem unteren Bereich möglich. Außerdem ist kein gegenüber Umwelteinflüssen empfindlicher Zusatzbalg vorhanden. Die Gefahr des Platzens ist eliminiert. Dadurch ergibt sich eine höhere Funktionssicherheit. Es gibt nur eine einzige elektrische Leitung zum Stellmotor. Eine zusätzliche Luftleitung kann entfallen. Dadurch ist eine Leckage ausgeschlossen. Außerdem ist kein zusätzliches Steuerventil für die Luftversorgung erforderlich.
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Wie bereits weiter oben erwähnt, bietet sich in erster Linie an, die Segmente (Leisten) zwar identisch anzuordnen und mittels Konusmutter und Spindel anzutreiben, um diese zu verstellen, jedoch in etwas abgewandelter Form. Das Wirkprinzip entspräche einem Spannzangenprinzip: Das heißt, eine einzelne Konusmutter spreizt gewissermaßen über eine Rampe, besser gesagt über eine Kegelfläche – wie gehabt – die Segmente einer Spannzange auf. Der große Vorteil wäre, dass der Kulissenkäfig entfallen könnte. Alternativ kann ein Regenschirmprinzip angewendet werden. Das heißt, die Segmente wären jeweils an einem Drehpunkt gelagert. Verstellung wiederum über Konusmutter und Kegelfläche. Auch hier könnte der Kulissenkäfig entfallen.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der beiliegenden, schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch ein teilweise dargestelltes Federbein einer Radaufhängung von Kraftfahrzeugen mit einer Gasfeder und einer Vorrichtung zum Verstellen der Federhärte über die Außenkonfiguration des Kolbens;
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2 die Vorrichtung zum Verstellen der Federhärte nach 1, mit den radial nach außen ausgefahrenen, die Rollfalte des Federbalgs stützenden Leisten;
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3 in einem Teillängsschnitt eine alternative Ausführungsform der Verstellvorrichtung mit federnd nachgiebig angeordneten Leisten nach dem Spannzangenprinzip;
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4 eine raumbildliche Teilansicht der in ihrer Außenkonfiguration ballig ausgeführten Leisten nach 3;
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5 in einem Teillängsschnitt eine weitere, alternative Ausführungsform der Verstellvorrichtung mit schwenkbar über Lagerzapfen an einem Flansch angelenkten Leisten;
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6 die schwenkbar angelenkten Leisten nach 5 in raumbildlicher Teilansicht;
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7 und 8 jeweils Prinzipskizzen, anhand derer die grundsätzliche Funktionsweise eines Rollbalgs veranschaulicht ist, wobei die 8 eine dynamisch änderbare Abrollkontur für den Rollbalg zeigt.
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In der 1 ist rein schematisch ein Federbein 10 für eine Radaufhängung von Kraftfahrzeugen dargestellt, mit einem hydraulischen Teleskop-Schwingungs- oder Stoßdämpfer 12 und einer nur teilweise ersichtlichen Gasfeder 14.
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Der Stoßdämpfer 12 ist mit seinem Dämpferrohr 12a über ein unteres Lagerauge 12b an einem nicht dargestellten Radaufhängungselement, zum Beispiel an einem Querlenker oder an einem Radträger, schwenkbar angelenkt, während die Kolbenstange 12c am Aufbau des Kraftfahrzeuges in üblicher Weise angelenkt ist.
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Die um den Stoßdämpfer 12 herum angeordnete Gasfeder 14 ist nur im hier interessierenden, unteren Bereich dargestellt und weist ein radial äußeres Stützrohr 16, einen Federbalg 18 aus elastomeren Material und einen radial inneren Kolben 20 auf, die ein unter Überdruck stehendes Gasvolumen einschließen. Das Stützrohr 16 und der obere Bereich des Federbalges 18 sind am Aufbau des Kraftfahrzeugs entsprechend abgestützt.
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Der Federbalg 18 ist dabei nach oben gasdicht abgeschlossen und mit dem Kolben 20 im unteren Bereich unter Bildung einer Rollfalte 18a und entsprechend umgestülpt am Kolben 20 mittels eines Spannrings 22 gasdicht befestigt.
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Die Federrate der Gasfeder 14 bestimmt sich im Wesentlichen aus dem eingesteuerten Gasdruck im Federbalg 18 und der wirksamen Kolbenfläche, die sich aus dem momentanen Außendurchmesser D des Kolbens 20 im Bereich der Rollfalte 18a ergibt.
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Der Kolben 20 ist wie folgt in seiner Außenkonfiguration (in seiner wirksamen Kolbenfläche) verstellbar ausgeführt:
Auf das obere Ende des Dämpferrohres 12a des Stoßdämpfers 12 ist ein tragendes Stützrohr 24 mit einem oberen, radial nach innen ragenden Ringbund 24a aufgesetzt, an dem zudem ein oberer Abschnitt 26a eines hülsenförmigen Kulissenkäfigs 26 befestigt ist.
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An seinem unteren Ende weist das Stützrohr 24 einen radial nach außen abragenden, unsymmetrischen Flansch 24b auf, an dem wie ersichtlich ist ein Elektromotor 28 befestigt ist.
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Auf dem Stützrohr 24 ist eine Gewindespindel 30 drehbar gelagert, die zudem über ein Axialwälzlager 32 an dem Flansch 24b des Stützrohrs 24 zur Aufnahme von Federkräften, etc. abgestützt ist.
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Die Gewindespindel 30 trägt an ihrem unteren Ende ein Zahnrad 34, das mit einem Zahnritzel 36 auf der Antriebswelle 28a des Elektromotors 28 in Eingriff ist.
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Ferner weist die Gewindespindel 30 im Bereich des Kolbens 20 zwei axial voneinander beabstandete Gewindeabschnitte 30a, 30b auf, die mit aufgeschraubten, sich zueinander verjüngenden Konusmuttern 38, 40 zusammenwirken. Die Gewindeabschnitte 30a, 30b und die Konusmuttern 38, 40 sind als Linksgewinde und Rechtsgewinde ausgeführt, so dass eine Verdrehung der Gewindespindel 30 bei im Kulissenkäfig 26 unverdrehbar geführten Leisten 42 diese radial verstellt.
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Ferner weist der Kulissenkäfig 26 eine Anzahl von axial ausgerichteten, über den Umfang des Kulissenkäfigs 26 gleichmäßig verteilte Leisten 42 auf, die in schlitzförmigen Ausnehmungen 26b des Kulissenkäfigs 26 geführt sind und die sich radial nach innen mittels eingearbeiteter, dem Konuswinkel der Konusmuttern 38, 40 entsprechender Rampen (ohne Bezugszeichen) an den Konusmuttern 38, 40 abstützen.
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Durch Verdrehen der Gewindespindel 30 können demzufolge über die Konusmuttern 38, 40 die Leisten 42 radial nach außen mehr oder minder verschoben werden, wobei sie den umgestülpten Bereich des Federbalgs 18 bzw. den Außendurchmesser D des Kolbens 20 bzw. dessen Kolbenfläche entsprechend vergrößern (größere Federhärte) oder verkleinern.
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Die mit dem Federbalg 18 in Kontakt befindlichen Außenflächen der Leisten 42 können im Querschnitt betrachtet ballig, konisch, zylindrisch, etc. ausgeführt sein.
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In der 1 sind die die Außenkonfiguration des Kolbens 20 bestimmenden Leisten 42 in ihrer eingefahrenen Position und in der 2 in der voll ausgefahrenen Position dargestellt. Es versteht sich, dass stufenlos über den Elektromotor 28 und den Zahnradtrieb 36, 34 auch jegliche Zwischenstellungen einstellbar sind.
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Die auf das Dämpferrohr 12a des Stoßdämpfers 12 aufsetzbare Baueinheit mit dem Stützrohr 24, der Gewindespindel 30, dem Kulissenkäfig 26 mit den Leisten 42, sowie mit dem Elektromotor 28 mit dem Zahnradtrieb 36, 34 kann bevorzugt als eine Vormontageeinheit ausgeführt sein.
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Die 3 bis 6 zeigen alternative Ausgestaltungen der Vorrichtung 10, die nur soweit beschrieben sind, als sie sich wesentlich von den 1 und 2 unterscheiden. Funktionell gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Gemäß den 3 und 4 sind die verstellbaren Leisten 42' einstückig mit einem Flansch 26' hergestellt und weisen jeweils einen dünnwandigen Bereich 42a auf, über den sie federnd nachgiebig radial nach außen verstellbar sind.
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Zur Verstellung der Leisten 42' ist die Gewindespindel 30' mit nur einem Gewindeabschnitt 30a versehen, der mit nur einer Konusmutter 38 zusammenwirkt. Die Konusmutter 38 liegt an schrägen Rampen am freien Ende der Leisten 42' an und betätigt diese schirmartig nach außen, wobei der Kolben 20 bzw. dessen wirksame Kolbenfläche entsprechend vergrößert wird.
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Wie die 3 und 4 zeigen, ist die Außenkonfiguration der Leisten 42' ballig ausgeführt, so dass die Rollfalte 18a des Federbalgs 18 quasi auf einem Kugelabschnitt abrollt.
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Die 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsvariante der Vorrichtung 10, bei der die Leisten 42'' über Lagerstifte 44 an einem Flansch 26'' schwenkbar angelenkt sind. Sie können wiederum wie vorbeschrieben über die Gewindespindel 30'' und die Konusmutter 38 radial nach außen verstellt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere kann die Gasfeder 10 mit dem Kolben 20 auch ohne Integration des Stoßdämpfers 12 aufgebaut sein, bei der der Kolben 20 an einem Radführungselement der Radaufhängung entsprechend angeordnet ist. Das Stützrohr 24 könnte dabei den tragenden Teil des insgesamt als Kolben 20 bezeichneten Bauteils mit Gewindespindel 30, Kulissenkäfig 26, Leisten 42, etc. bilden.
