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Die Erfindung betrifft eine Blattfeder gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die Federung und Dämpfung eines Kraftfahrzeugs wirkt sich vor allem auf die vertikalen Fahrzeugschwingungen aus. Die Auslegung der Federung ist maßgebend für den Fahrkomfort, d. h. für die Schwingungsbeanspruchung sowohl der Insassen als auch der Ladung. Entscheidenden Einfluss hat die Federung auch auf die Fahrsicherheit.
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Zu den bekannten Federungselementen zählen Blattfedern, die sowohl im PKW als auch im Nutzfahrzeugbereich zum Einsatz kommen. Häufig werden sie parallel zur Fahrzeuglängsachse am Radträger verbaut und nehmen dabei sowohl Federungs- als auch Lenkungsaufgaben wahr. Blattfedern ermöglichen insbesondere bei Fahrzeugen mit großem Verhältnis von gefederten zu ungefederten Massen eine von der Konstruktion her einfache und kostengünstige Radaufhängung. Blattfedern gibt es in ein- oder mehrlagiger Ausführung. Vorteilhaft bei mehrlagigen Blattfedern ist die leichte Abstimmbarkeit auf dem jeweiligen Belastungsfall. Je nach Zuschnitt der Einzelfedern bzw. Federblättern sind unterschiedliche Federraten darstellbar. Weiterhin ist es möglich, sowohl Blattfederpakete mit linearer Federkennlinie zu konstruieren als auch solche mit progressiver Federkennlinie, bei der Einzelfedern erst ab einer bestimmten Belastung des Aufbaus in Eingriff treten.
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Zum Stand der Technik zählen sowohl Blattfedern mit Federblättern aus Stahl als auch Blattfedern mit Federblättern aus Faserverbundwerkstoffen. Blattfedern aus Stahl haben eine vergleichsweise hohe Masse. Demzufolge strebt man leichtere Blattfederbauarten bzw. Ausführungen an, was sich auch positiv auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt.
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Bei mehrlagigen Blattfedern sind die einzelnen Federblätter übereinander zu einem Federpaket geschichtet und bei Federblättern aus Stahl durch einen gemeinsamen Bolzen (Herzbolzen) sowie Federklemmen zusammengehalten. Die Fixierung von aus Faserverbundwerkstoffen bestehenden Federblättern bereitet jedoch gegenüber Federblättern aus Stahl Probleme, weil eine Schwächung des Faserverbundmaterials durch Bohrungen äußerst schädlich für das Betriebsverhalten und insbesondere die Dauerfestigkeit der Blattfeder ist. Ursächlich hierfür ist, dass Faserverbundwerkstoffe ihre vorteilhaften Eigenschaften nur dann ausprägen, wenn die Fasern unbeschädigt sind. Demzufolge erfolgt die Fixierung der Federblätter bei Blattfedern aus Faserverbundmaterial über Federklemmen. Die Klemmung reicht jedoch mitunter nicht aus, um die hohen Längs- und Querkräften zu kompensieren, die beim Fahrbetrieb auf eine mehrlagige Blattfeder wirken. In der Folge kann es zu einer Verschiebung der Federblätter relativ zueinander kommen.
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Um dem vorgeschilderten Problem entgegenzuwirken, schlägt die
DE 34 15 125 A1 vor, die Federblätter im Bereich ihrer Berührungsflächen mit einer Formschlussprofilierung zu versehen. Die Blattfeder weist zwei Federblätter aus Faserverbundwerkstoff auf, die in einem Klemmbereich zusammengehalten sind. Die Berührungsflächen der einzelnen Federblätter weisen eine Formschlussprofilierung auf, um eine auch für die Übertragung größerer Kräfte geeignete Fixierung ohne Bohrungen senkrecht oder quer zu den Federlagen zu gewährleisten.
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Der aus der
DE 34 15 125 A1 bekannte Vorschlag zeigt einen verfolgenswerten Ansatz auf. Die Ausführung erscheint jedoch hinsichtlich des Belastungsverhaltens und der Dauerfestigkeit verbesserungswürdig, insbesondere auch hinsichtlich der Lageorientierung bzw. Lagestabilität der Federlager relativ zueinander.
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Der vorliegenden Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine für den betrieblichen Einsatz verbesserte mehrlagige Blattfeder zu schaffen mit einer verbesserten Fixierung der einzelnen Federblätter relativ zueinander und vorteilhaften Federeigenschaften.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einer Blattfeder gemäß Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Blattfeder umfasst zumindest zwei Federblätter, die in einem Klemmbereich zusammengehalten sind. Wenigstens ein Federblatt, insbesondere alle Federblätter besteht bzw. bestehen aus einem Faserverbundwerkstoff. Die Federblätter weisen im Klemmbereich eine Formschlussprofilierung auf. Erfindungsgemäß ist im Klemmbereich zwischen die Federblätter eine Zwischenlage eingegliedert. Die Zwischenlage und die Formschlussprofilierung sind so aufeinander abgestimmt, dass eine Längsbewegung bzw. ein Verschieben der Federblätter in Längsrichtung relativ zueinander unterbunden ist. Hierzu weist die Formschlussprofilierung zumindest ein Formschlusselement auf. Die Höhe des Formschlusselements und die Dicke der Zwischenlage im eingebauten Zustand sind so bemessen, dass die Dicke der Zwischenlage im Bereich benachbart zum Formschlusselement kleiner als die Höhe des Formschlusselements ist.
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Diese Bemessungsregel in Verbindung mit der Formschlussprofilierung stellt einen Formschluss sicher, der eine Relativbewegung der Federblätter in Längsrichtung unter Last verhindert. Besonders bevorzugt ist die Formschlussprofilierung an den beiden Federblättern komplementär zueinander ausgebildet, so dass die Formschlusselemente der Federblätter ineinander greifen. Bevorzugt kann die Formschlussprofilierung sägezahnartig oder wellenförmig ausgebildet sein und sich quer über die gesamte Breite der Federblätter im Klemmbereich erstrecken. Auch eine rechteckförmige Formschlussprofilierung mit entsprechend gestalteten Formschlusselementen ist möglich.
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Grundsätzlich sind auch andere Gestaltungen der Formschlussprofilierung und Konturierung der Formschlusselemente möglich. Die Ausbildung der Formschlussprofilierung mit ihren Formschlusselementen wird so konfiguriert, dass eine Relativbewegung der Federblätter unterbunden wird. Insbesondere können die Formschlussprofilierung und die Gestaltung der Formschlusselemente auch so konfiguriert bzw. gestaltet sein, dass eine Verschiebung der Federblätter in Querrichtung relativ zueinander verhindert wird.
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Die Federblätter können aus voneinander verschiedenen Werkstoffen bestehen, insbesondere aus unterschiedlich konfigurierten Federverbundwerkstoffen. Hierbei sind die Federeigenschaften der einzelnen Federblätter belastungsgerecht aufeinander abgestimmt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Blattfeder sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 8.
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Die Zwischenlage ist im eingebauten Zustand zwischen den Federblättern im Klemmbereich eingespannt. Im eingespannten Zustand ist die Dicke der Zwischenlage gegenüber ihrer Ausgangsdicke reduziert. Als für die Praxis besonders vorteilhaft wird angesehen, wenn die Dicke der Zwischenlage in der zusammengebauten Blattfeder nicht mehr als ein 1/6 der Höhe des Formschlusselements beträgt. Vorzugsweise ist das Verhältnis der Dicke der Zwischenlage benachbart zur Höhe des Formschlusselements zwischen 1:2 und 1:8 bemessen.
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Die Zwischenlage besteht vorzugsweise aus einem Elastomer, insbesondere einem vulkanisiertem Kautschuk bzw. Gummi. Die Zwischenlage kann auch aus einem Kunststoff mit reibungserhöhenden und dämpfenden Eigenschaften bestehen. Hier bieten sich insbesondere auch Zwischenlagen aus Polyurethan an. Die Zwischenlage verhindert ein Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz in den Zwischenraum der Federblätter. Hierdurch können nachteilige Auswirkungen infolge der Fremdkörper auf die Federeigenschaften und die Blattfeder verhindert werden. Zudem wird durch die Zwischenlage die Haftreibung zwischen den Federblättern erhöht, so dass zusätzlich die Relativbewegung der Federblätter eingeschränkt wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Zwischenlage Bereiche mit voneinander verschiedenen Härten auf. Insbesondere besitzt die Zwischenlage einen harten Innenbereich und einen demgegenüber weicheren Außenbereich. Auch kann die Zwischenlage randseitig zumindest einen sich vorzugsweise quer zur Längserstreckung der Federblätter erstreckenden Dichtwulst besitzen.
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Vorteilhafterweise ist die Zwischenlage im Klemmbereich zumindest bereichsweise bzw. partiell mit den Federblättern verklebt.
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Beim Zusammenbau der Federblätter zu einem Federpaket werden diese im Klemmbereich gegeneinander gepresst. Bei einer Zwischenlage mit einem härteren inneren Bereich wird dieser komprimiert, fließt aber wenig. Dies liegt neben der Härte im inneren Bereich vor allem daran, dass dieser Abschnitt der Zwischenlage mit den Federblättern verklebt ist. Folglich kann der Werkstoff in diesem Bereich nicht beliebig fließen. Der weiche Rand bzw. äußere Bereich kann dagegen dem Druck ausweichen und quillt aus dem Spalt zwischen den Federblättern heraus und dichtet diesen ab. Hierdurch wird die Schutzwirkung der Zwischenlage optimiert.
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Um eine ausreichende Stabilität und damit eine Steigerung der Lebensdauer zu erreichen, beträgt die Härte des Werkstoffs der Zwischenlage zumindest in dem mit dem Formschlusselement in Kontakt gelangendem Bereich mindestens 50 Shore.
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Die Federblätter sind bevorzugt mit der Methode des Resin Transfer Moulding (Harzinjektionsverfahren) hergestellt. Trockene Vorformlinge werden in geschlossenen Formen mittels einer Harzinjektionsanlage mit Harz getränkt und unter Druck und Temperatur ausgehärtet. Zur Verstärkung werden unterschiedliche Faserarten eingesetzt, u. a. Endlosfasern, Matten oder Gewebe. Besonders bevorzugt werden hierbei Fasern in den Bereichen der Formschlusselemente angeordnet. Die Formschlussprofilierung kann hierbei sehr einfach durch den Formhohlraum des RTM-Werkzeugs hergestellt werden.
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Möglich ist es grundsätzlich auch, die Formschlussprofilierung durch eine nachträgliche Bearbeitung von Federblättern aus Faserverbundmaterial zu erzeugen.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 schematisiert eine erfindungsgemäße Blattfeder in einer Seitenansicht;
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2 einen Querschnitt durch die Blattfeder gemäß der 1 entlang der Linie a-a;
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3 einen Ausschnitt aus dem Klemmbereich der Blattfeder;
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4 den mittleren Klemmbereich einer Blattfeder in einer schematisierten Seitenansicht;
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5 eine vergrößerte Darstellung aus dem Klemmbereich einer erfindungsgemäßen Blattfeder;
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6 schematisiert eine Blattfeder in unbelastetem Zustand (6a) und belastetem Zustand (6b);
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7 in einer perspektivischen Ansicht eine Zwischenlage;
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8a) bis c) drei verschiedene Ausführungsformen einer Zwischenlage in einer schematisierten Seitenansicht und
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9a) bis c) jeweils einen Ausschnitt aus einer Blattfeder mit der Darstellung von verschiedenen Montage- bzw. Belastungszuständen der Federblätter.
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Die 1 bis 3 zeigen eine erfindungsgemäße Blattfeder 1. Die Blattfeder 1 weist ein in Bildebene oberes Federblatt 2 (Hauptfederblatt) und ein darunter angeordnetes zweites Federblatt 3 (Neben- bzw. Unterstützungsfederblatt) auf. Sowohl das Federblatt 2 als auch das Federblatt 3 bestehen aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere einem glasfaser- oder kohlefaserverstärktem Kunststoff. In einem mittleren Klemmbereich 4 sind die Federblätter 2, 3 mittels einer Federklemme 5 zusammengehalten. Die Federklemme 5 weist ein oberes Klemmjoch 6 und ein unteres Klemmjoch 7 auf, die jeweils links und rechts der Federblätter 2, 3 durch eine Verschraubung mittels Schraubbolzen 8 gegeneinander verspannt sind. Die Schraubbolzen 8 ermöglichen eine zusätzliche Begrenzung der relativen Bewegung der Federblätter 2, 3 quer zur Längsrichtung. Um Beschädigungen an den Federblättern 2, 3 zu vermeiden, sind die Gewinde der Schraubbolzen 8 partiell mit einer Ummantelung 9 versehen.
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Im Klemmbereich 4 weisen die Federblätter 2, 3 auf den einander zugewandten Innenseiten 10, 11 jeweils eine Formschlussprofilierung 12 auf. Wie insbesondere die 3 bis 5 zeigen, ist die Formschlussprofilierung 12 an den Federblättern 2, 3 komplementär zueinander ausgebildet mit Formschlusselementen 13 in Form von wellenförmig verlaufenden Erhebungen 14 mit dazwischen liegenden Tälern 15.
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Im Klemmbereich 4 ist zwischen die Federblätter 2, 3 eine Zwischenlage 16 eingegliedert. Diese besteht aus einem Elastomer, insbesondere einem vulkanisierten Kautschuk oder Gummi. Auch kann die Zwischenlage 16 aus einem Kunststoff mit dämpfenden Eigenschaften bestehen. Um eine ausreichende Stabilität zu erhalten, sollte die Härte des verwendeten Werkstoffs der Zwischenlage 16 mindestens 50 Shore betragen.
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Das Formschlusselement 13 weist an der Stelle seiner größten Auslenkung eine Höhe A auf (siehe 5). Im eingebauten Zustand ist die Zwischenlage 16 im Klemmbereich 4 zwischen den Federblättern 2, 3 eingespannt. Hierbei besitzt die Zwischenlage 16 in dem Bereich benachbart zum Formschlusselement 12 eine Dicke d, die kleiner als die Höhe A des Formschlusselements 13 bemessen ist. Insbesondere beträgt die Dicke d der Zwischenlage 16 in der zusammengebauten Blattfeder 1 nicht mehr als 1/6 der Höhe A des Formschlusselements 13. Als für die Praxis vorteilhaft wird ein Verhältnis der Dicke d der Zwischenlage 16 in den mit dem Formschlusselement 13 in Kontakt stehenden, benachbarten Bereich zur Höhe A des Formschlusselements 13 zwischen 1:2 und 1:8 angesehen.
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Die 6 zeigt eine Blattfeder 1 in unbelastetem Zustand (6a)) sowie in einem Belastungsfall (6b)). Im unbelasteten Zustand liegen die beiden Federblätter 2, 3 gleichmäßig aneinander. Bei einer Belastung, wie in einem hier dargestellten sogenannten S-Schlag, werden die beiden Federblätter 2, 3 zumindest teilweise voneinander weggebogen. Hierbei entsteht einseitig ein Spalt S. Die Zwischenlage 16 wird dabei lokal entspannt und dehnt sich aus, so dass der Klemmbereich 4 gegenüber dem Spalt S weiterhin abgedichtet bleibt. Hierdurch kann das Eindringen von Staub oder Steinchen in den Kontaktbereich 4 verhindert werden.
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Die 7 zeigt eine Ausführungsform einer Zwischenlage 16a. Diese besitzt einen harten Innenbereich 17 und einen demgegenüber weicheren Außenbereich 18. Man erkennt, dass der Außenbereich 18 sich entlang der Seiten der Zwischenlage 16a umlaufend um den Innenbereich 17 erstreckt.
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Die 8 zeigt in den Darstellungen a), b) und c) drei mögliche Ausführungsformen einer Zwischenlage 16b bis 16d, die jeweils einen harten Innenbereich 17 und einen demgegenüber weicheren Außenbereich 18 besitzen. Dargestellt sind die Zwischenlagen 16b bis 16d in unbelastetem Zustand. Wie die 8b) und 8c) zeigen, weisen die Außenbereiche 18 einen vom Innenbereich 17 abweichenden größeren Querschnitt auf. Demzufolge besitzen die Zwischenlagen 16c, 16d einen variierenden Querschnittsverlauf. Die Außenbereiche 18 bilden im montierten Zustand in der einer Blattfeder randseitige Dichtwulste 19 (siehe hierzu auf 4).
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Anhand der 9 ist nochmals ein Montage- bzw. Belastungszustand der Federblätter 2, 3 erläutert. Die 9a) zeigt das Federpaket mit den Federblättern 2 und 3 und der dazwischen eingegliederten Zwischenlage 16 vor dem Zusammenbau. Die Zwischenlage 16 ist entspannt.
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Die 9b) zeigt das zusammengebaute Federpaket. Die Federblätter 2 und 3 sind gegeneinander verspannt. Dies ist durch die Pfeile P1 verdeutlicht. Das Material der Zwischenlage 16 wird gequetscht und weicht in Richtung des Pfeils P2 seitlich in Längsrichtung der Federblätter 2, 3 aus. Hierbei formt sich eine Dichtwulst 19 aus und verschließt den Spalt S zwischen den Federblätter 2, 3.
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Die 9c) zeigt einen Belastungszustand, bei dem das Federblatt 2 (Hauptfeder) nach oben, entsprechend dem Pfeil P3, wegkippt. Hierbei vergrößert sich der Spalt S. Die weiche Dichtwulst 19 dehnt sich aus (Pfeile P4) und dichtet so auch den sich aufweitenden Spalt S ab.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Blattfeder
- 2
- oberes Federblatt
- 3
- zweites Federblatt
- 4
- Klemmbereich
- 5
- Federklemme
- 6
- Klemmjoch
- 7
- Klemmjoch
- 8
- Schraubbolzen
- 9
- Ummantelung
- 10
- Innenseite
- 11
- Innenseite
- 12
- Forschlussprofilierung
- 13
- Formschlusselement
- 14
- Erhebung
- 15
- Tal
- 16
- Zwischenlage
- 16a
- Zwischenlage
- 16b
- Zwischenlage
- 16c
- Zwischenlage
- 16d
- Zwischenlage
- 17
- Innenbereich
- 18
- Außenbereich
- d
- Dicke v. 16
- A
- Höhe v. 13
- S
- Spalt
- P1
- Pfeil
- P2
- Pfeil
- P3
- Pfeil
- P4
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3415125 A1 [0006, 0007]
