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Die Erfindung betrifft eine Federanordnung für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Die Federung stellt ein wesentliches Element der Radaufhängung bei Kraftfahrzeugen dar. Bei einem typischen Aufbau ist ein Radträger, der die Aufnahme für das eigentliche Fahrzeugrad bildet, über einen oder mehrere Lenker (bspw. Querlenker und Längslenker) mit dem Fahrzeugchassis verbunden. Die eigentliche Federung kann auf unterschiedlichste Weise gewährleistet werden. In jedem Fall ist die Feder so angeordnet, dass sich bei einer Relativbewegung des Radträgers gegenüber dem Fahrzeugaufbau eine Rückstellkraft ergibt. Der Fahrzeugaufbau ist hierbei Teil der gefederten Masse, während der Radträger Teil der ungefederten Masse ist. Im Stand der Technik kommen oftmals Schraubenfedern zum Einsatz, die üblicherweise aus Federstahl hergestellt sind. Eine derartige Schraubenfeder stützt sich üblicherweise einerseits entweder am Radträger selber oder an einem Lenker ab, und andererseits am Fahrzeugaufbau (d. h. der Karosserie oder dem Chassis). Der Verlauf der Feder kann hierbei mehr oder weniger senkrecht sein, unter Umständen kann aber auch eine deutliche Neigung in Längs- oder Querrichtung des Fahrzeugs vorliegen.
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Der jeweilige Bereich, in dem sich die Feder (radseitig oder aufbauseitig) abstützt, wird oftmals als Federsitz bezeichnet. Es ist im Stand der Technik bspw. bekannt, die Feder in Federtellern zu lagern, die dazu dienen, eine hinreichend große und ebene Anlagefläche für die Feder bereitzustellen, wobei der Rand des Federtellers oftmals flanschartig ausgebildet ist und das Ende der Feder einschließt, um ein seitliches Verschieben zu verhindern. Hierbei stützt sich die Feder oftmals nicht unmittelbar an einem Metallteil (zum Beispiel dem Federteller) ab, sondern es ist eine Federunterlage zwischengeordnet, die aus einem elastischen Material, bspw. Gummi, besteht und die dazu dient, Vibrationen zu dämpfen. Insbesondere bei Fahrzeugen im Premium-Sektor ist es ein wesentliches Qualitätsmerkmal, dass vom Fahrwerk ausgehende Vibrationen möglichst nicht bzw. in möglichst geringem Maße an die Karosserie weitergegeben werden. Hierbei stellen die Federn einen primären Übertragungsweg für Geräusche bzw. Vibrationen dar. Eine effektive Dämpfung der Vibrationen am Übergang zwischen Feder und Federsitz, insbesondere von der Feder zum Fahrzeugaufbau, ist daher unter NVH-Gesichtspunkten (Noise, Vibration, Harshness) von zentraler Bedeutung. Im Stand der Technik bekannte Federungen können allerdings trotz der Zwischenschaltung einer elastischen Federunterlage zumindest in einigen Frequenzbereichen derartige Vibrationen nicht zufriedenstellend dämpfen.
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Die
US 2010/0109428 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Dämpfen von Vibrationen einer Schraubenfeder, wobei eine Rückhaltevorrichtung die Endwindung der Schraubenfeder teilweise umgreift. Die Rückhaltevorrichtung kann ein- oder zweiteilig ausgebildet sein und umfasst einen außenseitig der Endwindung angeordneten ringförmigen Flansch sowie eine Mehrzahl von innenseitig angeordneten elastischen Klauen, die einen Schnappmechanismus bilden, der die Endwindung in ihrer Position sichert und so Vibrationen verhindert.
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Die
US 2014/0265081 A1 offenbart ein elastisches Polster, bspw. aus Gummi, das zwischen einem Federsitz und einer Schraubenfeder angeordnet werden kann und dazu dient, das Ende der Feder vor Beschädigung und Verschmutzung zu schützen. Das Polster umfasst einen Sitzabschnitt, der kreisbogenförmig ausgebildet ist und axial vor der Feder angeordnet wird, sowie zwei seitliche Wandabschnitte, die vom Sitzabschnitt ausgehen. Hierbei hat wenigstens ein Wandabschnitt eine kreisbogenförmige Kontaktfläche, mit der er an der Schraubenfeder anliegt, sowie eine in radialer Richtung abfallende geneigte Fläche, die ein Abgleiten von Schmutz ermöglichen soll. In entspanntem Zustand ist der Radius der Kontaktfläche kleiner als der Radius des Drahtes der Schraubenfeder.
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Die
US 2015/0096536 A1 zeigt einen Impulsdämpfer, der mit einer Kraftstoffleitung verbunden wird, um Impulsdruckwellen innerhalb derselben aufzufangen. Der Impulsdämpfer umfasst eine Niederdruckschraubenfeder und eine Hochdruckscheibenfeder, die zusammen mit einem Federführungsschaft angeordnet sind, der im Inneren eines Federkorpus hin- und herbewegt werden kann, sowie eine Niederdruckfederabdeckung, die zwischen der Niederdruckschraubenfeder und der Hochdruckscheibenfeder angeordnet ist, und einen Hochdruckfederteller. Dabei sind der Federführungsschaft und der Kolben einstückig miteinander ausgebildet, und der Hochdruckfederteller ist an einem Ende des Federführungsschafts montiert. Die Niederdruckfederabdeckung sowie der Hochdruckfederteller bilden hierbei Anschläge, die ein Überschreiten der Elastizitätsgrenze der jeweiligen Federn verhindern.
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Die
DE 10 2013 009 637 A1 offenbart eine Federunterlage für ein Kraftfahrzeug zur Anordnung zwischen einer Schraubenfeder und einem Federteller. Die Federunterlage umfasst einen Basiskörper aus elastischem Polymer sowie eine darauf federseitig angeordnete Opferanode, die ihrerseits durch einen Einleger aus festem Material gestützt wird, der ein Zerbrechen der Opferanode bei mechanischen Belastungen verhindern soll. Ein Ausführungsbeispiel zeigt eine Federunterlage mit einem kreisringförmigen Abschnitt, der zwischen Federteller und Schraubenfeder angeordnet wird, sowie einen sich hieran anschließenden zylinderförmigen Abschnitt, der innenseitig an der Feder anliegt.
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Die
EP 2 172 352 B1 zeigt eine Federunterlage für eine Tragfeder einer Radaufhängung. Die Federunterlage umfasst hierbei einen Piezoaktor, der zwischen einem Oberteil und einem Unterteil der Federunterlage eingebettet ist. Der Piezoaktor kann über entsprechende Anschlüsse entweder unter Spannung gesetzt werden, um gezielt seitens der Feder einwirkende Vibrationen zu kompensieren, oder die bei Vibrationen entstehende elektrische Energie im Piezoaktor kann ins Bordnetz des Fahrzeugs eingespeist werden.
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Die
KR 2012/0061624 A zeigt eine Federunterlage, die einen kreisringähnlichen Abschnitt sowie einen sich innen anschließenden Zylinderabschnitt umfasst. In der Oberfläche des ersteren Abschnitts ist eine Wendel ausgebildet, die zur Anlage einer Schraubenfeder bestimmt ist. Der Zylinderabschnitt weist eine zentrale Ausnehmung auf, durch die im eingebauten Zustand ein innerhalb der Schraubenfeder angeordneter Stoßdämpfer geführt ist.
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Die
KR 2013/0017156 A offenbart eine Federunterlage mit einer rinnenförmigen Ausnehmung, die zur Anlage des Endes einer Schraubenfeder bestimmt ist. Um einen verbesserten Kontakt mit der Schraubenfeder zu gewährleisten, ist die insgesamt teilkreisförmige Federunterlage wendelartig ausgebildet, so dass auch die Ausnehmung ein entlang der Umlaufrichtung ansteigendes Profil aufweist.
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Die
KR 2015/0054378 A zeigt eine Kraftfahrzeugfederung, bei der eine Schraubenfeder sich über eine Federunterlage auf einem Federsitz abstützt. Die Federunterlage weist eine tellerförmige Basis sowie eine hiervon ausgehende zentrale Erhebung auf, die innerhalb der Schraubenfeder angeordnet ist. Hierbei ist vorgesehen, dass Sicherungsklemmen die Position einer Endwindung der Schraubenfeder an der Federunterlage sichern. Die Sicherungsklemmen umfassen ringartig den Federdraht und sind lösbar an der Federunterlage befestigt.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Verbesserung der Dämpfung von Vibrationen, die zwischen einer Feder und einem Federsitz, insbesondere von einer Fahrwerksfeder zum Fahrzeugkörper, übertragen werden, noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vibrationsdämpfung am Übergang zwischen einer Feder und einem Federsitz zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Federbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird eine Federanordnung für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Als Kraftfahrzeuge kommen insbesondere PKW oder LKW infrage. Die Federanordnung weist eine sich entlang einer Erstreckungsachse erstreckende Schraubenfeder auf sowie eine gummielastische Federunterlage zur indirekten Abstützung der Schraubenfeder an einem Federsitz. Die Schraubenfeder kann hierbei insbesondere aus Federstahl bestehen, ggf. aber auch aus einem anderen Material, bspw. faserverstärktem Kunststoff oder einem Materialverbund. Die Erstreckungsachse entspricht hierbei der Erstreckungsrichtung der Schraubenfeder und kann ggf. mit einer Symmetrieachse bzw. Federmittellinie der Schraubenfeder übereinstimmen. Allerdings muss die Schraubenfeder nicht symmetrisch aufgebaut sein. Durch die Erstreckungsachse ist ein Koordinatensystem mit axialer, tangentialer und radialer Richtung definiert. Es ist vorgesehen, dass die Schraubenfeder sich hierbei primär in axialer Richtung an dem Federsitz abstützt. Die Federanordnung ist normalerweise Teil einer Radaufhängung des Kraftfahrzeugs. Hierbei verbindet die Feder eine ungefederte Masse des Fahrzeugs mit einer gefederten Masse des Fahrzeugs. In jedem Fall werden die Bereiche an den gefederten bzw. ungefederten Komponenten, an denen sich die Feder abstützt, in diesem Zusammenhang als "Federsitz" bezeichnet. Der Begriff ist ansonsten in diesem Zusammenhang nicht einschränkend hinsichtlich der Form desselben auszulegen. Insgesamt ist also in diesem Sinne für jedes Ende der Feder ein Federsitz vorzusehen. Es kann sich hierbei bspw. um einen Federteller handeln.
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Es ist hierbei vorgesehen, dass die Schraubenfeder sich an einem solchen Federsitz nicht unmittelbar, sondern indirekt abstützt, und zwar über die gummielastische Federunterlage. Wie nachfolgend noch erläutert wird, bedeutet dies nicht, dass die Schraubenfeder in direktem Kontakt mit der Federunterlage steht. Mindestens ist jedoch die Federunterlage zwischen der Schraubenfeder und dem Federsitz zwischengeordnet. Die Federunterlage ist gummielastisch, d. h. sie besteht wenigstens überwiegend aus Gummi oder einem vergleichbaren Material wie bspw. einem Elastomer, Silikonkautschuk oder ähnlichem.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen der Schraubenfeder und der Federunterlage wenigstens ein Zwischenelement angeordnet ist, welches einerseits an der Schraubenfeder anliegt und andererseits in lastfreiem Zustand mit einem sich radial erstreckenden ersten Anlagebereich an der Federunterlage anliegt. Bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Federanordnung ist vorgesehen, dass sich die Schraubenfeder über das Zwischenelement an der Federunterlage abstützt, somit also ein Kraftfluss von der Schraubenfeder über das Zwischenelement zur Federunterlage (und von dort zum Federsitz) verläuft. Um diesen Kraftfluss zu gewährleisten, liegt das Zwischenelement einerseits an der Schraubenfeder und andererseits an der Federunterlage an. Hierbei ist gegenüber der Federunterlage der erste Anlagebereich vorgesehen, der sich radial erstreckt. D. h., im Gegensatz zu einer direkt auf der Federunterlage aufliegenden Feder, die einen insgesamt linearen Auflagebereich hat und in radialer Richtung betrachtet punktuell anliegt, liegt das Zwischenelement entlang der radialen Richtung in einer Mehrzahl von (ggf. zusammenhängenden) Punkten an der Federunterlage an. Es versteht sich hierbei, dass aus Stabilitätsgründen auch entlang der Tangentialrichtung eine Mehrzahl von Punkten bzw. ein zusammenhängender Bereich gegeben sein muss, in denen das wenigstens eine Zwischenelement an der Federunterlage anliegt.
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Es kann hierbei einen einziger, zusammenhängender erster Anlagebereich gegeben sein oder aber dieser kann unterteilt sein bzw. es können mehrere erste Anlagebereiche vorgesehen sein. Die Aussage, dass das Zwischenelement mit dem ersten Anlagebereich an der Federunterlage anliegt, bezieht sich hierbei auf einen lastfreien Zustand, in welchem die Federanordnung nicht unter Druck steht, und die Federunterlage daher nicht elastisch deformiert ist. D. h. in unbelastetem Zustand liegt das Zwischenelement mit dem sich radial erstreckenden ersten Anlagebereich an der Federunterlage an. Dies wird dadurch erreicht, dass der wenigstens eine erste Anlagebereich eine Form aufweist, die der gegenüberliegenden Oberfläche der Federunterlage entspricht, also gewissermaßen komplementär zu dieser ist. Allerdings muss der Anlagebereich keine exakte Negativform der gegenüberliegenden Oberfläche sein, sondern es können bspw. innerhalb des ersten Anlagebereichs bzw. zwischen den ersten Anlagebereichen Aussparungen bzw. Unterbrechungen vorgesehen sein, wo die Oberfläche des Zwischenelements gegenüber der Federunterlage zurückweicht und somit (zumindest in lastfreiem Zustand) nicht an dieser anliegt. Es versteht sich, dass das Zwischenelement in aller Regel auch in belastetem Zustand zumindest mit dem ersten Anlagebereich an der Federunterlage anliegt.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass starke lokale Druckbelastungen der Federunterlage deren Dämpfungseigenschaften stark beeinträchtigen können. Liegt also, wie im Stand der Technik üblich, die Schraubenfeder unmittelbar auf der Federunterlage auf, so ergibt sich im unbelasteten Zustand ein linienförmiger Anlagebereich, der sich in radialer Richtung auf einen Punkt beschränkt. D. h., die seitens der Feder einwirkende Druckkraft konzentriert sich auf eine sehr kleine Fläche, was wiederum zu einem hohen Druck und einer starken lokalen Verformung der Federunterlage führt. Insbesondere der lokalisierte hohe Druck führt dazu, dass Vibrationen bzw. Schall (wobei die beiden Begriffe nachfolgend als gleichbedeutend behandelt werden) wenigstens in bestimmten Frequenzbereichen nicht effektiv gedämpft werden können. Auch kann eine starke lokale Druckbelastung zu einer vorzeitigen Materialermüdung der Federunterlage führen. Diese Nachteile können erfindungsgemäß vermieden werden, indem die Kraft durch den ersten Anlagebereich radial verteilt wird, was zu einer effektiven Druckbegrenzung führt. Hierdurch verbessern sich zum einen die NVH-Eigenschaften der Federanordnung und es kann z. B. eine Weiterleitung von seitens des Fahrwerks erzeugten Vibrationen über die Schraubenfeder in Richtung eines Fahrzeugaufbaus, an dem der Federsitz ausgebildet ist, effektiv unterdrückt werden. Dies wird abgesehen von der Ausgestaltung, abgesehen von der Druckverteilung, auch durch die bloße Zwischenschaltung des Zwischenelements unterstützt, da bekanntermaßen jede Grenzschicht bzw. jeder Materialübergang die Ausbreitung von Schallwellen behindert. Des Weiteren ergibt sich durch die verbesserte Verteilung des Druckes eine geringere lokale Belastung der Federunterlage, was sich positiv auf deren Lebensdauer auswirkt. Es sei darauf hingewiesen, dass diese geringere Belastung nicht auf Kosten des Zwischenelements geschieht, da dieses seitens der Federunterlage mit einer entsprechenden, auf den Gegenkräften beruhenden Druckverteilung beaufschlagt wird.
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Erfindungsgemäß liegt das Zwischenelement mit einem sich radial erstreckenden zweiten Anlagebereich an der Schraubenfeder an. Es erfolgt hier bezogen auf den Querschnitt in der axial-radialen Ebene keine punktuelle Belastung des Zwischenelements, sondern die Belastung, also die seitens der Schraubenfeder einwirkende Kraft, wird in radialer Richtung verteilt, wodurch sich ein geringerer Druck ergibt. Hierdurch kann zum einen die Lebensdauer des Zwischenelements positiv beeinflusst werden. Zum anderen ist es leichter möglich, die seitens der Schraubenfeder einwirkende Kraft auf die Fläche des ersten Anlagebereichs zu verteilen, wenn bereits die Krafteinleitung in das Zwischenelement über den zweiten Anlagebereich in der geschilderten Weise radial verteilt erfolgt. Andernfalls bestünde die Gefahr, dass eine lokale Belastung des Zwischenelements durch die Schraubenfeder zu einer (elastischen oder plastischen) Verformung des Zwischenelements und einer deutlich inhomogenen Druckverteilung im Bereich des ersten Anlageabschnitts führen könnte.
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Besonders bevorzugt ist die Federunterlage zur Abstützung an einem fahrzeugseitigen Federsitz vorgesehen. Ein derartiger fahrzeugseitiger Federsitz ist an einem Fahrzeugaufbau (Karosserie oder Chassis) ausgebildet, während ein gegenüberliegender, radseitiger Federsitz an einem Radträger oder Lenker ausgebildet sein kann. Die Vorteile der Erfindung kommen an einem fahrzeugseitigen Federsitz besonders zum Tragen, da es entscheidend ist, an dieser Stelle die Übertragung von Vibrationen von der Feder zum Federsitz so weit wie möglich zu reduzieren, um zu verhindern, dass diese für Insassen hörbar und/oder spürbar werden.
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Bevorzugt ist die Schraubenfeder von der Federunterlage physisch isoliert. Dies bedeutet, dass bei bestimmungsgemäßem Zusammenbau der Federanordnung kein direkter physischer Kontakt zwischen der Schraubenfeder und der Federunterlage existiert. Somit ist auch eine direkte Übertragung von Vibrationen von der Schraubenfeder zur Federunterlage ausgeschlossen. D. h. die Schraubenfeder steht nur über das Zwischenelement mit der Federunterlage in Kontakt. Eine Vibrationsübertragung könnte allenfalls über das Zwischenelement oder aber über die Luft erfolgen, wobei letzteres unter NVH-Gesichtspunkten vernachlässigbar ist.
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Wie bereits dargelegt, sind wesentliche Erfindungsgedanken zum einen die Zwischenschaltung eines weiteren Elements zwischen Schraubenfeder und Federunterlage, um die Schallübertragung generell zu behindern, sowie die Verteilung des Druckes, der auf die Federunterlage einwirkt. Insbesondere letzteres lässt sich dann gut realisieren, wenn das Zwischenelement eine größere Steifigkeit aufweist als die Federunterlage. Hierbei ist denkbar, dass das Zwischenelement wenigstens teilweise aus Metall oder Keramik besteht. Bevorzugt besteht das Zwischenelement wenigstens teilweise oder wenigstens überwiegend aus Kunststoff. Kunststoffe, bspw. thermoplastische Kunststoffe, lassen sich leicht in beliebige Form bringen und tragen nur unwesentlich zu Gewicht und Materialkosten bei. Es ist in diesem Zusammenhang ausdrücklich möglich, dass das Zwischenelement eine Komposit-Struktur aufweist und somit aus mehreren Materialien besteht, von denen nur ein Teil die genannte größere Steifigkeit aufweist. Bspw. könnte ein Kunststoff durch Fasern verstärkt sein, bspw. Glasfasern, Aramidfasern oder Carbonfasern. Da auch die Schallübertragung zwischen Körpern mit unterschiedlicher Steifigkeit normalerweise schlechter ist als zwischen Körpern mit gleicher Steifigkeit, wird auch diesbezüglich eine Verbesserung erreicht, wenn das Zwischenelement steifer ausgebildet ist als die Federunterlage.
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Grundsätzlich ist es möglich, dass die Schraubenfeder an dem Zwischenelement anliegt und die relative Position der beiden nur durch die Federspannung sowie Reibungskräfte gesichert wird. Um einerseits die relative Position während des Betriebs besser zu sichern und andererseits auch den Zusammenbau der Federanordnung zu erleichtern, ist es jedoch bevorzugt, dass das Zwischenelement an der Schraubenfeder befestigt ist. Dies kann in verschiedenster Weise realisiert werden, durch unterschiedlichste lösbare oder nicht-lösbare Verbindungen. Eine Möglichkeit hierbei wäre eine stoffschlüssige Verbindung bspw. durch Verkleben. Dies kann insofern vorteilhaft sein, als die Klebeschicht zur Ausbildung einer weiteren Grenzschicht führt, die wiederum die Übertragung von Schall und Vibrationen behindert. Andererseits ist zu berücksichtigen, dass eine Klebeverbindung den statischen und dynamischen Belastungen im Verbindungsbereich zwischen der Schraubenfeder und dem Zwischenelement standhalten muss, ohne vorzeitig zu ermüden.
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Bevorzugt ist das Zwischenelement formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit der Schraubenfeder verbunden. Es kann hierbei bspw. auf die Schraubenfeder aufgeschoben, aufgesteckt oder aufgeklemmt sein. Es können am Zwischenelement elastische Klauen oder Ähnliches angeformt sein, die einen Teil der Schraubenfeder umgreifen und ggf. in befestigtem Zustand unter Spannung stehen, woraus eine verstärkte Haftreibung zwischen Zwischenelement und Schraubenfeder resultiert. Allgemein kann das Zwischenelement elastisch ausgebildet sein und eine Ausnehmung mit einer Innenabmessung aufweisen, die etwas kleiner ist als die entsprechende Außenabmessung der Schraubenfeder, so dass beim Verbinden der Schraubenfeder mit dem Zwischenelement eine elastische Verformung desselben erfolgt, die dazu führt, dass das Zwischenelement gegen die Schraubenfeder vorgespannt ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn der zweite Anlagebereich radial von innen sowie von außen an der Schraubenfeder anliegt. Hierdurch kann die Position der Schraubenfeder gegenüber dem Zwischenelement besser gesichert werden. Insbesondere lässt sich hierdurch eine Befestigung des Zwischenelements an der Schraubenfeder gut realisieren, bspw. wenn die radial innen und außen anliegenden Teile des zweiten Anlagebereichs elastische Klauen bzw. Flansche bilden, die unter Vorspannung an der Schraubenfeder anliegen. Auch kann durch eine solche Ausgestaltung, bei der die Schraubenfeder gewissermaßen vom zweiten Anlagebereich beiderseits eingeschlossen ist, eine zuverlässige physische Isolierung der Schraubenfeder gegenüber der Federunterlage erreicht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens ein Verstärkungselement in das Zwischenelement eingebettet. Das genannte Verstärkungselement ist hierbei wenigstens überwiegend von dem Zwischenelement umschlossen. Typischerweise bildet es keinen Teil der Oberfläche des Zwischenelements. Das Verstärkungselement dient dazu, das Zwischenelement strukturell zu verstärken und weist daher normalerweise eine größere Steifigkeit auf als andere Teile des Zwischenelements. So kann das Zwischenelement bspw. überwiegend aus Kunststoff bestehen, während ein Verstärkungselement in den Kunststoff eingegossen ist, das bspw. aus Metall oder Keramik besteht. Im weiteren Sinne können auch Glasfasern, Aramidfasern oder Carbonfasern, die zur Verstärkung in eine Kunststoffmatrix eingeschlossen sind, in diesem Sinne als Verstärkungselemente angesehen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Anlagebereich wenigstens teilweise eben ausgebildet. Die Ebene, in der er sich erstreckt, kann insbesondere senkrecht zur Erstreckungsachse verlaufen, d. h. mit der radial-tangentialen Ebene übereinstimmen. In jedem Fall ist hier die dem ersten Anlagebereich gegenüberliegende Oberfläche der Federunterlage auch eben ausgebildet, was einer besonders einfachen Formgebung entspricht. Dies steht im Gegensatz zu Lösungen im Stand der Technik, bei denen die Oberfläche einer gummielastischen Federunterlage selbst an die Form der Feder angepasst ist. Oftmals ist es hinsichtlich Planung und Herstellung einfacher, ein entsprechend geformtes Zwischenelement vorzusehen, als die Form der Federunterlage anzupassen. Bei einem eben ausgebildeten Anlagebereich kann normalerweise auch eine besonders gleichmäßige Druckverteilung realisiert werden.
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Grundsätzlich lässt sich bereits dann eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik erreichen, wenn der erste Anlagebereich nur eine sehr geringe radiale Ausdehnung hat, allerdings hierbei nicht linienförmig ausgebildet ist. Um eine effektive Druckverteilung zu realisieren, entspricht allerdings eine radiale Ausdehnung des ersten Anlagebereichs vorteilhafterweise wenigstens 50 % einer Dicke eines Federdrahts der Schraubenfeder. Der Federdraht ist selbstverständlich der Draht, aus dem die Schraubenfeder gewickelt ist, wobei der Begriff hier im weiteren Sinne auch auf Schraubenfedern bezogen ist, die nicht aus Metall, sondern bspw. aus faserverstärktem Kunststoff bestehen. Falls der Draht einen nicht-kreisförmigen Querschnitt aufweist, ist hier die Dicke des Drahtes in radialer Richtung gemeint. Weiter bevorzugt entspricht die radiale Ausdehnung wenigstens 75 %, wenigstens 100 % oder wenigstens 150 % der Dicke des Federdrahts.
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Um seine erfindungsgemäße Funktion zu erfüllen, ist es ausreichend, wenn das Zwischenelement im Wesentlichen in einem Bereich angeordnet ist, der sich in axialer Richtung zwischen dem Federdraht (bzw. der letzten Windung desselben) und der Federunterlage befindet. Dementsprechend ist das Zwischenelement bevorzugt kreisringartig ausgebildet. Diese Ausgestaltung des Zwischenelements ist material- und gewichtssparend. Es muss sich hierbei nicht über einen Vollkreis erstrecken, allerdings ist es bevorzugt, dass es sich tangential über wenigstens 180° erstreckt. Hierbei ist es bevorzugt, dass sich auch der erste Anlagebereich tangential über wenigstens 180° erstreckt. Sowohl hinsichtlich des Zwischenelements als auch des ersten Anlagebereichs sind auch größere Erstreckungen, bspw. über wenigstens 270°, denkbar.
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Vorteilhaft schließen sich seitlich an den ersten Anlagebereich abgerundete Bereiche an. D. h., der erste Anlagebereich wird nicht durch scharfe Kanten begrenzt, sondern es besteht hier ein weicher Übergang bspw. zu Seitenflächen des Zwischenelements. Scharfe Kanten könnten dazu führen, dass bei einer Verformung der Federunterlage durch das Zwischenelement sich in benachbarten Bereichen der Federunterlage sehr unterschiedliche Belastungen ergeben, die wiederum eine Beschädigung oder vorzeitige Ermüdung der Federunterlage herbeiführen könnten. Derartige Kanten könnten sich gewissermaßen in die Federunterlage "einschneiden". Auch könnte je nach Richtung der Krafteinwirkung im Bereich der Kante besonders hohe Drücke auftreten, die allerdings erfindungsgemäß gerade vermieden werden sollen.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Federanordnung innerhalb einer Radaufhängung;
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2 eine Untersicht eines Teils der Federanordnung aus 1;
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3 eine Schnittdarstellung entlang der Linie III-III in 2; sowie
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4 eine 3 entsprechende Schnittdarstellung einer Federanordnung gemäß dem Stand der Technik.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt eine schematisierte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Federanordnung 1, die Teil einer Radaufhängung 20 eines Kraftfahrzeugs ist. Ein Rad 21 ist an einem Radträger 22 drehbar gelagert, der seinerseits über zwei Querlenker 23, 24 schwenkbar mit einem Fahrzeugaufbau 25 verbunden ist. An einem Lenker 24 ist ein unterer Federteller 10 angeordnet, während am Fahrzeugaufbau 25 ein oberer Federteller 11 angeordnet ist. Die genannten Federteller 10, 11 bilden hierbei Federsitze für eine Schraubenfeder 2, mittels welcher der Fahrzeugaufbau 25 gegenüber dem Rad 21, dem Radträger 22 sowie den Lenkern 23, 24 gefedert ist. Die Schraubenfeder 2 besteht im vorliegenden Fall aus Federstahl, alternativ könnte allerdings auch bspw. eine aus faserverstärktem Kunststoff bestehende Schraubenfeder eingesetzt werden. Die Schraubenfeder 2 erstreckt sich entlang einer Erstreckungsachse A, die eine axiale Richtung und somit auch eine radiale und tangentiale Richtung definiert. Es versteht sich, dass die Radaufhängung 20 normalerweise auch einen Stoßdämpfer umfasst, der hier aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt ist.
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Die Schraubenfeder 2 stützt sich indirekt an den beiden Federtellern 10, 11 ab. Im Falle des oberen Federtellers 11 ist zum einen eine erste Federunterlage 3 aus Gummi zwischengeordnet, die an dem Federteller 11 anliegt. Allerdings stützt sich die Schraubenfeder 2 nicht direkt an der ersten Federunterlage 3 ab, sondern über ein dazwischen angeordnetes Zwischenelement 4, das nachfolgend noch ausführlich besprochen wird. An dem unteren Federteller 10 stützt sich die Schraubenfeder 2 über eine ebenfalls aus Gummi bestehende zweite Federunterlage 5 ab. Die Federteller 10, 11 sowie die Federunterlagen 3, 5 können ggf. gleichartig ausgebildet sein. Es versteht sich, dass die gezeigte Ausgestaltung rein exemplarisch zu verstehen ist. So könnte bspw. eine andere Art oder Anzahl von Lenkern genutzt werden oder der untere Federteller 10 könnte sich unmittelbar am Radträger 22 abstützen. Auch wäre es denkbar, zwischen der Schraubenfeder 2 und der zweiten Federunterlage 5 ein Zwischenelement vorzusehen.
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2 zeigt eine Untersicht eines Teils der Federanordnung 1, wobei die Zeichnungsebene der radial-tangentialen Ebene, senkrecht zur Erstreckungsachse A, entspricht. Zu erkennen ist, dass eine Endwindung 2.1 der Schraubenfeder 2 innerhalb des Zwischenelements 4 aufgenommen ist, das kreisbogenartig geformt ist und sich über einen Bogen von in etwa 300° erstreckt. Je nachdem, ob die Endwindung 2.1 parallel zur Zeichenebene verläuft oder gegenüber dieser ansteigt, kann das Zwischenelement eben ausgebildet sein oder aber rampenförmig bzw. schraubenlinienartig ansteigen. In jedem Fall ist bei der gezeigten Ausgestaltung vorgesehen, dass eine bezüglich 2 rückwärtige, der Federunterlage 3 zugewandte Seite des Zwischenelements 4 parallel zur Zeichenebene verläuft.
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Die weitere Ausgestaltung des Zwischenelements 4 ist in der Schnittzeichnung in 3 erkennbar, die einem Schnitt entlang der Linie III-III in 2 entspricht. Es sei angemerkt, dass der in 3 oben liegende Teil bezogen auf 1 unten liegt und umgekehrt. Das Zwischenelement 4 besteht überwiegend aus thermoplastischem Kunststoff und weist einen Basisabschnitt 4.1 sowie zwei hiervon aufragende, klauenartige Flanschabschnitte 4.2, 4.3 auf. An derjenigen Seite des Basisabschnitts 4.1, die der Federunterlage 3 zugewandt ist, ist ein erster Anlagebereich 4.4 ausgebildet, der sich einerseits entlang einer tangentialen Richtung T umlaufend entlang des gesamten Zwischenelements 4, andererseits entlang einer radialen Richtung R entlang einer Strecke erstreckt, die im vorliegenden Fall in etwa 150 % der Dicke eines Federdrahts 2.2 der Endwindung 2.1 entspricht. Der erste Anlagebereich 4.4 ist eben ausgebildet und entspricht somit einer ebenen Oberfläche 3.1 der Federunterlage 3.
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Die Flanschabschnitte 4.2, 4.3 umgreifen den Federdraht 2.2 und sind radial innerhalb bzw. außerhalb desselben angeordnet. Aufgrund der Elastizität des Kunststoffs, aus dem das Zwischenelement 4 gebildet ist, kann der Federdraht 2.2 unter Verbiegung der Flanschabschnitte 4.2, 4.3 in eine dazwischen befindliche Ausnehmung 4.5 eingeschoben werden. Wenn der Federdraht 2.2 die in 3 gezeigte Endposition erreicht hat, federn die Flanschabschnitte 4.2, 4.3 zurück, wobei sie allerdings nicht ihre Ausgangsposition erreichen, da die Ausnehmung 4.5 etwas kleiner dimensioniert ist als der Federdraht 2.2. Somit sind die Flanschabschnitte 4.2, 4.3 gegen den Federdraht 2.2 vorgespannt. Es ist daher eine sowohl kraftschlüssige als auch formschlüssige Verbindung zwischen dem Zwischenelement 4 und der Schraubenfeder 2 gegeben.
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Die an die Ausnehmung 4.5 angrenzenden Oberflächen des Zwischenelements 4 bilden einen zweiten Anlagebereich 4.6, der sich in axialer Richtung aber auch in radialer Richtung R erstreckt. Insbesondere Letzteres ist insofern von Bedeutung, als hierdurch die seitens der Schraubenfeder 2 auf das Zwischenelement 4 einwirkenden Kräfte flächig verteilt werden, wodurch das Zwischenelement 4 insgesamt strukturell entlastet wird. In 3 ist dies durch die unterhalb des ersten Anlagebereichs 4.4 skizzierte Druckverteilung p illustriert. Während die gezeigte Position des Zwischenelements 4 gegenüber der Federunterlage 3 einem unbelasteten bzw. lastfreien Zustand entspricht, in dem die Schraubenfeder 2 keinen Druck ausübt, entspricht die eingezeichnete Druckverteilung p einem belasteten Zustand. Hierbei würde selbstverständlich das Zwischenelement 4 in die Oberfläche 3.1 der Federunterlage 3 hineingedrückt, wobei diese Deformation allerdings aufgrund der gleichmäßigen Druckverteilung p eher geringfügig bliebe. Um Spannungen durch starke lokale Druckunterschiede in den Randbereichen des ersten Anlagebereichs 4.4 zu vermeiden, sind seitlich desselben abgerundete Bereiche 4.7, 4.8 vorgesehen, durch die sich eine geringere Belastung der Federunterlage 3 ergibt, als wenn dort vergleichsweise scharfe Kanten gegeben wären. Unter Umständen ist es ausreichend, wenn das Zwischenelement 4 vollständig aus Kunststoff besteht. Optional kann allerdings auch, wie in 3 eingezeichnet, ein Verstärkungselement 6, bspw. aus Metall oder Keramik, in die Kunststoffmatrix eingelagert sein. Dieses stabilisiert das Zwischenelement 4 insgesamt, wodurch sich einerseits dessen Lebensdauer erhöhen kann und andererseits eine gleichmäßige Kraftverteilung besser gewährleistet werden kann.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Konzepts werden im Vergleich mit 4 deutlich, die eine Konfiguration ohne Zwischenelement 4 zeigt. Hierbei liegt der Federdraht 2.2 unmittelbar auf der Federunterlage 3 auf, was in unbelastetem Zustand einem Anlagebereich entspricht, der sich entlang der radialen Richtung R auf einen Punkt beschränkt. Bei dem in 4 illustrierten belasteten Zustand deformiert der Federdraht 2.2 die Oberfläche 3.1 der Federunterlage 3 vergleichsweise stark, was einer lokal begrenzten Druckverteilung p mit relativ hohen Drücken entspricht. Durch diese lokal beschränkte, starke Belastung kann es zu einer vorzeitigen Materialermüdung der Federunterlage 3 kommen. Wichtiger noch ist allerdings, dass eine derartige Druckverteilung dazu führt, dass die Federunterlage 3 bestimmte Vibrationen, die von der Schraubenfeder 2 ausgehen, nicht effektiv dämpfen kann, sondern diese in stärkerem Maße überträgt. Bei einer gleichmäßigeren Verteilung des Drucks wie in 3 gezeigt wird eine derartige Übertragung von Vibrationen weitgehend unterdrückt. Des Weiteren wird durch die Zwischenschaltung des Zwischenelements 4 eine weitere Grenzfläche geschaffen, wodurch ein Teil der Vibrationen bzw. Schallwellen nicht übertragen, sondern reflektiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Federanordnung
- 2
- Schraubenfeder
- 3, 5
- Federunterlage
- 4
- Zwischenelement
- 4.1
- Basisabschnitt
- 4.2, 4.3
- Flanschabschnitt
- 4.4
- erster Anlagebereich
- 4.5
- Ausnehmung
- 4.6
- zweiter Anlagebereich
- 4.7, 4.8
- abgerundeter Bereich
- 6
- Verstärkungselement
- 10, 11
- Federteller
- 20
- Radaufhängung
- 21
- Rad
- 22
- Radträger
- 23, 24
- Querlenker
- 25
- Fahrzeugaufbau
- A
- Erstreckungsachse
- p
- Druckverteilung
- R
- radiale Richtung
- T
- tangentiale Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0109428 A1 [0004]
- US 2014/0265081 A1 [0005]
- US 2015/0096536 A1 [0006]
- DE 102013009637 A1 [0007]
- EP 2172352 B1 [0008]
- KR 2012/0061624 A [0009]
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- KR 2015/0054378 A [0011]
