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Die Erfindung betrifft eine Federunterlage für eine, eine Schraubenfeder aufweisende Fahrzeugradaufhängung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, sind typischerweise mit einem Radaufhängungssystem versehen, um eine Übertragung von Schwingungen von einer Fahrbahnoberfläche auf die Fahrzeuginsassen zu verringern. Derartige Aufhängungssysteme haben häufig einen oder mehrere Stoßdämpfer, Federbeine oder Federn, sowie Kombinationen hieraus. Eine häufig in Fahrzeugaufhängungen verwendete Art von Federn ist eine Schraubenfeder mit rein axialer Kraftwirkung. Es sind aber auch spezielle Schraubenfedern bekannt, die zusätzlich zu den Zug- bzw. Druckkräften in axialer Richtung ebenso Kräfte in einer lateralen Richtung erzeugen können. Beispielsweise werden derartige Federn bei McPherson-Federbeinen eingesetzt, um die Reibung an den Gleitführungen des Stoßdämpfers mittels der in einer lateralen Richtung der Schraubenfeder wirkenden Kraft zu reduzieren. Eine laterale Kraftwirkung lässt sich auch erreichen, indem zum Beispiel ein unterer Federteller, gegen den die Schraubenfeder am Federbein abgestützt ist, nicht konzentrisch zum Federbein, sondern mit einem seitlichen Versatz am Federbein angebracht ist.
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Federteller kommen bei Schraubenfedern zur Anwendung, um einen einwandfreien Sitz der endständigen Windung der jeweiligen Schraubenfeder sicherzustellen. Üblicherweise ist der Federteller vorgesehen, eine Außen- oder Innenzentrierung des Federendes der jeweiligen Schraubenfeder vorzunehmen. Je nachdem, ob die jeweilige Schraubenfeder dabei mit einem plan anliegenden Federende oder einem Steigungsende ausgeführt ist, kann auch ein jeweiliger Aufnahmebereich hierfür im Federteller entsprechend gestaltet sein. Ein Problem stellt die Ansammlung von Feuchtigkeit und Schmutzablagerungen im Auflagebereich der Schraubenfeder dar. Denn Schmutzansammlungen und Feuchtigkeit können in diesem Bereich bei einem Abwälzen der Schraubenfeder am Federteller zu Beschädigungen einer Lackoberfläche der jeweiligen Schraubenfeder führen, wodurch die Gefahr von Korrosion und hierdurch hervorgerufenen Federbrüchen steigt. So werden zu diesem Zweck Federunterlagen aus einem Kunststoff, üblicherweise in Form von einem Elastomer, angewendet, welche die Schraubenfeder gegenüber dem Federteller isolieren.
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Aus der
US 7,490,818 B2 ist eine Federunterlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, wobei im Einleitungsteil auf die
JP-A-2002-130351 verwiesen wird, die eine Federunterlage mit einem Metallkern offenbart, welcher in Gummimaterial eingebettet ist. Die
US 7,490,818 B2 offenbart ferner eine einschichtige Federunterlage aus Gummi, die auf Seiten des Federtellers mit gleichmäßig über den Umfang verteilten Ausnehmungen versehen ist, um dessen elastischen Eigenschaften zu verbessern.
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Diese Federunterlagen weisen im Allgemeinen den Nachteil auf, dass sie nicht optimal an die durch die Geometrie der endständigen Windung bedingte und daher nicht in Umfangsrichtung der Windung eben nicht homogen verlaufende Kraftverteilung angepasst sind und es somit zu partiellen Überbelastungen des elastomeren Materials kommen kann, so dass dessen elastischen Eigenschaften sich spätestens im Betrieb des Fahrzeugs verschlechtern und zu als von den Fahrzeuginsassen regelmäßig als unangenehm empfundenen Geräuschen führen. Die durch die Konzeption der Radaufhängung bestimmte, ursprüngliche Kraftwirkung der Schraubenfeder, beispielsweise eine rein axiale Kraftwirkung, lässt sich im Betrieb nicht aufrechterhalten.
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Vor dem Hintergrund der Nachteile des Standes der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Federunterlage bereitzustellen, die geringerem Verschleiß unterliegt, die Kraftwirkungslinie der Schraubenfeder verbessert und insbesondere die Aufrechterhaltung der vorbestimmten Kraftwirkung der Schraubenfeder besser dauerhaft sicherstellt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Federunterlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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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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Die Erfindung betrifft eine Federunterlage welche zwischen einer Schraubenfeder einer Fahrzeugradaufhängung und einem die Schraubenfeder abstützenden Federteller angeordnet ist, wobei es sich beispielsweise um eine dem Fahrzeugaufbau zugeordneten und damit einen radfernen Federteller oder einen dem Rad zugeordneten und damit radnahen, unteren Federteller handeln kann.
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Die erfindungsgemäße Federunterlage ist zur anliegenden Anordnung zwischen einer endständigen, ein Federauge definierenden, Windung der Schraubenfeder vorgesehen und weist beispielsweise im Wesentlichen eine Ringform auf.
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Die erfindungsgemäße Federunterlage hat einen Schichtaufbau, der wenigstens zwei in ihrer Steifigkeit unterschiedliche Materialschichten aufweist. Erfindungsgemäß unterscheiden sich die wenigstens zwei Materialschichten in ihren Steifigkeiten, wobei die erste Materialschicht eine wesentlich größere Steifigkeit aufweist als die zweite Materialschicht. Mit anderen Worten weist die zweite Materialschicht eine wesentlich größere Elastizität auf als die erste Materialschicht. Der Begriff Steifigkeit meint beispielsweise eine spezifische Steifigkeit des für die Schicht verwendeten Materials oder beispielsweise eine Biegesteifigkeit die u.a. auch durch die Geometrie der Schicht bestimmt ist, wobei sich erfindungsgemäß für die Bestimmung der Steifigkeit auf eine Kraftwirkungsrichtung bezogen wird, die dem Verlauf der Kraftwirkung der Schraubenfeder entspricht.
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Die erste Materialschicht ist erfindungsgemäß der endständigen Windung der Schraubenfeder zugeordnet, beispielsweise nächstbenachbart oder angrenzend an diese angeordnet, während die zweite, elastischere Materialschicht erfindungsgemäß dem Federteller zugeordnet ist, beispielsweise nächstbenachbart oder angrenzend an diesen angeordnet.
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Die erfindungsgemäß vorgesehene, steifere, erste Materialschicht sorgt für eine Kraftverteilung d. h. einen verbreiterten Krafteintrag und damit geringeren Druck sowie eine verringerte elastische Deformation in der darunterliegenden elastischeren zweiten Materialschicht. Anders ausgedrückt, der Krafteintrag durch die Schraubenfeder wird nicht nur großflächiger in die darunter liegende elastischere Materialschicht eingetragen und punktuelle Überbelastung unmittelbar unter der Windung werden vermieden, sondern die über der elastischeren liegende steifere Materialschicht sorgt für eine Formstabilisierung und somit für einen dauerhaften Erhalt der elastisch dämpfenden, schwingungsdämpfenden und damit geräuschverhindernden Eigenschaften der Federunterlage.
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Bevorzugt ist die zweite Materialschicht in Umfangsrichtung der Federunterlage umlaufend vorgesehen, während die erste Materialschicht lediglich in Umfangsrichtung der Federunterlage abschnittsweise vorgesehen ist, um gezielt die elastische Wirkung der zweiten Materialschicht bereichsweise einzustellen und/oder die Kraftwirkungslinie der Schraubenfeder einzustellen. Beispielsweise bildet die zweite Materialschicht eine Hülse mit zentralem Durchbruch und ringförmig umlaufender, radial nach außen vorstehender Auskragung aus. Die erste Materialschicht ist vorteilhaft lediglich segmentartig ausgeführt, also quasi als Segmenteinlage an der zweiten Materialschicht angeordnet.
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Im Falle einer an die Schraubenfeder angrenzenden Anordnung der ersten Materialschicht, ist die Steifigkeit dieser ersten Materialschicht bevorzugt geringer als der Wert des für die Schraubenfeder verwendeten Federstahls, um auch durch diese Materialschicht eine Dämpfung von Schwingungen zwischen der Schraubenfeder und dem Federteller zu bewirken, aber vor Allem um die Schraubenfeder vor Korrosion durch Abrieb der Federschutzbeschichtung an den Kontaktstellen zwischen der Schraubenfeder und der Federunterlage zu schützen.
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Die geringe Steifigkeit der zweiten, bevorzugt am Federteller anliegenden Materialschicht ermöglicht eine Dämpfung der von der Schraubenfeder erzeugten Kräfte und Schwingungen, um deren Einleitung in einen mit dem Federteller verbundenen Fahrzeugaufbau oder eine mit dem Federteller verbundene Radaufhängungskomponente, zum Beispiel ein Federbein, ein Stoßdämpfer, ein Radführungslenker, ein Radträger und dergleichen zu verhindern.
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Die erste Materialschicht weist in erster Linie die Funktion auf, die Form der zweiten Materialschicht zu stabilisieren, indem die Krafteinleitung gleichmäßiger über die Fläche verteilt wird, um punktuelle Überbelastungen der zweiten Materialschicht zu vermeiden. Somit werden im Langzeitbetrieb Veränderungen der Federunterlage und Veränderung der Kraftwirkung der Schraubenfeder, insbesondere Veränderung der Lage des Durchstoßpunktes vermieden. Als Durchstoßpunkt wird der Punkt in der durch den Federteller definierten Ebene verstanden, in dem die Kraftwirkungslinie diese Ebene durchstößt.
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Über die Wahl der Steifigkeit bzw. Elastizität und/oder der Dicke der ersten bzw. zweiten Materialschicht der erfindungsgemäßen Federunterlage lässt sich das gewünschte Abstütz- und Dämpfungsverhalten der Schraubenfeder-Federteller-Anordnung in axialer und lateraler Richtung der Schraubenfeder in gewünschter Weise beeinflussen und vorgeben.
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Hierbei ermöglicht die erfindungsgemäße Federunterlage sowohl die Übertragung von in axialer Richtung der Schraubenfeder wirkenden Kräften zwischen der Schraubenfeder und dem Federteller als auch von in lateraler Richtung der Schraubenfeder wirkenden Kräften, das heißt von in einer radialen Richtung der Schraubenfeder wirkenden Kräften, da die erste, steifere Materialschicht die Beweglichkeit der zweiten Materialschicht in radialer Richtung infolge ihrer eigenen Steifigkeit verringert.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Dicke der ersten Materialschicht in Umfangsrichtung des Federauges variiert. Die Dicke bezieht sich dabei auf eine zur geometrischen Mittellinie der Schraubenfeder parallele Richtung. Diese Variation kann unstetig, d.h. sprunghaft sein. Durch Variation der Dicke wird beispielsweise eine Anpassung an den Druckverlauf der Schraubenfeder ermöglicht, der seinerseits in Umfangsrichtung in Abhängigkeit der Geometrie und Steigung der endständigen Windung der Schraubenfeder bestimmt wird. Damit kann beispielweise der von der endständigen Windung der Schraubenfeder regelmäßig entlang der Verlaufsrichtung dieser Windung nicht gleichmäßige Kraftverlauf durch die erfindungsgemäße Federunterlage nicht nur „geglättet“ werden, sondern es kann ferner dafür gesorgt werden, dass der Durchstoßpunkt der Kraftwirkungslinie auf der geometrischen Mittellinie der Schraubenfeder liegt bzw. sich dieser Linie annähert.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Dicke der ersten Materialschicht von einem Umfangsabschnitt zu einem diametral gegenüberliegenden Umfangsabschnitt zu- bzw. abnimmt. Beispielsweise ist die an der zweiten Materialschicht anliegende Kontaktfläche der ersten Materialschicht gegenüber der an der endständigen Windung anliegenden Kontaktfläche der ersten Materialschicht nicht parallel, sondern geneigt ausgebildet. Dies ermöglicht es, die Federunterlage an die Geometrie und Kraftverteilung der endständigen Windung anzupassen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Dicke der ersten Materialschicht in einem Umfangsabschnitt der Federunterlage am größten ist, der dem für die Anlage des Windungsendes der endständigen Windung vorgesehenen Umfangsabschnitt der Federunterlage diametral gegenüberliegt. Es wurde nämlich festgestellt, dass im Bereich des Windungsendes die Druckbelastung auf die Federunterlage gering und diametral gegenüberliegend besonders hoch ist, so dass in letzterem Umfangsabschnitt die erste, steifere Materialschicht besonders wirkungsvoll ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die erste, steifere Materialschicht aus einem metallischen Werkstoff oder Kunststoff, bevorzugt faserverstärkten Kunststoff gebildet, so dass im Vergleich eine hohe Steifigkeit erreicht wird.
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In einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite, elastischere Materialschicht aus einem Elastomermaterial gebildet. Als Elastomere für die zweite Materialschicht werden vorzugsweise Kautschuk, wie Gummi, oder Polyurethan verwendet.
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Die erste Materialschicht kann auf der zweiten Materialschicht aufliegen, also auch locker aufliegen. Möglich ist auch, dass die erste Materialschicht von der zweiten Materialschicht umhüllt wird (Verbund), wobei die Umhüllung auch so ausgeführt sein kann, dass ein Auflagebereich der ersten Materialschicht zu der endständigen Windung umhüllungsfrei ist. Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Materialschicht mit der zweiten Materialschicht stoffschlüssig verbunden ist. Die beiden Materialschichten können beispielsweise miteinander verklebt oder vulkanisiert sein, was eine gleichmäßige Kraftverteilung über die gesamten Kontaktflächen der beiden Materialschichten sicherstellt. Die erste Materialschicht kann gemäß einer weiteren Variante in die zweite Materialschicht eingebettet sein, beispielsweise durch Umspritzen, was zu der o.g. genannten Umhüllung ähnlich ist, wobei gleichfalls ein umspritzungsfreier Anlagebereich vorgesehen sein kann. Durch die stoffschlüssige Verbindung wird eine gleichmäßige Krafteinleitung insbesondere in radialer Richtung der Federunterlage von der einen Materialschicht in die andere Materialschicht erzielt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Federunterlage ist die radiale Erstreckung der ersten Materialschicht größer, als die Federstärke der endständigen Windung in Richtung dieser radialen Erstreckung. Der Begriff radial bezieht sich auf eine zur geometrischen Mittellinie der Schraubenfeder senkrechte Richtung. Durch die gegenüber der endständigen Federwindung verbreiterte erste Materialschicht wird eine bessere, gleichmäßigere Krafteinleitung in die zweite Materialschicht erreicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung steht die zweite Materialschicht bezüglich einer lateralen Richtung mit dem Federteller formschlüssig in Eingriff, um ein Verrutschen der Federunterlage auf dem Federteller in lateraler Richtung zu vermeiden. Beispielsweise ist ein formschlüssiger Eingriff der zweiten Materialschicht mit einem am Federteller an seinem Umfang wenigstens abschnittsweise ausgebildeten Stützkragen vorgesehen, gegen den sich die Federunterlage in radialer Richtung abstützen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die formschlüssige Verbindung zwischen dem Federteller und der zweiten Materialschicht auch hergestellt werden, indem beispielsweise ein federtellerseitiger Vorsprung, zum Beispiel ein Stift, in eine entsprechende Ausnehmung der zweiten Materialschicht eingreift oder umgekehrt. Ferner kann auch eine Innenzentrierung des Federtellers eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Federteller und der ersten und/oder zweiten Materialschicht herstellen.
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Eine erfindungsgemäße Radaufhängung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfasst einen Federteller und eine gegen den Federteller abgestützte Schraubenfeder. Zwischen dem Federteller und der Schraubenfeder ist gemäß der Erfindung eine Federunterlage nach einer der vorbeschriebenen Ausgestaltungen eingefügt bzw. angeordnet. Bezüglich der Vorteile, Wirkungen und Eigenschaften der derart ausgebildeten Radaufhängung wird auf die vorstehend beschriebenen Vorteile, Wirkungen und Eigenschaften der erfindungsgemäßen Federunterlage verwiesen, die sinngemäß auf die erfindungsgemäße Radaufhängung übertragbar sind.
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1 zeigt eine Kraftverteilung und zugehörige Kraftwirkungslinie in schematischer 3D-Ansicht, die sich bei einer nicht erfindungsgemäßen Federunterlage einstellt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
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2 eine Detailschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Radaufhängung, und
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3 eine Kraftverteilung und zugehörige Kraftwirkungslinie in schematischer 3D-Ansicht, die sich bei einer erfindungsgemäßen Federunterlage einstellt.
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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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2 zeigt ein Detail einer erfindungsgemäßen Radaufhängung. Die Radaufhängung umfasst eine Schraubenfeder 2, wobei lediglich der untere Abschnitt der Schraubenfeder 2 mit der unteren endständigen Windung 5 gezeigt ist. In das durch die endständige Windung 5 definierte Federauge ist eine erfindungsgemäße Federunterlage 1 eingesetzt, über die sich die Schraubenfeder 2 an einem Federteller 6 abstützt, der einem nicht dargestellten Rad eines Kraftfahrzeugs zugeordnet ist.
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Der Federteller 6 weist einen umlaufenden Stützkragen 7 auf, um die Federunterlage 1 z. B. formschlüssig in dem Federteller 6 aufzunehmen. Die Federunterlage 1 wird durch einen Schichtaufbau aus zwei Materialschichten, nämlich einer ersten Materialschlicht 3 und einer zweiten Materialschicht 4, ausgebildet. Beide Materialschichten 3, 4 können stoffschlüssig, also z. B. miteinander verklebt verbunden sein. Die erste Materialschicht 3 weist eine höhere Steifigkeit auf als die zweite Materialschicht 4 aus. Die zweite Materialschicht 4 bildet eine Hülse mit zentralem Durchbruch 8 zur Aufnahme eines nicht dargestellten Stoßdämpfers aus.
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Die erste Materialschicht 3 kann z. B. aus einem Metall, Kunststoff oder Faserverbundwerkstoff bestehen. Die zweite Materialschicht 4 kann aus Elastomermaterial, also z. B. aus einem Gummi bestehen.
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Die zweite Materialschicht 4 bildet ferner eine von der Außenseite der Hülse radial vorstehende und vollständige umlaufende Auskragung 14 aus, die zur Anordnung zwischen der endständigen Windung 5 der Schraubenfeder 2 und dem Federteller 6 vorgesehen ist, wobei Umfangsabschnitte der Federunterlage 1 vorgesehen sind, in denen die zweite Materialschicht 4 sowohl an der Schraubenfeder 2 und dem Federteller 6 anliegt, wie hier beispielsweise auf der linken Seite der 2 gezeigt.
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Die erste, steifere Materialschicht 3 erstreckt sich nicht vollumfänglich entlang der Auskragung 14, es sind aber Umfangsabschnitte der Federunterlage 1 vorgesehen, in denen in Richtung der Kraftwirkungslinie 9 gesehen, die erste Materialschicht 3 angrenzend an die endständige Windung 5 der Schraubenfeder 2 und zwischen dieser und der zweiten Materialschicht 4 angeordnet ist. Aufgrund ihrer gegenüber der Federstärke der endständigen Windung 5 größeren radialen Erstreckung sorgt diese für einen geringeren Druck und einen großflächigeren Krafteintrag in die zweite Maetrialschicht 4, was durch die mehrfachen Pfeile 10 im Vergleich zu dem Einzelpfeil 11 des diametral gegenüberliegenden, Umfangsabschnitts, der keine erste Materialschicht 3 aufweist, veranschaulicht werden soll. Gleichzeitig kann erreicht werden, dass der untere Durchstoßpunkt P der Kraftwirkungslinie auf der geometrischen Mittellinie der Schraubenfeder 2 liegt.
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Anhand der 1 und 3 soll sie Wirkung der erfindungsgemäßen Federunterlage aus der 2 im Vergleich zu einer nicht erfindungsgemäßen Federunterlage (1) gezeigt werden.
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Dabei veranschaulicht die 1 eine Kraftverteilung 12, wie sie in einer einschichtigen Federunterlage aus Elastomer erzeugt wird, die zwischen einer unteren endständigen Windung 5 einer Schraubenfeder 2 und einem nicht dargestellten Federteller angeordnet ist. Die Kraftverteilung 12 weist in Umfangsrichtung starke Schwankungen auf, so dass die Kraftwirkungslinie 9 einen unteren Durchstoßpunkt P2 aufweist, der im Gegensatz zu dem oberen Durchstoßpunkt P1 von der geometrischen Mittellinie der Schraubenfeder 2 zum Nachteil der Federwirkung abweicht.
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Wie sich aus der 1 zeigt ist die Krafteinleitung an einem dem Ende der endständigen Windung 5 diametral gegenüberliegenden Umfangsabschnitt der Krafteintrag besonders hoch. Diesen Nachteil vermeidet der erfindungsgemäß zweischichtige Aufbau der Federunterlage aus 2, wie anhand von 3 deutlich wird. Durch die lediglich abschnittsweise vorgesehene erste Materialschicht 3 aus steifem Material, insbesondere in den Bereichen hohen Krafteintrags, kann die Kraftverteilung 13 in Umfangsrichtung gleichmäßig ausfallen und der untere Durchstoßpunkt P2 und die Kraftwirkungslinie 9 mit der geometrischen Mittellinie der Schraubenfeder 2 zur Deckung gebracht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Federunterlage
- 2
- Schraubenfeder
- 3
- erste Schicht
- 4
- zweite Schicht
- 5
- endständige Windung
- 6
- Federteller
- 7
- Stützkragen
- 8
- zentraler Durchbruch
- 9
- Kraftwirkungslinie
- 10
- Kraftverteilung in der zweiten Schicht im Umfangsabschnitt unter der ersten Schicht
- 11
- Kraftverteilung in der zweiten Schicht im Umfangsabschnitt ohne die erste Schicht
- 12
- Kraftverteilung in einer nicht erfindungsgemäßen Federunterlage ohne erste Schicht
- 13
- Kraftverteilung in einer erfindungsgemäßen Federunterlage mit in Umfangsrichtung bereichsweise vorgesehener erster Schicht
- 14
- radial vorstehende, umlaufende Auskragung
- P
- Durchstoßpunkt
- P1
- oberer Durchstoßpunkt
- P2
- unterer Durchstoßpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7490818 B2 [0004, 0004]
- JP 2002-130351 A [0004]
- US 4778162 A [0005]
- KR 100828788 B1 [0005]
- US 7562888 B2 [0005]
