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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luftfeder mit einem Luftfederkolben und einem Luftfederdeckel, an denen ein Luftfederbalg in abgedichteter Weise befestigt ist, indem er mittels einer Abrollschale gegen einen Trägerabschnitt des Luftfederkolbens und/oder Luftfederdeckels verpresst ist.
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Die Anbauteile einer Luftfeder (Luftfederkolben und Luftfederdeckel) müssen luftdicht mit dem Luftfederbalg verbunden sein. Gemäß dem Stand der Technik wird hierzu ein zylindrischer Stahlring verwendet, mit dem der Balg am Kolben/Deckel radial verpresst wird. Aufgrund der Elastizität der Bauteile (Kolben/Deckel und Balg) entsteht im Klemmbereich eine radiale Verpressung des Gummis des Luftfederbalges, durch die eine Dichtwirkung erzielt wird.
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Ein Schwachpunkt dieser Konstruktion ist jedoch die Dichtigkeit bei tiefen Temperaturen. Bedingt durch unterschiedliche Wärmeausdehnung reduziert sich die Vorspannung in der Klemmung bei tiefen Temperaturen, so dass die Klemmung undicht werden kann. Insbesondere bei Bauteilen aus Kunststoff kommt es zu einem Kriechen des Materiales, wodurch der Verlust an Vorspannung verstärkt wird.
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Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt, den Luftfederkolben/Luftfederdeckel aus Metall dickwandig auszuführen, so dass große Klemmkräfte aufgebracht werden können. Bauteile aus Kunststoff werden häufig durch eingelegte Stahlringe verstärkt.
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Aus der
US 3 438 309 ist eine Luftfeder bekannt, bei der ein Luftfederbalg mittels einer Abrollschale gegen einen Trägerabschnitt eines Luftfederkolbens und eines Luftfederdeckels verpresst ist. Es finden keine konisch ausgebildeten Abrollschalen Verwendung, wobei sich beide Schalen direkt am Fahrzeug abstützen. Mithilfe einer Schraubenfeder wird der Luftfederkolben bzw. der Luftfederdeckel in axialer Richtung unter Druck gesetzt, so dass der Luftfederbalg zwischen Kolben bzw. Deckel und der jeweiligen Abrollschale verpresst wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Luftfeder der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, die sich durch eine besonders gut abgedichtete Verbindung zwischen Luftfederbalg und Luftfederkolben und/oder Luftfederdeckel auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Luftfeder der angegebenen Art dadurch gelöst, dass sich die Abrollschale ausschließlich am Luftfederkolben oder am Luftfederdeckel über den Luftfederbalg so abstützt, dass eine Erhöhung des Luftfederdruckes eine stärkere Verpressung des Luftfederbalges durch die Abrollschale gegen den Trägerabschnitt des Luftfederkolbens oder des Luftfederdeckels bewirkt.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die Verpressung des Luftfederbalges in selbstverstärkender Weise ausgeführt. Dazu ist der Luftfederbalg zwischen einer Abrollschale und einem Trägerabschnitt des Luftfederkolbens und/oder des Luftfederdeckels angeordnet, wobei der Balg im Kraftfluss liegt. Eine Erhöhung des Luftfederdruckes bewirkt dadurch automatisch eine stärkere Verpressung des Luftfederbalges und damit eine Verstärkung der Dichtwirkung.
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Dadurch, dass sich die Abrollschale ausschließlich am Luftfederkolben oder am Luftfederdeckel im Luftfederbalg abstützt, wirkt im druckbeaufschlagten Zustand der Luftfeder eine vertikale Kraft von der Abrollschale auf den Trägerabschnitt des Luftfederkolbens oder Luftfederdeckels, so dass der Balg zwischen diesen beiden Bauteilen verpresst wird, wodurch sich die erwähnte Verstärkung der Dichtwirkung ergibt.
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Ausschlaggebend für diese vertikale Kraft ist die Differenz zwischen dem effektiven Wirkdurchmesser und dem Durchmesser der Abdichtung. Die Differenz dieser Flächen multipliziert mit dem Innendruck der Luftfeder ergibt die Kraft, mit der die Abrollschale auf den Trägerabschnitt des Luftfederkolbens oder Luftfederdeckels gepresst wird. Durch geeignete Wahl des Durchmessers der Abdichtung kann die Verpressung des Balges so ausgelegt werden, dass einerseits eine zuverlässige Abdichtung erzielt wird, andererseits eine Beschädigung des Balges vermieden wird.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich eine Reihe von Vorteilen. Kleine Deformationen (Kriechen) der Bauteile haben keinen negativen Einfluss auf die Dichtwirkung. Die Dichtwirkung bleibt daher über die Lebensdauer des Bauteiles erhalten und wird auch durch Temperaturwechsel und/oder extreme Temperaturen nicht negativ beeinflusst. Durch den selbstverstärkenden Effekt ergeben sich höhere Festigkeiten sowie höhere Berstdruckgrenzen. Die Bauteile können dünnwandig und damit leicht und kostengünstig hergestellt werden.
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Insbesondere kann auch die Kontur des Luftfederkolbens im oberen Bereich (in Ausfederrichtung) frei gestaltet werden. Dadurch kann die Kennlinie in Richtung „Ausfedern“ abgestimmt werden (die Klemmringe nach dem Stand der Technik werden i.a. zylindrisch ausgeführt). Ferner können durch die dünnwandige Gestaltung des Kolbens im oberen Bereich Package-Probleme vereinfacht werden, z.B. Freigang zum Dämpferlager oder zum Luftfederdeckel.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann der Luftfederbalg am Luftfederkolben oder am Luftfederdeckel verpresst werden. Eine auf diese Weise erfolgende Verpressung an beiden Teilen ist ebenfalls möglich, wobei zwei Abrollschalen Verwendung finden.
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Bei der Verwirklichung der erfindungsgemäßen Lösung wird vorzugsweise so vorgegangen, dass die Abrollschale mit dem Trägerabschnitt des Luftfederkolbens oder Luftfederdeckels bei der Montage erst einmal so verklemmt wird, dass eine vorläufige Dichtwirkung erzielt wird und die Bauteile fixiert werden. Die eigentliche Dichtwirkung wird dann im Betrieb der Luftfeder realisiert, und zwar durch den Innendruck und die daraus folgende, auf die Abrollschale ausgeübte Vertikalkraft, wie vorstehend beschrieben.
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Natürlich kann auch eine vorläufige Abdichtung durch Deformation der Abrollschale erreicht werden. Hierbei wird durch eine plastische, radial nach innen gerichtete Verformung der Abrollschale eine vorläufige Abdichtung erzielt, wobei der Luftfederbalg zwischen der Abrollschale und einem konischen Bereich des Luftfederkolbens/Luftfederdeckels verpresst wird.
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In Weiterbildung der Erfindung weisen der Trägerabschnitt des Luftfederkolbens eine radial nach außen und unten und/oder der Trägerabschnitt des Luftfederdeckels eine radial nach außen und oben verlaufende Fläche auf. Auf einer derartigen Schrägfläche bzw. konischen Fläche stützt sich die jeweilige Abrollschale ab, so dass im Betrieb der Luftfeder durch die Erhöhung des Luftfederdruckes die auf die Abrollschale ausgeübte Vertikalkraft den zwischen Abrollschale und Trägerabschnitt vorhandenen Balg gegen den Trägerabschnitt presst und auf diese Weise die Dichtwirkung erhöht. Es versteht sich, dass hierbei die Abrollschale durch die Verklemmung bzw. Verpressung an die Form des Trägerabschnittes angepasst ist, d.h. ebenfalls radial nach außen und unten am Luftfederkolben bzw. radial nach außen und oben am Luftfederdeckel verläuft.
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Ferner weisen vorzugsweise der Trägerabschnitt des Luftfederkolbens unterhalb der radial nach außen und unten verlaufenden Fläche eine radial nach innen gerichtete Fläche und/oder der Trägerabschnitt des Luftfederdeckels oberhalb der radial nach außen und oben verlaufenden Fläche eine radial nach innen gerichtete Fläche auf. Vorzugsweise erstreckt sich dabei die radial nach innen gerichtete Fläche am Luftfederkolben schräg nach unten und/oder am Luftfederdeckel schräg nach oben.
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Aufgrund dieser radial nach innen, insbesondere schräg nach innen, verlaufenden Fläche am jeweiligen Trägerabschnitt lässt sich die jeweilige Abrollschale in einfacher Weise am Kolben bzw. Deckel fixieren, indem sie radial nach innen gegen die entsprechende Fläche am Kolben bzw. Deckel gepresst wird. Wie vorstehend erwähnt, kann diese Verklemmung bzw. Verpressung nur dazu dienen, um eine vorläufige Dichtwirkung zu erzielen und die Bauteile zu fixieren, während die eigentliche Dichtwirkung im Betrieb durch die Ausübung der Vertikalkraft auf die Abrollschale und die Anpressung derselben auf die radial auswärts gerichtete Fläche realisiert wird.
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Die radial nach innen gerichtete Fläche schließt sich vorzugsweise unmittelbar an die radial nach außen und unten oder radial nach außen und oben gerichtete Fläche an. Dies schließt nicht aus, dass zwischen beiden Flächen auch ein axial verlaufender Abschnitt des Trägerabschnittes vorhanden sein kann.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung setzt sich die Abrollschale aus einem Klemmabschnitt und einem Abrollabschnitt für den Luftfederbalg zusammen. Jeweils der Klemmabschnitt ist vorzugsweise als Klemmring und der Abrollabschnitt als fahrzeugspezifisch angepasster Abschnitt ausgebildet. Der Klemmring ist hierbei insbesondere als Metallring und der fahrzeugspezifisch angepasste Abschnitt aus Kunststoff ausgebildet.
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Bei dieser Ausführungsform kann das für die Klemmung relevante Bauteil der Abrollschale als Standardbauteil ausgeführt werden, während der die Abrollkontur aufweisende Abschnitt der Abrollschale fahrzeugspezifisch angepasst werden kann.
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Bei noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Luftfederkolben so ausgebildet, dass er in den Luftfederdeckel eintauchen kann. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der obere Teil des Luftfederkolbens konisch ausgebildet ist. Durch diese konische Ausbildung ist ein Eintauchen des Kolbens in den Deckel möglich. Bei einem Kolben mit konventionell ausgeführter Klemmung (zylindrischer Spannring) ist ein Eintauchen des Kolbens in den Deckel i.a. kritisch, da der notwendige Freigang nicht sichergestellt werden kann. Durch das Eintauchen des Kolbens in den Deckel kann eine kleinere Bauhöhe der Luftfeder erreicht werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Lösungsprinzip wird somit ein als Abrollschale bezeichnetes, vorzugsweise dünnwandiges Bauteil nach unten gegen den Luftfederkolben oder nach oben gegen den Luftfederdeckel gepresst, wobei der Luftfederbalg zwischen diesen beiden Bauteilen in einem konischen Bereich des Luftfederkolbens bzw. Luftfederdeckels verpresst wird. Bei dieser Anordnung liegt der Luftfederkolben bzw. der Luftfederdeckel am zugehörigen Fahrzeug bzw. an der Fahrzeugachse an, nicht aber die vorgesehene Abrollschale, die sich ausschließlich am Kolben bzw. Deckel abstützt. Mit steigendem Luftfederdruck nimmt die Pressung im erwähnten konischen Bereich zu, so dass die Abdichtung selbstverstärkend ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 einen Vertikalschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Luftfeder;
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2 eine vergrößerte Teilvertikalschnittdarstellung einer anderen Ausführungsform einer Luftfeder;
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3 einen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Luftfeder;
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4 schematisch den Montageprozess einer Luftfeder;
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5 einen Vertikalschnitt durch noch eine weitere Ausführungsform einer Luftfeder; und
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6 einen Vertikalschnitt durch einen Luftfederdämpfer.
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Die in 1 im Vertikalschnitt dargestellte Luftfeder besitzt einen Luftfederkolben 3, einen Luftfederbalg 1 und einen Luftfederdeckel 11. Der Luftfederbalg 1, der aus einem elastischen Material, wie Gummi, besteht, ist in abgedichteter Weise am Luftfederkolben 3 und am Luftfederdeckel 11 befestigt.
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Zur Befestigung des Luftfederbalges 1 am Luftfederkolben 3 findet eine Abrollschale 2 Verwendung. Der Luftfederbalg 1 erstreckt sich über das obere Ende der Abrollschale 2 und dann auf deren Innenseite parallel zu dieser nach unten. Im unteren Bereich stützt sich die Abrollschale 2 über den Luftfederbalg 1 auf einem Trägerabschnitt 12 des Luftfederkolbens 3 ab.
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Im druckbeaufschlagten Zustand der Luftfeder wirkt eine vertikale Kraft von der Abrollschale 2 auf den Trägerabschnitt 12 des Luftfederkolbens 2, so dass der Luftfederbalg 1 zwischen diesen beiden Bauteilen verpresst wird, wodurch eine abdichtende Wirkung entsteht.
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Ausschlaggebend für die vertikale Kraft ist die Differenz zwischen dem effektiven Wirkdurchmesser der Luftfeder (D2) und dem Durchmesser der Abdichtung (D1) (siehe 3). Die Differenz dieser Flächen (Kreisring D1 minus D2) multipliziert mit dem Innendruck der Luftfeder ergibt die Kraft, mit der die Abrollschale 2 auf den Luftfederkolben 3 gepresst wird. Durch geeignete Wahl des Durchmesser D1 kann die Verpressung des Balges so ausgelegt werden, dass einerseits eine zuverlässige Abdichtung erzielt wird, andererseits eine Beschädigung des Balges vermieden wird. Bei dieser Ausführungsform ist die Abrollschale 2 als Metallteil ausgebildet (beispielsweise aluminiumrolliert), und der Luftfederkolben besteht aus Kunststoff.
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Der Trägerabschnitt 12 des Luftfederkolbens 3 weist einen oberen konischen Abschnitt auf, der sich radial nach innen und oben erstreckt, sowie einen unteren konischen Abschnitt, der sich radial nach innen und unten erstreckt. Die Abrollschale 2 stützt sich hierbei auf dem oberen konischen Abschnitt ab, so dass der Luftfederbalg 1 bei Erhöhung des Luftfederdruckes gegen den entsprechenden Trägerabschnitt gepresst und auf diese Weise die Dichtwirkung erhöht wird. Der untere konische Abschnitt dient in Zusammenwirkung mit dem entsprechenden Abschnitt der Abrollschale im Wesentlichen nur dazu, eine vorläufige Dichtwirkung zu erzielen und die Bauteile zu fixieren. Die eigentliche Dichtwirkung entsteht im Betrieb durch den Innendruck und die daraus folgende Vertikalkraft, wie vorstehend beschrieben.
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2 zeigte eine alternative Ausführungsform einer Abrollschale 2 und den entsprechenden Montageprozess derselben. Die Abrollschale 2 ist hierbei zweiteilig ausgebildet. Die eigentliche Abrollkontur wird durch ein Kunststoffbauteil 2a realisiert, während der untere Teil der Abrollschale als Metallring 2b ausgeführt ist. Dies erlaubt es, den für die Klemmung relevanten Teil als Standardbauteil auszuführen, während die Abrollkontur fahrzeugspezifisch angepasst wird.
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Wie in 2 dargestellt, erfolgt die Montage der Abrollschale 2 durch radiales Verpressen oder Rollieren. Dazu wird der untere Teil der Abrollschale (Metallring 2b) über ein geeignetes Werkzeug 5 radial nach innen gepresst. Aufgrund der konischen bzw. keilförmigen Gegenkontur im unteren Teil des Trägerabschnittes 12 des Kolbens 3 wird dabei zugleich eine Vorspannung im eigentlichen Dichtbereich aufgebracht.
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Wie bereits erwähnt, dient im Gegensatz zu einer konventionellen Klemmverbindung dieser Prozess nur dazu, eine vorläufige Dichtung zu erzielen und die Bauteile zu fixieren. Die eigentliche Dichtwirkung entsteht im Betrieb durch den Innendruck und die daraus folgende Vertikalkraft.
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3 zeigt eine Ausführungsform einer Luftfeder, bei der sowohl der Luftfederkolben 3 als auch der Luftfederdeckel 11 nach dem selbstverstärkenden Prinzip abgedichtet sind. Dargestellt ist ein Luftfederdeckel 11, an dem der Luftfederbalg 1 eine zweite Rollfalte ausbildet. Diese Anordnung erlaubt es der Luftfeder, größere Verwinkelungen von Achsbauteilen aufzunehmen. Am Deckel kommt das gleiche Funktionsprinzip wie beim Kolben zum Einsatz. Die Abrollschale 2 stützt sich über den Luftfederbalg 1 auf dem Deckelunterteil 6 ab. Entsprechend der Differenz zwischen dem wirksamen Tragdurchmesser D2 und dem Durchmesser der Abdichtung D1 ergibt sich eine Vertikalkraft, mit welcher der Luftfederbalg 1 im Dichtbereich 7 verpresst wird.
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4 zeigt den zugehörigen Montageprozess. Zum Verbinden der Bauteile wird der untere Rand der Abrollschale 1 nach innen gepresst. Dies kann durch Klemmbacken 13 erfolgen analog einem konventionellen Klemmprozess. Alternativ ist auch eine Umformung durch Rollieren möglich.
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5 zeigt eine Ausführungsform einer Luftfeder in maximaler Einfederung. Da der obere Teil des Luftfederkolbens konisch ausgebildet ist, ist ein Eintauchen des Kolbens in den Deckel 11 möglich. Mit einem Kolben mit konventionell ausgeführter Klemmung (zylindrischer Spannring) ist ein Eintauchen des Kolbens in den Deckel i.a. kritisch, da der notwendige Freigang nicht sichergestellt werden kann. Durch das Eintauchen des Kolbens in den Deckel kann eine kleinere Bauhöhe der Luftfeder erreicht werden.
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6 zeigt die Anwendung bei einem Luftfederdämpfer. Auch hierbei wird der Luftfederbalg 1 zwischen einer Abrollschale 2 und einem Abschnitt 8 des Luftfederkolbens 3 verpresst. Entsprechend den unterschiedlichen Durchmessern D1 (Abdichtung) und D2 (effektive Wirkfläche der Luftfeder) ergibt sich eine Vertikalkraft, die den Luftfederbalg 1 im Dichtbereich 9 verpresst. Zur Montage wird bei dieser Anordnung der obere Bereich des Kolbens verformt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftfederbalg
- 2
- Abrollschale
- 2a
- Kunststoffbauteil
- 2b
- Metallring
- 3
- Luftfederkolben
- 5
- Werkzeug
- 6
- Deckelunterteil
- 7
- Dichtbereich
- 8
- Abschnitt Luftfederkolben
- 9
- Dichtbereich
- 11
- Luftfederdeckel
- 12
- Trägerabschnitt
- 13
- Klemmbacken
- D1
- Durchmesser Abdichtung
- D2
- Wirkdurchmesser Luftfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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