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Die Erfindung betrifft ein Federbeinlager für ein Federbein, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - ein Axiallager mit einer Lagerachse zum Abstützen von einer Axialkraft, wobei ein erster Lagerring und ein zweiter Lagerring des Axiallagers relativ zueinander um die Lagerachse verdrehbar sind;
- - eine Kappe zur Aufnahme des ersten Lagerrings und einer entsprechenden Axialkraft;
- - einen Aufnahmering zur Aufnahme des zweiten Lagerrings und einer entsprechenden Axialkraft; und
- - eine Dichtanordnung zum Abdichten eines Lagerraums für das Axiallager,
wobei der Lagerraum zwischen der Kappe und dem Aufnahmering angeordnet ist, wobei die Dichtanordnung eine Mehrzahl von Dichtlippen umfasst, und wobei eine erste Dichtlippe radial außerhalb des Axiallagers zum dynamisch dichtenden Anliegen an dem Aufnahmering eingerichtet ist, und wobei die Kappe mit der Dichtanordnung statisch dichtend verbunden ist und die Kappe steifer ist als die Dichtanordnung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Federbein mit einem solchen Federbeinlager für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Federbein.
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Aus der
DE 10 2013 222 727 A1 ist ein Federbeinlager für ein Federbein bekannt, welches eine Kappe für ein um eine Drehachse drehbar gelagerten Führungsring aufweist, wobei zwischen der Kappe und dem Führungsring ein Axiallager angeordnet ist, wobei die Kappe eine Dichtung aufweist, und wobei die Kappe mit dem Führungsring an einem Innendurchmesser der Kappe mittels einer Schnappverbindung verbunden sind und wobei die Kappe ein erstes Element der Schnappverbindung und der Führungsring ein zweites Element der Schnappverbindung aufweisen, welche formschlüssig ineinander greifen, wobei das erste Element als ein Zweikomponentenbauteil ausgebildet ist, dessen Weichkomponente formschlüssig in das zweite Element eingreift und dessen Hartkomponente eine Versteifung der Weichkomponente ausbildet.
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Für viele Anwendungen ist es gefordert, einen kostengünstigen Aufbau eines Federbeins zu ermöglichen. Dazu wird oftmals der Führungsring aus einem Kunststoff hergestellt. Zwischen der Dichtung und dem Kunststoff des Führungsrings liegt dadurch aber ein ungünstiges Reibverhältnis vor, welches die Lebensdauer des Federbeinlagers negativ beeinflusst.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft ein Federbeinlager für ein Federbein, wobei das Federbeinlager zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- - ein Axiallager mit einer Lagerachse zum Abstützen von einer Axialkraft, wobei das Axiallager einen ersten Lagerring und einen zweiten Lagerring umfasst, wobei der zweite Lagerring relativ zu dem ersten Lagerring um die Lagerachse verdrehbar ist;
- - eine Kappe zur Aufnahme des ersten Lagerrings und einer entsprechenden Axialkraft;
- - einen Aufnahmering zur Aufnahme des zweiten Lagerrings und einer entsprechenden Axialkraft; und
- - eine Dichtanordnung zum Abdichten eines Lagerraums für das Axiallager,
wobei der Lagerraum zwischen der Kappe und dem Aufnahmering angeordnet ist, wobei die Dichtanordnung eine Mehrzahl von Dichtlippen umfasst, und wobei eine erste Dichtlippe radial außerhalb des Axiallagers zum dynamisch dichtenden Anliegen an dem Aufnahmering eingerichtet ist, und wobei die Kappe mit der Dichtanordnung statisch dichtend verbunden ist und die Kappe steifer ist als die Dichtanordnung.
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Das Federbein ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dichtlippe mit einem steiferen Material ausgeführt ist als zumindest eine der anderen Dichtlippen.
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Es wird im Folgenden auf die genannte Lagerachse Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Hinweis die axiale Richtung, radiale Richtung oder die Umlaufrichtung und entsprechende Begriffe verwendet werden.
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In einer typischen Anwendung des Federbeinlagers ist zentral eine Dämpfereinheit vorgesehen, zu deren Achse die Lagerachse koaxial ausgerichtet ist. Die Dämpfereinheit ist beispielsweise ein hydraulischer, pneumatischer oder elektrodynamischer Dämpfer. An dem Aufnahmering, beispielsweise dem Führungsring gemäß vorbekannten Federbeinlagern, ist typischerweise eine Federeinheit axial abgestützt. Eine solche Federeinheit ist meist eine Schraubenfeder. Eine solche Schraubenfeder tordiert beim Einfedern und/oder es wird in einer Aufhängung eines gelenkten Fahrzeugrads ein Drehmoment um die Lagerachse in die Federeinheit eingeleitet. Mittels des Axiallagers ist die Federeinheit von einem äußeren Drehmoment freigestellt, also kann sich mit geringem Reibungswiderstand relativ zu der axialen Abstützung am Fahrgestell verdrehen.
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Um das Axiallager beziehungsweise dessen Lagerraum mit den, oftmals geschmierten, Wälzkörpern (Axialwälzlager, beispielsweise ein Kugellager) beziehungsweise mit dem, ebenfalls oftmals geschmierten, Lagerspalt (beispielsweise ein Axialgleitlager, beispielsweise ein konisches Trockengleitlager) zwischen den Lagerringen zum Einhalten der geringen Reibung und Erhaltung der Lebensdauer vor Umwelteinflüssen zu schützen, ist eine entsprechende Dichtanordnung umfassend die Kappe mit Dichtanordnung und Aufnahmering mit korrespondierenden Dichtflächen vorgesehen. Hierzu weist die Dichtanordnung zumindest radial außerhalb der Lagerringe eine erste Dichtlippe und radial innerhalb der Lagerringe eine zweite Dichtlippe zum entsprechenden Anliegen an dem Aufnahmering auf, welche zum dynamischen Dichten eingerichtet sind, also eine relatives Verdrehen von Dichtlippe zu korrespondierender Dichtfläche tolerieren. Außerdem ist es für einige Anwendungen notwendig, dass ein belastungsbedingter relativer Versatz und/oder relatives Verkippen zwischen der Achse des Aufnahmerings und der Lagerachse unter unbeeinträchtigter Dichtwirkung mittels der Dichtlippen ausgleichbar ist.
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Um hierzu eine schleifende Dichtung zu realisieren, muss zwischen der ersten Dichtlippe und der korrespondierenden Dichtfläche des Aufnahmerings im Bereich der schleifenden Dichtung eine solch große Überdeckung gewählt werden, dass die erste Dichtlippe immer anliegt. Es müssen also alle Fertigungstoleranzen und unter Umständen auch die genannten Verlagerungen auf Grund von äußeren Kräften abgefangen werden.
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Die Dichtanordnung und die Kappe sind, bevorzugt wie in der
DE 10 2013 222 727 A1 beschrieben, fest miteinander verbunden, beispielsweise rein formschlüssig oder auch zudem stoffschlüssig. Der Aufnahmering ist aus einem kostengünstigen Material hergestellt, welches wie die Kappe für die Aufnahme der Axialkräfte eine ausreichende Steifigkeit aufweist. Beispielsweise ist der Aufnahmering aus einem Kunststoff hergestellt, beispielsweise mittels Spritzgießen. Bevorzugt sind die Kappe und/oder der Aufnahmering faserverstärkt, beispielsweise mittels Glasfasern.
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Die Dichtanordnung hat nun zwei Aufgaben, nämlich einerseits durch schleifenden Kontakt eine Dichtwirkung zu erzielen und andererseits eine ausreichende Flexibilität aufzuweisen. Hierzu wird nun vorgeschlagen, die (erste) radial außerhalb der Lagerringe angeordnete Dichtlippe steifer zu gestalten als dies konventionell üblich ist, indem, die erste Dichtlippe mit einem steiferen Material ausgeführt ist als die anderen Dichtlippen. Hierdurch ist es möglich, die Vorspannung auf die korrespondierende Dichtfläche des Aufnahmerings zu reduzieren und damit die Reibkraft gegenüber konventionellen Lösungen zu verringern. Eine Versteifung ist beispielsweise dadurch erzielbar, dass ein anderer Kunststoff gewählt wird oder eine, beispielsweise granulare, faserartige oder als Ringbauteil ausgeführte, Versteifungskomponente in eine Kunststoffmatrix eingegeben wird. Somit wird bei gleichem Reibkoeffizienten zwischen der ersten Dichtlippe und der korrespondierenden (ersten) Dichtfläche des Aufnahmerings die Reibung reduziert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Federbeinlagers sind die Kappe und die Dichtanordnung ein einstückiges Spritzgussteil, wobei bevorzugt die Kappe in eine gemeinsame Spritzgussform eingelegt worden ist und die Dichtanordnung mit der Kappe verbindend in die gemeinsame Spritzgussform eingespritzt worden ist, besonders bevorzugt mittels eines Drei-Komponenten-Verfahrens.
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Bei dieser Ausführungsform sind die Kappe und die Dichtanordnung, bevorzugt wie in der
DE 10 2013 222 727 A1 beschrieben, miteinander spritzvergossen. Dabei ist beispielsweise die Kappe in eine gemeinsame Spritzgussform eingelegt und die anschließend eingespritzte Dichtanordnung wird formschlüssig und/oder stoffschlüssig fest mit der Kappe verbunden.
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Hier wird nun vorgeschlagen, die Dichtanordnung mittels eines 3K-Verfahrens, also einem Drei-Komponenten-Verfahrens mit drei unterschiedlichen Werkstoffen, gefertigt. Die Dichtanordnung ist in ihrem Hauptteil, umfassend auch die anderen Dichtlippen, aus einem ersten Werkstoff mit der Kappe, bestehend aus einem zweiten Werkstoff, verbunden. Die erste Dichtlippe ist aber aus einer anderen (dritten) Werkstoff gefertigt, welcher eine höhere Steifigkeit als der erste Werkstoff aufweist, aber mechanisch fest mit diesem anhaftet. Beispielsweise umfasst der dritte Werkstoff anders als der erste Werkstoff Versteifungskomponenten oder andere oder mehr Versteifungskomponenten als der erste Werkstoff. Damit ist die Dichtanordnung mit eingefasster Kappe kostengünstig fertigbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Federbeinlagers weist die erste Dichtlippe im Vergleich zu zumindest einer der anderen Dichtlippen und/oder der Aufnahmering zumindest im Bereich der zu der ersten Dichtlippe korrespondierenden Dichtfläche eine reibungsreduzierte Oberfläche auf.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die (Kontakt-) Oberfläche der ersten Dichtlippe eine verringerte Reibungseigenschaft in Bezug auf die korrespondierende (erste) Dichtfläche des Aufnahmerings auf. Dazu ist die erste Dichtlippe beschichtet oder aus einem Material mit reduzierten Reibungseigenschaften hergestellt.
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Beispielsweise ist die erste Dichtlippe oder die Oberfläche aus PTFE [Polytetrafluorethylen] oder PA [Polyamid] angereichertem Werkstoff gebildet. In einer besonders einfachen Ausführungsform ist die erste Dichtlippe in der Spritzgussform an einem Ende hin zu einem Spritzgusseinlass, also an der der Spritzgussschnecke zugewandten Seite, angeordnet. Der dritte Werkstoff mit entsprechenden Oberflächeneigenschaften wird dann zum Abschluss des Einspritzens zugeführt. Dadurch ist die Verwendung von vergleichsweise teurem Material in einfacher Weise auf ein kleines Volumen begrenzbar.
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Auch bei einer Ausführungsform mit Beschichtung der ersten Dichtlippe und/oder der korrespondierenden ersten Dichtfläche des Aufnahmerings ist diese bevorzugt in einem Spritzgussverfahren erzeugt. Alternativ ist die Rauigkeit der zumindest einen Oberfläche mittels einer Nachbearbeitung reduziert.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der dritte Werkstoff für die zu erreichenden verbesserten Oberflächeneigenschaften zudem eine Versteifungskomponente, sodass zugleich die gewünschte Versteifung der ersten Dichtlippe erzielbar ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Federbeinlagers ist das Axiallager ein Schrägwälzlager, bevorzugt ein Schrägkugellager.
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Bei dieser Ausführungsform ist zusätzlich zu einer reinen Axialkraft selbst bei rein axialer Krafteinleitung zudem ein Querkraftanteil aufzunehmen. Die Kappe, die Dichtlippen und/oder der Aufnahmering ist dafür entsprechend eingerichtet. Besonders die erste Dichtlippe ist für ein Ausgleichen einer aus dem Querkraftanteil resultierenden radialen Dehnung des Aufnahmerings beziehungsweise der korrespondierenden ersten Dichtfläche eingerichtet. Hierfür ist es besonders vorteilhaft, die erhöhte Steifigkeit der ersten Dichtlippe über eine lange Erstreckung vorzusehen und ein für den Spaltausgleich notwendige Angleichung der Ausrichtung der ersten Dichtlippe mittels des weicheren Materials in einem vergrößerten Abstand vorzusehen. Dadurch ist die Vorspannung wegen der geringen Winkeländerung auf die erste Dichtfläche gering und dennoch eine große radiale Relativbewegung ausgleichbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Federbeinlagers ist der Aufnahmering ein Führungsring für das Axiallager, bevorzugt zum Zentrieren des Axiallagers gegenüber einer Federachse eines Federbeins.
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Ein solcher Aufnahmering weist eine hohe Steifigkeit auf und ist dazu bevorzugt mit einer Versteifungskomponente angereichert, beispielsweise Glasfasern. Solche Versteifungskomponenten dürfen nicht infolge von Materialreibung freigelegt werden, weil dann die Oberfläche in der Regel nicht ausreichend glatt und eben ist, um eine zufriedenstellende Dichtwirkung gewährleisten zu können. Daher ist die Reduzierung der Reibung bei der ersten Dichtlippe, an welcher oftmals eine große radiale Relativbewegung vorliegt und daher konventionell eine hohe Vorspannung mittels der ersten Dichtlippe gewählt worden ist, besonders vorteilhaft. Folgend aus der Reduzierung der Reibung zwischen versteifter, und bevorzugt reibungsreduzierter, erster Dichtlippe ist auch ein Werkstoff für den Aufnahmering wählbar, welcher hinsichtlich der Reibung und/oder Reibbeständigkeit verschlechterte Eigenschaften aufweist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Federbein für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Federeinheit und eine Dämpfereinheit, welche zu einer Federachse ausgerichtet sind, und ein Federbeinlager nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, wobei das Federbeinlager die Federeinheit axial lagert und drehmomentfrei stellt.
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Gemäß dieser vorteilhaften Ausführungsform ist das Federbein mit dem zuvor beschriebenen Federbeinlager ausgestattet, sodass beispielsweise eine einfach zu montierende und langlebige Dichtung für das Axiallager geschaffen ist. Ein solches Federbein ist beispielsweise für eine Geländelimousine (SUV, engl.: Sport Utility Vehicle), wie einem BMW X3, Audi Q3 oder Mercedes-Benz GL aber auch kleinere oder größere Fahrzeuge und für Fahrzeuge anderer OEMs einsetzbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, aufweisend zumindest ein Fahrzeugrad, wobei das zumindest eine Fahrzeugrad mittels eines Federbeins nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung entgegen der Schwerkraft gefedert und gedämpft gelagert ist.
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Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem solchen Federbein vorgesehen, bevorzugt bei einem Personenkraftwagen zumindest bei beiden lenkbaren Rädern. Ein solches Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Personenkraftwagen, beispielsweise eine sogenannte Geländelimousine (SUV). Personenkraftwagen werden einer Fahrzeugklasse nach beispielsweise Größe, Preis, Gewicht und Leistung zugeordnet, wobei diese Definition einem steten Wandel nach den Bedürfnissen des Marktes unterliegt. Aktuelle Beispiele der SUV-Klasse sind ein Toyota Vanguard, ein Nissan X-Trail, ein Jeep Grand Cherokee oder ein Porsche Cayenne.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Kraftfahrzeugs umfasst das Kraftfahrzeug zumindest ein Federbein, bei welcher Federbeinlager mit einer einfach montierbaren und langlebigen Dichtung für den Lagerraum des Axiallagers eingerichtet ist.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
- 1: ein Federbeinlager im Schnitt;
- 2: eine erste Dichtlippe im Details; und
- 3: ein Kraftfahrzeug mit vier Federbeinen.
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In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wider.
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In 1 ist ein Federbeinlager 1 gezeigt, bei welchem rein schematisch eine zentrale Dämpfereinheiten 19 und eine Federeinheit 18 dargestellt sind, deren Federachse 16 kongruent mit der Lagerachse 4 ausgerichtet ist. Von der Federeinheit 18 ist eine Axialkraft 5, im Einsatz in einem Kraftfahrzeug 17 (vergleiche 3) entgegen der Schwerkraft 24, auf das Federbeinlager 1 aufbringbar. Die Federeinheit 18 liegt direkt oder indirekt, beispielsweise mittels einer Hülse, an dem Aufnahmering 9 an, welcher hier zugleich zum Zentrieren der Federeinheit 18 an der Dämpfereinheit 19 zentral relativ beweglich anliegt. Der Aufnahmering 9 liegt an dem zweiten Lagerring 7 eines Axiallagers 3 an, hier als Schrägkugellager ausgeführt. Der gegenüberliegende erste Lagerring 6 liegt an der Kappe 8 an, welche an einem Bauteil eines Kraftfahrzeugs 17 (vergleiche 3) axial abgestützt ist. Die Dichtanordnung 10 ist mit der Kappe 8 formschlüssig und/oder stoffschlüssig, bevorzugt mittels Zwei-Komponenten-Spritzgießen beziehungsweise Drei-Komponenten-Spritzgießen, verbunden und weist eine erste Dichtlippe 12 und eine zweite Dichtlippe 13 zum dichtenden Anliegen an dem Aufnahmering 9 auf. Weiterhin ist eine dritte Dichtlippe 14 vorgesehen, welche radial außen an einem nicht dargestellten Gehäuse zur Anlage gebracht ist. Mittels der ersten Dichtlippe 12 und der zweiten Dichtlippe 13 ist ein Lagerraum 11 für das Axiallager 3 abgedichtet. Wie zu erkennen ist, ist die in der Darstellung überlappend dargestellte radiale Überschneidung zwischen der ersten Dichtlippe 12 deutlich größer bei der zweiten Dichtlippe 13. Daraus folgt eine größere radiale Auslenkung der ersten Dichtlippe 12 als der zweiten Dichtlippe 13. Dies ist bei der ersten Dichtlippe 12 notwendig, um einen radialen Versatz und Fertigungstoleranzen derart auszugleichen, dass ein schleifender Kontakt zwischen der ersten Dichtlippe 12 und dem Aufnahmering 9 in allen Betriebszuständen sichergestellt ist.
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In 2 ist eine beispielhafte Ausführungsform der ersten Dichtlippe 12 in einem Detail der Dichtanordnung 10 nach der Ausführungsform gemäß 1 vergrößert dargestellt. Eine Oberfläche der ersten Dichtlippe 12 ist für eine reibungsreduzierte Kontaktpaarung mit dem (hier nicht dargestellten) Aufnahmering 9 (vergleiche 1) ausgeführt. Dies ist hier beispielsweise dadurch erreicht, dass ein andersartiger Materialabschnitt bei der Spitze der Dichtlippe 12 geschaffen ist. Dies ist beispielsweise durch ein Drei-Komponenten-Spritzgießen erzielbar. Die erste Dichtlippe 12 ist in dieser Ausführungsform günstiger Weise an einem Einspritzende einer entsprechenden Spritzgussform anordenbar, sodass die dritte Komponente volumenauffüllend zum Abschluss des Einspritzens einbringbar ist. Zudem ist die benötigte Menge an drittem Material gering, sodass die Kosten nicht erheblich ansteigen, wenn dafür ein teures Material, wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen [PTFE], eingesetzt wird.
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In 3 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 17 in Ansicht von oben dargestellt, wobei ein linkes Vorderrad 20 und ein rechtes Vorderrad 21 an der Vorderachse 27 lenkbar mittels einer Lenkstange 29 an jeweils einem Federbein 2 aufgehängt sind. Die Federachsen 16 der vorderen Federbeine 2 sind kongruent mit der Schwenkachse der Vorderräder 20 und 21 ausgerichtet. Mittels des Lenkrads 30 in der Fahrerkabine 25 sind die Vorderräder 20 und 21 verschwenkbar, um so das Kraftfahrzeug 17 quer zur Längsachse 26 zu lenken. Ein Schwenken der Vorderräder 20 und 21 ist mittels des Axiallagers 3 ohne Einfluss auf die Federeinheit 18, und bevorzugt auch ohne Einfluss auf die Dämpfereinheit 19 (vergleiche 1). Es wird dadurch also kein Drehmoment zumindest auf die Federeinheit 18 aufgegeben. Weiterhin ist hinten am Kraftfahrzeug 17 ein linkes Hinterrad 22 und ein rechtes Hinterrad 23 an einer Hinterachse 28 ebenfalls jeweils mittels eines Federbeins 2 gefedert und gedämpft aufgehängt.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Federbeinlager ist eine verschleißarme Abdichtung des Lagerraums eines Axiallagers für eine lange Lebensdauer kostengünstig herstellbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Federbeinlager
- 2
- Federbein
- 3
- Axiallager
- 4
- Lagerachse
- 5
- Axial kraft
- 6
- erster Lagerring
- 7
- zweiter Lagerring
- 8
- Kappe
- 9
- Aufnahmering
- 10
- Dichtanordnung
- 11
- Lagerraum
- 12
- erste Dichtlippe
- 13
- zweite Dichtlippe
- 14
- dritte Dichtlippe
- 15
- Oberfläche
- 16
- Federachse
- 17
- Kraftfahrzeug
- 18
- Federeinheit
- 19
- Dämpfereinheit
- 20
- linkes Vorderrad
- 21
- rechtes Vorderrad
- 22
- linkes Hinterrad
- 23
- rechtes Hinterrad
- 24
- Schwerkraft
- 25
- Fahrerkabine
- 26
- Längsachse
- 27
- Vorderachse
- 28
- Hinterachse
- 29
- Lenkstange
- 30
- Lenkrad
