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Die Erfindung betrifft ein Luftfederbein gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Fahrwerk gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 10.
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Ein Luftfederbein, wie es beispielsweise aus der
DE 10 2006 043 471 A1 bekannt ist, wird zwischen dem Kraftfahrzeugfahrwerk bzw. einem Radträger und der Kraftfahrzeugkarosserie angeordnet. In der Regel umfasst das Luftfederbein eine Luftfeder und einen Stoßdämpfer. Die Luftfeder erfüllt dabei die Funktion das Rad abzufedern, währenddessen der Stoßdämpfer die Schwingungen des Rades bzw. der Kraftfahrzeugkarosserie dämpft.
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Die Luftfeder besteht im Wesentlichen aus einem Luftfederdeckel, einem Abrollkolben und einem dazwischen luftdicht eingespannten Rollbalg, wodurch ein unter Luftdruck stehender Arbeitsraum begrenzt wird. Der Rollbalg wird von einer hülsenförmigen Außenführung umschlossen und rollt beim Einfedern unter Ausbildung einer Rollfalte am konzentrischen Abrollkolben ab. Über den Luftfederdeckel wird das Luftfederbein mittels entsprechender Befestigungsmittel mit der Kraftfahrzeugkarosserie verbunden.
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Der innerhalb der Luftfeder angeordnete Stoßdämpfer ist einerseits mit dem Radträger verbunden und andererseits mit seiner in das Dämpferrohr eintauchbaren Kolbenstange über ein Dämpferlager in dem Luftfederdeckel lagernd befestigt. Beim Einfedern des Fahrzeugrades entgegen der Fahrzeugkarosserie kommt es zu Schwenkbewegungen der Luftfeder zusammen mit der Außenführung gegenüber dem Abrollkolben.
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Bei jeder kardanischen Bewegung des Stoßdämpfers wird die untere Rollfalte der Luftfeder gegen die Außenführung verzwängt, wodurch eine radiale Kraft auf das Dämpferrohr bzw. den Stoßdämpfer übertragen wird. In der Regel ist die Außenführung über eine Kardanikfalte am Rollbalg kardanisch beweglich gelagert oder es wird bei einer an den Luftfederdeckel befestigten Außenführung ein elastisches Kardaniklager im Bereich der Luftfederdeckelbefestigung zur Fahrzeugkarosserie hin vorgesehen. Allerdings sind bei beiden Lagerarten die kardanischen Steifigkeiten noch derart hoch, dass diese nicht zu einer ausreichenden Verminderung der radialen Verzwängung der unteren Rollfalte beitragen.
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Die radiale Steifigkeit der unteren Rollfalte führt aber zu einer weiteren Auslenkung der Außenführung. Je mehr die Außenführung ausgelenkt wird, umso mehr wirken ungewollte Querkräfte auf den Stoßdämpfer ein, welche zu einem erhöhten Verschleiß führen und sich in einem schlechteren Fahrkomfort bemerkbar machen.
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Gemäß der
DE 102 38 666 A1 wird eine Luftfeder vorgeschlagen, bei welcher das Abrollverhalten auf dem Abrollkolben dadurch verbessert werden soll, dass die Abrollfläche mit einem Federelement versehen wird. Beim Einfedern soll das Federelement den Rollbalg in Querrichtung weich gegen den Abrollkolben abstützen, um damit die dynamische Steifigkeit der Rollfalte zu reduzieren.
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Dies hat allerdings den Nachteil, dass die Rollfalte beim Abrollen auf dem Federelement in wechselseitiger Wirkung auch teilweise eingepresst wird, wodurch sich der Rollfaltendurchmesser verkleinert und der Abrollwiederstand signifikant erhöht wird.
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Des Weiteren sind aus der
DE 196 45 228 A1 austauschbare Abrollkörper bekannt, wodurch die Federungscharakteristik der Luftfeder durch entsprechende Konturierung bestimmt werden kann, aber diese Abrollkörper sind in Querrichtung starr und damit nicht beweglich.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Luftfederbein mit einem verbesserten Abrollkolben bereitzustellen, bei welchem die genannten Nachteile während des Abrollens vermieden werden und der Rollbalg widerstandsfrei abrollen kann.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 10 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Luftfederbein für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, umfassend eine Luftfeder mit einem Stoßdämpfer zur Federung und Dämpfung von Schwingungen eines Kraftfahrzeugfahrwerkes, wobei die Luftfeder einen Luftfederdeckel und einen Abrollkolben umfasst, wobei zwischen dem Luftfederdeckel und dem Abrollkolben ein Rollbalg aus elastomerem Material luftdicht eingespannt ist, wobei der Rollbalg mit dem Luftfederdeckel und dem Abrollkolben einen mit Druckluft befüllten Arbeitsraum begrenzt, wobei der Stoßdämpfer ein Dämpferrohr umfasst, welches von dem Abrollkolben zumindest bereichsweise hohlzylinderförmig umgeben ist, und der Abrollkolben mit dem Dämpferrohr verbunden ist, wobei der Abrollkolben einen Kolbengrundkörper und einen den Kolbengrundkörper umgebenden hohlzylinderförmigen Rollflächenaufbau umfasst, welcher als Abrollfläche für den Rollbalg dient, wobei der Rollflächenaufbau eine Vielzahl an axial aufeinander liegenden Rollflächensegmenten umfasst, wobei die Rollflächensegmente jeweils einzeln exzentrisch zu dem Kolbengrundkörper verschiebbar sind.
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Auf den Kolbengrundkörper werden die Rollflächensegmente axial übereinander aufgeschoben. Somit befinden sich die Rollflächensegmente im statischen Zustand des Luftfederbeins konzentrisch um den Kolbengrundkörper herum. Dabei ist der Außendurchmesser des Kolbengrundkörpers kleiner als der Innendurchmesser der Rollflächensegmente, wodurch diese in radialer Richtung zu dem Kolbengrundkörper räumlich beabstandet sind.
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Im dynamischen Zustand des Luftfederbeins, d.h. beim Einfedern und bei Querkraftbeeinflussung, führen die einzelnen Rollflächensegmente vorteilhafterweise eine exzentrische Ausgleichsbewegung aus, wodurch die radiale Querkraft auf den Stoßdämpfer reduziert wird. D.h. die Rollflächensegmente bewegen sich in radialer Richtung und weichen der abrollenden Rollfalte aus, wodurch diese nicht mehr in dem Maße verzwängt wird, als würden diese auf einer starren Kolbenschale abrollen.
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Bevorzugt sind die Rollflächensegmente als Ringscheiben ausgeführt. Besonders bevorzugt sind die Rollflächensegmente aus einem Kunststoff oder aus einem metallischen Werkstoff, bspw. Stahl, hergestellt. Diese übereinander gelegten Ringscheiben stellen einen einfachen und kostengünstigen Rollflächenaufbau dar, welcher die vorteilhafte Ausgleichbewegung für die Rollfalte ermöglicht.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist jedem Rollflächensegment ein elastisches, hohlzylinderförmiges Formteil zugeordnet, wobei das elastische Formteil zwischen dem Kolbengrundkörper und dem Rollflächensegment vorgesehen ist.
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Bevorzugt ist jedes Rollflächensegment mit dem zugeordneten elastischen Formteil verklebt. Durch das Formteil und dessen Steifigkeit kann die radiale Bewegung der einzelnen Rollflächensegmente bestimmt werden. Zudem bewirkt das Formteil eine Rückstellkraft auf die Rollflächensegmente, wenn das Luftfederbein ausfedert, wodurch die Rollflächensegmente ihre Ursprungposition wieder annehmen. Besonders bevorzugt sind die elastischen Formteile aus einem Kunststoff oder aus einem Elastomer hergestellt, bspw. aus einem geschäumten Elastomer.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bildet der Kolbengrundkörper einen ersten äußeren Radialsteg und einen zweiten äußeren Radialsteg aus, wobei der erste Radialsteg in einem ersten (unteren) Endbereich und der zweite Radialsteg in einem zweiten (oberen) Endbereich des Kolbengrundkörpers vorgesehen sind. Die Orientierung oben/unten bestimmt sich aus der regulären Einbaulage eines Luftfederbeins, bei welcher der Luftfederdeckel mit der Karosserie und der Stoßdämpfer mit dem Radträger verbunden sind. Bevorzugt ist die Vielzahl von Rollflächensegmenten zwischen dem ersten und dem zweiten Radialsteg angeordnet. Die als Endanschlag fungierten Radialstege spannen daher die Rollflächensegmente ein und halten diese in axialer Position fest.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kolbengrundkörper aus einem Kunststoff oder aus Aluminium hergestellt.
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Verwendung findet das Luftfederbein in einem Fahrwerk, vorzugsweise in einem Luftfedersystem, für ein Kraftfahrzeug.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Figuren.
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Es zeigen
- 1 ein Luftfederbein gemäß dem Stand der Technik,
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Abrollkolbens, und
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Abrollkolbens.
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Die 1 zeigt ein bekanntes Luftfederbein 1 mit den wesentlichen Bauteilen, Luftfeder 2 und Stoßdämpfer 3, wobei Luftfeder 2 einen Luftfederdeckel 4, einen Abrollkolben 5 und einen Rollbalg 6 mit einer diesen hülsenförmig umschließenden Außenführung 7 umfasst. Innerhalb Luftfeder 2 ist Stoßdämpfer 3 vorgesehen, wobei Stoßdämpfer 3 ein Dämpferrohr 14, eine in diesen eintauchbare Kolbenstange 15 und ein Dämpferlager 11 umfasst.
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Luftfederbein 1 erfüllt zwei Funktionsbereiche, zu einem erfüllt Luftfeder 2 die Tragkrafterzeugung, während Stoßdämpfer 3 für die Linearführung zuständig ist. Über Befestigungsmittel am Luftfederdeckel 4 kann Luftfederbein 1 einerseits an einer Kraftfahrzeugkarosserie und andererseits über ein nicht dargestelltes Stoßdämpferauge an einem Radträger des Kraftfahrzeugfahrwerks befestigt werden, wodurch das Kraftfahrzeug gefedert und gedämpft wird.
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Luftfeder 2 umfasst Rollbalg 6 aus elastomerem Material, wobei Rollbalg 6 mit Luftfederdeckel 4 und Abrollkolben 5 einen luftdichten und mit Druckluft befüllbaren volumenelastischen Arbeitsraum 10 begrenzt. Der schlauchförmige Rollbalg 6 ist mit seinem ersten Ende am Luftfederdeckel 4 und mit seinem zweiten Ende am Abrollkolben 5 bspw. über Klemmringe 18 an den Anschlussbereichen dieser Luftfederanbauteile befestigt.
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Bei Relativbewegungen entlang der Längsachse L des Luftfederbeins 1 zwischen Luftfederdeckel 4 und Abrollkolben 5 rollt Rollbalg 6 unter Ausbildung einer Rollfalte 8 auf der konzentrischen Abrollfläche 30 des Abrollkolbens 5 ab. Weiterhin bildet Rollbalg 6 eine Kardanikfalte 9 am Luftfederdeckel 4 aus, welche als kardanisches Lager wirksam ist. Zugleich ist Rollbalg 6 mit eingebetteten Festigkeitsträgern versehen.
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Insbesondere bei den komfortablen Axialbälgen, also mit in axialer Richtung ausgerichteten Festigkeitsträgern, werden Außenführungen 7 verwendet, um die seitliche Ausdehnung des Rollbalgs 6 zu begrenzen. Dabei kann Außenführung 7 durch einen im Arbeitsraum 10 vorgesehenen Innenspannring 12 am Rollbalg 6 verklemmt werden.
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Zum Schutz vor Verschmutzung der Rollfalte 8 kann ein Faltenbalg 19 vorgesehen sein, welcher bspw. an dem radträgerseitigen Endbereich der Außenführung 7 und am Dämpferrohr 14 befestigt wird.
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An der Unterseite des Luftfederdeckels 4 anliegend ist zum Stoßdämpfer gewandt eine Zusatzfeder 16 angeordnet. Zusatzfeder 16 weist eine Durchgangsbohrung für Kolbenstange 15 auf und umschließt diese daher. Beim Einfedern bewegt sich die Stirnseite des Dämpferrohres 14 auf Luftfederdeckel 4 zu, weshalb Zusatzfeder 16 als Wegbegrenzung dient und mögliche auf Luftfederdeckel 4 einwirkende Kräfte abdämpft.
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Dämpferrohr 14 des Stoßdämpfers 3 ist innerhalb des Abrollkolbens 5 vorgesehen bzw. ist vom hohlzylinderförmigen Abrollkolben 5 zumindest bereichsweise umgeben, wobei Abrollkolben 5 über ein Stützring 17 stehend auf dem Dämpferrohr oder über ein Lagerelement 13 auf der Stirnseite des Dämpferrohrs 14 hängend befestigt sein kann. Eine Kombination aus stehendem und hängendem Abrollkolben 5 ist wie in der Figur gezeigt ebenfalls möglich. Es ist zudem bekannt Abrollkolben 5 aus einem Leichtmetall wie Aluminium oder einem faserverstärktem Kunststoff herzustellen.
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Bei einem stehenden Abrollkolben 5 ist zwischen seinem dem Radträger zugewandten Endbereich und der gegenüberliegenden Außenwandung des Dämpferrohres 14 ein Dichtsystem 20 vorgesehen, bspw. aus elastomeren Dichtringen. Dies dient dazu den innerhalb des Abrollkolbens erweiterbaren Arbeitsraum der Luftfeder 2 abzudichten.
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2 zeigt den Ausschnitt eines Luftfederbeines mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines Abrollkolbens 105, wobei Abrollkolben 105 einen Kolbengrundkörper 131 und einen Rollflächenaufbau 132 umfasst.
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Über Kolbengrundkörper 131 ist Abrollkolben 105 hängend über Lagerelement 13 und zugleich stehend auf Stützring 17 an dem Dämpferrohr 14 des Stoßdämpfers befestigt. Zusätzlich ist an Stützring 17 ein Dichtring als Dichtsystem 20 vorgesehen, welcher radial zwischen Kolbengrundkörper 131 und Dämpferrohr 14 den Arbeitsraum der Luftfeder gegenüber der Atmosphäre abdichtet.
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Rollbalg 6 ist über Klemmring 118 am oberen Klemmgrund des Abrollkolbens 105 mit diesem befestigt, wobei Rollbalg 6 von Außenführung 7 umgeben ist. Als Abrollfläche 130 für Rollbalg 6 dient Rollflächenaufbau 132.
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Um ein Verzwängen der Rollfaltenbreite B der Rollfalte 8 zu vermeiden bzw. weitestgehend zu reduzieren ist Abrollkolben 5 mehrteilig aus Kolbengrundkörper 131 und Rollflächenaufbau 132 ausgebildet. Im statischen Zustand des Luftfederbeins 1 ist der hohlzylinderförmiger Rollflächenaufbau 132 konzentrisch um Kolbengrundkörper 131 herum angeordnet.
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Dabei ist Rollflächenaufbau 132 aus einer Vielzahl an axial aufeinanderliegenden Rollflächensegmenten 134 ausgeführt. Im statischen Zustand des Luftfederbeins 1 sind die Rollflächensegmente 134 konzentrisch um Kolbengrundkörper 131 angeordnet. Diese als Ringscheiben ausgebildeten Segmente 134 lassen sich im dynamischen Zustand des Luftfederbeins jeweils einzeln exzentrisch zum Kolbengrundkörper 131 verschieben. D.h. beim Einfedern rollt Rollbalg 6 auf der aus der Vielzahl an Segmenten 134 gebildeten Abrollfläche 130 ab und bei Querkraftbeeinflussung wird jedes einzelne Segment 134 exzentrisch zum Kolbengrundkörper 131 verschoben. Somit weichen die Segmente 134 beim Abrollen der Rollfalte 8 aus, wodurch diese widerstandsfrei abrollen kann und deren Rollfaltenbreite B nicht reduziert wird. Damit wird die Querkraftbeeinflussung auf den Stoßdämpfer verringert.
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Um die aufeinander liegenden Segmente 134 in axialer Richtung zu lagern, bildet Kolbengrundkörper 131 einen ersten radialen unteren Ringsteg 135 und einen zweiten radialen oberen Ringsteg 136 an seinen jeweiligen Endbereichen aus, um als Endanschläge die Segmente 134 in axialer Position zu halten.
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In der zweiten Ausführungsform eines beispielsgemäßen Abrollkolbens gemäß der 3 wird jedem Segment 134 ein elastisches Formteil 133 zugeordnet. Dieses Formteil 133 ist hohlzylinderförmig zwischen dem Kolbengrundkörper 131 und dem jeweiligen Segment 134 angeordnet und kann mit dem jeweiligem Segment 134 verklebt sein. Das Verkleben oder auch Anvulkanisieren unterbindet ein Verdrehen der Segmente 134 auf den Formteilen 133.
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Formteil 133 begrenzt zudem die radial exzentrisch stattfindende Bewegung eines Segments 134 und bewirkt auch eine Rückstellung auf das Segment 134, wenn das Luftfederbein ausfedert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftfederbein
- 2
- Luftfeder
- 3
- Stoßdämpfer
- 4
- Luftfederdeckel
- 5
- Abrollkolben
- 6
- Rollbalg
- 7
- Außenführung
- 8
- Rollfalte
- 9
- Kardanikfalte
- 10
- Arbeitsraum
- 11
- Dämpferlager
- 12
- Innenspannring
- 13
- Lagerelement
- 14
- Dämpferrohr
- 15
- Kolbenstange
- 16
- Zusatzfeder
- 17
- Stützring
- 18
- Klemmring
- 19
- Faltenbalg
- 20
- Dichtsystem
- 30
- Abrollfläche
- 105
- Abrollkolben
- 118
- Klemmring
- 130
- Abrollfläche
- 131
- Kolbengrundkörper
- 132
- Rollflächenaufbau
- 133
- elastisches Formteil
- 134
- Rollflächensegment/Ringscheibe
- 135
- erster Radialsteg
- 136
- zweiter Radialsteg
- B
- Rollfaltenbreite
- L
- Längsachse
