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Die Erfindung betrifft eine Luftfeder mit einem schlauchartigen Rollbalg, der aus einem Verstärkungseinlagen aufweisenden Elastomer gebildet ist, wobei ein erstes axiales Ende des Rollbalgs an einem Stützzylinder eines Fahrgestells sowie ein zweites axiales Ende des Rollbalgs an einem einer Fahrzeugachse zugeordneten Stützkolben befestigt ist.
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Luftfedern kommen unter anderem bei Schienenfahrzeugen, Lastkraftwagen und vereinzelt bei Personenkraftwagen zum Einsatz, da mit diesen aufgrund einer fehlenden Eigendämpfung ein sensibles Ansprechverhalten mit einem hohen Federungskomfort realisierbar ist. Darüber hinaus kann mittels einer Luftfederung in vorteilhafter Weise die Fahrzeughöhe belastungsabhängig eingestellt werden, wobei bei größeren Lasten das Federungsverhalten der Luftfeder härter wird. Luftfeder weisen einen in der Regel faserarmierten elastischen Rollbalg auf, dessen eines Ende an einem Fahrgestell und dessen hiervon weggerichtetes anderes Ende an einem achsseitigen Stützkolben mittels geeigneter Befestigungseinrichtungen angebunden ist.
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Sowohl der Rollbalg als auch der Stützkolben einer Luftfeder sind aufgrund ihrer unterbodenseitigen Anordnung neben anderen schädlichen äußeren Einwirkungen vor dem Steinschlag ausgesetzt. Die Geschwindigkeit von auftreffenden Steinchen kann dabei deutlich höher sein als die Fahrzeuggeschwindigkeit. Um unter anderem die notwendige Steinschlagsicherheit der Luftfedern zu gewährleisten, weisen aus einem Kunststoffmaterial hergestellte Stützkolben Wandstärken von mindestens 6 mm auf, welches zu hohen Fertigungskosten und einem vergleichsweise großem Gewicht derselben führt. Darüber hinaus kann insbesondere der Stützkolben einer Luftfeder verschmutzen und/oder vereisen, wodurch die Funktion der Luftfeder beeinträchtigt werden kann.
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Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere gegenüber schädlichen äußeren mechanischen Einwirkungen resistente Luftfeder für Kraftfahrzeug vorzustellen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Luftfeder mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass an der radialen Außenseite des Rollbalgs eine umfangsseitig umlaufende, flexible Schutzeinrichtung angeordnet ist, welche hinsichtlich deren Geometrie und Abmessungen derartig ausgebildet ist, dass diese den Stützkolben unabhängig vom Einfederungs- und Ausfederungszustand der Luftfeder beziehungsweise des Rollbalgs vollständig nach radial innen abdeckt.
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Durch diese flexible Schutzeinrichtung wird insbesondere Steinschlag, der Vielfach eine hohe kinetische Energie aufweist, zuverlässig daran gehindert, den Stützkolben zu treffen und zu beschädigen. Zudem können sich Schmutzpartikel nicht mehr auf der Oberfläche des Stützkolbens ablagern. Ferner wird eine Vereisung der Oberfläche des Stützkolbens der Luftfeder durch Wasser verhindert.
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Um eine von der Abrollverformung des Rollbalgs unabhängige Geometrie der Schutzeinrichtung zu gewährleisten, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Schutzeinrichtung außerhalb der Abrollzone des Rollbalgs an der radialen Außenseite des Rollbalgs ausgebildet oder befestigt ist, wobei die Abmessungen und die Geometrie der Schutzeinrichtung derartig sind, dass diese den Stützkolben unabhängig von dem Einfederungs- und Ausfederungszustand der Luftfeder beziehungsweise des Rollbalgs vollständig abdeckt. Durch diese Konstruktion wird erreicht, dass die Schutzeinrichtung beim Einrollen des Rollbalgs keine unkontrollierte Knickung erfährt, sobald diese mit ihrem axial freien Ende auf einen Gegenstand der Luftfeder oder der Fahrzeugachse treffen sollte.
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Vorzugsweise ist eine Außenseite der flexiblen Schutzeinrichtung zumindest bereichsweise mit einer schmutz- und flüssigkeitsabweisenden Beschichtung, wie zum Beispiel Teflon® oder einer geeigneten Nanobeschichtung nach Art des bekannten Lotus-Prinzips beschichtet, sofern der für die Herstellung der Schutzvorrichtung genutzte Werkstoff die genannten Eigenschaften nicht selbst aufweist.
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Gemäß einer technisch vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Schutzeinrichtung ein Faltenbalg ist, der mit einem thermoplastischen, duroplastischen und/oder elastomeren Werkstoff hergestellt ist. Hierdurch sind axiale Längenänderungen der Schutzeinrichtung ohne ungewollte Stauchungseffekte und infolgedessen ohne undefinierte Faltenbildung möglich.
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Eine andere günstige Ausgestaltung sieht vor, dass der Stützkolben unter Nutzung eines thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffs hergestellt ist, und dass der Stützkolben eine Wandstärke von bis zu 5 mm aufweist, einschließlich der Bereichsgrenze. Hierdurch sind Gewichtseinsparungen realisierbar. Weiterhin können die Herstellungskosten des Stützkolbens durch einen reduzierten Materialeinsatz verringert werden. Vorzugsweise beträgt die Wandstärke des Stützkolbens bis zu 3 mm.
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Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der Werkstoff der Schutzeinrichtung und/oder der Kunststoff des Stützkolbens mit einer Faserarmierung versehen sind. Hierdurch können die mechanische Belastbarkeit der Schutzeinrichtung und/oder des Stützkolbens beträchtlich erhöht sein. Darüber hinaus kann deren Temperaturbeständigkeit verbessert sein.
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Bevorzugt ist die Schutzeinrichtung mit der Außenseite des Rollbalgs stoffschlüssig verbunden, beispielsweise verklebt, anvulkansiert oder gleichzeitig vulkanisiert. Infolgedessen ergibt sich eine mechanisch zuverlässige Verbindung zwischen dem Rollbalg und der Schutzeinrichtung, die insbesondere ohne weitere Bauteile auskommt.
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Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Schutzeinrichtung an der Außenseite des Rollbalgs mittels eines Radialspannelements befestigt. Hierdurch ist eine robuste mechanische Befestigung gegeben. Als Radialspannelementen kommen beispielsweise Kabelbinder, Spannringe, Schlauchschellen oder dergleichen in Betracht.
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Vorzugsweise verbleibt zwischen der radialen Innenseite der Schutzeinrichtung und der radialen Außenseite des Stützkolbens zumindest ein Ringspalt. Infolgedessen entsteht zwischen der Schutzeinrichtung und dem Stützkolben ein diesen koaxial umgebendes Luftpolster mit einem zusätzlichen pneumatischen Dämpfungseffekt, durch den der mechanische Dämpfungseffekt des herabhängenden Faltenbalgs optimal ergänzt wird. Dadurch kann die kinetische Energie von auf die Schutzeinrichtung auftreffenden Steinschlags besonders effektiv abgebaut werden.
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Gemäß einer weiteren technisch vorteilhaften Ausgestaltung liegt ein freies zweites axiales Ende der Schutzeinrichtung unabhängig vom Ein- und Ausfederungszustand der Luftfeder an einer Basisplatte des Stützkolbens und/oder der Fahrzeugachse an. Hierdurch ist der Stützkolben vollständig gegen Steinschlag und andere schädliche Umwelteinwirkungen abgeschirmt. Das freie Ende der Schutzeinrichtung beziehungsweise des Faltenbalgs kann zur Gewährleistung einer dauerhaft festen Anlage zum Beispiel schwere Gewichtseinlagen, Permanentmagnete, Klettverschlüsse oder reißverschlussartige Hakenverschlüsse etc. aufweisen.
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Weiter ist bevorzugt vorgesehen, dass die Schutzeinrichtung in einem axialen Abstand A von einer Unterkante des Stützzylinders befestigt ist, welcher höchstens Zweidrittel des maximalen Federweges der Luftfeder beträgt. Hierdurch ist die Schutzeinrichtung zuverlässig außerhalb der Abrollzone des Faltenbalgs platziert, in der es zu Formveränderungen des Rollbalgs beim Ein- und Ausfedern der Luftfeder kommt.
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Schließlich kann vorgesehen sein, dass das fahrzeugachsenferne erste axiale Ende des Rollbalgs und das fahrzeugachsenferne erste axiale Ende der Schutzeinrichtung zusammen und direkt an dem Stützzylinder befestigt sind. Diese Befestigung kann beispielsweise mittels einer Spannmanschette erfolgen, welche sowohl die Schutzvorrichtung beziehungsweise den Faltenbalg als auch den Rollbalg radial an die Außenseite des Stützzylinders presst. Eine stoffschlüssige Verbindung von Rollbalg und Schutzvorrichtung ist daher nicht notwendig.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser zeigt die einzige Figur eine schematische, teilgeschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Luftfeder.
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Die Luftfeder 10 weist einen schlauchartigen beziehungsweise weitgehend hohlzylindrischen Rollbalg 12 mit einem ersten axialen Ende 14 und einem zweiten axialen Ende 16 auf. Der Rollbalg 12 ist aus einem vorzugsweise Verstärkungseinlagen aufweisenden elastomeren Kunststoff, wie zum Beispiel einem faserarmierten Gummi- oder Silikonmaterial hergestellt. Das erste axiale Ende 14 des Rollbalgs 12 ist mittels einer konkaven Spannmanschette 18 mit einem hohlzylindrischen Stützzylinder 20 eines Fahrgestells 22 eines hier nicht dargestellten Fahrzeugs verbunden. Bei dem Fahrzeug kann es sich zum Beispiel um ein Kraftfahrzeug oder ein Schienenfahrzeug handeln. Durch die Spannmanschette 18 ist das erste axiale Ende 14 des Rollbalgs 12 druckdicht mit dem Stützzylinder 20 der Luftfeder 10 verbunden. An dem zweiten axialen Ende 16 des Rollbalgs 12 ist eine Ringwulst 30 ausgebildet, in den ein bevorzugt metallischer sowie federelastischer Spannring 32 integriert ist, welches zum Beispiel durch Einvulkanisieren geschehen ist. Der Spannring 32 ist dabei allseitig von dem faserarmierten Gummi- oder Silikonmaterial des Rollbalgs 12 umgeben.
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Ein Stützkolben 36 der Luftfeder 10 verfügt über ein freies erstes axiales Ende 38, das in Richtung des Fahrgestells 22 weist, und ein hiervon abgewandtes zweites axiales Ende 40, an dem eine beispielsweise kreisringförmige, flanschartige Basisplatte 42 ausgebildet ist. Mittels der Basisplatte 42 und einer in der Zeichnung nicht dargestellten Verbindung, insbesondere einer Bolzenverbindung, ist der Stützkolben 36 hier lediglich exemplarisch mit einem Podest 44 einer zeichnerisch lediglich angedeuteten Fahrzeugachse 46 verbunden. Die Luftfeder 10 mit dem Rollbalg 12, dem Stützzylinder 20 sowie dem Stützkolben 36 ist hierbei rotationssymmetrisch zu einer Hochachse 50 ausgebildet.
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Ausgehend von seinem freien axialen Ende 38 verfügt der Stützkolben 36 über einen durchmesserkleineren Zylinderabschnitt 52, an den sich axial ein Konusabschnitt 54 anschließt. Der Konusabschnitt 54 geht in einen durchmessergrößeren Zylinderabschnitt 56 über. Zwischen dem durchmessergrößeren Zylinderabschnitt 56 und der Basisplatte 42 verläuft ein taillierter beziehungsweise ein sanduhrartig-konkav gekrümmter Einschnürabschnitt 58 des Stützkolbens 36, auf dessen Außenoberfläche der Rollbalg 12 der Luftfeder 10 leicht und widerstandsarm abrollt. Mittels des metallischen oder mit einem Kunststoff gebildeten Spannrings 32 ist der Ringwulst 30 des zweiten axialen Endes 16 des Rollbalgs 12 auf den durchmesserkleineren Zylinderabschnitt 52 des Stützkolbens 36 druckdicht aufgespannt beziehungsweise aufgepresst und stützt sich dabei axial an dem Konusabschnitt 54 ab, sodass ein druckdichter Innenraum 60 der Luftfeder 10 zur Aufnahme eines federnden Druckluftpolsters gebildet ist.
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Der maximale Federweg W der Luftfeder 10 wird ausgehend vom hier exemplarisch gezeigten vollständigen Ausfederungszustand dadurch begrenzt, dass eine Unterkante 62 des Stützzylinders 20 und eine Oberkante 64 des Stützkolbens 36 in einen vollständigen Einfederungszustand axial aneinander stoßen.
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Dieser maximale Federweg W soll in der Praxis jedoch nie vollständig ausgenutzt werden. Alternativ dazu kann der Stützkolben 36 im vollständig eingefederten Zustand der Luftfeder 10 koaxial vom Stützzylinder 20 umfasst sein, wobei ein hier kreisförmig ausgebildeter Boden 66 des Stützzylinders 20 den Anschlag für die Oberkante 64 des Stützkolbens 36 bildet.
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Die Wandstärke D des Stützkolbens 36 beträgt vorzugsweise zwischen 2 mm und 3 mm einschließlich der Bereichsgrenzen. Der Stützkolben 36 kann mit einem thermoplastischen und/oder mit einem duroplastischen Kunststoff gebildet sein. Vorzugsweise ist der Kunststoff des Stützkolbens 36 zur weiteren Optimierung seiner mechanischen und thermischen Festigkeit mit einer geeigneten Faserarmierung versehen.
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Im Übrigen ist einem auf dem Gebiet der Luftfederungstechnik tätigen Fachmann der konstruktive Aufbau von Luftfedern hinreichend geläufig, so dass an dieser Stelle auf eine eingehendere Erläuterung nicht erfindungsrelevanter technischer Details der Luftfeder 10 verzichtet sei.
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An der radialen Außenseite 68 des Rollbalgs 12 ist erfindungsgemäß eine umfangsseitig umlaufende flexible Schutzeinrichtung 70 befestigt. Diese Befestigung erfolgte außerhalb einer Abrollzone 72 des Rollbalgs 12 beziehungsweise in einem Bereich, in dem es unabhängig vom jeweiligen Einfederungs- oder Ausfederzustand der Luftfeder 10 zu keinen nennenswerten geometrischen Verformungen des Luftbalgs 10 kommt. Die Schutzeinrichtung 70 ist hier lediglich beispielhaft als ein Faltenbalg 74 ausgebildet. Ein erstes axiales Ende 76 dieser flexiblen Schutzeinrichtung 70 ist hier ebenfalls lediglich beispielhaft mittels eines schematisch eingezeichneten Radialspannelements 78 an der Außenseite 68 des Rollbalgs 12 befestigt. Alternativ dazu kann die flexible Schutzeinrichtung 70 beziehungsweise der Faltenbalg 74 auch stoffschlüssig, beispielsweise durch Verkleben, Vulkanisieren, thermisches Verschweißen, Kaltverschweißen etc. mit dem Rollbalg 12 verbunden sein. Die Schutzeinrichtung 70 beziehungsweise der Faltenbalg 74 kann unter Nutzung eines thermoplastischen, duroplastischen Kunststoffs oder mit einem elastomeren Werkstoffs gebildet sein, der darüber hinaus zumindest bereichsweise mit einer Faserarmierung ausgestattet sein kann.
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Ein freies zweites axiales Ende 80 der Schutzeinrichtung 70 beziehungsweise des Faltenbalgs 74 liegt vorzugsweise unabhängig vom jeweiligen Einfederungs- und Ausfederungszustand der Luftfeder 10 vorhangartig stets an der Basisplatte 42 des Stützkolbens 36 und/oder an der Fahrzeugachse 46 an. Um unter allen Betriebsbedingungen der Luftfeder 10 eine möglichst zuverlässige Anlage des zweiten axialen Endes 76 des Faltenbalgs 74 zu gewährleisten, können beispielsweise mehrere kleine Gewichte 82 und/oder Permanentmagnete 84 im Bereich des freien zweiten axialen Endes 80 der Schutzeinrichtung 70 beziehungsweise des Faltenbalgs 74 umfangsseitig gleichmäßig zueinander beabstandet an diesem integriert sein. Alternativ dazu oder zusätzlich kann das freie zweite axiale Ende 80 des Faltenbalgs 74 auch mittels einer nicht dargestellten Klettverbindung oder einer reißverschlussartigen Hakenverbindung mit der Basisplatte 42 und/oder der Fahrzeugachse 46 zu Wartungszwecken lösbar verbunden sein.
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Zwischen dem Radialspannelement 78 beziehungsweise dem am Rollbalg 12 befestigten ersten axialen Ende 76 der flexiblen Schutzeinrichtung 70 und der Unterkante 62 des Stützzylinders 20 am Fahrgestellt 22 besteht hier ein axialer Abstand A, der vorzugsweise höchstens Zweidrittel des maximalen Federwegs W der Luftfeder 10 beträgt. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Verbindung oberhalb der Abrollzone 72 des Rollbalgs 12 erfolgt ist. Zwischen der Schutzeinrichtung 70 beziehungsweise dem Faltenbalg 74, der den Rollbalg 12 der Luftfeder 12 zumindest abschnittsweise koaxial umgibt, und dem Stützkolben 36 verbleibt vorzugsweise ein Ringspalt 86.
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Durch die Schutzeinrichtung 70 beziehungsweise den diese ausbildenden Faltenbalg 74 ist der Stützkolben 36 zuverlässig vor mit hoher kinetischer Energie auftreffendem Steinschlag 90 geschützt. Durch den pneumatischen Dämpfungseffekt des Ringspalts 86 wird die Schutzfunktion der Schutzeinrichtung 70 unterstützt, da die kinetische Energie des Steinschlags 90 das im Ringspalt 86 befindliche Luftpolster komprimiert und die Bewegungsenergie des Steinschlags 90 zumindest teilweise in Wärmeenergie transformiert wird.
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Durch die flexible Schutzeinrichtung 70 ist die Außenfläche 92 des Stützkolbens 36 effektiv vor etwaigem Steinschlag 90 geschützt. Infolgedessen kann die Wandstärke D des Stützkolbens 36 der Luftfeder 10 im Vergleich zu bekannten Ausführungsformen von Luftfedern, die vielfach mit Stützkolben mit mehr als 6,0 mm Wandstärke ausgerüstet sind, deutlich bis auf ein strukturmechanisch absolut erforderliches Mindestmaß im Bereich von etwa 2,0 mm reduziert werden. Hieraus ergeben sich Gewichts- und Kostenvorteile. Unter anderem lässt sich die federnde Masse der Fahrzeugachse reduzieren.
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Zusätzlich verhindert die flexible Schutzeinrichtung 70, dass sich Schmutzpartikel, andere Kontaminationen, Wasser mit darin gelösten Schmutzpartikeln sowie Eis auf der Außenfläche 92 des Stützkolbens 36 absetzen und zu einem erhöhten Verschleiß des Rollbalgs 12 sowie einer damit einhergehenden verminderten maximalen Nutzungsdauer des Rollbalgs 12 und damit der ganzen Luftfeder 10 führen. Ferner verringert sich infolge der flexiblen Schutzeinrichtung 70 der Wartungs- und Reparaturaufwand der Luftfeder 10.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Luftfeder
- 12
- Rollbalg
- 14
- Erstes axiales Ende des Rollbalgs
- 16
- Zweites axiales Ende des Rollbalgs
- 18
- Spannmanschette
- 20
- Stützzylinder
- 22
- Fahrgestell
- 30
- Ringwulst
- 32
- Spannring
- 36
- Stützkolben
- 38
- Freies erstes axiales Ende des Stützkolben
- 40
- Zweites axiales Ende des Stützkolben
- 42
- Basisplatte
- 44
- Podest
- 46
- Fahrzeugachse
- 50
- Hochachse
- 52
- Durchmesserkleinerer Zylinderabschnitt des Stützkolbens
- 54
- Konusabschnitt des Stützkolbens
- 56
- Durchmessergrößerer Zylinderabschnitt des Stützkolbens
- 58
- Einschnürabschnitt des Stützkolbens
- 60
- Innenraum
- 62
- Unterkante des Stützzylinders
- 64
- Oberkante des Stützkolbens
- 66
- Boden des Stützzylinders
- 68
- Außenseite des Rollbalgs
- 70
- Flexible Schutzeinrichtung
- 72
- Abrollzone des Rollbalgs
- 74
- Faltenbalg
- 76
- Erstes axiales Ende der Schutzeinrichtung
- 78
- Radialspannelement
- 80
- Freies zweites axiales Ende der Schutzeinrichtung
- 82
- Gewicht
- 84
- Permanentmagnet
- 86
- Ringspalt
- 90
- Steinschlag
- 92
- Außenfläche des Stützkolbens
- A
- Abstand
- D
- Wandstärke des Stützkolbens
- W
- Maximaler Federweg der Luftfeder
