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Die Erfindung betrifft eine Kabinenfederung für ein Nutzfahrzeug, mit einer tragenden Fahrzeugstruktur sowie einer gegenüber der tragenden Fahrzeugstruktur mittels mehrerer Federbeine schwingungsbeweglich abgestützten Fahrerkabine, wobei jedes der Federbeine ein erstes Federbeinsegment mit einem Federteller und ein demgegenüber auslenkbares zweites Federbeinsegment mit einem Gegenlager aufweist, wobei zwischen dem Federteller und dem Gegenlager eine in Auslenkungsrichtung wirkende Schraubenfeder eingespannt ist.
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Eine derartige Kabinenfederung ist beispielsweise bei landwirtschaftlichen Traktoren des Herstellers John Deere unter der Bezeichnung MCS (Mechanical Cab Suspension) bekannt. Die rein mechanisch arbeitende Kabinenfederung umfasst eine vordere Kabinenlagerung in Gestalt rechter und linker Gummilager sowie eine hintere Kabinenlagerung in Gestalt rechter und linker mechanischer Federbeine, bei denen sich zwischen relativ zueinander auslenkbaren Federbeinsegmenten eine Schraubenfeder erstreckt. Die Kabinenfederung ist bezüglich ihrer Eigenfrequenz auf ein bestimmtes Gesamtgewicht der Fahrerkabine abgestimmt. Im Sinne eines optimalen Federungskomforts sind bei Radfahrzeugen Werte in der Größenordnung von 1 Hz ideal, diese führen jedoch zu einem vergleichsweise weichen bzw. nachgiebigen Federungsverhalten. Je nach Fahrergewicht und Ausstattungsvariante der Fahrerkabine kann es daher zu einer merklichen Verschiebung der Federungsnulllage und damit zu Einschränkungen des beim Einfedern zur Verfügung stehenden Federwegs an den mechanischen Federbeinen kommen. Um allen denkbaren Zuladungssituationen Rechnung zu tragen, sowie aufgrund der meist mangelhaften Anpassungsmöglichkeiten mechanischer Federbeine, ist die Kabinenfederung daher in der Praxis entsprechend steif abgestimmt. Der hierbei erzielbare Federungskomfort stellt dann lediglich einen Kompromiss dar.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kabinenfederung der eingangs genannten Art dergestalt weiterzubilden, dass mit dieser unabhängig von der jeweiligen Zuladungssituation ein bestmöglicher Federungskomfort erzielbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kabinenfederung für ein Nutzfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Kabinenfederung für ein Nutzfahrzeug umfasst eine tragende Fahrzeugstruktur sowie eine gegenüber der tragenden Fahrzeugstruktur mittels mehrerer Federbeine schwingungsbeweglich abgestützte Fahrerkabine, wobei jedes der Federbeine ein erstes Federbeinsegment mit einem Federteller und ein demgegenüber auslenkbares zweites Federbeinsegment mit einem Gegenlager aufweist, wobei zwischen dem Federteller und dem Gegenlager eine in Auslenkungsrichtung wirkende Schraubenfeder eingespannt ist. Hierbei ist der Abstand zwischen dem Federteller und dem Gegenlager mittels einer elektrisch und/oder hydraulisch betätigbaren Stellanordnung veränderbar, sodass eine gezielte Beeinflussung der Federvorspannung möglich ist.
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Durch entsprechende Anpassung der Federvorspannung lässt sich die Federungsnulllage der Kabinenfederung ohne merklichen Einfluss auf die gewählte Federsteifigkeit dahingehend beeinflussen, dass der beim Einfedern zur Verfügung stehende Federweg unabhängig von der jeweiligen Zuladung der Fahrerkabine stets der gleiche bleibt. So lässt sich im Falle einer Entlastung der Kabinenfederung, beispielsweise bedingt durch einen Fahrerwechsel, mittels der Stellanordnung ein die Federvorspannung verringernder Abstand zwischen Federteller und Gegenlager einstellen, wozu der Abstand entsprechend erhöht wird. Umgekehrt kann im Falle einer Belastung der Kabinenfederung, beispielsweise beim Zusteigen einer Begleitperson, mittels der Stellanordnung ein die Federvorspannung vergrößernder Abstand zwischen Federteller und Gegenlager eingestellt werden, indem der Abstand entsprechend verringert wird. Da sich auf diese Weise ein lastwechselbedingter Einfluss auf die Federungsnulllage zumindest im Umfang der seitens der Stellanordnung gebotenen Anpassungsmöglichkeiten kompensieren lässt, kann die Abstimmung des Federungsverhaltens durch entsprechende Wahl der Federsteifigkeit ungeachtet der jeweiligen Zuladungssituation im Sinne der Erzielung eines bestmöglichen Federungskomforts erfolgen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kabinenfederung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Vorzugsweise ist die Stellanordnung als an dem ersten Federbeinsegment angeordneter hydraulisch betätigbarer Stellzylinder ausgebildet, wobei sich der Federteller durch Druckbeaufschlagung des Stellzylinders gegenüber dem Gegenlager in Auslenkungsrichtung verschieben lässt. Ein derartiger Stellzylinder zeichnet sich aufgrund seiner hydraulischen Betätigung nicht nur durch vergleichsweise geringe Reaktionszeiten aus, sondern führt angesichts der geringen Anzahl beweglicher Teile auch zu einen besonders kompakten Aufbau des Federbeins.
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Hierbei ist es denkbar, dass der Federteller an einer von dem Stellzylinder umfassten Kolbenstange stirnseitig angeordnet ist, insbesondere kann dieser einstückiger Bestandteil der Kolbenstange sein. Die Kolbenstange ist in diesem Fall von einem mit dem ersten Federbeinsegment verbundenen Zylindergehäuse aufgenommen und bildet mit diesem eine einfachwirkende Arbeitskammer zur Einsteuerung eines hydraulischen Drucks. Letzterer verursacht eine Verschiebung der Kolbenstange innerhalb des Zylindergehäuses und damit des Federtellers. Je nachdem, ob der Druck verringert oder erhöht wird, kann die Kolbenstange unter der rückstellenden Wirkung der Schraubenfeder zu einer Ein- oder Ausfahrbewegung veranlasst werden. Die Arbeitskammer steht hierzu mit einem aus einem Hydrauliksystem des Nutzfahrzeugs gespeisten elektrisch betätigbaren Umschaltventil in Verbindung.
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Gemäß einer ersten Ausführungsvariante des Federbeins kann die Stellanordnung anstelle eines Stellzylinders einen elektrisch betätigbaren Zahnstangenantrieb aufweisen, mittels dessen sich der Federteller entlang einer dem ersten Federbeinsegment zugeordneten Lagerbasis in Auslenkungsrichtung verschieben lässt. Die Energiezufuhr erfolgt in diesem Fall über ein - selbst unter ungünstigen baulichen Bedingungen - problemlos zu verlegendes elektrisches Kabel. Der Zahnstangenantrieb kann außenliegend am Federbein vorgesehen sein, was einen verbesserten Zugang zu Wartungs- oder Austauschzwecken erlaubt.
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Hierbei besteht die Möglichkeit, dass der Federteller drehfest entlang der Lagerbasis geführt ist, wobei der Zahnstangenantrieb eine mit dem Federteller verbundene Zahnstange aufweist, in die ein mittels eines Elektromotors antreibbares Zahnrad eingreift. Zur drehfesten Längsführung kann die Lagerbasis asymmetrische Formmerkmale aufweisen, die mit korrespondierenden Formmerkmalen am Federteller in Eingriff stehen. So ist es unter anderem vorstellbar, dass an der Lagerbasis eine Längsnut zur spielfreien Aufnahme einer an dem Federteller hervorspringenden Führungsnase vorhanden ist.
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Im Hinblick auf die Verwirklichung eines selbstblockierenden Betätigungsmechanismus kann das Zahnrad zusätzlich über ein mit einer Antriebswelle des Elektromotors verbundenes Schneckenrad antreibbar sein. Bei dem Elektromotor handelt es sich üblicherweise um einen integrierten Getriebemotor, der aus einem Gleichstrom- bzw. Schrittmotor sowie einem nachgelagerten Untersetzungsgetriebe besteht.
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Eine zweite Ausführungsvariante des Federbeins sieht vor, dass das erste Federbeinsegment eine als Gewindespindel ausgebildete Lagerbasis mit einem zugehörigen Außengewinde trägt, in das ein an dem Federteller ausgebildetes Innengewinde derart eingreift, dass sich der Federteller entlang der Gewindespindel in Auslenkungsrichtung verschieben lässt, wenn Gewindespindel und Federteller mittels eines Elektromotors relativ zueinander in Drehung versetzt werden. Mit anderen Worten ist also entweder die Lagerbasis in Bezug auf das erste Federbeinsegment verdrehfest angeordnet oder aber der Federteller, wozu letzterer fest mit der Schraubenfeder verbunden sein kann. Auch hier kann es sich bei dem Elektromotor um einen integrierten Getriebemotor mit einem Gleichstrom- bzw. Schrittmotor sowie einem nachgelagerten Untersetzungsgetriebe handeln.
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Ist der Federteller gegenüber der Gewindespindel verdrehfest angeordnet, kann die Gewindespindel eine Außenverzahnung aufweisen, über die die Gewindespindel mittels eines von dem Elektromotor angetriebenen Schneckenrads in Drehung versetzbar ist. Die Gewindespindel ist mittels zugehöriger Radial- bzw. Axiallager am ersten Federbeinsegment abgestützt.
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Ist hingegen die Gewindespindel gegenüber dem Federteller verdrehfest, mithin feststehend am ersten Federbeinsegment angeordnet, so ist es möglich, dass der Federteller über eine Außenverzahnung mittels eines von dem Elektromotor angetriebenen, in Auslenkungsrichtung geradverzahnten Zylinderrads in Drehung versetzbar ist. Hierbei wird der Federteller dem Ausmaß der Drehung entsprechend entlang der Geradverzahnung des Zylinderrads verschoben bzw. geführt, was zu einer entsprechenden Abstandsänderung gegenüber dem Gegenlager führt.
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Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass sich ein zwischen den beiden Federbeinsegmenten angeordnetes Dämpfungselement platzsparend durch eine zentrale Ausnehmung der Stellanordnung hindurch erstreckt. Bei dem Dämpfungselement handelt es sich typischerweise um einen Dämpfungszylinder. Dieser dient zugleich der Längsführung bzw. längsverschiebbaren Lagerung der beiden Federbeinsegmente zueinander.
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Für den Fall, dass das erste Federbeinsegment feststehend am ersten Federbeinsegment angeordnet ist, kann das zugehörige Außengewinde unmittelbar in eine zylindrische Außenwand des Dämpfungszylinders, zum Beispiel eines von diesem umfassten Zylindergehäuses, eingearbeitet sein.
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Die erfindungsgemäße Kabinenfederung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei sind hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmende bzw. vergleichbare Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines von der erfindungsgemäßen Kabinenfederung umfassten Federbeins,
- 2 eine erste Ausführungsvariante des von der erfindungsgemäßen Kabinenfederung umfassten Federbeins gemäß 1,
- 3 eine zweite Ausführungsvariante des von der erfindungsgemäßen Kabinenfederung umfassten Federbeins gemäß 1, und
- 4 eine abgewandelte zweite Ausführungsvariante des von der erfindungsgemäßen Kabinenfederung umfassten Federbeins gemäß 1.
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein von einer Kabinenfederung 10 umfasstes Federbein 12, das zur schwingungsbeweglichen Abstützung einer Fahrerkabine 14 gegenüber einer tragenden Fahrzeugstruktur 16 eines als landwirtschaftlicher Traktor ausgebildeten Nutzfahrzeugs (in 1 nicht wiedergegeben) dient.
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Genauer gesagt ist stellvertretend eines von mehreren gleichartig aufgebauten Federbeinen der Kabinenfederung 10 des landwirtschaftlichen Traktors dargestellt.
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Das Federbein 12 weist ein erstes Federbeinsegment 18 mit einem Federteller 20 und ein demgegenüber auslenkbares zweites Federbeinsegment 22 mit einem Gegenlager 24 auf. Zwischen dem Federteller 20 und dem Gegenlager 24 ist eine in Auslenkungsrichtung 26 wirkende Schraubenfeder 28 eingespannt. In eingebautem Zustand ist das Federbein 12 mittels eines ersten Befestigungsauges 30 gelenkig mit der tragenden Fahrzeugstruktur 16 und über ein zweites Befestigungsauge 32 gelenkig mit der Fahrerkabine 14 verbunden, sodass das Federbein 12 fahrtbedingtbedingt auftretenden Schwingungen der Fahrerkabine 14 zu folgen vermag.
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Eine hydraulisch betätigbare Stellanordnung 34 dient der Veränderung eines zwischen dem Federteller 20 und dem Gegenlager 24 vorgesehenen Abstands d und damit der seitens der Schraubenfeder 28 aufgebauten Federvorspannung. Beispielsgemäß stellt der Abstand d das Aufmaß zwischen den beiden Stirnseiten 36, 38 der Schraubenfeder 28 im Kontaktbereich des Federtellers 20 bzw. des Gegenlagers 24 dar.
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Des Weiteren erstreckt sich ein zwischen den beiden Federbeinsegmenten 18, 22 angeordnetes Dämpfungselement 40 in Gestalt eines Dämpfungszylinders 42 durch eine zentrale Ausnehmung 44 der Stellanordnung 34 hindurch. Der Dämpfungszylinder 42 dient zugleich der Längsführung bzw. längsverschiebbaren Lagerung der beiden Federbeinsegmente 18, 22 zueinander. Aufgrund der koaxialen Anordnung von Stellanordnung 34 und Dämpfungszylinder 42 weist das Federbein 12 einen besonders kompakten Aufbau auf.
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Gemäß 1 ist die Stellanordnung 34 als an dem ersten Federbeinsegment 18 angeordneter hydraulisch betätigbarer Stellzylinder 46 ausgebildet, wobei sich der Federteller 20 durch Druckbeaufschlagung des Stellzylinders 46 gegenüber dem Gegenlager 24 in Auslenkungsrichtung 26 verschieben lässt.
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Der Federteller 20 ist an einer von dem Stellzylinder 46 umfassten Kolbenstange 48 stirnseitig angeordnet und zugleich einstückiger Bestandteil der Kolbenstange 48. Die Kolbenstange 48 ist von einem mit dem ersten Federbeinsegment 18 verbundenen Zylindergehäuse 50 aufgenommen und bildet mit diesem eine einfachwirkende Arbeitskammer 52 zur Einsteuerung eines hydraulischen Drucks. Letzterer führt zu einer Verschiebung der Kolbenstange 48 innerhalb des Zylindergehäuses 50 und damit des Federtellers 20. Je nachdem, ob der Druck verringert oder erhöht wird, kann die Kolbenstange 48 unter der rückstellenden Wirkung der Schraubenfeder 28 zu einer Ein- oder Ausfahrbewegung veranlasst werden. Die Arbeitskammer 52 steht hierzu mit einem aus einem (nicht dargestellten) Hydrauliksystem des Nutzfahrzeugs gespeisten elektrisch betätigbaren Umschaltventil 54 in Verbindung.
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Das Umschaltventil 54 lässt sich über eine in dem Nutzfahrzeug vorgesehene Steuereinheit 56 zum Zwecke der Anpassung der Federvorspannung zwischen einer die Schraubenfeder 28 komprimierenden ersten Ventilstellung 58, in dem die Arbeitskammer 52 mit einer Hochdruckpumpe 60 verbunden ist, einer neutralen zweiten Ventilstellung 62, in der ein Hydraulikfluss blockiert ist, und einer die Schraubenfeder 28 dekomprimierenden dritten Ventilstellung 64, in der die Arbeitskammer 52 mit einem Hydrauliksumpf 66 verbunden ist, umschalten. Durch entsprechende Anpassung der Federvorspannung lässt sich die Federungsnulllage der Kabinenfederung 10 ohne merklichen Einfluss auf die gewählte Federsteifigkeit dahingehend beeinflussen, dass der beim Einfedern zur Verfügung stehende Federweg unabhängig von der jeweiligen Zuladung der Fahrerkabine 14 stets der gleiche bleibt. So kann der Bediener im Falle einer Entlastung der Kabinenfederung 10, beispielsweise bedingt durch einen Fahrerwechsel, mittels der Stellanordnung 34 einen die Federvorspannung verringernden Abstand zwischen Federteller 20 und Gegenlager 24 einstellen. Hierzu wird der Abstand d entsprechend erhöht. Umgekehrt kann im Falle einer Belastung der Kabinenfederung 10, beispielsweise beim Zusteigen einer Begleitperson, mittels der Stellanordnung 34 ein die Federvorspannung vergrößernder Abstand zwischen Federteller 20 und Gegenlager 24 eingestellt werden, wozu der Abstand d entsprechend verringert wird.
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Ein Lagesensor 68 gibt der Steuereinheit 56 eine Rückmeldung bezüglich des aktuellen Abstands d sowie der sich daraus ergebenden Federvorspannung, sodass sich diese dem jeweiligen Bedienerwunsch entsprechend einregeln lässt.
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Optional ist eine automatisierte Anpassung der Federvorspannung vorgesehen, bei der der Bediener lediglich einen gewünschten Zuladungsbereich der Fahrerkabine 14, beispielsweise in Form einer Fahrergewichtsangabe, über eine mit der Steuereinheit 56 kommunizierende Bedienerschnittstelle 70 vorgibt. Ausgehend von dieser Vorgabe stellt die Steuereinheit 56 eine geeignete Federvorspannung durch entsprechende elektrische Betätigung des Umschaltventils 54 derart ein, dass die Federungsnulllage innerhalb des gewählten Zuladungsbereichs im Wesentlichen unverändert bleibt.
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2 zeigt eine erste Ausführungsvariante des Federbeins gemäß 1. Dieses unterscheidet sich hinsichtlich der Ausgestaltung der Stellanordnung.
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Demgemäß handelt es sich um eine elektrisch betätigbare Stellanordnung 72, die einen außenliegend am Federbein 12 vorgesehenen elektrisch betätigbaren Zahnstangenantrieb 74 aufweist, mittels dessen sich der Federteller 20 entlang einer dem ersten Federbeinsegment 18 zugeordneten Lagerbasis 76 in Auslenkungsrichtung 26 verschieben lässt. Die Energiezufuhr erfolgt über ein elektrisches Kabel 78, das über einen Ausgangstreiber 80 mit der Steuereinheit 56 in Verbindung steht. Die Lagerbasis 76 ist durch eine zylindrische Außenwand 82 des Dämpfungszylinders 42, hier eines von diesem umfassten Zylindergehäuses 84, gebildet.
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Der Federteller 20 ist drehfest entlang der Lagerbasis 76 geführt, wobei der Zahnstangenantrieb 74 eine mit dem Federteller 20 verbundene Zahnstange 86 aufweist, in die ein mittels eines Elektromotors 88 antreibbares Zahnrad 90 eingreift. Zur drehfesten Längsführung weist die Lagerbasis 76 asymmetrische Formmerkmale 92 auf, die mit korrespondierenden Formmerkmalen 94 am Federteller 20 in Eingriff stehen. Hierzu ist an der Lagerbasis 76 eine Längsnut 96 zur spielfreien Aufnahme einer an dem Federteller 20 hervorspringenden Führungsnase 98 vorhanden.
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Zur Verwirklichung eines selbstblockierenden Betätigungsmechanismus wird das Zahnrad 90 über ein mit einer Antriebswelle 100 des Elektromotors 88 verbundenes Schneckenrad 102 angetrieben. Bei dem an dem Federteller 20 befestigten Elektromotor 88 handelt es sich um einen integrierten Getriebemotor, der aus einem Gleichstrom- bzw. Schrittmotor sowie einem nachgelagerten Untersetzungsgetriebe besteht.
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Im Falle der Verwendung eines Schrittmotors lässt sich der aktuelle Abstand d aus der Anzahl der vollzogenen Schritte ableiten, sodass der separate Lagesensor 68 entfallen kann.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsvariante des Federbeins gemäß 1.
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Das erste Federbeinsegment 18 trägt eine als Gewindespindel 104 ausgebildete Lagerbasis 106 mit einem zugehörigen Außengewinde 108, in das ein an dem Federteller 20 ausgebildetes Innengewinde 110 derart eingreift, dass sich der Federteller 20 entlang der Gewindespindel 104 in Auslenkungsrichtung 26 verschieben lässt, wenn Gewindespindel 104 und Federteller 20 mittels des Elektromotors 88 relativ zueinander in Drehung versetzt werden. Der Federteller 20 lässt sich somit aufgrund der relativen Drehung der beiden Teile zueinander in seine gewünschte Position „schrauben“.
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Im vorliegenden Fall ist der Federteller 20 gegenüber der Gewindespindel 104 verdrehfest angeordnet, wozu dieser fest mit der Schraubenfeder 28 verbunden ist. Die Gewindespindel 104 weist eine Außenverzahnung 112 auf, über die die Gewindespindel 104 mittels eines von dem Elektromotor 88 angetriebenen Schneckenrads 114 in Drehung versetzt wird. Die Gewindespindel 104 ist mittels zugehöriger Radial- bzw. Axiallager 116, 118 am ersten Federbeinsegment 18 abgestützt.
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4 zeigt eine abgewandelte zweite Ausführungsvariante des Federbeins gemäß 1.
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Demgemäß ist nunmehr die Gewindespindel 104 gegenüber dem Federteller 20 verdrehfest, mithin feststehend am ersten Federbeinsegment 18 angeordnet, wobei der Federteller 20 über eine Außenverzahnung 120 mittels eines von dem Elektromotor 88 angetriebenen, in Auslenkungsrichtung 26 geradverzahnten Zylinderrads 122 in Drehung versetzbar ist. Hierbei wird der Federteller 20 dem Ausmaß der Drehung entsprechend entlang der Geradverzahnung 124 des Zylinderrads 122 verschoben bzw. geführt, was zu einer entsprechenden Abstandsänderung gegenüber dem Gegenlager 24 führt. Eine Selbsthemmung des so gebildeten Betätigungsmechanismus wird mittels eines nicht dargestellten Schneckenradgetriebes zwischen Zylinderrad 122 und Elektromotor 88 erreicht. Zur Vermeidung eines reibungsbedingten Verschleißes der Schraubenfeder 28 befindet sich zwischen deren Stirnseite 36 und dem Federteller 20 ein mit der Schraubenfeder 28 verbundenes Gleitlager 126.
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Das Außengewinde 108 ist hier unmittelbar in die zylindrische Außenwand 82 des Dämpfungszylinders 42 bzw. in das von diesem umfasste Zylindergehäuse 84 eingearbeitet.
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Ungeachtet dessen, dass die erfindungsgemäße Kabinenfederung 10 im vorliegenden Fall Bestandteil eines landwirtschaftlichen Traktors ist, kann es sich ebenso gut auch um ein beliebiges anderes Nutzfahrzeug handeln, beispielsweise ein landwirtschaftliches Fahrzeug beliebiger Bauart oder eine Bau- bzw. Forstmaschine.
