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Die Erfindung betrifft ein Federelement gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.
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Federelemente bestehend aus einem Federband sind in verschiedenen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise mäanderförmig ausgestaltet sein, wobei das Federband, bestehend aus mehreren über bogenförmige Biegebereiche miteinander verbundenen Schenkeln, um eine Längsmittellinie mäandert, die im Wesentlichen der Richtung der Krafteinleitung entspricht. Die jeweils über den Biegebereich miteinander verbundenen Schenkel weisen im unbelasteten Zustand einen Winkel zueinander auf, der durch eine äußere Krafteinwirkung veränderbar ist. Bei beispielsweise maximaler Belastung befinden sich die unmittelbar übereinander angeordneten Biegebereiche miteinander in Anschlag. Die Länge der Schenkel bestimmt einen Hebelarm, der einen Einfluss auf die Federkennlinie des Federelements hat. Die auf das Federelement einwirkenden Kräfte bewirken eine Verformung der Biegebereiche, die eine entgegen der Krafteinwirkung gerichtete Rückstellkraft erzeugen. Dadurch treten die größten Belastungen des Federelements in den bogenförmigen Biegebereichen auf. Die Biegebereiche bestimmen maßgeblich die aufbringbare Federkraft eines solchen Federelements.
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Verformungen des Federelements im Biegebereich aufgrund von auftretenden Belastungen können zu frühzeitiger Ermüdung oder Beschädigung des Federelements führen. Aus diesem Grund sind solche Federelemente oftmals aus Faserverbundmaterial hergestellt und über Verstärkungselemente zusätzlich stabilisiert.
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Die
DE 10 2008 006 411 A1 beschreibt z. B. ein Federelement aus Faserverbundmaterial, umfassend ein wellenförmiges Federband dessen Biegebereiche eine variable Materialdicke aufweisen. Die vergrößert ausgebildete Querschnittsfläche des Federelements im Biegebereich weist ein erhöhtes Widerstandsmoment auf. Dadurch können die im Biegebereich auftretenden Verformungskräfte besser aufgenommen werden, vgl.
EP 2 472 137 A2 . Ein Problem mit derartig ausgebildeten Federelementen ist, dass sie oftmals abseits der Biegebereiche überdimensioniert ausgelegt sind, wodurch sich das Eigengewicht des Federelements erhöht.
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In der
EP 2 990 684 B1 ist ein Federelement vorgeschlagen, dessen Biegebereich zwei einander gegenüberliegende sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung gekrümmte Außenseiten aufweist. Dadurch sind bei einer Verformung des Federelements im Biegebereich durch auftretende Kräfte die Zug- und Druckbelastungen gleichmäßiger über die gekrümmt verlaufenden, äußeren Bereiche des Biegefederelements verteilbar. Solche Anordnungen sind jedoch aufwendig und deren Herstellung kostenintensiv.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Federelement derart weiterzubilden, dass das Federelement erhöhten Belastungsverhältnissen im Einsatz standhalten kann.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
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Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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In bekannter Art und Weise weist ein Federelement, bestehend aus einem in Längsrichtung des Federelements verlaufenden, wellenförmigen Federband mindestens zwei Schenkel auf, die jeweils über einen Biegebereich miteinander verbunden sind. Das Federband mäandert um eine Längsmittellinie, die im Wesentlichen der Richtung der Krafteinleitung entspricht. Im unbelasteten Zustand sind die über den Biegebereich miteinander verbundenen Schenkel in Längsrichtung des Federelements über den Einfederweg voneinander beabstandet und weisen einen Winkel zueinander auf. Eine äußere Krafteinwirkung auf das Federelement bewirkt eine elastische Verformung des Biegebereichs, wodurch sich der Abstand in Längsrichtung des Federelements und der Winkel zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel verändert. Bei einer äußeren Krafteinwirkung treten in den gekrümmt ausgestalteten Biegebereichen des Federelements die größten Verformungen und somit auch die größte mechanische Beanspruchung des Federelements auf.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens ein Stützelement zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel des Federelements angeordnet ist. Dadurch ist eine zusätzliche Abstützung im Bereich der Schenkel, einhergehend mit einer erhöhten Stabilität des Federelements in diesem Bereich, ermöglicht. Durch eine geeignete Ausgestaltung und Positionierung des Stützelements ist eine Vergleichmäßigung der Bauteilanstrengung des Federelements und damit eine möglichst homogene und gleichmäßige Beanspruchung des Federelements während der erzwungenen Verformung des Federelements erreichbar. Die Positionierung sowie die Größe der einzelnen Stützelemente entscheiden über die Leistung des Federelements und sind in vorteilhafter Weise für jedes Federelement und seinen jeweiligen Einsatzbereich gesondert auslegbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist bei einer äußeren Krafteinwirkung auf das Federelement der Einfederweg zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel über das Stützelement begrenzbar. Die über den Biegebereich miteinander verbundenen Schenkel sind im unbelasteten Zustand über den Einfederweg in Längsrichtung des Federelements voneinander beabstandet und weisen einen Winkel zueinander auf, der sich durch eine äußere Krafteinwirkung über die elastische Verformung des Biegebereichs verändert. Dadurch verkleinert sich der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Schenkel in Längsrichtung des Federelements. Bei hoher Einfederung begrenzt das zwischen den Schenkeln angeordnete Stützelement den Einfederweg und gewährleistet, dass die beiden Schenkel sich über das zwischen ihnen angeordnete Stützelement aufeinander abstützen.
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Diese zusätzliche Abstützung gegenüber der äußeren Krafteinwirkung im Bereich der Schenkel ermöglicht, dass die Spannungen im hochbelasteten Biegebereich auf den Bereich der Schenkel verteilbar sind. Das erfindungsgemäße Stützelement reduziert die Spannungen des Biegebereichs indem eine höhere Belastung im Bereich der Schenkel aufnehmbar ist. In vorteilhafter Weise erhöht das Stützelement die mechanische Belastbarkeit des Federelements, so dass weitgehend gleichmäßige Spannungszustände im Biegeberich sowie im Bereich der Schenkel des belasteten Federelements herrschen und eine örtliche Überbeanspruchung des Biegebereichs vermeidbar ist. Gesamtheitlich bewirkt das Stützelement eine Steigerung des Kraftniveaus des Federelements.
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Vorzugsweise sind das Federband und das Stützelement aus dem gleichen Material ausgebildet. Dadurch ist eine einheitliche Materialstärke des gesamten Federelements möglich. Ferner ermöglicht der Gebrauch eines einheitlichen Materials für das Federband sowie für das Stützelement ein einteiliges Produktionsverfahren für das gesamte Federelement, wobei ein aufwendiger Montageprozess vermeidbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das Federband und das Stützelement aus Kunststoff ausgebildet. Die Vorzüge eines aus Kunststoff angefertigten Bauteils sind das geringe Gewicht sowie die geringen Herstellkosten. Die physikalischen Eigenschaften moderner Kunststoffe gewährleisten die Produktion von leistungsfähigen Bauteilen, die korrosionsbeständig sind.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind das Federband und das Stützelement aus Metall ausgebildet. Metalle sind vielseitig verwendbar und widerstandsfähig. Sie verfügen über eine gute Formbarkeit und hohe mechanische Festigkeit.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das Federband und das Stützelement aus Verbundmaterial ausgebildet. Das Federelement kann beispielsweise aus einem Faserkunststoffverbundmaterial hergestellt sein. Ein solches Federelement weist in vorteilhafter Weise ein geringes Gewicht auf, ist korrosionsbeständig und hat eine flexible, anpassbare Form. Durch die entsprechende Wahl von Materialkombination und Faseranordnung sind die Federeigenschaften des Federelements auf den dafür vorgesehenen Verwendungszweck gezielt anpassbar.
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Bevorzugt sind das Federband und das Stützelement einteilig ausgebildet. Es ist denkbar, dass das Federband und das Stützelement mittels Spritzgießverfahren einteilig in einer Werkzeugform herstellbar sind, wodurch eine effiziente Struktur und hohe Stabilität der Verbindung des Stützelements mit dem Federband möglich ist. Der Produktionsaufwand des Spritzgießverfahrens ist gering und Nacharbeitung der Formteile ist kaum notwendig. Weitere Vorzüge des Spritzgießverfahrens sind das vollautomatisierbare Produktionsverfahren, die nahezu freie Wahl an Produktionsform und die hohe Reproduziergenauigkeit der Formteile, auch bei komplizierten Formteilen. Das Spritzgießverfahren lässt sich insbesondere für die Verarbeitung von Kunststoffen anwenden. Metallpulver-Spritzguss ermöglicht die komplexe Formgebung präziser Bauteile aus metallischen Werkstoffen.
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Das Federband und das Stützelement können beispielsweise auch aus Verbundmaterial, insbesondere aus Faserkunststoffverbundmaterial, einteilig in einer Werkzeugform hergestellt sein. Dadurch sind das Stützelement und das Federband mit hoher Stabilität miteinander verbunden. Bei diesem Verfahren sind beispielsweise Prepregs verwendbar, wobei die Rezeptur des Harzes, die Wahl des Faserwerkstoffs, die Richtung der Fasern im Verstärkungsgewebe und/oder die Positionierung und/oder Anzahl der Prepregs veränderbar ist, um die Federeigenschaften des Federelements auf die dafür vorgesehenen Verwendungszwecke anzupassen.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind das Federband und das Stützelement aus unterschiedlichen Materialen ausgebildet. Das ermöglicht die Anwendung einer vielfältigen Werkstoffkombination für die Herstellung des Federelements. Dadurch ist die Leistung des Federelements in vorteilhafter Weise für seinen jeweiligen Einsatzbereich gesondert über unterschiedliche Werkstoffkombinationen des Federbands und der Stützelemente auslegbar.
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Bevorzugt sind das Federband und das Stützelement zweiteilig ausgebildet. Dadurch ist eine höhere Flexibilität in der Auslegung des Federelements ermöglicht, beispielsweise durch zahlreiche Möglichkeiten der weiterführenden Veränderungen, Variantenbildung und Werkstoffkombinationen.
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Vorzugsweise ist das Stützelement stoffschlüssig mit dem Federband verbunden. Insbesondere kann es sich um eine Klebeverbindung zwischen dem Stützelement und dem Federband handeln. In vorteilhafter Weise ergibt die stoffschlüssige Verbindung des Stützelements mit dem Federband in der Gesamtheit einen festen Körper mit hoher Stabilität.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Zeichnung bedeutet:
- 1 ein erfindungsgemäßes Federelement im unbelasteten Zustand;
- 2 ein erfindungsgemäßes Federelement unter einer äußeren Krafteinwirkung; und
- 3 ein erfindungsgemäßes Federelement unter Volleinfederung.
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1 bis 3 zeigen in einer schematischen Darstellung ein insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnetes Federelement.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Federelement 10 im unbelasteten Zustand dargestellt. Das Federelement 10 weist ein in Längsrichtung LR wellenförmig verlaufendes Federband 12 auf.
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Vorliegend weist das Federelement 10 mehrere elastisch verformbare, bogenförmige Biegebereiche 14 auf. Jeder Biegebereich 14 ist zwischen einem ersten Schenkel 16 und einem zweiten Schenkel 18 angeordnet und verbindet die beiden Schenkel 16, 18 in einem Winkel zueinander. Die Schenkel 16, 18 weisen einen im Wesentlichen S-förmigen Verlauf auf. Die Biegebereiche 14 sind in abwechselnder Ausrichtung zueinander angeordnet, so dass das Federband 12 mäanderförmig verlaufend ausgebildet ist. Das Federband 12 mäandert um eine Längsmittellinie, die im Wesentlichen der Richtung der Krafteinleitung K entspricht.
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Der erste Schenkel 16 und der zweite Schenkel 18 sind in Längsrichtung über den Einfederweg E voneinander beabstandet. Zwischen dem ersten Schenkel 16 und dem zweiten Schenkel 18 ist ein Stützelement 20 angeordnet. Es ist denkbar, dass das Stützelement 20 aus dem gleichen Material wie das Federband 12 hergestellt ist. Insbesondere können sie beide aus Kunststoff hergestellt sein. Ferner ist es denkbar, dass das Federband 12 und das Stützelement 20 mittels Spritzgießverfahren einteilig hergestellt sind.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßes Federelement 10 dargestellt, auf das eine äußere Kraft K in den Endbereichen 22 des Federelements 10 einwirkt, wodurch die Verformung des Federelements 10 vor allem in den Biegebereichen 14 erzwungen wird. Die jeweils über den Biegebereich 14 miteinander verbundenen Schenkel 16, 18 weisen im unbelasteten Zustand einen Winkel zueinander auf, der sich durch die äußere Krafteinwirkung K verändert, wodurch die Schenkel 16, 18 nunmehr annähernd parallel zueinander angeordnet sind. Die äußere Krafteinwirkung K auf das Federelement 10 bewirkt eine Veränderung des Abstands zwischen dem ersten Schenkel 16 und dem zweiten Schenkel 18. Die Ausprägung des Federelements mit Schenkeln 16, 18 und Biegebereichen 14 weist eine außergewöhnlich hohe Energiespeicherfähigkeit auf, da die Spannung des Federelements 10 gleichmäßig über die Schenkel 16, 18 und die Biegebereiche 14 verteilt ist.
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3 stellt das erfindungsgemäße Federelement 10 bei Volleinfederung dar. Bei sehr hoher Belastung des Federelements 10 bewegen sich die beiden über einen Biegebereich 14 miteinander verbundenen Schenkel 16, 18 aufeinander zu, und treffen in einem Winkel aufeinander. Dabei findet die größte Verformung und damit einhergehend die größte mechanische Beanspruchung des Federelements 10 im Bereich der bogenförmigen Biegebereiche 14 statt. Bei maximaler Belastung befinden sich die unmittelbar übereinander angeordneten Biegebereiche miteinander in Anschlag.
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Das Aufbringen eines Stützelements 20 zwischen dem ersten Schenkel 16 und dem zweiten Schenkel 18 verändert die Spannungsverteilung innerhalb des Federelements 10 deutlich. Bei Volleinfederung des Federelements 10 ermöglicht das Stützelement 20, dass der erste Schenkel 16 und der zweite Schenkel 18 sich aufeinander abstützen, indem das Stützelement 20 den Einfederweg E zwischen den beiden Schenkeln 16, 18 begrenzt. Dadurch ist die Stabilität des Federelements 10 in diesem Bereich erhöht. Durch die zusätzliche Abstützung gegenüber der äußeren Krafteinwirkung K im Bereich der Schenkel 16, 18 ist es möglich den hochbelasteten Biegebereich 14 zu entlasten und die Spannungen in größerem Umfang auf den Bereich der Schenkel 16, 18 zu verteilen. Dadurch sind die Spannungskonzentrationen in den Biegebereichen 14 vermindert, und im gesamten, hochbelasteten Federelement 10 herrschen weitgehend gleichmäßige Spannungszustände. Durch die zusätzliche Abstützung im Bereich der Schenkel 16, 18 ist eine gleichmäßigere Verteilung der Spannung und eine Steigerung des gesamtheitlichen Kraftniveaus des Federelements 10 ermöglicht.
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Die Position und die Größe des Stützelements 20 haben einen wesentlichen Einfluss auf die Leistung des Federelements 10. Deswegen sind die Größe und die Position der Stützelemente 20 für jedes Federelement 10 und seinen jeweiligen Einsatzbereich gesondert auszulegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008006411 A1 [0004]
- EP 2472137 A2 [0004]
- EP 2990684 B1 [0005]
