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Die Erfindung betrifft ein Luftfederbein gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Ein Luftfederbein, wie es beispielsweise aus der
DE 10 2006 008 704 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 kommt es zu Schwenkbewegungen und einer Verdrehungen der Luftfeder. Auf den am Dämpferrohr befestigten Abrollkolben wirken daher Dreh- bzw. Torsionsbewegungen ein, welche sich nachteilig auf dessen Befestigung am Dämpferrohr auswirken.
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In der Regel erstreckt sich der Arbeitsraum der Luftfeder entlang der Innenseite des Abrollkolbens und dem Dämpferrohr bis hin zu der unteren Befestigung des Abrollkolbens am Dämpferrohr. Um diesen Arbeitsraum gegenüber der Atmosphäre luftdicht abzuschließen ist ein Dichtsystem am unteren Ende des Abrollkolbens vorgesehen.
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Der Abrollkolben wird axial über einen Stützring gehalten. Dieser Stützring ist am Dämpfer über eine Nut im Dämpferrohr und einen Rechteckring axial befestigt.
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Weitere Luftfederbeine sind gemäß der
DE 103 02 495 A1 ,
WO 2012 / 107 285 A1 und
JP 2002 -
250 389 A bekannt.
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Nachteilig bei solch einem starren Dichtsystem ist, dass torsionsdynamische Einflüsse nur bedingt ausgeglichen werden können und somit auf den Rollbalg übertragen werden, oder eine Undichtigkeit im Dichtpaket hervorrufen.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Luftfederbein mit einem torsionsweichen Dichtsystem bereitzustellen, welches gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Torsionseigenschaft erzielt.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 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, wobei ein an dem Dämpferrohr befestigter Stützring vorgesehen ist, wobei das Dämpferrohr zumindest bereichsweise von dem Abrollkolben hohlzylinderförmig umgeben ist und sich der Arbeitsraum der Luftfeder bis zu einem unteren Endabschnitt des Abrollkolbens erstreckt, wobei der Endabschnitt des Abrollkolbens durch ein ringförmiges torsionsdynamisches Dichtsystem druckdicht mit dem Dämpferrohr verbunden ist, wobei das Dichtsystem durch den Stützring an dem Dämpferrohr gelagert ist, wobei das Dichtsystem eine mit dem Dämpferrohr fest verbundene innere Dichthülse und eine die innere Dichthülse zumindest teilweise radial umgebende und mit dem Endabschnitt des Abrollkolbens innenseitig fest verbundene äußere Dichthülse umfasst, wobei zumindest teilweise zwischen der inneren Dichthülse und der äußeren Dichthülse eine mittlere Dichthülse vorgesehen ist, wobei die mittlere Dichthülse zumindest teilweise auf der inneren Dichthülse und die äußere Dichthülse zumindest teilweise auf der mittleren Dichthülse angeordnet ist, wobei die mittlere Dichthülse partiell mit dem Dämpferrohr fest verbunden ist, und dass die äußere Dichthülse gegenüber der mittleren Dichthülse drehbeweglich gelagert ist.
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Vorteilhafterweise wird gegenüber dem Stand der Technik eine Drehbeweglichkeit des gesamten Dichtsystems bereitgestellt. Die Drehbeweglichkeit der äußeren Dichthülse zu der mittleren Dichthülse ermöglicht beispielsweise eine um 360° freie Drehung in Umfangsrichtung. Dieses wird durch eine Materialpaarung mit geringen Reibwerten für die innere und äußere Hülse ermöglicht. Damit wird der Abrollkolben torsionsweich gegenüber dem Stoßdämpfer gelagert, wodurch die Torsionseinflüsse auf den Rollbalg effektiv vermindert werden.
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Als Endabschnitt des Abrollkolbens wird das untere Ende bzw. der Bereich des Abrollkolbens verstanden, welcher über das Dichtsystem mit dem Dämpferrohr verbunden ist. Dabei steht die Innenseite des Abrollkolbens mit einem äußeren Teil des Dichtsystems im Flächenkontakt.
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Bevorzugt ist zwischen der mittleren Dichthülse und der äußeren Dichthülse ein erster dynamischer Dichtring aus elastomeren Material vorgesehen. Durch den derart positionierten Dichtring wird die Druckdichtigkeit des Dichtsystem insbesondere im drehbeweglichen Bereich sichergestellt, wobei der Dichtring dynamischen Einflüssen der mittleren und äußeren Dichthülse ausgesetzt ist. Dieser mittig positionierte Dichtring dichtet daher den Luftfederinnendruck entlang der mittleren und äußeren Dichthülse nach außen ab.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der mittleren Dichthülse und dem Dämpferrohr ein zweiter statischer Dichtring aus elastomeren Material vorgesehen. Dieser innere Dichtring dichtet den Luftfederinnendruck entlang der mittleren Dichthülse und dem Dämpferrohr nach außen ab.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der äußeren Dichthülse und dem Endabschnitt des Abrollkolbens ein dritter statischer Dichtring aus elastomeren Material vorgesehen. Dieser äußere Dichtring dichtet den Luftfederinnendruck entlang der äußeren Dichthülse und dem Abrollkolben nach außen ab.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die innere Dichthülse einen sich radial nach außen erstreckenden Ringanschlag auf, wobei ein Teil der mittleren Dichthülse auf dem Ringanschlag der inneren Dichthülse angeordnet ist. Damit stellt die innere Dichthülse einen axialen Stützbereich für die mittlere Dichthülse bereit.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die äußere Dichthülse einen sich radial nach außen erstreckenden Ringanschlag auf, wobei das untere Ende des Abrollkolbens auf dem Ringanschlag der äußeren Dichthülse angeordnet ist. Durch den Ringanschlag der äußeren Dichthülse wird eine axiale Abstützung für den Abrollkolben bereitgestellt, welcher durch das Dichtsystem mit dem Dämpferrohr verbunden ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind jeweils die innere Dichthülse, die mittlere Dichthülse und die äußere Dichthülse stufenförmig ausgeführt, wobei die Stufenform der mittleren Dichthülse komplementär zu der Stufenform der inneren Dichthülse und die Stufenform der äußeren Dichthülse komplementär zu der Stufenform der mittleren Dichthülse ist. Als Stufenform wird die Form ähnlich zu einer Treppenstufe verstanden, welche horizontale Trittstufen bzw. Trittflächen und vertikale Setzstufen hat. Die horizontalen Trittstufen stellen ideale Auflageflächen für die aufeinander angeordneten Hülsen dar. Es versteht sich, dass die einzelnen Trittstufen der Hülsen ringförmig um das Dämpferrohr ausgestaltet sind, sodass die Drehbeweglichkeit einer Hülse gegenüber der anderen Hülse gewährleistet wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Stützring als Sprengring in einer Nut des Dämpferrohrs ausgebildet. Dies stellt eine einfach zu montierende Ausgestaltung des Stützrings dar. Alternativ ist der Stützring mit dem Dämpferrohr verschweißt oder verpresst.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bestehen die innere Dichthülse und/oder die mittlere Dichthülse und/oder die äußere Dichthülse aus einem metallischen Werkstoff oder aus einem Kunststoff. Die Materialauswahl beeinflusst die Oberflächeneigenschaften der Dichthülsen hinsichtlich deren Schmierverhalten an den kontaktieren Stellen. Durch geeignete Materialauswahl lassen sich die Dichthülsen präzise aufeinander abstimmen.
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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, und
- 2 im Ausschnitt ein Ausführungsbeispiel eines Luftfederbein mit einem Dichtsystem.
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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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Diese reguläre Einbaulage eines Luftfederbeins bestimmt die Orientierung „oben/unten“.
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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 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 im Ausschnitt ein Ausführungsbeispiel eines Luftfederbeins mit einem Ausführungsbeispiel eines Dichtsystems 50.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist Abrollkolben 5 stehend auf Stützring 55 angeordnet, wobei das obere Ende des Abrollkolbens 5 derart frei ausgestaltet ist, dass sich Arbeitstraum 10 der Luftfeder bis zum unteren Endabschnitt 54 des Abrollkolbens 5 erstreckt.
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Am Dämpferrohr 14 in Axiallage L ist ein ringförmiges torsionsdynamisches Dichtsystem 50 vorgesehen. Torsionsdynamisch bedeutet, dass Dichtsystem 50 Verdrehbewegungen in Umfangrichtung aufnehmen kann. Damit werden Torsionseinflüsse auf den Rollbalg vermindert.
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Zur Abstützung des Dichtsystems 50 ist ein Stützring 55 vorgesehen. Stützring kann bspw. durch einen Sprengring 55 in einer entsprechend vorgesehenen Nut an der Mantelfläche des Dämpferohrs 14 gehalten sein. Stützring 55 kann bspw. aber auch durch Verschweißen oder Verpressen fest mit dem Dämpferrohr 14 verbunden werden.
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Dichtsystem 50 umfasst eine an der Mantelfläche des Dämpferrohrs 14 anliegende stufenförmige innere Dichthülse 51 und eine an einem unteren Endabschnitt 54 des Abrollkolbens 5 innenseitig anliegende stufenförmige äußere Dichthülse 52. Äußere Dichthülse 52 umgibt innere Dichthülse 51 in radialer Ausrichtung. Zudem ist zwischen innerer Dichthülse 51 und äußerer Dichthülse 52 eine weitere stufenförmige mittlere Dichthülse 53 vorgesehen. Die Stufenform aller Dichthülsen 51, 52, 53 sind jeweils komplementär zueinander.
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Im Detail sitzt innere Dichthülse 51 mit einer unteren umlaufenden Stoßfläche auf Stützring 55 bzw. liegt auf diesem auf. Des Weiteren weist innere Dichthülse 51 eine axiale Setzstufe auf, welche an der Mantelfläche des Dämpferrohrs 14 anliegt. An dieser Stelle ist innere Dichthülse 51 fest mit Dämpferrohr 14 bspw. durch Presspassung verbunden. Zudem bildet innere Dichthülse 51 einen unteren sich radial erstreckenden Ringanschlag 56 für mittlere Dichthülse 53 aus.
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Mittlere Dichthülse 53 weist zwei Trittstufen mit oberen Trittflächen und drei axiale Setzstufen auf. Eine erste obere Setzstufe liegt an der Mantelfläche des Dämpferrohrs 14 an. An dieser Stelle ist mittlere Dichthülse 53 fest mit Dämpferrohr 14 bspw. durch Presspassung verbunden. Von der Unterseite der oberen Setzstufe erstreckt sich radial nach außen die erste Trittstufe. Von der ersten Trittstufe erstreckt sich axial nach unten die zweite mittlere Setzstufe. Von hieraus erstreckt sich wiederum radial nach außen die zweite Trittstufe der mittleren Dichthülse, welche abschließend in einer dritten unteren Setzstufe endet. Diese untere Setzstufe der mittleren Dichthülse 53 liegt auf dem Ringanschlag 56 der inneren Dichthülse 51 auf. In komplementärer Weise sitzt die untere Stoßfläche der mittleren Setzstufe der mittleren Dichthülse 53 auf der Trittfläche der inneren Dichthülse 51 auf.
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Äußere Dichthülse 52 weist drei Trittstufen mit oberen Trittflächen und zwei axiale Setzstufen auf. Dabei ist eine erste obere Trittstufe vorgesehen, welche in eine erste obere Setzstufe übergeht. Darauf folgt eine zweite mittlere Trittstufe, welche in eine zweite untere Setzstufe übergeht. An dieser Stelle ist äußere Dichthülse 52 fest mit der Innenseite des Abrollkolbens 5 bspw. durch Presspassung verbunden. Äußere Dichthülse 52 endet mit einer dritten unteren Trittstufe, welche als Ringanschlag 57 zur Abstützung des Abrollkolbens 5 dient. In komplementärer Weise sitz äußere Dichthülse 52 mit der Stoßfläche der oberen Setzstufe auf der Trittfläche der zweiten Trittstufe der mittleren Dichthülse 53 auf.
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Die Drehbewegung des Dichtsystems 50 wird durch die kontaktierenden Flächen der mittleren Dichthülse 53 mit der äußeren Dichthülse 52 ermöglicht.
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Die druckdichte Abdichtung des Dichtsystems 50 erfolgt durch entsprechend vorgesehene Dichtringe. Ein erster innerer statischer Dichtring 57 ist am Dämpferrohr 14 vorgesehen. Dieser ist zwischen inneren Dichthülse 51 und mittleren Dichthülse 53 in einem dafür vorgesehenem Raum angeordnet. Mittels innerem Dichtring 58 wird der Luftfederinnendruck entlang dem Dämpferrohr 14 nach außen abgedichtet.
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Ein zweiter äußerer statischer Dichtring 59 ist an der Innenseite des Abrollkolbens 5 vorgesehen. Dieser liegt auf der mittleren Trittfläche der äußeren Dichthülse 52 auf und dichtet den Luftfederinnendruck entlang dem Abrollkolben 5 nach außen ab.
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Zusätzlich wird ein mittlerer dynamischer Dichtring 60 vorgesehen. Mittlerer Dichtring 60 ist zwischen mittlerer Dichthülse 53 und äußerer Dichthülse 52 in einem dafür entsprechend vorgesehenem Raum angeordnet. Dieser Räum wird durch die obere Trittstufe und obere Setzstufe der äußeren Dichthülse 52 und durch die obere Setzstufe und obere Trittstufe der mittleren Dichthülse 53 begrenzt. Aufgrund dessen, dass zwischen mittlerer Dichthülse 53 und äußerer Dichthülse 52 die Drehbewegung des Dichtsystems 50 stattfindet, ist mittlerer Dichtring 60 dynamischen Einflüssen ausgesetzt und dient entsprechend der Abdichtung des Luftfederinnendrucks entlang der mittleren Dichthülse 53 und der äußeren Dichthülse 52 nach außen.
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Durch die beispielsgemäße Drehbeweglichkeit der äußeren Dichthülse 52 zur mittleren Dichthülse und in Verbindung mit dem beispielsgemäß positioniertem dynamischen Dichtring 60 wird Abrollkolben 5 druckdicht und torsionsweich gegenüber Dämpferrohr 14 gelagert. Hiermit werden die Torsionseinflüsse auf den Rollbalg vermindert, was die Lebensdaher des gesamten Luftfederbeins verlängert.
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Innere Dichthülse 51, mittlere Dichthülse 53 und äußere Dichthülse 52 sind vorzugweise aus einem metallischen Werkstoff, können aber auch aus einem Kunststoff bestehen. Die Oberflächeneigenschaften der Dichthülsen 51, 52, 53 sind hinsichtlich der Anforderungen an eine gute Dichtfläche präzise abstimmbar. D.h. geringe Rauheitswerte, Anteil an Schmiermittel, Eigenschmierverhalten und Ausdehnungsverhalten.
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Optional sind weitere Zwischenhülsen mit entsprechenden Dichtungen vorstellbar.
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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
- 50
- Dichtsystem
- 51
- innere Dichthülse
- 52
- äußere Dichthülse
- 53
- mittlere Dichthülse
- 54
- Endabschnitt Abrollkolben
- 55
- Stützring
- 56
- Ringanschlag
- 57
- Ringanschlag
- 58
- Dichtring
- 59
- Dichtring
- 60
- Dichtring
