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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 2012 012 902 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. 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.
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An den Luftfederdeckel eines Luftfederbeins werden zudem verschiedenste Anforderungen gestellt:
- a) Verschluss des druckdichten Innenraums der Luftfeder,
- b) Anbindung des gesamten Luftfederbeins an das Fahrwerk,
- c) Bereitstellung eines Teils des federwirksamen Innenvolumens der Luftfeder, und
- d) eine feste und druckdichte Aufnahme weiterer Anbauteile.
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Um den druckdichten Verschluss der Luftfeder zu ermöglichen, muss der Luftfederdeckel den Klemmgrund für den Rollbalg bereitstellen, an welchem der Rollbalg hinreichend fest und druckdicht angebunden wird. Zudem muss der Luftfederdeckel selbst eine druckdichte und feste Anbindung an die Kraftfahrzeugkarosserie gewährleisten, sowie druckdichte und feste Aufnahmen für weitere Anbauteile wie z.B. Luftanschluss, Zusatzvolumen, Dämpferlager, Restdruckhalteventil zur Verfügung stellen.
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Als Verbindungselement zwischen Luftfederbein und Chassis- oder Achsseitiger Anbindung, werden durch den Luftfederdeckel hohe Kräfte hindurchgeleitet. Diese ein- und durchgeleiteten Kräfte sind:
- 1.) statischer Natur (Tragkräfte zur Abstützung des Fahrzeuggewichtes) und
- 2.) dynamischer Natur (zeitlich veränderliche Kräfte im Fahrbetrieb zufolge des Ein /Ausfederungszustandes), wobei die dynamischen Kräfte sich zu den statischen Kräften überlagern.
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Die auf den Luftfederdeckel eines Luftfederbeins einwirkenden Kräfte entstehen durch die innenseitig druckbeaufschlagende Gaskraft des federwirksamen Deckelraums, welche durch den veränderlichen Druck in statische und dynamische Anteile aufgeteilt werden kann. Des Weiteren wirken am Anbindungspunkt des Stoßdämpfers (Dämpferlager) dynamische, von der Federgeschwindigkeit abhängige, Druck- und Zugkräfte auf den Luftfederdeckel ein. Die dynamischen Kräfte können insbesondere als Anschlagskräfte in den Endlagen der Bewegungsmöglichkeiten der Achse beträchtliche Werte, z.B. bis zu 5g annehmen. Diese entstehen als die Ausfederung begrenzende Kräfte über den Zuganschlag des Stoßdämpfers im Dämpferlagergehäuse des Luftfederdeckels. Bei vorhandener Zusatzfeder entstehen progressiv mit der Einfederung anwachsende und den Einfederweg begrenzende Endanschlagskräfte in der Dämpferlageraufnahme.
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Zur Bereitstellung des federwirksamen Luftfedervolumens muss sich der Luftfederdeckel dem zur Verfügung stehenden Bauraum der Chassis- oder Achsseite der Luftfeder so gut wie möglich anpassen, um somit mit seiner Außenhülle die geforderte Menge an Volumen bereitzustellen. Für ein maximales Innenvolumen der Luftfeder bei einmal festgelegter Außenform sollte die Innenform des Luftfederdeckels möglichst der Außenform entsprechen. Das bedeutet, dass ein Luftfederdeckel mehr Volumen bereitstellt, je adaptiver er sich einerseits dem vorhandenen Bauraum im Fahrwerk anpasst und je geringe Wandstärken er andererseits besitzt, sodass die Festigkeitsanforderungen noch erfüllt werden.
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Die optimale Erfüllung der Anforderungen a) bis c) an den Luftfederdeckel, erfordern allerdings gegenläufige Maßnahmen. Darum muss bei der Konstruktion der Luftfeder ein Kompromiss zwischen Festigkeit, Volumen und Herstellbarkeit gefunden werden.
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Bezüglich der Herstellbarkeit begrenzen einerseits die gewählten Herstell- und Verbindungsverfahren, wie Blechumformung, (Spritz-)Gießen oder Zerspanung in Verbindung mit z.B. Schrauben, Kleben oder Schweißen, insbesondere die ökonomisch noch vertretbare Adaptivität der Deckelgeometrie. Andererseits begrenzen die gewählten Materialien die möglichen Wandstärken, sodass noch die Festigkeit und Druckdichtigkeit gewährleistet werden kann.
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Die im Inneren des Luftfederdeckels auftretenden Kräfte, versuchen diesen wie einen Luftballon aufzublasen, wohingegen die durchgeleiteten Zug- und Drückkräfte des Stoßdämpfers in direkter Linie zwischen dem Boden des Dämpferlagergehäuses und den Anschraubpunkten des Deckels am Chassis oder an der Achse wirken. Damit stehen sich zwei grundlegend verschiedene Tragmechanismen dieser beiden Belastungsarten gegenüber.
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Zusätzlich zu den festigkeitsbezogenen Belangen der Konstruktion des Luftfederdeckels, sind auch funktionale Belange zu berücksichtigen.
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So wäre es vorteilhaft, wenn zur Darstellung der Dichtigkeit des Luftfederdeckels eine geschlossene Hülle aus einem Material bzw. einer gut miteinander zu verbindenden Materialgruppe hergestellt werden könnte und dabei nicht durch andere Bauteile, mit z.B. optimalen Festigkeitseigenschaften, durchbrochen und wieder abgedichtet werden muss. Weiterhin wäre es vorteilhaft, Materialien und Fertigungsverfahren einzusetzen, die Funktionsgeometrien, die zur Verbindung mit Anbauteilen wie einem Verschlussdeckel, Luftanschlüsse, Anschlüsse von Zusatzvolumen, Haltern oder Klemmkonturen in einfacher, sicherer und damit effektiver Art und Weise dargestellt werden könnten.
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Bekannterweise werden die meisten Luftfederdeckel aus mindestens einem Bauteil hergestellt. Dabei wird bei einer stoffschlüssigen Verbindung der Bauteile ein identisches Material, zumeist ein Metall, verwendet.
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Ein Verbunddeckel aus unterschiedlichen Materialien, Kunststoff und Metall, ist bspw. aus der
DE 10 2015 100 281 A1 bekannt.
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In diesem Fall handelt es sich um ein metallisches Oberteil, welches mit einem thermoplastischen Kunststoff umspritzt wird. Somit wird ein Verbundteil geschaffen, welches die Dichtungs- und Festigkeitsanforderungen erfüllt. Dabei ist für das Dämpferlager ein Flansch aus einem metallischem Werkstoff vorgesehen, über welchen auch die Verbindung zum Chassis herstellt wird. Die metallische Dämpferlageaufnahme stellt hinsichtlich der Festigkeitsanforderungen eine gute Lösung dar, ist allerdings aufgrund ihrer Massendichte sehr schwer. Deswegen wird auch die restliche Deckelhülle des Luftfederdeckels aus einem thermoplastischem Werkstoff hergestellt, um Gewicht einzusparen. Dabei ist der Flansch zumindest bereichsweise vom dem thermoplastischen Werkstoff umgeben, wodurch die Gasdichtigkeit des Luftfederdeckels erreicht wird.
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Nachteilig an dieser Lösung ist allerdings, dass zur Druckdichtigkeit eine druckdichte Verbindung zwischen dem innenliegenden metallischen Flansch und der dem Deckelinneren zugekehrten druckdichten Deckelhülle erforderlich ist. Dies wird zumindest dadurch realisiert, dass die Dämpferlageraufnahme auch innenseitig von dem thermoplastischen Material umspritzt ist. Diese wird weiterhin mit einem Einsatz und einer Führung für die Kolbenstange versehen, um für eine ausreichende Dichtigkeit zu sorgen. Zudem wird die Dämpferlageraufnahme oberseitig mit einem druckdichten Verschlussdeckel verschlossen.
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Nachteilig ist weiterhin, dass der metallische Flansch nur dann eine geradlinige Verbindung zwischen dem Zwischenboden der Zusatzfeder-/Dämpferlageraufnahme und den Befestigungspunkten zum Fahrwerk bilden kann, wenn die Deckelhülle das entsprechende Luftvolumen verliert. Wenn das Luftvolumen des Bauraums vollständiger ausgenutzt werden soll, dann muss der Flansch die durchzuleitenden Kräfte um die geradlinige Verbindung führen, um damit die entstehende Mehrbelastung durch entsprechende Materialstärke auszugleichen.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Luftfederbein bereitzustellen, welches die genannten Nachteile überwindet und die an den Luftfederdeckel gestellten Festigkeits- und Gasdichtigkeitsanforderungen bestmöglich erfüllt.
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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 Luftfederdeckel zumindest ein erstes Deckelteil mit einer Dämpferlageraufnahme umfasst, in welcher ein Dämpferlager des Stoßdämpfers angeordnet ist, wobei das erste Deckelteil aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist und zur Festigkeitssteigerung der Dämpferlageraufnahme einen Verstärkungseinsatz umfasst, wobei der Verstärkungseinsatz zumindest teilweise von dem Kunststoffmaterial des ersten Deckelteils umgeben ist.
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Die aus Kunststoffmaterial geformte Dämpferlageraufnahme und der Verstärkungseinsatz bilden eine innere Grundstruktur des Luftfederdeckels, welche die an den Luftfederdeckel gestellte Festigkeitsanforderung erfüllt. Die insbesondere auf Zug- und Druck belastete Dämpferlageraufnahme wird zur Festigkeitssteigerung von dem Verstärkungseinsatz unterstützt. Hierzu wird dieser in die Dämpferlageraufnahme eingesetzt bzw. von dem Kunststoffmaterial der Dämpferlageraufnahme zumindest teilweise umspritzt. Die Dämpferlageraufnahme liegt quasi in dem Verstärkungseinsatz.
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Vorzugweise ist die Dämpferlageraufnahme topfförmig gestaltet. Die Topfform zeichnet sich zumindest durch einen Boden und eine hohlzylindrische Wandung aus. Sie ist ideal dazu geeignet, das Dämpferlager zu beherbergen und lässt sich durch Kunststoffspritzverfahren gut herstellen. Der Boden der Dämpferlageraufnahme weist eine Durchgangsbohrung für die Kolbenstange des Stoßdämpfers auf.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erste Deckelteil mehrere Aufnahmevorrichtungen und mehrere Befestigungsmittel zur Anbindung des Luftfederbeins an das Kraftfahrzeug, wobei in jeweils eine der Aufnahmevorrichtung eines der Befestigungsmittel zumindest teilweise eingelassen ist.
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Um das Luftfederbein mit einem dafür vorgesehenen Anschlussbereich der Kraftfahrzeugkarosserie zu verbinden, sind an der axialen Oberseite des Luftfederdeckels eine Vielzahl an Aufnahmevorrichtungen und Befestigungsmittel vorgesehen. Die Befestigungsmittel, bspw. als Schraubbolzen, umfassen einen Schaft mit einem Kopf oder Anker. Der Kopf oder Anker wird in eine im Luftfederdeckel vorgesehene Aufnahmevorrichtung eingelassen. Die Aufnahmevorrichtungen sind sich in den Luftfederdeckel axial erstreckende Ausnehmungen. Da der Luftfederdeckel aus einem Kunststoffmaterial gespritzt ist, werden die Befestigungsmittel mit ihrem Kopf oder Anker in den jeweiligen Aufnahmevorrichtungen von diesem Kunststoffmaterial umspritzt, wodurch diese sicher in den Aufnahmevorrichtungen gehalten werden. Die Oberseite des Luftfederdeckels ist ringförmig ausgestaltet, innerhalb welcher sich das topfförmige Dämpferlager befindet. Die Aufnahmevorrichtungen sind in Umfangsrichtung an der ringförmigen Oberseite des Luftfederdeckels verteilt angeordnet.
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Somit stellt der Luftfederdeckel mit seiner aus Kunststoffmaterial geformten Dämpferlageraufnahme und den Aufnahmevorrichtungen den maßgeblichen Kraftpfad der vom Stoßdämpfer ausgehenden Zug- und Druckkräfte in die Kraftfahrzeugkarosserie dar.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Verstärkungseinsatz zumindest einen Boden mit einer Öffnung, wobei der Boden ober- und unterseitig und seine Öffnung von dem Kunststoffmaterial des ersten Deckelteils umgeben ist.
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Die Öffnung im Boden ist für die Kolbenstange des Stoßdämpfers vorgesehen. Diese Art der Umspritzung des Bodens des Verstärkungseinsatzes bewirkt, dass der Verstärkungseinsatz sich im Inneren des Luftfederdeckels befindet. Zugleich erfolgt eine Flächenpressung der vom Stoßdämpfer ausgehenden Kräfte zwischen dem Boden der Dämpferlageraufnahme und dem Boden des Verstärkungseinsatzes, da das Dämpferlager des Stoßdämpfers auf dem Boden aus Kunststoffmaterial von oben aufliegt und von unten die Stoßdämpferkräfte von einer Zusatzfeder gedämpft auf die Unterseite des Bodens aus Kunststoffmaterial einwirken, während sich dazwischen der Boden des Verstärkungseinsatzes befindet.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Verstärkungseinsatz zumindest einen sich axial erstreckenden Mittelteil, wobei der Mittelteil innenseitig von dem Kunststoffmaterial des ersten Deckelteils umgeben ist. Auch diese Art der Umspritzung sorgt dafür, dass der Verstärkungseinsatz sich im Inneren des Luftfederdeckels befindet. Dabei stellt das umspritzte Kunststoffmaterial an der Innenseite des Mittelteils die radiale Kontaktfläche für das Dämpferlager dar.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Verstärkungseinsatz zumindest einen Kragen, wobei der Kragen von dem Kunststoffmaterial des ersten Deckelteils umgeben ist. Um die Kraftleitung der Stoßdämpferkräfte über die Dämpferlageraufnahme in die Kraftfahrzeugkarosserie zu unterstützen, umfasst der Verstärkungseinsatz einen Kragen. Der sich vom Mittelteil radial nach außen erstreckende Kragen des Verstärkungseinsatzes befindet sich innerhalb der ringförmigen Oberseite des ersten Deckelteils, welche die Anbindungsfläche an die Kraftfahrzeugkarosserie darstellt und die Befestigungsmittel beherbergt. Folglich liegt eine Kraftunterstützung der durch die Dämpferlageraufnahme durchgeleiteten Kräfte in die Kraftfahrzeugkarosserie vor.
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Bevorzugt umfasst der Kragen mehrere Ausnehmungen, innerhalb welcher jeweils eine der Aufnahmevorrichtungen angeordnet ist und jeweils eines der Befestigungsmittel durchgesteckt ist. Die Ausnehmungen des Kragens werden als Löcher oder Langlöcher realisiert. Innerhalb dieser Löcher oder Langlöcher befindet sich das Kunststoffmaterial des ersten Deckelteils, welches die Aufnahmevorrichtungen formt oder darstellt. Der Boden oder Anker der in die Aufnahmevorrichtungen gesteckten Befestigungsmittel ist ebenfalls von dem Kunststoffmaterial des ersten Deckelteils umgeben. Dieser wird unterhalb des Kragens des Verstärkungseinsatzes positioniert und liegt somit im axialen Kraftpfad. Über die Flächenpressung und Flächenscherung der Befestigungsmittel in den Aufnahmevorrichtungen werden die Stoßdämpferkräfte durch das Kunststoffmaterial in die Kraftfahrzeugkarosserie geleitet.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Verstärkungseinsatz aus einem metallischen Werkstoff oder Keramik oder einem Kunststoffmaterial hergestellt. Je nach Kraftanforderung ist die Werkstoffauswahl und Dimensionierung des Verstärkungseinsatzes zu bestimmen.
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Bevorzugt ist das Kunststoffmaterial des Verstärkungseinsatzes ein thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff. Insbesondere hochfeste Kunststoffe eignen sich hervorragend als Verstärkungseinsatz, da diese gut formbar und leicht sind, sowie eine hohe Festigkeit aufweisen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Verstärkungseinsatz derart von dem Kunststoffmaterial des ersten Deckelteils umgeben, dass der Verstärkungseinsatz nicht der Umgebung ausgesetzt ist. Diese besondere Art der Umspritzung des Verstärkungseinsatzes durch das Kunststoffmaterial des ersten Deckelteils bewirkt, dass kein Durchbruch der Deckelstruktur zur Kraftübertragung erforderlich ist. Da der Verstärkungseinsatz sich im Inneren des Luftfederdeckels befindet und nicht dem Umgebungsdruck ausgesetzt ist, ist keine zusätzliche Dichtungsmaßnahme zu treffen, damit der Luftfederdeckel insgesamt gasdicht ist. Dennoch ist eine ausreichende Festigkeit des Luftfederdeckels gewährleistet.
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Vorzugsweise ist der Mittelteil des Verstärkungseinsatzes in mindestens zwei Segmente mit jeweils einem Kragenabschnitt unterteilt, wobei die Segmente über den Boden miteinander verbunden sind. Der Mittelteil des Verstärkungseinsatzes kann konstruktiv in mehrere Segmente aufgeteilt werden, welche folglich aus je einem Mittelteil bestehen. Je ein Mittelteil umfasst dann einen Kragenabschnitt, welcher ein Loch für ein Befestigungsmittel umfasst. Die Mittelteile sind wiederum über den Boden miteinander verbunden, sodass hier ein einteiliger Verstärkungseinsatz vorliegt.
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Als Alternative dazu, ist der Verstärkungseinsatz in mindestens zwei einzelne Segmente mit jeweils einem Bodenteil, einem Mittelteil und einem Kragenteil aufgeteilt, wobei die Segmente untereinander nicht verbunden sind. Konstruktiv und fertigungstechnisch kann es vorteilhaft sein, den Verstärkungseinsatz in mehrere separate, also voneinander getrennte, Segmente aufzuteilen. Je ein Segment umfasst dann einen Bodenteil, einen Mittelteil und einen Kragenteil. Die Segmente werden derart räumlich zueinander positioniert, dass deren Bodenteile eine Öffnung für die Kolbenstange darstellen. In dieser Position werden die Segmente von dem Kunststoffmaterial des ersten Deckelteils umspritzt. Damit diese besser in Position gehalten werden, sind axial entlang des Mittelteils bei jedem Segment ein Langschlitz vorgesehen, in welchen das Kunststoffmaterial eingreift.
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In beiden Ausführungen können auch drei und mehr Segmente verwendet werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Kunststoffmaterial des ersten Deckelteils ein thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff. Das Ausführen des ersten Deckelteils aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff bezweckt eine einfach herzustellende Geometrie und zugleich eine ausreichende Gasdichtigkeit des Luftfederdeckels.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Luftfederdeckel zumindest ein zweites Deckelteil, wobei das zweite Deckelteil einen Klemmgrund zur Anbindung des Rollbalgs umfasst. Um das maßgebliche federwirksame Druckvolumen der Luftfeder zu erweitern, wird durch den Luftfederdeckel ein Deckelraum begrenzt. Um diesen Deckelraum in Form und Geometrie zu bestimmen, wird ein zweites Deckelteil vorgesehen. Dieses ist mit dem ersten Deckelteil verbunden und beide bilden den Deckelraum. An die axiale Anlagefläche des Klemmgrunds wird ein erstes Ende des Rollbalgs luftdicht angebunden.
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Bevorzugst ist das zweite Deckelteil aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff oder einem metallischen Werkstoff hergestellt. Auch hier eignet sich ein thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff besonders, da dieser in Form und Gestalt am einfachsten gespritzt werden kann und zugleich dank seiner geringen Materialdichte einiges an Gewicht einspart.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im Inneren des Luftfederdeckels eine Rippenstruktur mit einer Vielzahl an Versteifungsrippen vorgesehen. Die Versteifungsrippen erstrecken sich ausgehend von der Außenwandung der Dämpferlageraufnahme zumindest in Richtung der Unterseite der ringförmig umlaufenden Anlagefläche des ersten Deckelteils. Sie sind ebenfalls aus dem Kunststoffmaterial des ersten Deckelteils geformt und sorgen für eine Festigkeitssteigerung der gesamten Deckelstruktur und unterbinden ein Bersten der Deckelhülle.
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Bevorzugst sind die Versteifungsrippen aus dem Material des ersten und zweiten Deckelteils gebildet. Zudem erweitern die Versteifungsrippen den Fügebereich des ersten Deckelteils mit dem zweiten Deckelteil. Sofern beide Deckelteile aus einem Kunststoff hergestellt sind, werden diese in ihrem ringförmig umlaufenden Fügebereich miteinander verschweißt. Da die Versteifungsrippen ebenfalls aus dem Kunststoffmaterial beider Deckelteile ausgeführt sind, wird durch diese der Fügebereich vergrößert, wodurch die Verbundfestigkeit beider Deckelteile gesteigert ist.
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Der Rollbalg begrenzt mit dem Luftfederdeckel und dem Abrollkolben einen mit Druckluft befüllten Arbeitsraum. Dieser volumenelastische Arbeitsraum stellt das federwirksame Volumen der Luftfeder dar.
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Vorzugsweise umfasst der Luftfederdeckel einen Deckelraum. Dieser Deckelraum, vorzugsweise als großvolumige Luftkammer, erweitert den Arbeitsraum der Luftfeder und senkt somit deren Federsteifigkeit ab.
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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 einen Luftfederdeckel mit Verstärkungseinsatz eines beispielsgemäßen Luftfederbeins im Vertikalschnitt,
- 3 den Luftfederdeckel mit Verstärkungseinsatz in perspektivischer Ansicht,
- 4 einen einteiligen Verstärkungseinsatz in perspektivischer Ansicht,
- 5 einen mehrteiligen Verstärkungseinsatz in perspektivischer Ansicht,
- 6 eine erste Bolzenbefestigung mit Kraftfluss,
- 7 eine zweite Bolzenbefestigung mit Kraftfluss,
- 8 den Luftfederdeckel mit Versteifungsrippen in perspektivischer Ansicht, und
- 9 die Versteifungsrippen des Luftfederdeckels im Horizontalschnitt.
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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 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 ist 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 ist ein Faltenbalg 19 vorgesehen, 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 Ein federn 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 ersichtlich ebenfalls möglich. Es ist zudem bekannt Abrollkolben 5 aus einem Leichtmetall wie Aluminium oder einem faserverstärkten 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 10 der Luftfeder 2 nach außen abzudichten.
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Die 2 zeigt einen Luftfederdeckel 40 eines beispielsgemäßen Luftfederbeins mit einem Verstärkungseinsatz 60 im Vertikalschnitt.
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Zur Erfüllung der an Luftfederdeckel 40 gestellten Anforderungen, ist dieser in konsequenter Weise in eine innere Grundstruktur und eine äußere Volumenstruktur aufgeteilt.
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Die innere Grundstruktur wird zum einen durch ein erstes Deckelteil 41 verwirklicht, welches zur Aufnahme des Stoßdämpferlagers ausgebildet und zur Befestigung des Luftfederbeins an eine nicht dargestellte Kraftfahrzeugkarosserie vorgesehen ist. Zur Lagerung des Dämpferlagers umfasst erstes Deckelteil 41 eine innenliegende topfförmige Dämpferlageraufnahme 43. Diese aus dem Material des ersten Deckelteils 41 geformte Dämpferlageraufnahme 43 umfasst einen Topfboden 44 mit einer Durchgangsbohrung für die Stoßdämpferkolbenstange. Von Topfboden 44 erstreckt sich eine hohlzylindrische Topfwandung 45, welche aus dem Material des ersten Deckelteils 41 gebildet ist. An dem oberen Rand der Topfwandung 45 geht diese in einen sich radial nach außen erstreckenden Topfkragen 46 über. Topfkragen 46 erstreckt sich zudem weiter in eine umgeschlagene Außenwandung 47, welche aus dem Material des ersten Deckelteils 41 geformt ist und eine ringförmig umlaufende Kontaktfläche für ein zweites Deckelteil 42 bildet. Diese umlaufende Kontaktfläche ist an der axialen Unterseite der Außenwandung 47 vorgesehen, d.h. der Anbindung an die Kraftfahrzeugkarosserie abgewandt. Durch die Form und Gestaltung der Außenwandung 47 wird bereits ein Teil des federwirksamen Deckelvolumens realisiert.
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In Topfkragen 46 werden aus dem Material des ersten Deckelteils 41 mehrere Aufnahmen 55 für jeweilige Befestigungsmittel ausgeformt. In Aufnahmen 55 werden die Befestigungsmittel, bzw. der Schaft von Schraubbolzen, eingelassen und von dem Material des ersten Deckelteils 41 umspritzt und festgehalten. Aufnahmen 55 sind in Umfangsrichtung am Topfkragen 46 verteilt angeordnet und erstrecken sich axial in das Material des ersten Deckelteils 41 hinein. Die Öffnungen der Aufnahmen 55 münden an der axialen Oberfläche des ersten Deckelteils 41, welche im verbauten Zustand der Kraftfahrzeugkarosserie zugewandt ist. Beispielsgemäß sind drei solcher Aufnahmen 55 vorgesehen. Mittels der in die Aufnahmen 55 eingelassenen Schraubbolzen wird das gesamte Luftfederbein kraftschlüssig mit der Kraftfahrzeugkarosserie verbunden.
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Des Weiteren ist an der Unterseite, d.h. an der der Anbindung an die Kraftfahrzeugkarosserie abgewandten Seite des Topfbodens 44 ein Zusatzfedertopf 48 vorgesehen, welcher ebenfalls aus dem Material des ersten Deckelteils 41 geformt ist und in welchem die Zusatzfeder eingesetzt wird.
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Zur druckdichten Abdichtung des Dämpferlagers, wird dieses im verbauten Zustand von oben mit einem Verschlussdeckel verschlossen. Hierfür sind an der Innenwandung der Dämpferlageraufnahme 43 bzw. der Innenseite der Topfwandung 45 ringförmig umlaufende Nuten bzw. Verjüngungen geformt. In diese wird der Verschlussdeckel eingesetzt und verpresst.
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Ausgehend von der Außenwandung der Dämpferlageraufnahme 44 sind im Inneren des ersten Deckelteils 41 und aus dessen Material Versteifungsrippen 49 geformt, welche sich bis zur umgeschlagenen Außenwandung 47 erstrecken. Diese Vielzahl an flächigen Versteifungsrippen 49, welche sich Sternförmig von der Dämpferlageraufnahme 44 ausbreiten, dienen der Verstärkung dieser und um die Festigkeitsanforderungen zur Aufnahme der Stoßdämpferkräfte erfüllen zu können.
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Die äußere Volumenstruktur wird durch zweites Deckelteil 42 realisiert. Durch Form und Gestaltung wird aus dem Material des zweiten Deckelteils 42 ein Deckelraum bestimmt und begrenzt, wodurch das maßgebliche federwirksame Volumen des Luftfederdeckels 40 realisiert wird. Zudem ist zweites Deckelteil 42 zur Rollbalganbindung vorgesehen und umfasst daher einen ringförmig umlaufenden Klemmgrund 50 mit einer axialen Anlagefläche für das obere Rollbalgende. Zwecks verbesserter Klemmung, wird Klemmgrund 50 innenseitig durch einen metallischen Verstärkungsring 51 verstärkt. Verstärkungsring 51 wirkt der radialen Anpresskraft der anschießenden Rollbalgklemmung entgegen und unterstützt daher die Rollbalgklemmung hinsichtlich ihrer Dichtigkeitsanforderung.
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Die innere Grundstruktur wird zum anderen auch durch Verstärkungseinsatz 60 verwirklicht. Dieser umfasst einen Boden 61, einen sich axial erstreckenden Mittelteil 62 und einen sich radial nach außen erstreckenden Kragen 63. Mittelteil 62 ist in Umfangsrichtung am Außenrand des Bodens 60 mit diesem verbunden und geht dann in seinen hohlzylindrischen Bereich über. An dem oberen Ende des Mittelteils 62 knickt dann Kragen 63 als ein Rand radial nach außen ab. Boden 61 weist ebenfalls eine Durchgangsbohrung für die Stoßdämpferkolbenstange auf. Kragen 63 sieht Bohrungen oder Langlöcher für die Befestigungsmittel vor.
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Um die Festigkeitsanforderungen an die Dämpferlageraufnahme 43 zu erfüllen, wird diese durch Verstärkungseinsatz 60 unterstützt. Verstärkungseinsatz 60 wird in Dämpferlageraufnahme 43 eingesetzt bzw. ist zumindest teilweise von dem Material des ersten Deckelteils 41 umspritzt.
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Boden 61 des Verstärkungseinsatzes 60 ist an seiner Ober- und Unterseite von dem Material des ersten Deckelteils 41 in Form des Topfbodens 44 umgeben. Insbesondere die Durchgangsbohrung des Bodens 61 ist von dem Material des ersten Deckelteils 41 vollständig umspritzt. Der axiale Mittelteil 62 des Verstärkungseinsatzes 60 wird innenseitig ebenfalls vollständig von dem Material des ersten Deckelteils 41 in Form der Topfwandung 45 umspritzt. An der im Luftfederdeckel 40 innenseitig liegenden Außenseite des Mittelteils 62 ist dieses lediglich partiell von dem Material des ersten Deckelteils 41 umspritzt. Kragen 63 des Verstärkungseinsatzes 60 ist wiederum vollständig an seiner Ober- und Unterseite und auch von außen von dem Material des ersten Deckelteils 41 umspritzt. Durch diese Art der Umspritzung ist Verstärkungseinsatz 60 dem Luftfederinnendruck und nicht dem Umgebungsdruck ausgesetzt.
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Form und Gestalt des ersten und zweiten Deckelteils 41, 42 dienen der Umsetzung der nach außen gerichteten Gasdruckanforderungen. Es wird eine einfach herzustellende Gasdichtigkeit erreicht und es werden funktionale Geometrien bereitgestellt. So übernimmt zweites Deckelteil 42 die Klemmkontur für die Rollbalganbindung und das erste Deckelteil 41 formt das Gehäuse für das Dämpferlager, sowie die Abdichtflächen für einen Verschlussdeckel, welcher oberhalb des Dämpferlagers in die Dämpferlageraufnahme 43 eingesetzt wird.
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Weiterhin können durch Form und Gestalt des ersten oder auch zweiten Deckelteils 41, 42 Aufnahmen für weitere Anschlüsse, wie Zusatzvolumen, Schaltventile und Luftanschlüsse bereitgestellt werden. Auch andere Bauteile wie Halter können folglich mit dem Material des Luftfederdeckels 40 verbunden werden. Der volumenbildende Luftfederdeckel 40 stellt zudem eine schaltbare Luftkammer dar, welche mit dem Arbeitsraum der Luftfeder verbunden werden kann, um die Federsteifigkeit zu reduzieren. Auf der anderen Seite erfüllt Verstärkungseinsatz 60 die nach innen gerichteten Festigkeitsanforderungen. Verstärkungseinsatz 60 stellt eine strukturelle Durchleitung der dynamischen Kräfte aus Dämpferlager und Zusatzfeder vom Boden der Dämpferlageraufnahme 43 bis hin zu den Befestigungsmittel zur Kraftfahrzeugkarosserie dar. Es erfolgt eine Entlastung von der Gasdichtigkeitsanforderung, da der innen liegende Verstärkungseinsatz 60 nicht mit dem Umgebungsdruck in Verbindung steht.
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Zudem erfolgt eine strukturelle Entlastung des zweiten Deckelteils 42, welche normalerweise durch die dynamischen Kräfte des Dämpferlagers und der Zusatzfeder auf den Luftfederdeckel 40 einhergehen. Die Struktur der Außenwandung des zweiten Deckelteils 42 wird dadurch nicht mehr belastet. Auch erfolgt eine strukturelle Entlastung der Außenwandung des zweiten Deckelteils 42, weil die großen Klemmkräfte aus der Balgverklemmung maßgeblich durch den Verstärkungsring 51 kompensiert werden. Dadurch wird die Struktur der Außenwandung des zweiten Deckelteils 42 nicht mehr belastet.
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Die 3 soll den Luftfederdeckel 40 der 2 in perspektivischer Darstellung veranschaulichen. Ein Teilschnitt durch Luftfederdeckel 40 verdeutlicht die Umspritzung des Verstärkungseinsatzes 60 durch das Material des ersten Deckelteils 41 im Bereich der Dämpferlageraufnahme 45. Zusätzlich sind drei Befestigungsmittel 56 in den Aufnahmen ersichtlich, welche durch die im Kragen 63 vorgesehenen Bohrungen oder Langlöcher des Verstärkungseinsatzes 60 hindurchgesteckt sind. Anhand dieser Konstruktion wird der Kraftfluss durch den Verstärkungseinsatz 60 aufgenommen und durchgeleitet, wobei die volumenbildende Außenwandung des Luftfederdeckels 40 entlastet wird.
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In der 4 wird ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verstärkungseinsatzes 60 in perspektivischer Ansicht veranschaulicht.
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Der beispielsgemäße Verstärkungseinsatz 60 dient der Umsetzung der nach innen gerichteten Festigkeitsanforderungen. Er leitet die vom Dämpferlager und Zusatzfeder ausgehenden dynamischen Kräfte durch die Dämpferlageraufnahme in das Kraftfahrzeugchassis und entlastet somit den restlichen Luftfederdeckel hinsichtlich der Gasdichtigkeitsanforderungen.
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Der innere Verstärkungseinsatz 60 wird aus einem möglichst festen und möglichst wenig sprödem Material hergestellt. Die Gasdichtigkeit spielt bei der Materialauswahl keine Rolle mehr. Als Material kommt dabei ein metallischer Werkstoff, Keramik oder ein hochfester Kunststoff in Betracht. Die Werkstoffauswahl ist der Größe und der Dynamik der durchzuleitenden Kräfte anzupassen.
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Als metallischer Werkstoff wird vorzugsweise Aluminium im Spritzgussverfahren verwendet. Andere Metalle wie geschmiedeter Stahl, tiefgezogene Stahlbleche, Magnesium-Spritzguss oder geschmiedetes Aluminium sind auch möglich. Die Materialauswahl hängt auch von ökonomischen Gründen ab.
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Als hochfester Kunststoff werden hochgefüllte, vorzugsweise mit Glaslangfasern oder Carbonfasern gefüllte Polyamide (PA6, PA6.6, PA12) oder hochgefüllte Duromere (PF oder BMC) eingesetzt.
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Innerhalb einer Baureihe (gleiche Geometrie des Verstärkungseinsatz 60) wird durch Anpassung der ausgewählten Materialfestigkeit die individuelle Bauteilfestigkeit kosten- und gewichtsoptimiert angepasst. In jedem Fall zeichnet sich Verstärkungseinsatz 60 dadurch aus, dass dieser einem Dreibein gleicht. Dabei bestimmt die Anzahl der Verbindungen zwischen Deckel und Kraftfahrzeugkarosserie die Anzahl der Beine. Gibt es drei Verbindungen, so wird der Einsatz ähnlich einem Dreibein ausgeführt, sind es vier Verbindungen, nimmt man ein Vierbein, usw.
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Der beispielsgemäße Verstärkungseinsatz 60 gemäß der 4 umfasst einen Boden 61, welcher eine nicht sichtbare Durchgangsbohrung aufweist. Von Rand des Bodens 61 aus erstrecken sich axial drei Mittelteile 62 oder auch Beine genannt. Jeder axiale Mittelteil 62 des Verstärkungseinsatz 60 umfasst einen radial nach außen erstreckten Kragen 63. Mit Kragen 63 wird die Befestigungsvorrichtung für die Befestigungsmittel realisiert. Diese ist in Form eines Langloches ausgebildet, kann aber ebenso auch als eine Durchgangsbohrung im Kragen 63 ausgeführt sein.
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Die axialen Mittelteile 62 sind über den Boden 61 untereinander verbunden. Daher stellt Verstärkungseinsatz 60 in diesem Ausführungsbeispiel einen einstückigen/einteiligen Verstärkungseinsatz 60 dar. Im Anbindungsbereich an den Boden 61 sind die axialen Mittelteile 62 in ihre Breite verdickt und verjüngen sich in Richtung Kragen 63 zunehmend. Zudem wird mittels axialer Mittelteile eine innenliegende hohlzylindrische Aufnahme geformt, in welche das Dämpferlager aufgenommen werden kann. Außenseitig sind die axialen Mittelteile 62 des Verstärkungseinsatzes 60 durch Versteifungsformen verstärkt, welche axial ausgebildet sind.
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Wie aus der 4 ersichtlich ist, ist in Umfangsrichtung zwischen den axialen Mittelteilen 62 ein Freiraum. Dieser wird von dem Material des ersten Deckelteils bzw. der Dämpferlageraufnahme ausgespritzt. Auch, die Ober- und Unterseite des Bodens 61, die Innen-, -Ober- und Unterseite der Mittelteile 62, sowie Kragen 63 sind von dem Material des ersten Deckelteils umspritzt. Auch der verdickte Bereich der Mittelteile 62 ist zumindest teilweise von dem Material des ersten Deckelteils umgeben, während der durch Versteifungsformen verstärkte Bereich der Mittelteile 62 freiliegt.
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5 veranschaulicht in perspektivischer Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verstärkungseinsatzes 60. Der maßgebliche Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel der 4 besteht darin, dass Verstärkungseinsatzes 60 nicht einteilig, sondern mehrteilig ausgeführt ist und voneinander räumlich getrennte Mittelteile 62 aufweist. D.h. die Mittelteile 62 bzw. Beine des Verstärkungseinsatzes 60 sind nicht durch den Boden untereinander verbunden. Jedes Bein umfasst zwar Teil des Bodens 61, ist aber für sich genommen ein einzelnes Teil. Der dreiteilige Verstärkungseinsatzes 60 wird mit seinen Böden 61 derart ausrichtet, dass diese eine Öffnung für die Stoßdämpferkolbenstange darstellen. Zudem sind die Kragen 63 jedes Teils mit einer Durchgangsbohrung versehen. Zwecks fester Positionierung in der anschließend umspritzen Dämpferlageraufnahme, sind axiale Langschlitze in den Mittelteilen 62 vorgesehen, durch welche sich das Material der Dämpferlageraufnahme durchdrückt.
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6 zeigt eine erste Bolzenbefestigung des Luftfederdeckels mittels einem Befestigungsmittel 56 an einem Anbindungselement 57, bspw. ein Anbindungsbereich der Kraftfahrzeugkarosserie. Zudem wird der Kraftfluss dieser Befestigungsart veranschaulicht.
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Befestigungsmittel 56, bspw. ein Schraubbolzen, umfasst einen Schaft 58 mit einem Endseitigen Kopf 59, welcher in der Aufnahme des Luftfederdeckels eingelassen ist. Schaft 58 ist zumindest teilweise und Kopf 59 ist vollständig in der Aufnahme angeordnet. Die Aufnahme für Befestigungsmittel 56 ist wie in der 1 gezeigt in dem Topfkragen 46 vorgesehen und durch das Material des ersten Deckelteils gebildet.
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Zudem ist ersichtlich, dass Kragen 63 des Verstärkungseinsatzes in dem Topfkragen 46 angeordnet und von dessen Material vollständig umspritzt ist. Durch die Bohrung oder den im Kragen 63 vorgesehenen Schlitz, ist Befestigungsmittel 56 hindurchgesteckt. Zwischen Kopf 59 des Befestigungsmittels 56 und dem Kragen 63 des Verstärkungseinsatzes 60 ist Material des Topfkragens 46 vorgesehen. Dadurch liegt an mehreren Stellen dieser Befestigungsart eine Flächenpressung der benachbarten Teile bzw. Materialien vor.
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Befestigungsmittel 56 ist ferner durch Anbindungselement 57 hindurchgesteckt und kann bspw. mittels einer Mutter verschraubt werden. Mittels drei solcher Befestigungsmittel 56 ist bspw. das Luftfederbein mit der Kraftfahrzeugkarosserie kraftschlüssig verbunden.
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An der Befestigung zum Anbindungselement 57 greift eine Einzelkraft konzentriert am Befestigungsmittel 56 an. Diese ist durch den Doppelpfeil am Befestigungselement 56 veranschaulicht. Die Flächenpressung zur Durchleitung dieser Einzelkraft an den in Flächenkontakt stehenden Teilen und Materialien ist durch Doppelpfeile bei 52 veranschaulicht. So steht Kopf 59 als Zuganker mit dem Material des Topfkragens 49 in Flächenpressung und in axialer Wirkrichtung steht Kragen 63 unter- und oberseitig mit dem Material des Topfkragens 49 ebenfalls in Flächenpressung. Die Oberseite des Topfkragens 49 steht wiederum im verbundenen zustand mit dem Anbindungselement 57 in Flächenpressung.
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Diese lokal einwirkenden Flächenpressungen 52 können von einem dünnwandigen Deckelteil gut ertragen werden. Das erste Deckelteil stellt daher mit seiner relativ dünnwandigen und flächigen Struktur sehr große Oberflächen bereit, welche zur Übertragung der eingeleiteten Stoßdämpferkräfte ideal benutzt werden können, womit kein Durchbruch der Deckelstruktur zur Kraftübertragung erforderlich ist.
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Auf den Luftfederdeckel wirken ausgehend vom Stoßdämpfer zum Teil große Zug- und Druckkräfte. Diese statischen als auch dynamischen Kräfte werden durch die angegebene Befestigungsart im Zusammenwirkung mit dem Verstärkungseinsatz in der Dämpferlageraufnahme in vorteilhafterweise aufgenommen und in das Anbindungselement 57 durchgeleitet. Prinzipiell werden daher die Verschraubungskräfte der Anbindung des Luftfederdeckels an das Anbindungselement 57, die Dämpferlagerkräfte in der Dämpferlageraufnahme, insbesondere die Endlagenkräfte im Zuganschlag des Dämpfers, und die auf und von der Zusatzfeder wirkenden Kräfte durch den Verstärkungseinsatz übertragen. Durch diese Wirkweise wird insbesondere die Außenwandung des zweiten Deckelteils komplett strukturell von diesen Kräften entlastet.
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Zudem ist die unbedingte Gasdichtigkeit des Luftfederdeckels ohne zusätzlichen Materialaufwand und ohne die Forderungen nach einer gasdichten Verbindung zwischen erstem Deckelteil und innerem Verstärkungseinsatz gesichert. Dieses Grundprinzip findet in der Ausführung aller Kraftübertragungen von großen Kräften auf den Luftfederdeckel in die inneren Strukturelemente Anwendung.
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7 zeigt eine zweite Bolzenbefestigung des Luftfederdeckels mittels einem Befestigungsmittel 56 an einem Anbindungselement 57, bspw. ein Anbindungsbereich der Kraftfahrzeugkarosserie. Zudem wird der Kraftfluss dieser Befestigungsart veranschaulicht.
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Befestigungsmittel 56, bspw. ein Schraubbolzen, umfasst einen Schaft mit einem mittigen Anker 59. Schaft 58 ist zumindest teilweise in der Aufnahme des Luftfederdeckels eingelassen, wobei Anker 59 in einer Mulde der Aufnahme eingebettet ist und mit der Oberseite des Topfkragens 46 des ersten Deckelteils bündig abschließt.
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Zudem ist ersichtlich, dass Kragen 63 des Verstärkungseinsatzes 60 in dem Topfkragen 46 angeordnet und von dessen Material vollständig umspritzt ist. Durch die Bohrung oder den im Kragen 63 vorgesehenen Schlitz, ist Befestigungsmittel 56 hindurchgesteckt. Befestigungsmittel 56 ist ferner durch Anbindungselement 57 hindurchgesteckt und kann bspw. mittels einer Mutter verschraubt werden.
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An der Befestigung zum Anbindungselement 57 greift eine Einzelkraft konzentriert am Befestigungsmittel 56 an. Diese ist durch den Pfeil im Befestigungsmittel 56 veranschaulicht. Unter 53 wird die Flächenscherung zur Durchleitung dieser Einzelkraft durch den im Flächenkontakt stehenden Schaft 58 des Befestigungsmittels 56 mit dem Material des Topfkragens 46 durch mehrere Pfeile veranschaulicht. Die auf Kragen 63 des Verstärkungseinsatzes 60 wirkenden Scherkräfte werden zudem durch Anker 59, welcher mit Anbindungselement 57 in Flächenpressung steht, in diese übertragen.
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Die auf den Luftfederdeckel lokal wirkenden Lasten werden in die Flächenscherung gewandelt und können von dem dünnwandigen Material des ersten Deckelteils gut ertragen werden. Nach diesem Prinzip werden die Kräfte des Befestigungsmittel 56 als Schraubbolzen in das erste Deckelteil übertragen.
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Mit der 8 wird ein perspektivischer Teilausschnitt des Luftfederdeckels 40 gezeigt.
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Der innenliegende Verstärkungseinsatz ermöglicht eine erweiterte Formgebung und Materialauswahl für die Deckelteile 41 und 42.
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Die Außenwandung des Luftfederdeckels 40 wird zur Umsetzung der Gasdichtigkeit aus einem gasdichten Material hergestellt. Die Außenwandung umgibt den Gasraum des Luftfederdeckels 40 bis an die für eine separate Abdichtung vorgesehenen Funktionsflächen vollständig und sorgt somit nach gasdichter Verbindung des ersten und zweiten Deckelteils 41, 42 für die Gasdichtigkeit des Luftfederdeckels 40.
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Das Material der Deckelteile 41, 42 muss hinreichend korrosionsbeständig sein. Vorzugsweise kommt ein thermoplastischer Kunststoff zum Einsatz, wobei für beide Teile 41, 42 das gleiche Material verwendet wird. Die Materialwahl wird durch die individuellen Festigkeitsanforderungen an das jeweilige Deckelteil bestimmt und durch das zur Verbindung bevorzugte Fügeverfahren.
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So können auch verschiedene Thermoplaste für die Deckelteile 41, 42 verwendet werden, insbesondere Materialien mit ähnlichem Schmelzpunkt aber unterschiedlicher Faserfüllung wie z.B. PA6GF30 und PA6. 6GF50. Diese Materialien sind gut schweißbar und passen sich den individuellen Anforderungen besser an. Alternativ können auch Thermoplaste für das eine Deckelteil und Duroplaste das andere Deckelteil verwendet werden.
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Auch ist es vorstellbar, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Deckelteil 41, 42 ein drittes Deckelteil eingesetzt wird, wenn dies für eine kostengünstige Fertigung oder bessere Bauraumausnutzung oder die Ausbildung von abschaltbaren Luftkammern zweckmäßig ist.
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Das zweite Deckelteil 42 mit Klemmgrund 50 kann nach einem weiteren Ausführungsbeispiel auch aus einem metallischen Blech hergestellt sein. Das erste Deckelteil 41 wird in diesem Beispiel aus einem gasdichten und spritzgussfähigen Kunststoff, wie Thermo- oder Duroplast, gefertigt.
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Die Reduktion der Anforderungen an den Luftfederdeckel 40 ermöglicht die Gestaltung der Außenwandung als dünnwandige Struktur, indem zusätzlich innere Versteifungsrippen 49 eingeführt werden. Diese Weiterbildung führt zu einer robusteren Außenwandung bei gleichzeitiger Materialeinsparung.
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Die Einführung von vertikal verlaufenden Versteifungsrippen 49 führt zu einer Steigerung der Schweißbarkeit des gesamten Luftfederdeckels, auf welche nachstehend anhand der 9 eingegangen werden soll.
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Vorzugsweise lassen sich das erste und zweite Deckelteil 41, 42 durch Schweißen, Kleben, Formschluss oder Verschraubung (letzte beiden Optionen in Verbindung mit einer O-Ring-Abdichtung) gasdicht miteinander verbunden.
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Zunächst wird der Luftfederdeckel aus mindestens zwei Teilen 41, 42 ausgeführt, die in einem zusätzlichen Fügeprozess miteinander verbunden werden müssen. Als ein hocheffizienter Fügeprozess kommt das thermoplastische Schweißen infrage, weil es neben dem stoffschlüssigen und festen Fügen der Teilschalen gleichzeitig eine sichere und gasdichte Abdichtung der Fügefläche ermöglicht. Wenn eine nicht ausreichende Schweißfläche zur Verfügung steht, dann versagt die Verschweißung der Deckelteile bei zu hohen Innendrücken.
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Die spezifische Festigkeit einer Schweißverbindung ist bei faserverstärkten Kunststoffen stets geringer als die Festigkeit des ungestörten Materialbereiches. Dies ist dem fehlenden Durchgriff der Verstärkungsfasern durch die Schweißnaht geschuldet, so dass prinzipbedingt die Schweißnahtfestigkeit nur der Größenordnung der Festigkeit des polymeren Grundmaterials liegen kann.
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Die Grundbelastung des Innendrucks trachtet nun danach, das obere Deckelteil 41 von dem unteren Deckelteil 42 vertikal auseinander zu reißen. Darum ist für die Performance der Schweißung die Größe verschweißten Fläche entscheidend, weil man nur über die Größe der Fläche die geringere spezifische Schweißnahtfestigkeit ausgleichen kann. Eine Deckelhülle ohne Innenrippen hat als Schweißfläche nur die ringförmige Schnittfläche der Außenkontur der Deckelhülle in der Teilungsebene zwischen oberen und unterem Deckelteil zur Verfügung.
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Der klassische Weg, hier die Schweißfläche zu vergrößern besteht in der Aufdickung der Wandstärke der Deckelhülle. Dies ist allerdings nachteilig. Durch die dicke Wandstärke geht Innenvolumen verloren. Die Deckelhülle beansprucht einen höheren Materialeinsatz, wodurch sie schwerer und teurer ist. Dickere Wandstärken verlängern die Zykluszeit im Spritzprozess und verteuern somit zusätzlich die Herstellung. Zudem sind dickere Wandstärken anfällig für eine Lunkerbildung.
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Eine örtliche Aufdickung nach außen erfordert zudem bei gegebenem Bauraum ein Einziehen der Deckelhülle um den Betrag der Aufdickung, mit der Folge eines geringeren Deckelvolumens. Eine örtiche Aufdickung nach innen, erzeugt im Werkzeug Hinterschnitte und verteuert oder verhindert damit den Herstellprozess.
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Wegen dieser Nachteile wird der Weg verfolgt, Versteifungsrippen mit vertikal orientierten Flächen in dem ersten und zweiten Deckelteil 41, 42 auszubilden, welche aneinander aufliegen und miteinander verschweißt werden. Dadurch stellen die aus erstem und zweiten Deckelteil 41, 42 geformten Versteifungsrippen 49 eine Vergrößerung der Schweißnahtfläche dar und erhöhen die Festigkeit des Luftfederdeckels.
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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
- 40
- Luftfederdeckel
- 41
- erstes Deckelteil
- 42
- zweites Deckelteil
- 43
- Dämpferlageraufnahme
- 44
- Topfboden
- 45
- Topfwandung
- 46
- Topfkragen
- 47
- Außenwandung
- 48
- Zusatzfedertopf
- 49
- Versteifungsrippen
- 50
- Klemmgrund
- 51
- Verstärkungsring
- 52
- Flächenpressung
- 53
- Flächenscherung
- 55
- Aufnahmen
- 56
- Befestigungsmittel
- 57
- Anbindungselement
- 58
- Schaft
- 59
- Kopf/Anker
- 60
- Verstärkungseinsatz
- 61
- Boden
- 62
- Mittelteil
- 63
- Kragen
- L
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012012902 A1 [0002]
- DE 102015100281 A1 [0015]
