DE102018216993A1 - Luftfeder mit Anschlussteil aus Duroplast - Google Patents

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Jens-Uwe Gleu
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Continental Teves AG and Co OHG
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Abstract

Luftfeder (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend erstes Anschlussteil (3), insbesondere einen Abrollkolben, und ein zweites Anschlussteil (2), insbesondere einen Luftfederdeckel, wobei das erste und das zweite Anschlussteil (3; 2) jeweils einen Klemmschaft (9) mit einem Klemmgrund (10) zur Anbindung eines aus elastomerem Material bestehenden Rollbalgs (4) umfassen, wobei der Rollbalg (4) mit einem ersten Ende an dem Klemmschaft (9) des ersten Anschlussteils (3) und mit einem zweiten Ende an dem Klemmschaft (9) des zweiten Anschlussteils (2) jeweils durch einen Klemmring (6) luftdicht befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmgrund (10) zumindest eines der Anschlussteile (3; 2) aus einem duroplastischen Kunststoffmaterial gefertigt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Luftfeder gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Eine 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 kann von einer hülsenförmigen Außenführung umschlossen werden und rollt beim Einfedern unter Ausbildung einer Rollfalte am konzentrischen Abrollkolben ab. Die Luftfeder wird einerseits über den Luftfederdeckel mit der Kraftfahrzeugkarosserie und andererseits über den Abrollkolben mit dem Radträger verbunden, um ihre Federeigenschaft zu verwirklichen.
  • Ein fortwährend beanspruchter Bereich der Luftfeder ist die Klemmung des Rollbalges an die Anschlussteile (Deckel und Kolben) der Luftfeder. In bekannter Weise wird der Rollbalg mittels plastisch verformbaren Klemmringen mit dem Klemmschaft des Luftfederdeckels bzw. Abrollkolbens verpresst. Durch den inneren Überdruck im Arbeitsraum und die daraus resultierenden Kräfte wird die Klemmverbindung jedoch stark belastet.
  • Bei der Verklemmung eines Luftfederbalges wird ein aktives Element (der Klemm-/Spannring) von außen unter kontinuierlicher Reduzierung des Umfanges radial auf den Klemmschaft des Luftfederanschlussteiles gedrückt. Der Balg ist wegen seiner Flexibilität nicht in der Lage, den dabei entstehenden Kontaktdruck des Spannrings aufzunehmen. Stattdessen weicht der Luftfederbalg radial dem Kontaktdruck des Spannrings aus und leitet den Pressdruck direkt weiter auf den Klemmschaft, welcher daher als passives Element aufgefasst wird. Damit wird der Klemmschaft passiv von der anderen (der inneren) Seite gegen den Luftfederbalg gepresst und reagiert dementsprechend mit einer Umfangsänderung bzw. mit einer radial nach innen gerichteten, elastischen Deformation.
  • Ziel einer Klemmverbindung ist es, den Kontaktdruck zwischen der Innen-/Außenseite des Luftfederbalges und dem passiven und aktiven Klemmelement dauerhaft so groß zu halten, dass sie im Zusammenhang mit Reib- und Formschluss eine ausreichende Festigkeit gegen ein Herausreißen des Luftfederbalges aus der Verbindung bewirkt. Gleichzeitig soll dabei der Anpressdruck des Luftfederbalges auf das passive Element gegenüber dem Luftfederinnendruck so groß sein, dass das jeweilige (kolben- oder deckelseitige) Ende des Luftfederbalges zuverlässig gegen ein Austreten von komprimierter Luft abdichtet wird. Dafür muss der Kontaktdruck für alle Betriebszustände dauerhaft zwischen einer unteren und oberen kritischen Grenze gehalten werden. Die untere Grenze ist zur Sicherstellung der Festigkeit und Dichtigkeit der Klemmverbindung erforderlich, die obere Grenze wird definiert durch die maximal erträgliche Belastung der Bauteile in der Klemmverbindung, insbesondere des verletzlichen Luftfederbalges.
  • Beim Prozess der Herstellung einer Klemmverbindung wird mittels einer Apparatur der Spannring des Klemmverbundes über dessen Elastizitätsgrenze hinaus im Umfang verkleinert, so dass es gegen den Klemmschaft soweit radial verpresst wird, dass der Luftfederbalg dazwischen und wünschenswerter Weise auch der Klemmschaft elastisch deformiert werden. Die aktive Verpressung des Klemmverbundes führt zu einem Deformationszustand, der sich ohne die Wirkung der Apparatur nicht im Kräftegleichgewicht befindet. Darum federn nach Rücknahme der aktiven Verpressung durch die Apparatur (Öffnen der Klemmmaschine) der Spannring, der Luftfederbalg und der Klemmschaft je nach Fähigkeit und zuvor aufgebrachter Verspannung entgegen der initialen Bewegungsrichtung des Spannrings elastisch zurück. Bei der Rückfederung drückt der Klemmschaft mit seinem Klemmgrund den Luftfederbalg fortwährend gegen den Spannring, während dieser beim Rückfedern die ursprüngliche Kraftwirkung der Verpressung der Apparatur mehr und mehr übernimmt. Dabei lösen sich teilweise die aufgebrachten Verspannungen beider Elemente des Klemmverbundes. Dieser Prozess der Umlagerung der Anteile an der Verpressung des Luftfederbalges von der Klemmapparatur in den Spannring findet durch die Rückfederbewegung solange statt, bis der Spannring den Traganteil der Apparatur vollständig übernommen hat. Dann kommt die Rückfederbewegung zum Erliegen. Die zum Ende dieser Rückfederbewegung verbleibende Verspannung wird für das Ziel der Klemmverbindungsherstellung (s.o.) benutzt.
  • Es ist festzustellen, dass der Weg der Rückfederbewegung im Wesentlichen von der aufgebrachten maximalen Verpressung der Apparatur und den elastisch-plastischen Eigenschaften des Spannrings dominiert wird. Die Eigenschaften Spannrings haben einen untergeordneten Einfluss auf die Größe des Rückfederweges.
  • Weiterhin ist festzustellen, dass während eines Klemmprozesses der Klemmdruck von Null bis zur maximalen Verpressung zunächst zunimmt und beim Öffnen der Klemmmaschine zum Ende hin wieder auf das nutzbare Niveau abnimmt. Damit muss das passive Element als gegenhaltendes Element je nach Auslegung der Klemmung Druckbelastungen mit Spitzenwerten von 100 bis 350 bar Pressdruck bei einer weitgehend elastischen Deformationsreaktion ertragen können. Dafür ist eine entsprechend hohe Festigkeit erforderlich.
  • Da die nutzbare Restverspannung als Resultat einer Rückfederbewegung der Klemmelemente entsteht, ist es wünschenswert, wenn der Klemmschaft neben der hohen Festigkeit auch eine hohe Elastizität aufweist. Diese ist vorteilhaft, da eine hohe Elastizität des Klemmschafts bei dem je nach Klemmungsauslegung gegebenen Rückfederweg des Spannrings und des Luftfederbalges den Abbau der verbleibenden und nutzbaren Restverspannung des Klemmverbundes reduziert und zum Ende der Rückfederbewegung ein höherer Pressdruck verbleibt, als wenn der Klemmschaft elastisch steif ist und bei ansonsten vergleichbarem Rückfederweg mehr an Pressdruck verliert.
  • Üblicherweise werden die Klemmschäfte aus einem metallischen oder thermoplastischen Werkstoff ausgeführt. Metallische Werkstoffe besitzen eine hohe spezifische Festigkeit und kein Kriechverhalten. Deswegen sind metallische Klemmgründe mit geringen Wandstärken realisierbar. Vorteilhafte Materialien mit hoher Festigkeit bei hoher Elastizität sind z.B. Nichteisenmetalle (Aluminium- oder Magnesiumlegierungen, Messing, Bronze usw.). Nachteilig sind allerdings die hohen Fertigungskosten und geringen Möglichkeiten der Formgebung, sowie das hohe Bauteilgewicht und die geringe Elastizität.
  • Polymere haben wegen der zugehörigen Herstellprozesse Vorteile bei möglichen Gestaltungsoptionen. Ein geeignetes und nach Stand der Technik weitverbreitet eingesetztes Polymer ist das thermoplastische Polyamid PA6 oder PA6.6. Andere thermoplastische Polymerwerkstoffe wie Polypropylen (PP), Polyoxymethylene (POM), Polyurethan (PUR), Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PET) o.a. besitzen zwar eine vorteilhafte Elastizität, aber eine zu geringe Festigkeit und versagen im erforderlichen Temperaturbereich. Gleichzeitig haben sie u.a. den Nachteil, dass sie je nach Preisklasse bei dauerhaft anliegenden Grundbeanspruchungen unter im Automobilbereich üblichen Einsatztemperaturen von größer 60°C anfangen zu kriechen. Bei diesem Werkstoffverhalten weicht das Material der anliegenden Belastung durch entsprechende langsame, gestaltändernde Deformationen aus. Im Falle einer Klemmverbindung bedeutet das, dass sich die verbleibende Restverspannung einer frisch hergestellten Klemmung reduziert und damit die nutzbare Verpressung des Luftfederbalges mit der Zeit insbesondere unter höheren Temperaturen abnimmt. Die Klemmverbindung verliert im Betrieb an Festigkeit und/oder Dichtigkeit. Daher ist festzustellen, dass eine hohe Festigkeit wichtig ist, damit der Klemmschaft des Klemmverbundes in die Lage versetzt wird, hohe Spitzenbelastungen bei der Klemmherstellung zu ertragen. Gleichzeitig ist festzuhalten, dass die Elastizität nicht abnehmen darf. Ansonsten nimmt der nutzbare Klemmdruck während des Rückfederns des aktiven Elementes rapide ab. Letztendlich stellt sich heraus, dass der Klemmschaft der Klemmverbindung in der Lage sein muss, die dauerhaft anliegenden Pressdrücke ohne nennenswerte Kriechreaktionen zu ertragen. Dies gilt insbesondere bei höheren Temperaturen.
  • Bisherige bekannte Anschlussteile einer Luftfeder werden aus dem thermoplastischen Kunststoff (z.B. PA6.6) hergestellt und mit einem Metalleinsetz bzw. Metalleinleger im Klemmschaft verstärkt. Die Einleger werden hauptsächlich aus Stahl oder Aluminium gefertigt. Diese Metalleinleger zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit aus und können die lokale Beanspruchung auf den Klemmschaft gut aufnehmen. Wegen der gegenüber thermoplastischen Kunststoffen nicht vorhandenen Kriechneigung (Relaxation, Retardation) können diese für den Temperatureinsatzbereich von -40°C bis 120° im Fahrwerk eines Automobils zuverlässig verwendet werden. Allerdings weisen metallische Einleger auch einige Nachteile auf. So sind diese durch ihre hohe Massedichte relativ schwer. Die Herstellung eines Metalleinlegers ist ein separater Prozess und erfordert in der Montage einen zusätzlichen Fertigungsschritt. Zudem sind die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Thermoplast und Metall ebenfalls von Nachteil. Denn im Temperatureinsatzbereich von -40°C bis 120° kann es im Extremfall zu einem Bauteilversagen an der Klemmverbindung kommen. Weiterhin beeinflusst die Steifigkeit eines Metalleinlegers die Elastizität des Klemmschafts, welche ja nach Konstruktion und Ausführung des Anschlussteils gewünscht ist.
  • Solch ein Anschlussteil aus thermoplastischem Kunststoff mit einem eingebetteten Metalleinleger ist bspw. aus der 3 der DE 10 2004 061 989 A1 bekannt.
  • Die im Zusammenhang mit der Elektromobilität entstehenden Leichtbauanforderungen erfordern immer mehr den Einsatz von Kunststoffen und die Substitution von Metallen.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Luftfeder mit einem Klemmschaft bereitzustellen, welcher eine hohe Festigkeit aufweist und gleichzeitig elastisch nachgiebig ist.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird eine Luftfeder für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, umfassend erstes Anschlussteil und ein zweites Anschlussteil, wobei das erste und das zweite Anschlussteil jeweils einen Klemmschaft mit einem Klemmgrund zur Anbindung eines aus elastomerem Material bestehenden Rollbalgs umfassen, wobei der Rollbalg mit einem ersten Ende an dem Klemmschaft des ersten Anschlussteils und mit einem zweiten Ende an dem Klemmschaft des zweiten Anschlussteils jeweils durch einen Klemmring luftdicht befestigt ist, wobei der Klemmgrund zumindest eines der Anschlussteile aus einem duroplastischen Kunststoffmaterial gefertigt ist. Vorzugsweise das erste Anschlussteil ein Abrollkolben. Währenddessen ist vorzugsweise das zweite Anschlussteil ein Luftfederdeckel.
  • An die Klemmverbindung des Rollbalgs des Luftfederdeckels werden stets hohe Anforderungen gestellt, da die Klemmung kritisch für die Dichtigkeit der Luftfeder ist. Ziel der Klemmverbindung ist es, den Anpressdruck eines Klemmrings an das zu verklemmende Rollbalgende am Klemmgrund des Luftfederdeckels so groß wie möglich zu halten. Daher ist es für den Klemmgrund wesentlich, wenn dieser eine gewisse Elastizität aufweist, damit dieser nach der Deformation des Klemmrings elastisch nachgeben kann.
  • Daher wird erfindungsgemäß ein Klemmgrund aus duroplastischem Material vorgeschlagen. Die Dichtigkeit der Klemmverbindung eines Klemmgrunds aus Duroplast ist im Vergleich zu metallischen oder thermoplastischen Klemmgründen vorteilhafter, da die elastische Nachgiebigkeit des duroplastischen Klemmgrunds besser ist und somit die Presskraft der Klemmverbindung verstärkt. Zudem sind die Fließeigenschaften des duroplastischen Werkstoffs besser, wodurch bei der Verarbeitung Lunker oder Fehlstellen effektiver vermieden werden.
  • Zudem handelt es sich bei Duroplasten um durch zusätzliche chemische Bindungen stark vernetzte Polymerketten. Darum ist die Kriecheigenschaften des duroplastischen Werkstoffs vernachlässigbar. Eine solche starkvernetzte Struktur kann gestaltverändernde Deformationen nur durch Bruch von Bindungen durchführen, die im automobilen Temperatureinsatzbereich nur bei einem sehr hohen Belastungsniveau auf spröde Art und Weise stattfinden können. Eine ausgeprägte Viskosität bei höheren Temperaturen ist unbekannt. Damit gleichen sie unter hoher Temperatur eher spröden Metallen. Auch der Festigkeitsverlust bzw. die Korrosion durch Wasseraufnahme spielt bei geeigneter Polymerwahl keine Rolle.
  • Bevorzugt ist der Klemmschaft aus dem duroplastischen Kunststoffmaterial gefertigt. Der Klemmschaft ist der Anbindungsbereich des Anschlussteils, auf welchem der Rollbalg aufgeschoben wird um verpresst zu werden.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste und/oder das zweite Anschlussteil aus dem duroplastischen Kunststoffmaterial gefertigt. Ein duroplastischer Luftfederdeckel oder Abrollkolben vereint ein geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit gegenüber thermoplastischen Anschlussteilen einer Luftfeder.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Luftfeder freistehend. Als freistehende Luftfeder, wird eine Luftfeder ohne axiale Führung verstanden. D.h. die Anschlussteile der Luftfeder können sich allen drei Bewegungsrichtung frei gegeneinander bewegen. Eine axiale Führung, bspw. über einen integrierten Stoßdämpfer findet nicht statt. Solch freistehende Luftfedern werden meist an der Hinterachse des Kraftfahrzeuges eingesetzt.
  • Verwendung findet die Luftfeder in einem Fahrwerk, vorzugsweise in einem Luftfedersystem, für ein Kraftfahrzeug.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Figuren.
  • Es zeigen
    • 1 eine freistehende Luftfeder gemäß dem Stand der Technik, und
    • 2 einen Luftfederdeckel einer beispielsgemäßen Luftfeder.
  • Die 1 zeigt stark schematisiert eine bekannte Luftfeder 1 mit ihren wesentlichen Bauteilen, einem Luftfederdeckel 2, einem Abrollkolben 3 und einem elastomeren Rollbalg 4. Luftfeder 1 kann mit Luftfederdeckel 2 an einer Fahrzeugkarossiere und mit Abrollkolben 3 an einem Radträger zur Federung des Fahrzeuges befestigt werden.
  • Rollbalg 4 begrenzt mit Luftfederdeckel 2 und Abrollkolben 3 einen luftdichten und mit Druckluft befüllten volumenelastischen Arbeitsraum 5. Schlauchförmiger Rollbalg 4 ist mit seinem ersten Ende am Luftfederdeckel 2 und mit seinem zweiten Ende am Abrollkolben 3 über einen jeweiligen Klemmring 6 an den Anschlussbereichen dieser Anschlussteile befestigt. Die Klemmverbindung 8 erfolgt durch axiales Aufschieben des Rollbalgendes auf einen Klemmschaft 9 des Anschlussteils und durch anschließendes radiales Verpressen des Klemmrings 6. Dadurch wird das Rollbalgende zwischen Klemmschaft 9 und Klemmring 6 gequetscht.
  • Weiterhin ist Rollbalg 4 von einer hülsenförmigen Außenführung umschlossen, welche als Stützkorsett insbesondere bei dünnwandigen Rollbälgen eingesetzt wird, um dem hohen Innendruck im Arbeitsraum 5 entgegenzuwirken.
  • In der 2 ist im Vertikalschnitt ein Luftfederdeckel 2 einer beispielsgemäßen freistehenden Luftfeder gezeigt. Dieser umfasst einen Klemmschaft 9 mit einem Klemmgrund 10 zur Anbindung eines Endes des Rollbalgs. Klemmschaft 9 ist ein Bereich auf welchem das Rollbalgende zur Verklemmung aufgeschoben wird. An der Außenseite des Klemmschafts 9 ist Klemmgrund 10 für das Rollbalgende vorgesehen. Als Klemmgrund 10 wird ein Abschnitt bzw. eine axiale Anlagefläche des Klemmschafts 9 verstanden, welche mit dem Rollbalgende im Flächenkontakt steht. Als Rollbalgende wird ein bestimmter Endabschnitt des Rollbalgs verstanden, welcher zur Klemmung vorgesehen ist.
  • Ein maßgeblicher Aspekt des gezeigten Luftfederdeckels 2 ist sein Klemmschaft 9 mit Klemmgrund 10 aus duroplastischem Werkstoff. Dieser ringförmig umlaufende Klemmgrund 10 aus duroplastischem Kunststoff weist eine ausreichende Festigkeit auf und trägt mit seinem elastischem Verhalten für eine Ausreichende Presskraft der Klemmverbindung über die Lebensdauer der Luftfeder bei.
  • Wie anhand der Schraffur des Luftfederdeckels 2 zu erkennen ist, besteht diese aus demselben Material wie der Klemmschaft 9 mit Klemmgrund 10. Daher ist der Luftfederdeckel 2 vollständig aus duroplastischem Material gefertigt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Luftfeder
    2
    Luftfederdeckel
    3
    Abrollkolben
    4
    Rollbalg
    5
    Arbeitsraum
    6
    Klemmring
    7
    Außenführung
    8
    Klemmverbindung
    9
    Klemmschaft
    10
    Klemmgrund
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004061989 A1 [0013]

Claims (5)

  1. Luftfeder (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein erstes Anschlussteil (3), insbesondere einen Abrollkolben, und ein zweites Anschlussteil (2), insbesondere einen Luftfederdeckel, wobei das erste und das zweite Anschlussteil (3; 2) jeweils einen Klemmschaft (9) mit einem Klemmgrund (10) zur Anbindung eines aus elastomerem Material bestehenden Rollbalgs (4) umfassen, wobei der Rollbalg (4) mit einem ersten Ende an dem Klemmschaft (9) des ersten Anschlussteils (3) und mit einem zweiten Ende an dem Klemmschaft (9) des zweiten Anschlussteils (2) jeweils durch einen Klemmring (6) luftdicht befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmgrund (10) zumindest eines der Anschlussteile (3; 2) aus einem duroplastischen Kunststoffmaterial gefertigt ist.
  2. Luftfeder (1) nach ein Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmschaft (9) aus dem duroplastischen Kunststoffmaterial gefertigt ist.
  3. Luftfeder (1) nach ein Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Anschlussteil (3; 2) aus dem duroplastischen Kunststoffmaterial gefertigt sind.
  4. Luftfeder (1) nach ein einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfeder freistehend ist.
  5. Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Luftfedersystem, mit einer Luftfeder (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
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