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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.
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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. Besonders im dynamischen Betrieb des Luftfederbeins wirken insbesondere auf die topfförmig ausgestaltete Lageraufnahme des Luftfederdeckels hohe Zug- und Drückkräfte. Da in dieser Lageraufnahme das Dämpferlager des Stoßdämpfers gelagert wird und über diese zugleich das gesamte Luftfederbein mit der Karosserie verbunden wird, muss dieses Bauteil besondere Festigkeitseigenschaften aufweisen.
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Bekannterweise werden die meisten großvolumigen Luftfederdeckel aus mindestens zwei Bauteilen hergestellt. Dabei wird bei einer stoffschlüssigen Verbindung der Bauteile ein identisches Material, zumeist ein Metall, verwendet, aus welchem insbesondere die Lageraufnahme gefertigt ist. Solch ein Deckel ist bspw. aus der
DE 10 2013 212 982 A1 bekannt.
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An den Luftfederdeckel eines Luftfederbeins werden zudem verschiedenste Anforderungen gestellt. Wie bereits genannt, wird das gesamte Luftfederbein über den Luftfederdeckel an die Kraftfahrzeugkarosserie angebunden. Des Weiteren stellt der Luftfederdeckel als Druckkörper bzw. als ein großes Luftvolumen umfassender Deckel einen Teil des federwirksamen Innenvolumens der Luftfeder dar. Daher muss der Luftfederdeckel auch für einen druckdichten Verschluss des Innenraums der Luftfeder nach Außen sorgen. Zudem wird der Rollbalg mittels Klemmringen an einen durch den Luftfederdeckel bereitgestellten Klemmgrund an diesen angebunden. Letztendlich muss der Luftfederdeckel auch druckdichte Aufnahmen für den Luftanschluss und Zusatzvolumen zur Verfügung stellen.
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Als Verbindungselement zwischen Luftfederbein und Anbindung an das Chassis, werden durch den Luftfederdeckel hohe Kräfte hindurchgeleitet. Diese ein- und durchgeleiteten Kräfte sind zum einen statischer Natur (Tragkräfte zur Abstützung des Fahrzeuggewichtes) und dynamischer Natur (zeitlich veränderliche Kräfte im Fahrbetrieb infolge des Ein /Ausfederungszustandes), wobei die dynamischen Kräfte sich zu den statischen Kräften überlagern. Am Anbindungspunkt des Stoßdämpfers (Dämpferlager) wirken dynamische, von der Federgeschwindigkeit abhängige, Zug- und Druckkräfte auf den Luftfederdeckel ein.
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Die auf den Luftfederdeckel eines Luftfederbeins einwirkenden Kräfte entstehen auch durch die innenseitig druckbeaufschlagende Gaskraft des federwirksamen Deckelraums, welche durch den veränderlichen Druck in statische und dynamische Anteile aufgeteilt werden kann.
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Funktional wäre es zur vollständigen Dichtigkeit des Luftfederdeckels vorteilhaft, diesen als geschlossene Hülle aus einem Material bzw. einer gut miteinander zu verbindenden Materialgruppe herzustellen, wobei diese Komponente nicht durch andere Bauteile, mit z.B. optimaleren Festigkeitseigenschaften, durchbrochen wird. Denn solch ein Durchbruch muss wiederum durch besondere Maßnahmen abgedichtet werden. Jegliche Abdichtung ist hinsichtlich ihrer Druckdichtigkeit anfällig und stellt zudem einen weiteren Prozessschritt dar.
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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. All diese Maßnahmen sind aufgrund des genannten Durchbruchs notwendig.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Luftfederdeckel eines Luftfederbeins bereitzustellen, welcher auf einfache Art und Weise die Gasdichtigkeit gewährleistet, zugleich mit einem geringen Gewicht herzustellen ist und dennoch eine ausreichende Stabilität und Festigkeit aufweist.
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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 eine Dämpferlageraufnahme umfasst, in welcher ein Dämpferlager des Stoßdämpfers angeordnet ist, und wobei der Luftfederdeckel einen Klemmgrund umfasst, an welchem ein erstes Ende des Rollbalgs angebunden ist, wobei zumindest die Dämpferlageraufnahme des Luftfederdeckels aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist.
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Grundsätzlich liegen dem Fachmann Vorbehalte vor, einen Luftfederdeckel eines Luftfederbeins, d.h. mit Lagerung des Stoßdämpfers, ausschließlich aus einem Kunststoff zu fertigten. Denn ein Kunststoff genüge gegenüber einem metallischen Werkstoff nicht den Festigkeitsanforderungen, insbesondere nicht im dynamischen Betrieb. Daher wurde stets auf eine aus Metall gefertigte Dämpferlageraufnahme zurückgegriffen.
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Vorzuweise ist das Kunststoffmaterial ein Duroplast.
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Es hat sich nun in erfinderische Weise herausgestellt, dass eine aus einem Kunststoffmaterial hergestellte Dämpferlageraufnahme die Kraftanforderungen erfüllen kann. Insbesondere wenn diese aus einem duroplastischem Kunststoff hergestellt ist. Bei entsprechender Wandstärke im Wandungs- und Bodenbereich, erfüllt die Dämpferlageraufnahme die Kraftanforderungen und erweist sich im dauerhaften Betrieb als äußerst stabil. D.h. die dynamischen Zug- und Druckkräfte, welche von dem Stoßdämpfer ausgehen, werden erfolgreich durch das duroplastische Material der Dämpferlageraufnahme aufgenommen und in die Kraftfahrzeugkarosserie eingeleitet.
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Duroplaste, oder auch Duromere genannt, sind Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung durch Erwärmung oder andere Maßnahmen nicht mehr verformt werden können. Sie enthalten harte, amorphe, unlösliche Polymere. Sie sind generell sehr hart und eignen sich daher als adäquater Ersatz für metallische Werkstoffe.
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Der duroplastische Kunststoff besitzt die wesentliche Werkstoffeigenschaft einer hochvernetzten Struktur und ist zugleich leicht und kostengünstig. Er lässt sich einfach verarbeiten und mit bekannten Kunststoffspritzverfahren beliebig formen. Dadurch sind flexiblere und insbesondere nichtspanende Herstellverfahren möglich. Die gestalterische Freiheit der Deckelgeometrie wird erweitert und der Deckel lässt sich kostengünstiger herstellen.
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Letztlich weist das Duromer eine höhere chemische Beständigkeit auf. Das Duromer sorgt für eine ausreichende Gasdichtigkeit des Luftfederdeckels und es entfällt eine Oberflächenveredelung. Besonders gegenüber metallischen Luftfederdeckeln wird der sonst notwendige Korrosionsschutz nicht mehr benötigt, was zu Kosteneinsparungen führt.
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In die innenliegende Dämpferlageraufnahme wird das Dämpferlager des Stoßdämpfers eingelegt. Das Dämpferlager stellt eine elastische Abkopplung des Stoßdämpfers dar und soll die auf den Luftfederdeckel einwirkenden Schwingungen abmildern. Daher umfasst das Dämpferlager in der Regel ein Tragstück, welches an dem freien Ende der Kolbenstange mit einer Mutter an dieser befestigt wird. Das Tragstück ist wiederum von einem Elastomerelement umgegeben und kann mit diesem zusammenvulkanisiert sein. Im Regelfall liegt das Elastomerelement mit seiner Unterseite in der Dämpferlageraufnahme auf, während seine radiale Außenwand an dem zylindrischen Teil der Dämpferlageraufnahme anliegt.
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Bevorzugt wird als Duroplast Phenolformaldehyd (PF) oder Harnstoff-Formaldehyd (UF) oder Melamin-Formaldehyd (MF) oder Epoxidharz (EP) verwendet. Vorzugsweise ist der duroplastische Kunststoff mit einem Füllstoff verstärkt. Solche Füllstoffe sind kurze Glasfasern (GF), lange Glasfasern (LF), Glaskugeln (GB), Naturfasern (NFK) oder mineralische Füllstoffe.
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Die duroplastischen Kunststoffe können in verschiedenen Konsistenzen (rieselfähige Formmassen, BMC = Bulk Moulding Compounds, SMC = Sheet Moulding Compounds) mit den unterschiedlichen Füllstoffen verbunden und verwendet werden. Compounds aus Duromeren können oft höher gefüllt werden und weisen damit bessere mechanische und ökonomische Eigenschaften auf.
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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.
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Vorzugsweise ist der Boden der Dämpferlageraufnahme aus dem Kunststoffmaterial ausgeführt. Zudem ist auch die Wandung der Dämpferlageraufnahme aus dem Kunststoffmaterial ausgeführt. Des Weiteren umfasst die Dämpferlageraufnahme einen Kragen, mittels welchem das Luftfederbein an die Kraftfahrzeugkarosserie angebunden ist. Der Kragen oder auch Rand erstreckt sich von der hohlzylindrischen Wandung aus radial nach außen. Vorzugsweise ist der Kragen aus dem Kunststoffmaterial ausgeführt.
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All diese drei Bereiche der topfförmigen Dämpferlageraufnahme leiten die einwirkenden Kräfte in die Karosserie. Ihre Ausgestaltung aus duroplastischen Werkstoff hat sich als äußerst stabil und tragfähig erwiesen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im Inneren des Luftfederdeckels eine Rippenstruktur mit einer Vielzahl an Versteifungsrippen vorgesehen. Die Rippenstruktur wird innenseitig des Luftfederdeckels anhand der Vielzahl an Versteifungsrippen gebildet, welche zwischen der Außenseite der Dämpferlageraufnahme und der Innenseite der Deckelhülle vorgesehen sind und diese verbinden. Dadurch die Rippenstruktur wird die gesamte Festigkeit des Luftfederdeckels verstärkt, insbesondere wird ein Bersten aufgrund des Gasinnendrucks vermieden.
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Bevorzugt sind die Versteifungsrippen aus dem Kunststoffmaterial des Luftfederdeckels geformt. Vorzugsweise sind die Versteifungsrippen aus dem duroplastischen Kunststoff geformt. An dieser Stelle kommen die Vorteile des Kunststoffspritzverfahren hervor, denn durch dieses lassen sich unterschiedlichste Rippenstrukturen aus demselben Material wie der Luftfederdeckel in einem Prozess formen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Klemmgrund innenseitig mit einem metallischen Verstärkungsring versehen. An den Klemmgrund wird der Rollbalg endseitig angebunden. D.h. ein Endabschnitt des oberen Rollbalgendes steht mit der axialen Anlagefläche des Klemmgrunds in flächenkontakt und wird mit diesem durch einen Klemm- oder Spannring befestigt. Je nach Anforderung wird ein metallischer Ring an die Innenseite des Klemmgrunds gelegt, um diesen zu verstärken.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Klemmgrund aus dem Kunststoffmaterial gefertigt. Vorzugsweise als Duroplast. Wie auch die Dämpferlageraufnahme ist nun der Klemmgrund des Luftfederdeckels aus dem Kunststoff hergestellt. Dieser Klemmgrund besitzt eine hohe Festigkeit und zugleich auch eine hohe Elastizität. Er erfüllt bei entsprechender Auslegung der Wandungsstärke auch die Kraftanforderungen an die Rollbalgklemmung.
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Bei Duroplasten handelt es sich um durch zusätzliche chemische Bindungen stark vernetzte Polymerketten. Darum sind 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.
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Die Dichtigkeit der Klemmverbindung eines duroplastischen Klemmgrunds ist im Vergleich zu metallischen oder thermoplastischen Klemmgründen vorteilhafter, da die Fließeigenschaft des duroplastischen Werkstoffs besser ist und somit bei der Verarbeitung Lunker oder Fehlstellen effektiver vermieden werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Luftfederdeckel einteilig und vollständig aus dem Kunststoffmaterial gefertigt. Erstmalig ist der gesamte Luftfederdeckel aus einem Kunststoff, vorzugsweise ein Duroplast, hergestellt. In dieser Ausführung umfasst der Luftfederdeckel keinen Durchbruch seiner inneren Struktur zur Kraftaufnahme und seiner äußeren Struktur zur Rollbalgklemmung. Dadurch entfallen separate Dichtungsmaßnahmen, wie das Vorsehen von Dichtringen oder Umspritzen der Dämpferlageraufnahme.
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Bevorzugt umfasst die Dämpferlageraufnahme einen innenliegenden hohlzylindrischen Absatz, wobei der Innendurchmesser des Absatzes kleiner ist als der Innendurchmesser der Dämpferlageraufnahme, wodurch der Absatz einen Ringanschlag bildet, wobei das Dämpferlager auf dem Ringanschlag aufliegt. Der Absatz in der Dämpferlageraufnahme wird vorgesehen, wenn das Dämpferlager über ein Schublager verfügt. Dabei wird das Schublager im inneren Bereich des Absatzes positioniert, während das Elastomerelement des Dämpferlagers auf dem Ringanschlag des Absatzes aufliegt.
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Besonders bevorzugt sind in den Absatz eine Vielzahl an Bohrungen eingebracht. Vorzugsweise sind die Bohrungen in Umfangsrichtung verteilt. Die Bohrungen sorgen für eine Material- und Gewichtseinsparung, wobei die Festigkeit der Dämpferlageraufnahme nicht beeinträchtigt wird.
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Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Luftfederdeckel mehrteilig ausgeführt, zumindest umfassend ein erstes Deckelteil, welches die Dämpferlageraufnahme umfasst, und ein zweites Deckelteil, welches den Klemmgrund umfasst, wobei zumindest das erste Deckelteil aus dem Kunststoffmaterial gefertigt ist. Vorzugsweise ist das erste Deckelteil aus einem Duroplast hergestellt. Je nach Anforderungen an das zu umfassende Volumen des Luftfederdeckels wird dieser zweiteilig ausgestaltet. Während das erste Deckelteil die Dämpferlageraufnahme darstellt, bildet das zweite Deckelteil einen volumenumfassenden Deckel bzw. eine Hülle, welche den federwirksamen Deckelraum begrenzt. Das Aufteilen in zwei Deckelteile erhöht die gestalterische Freiheit, welche benötigt wird, um einen großen Deckelraum zur Verfügung zu stellen.
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Bevorzugt ist das zweite Deckelteil und dessen Klemmgrund aus dem duroplastischem Werkstoff gefertigt. Wie auch der einteilige Deckel, ist in dieser Ausführung auch das zweite Deckelteil mit seiner Außenwandung und seinem Klemmgrund aus einem der genannten duroplastischen Werkstoffe hergestellt. Dieser muss nicht zwangsläufig derselbe duroplastische Werkstoff sein, wie der des ersten Deckelteils.
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Alternativ ist das zweite Deckelteil und dessen Klemmgrund aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gefertigt. So ist es in einer anderen Ausführung auch möglich, das zweite Deckelteil, je nach Anforderung, aus einem thermoplastischen Werkstoff herzustellen.
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Besonders bevorzugt ist das erste Deckelteil in das zweite Deckelteil eingeschoben. Der zumindest zweiteilige Luftfederdeckel wird in der Art erzeugt, dass das erste Deckelteil mit seiner topfförmigen Dämpferlageraufnahme in die Ausnehmung des ringförmigen zweiten Deckelteils eingeschoben wird. Dabei liegt der Kragen der Dämpferlageraufnahme auf dem ringförmigen Bereich des zweiten Deckelteils auf.
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Vorzugweise ist das erste Deckelteil mit dem zweiten Deckelteil formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden. Ein Formschluss beider Deckelteile wird bspw. durch eine umlaufende Rastnut des zweiten Deckelteils im inneren des ringförmigen Bereichs erzeugt, welche in eine umlaufende Nut an der Außenseite der Wandung der Dämpferlageraufnahme eingreift. Alternativ oder zusätzlich lassen sich beide Deckelteile auch miteinander in ihrem Fügebereich miteinander verschweißen. Um eine ausreichende Druckdichtigkeit zu gewährleisten, ist an den kontaktierenden Bereichen des ersten und zweiten Deckelteils ein Dichtring vorgesehen, wodurch ein Entweichen der Druckluft entlang dieser Kontaktflächen unterbunden wird.
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In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform umfasst der Luftfederdeckel ein drittes Deckelteil, welches als Zwischenglied einerseits mit dem ersten Deckelteil und andererseits mit dem zweiten Deckelteil verbunden ist. Vorzugsweise ist das dritte Deckelteil mit dem ersten Deckelteil formschlüssig verbunden. Zudem ist vorzugsweise das dritte Deckelteil mit dem zweiten Deckelteil stoffschlüssig verbunden. Es versteht sich, dass das dritte Deckelteil aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Werkstoff hergestellt ist.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Luftfederdeckel 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 oder des ersten Deckelteils 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 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 dem Stoßdämpfer ausgehenden Zug- und Druckkräfte in die Kraftfahrzeugkarosserie dar.
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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 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Luftfederdeckels, und
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Luftfederdeckels.
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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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In der 2 ist ein einteiliger Luftfederdeckel 40 in perspektivischer Ansicht und im Vertikalschnitt gezeigt.
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Luftfederdeckel 40 eines beispielsgemäßen Luftfederbeins umfasst eine innenliegende topfförmige Dämpferlageraufnahme 45, in welche das Dämpferlager eines Stoßdämpfers eingesetzt wird. Gleichzeitig wird das gesamte Luftfederbein mittels Luftfederdeckel 40 an eine nicht dargestellte Kraftfahrzeugkarosserie angebunden.
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Zur Lagerung des Dämpferlagers umfasst die innenliegende topfförmige Dämpferlageraufnahme 45 einen Topfboden 46 mit einer Durchgangsbohrung für die Stoßdämpferkolbenstange. Dämpferlageraufnahme 45 ist im vorliegenden Fall derart ausgeführt, dass diese einen im Durchmesser verkleinerten Bereich bzw. Absatz 57 umfasst. In den kleineren Bereich dieses Absatzes 57, welcher mit Topfboden 46 verbunden ist, wird anschließend ein Schublager des Dämpferlagers positioniert. Weiterhin formt der im Durchmesser kleinere Bereich durch Absatz 57 einen oberseitigen Ringanschlag aus. In diesen Ringanschlag sind axiale Bohrungen vorgesehen, welche eine Materialersparnis bewirken. Folglich wird das Dämpferlager im verbauten Zustand auf dem Ringanschlag des Absatzes 57 abgelegt, wobei sich das Schublager im Durchmesser verengtem Bereich der Dämpferlageraufnahme 45 befindet. Das bedeutet auch, dass der im Durchmesser größere und oberhalb des Absatz 57 befindliche Bereich der Dämpferlageraufnahme 45 zur Aufnahme des Dämpferlagers vorgesehen ist.
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Dieser Bereich wird durch eine hohlzylindrische Topfwandung 47 gebildet. Von Topfboden 46 erstreckt sich Topfwandung 47 axial nach oben. An dem oberen Rand der Topfwandung 47 geht diese in einen sich radial nach außen erstreckenden Topfkragen 48 über. Abschließend wird Topfkragen 48 nach unten hin umgestülpt und stellt einen Klemmgrund 50 zur Rollbalganbindung dar.
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Des Weiteren ist an der Unterseite der Dämpferlageraufnahme 45, d.h. an der der Anbindung an die Kraftfahrzeugkarosserie abgewandten Seite des Topfbodens 46, ein Zusatzfedertopf 49 vorgesehen, in welchem eine 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 45 bzw. der Innenseite der Topfwandung 47 ringförmig umlaufende Nuten bzw. Verjüngungen geformt. In diese wird der Verschlussdeckel eingesetzt und verpresst.
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Durch den zum Klemmgrund 50 umgestülpten Topfkragen 48 stellt Luftfederdeckel 40 zumindest teilweise einen Deckelraum 44 zur Verfügung, welcher als Luftkammererweiterung des Arbeitsraumes der Luftfeder deren Federsteifigkeit reduziert.
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Topfkragen 48 umfasst zudem Aufnahmevorrichtungen für Befestigungsmittel 52. In diese Aufnahmevorrichtung werden Befestigungsmittel 52, bzw. der Schaft und Kopf von Schraubbolzen, eingelassen und von dem Material des Luftfederdeckels 40 umspritzt und folglich festgehalten. Die Aufnahmevorrichtung sind in Umfangsrichtung am Topfkragen 48 verteilt angeordnet und erstrecken sich axial in diesen hinein. Die Öffnungen der Aufnahmevorrichtung münden an der axialen Oberfläche des Topfkragens 48. Beispielsgemäß sind drei solcher Aufnahmevorrichtungen mit jeweiligen Befestigungsmittel 52 vorgesehen. Folglich wird Luftfederdeckel 40 anhand der Befestigungsmittel 52 mit der Kraftfahrzeugkarossiere kraftschlüssig verschraubt.
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Um Luftfederdeckel 40 Reiß- bzw. Berstfest zu gestalten, sind in dessen Inneren eine Vielzahl an flächigen Versteifungsrippen 55 vorgesehen. Ausgehend von der Außenwandung der Topfwandung 47 erstrecken sich Versteifungsrippen 55 sternförmig nach oben hin zur Unterseite des Topfkragens 48 und zumindest teilweise hin zur Innenseite des Klemmgrund 50.
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Ein maßgeblicher Aspekt des Luftfederdeckels 40 des beispielsgemäßen Luftfederbeins ist seine Materialwahl.
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Insbesondere der struktur- und festigkeitsrelevante Bereich des Luftfederdeckels 40, im Konkreten die Dämpferlageraufnahme 45, ist als Duroplast bzw. aus einem duroplastischen Werkstoff hergestellt. Es hat sich erwiesen, dass bei entsprechender Auslegung des Topfbodens 46 und der Topfwandung 47 der duroplastische Werkstoff die an ihn gestellten Festigkeitsanforderungen erfüllt. D.h. vor allem, dass die auf die Dämpferlageraufnahme 45 wirkenden Zug- und Druckkräfte sicher aufgenommen und in die Kraftfahrzeugkarossiere weitergeleitet werden. Zugleich ist die duroplastische Dämpferlageraufnahme 45 leichter als eine vergleichbare Dämpferlageraufnahme aus einem metallischen Werkstoff.
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Ein weiterer maßgeblicher Aspekt des gezeigten Luftfederdeckels 40 ist sein Klemmgrund 50 aus duroplastischem Werkstoff. Dieser ringförmig umlaufende Klemmgrund 50 stellt eine axiale Anlagefläche für die Anbindung des oberen Rollbalgendes dar. In einer weiteren nicht gezeigten Ausgestaltung ist Klemmgrund 50 innenseitig mit einem metallschien Verstärkungsring verstärkt.
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Vorteilhafterweise ist Klemmgrund 50 des Luftfederdeckels 40 aus dem selben duroplastischen Werkstoff gefertigt, wie der Deckel 40 selbst. Die Darstellung des Klemmgrund 50 aus duroplastischem Materials führt zu einer hohen Festigkeit bei hoher Elastizität und geringer Dichte.
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Folglich sorgt der Luftfederdeckel 40 mit Klemmgrund 50 aus duroplastischem Werkstoff für eine kostengünstige Herstellung und ein insgesamt leichteres Luftfederbein.
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Die 3 zeigt in perspektivischer Ansicht einen mehrteiligen Luftfederdeckel 40 im Vertikalschnitt eines beispielsgemäßen Luftfederbeins.
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Zur Erfüllung der an Luftfederdeckel 40 gestellten Anforderungen (Kraftaufnahme und Volumenbildung) ist dieser in mehrere Deckelteile 41, 42, 43 unterteilt worden.
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Ein erstes Deckelteil 41 dient zur Aufnahme des Stoßdämpferlagers und zu teilen auch der Befestigung des Luftfederbeins an eine nicht dargestellte Kraftfahrzeugkarosserie. Zur Lagerung des Dämpferlagers umfasst erstes Deckelteil 41 eine innenliegende topfförmige Dämpferlageraufnahme 45. Diese aus dem Material des ersten Deckelteils 41 geformte Dämpferlageraufnahme 45 umfasst einen Topfboden 46 mit einer Durchgangsbohrung für die Stoßdämpferkolbenstange. Von Topfboden 46 aus erstreckt sich in axialer Richtung eine im Wesentlichen hohlzylindrische Topfwandung 47, welche aus dem Material des ersten Deckelteils 41 geformt ist. An dem oberen Rand der Topfwandung 47 geht diese in einen sich radial nach außen erstreckenden Topfkragen 48 über.
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Des Weiteren ist an der Unterseite der Dämpferlageraufnahme 45, d.h. an der der Anbindung an die Kraftfahrzeugkarosserie abgewandten Seite des Topfbodens 54, ein Zusatzfedertopf 49 vorgesehen, welcher ebenfalls aus dem Material des ersten Deckelteils 41 geformt ist und in welchem eine 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 45 bzw. der Innenseite der Topfwandung 47 eine ringförmig umlaufende Nut und eine Abstufung bzw. Verjüngung geformt. In diese wird der Verschlussdeckel eingesetzt und verpresst.
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Durch die Form und Gestaltung eines zweiten Deckteils 42 wird ein Teil des federwirksamen Deckelvolumens realisiert. Durch die Außenwandung des zweiten Deckteils 42 wird ein Deckelraum 44 maßgeblich bestimmt und begrenzt. Die Luftkammer des Deckelraums 44 erweitert den Arbeitsraum der Luftfeder und dient einem komfortableren Federverhalten.
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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 anschließenden Rollbalgklemmung entgegen und unterstützt daher die Rollbalgklemmung hinsichtlich ihrer Dichtigkeitsanforderung.
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Ein drittes Deckelteil 43 ist maßgeblich für die Befestigung des Luftfederdeckels 40 bzw. des gesamten Luftfederbeins an die Kraftfahrzeugkarosserie verantwortlich. Drittes Deckelteil 43 umfasst einen ringförmigen Abschnitt, welcher Aufnahmevorrichtung für jeweilige Befestigungsmittel 52 vorsieht. In diese Aufnahmevorrichtungen werden Befestigungsmittel 52, bzw. der Kopf und Schaft von Schraubbolzen, eingelassen und von dem Material des dritten Deckelteils 43 umspritzt und folglich festgehalten. Die Aufnahmevorrichtungen sind in Umfangsrichtung an dem ringförmigen Abschnitt verteilt angeordnet und erstrecken sich axial in das Material des dritten Deckelteils 43 hinein. Die Öffnungen der Aufnahmevorrichtungen münden an der axialen Oberfläche des dritten Deckelteils 43 bzw. des ringförmigen Abschnitts. Beispielsgemäß sind drei solcher Aufnahmevorrichtungen mit jeweiligen Befestigungsmittel 52 vorgesehen.
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Außerdem umfasst drittes Deckelteil 43 eine Außenwandung mit einer umlaufenden axialen Fügefläche zur Verbindung des zweiten Deckelteils 42. Diese Außenwandung erstreckt sind vom ringförmigen Bereich des dritten Deckelteils 43 ausgehend nach außen und anschließend nach unten.
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Luftfederdeckel 40 ist folglich aus Deckelteilen 41, 42, 43 zusammengesetzt bzw. zusammengefügt. Hierfür wird erstes Deckelteil 41 in drittes Deckelteil 43 eingesetzt, sodass erstes Deckelteil 41 mit seinem Topfkragen 48 auf dem ringförmigen Abschnitt des dritten Deckelteils 43 aufliegt. Die im dritten Deckelteil 43 vorgesehen Befestigungsmittel 52 werden durch die entsprechenden Durchgangsbohrungen im Topfkragen 48 des ersten Deckelteils 41 hindurchgesteckt. Folglich wird Luftfederdeckel 40 mittels ersten und dritten Deckelteil 41 und 43 anhand der Befestigungsmittel 52 mit der Kraftfahrzeugkarossiere kraftschlüssig verschraubt.
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Zwecks druckdichter und sicherer Verbindung des ersten Deckelteils 41 mit dem dritten Deckelteil 43 ist zwischen deren radialen Kontaktflächen ein Dichtring 53 und ein Formschluss vorgesehen. Dichtring 53 wird in eine umlaufende Nut der Außenwandung der Dämpferlageraufnahme 45 positioniert. Eine andere Positionierung des Dichtrings 53, bzw. in axialer Lage zwischen dem Topfkragen 48 und dem ringförmigen Abschnitt des dritten Deckelteils 43 ist ebenfalls möglich. Dadurch wird ein Entweichen der Druckluft aus dem Deckelraum 44 nach Außen entlang der Kontaktfläche beider Deckelteile 41 und 43 unterbunden. Der Formschluss des ersten Deckelteils 41 mit dem dritten Deckelteil 43 wird durch eine Lippe 54 und einem Hinterschnitt realisiert. Die Außenwandung der Dämpferlageraufnahme 45 sieht einen umlaufenden Hinterschnitt oder eine Einkerbung vor, in welche Lippe 54 des dritten Deckelteils 43 eingreift. Dadurch kann erstes Deckelteil 41 nicht nach oben aus dem dritten Deckelteil 43 herausfallen.
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Zur Vollendung des Luftfederdeckels 41 wird zweites Deckelteil 42 im ringförmig umlaufenden Fügebereich mit drittem Deckelteil 43 stoffschlüssig verbunden. Hierfür werden bekannte Kunststoff-Schweißverfahren eingesetzt.
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Um Luftfederdeckel 40 Reiß- bzw. Berstfest zu gestalten, werden im dessen Inneren und aus dem Material der Deckelteile 41, 42, 43 eine Vielzahl an Versteifungsrippen 55 geformt. Ausgehend von der Innenwandung des zweiten und dritten Deckelteils 42 und 43 führen die flächig gestaltenden Versteifungsrippen 55 zur Dämpferlageraufnahme 45. Versteifungsrippen 55 können verteilen sich sternförmig von Dämpferlageraufnahme 45 aus und erstrecken sich in Richtung der Innenwandung des zweiten und dritten Deckelteils 42 und 43. Es ist aber auch möglich, dass Versteifungsrippen 55 ausgehend und verbunden mit zweitem und drittem Deckelteil 42 und 43 sich in Richtung Dämpferlageraufnahme 45 erstecken und kurz vor deren Außenwandung räumlich beabstanded enden. Bspw. ist dann ein um Dämpferlageraufnahme 45 verlaufender Versteifungsring 56 vorgesehen, mittels welchem die einzelnen Versteifungsrippen 55 untereinander verbunden sind.
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Zusätzlich haben die Versteifungsrippen 55, welche durch das Material des zweiten und dritten Deckelteil 42 und 43 geformt werden, den Vorteil, dass deren gemeinsamer Fügebereich vergrößert wird. D.h. die zu verschweißende Kontaktfläche beider Deckelteile 42 und 43 ist durch Versteifungsrippen 55 vergrößert und somit ist auch die Verbundfestigkeit beider Deckelteile 42 und 43 gesteigert.
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Ein maßgeblicher Aspekt des in 3 gezeigten Luftfederdeckels 40 ist ebenfalls seine Materialwahl aus duroplastischem Werkstoff. Die zu diesem Material getroffenen Ausführungen des Luftfederdeckels der 2 gelten in äquivalenter Weise für den Luftfederdeckel 40 der 3. Dies bezieht sich auch insbesondere auf die Festigkeitsanforderungen der Dämpferlageraufnahme 45 des mehrteiligen Luftfederdeckels 40.
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Zweites Deckelteil 42 ist ebenfalls aus einem duroplastischen Werkstoff gefertigt und so auch das dritte Deckelteil 43. Als alternative ist die volumenbildende Außenwandung des zweiten Deckelteils 42 aus einem thermoplastischen, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoff ausgeführt. Dies gilt auch für drittes Deckelteil 43. Solch ein thermoplastischer Kunststoff kann ein mit Glaslangfasern oder Carbonfasern gefüllter Polyamid (PA6, PA6.6, PA12) sein.
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Ein weiterer maßgeblicher Aspekt des in 3 gezeigten Luftfederdeckels 40 ist ebenfalls sein Klemmgrund 50 aus duroplastischem Werkstoff. Auch hierbei gelten die zum Luftfederdeckel der 2 genannten Ausführungen in äquivalenter Weise für den mehrteiligen Luftfederdeckel 40 der 3. In einer weiteren Ausgestaltung ist Klemmgrund 50 innenseitig mit einem metallschien Verstärkungsring 51 verstärkt.
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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
- drittes Deckelteil
- 44
- Deckelraum
- 45
- Dämpferlageraufnahme
- 46
- Topfboden
- 47
- Topfwandung
- 48
- Topfkragen
- 49
- Zusatzfedertopf
- 50
- Klemmgrund
- 51
- Verstärkungsring
- 52
- Befestigungsmittel
- 53
- Dichtring
- 54
- Lippe
- 55
- Versteifungsrippen
- 56
- Versteifungsring
- 57
- Absatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012012902 A1 [0002]
- DE 102013212982 A1 [0005]
- DE 102015100281 A1 [0010]
