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Die Erfindung betrifft eine Federanordnung.
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In der Radaufhängung moderner Kraftfahrzeuge werden unterschiedliche Typen von Federn eingesetzt, über die der eigentliche Fahrzeugkörper mit den Rädern des Fahrzeugs verbunden ist. Neben Federn aus Federstahl kommen auch Federn aus Verbundwerkstoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff, zum Einsatz. Diese Kompositfedern weisen eine Kunststoff- bzw. Polymermatrix auf, in die Fasern eingebettet sind. Dabei können bspw. unidirektionale oder gewebte Lagen von Glasfasern und/oder Carbonfasern in ein duroplastisches Harz (meist Epoxidharz) eingebettet sein.
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Neben Blattfedern, die insbesondere bei Starrachsen eingesetzt werden, finden Schraubenfedern breite Verwendung. Die vertikale Packung derzeitiger Radaufhängungen ist aufgrund der Verwendung von Schraubenfedern sowie der zugehörigen Dämpfer nicht optimal, d.h. der benötigte vertikale Bauraum ist vergleichsweise groß. Um dieses Problem zu überwinden, kommen in einigen Bereichen auch Torsionsfedern zum Einsatz, bei denen die Rückstellkraft im Wesentlichen auf einer Torsion statt auf einer Biegung beruht. Die Einsatzmöglichkeiten von Torsionsfedern werden dadurch eingeschränkt, dass sie in Richtung der Torsionsachse vergleichsweise viel Bauraum benötigen, um bei einer begrenzten zulässigen Torsionsspannung ausreichend große Torsionswinkel zu gestatten. Wird die Feder in Längsrichtung angeordnet, wirkt sich dies nachteilig auf das Crashverhalten aus, da die Feder als inkompressibel anzusehen ist. Wird die Feder in Querrichtung eingebaut, kann dies insbesondere bei der Vorderachse zu Platzproblemen führen, wenn der Motor im vorderen Teil des Fahrzeugs angeordnet ist. Darüber hinaus kann es zu einem asymmetrischen kinematischen Verhalten kommen, wenn die Feder länger als die Hälfte der Fahrzeugbreite ist. Dabei müssen die Federn, welche links- bzw. rechtsseitig wirkend sind, in einem Abstand aneinander vorbeigeführt werden. Dieser Abstand bedingt eine unterschiedliche Distanz zu einem Anbindungspunkt der Feder zum Fahrwerk. Das führt zu einer Asymmetrie in der Federbelastung und damit zu einem unterschiedlichen kinematischen Verhalten links zu rechts.
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Die
DE 1 010 332 A offenbart eine Drehstabfederung, bei welcher der Drehstab als Bestandteil einer Schwinge zur Drehachse der Schwinge parallel bewegbar angeordnet und mit mindestens zwei etwa in gleicher Richtung sich erstreckenden Abstützhebeln unterschiedlicher Länge versehen ist. Die Abstützhebel verdrehen den Drehstab im Zusammenwirken mit festen Widerlagern um einen von dem Winkelausschlag der Schwinge nach Maßgabe des Hebellängenverhältnisses abweichenden Winkel. Der Drehstab besteht aus mindestens zwei konzentrisch ineinander liegenden Rohren, an deren freien Enden die verschieden langen Hebel nebeneinanderliegend angreifen.
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Die
DE 38 19 162 A1 zeigt eine Torsionsfeder zum beidendig drehfesten Verbinden mit gegeneinander verdrehbaren Bauteilen, die insbesondere als Drehstabfeder für einen in einem fahrzeugfesten Lager schwenkbar gelagerten Lenker zum Führen eines Fahrzeugrades bzw. einer Gleisketten-Laufrolle an seinem von dem lagerentfernten Ende dienen kann. Wenigstens zwei dünnwandige Rohrabschnitte sind koaxial zueinander angeordnet und umschließen einander mit Spiel konzentrisch. Die Rohrabschnitte sind an ihren einen Enden drehfest miteinander verbunden und dadurch als Drehfedern in Reihe geschaltet, wobei an den anderen Enden der Rohrabschnitte jeweils Mittel zum drehfesten Anschluss an die gegeneinander verdrehbaren Bauteile angeordnet sind.
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Die
FR 964 473 A zeigt eine Torsionsfeder aus einer Mehrzahl konzentrisch umeinander angeordneter Rohre, wobei radial benachbarte Rohre jeweils endseitig miteinander verbunden sind. Ein Ende des innersten Rohrs ist an einer Basis festgelegt, während ein Ende des äußersten Rohrs mit einer Gabel verbunden ist, die dort mit einem Stift eingreift, durch welchen die Torsionsfeder ausgelenkt werden kann. Die Torsionsfeder ist als Ausschaltfeder in einem Leistungsschalter vorgesehen.
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Aus der
FR 2 841 953 A1 ist eine Energiespeichervorrichtung bekannt, die insbesondere dazu vorgesehen ist, als Ersatz für Schraubenfedern, Drehstab- oder Blattfedern von Fahrzeugaufhängungen zu dienen. Diese weist einen oder mehrere geteilte Zylinder mit jeweils konzentrischen zylindrischen Sektoren auf, die durch Zähne verbunden sind, die als Klauen wirken, um die konzentrischen Sektoren entweder miteinander oder mit Endstrukturen in Relativbewegung zu verbinden. Die konzentrischen Sektoren können Längsausschnitte aufweisen, die dazu bestimmt sind, die Steifigkeit der Feder für einen gegebenen Torsionswinkel zu erhöhen. Außerdem kann die Vorrichtung ein Gehäuse für die Segmente aufweisen, das mit einer Flüssigkeit mit ausgewählter Viskosität gefüllt ist, die eine Dämpfung gewährleistet.
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Die
US 6 382 649 B1 zeigt eine Aufhängung für ein Rad bei einem Kraftfahrzeug, mit einem Lenker aus Faserverbundwerkstoff, der einenends mit einer Lagerung an einem Chassis gelagert ist und anderenends das Rad haltert, und mit Federmitteln aus Faserverbundwerkstoff, die den Lenker am Chassis federnd abstützen. Die Lagerung weist ein Lager auf, bei dem ein am Chassis befestigtes Lagerteil relativ zu einem am Lenker befestigten Lagerteil um eine Schwenkachse schwenkbar ist. Die Federmittel weisen eine Drehstabfederung auf, die sich koaxial zur Schwenkachse erstreckt und die einenends am Chassis und anderenends am Lenker befestigt ist. Die Drehstabfederung weist zwei in Reihe geschaltete Drehstabfedern auf, die koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die erste Drehstabfeder einenends am Lenker und anderenends an dem einen Ende der zweiten Drehstabfeder befestigt ist, die mit ihrem anderen Ende am Chassis befestigt ist. Des Weiteren umgibt ein rohrförmiger Drehstabilisator die Drehstabfedern und verbindet die Lenker auf gegenüberliegenden Seiten des Fahrzeugs.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Bereitstellung einer hinsichtlich des Bauraums optimierten Federung eines Fahrzeugrades durchaus noch Raum für Verbesserungen. Insbesondere wäre es wünschenswert, optional zusätzliche Funktionen wie eine Dämpfung oder eine variable Federung integrieren zu können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich des Bauraums optimierten Federung eines Fahrzeugrades zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Federanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird eine Federanordnung zur Federung eines Radaufhängungselements gegenüber einem Fahrzeugkörper zur Verfügung gestellt. Es handelt sich um eine Federanordnung für ein Fahrzeug, genauer gesagt, für eine Radaufhängung eines Fahrzeugs. Diese kann für ein Kraftfahrzeug, wie einen Lkw oder Pkw, aber auch beispielsweise für einen Anhänger ohne eigenen Antrieb eingesetzt werden. Die Federanordnung ist einer Radaufhängung des Fahrzeugs zugeordnet und kann wenigstens teilweise als Teil dieser Radaufhängung angesehen werden. Sie dient zur Federung bzw. zur federnden Verbindung eines Radaufhängungselements mit einem Fahrzeugkörper. Dabei ist „Fahrzeugkörper“ ein Sammelbegriff für eine Karosserie, ein Chassis sowie ggf. einen Hilfsrahmen des jeweiligen Fahrzeugs, also diejenigen Teile, die normalerweise die gefederten Masse bilden. Bei dem Radaufhängungselement kann es sich insbesondere um einen Lenker handeln, der in zusammengebautem Zustand wiederum mit einem Radträger verbunden ist, an welchem ein Fahrzeugrad drehbar gelagert ist.
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Die Federanordnung weist ein sich entlang einer Torsionsachse erstreckendes Federelement auf. Das Federelement kann auch als Torsionsfeder, Torsionsfederelement oder als Torsionselement bezeichnet werden. Es erstreckt sich entlang einer Torsionsachse, die auch eine Symmetrieachse des Federelements bilden kann. Es ist dazu ausgebildet, sich bei bezüglich der Torsionsachse wirkenden Torsionsmoment elastisch zu verformen und somit Energie aufzunehmen und zu speichern. Dabei erzeugt es selbstverständlich ein entgegengesetztes Drehmoment. Grundsätzlich können unterschiedliche Materialien für das Federelement eingesetzt werden, sofern sie ausreichende elastische Eigenschaften und auch ansonsten eine ausreichende Beständigkeit für den Einsatz im Bereich der Radaufhängung aufweisen. Als Materialien kommen insbesondere Federstahl sowie Verbundwerkstoff infrage, insbesondere Faserverbundwerkstoff. Ein solcher Faserverbundwerkstoff weist Fasern, wie bspw. Glasfasern, Carbonfasern und/oder Aramidfasern, auf, die zur Verstärkung in eine Polymermatrix (z.B. eine Kunststoff- oder Kunstharzmatrix aus Epoxidharz oder dergleichen) eingebettet bzw. eingelagert sind. Optional können dabei weitere Partikel, Schichten oder Komponenten ein- oder angelagert sein, die sich nicht als Polymer oder als Fasern klassifizieren lassen. Es können auch unterschiedliche Werkstoffe für unterschiedliche Teile des Federelements verwendet werden.
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Das Federelement weist eine Mehrzahl von radial aufeinanderfolgend umeinander angeordneten Torsionsabschnitten auf, wobei benachbarte Torsionsabschnitte jeweils überwiegend voneinander getrennt aber bereichsweise durch einen Verbindungsabschnitt drehfest verbunden sind. Die Torsionsabschnitte folgen in radialer Richtung (wobei die axiale Richtung durch die Torsionsachse definiert ist) aufeinander, d. h. man kann entlang der radialen Richtung von außen nach innen einen ersten Torsionsabschnitt, einen zweiten Torsionsabschnitt sowie ggf. weitere Torsionsabschnitte unterscheiden. Diese sind umeinander angeordnet, d.h. um einen Torsionsabschnitt ist jeweils (in radialer Richtung nach außen) der darauffolgende Torsionsabschnitt angeordnet. Man kann auch sagen, der darauffolgende Torsionsabschnitt umgibt den jeweils vorigen Torsionsabschnitt radial außenseitig. Insgesamt sind die Torsionsabschnitte somit ineinander verschachtelt.
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Dementsprechend weisen der zweite Torsionsabschnitt sowie sämtliche darauffolgenden Torsionsabschnitte, soweit vorhanden, eine Ausnehmung auf, in welcher sämtliche weiter innen liegenden Torsionsabschnitte angeordnet sind. Typischerweise können diese Torsionsabschnitte als rohrartig oder röhrenartig bezeichnet werden. Der erste bzw. innerste Torsionsabschnitt kann ebenfalls röhrenartig ausgebildet sein oder aber als stangenartiger Vollkörper. Typischerweise ist ein Querschnitt eines Torsionsabschnitt quer zur Torsionsachse kreisförmig, wenngleich Abweichungen hiervon denkbar wären. Ebenfalls sind typischerweise die Torsionsabschnitte konzentrisch zur Torsionsachse ausgebildet. Dabei sind radial zueinander benachbarte Torsionsabschnitte überwiegend voneinander getrennt, d. h. normalerweise radial beabstandet, allerdings sind sie bereichsweise durch einen Verbindungsabschnitt drehfest miteinander verbunden. Der Verbindungsabschnitt ist normalerweise in axialer Richtung endseitig, also im Bereich eines Endes eines Torsionsabschnitts, angeordnet. Die drehfeste Verbindung ist bezüglich einer Verdrehung um die Torsionsachse gegeben. Die Verbindung zwischen einem Torsionsabschnitt und einem Verbindungsabschnitt kann durch einen Formschluss, Kraftschluss und/oder Stoffschluss gegeben sein, wobei es sich in der Regel um einen Stoffschluss handelt. Bspw. können die genannten Abschnitte verklebt oder verschweißt sein. Der Verbindungsabschnitt kann dabei einstückig mit einem Torsionsabschnitt oder auch mit beiden Torsionsabschnitten gefertigt sein. Es sind Ausführungsformen denkbar, bei denen das gesamte Federelement einstückig gefertigt ist, wie beispielsweise bei einer Fertigung aus Faserverbundwerkstoff. Durch die weitgehende Trennung sowie die bereichsweise Verbindung benachbarter Torsionsabschnitte sind diese weitgehend voneinander unabhängig tordierbar, während über den Verbindungsabschnitt bereichsweise bzw. lokal ein Torsionsmoment übertragen wird.
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Dabei weisen ein innerster Torsionsabschnitt sowie ein äußerster Torsionsabschnitt je einen Anbindungsbereich auf. Ein Anbindungsbereich ist mit einem Fahrzeugkörper verbunden, wobei der andere Anbindungsbereich mit einem Radaufhängungselement verbunden ist. Der in radialer Richtung gesehen innerste bzw. erste Torsionsabschnitt weist einen Anbindungsbereich auf. Gleiches gilt für den in radialer Richtung gesehen äußersten Torsionsabschnitt, im Fall genau zweier Torsionsabschnitte also für den zweiten Torsionsabschnitt. Der jeweilige Anbindungsbereich kann Teil des genannten Torsionsabschnitts sein oder mit dem Torsionsabschnitt verbunden sein. Die genannten Verbindungen sind normalerweise wenigstens drehfest bezüglich der Torsionsachse. Sie können bspw. durch Formschluss, Stoffschluss und/oder Kraftschluss hergestellt sein.
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Bei der erfindungsgemäßen Federanordnung wird ein Torsionsmoment, das zwischen dem Radaufhängungselement und dem Fahrzeugkörper auftritt, durch sämtliche Torsionsabschnitte aufgenommen. Genauer gesagt wirkt dieses Torsionsmoment auf jeden Torsionsabschnitt und bewirkt eine Torsion desselben. Insgesamt summieren sich allerdings die entsprechenden Verformungen der Torsionsabschnitte, so dass im Vergleich zu einer als Vollkörper ausgebildeten Torsionsfeder gleicher Länge eine größere Gesamttorsion auftritt. D.h. das gesamte Federelement wirkt torsionsweicher als seine einzelnen Bestandteile, welche gewissermaßen in Reihe geschaltet sind. Entsprechend kann daher ein in axialer Richtung deutlich kürzeres Federelement eingesetzt werden, wodurch sich der notwendige Bauraum deutlich reduziert. Zwar baut das Federelement unter Umständen in radialer Richtung größer als eine vergleichbare als Vollkörper ausgebildete Torsionsfeder, allerdings ist dies für die meisten Anwendungen unproblematisch. Tatsächlich lässt sich das Federelement für fahrzeugtypische Anwendungen sehr kompakt realisieren und ist insofern bekannten Ausgestaltungen mit Schraubenfedern oder Blattfedern überlegen.
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Zahlreiche Vorteile der erfindungsgemäßen Federanordnung lassen sich bereits mit zwei Torsionsabschnitten realisieren. Vorteilhaft jedoch weist das Federelement wenigstens drei Torsionsabschnitte sowie wenigstens zwei Verbindungsabschnitte auf, wobei die Verbindungsabschnitte alternierend axial endseitig der Torsionsabschnitte angeordnet sind. Es können bspw. zwischen drei und fünf Torsionsabschnitte vorgesehen sein. Die Anzahl der Verbindungsabschnitte ist in jedem Fall um eins geringer als die der Torsionsabschnitte. Die Verbindungsabschnitte sind alternierend axial endseitig der Torsionsabschnitte angeordnet, d.h. jeder Verbindungsabschnitt ist endseitig angeordnet, also im Bereich eines Endes eines Torsionsabschnitts, und aufeinanderfolgende Verbindungsabschnitte sind jeweils an gegenüberliegenden Enden angeordnet. Bspw. kann der erste Verbindungsabschnitt an einem radfernen Ende angeordnet sein, womit der zweite Verbindungsabschnitt an einem radseitigen Ende angeordnet ist, der dritte Verbindungsabschnitt (sofern vorhanden) wiederum an einem radfernen Ende usw. Im Querschnitt bilden die Torsionsabschnitte und die Verbindungsabschnitte insgesamt eine mäandrierende bzw. zickzackförmigen Struktur.
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Abgesehen von der verringerten Länge entlang der Torsionsachse lassen sich weitere positive Effekte mit der Federanordnung erreichen. So ist bspw. eine zeitweise Veränderung der Federrate möglich. Zu diesem Zweck kann wenigstens ein Arretierungselement mit dem Fahrzeugkörper verbunden und aktorisch verstellbar sein, um wenigstens einen Abschnitt des Federelements wahlweise gegenüber dem Fahrzeugkörper zu arretieren oder freizugeben. Das Arretierungselement ist mit dem Fahrzeugkörper verbunden, wobei es wenigstens zwischen zwei Stellungen aktorisch verstellbar ist. In einer ersten Stellung ist keine Verbindung zum Federelement gegeben, so dass sich dieses frei gegenüber dem Fahrzeugkörper bewegen kann. In einer zweiten Stellung ist ein direkter oder indirekter Kontakt zwischen dem Arretierungselement und einem Abschnitt des Federelements gegeben, wodurch der entsprechende Abschnitt gegenüber dem Fahrzeugkörper arretiert wird. Dies führt dazu, dass sämtliche Teile des Federelements zwischen diesem Abschnitt und dem mit dem Fahrzeugkörper verbundenen Verbindungsabschnitt nicht mehr an der Torsion teilnehmen, d.h. der effektiv tordierbare Anteil des Federelements verringert sich. Hierdurch wird die effektive Torsionssteifigkeit selbstverständlich erhöht, d.h. die Federung reagiert härter, z.B. um eine sportliche Fahrweise zu unterstützen. Normalerweise beruht die Wirkung des Arretierungselements auf einem Formschluss in tangentialer Richtung, der direkt mit dem entsprechenden Abschnitt des Federelements oder indirekt über ein zwischengeordnetes Element, das drehfest mit dem Abschnitt verbunden ist, hergestellt wird. Bei dem Abschnitt kann es sich um einen Torsionsabschnitt und/oder einen Verbindungsabschnitt handeln.
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Insbesondere dann, wenn das Federelement drei oder mehr Torsionsabschnitte aufweist, können die Möglichkeiten der Einstellung dadurch erweitert werden, dass die Federanordnung eine Mehrzahl von unabhängig verstellbaren Arretierungselementen aufweist, die dazu eingerichtet sind, unterschiedliche Abschnitte des Federelements gegenüber dem Fahrzeugkörper zu arretieren oder freizugeben. Bspw. könnte einen erstes Arretierungselement dazu eingerichtet sein, einen ersten Verbindungsabschnitt zu arretieren, der den ersten Torsionsabschnitt und den zweiten Torsionsabschnitt miteinander verbindet, während ein zweites Arretierungselement dazu eingerichtet ist, einen zweiten Verbindungsabschnitt zu arretieren, der den zweiten und den dritten Torsionsabschnitt verbindet oder den dritten und den vierten Torsionsabschnitt. Je nachdem, welches Arretierungselement eingesetzt wird, kann sich die effektive Torsionssteifigkeit und somit die Federrate mehr oder weniger vergrößern.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Federanordnung wenigstens eine mit dem Federelement verbundene erste Reibfläche aufweisen, sowie eine zweite Reibfläche, die aktorisch verstellbar mit dem Fahrzeugkörper verbunden und wahlweise mit der ersten Reibfläche in Kontakt und außer Kontakt bringbar ist. Die erste sowie zweite Reibfläche sind hierbei Flächen, zwischen denen eine (Festkörper-)Reibung erzeugbar ist. Sie können zu diesem Zweck eine gezielt erhöhte Rauheit aufweisen und/oder eine besondere Abriebfestigkeit. Dies ist allerdings nicht zwangsläufig nötig. So könnte insbesondere die erste Reibfläche Teil des Federelements sein und in gleicher Weise ausgestaltet sein wie benachbarte Oberflächen des Federelements. Die zweite Reibfläche, die Teil eines Reibeelements sein kann, ist aktorisch verstellbar mit dem Fahrzeugkörper verbunden. Durch die Verstellung kann sie wahlweise mit der ersten Reibfläche in Kontakt gebracht werden, wodurch eine Festkörperreibung entsteht, deren Stärke wiederum durch die Anpresskraft variierbar ist, oder sie kann mit der ersten Reibfläche außer Kontakt gebracht werden, so dass keine Reibung entsteht. Durch den Einsatz einer derartigen Reibanordnung ist es möglich, das Feder- bzw. Schwingverhalten der Federanordnung in beliebiger Weise zu beeinflussen. So könnte die Position und/oder die Anpresskraft der zweiten Reibfläche auch während eines Schwingvorgangs verändert werden, um bspw. ein schnelleres Abklingen der Schwingung zu erreichen. Es ist auch hierbei denkbar, dass eine Mehrzahl von zweiten Reibflächen aktorisch verstellbar mit dem Fahrzeugkörper verbunden sind und mit verschiedenen ersten Reibflächen am Federelement in Kontakt bzw. außer Kontakt bringbar sind. Unter Umständen ist es möglich, dass die zweite Reibefläche sogar Teil eines o.g. Arretierungselements ist, und zwar dann, wenn die Reibung zwischen der ersten und der zweiten Reibefläche so groß ist, dass der Abschnitt des Federelements, der die erste Reibefläche aufweist bzw. mit dieser verbunden ist, vollständig arretiert wird.
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Eine noch effizientere Nutzung des vorhandenen Bauraums lässt sich erreichen, wenn ein Flüssigkeitsdämpfer in das Federelement integriert wird. Gemäß einer solchen Ausführungsform ist ein flüssigkeitsgefüllter Innenraum angrenzend an das Federelement angeordnet. Insbesondere kann zwischen wenigstens zwei benachbarten Torsionsabschnitten ein flüssigkeitsgefüllter Zwischenraum angeordnet sein. Der Innenraum bzw. der Zwischenraum kann mit einer beliebigen Flüssigkeit gefüllt sein, die das Federelement nicht angreift. Bspw. können hier Flüssigkeiten verwendet werden, die bei im Stand der Technik bekannten Stoßdämpfern eingesetzt werden. Insbesondere können auch zwischen sämtlichen benachbarten Torsionsabschnitten jeweils flüssigkeitsgefüllte Zwischenräume angeordnet sein. Diese Zwischenräume sind normalerweise nicht gegeneinander abgeschlossen, d.h. es ist ein Flüssigkeitsaustausch zwischen ihnen möglich. Es versteht sich, dass nach außen ein flüssigkeitsdichter Abschluss hergestellt sein muss, was sich am einfachsten dadurch realisieren lässt, dass das gesamte Innenvolumen des Federelements in einem Gehäuse eingeschlossen ist. Dabei kann die Gehäusewandung teilweise durch den äußersten Torsionsabschnitt gebildet sein. Der innerste Torsionsabschnitt kann durch eine Öffnung im Gehäuse geführt sein, die durch eine geeignete Dichtung abgedichtet ist. Kommt es bei einer Torsion des Federelements zu einer Bewegung, insbesondere zu einer Relativbewegung benachbarter Torsionsabschnitte, führt dies innerhalb der Flüssigkeit im Innenraum bzw. Zwischenraum zu einer Flüssigkeitsreibung, die mit einer laminaren und/oder turbulenten Strömung einhergehen kann. Es ergibt sich somit eine gedämpfte Schwingung des Federelements, ohne dass ein externer, separater Schwingungsdämpfer vorgesehen sein müsste.
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Je nach Abstand zwischen den benachbarten Torsionsabschnitten kann bereits eine erhebliche Flüssigkeitsreibung auftreten, wenn die Torsionsabschnitte einander zugewandte glatte Oberflächen aufweisen. Genauer gesagt kann bei einem geringen Abstand in radialer Richtung die Flüssigkeitsreibung eine erhebliche Größenordnung erreichen. In vielen Fällen kann die Flüssigkeitsreibung allerdings dadurch positiv beeinflusst werden, dass wenigstens ein Torsionsabschnitt wenigstens ein radial in den Zwischenraum hineinragendes, vom benachbarten Torsionsabschnitt beabstandetes Bremselement aufweist. Durch das Bremselement, welches ein Hindernis für die Strömung der Flüssigkeit darstellt, kann die Flüssigkeitsreibung gezielt vergrößert werden. So kann bspw. die laminare Reibung verstärkt oder der Übergang zur turbulenten Reibung beschleunigt werden. Bevorzugt weist wenigstens ein Torsionsabschnitt eine Mehrzahl von Bremselementen auf. Ebenfalls bevorzugt weisen beide benachbarten Torsionsabschnitte jeweils wenigstens ein Bremselement auf. Das wenigstens eine Bremselement des inneren Torsionsabschnitts ragt nach außen in den Zwischenraum, während das wenigstens eine Bremselement des äußeren Torsionsabschnitts nach innen in den Zwischenraum hineinragt. Die Bremselemente können bspw. blattartig, schaufelartig oder segelartig ausgebildet sein. Sie kann insbesondere in radialer Richtung verlaufen, aber auch bspw. schräg hierzu.
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Die Steifigkeit des Federelements gegenüber Kräften, die quer zur Torsionsachse wirken, ist in aller Regel unzureichend, um das Fahrzeugrad gegenüber dem Fahrzeugkörper diesbezüglich abzustützen. Sollten konstruktionsbedingt solche Querkräfte an der Torsionsfeder auftreten, kann derjenige Torsionsabschnitt, der mit dem Aufhängungselement verbunden ist, gegenüber dem Fahrzeugkörper so gelagert werden, dass die o.g. Drehmomente durch die Lagerung an den Fahrzeugkörper weitergegeben und somit aufgenommen werden können. Gemäß einer Ausführungsform sind jeweils benachbarte Torsionsabschnitte durch ein radial zwischengeordnetes Drehlager relativ zueinander drehbar gelagert. D.h., zwischen zwei radial benachbarten Torsionsabschnitten ist jeweils (wenigstens) ein Drehlager zwischengeordnet, dass eine Drehung der Torsionsabschnitte relativ zueinander ermöglicht. Sofern mehr als zwei Torsionsabschnitte vorgesehen sind, sind somit eine Mehrzahl von Drehlagern vorgesehen, über die Kräfte jeweils von demjenigen einem Torsionsabschnitt zum nächsten weitergegeben werden. Auf diese Weise ist der Torsionsabschnitt, an denen das Radaufhängungselement angebunden ist, indirekt am Fahrzeugkörper abgestützt. Das jeweilige Drehlager ist in axialer Richtung vom Verbindungsabschnitt beabstandet und kann insbesondere an einem dem Verbindungsabschnitt der beiden Torsionsabschnitte gegenüberliegenden Ende angeordnet sein. Bei jedem der Drehlager kann es sich um ein einfaches Gleitlager handeln oder aber um ein Wälzlager, bspw. Kugellager oder Rollenlager.
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Unter Umständen zusätzlich, normalerweise allerdings alternativ zu der o.g. Ausführungsform kann der erste Torsionsabschnitt durch ein Drehlager mit dem Fahrzeugkörper verbunden sein. Bei diesem Lager kann es sich ebenfalls um ein einfaches Gleitlager oder aber um ein Wälzlager, bspw. Kugellager oder Rollenlager, handeln. Diese Ausführungsform ist insofern vorteilhaft, als mittels eines einzigen Lagers eine sichere Führung des innersten Torsionsabschnitts quer zur Torsionsachse gewährleistet werden kann. Zu beachten ist allerdings, dass der innerste Torsionsabschnitt unter Umständen verlängert werden muss, um Platz für das genannte Drehlager zu schaffen, wodurch sich die Länge des Federelements entlang der Torsionsachse vergrößert. Kräfte quer zur Torsionsachse können aber im Normalfall selbstverständlich auch anderweitig in der Konstruktion der Fahrzeugaufhängung aufgefangen werden.
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Die Orientierung der Torsionsachse innerhalb des Fahrzeugs, also bezüglich der Fahrzeuglängsachse (X-Achse), Fahrzeugquerachse (Y-Achse) und Fahrzeughochachse (Z-Achse), kann unterschiedlich gewählt werden. Typischerweise ist die Torsionsachse innerhalb der waagerechten Ebene (X-Y-Ebene) angeordnet, sie kann allerdings auch in Richtung auf die Hochachse (Z-Achse) geneigt sein. Hierdurch kann es z.B. möglich sein, neben vertikalen Kraftkomponenten auch horizontale Kraftkomponente zu erzeugen. Bezüglich der X-Y-Ebene können unterschiedliche Ausrichtungen gewählt werden. Bspw. könnte die Torsionsachse in Fahrzeuglängsrichtung verlaufen bzw. mit der Fahrzeuglängsrichtung einen kleinen Winkel von bspw. maximal 30° einschließen. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich die Torsionsachse in Fahrzeugquerrichtung, also entlang der Y-Achse, wobei sie allerdings nicht zwangsläufig parallel hierzu verlaufen muss. Sie kann auch einen Winkel von bspw. maximal 30° zur Fahrzeugquerrichtung aufweisen, wobei eine Neigung sowohl in X-Richtung als auch in Z-Richtung gegeben sein kann. Einer der Anbindungsbereiche kann dabei mit einem Längslenker verbunden sein. Insbesondere ist es bevorzugt, dass ein Längslenker mit dem Anbindungsbereich verbunden ist, welcher dem innersten Torsionsabschnitt zugehörig ist. In diesem Fall ist der innerste Torsionsabschnitt mit dem Längslenker verbunden, während der äußerste Torsionsabschnitt mit dem Fahrzeugkörper verbunden ist. Aufgrund der größeren radialen Abmessungen ist der äußerste Torsionsabschnitt in der Regel besser für eine Anbindung an den Fahrzeugkörper geeignet als an einen Längslenker. Der Längslenker selbst kann in sich gerade, gebogen und/oder abgewinkelt ausgebildet sein. In jedem Fall erstreckt er sich in Fahrzeuglängsrichtung, also entlang der X-Achse.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Federanordnung;
- 2 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Federanordnung in einem ersten Zustand;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung der Federanordnung aus 2 in einem zweiten Zustand;
- 4 eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Federanordnung;
- 5 eine schematische Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Federanordnung;
- 6 eine schematische Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Federanordnung;
- 7 eine schematische Schnittdarstellung einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Federanordnung; sowie
- 8 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie VIII-VIII in 7.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Federanordnung eines Kraftfahrzeugs, bspw. eines PKWs oder LKWs. Ein entlang der X-Achse des Kraftfahrzeugs verlaufender Längslenker 40 ist mittels eines Federelements 10 an einem Fahrzeugkörper 50 gelagert. An dem Längslenker 40, der in sich im Wesentlichen starr ausgebildet ist, ist ein hier nicht dargestellter Radträger angeordnet, der wiederum ein Fahrzeugrad drehbar lagert.
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Das Federelement 10 ist symmetrisch zu einer Torsionsachse A ausgebildet und weist eine im Wesentlichen zylindrische Form auf. Die Torsionsachse A ist, wie in 1 beispielhaft erkennbar ist, parallel zur Y-Achse des Kraftfahrzeugs ausgerichtet. Ein bezüglich der Torsionsachse A radial zuinnerst angeordneter erster Torsionsabschnitt 11 weist eine zylindrische, geschlossene Form auf. Am ersten Torsionsabschnitt 11 ist ein radseitiger Anbindungsbereich 21 ausgebildet, der mit dem Längslenker 40 verbunden ist, bspw. durch einen Stoffschluss und/oder Formschluss. Radial außenseitig des ersten Torsionsabschnitts 11 folgt ein zweiter Torsionsabschnitt 12, der rohrförmig ausgebildet ist und den ersten Torsionsabschnitt 11 umschließt. Er ist überwiegend vom ersten Torsionsabschnitt 11 beabstandet, allerdings an einem dem radseitigen Anbindungsbereich 21 gegenüberliegenden Ende durch einen ersten Verbindungsabschnitt 16 mit dem ersten Torsionsabschnitt 11 verbunden. In der hier gezeigten Ausführungsform ist der radial verlaufende erste Verbindungsabschnitt 16 einstückig mit dem zweiten Torsionsabschnitt 12 ausgebildet, während der erste Torsionsabschnitt 11 separat vorgefertigt und anschließend bspw. durch Stoffschluss drehfest mit dem ersten Verbindungsabschnitt 16 verbunden wurde. Diese Ausgestaltung kann bspw. verwendet werden, wenn das Federelement 10 aus einzelnen Komponenten aus Federstahl zusammengesetzt ist, die vorgefertigt und anschließend beispielsweise stoffschlüssig verbunden werden, also z.B. verschweißt, verklebt oder verlötet werden, wobei beispielsweise auch eine formschlüssige Verbindung, z.B. mittels Verzahnung denkbar ist. Allerdings könnte auch der erste Verbindungsabschnitt 16 auch separat von beiden Torsionsabschnitten 11, 12 vorgefertigt sein oder (bspw. bei einer Fertigung aus Faserverbundstoff) einstückig mit beiden Torsionsabschnitten 11, 12 ausgebildet sein.
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Über einen zweiten Verbindungsabschnitt 17 ist ein dritter Torsionsabschnitt 13 mit dem zweiten Torsionsabschnitt 12 verbunden. Ein vierter Torsionsabschnitt 14 ist über einen dritten Verbindungsabschnitt 18 mit dem dritten Torsionsabschnitt 13 verbunden. Ein fünfter Torsionsabschnitt 15 ist über einen vierten Verbindungsabschnitt 19 mit dem vierten Torsionsabschnitt 14 verbunden. Die Verbindungsabschnitte 16 - 19 sind bezüglich der axialen Richtung alternierend endseitig der Torsionsabschnitte 11 - 15 angeordnet. D.h. der erste Verbindungsabschnitt 16 ist an einem radfernen Ende angeordnet, der zweite Verbindungsabschnitt 17 an einem radseitigen Ende, der dritte Verbindungsabschnitt 18 wiederum an einem radfernen Ende und der vierte Verbindungsabschnitt 19 wiederum an einem radseitigen Ende. Es ergibt sich im Querschnitt somit eine mäandrierende Struktur des Federelements 10. Am fünften Torsionsabschnitt 15 ist ein fahrzeugseitiger Anbindungsbereich 20 ausgebildet, der mit dem Fahrzeugkörper 50 verbunden ist, bspw. durch einen Formschluss und/oder Stoffschluss. Während der fünfte und somit äußerste Torsionsabschnitt 15 einseitig drehfest mit dem Fahrzeugkörper 50 verbunden ist, ist der erste Torsionsabschnitt 11 über ein Drehlager 22 am Fahrzeugkörper 50 gelagert, so dass er um die Torsionsachse A drehbar ist.
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Das Federelement 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 weist beispielhaft fünf Torsionsabschnitte 11 - 15 auf, was natürlich nicht beschränkend sein soll. Vielmehr ist die Anzahl der Torsionsabschnitte den gewünschten Anforderungen anpassbar.
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Wirkt während des Fahrbetriebs eine Kraft auf das Fahrzeugrad ein, führt diese zu einem Drehmoment im Längslenker 40, welches wiederum als Torsionsmoment auf das Federelement 10 wirkt. Da das Torsionsmoment auf sämtliche Torsionsabschnitte 11 - 15 wirkt, werden diese jeweils tordiert, wobei sich die einzelnen Verformungen der Torsionsabschnitte 11 - 15 addieren, so dass das Federelement 10 insgesamt wesentlich torsionsweicher reagiert als jeder der Torsionsabschnitte 11 - 15 für sich genommen. Aufgrund der ineinander verschachtelten Struktur des Federelements 10 weist dieses dennoch eine vergleichsweise geringe Länge entlang der Torsionsachse A auf, so dass es sich sehr kompakt realisieren lässt.
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2 und 3 zeigen eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Federanordnung 1, die weitgehend mit der ersten Ausführungsform übereinstimmt und insoweit nicht nochmals erläutert wird. Allerdings sind in diesem Fall zwei Arretierungselemente 30, 31 am Fahrzeugkörper 50 angeordnet, die durch hier nicht dargestellter Aktoren gegenüber dem Fahrzeugkörper 50 parallel zur Torsionsachse A verstellbar sind. 2 zeigt einen ersten Zustand, in welchem ein erstes Arretierungselement 30 mit dem Federelement 10 in Kontakt gebracht ist, genauer gesagt mit dem dritten Torsionsabschnitt 13. Der Vorgang ist hier stark schematisiert dargestellt. Die Arretierung kann bspw. durch einen Formschluss in tangentialer Richtung zwischen dem ersten Arretierungselement 30 und dem dritten Torsionsabschnitt 13 erreicht werden. Als Ergebnis der Arretierung erfolgt bei einer Auslenkung des Längslenkers 40 nur noch eine Torsion des ersten, zweiten und dritten Torsionsabschnitts 11 - 13, während der vierte und fünfte Torsionsabschnitt 14, 15 nicht an der Torsion teilnehmen. Das Federelements 10 reagiert nunmehr insgesamt weniger torsionsweich, d. h. die Federung des Kraftfahrzeugs wird härter. Das erste Arretierungselement 30 kann auch gemäß einem hier nicht dargestellten Zustand mit dem Federelement 20 außer Kontakt gebracht werden, so dass sämtliche Torsionsabschnitte 11 - 15 tordiert werden können und das Federverhalten der ersten Ausführungsform entspricht. Die Härte der Federung kann weiter verstärkt werden, indem ein zweites Arretierungselement 31 mit dem Federelement 10, genauer gesagt mit dem ersten Torsionsabschnitt 11, in Kontakt gebracht wird, wie in 3 dargestellt. Auch hier kann wiederum ein Formschluss in tangentialer Richtung zwischen dem zweiten Arretierungselement 31 und dem ersten Torsionsabschnitt 11 hergestellt werden. Bei einer Auslenkung des Längslenkers 40 nimmt nunmehr nur noch der erste Torsionsabschnitt 11 an der Torsion teil, d. h. das Federelement 10 reagiert wie eine herkömmliche stangenförmige Torsionsfeder mit den Dimensionen des ersten Torsionsabschnitts 11.
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4 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Federanordnung 1, die wiederum weitgehend der ersten Ausführungsform entspricht. Allerdings ist in diesem Fall ein wiederum nur schematisch dargestelltes Reibelement 32 vorgesehen, das durch einen hier nicht dargestellten Aktor in axialer Richtung verstellt werden kann. In dem in 4 dargestellten Zustand steht eine erste Reibefläche 10.1 des Federelements in Kontakt mit einer zweiten Reibefläche 32.1 des Reibeelements 32, so dass eine Festkörperreibung erzeugt wird. Die entsprechende Reibung könnte ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform zu einer vollständigen Arretierung führen, so dass der vierte und fünfte Torsionsabschnitt 14, 15 vom Längslenker 40 entkoppelt würden. Im Allgemeinen ist allerdings noch eine Beweglichkeit der beiden Reibflächen 10.1, 32.1 gegeben, wodurch zum einen eine verminderte Torsion des vierten und fünften Torsionsabschnitts 14, 15 erfolgt und zum anderen Energie durch Reibung in Wärme umgewandelt wird, so dass bspw. eine Schwingung der Federanordnung 1 gedämpft werden kann. Wird das Reibelement 32 in axialer Richtung verstellt, so dass es mit dem Federelements 10 außer Kontakt kommt, entspricht das Verhalten des Federelements 1 der ersten Ausführungsform.
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5 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Federanordnung 1, die ähnlich der dritten Ausführungsform ein Reibelement 32 aufweist, welches allerdings so dimensioniert ist, dass seine Reibefläche 32.1 mit einer gegenüberliegenden Reibefläche 10.1 zusammenwirkt, die am ersten Torsionsabschnitt 11, ersten Verbindungsabschnitt 16 sowie zweiten Torsionsabschnitt 12 ausgebildet ist. Auch hierüber gibt sich wiederum eine Schwingungsdämpfung sowie eine teilweise Entkopplung des zweiten bis fünften Torsionsabschnitts 15 vom Längslenker 40.
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6 zeigt eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Federanordnung 1, die weitgehend der ersten Ausführungsform ähnelt und insoweit nicht nochmals erläutert wird. Allerdings ist in diesem Fall der erste Torsionsabschnitt 11 nicht unmittelbar am Fahrzeugkörper 50 gelagert, sondern es sind jeweils zwischen benachbarten Torsionsabschnitten 11-15 insgesamt vier Drehlager 23-26 vorgesehen, die eine Abstützung senkrecht zur Torsionsachse A bewirken. D. h. in diesem Fall sind der erste Torsionsabschnitt 11 und somit auch der Längslenker 40 indirekt über die Drehlager 23-26 sowie die weiteren Torsionsabschnitte 12-15 am Fahrzeugkörper 50 abgestützt. Wenngleich sich bei dieser Ausführungsform die notwendige Anzahl der Drehlager erhöht, kann die Ausdehnung der gesamten Federanordnung 1 in axialer Richtung gegenüber der ersten Ausführungsform verkürzt werden, da kein äußeres Drehlager 22 notwendig ist.
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7 zeigt eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Federanordnung 1, die wiederum der ersten Ausführungsform ähnelt. Allerdings ist in diesem Fall der fünfte Torsionsabschnitt 15 mit einer sich quer zur Torsionsachse A erstreckenden Verschlussplatte 27 verbunden, durch welche der erste Torsionsabschnitt 11 hindurchragt, wobei der Zwischenraum zwischen der Platte 27 und dem ersten Torsionsabschnitt 11 durch eine geeignete Dichtung flüssigkeitsdicht verschlossen ist. Insgesamt bilden der Fahrzeugkörper 50, der fünfte Torsionsabschnitt 15 sowie die Verschlussplatte 27 ein Gehäuse 28, welches mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Somit ist zwischen jeweils zwei benachbarten Torsionsabschnitten 11 - 15 ein flüssigkeitsgefüllter Zwischenraum 29 gegeben. Bei einer Relativbewegung der Torsionsabschnitte 11 - 15 ergibt sich somit eine Flüssigkeitsreibung, die auf einer laminaren und/oder turbulenten Strömung beruhen kann. In jedem Fall ergibt sich bei einer Schwingung der Federanordnung 1 eine Dämpfung, die den Einsatz eines externen Schwingungsdämpfers unnötig macht. Die Stärke der Dämpfung kann durch verschiedene Parameter beeinflusst werden, bspw. durch den Abstand der Torsionsabschnitte 11 - 15 voneinander sowie durch die Viskosität der Flüssigkeit.
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Eine weitere Möglichkeit zur Verstärkung der Dämpfung ist in der Schnittdarstellung von 8 erkennbar. Dabei weist jeder Torsionsabschnitt 11 - 15 blattartige Bremselemente 35 - 37 auf, die jeweils in den Zwischenraum 29 hineinragen. Der erste Torsionsabschnitt 11 weist eine Reihe von ersten Bremselementen 35 auf, die radial nach außen vorstehen. Der zweite Torsionsabschnitt 12 weist eine Reihe von zweiten Bremselementen 36 auf, die radial nach innen in den Zwischenraum 29 vorstehen, sowie eine Reihe von dritten Bremselementen 37, die wiederum radial nach außen vorstehen. Sämtliche Bremselemente 35 - 37 sind hier vereinfacht schematisch dargestellt und können in der Realität eine andere, ggf. auch komplexe Form aufweisen, durch welche das Strömungsverhalten der Flüssigkeit in gewünschter Weise beeinflusst werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Federanordnung
- 10
- Federelement
- 10.1
- Reibfläche
- 11-15
- Torsionsabschnitt
- 16-19
- Verbindungsabschnitt
- 20
- fahrzeugseitiger Anbindungsbereich
- 21
- radseitiger Anbindungsbereich
- 22-26
- Drehlager
- 27
- Verschlussplatte
- 28
- Gehäuse
- 29
- Zwischenraum
- 30, 31
- Arretierungselement
- 32
- Reibelement
- 32.1
- Reibfläche
- 35-37
- Bremselement
- 40
- Längslenker
- 50
- Fahrzeugkörper
- A
- Torsionsachse
- X
- X-Achse
- Y
- Y-Achse
- Z
- Z-Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1010332 A [0004]
- DE 3819162 A1 [0005]
- FR 964473 A [0006]
- FR 2841953 A1 [0007]
- US 6382649 B1 [0008]
