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Die Erfindung betrifft eine Federanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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In der Radaufhängung moderner Kraftfahrzeuge werden unterschiedliche Typen von Federn eingesetzt, über die der eigentliche Fahrzeugaufbau mit den Rädern des Fahrzeugs verbunden ist. Dabei werden neben Spiralfedern u.a. auch Blattfedern eingesetzt, insbesondere bei Starrachsen. Es sind Querblattfedern bekannt, die sich in Fahrzeugquerrichtung erstrecken und zwei Räder beiderseits des Fahrzeugs federnd mit dem Fahrzeugaufbau verbinden, sowie Längsblattfedern, die sich in Fahrzeuglängsrichtung erstrecken und normalerweise zur Federung eines einzelnen Rades dienen. In beiden Fällen kann die Feder eine gekrümmte, konvexe oder konkave Form aufweisen, wobei allerdings auch andere, kompliziertere Formen bekannt sind. Neben Federn aus Federstahl kommen auch Federn aus Verbundwerkstoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff, zum Einsatz. Diese Komposit-Blattfedern 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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Im Unterschied zu metallischen Werkstoffen wird die Steifigkeit des Epoxidharzes durch relativ geringe Temperaturabweichungen stark beeinflusst. Dieses spezielle temperaturabhängige Materialverhalten des Harzes beeinflusst auch die Blattfeder in ihrer Gesamtheit, so dass diese bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweist. Dies wirkt sich sowohl auf die Steifigkeit bzw. Härte der Feder als auch auf ihr inhärentes Dämpfungsverhalten aus. Beispielsweise kann eine Temperaturdifferenz von 30 °C, die sich während des Normalbetriebs eines Kraftfahrzeugs in gemäßigten Zonen ohne Weiteres ergibt, zu einer erheblichen Veränderung sowohl der Eigenfrequenzen als auch der Abklingkonstanten einzelner Schwingungsmoden der Feder führen. Während sich die Eigenfrequenzen einzelner Moden mit zunehmender Temperatur normalerweise erhöhen, können sich die Abklingkonstanten je nach Schwingungsmode entweder verringern oder (zum Teil um ein Mehrfaches) erhöhen. Es liegt auf der Hand, dass eine Radaufhängung unter diesen Umständen bei einer bestimmten Temperatur (bspw. 20 °C) ein optimales Feder- und Dämpfungsverhalten zeigen kann, während sie bei einer anderen Temperatur (bspw. 35 °C oder -5 °C) ein deutlich anderes und somit schlechteres Verhalten zeigt.
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Die
DE 10 2015 102 064 A1 offenbart eine Blattfeder aus einem Faserkunststoffverbundmaterial, wobei die Blattfeder in einer Längsrichtung der Blattfeder unidirektional ausgerichtete Längsfasern aufweist, durch welche die Festigkeit und Steifigkeit der Blattfeder vorgegeben werden kann. Die Blattfeder weist in einem Dämpfungswinkel zwischen 5° und 90° zu der Längsrichtung ausgerichtete Dämpfungsfasern auf, wobei durch eine geeignete Wahl des Dämpfungswinkels eine Dämpfungswirkung der Blattfeder vorgegeben werden kann. Unter anderem können die Dämpfungsfasern aus einem anderen Fasermaterial als die Längsfasern bestehen, wobei die Dämpfungsfasern über eine höhere Eigendämpfung als die Längsfasern verfügen.
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Die
DE 10 2018 202 750 A1 offenbart eine Blattfeder aus einem mehrlagigen faserverstärkten Kunststoffmaterial zur federnden Abstützung eines Radträgers an einem Fahrzeugaufbau eines Kraftfahrzeugs, aufweisend zwei zur Lagerung am Fahrzeugaufbau ausgebildete Endabschnitte, die über einen zur Anbindung des Radträgers ausgebildeten Federungsabschnitt und einen sich hieran anschließenden Biegeabschnitt miteinander verbunden sind, wobei der Federungsabschnitt und der Biegeabschnitt in Bezug auf eine vom Radträger in den Federungsabschnitt eingeleitete Hauptkraftrichtung gegensätzliche Krümmungsrichtungen aufweisen. Ein wenigstens einen Teil des Federungsabschnitts und wenigstens einen Teil des Biegeabschnitts beinhaltender Abschnitt der Blattfeder weist zumindest zwei Faserverbundlagen auf, wobei die eine Faserverbundlage eine unidirektionale Faserorientierung und die andere Faserverbundlage eine multidirektionale Faserorientierung aufweist.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Bereitstellung einer Federanordnung mit einer Blattfeder aus Verbundwerkstoff, deren mechanische Eigenschaften weniger stark von der Außentemperatur abhängen, durchaus noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Federanordnung mit einer Blattfeder aus Verbundwerkstoff bereitzustellen, deren Federeigenschaften stabiler gegenüber Veränderungen der Außentemperatur sind.
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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 für eine Radaufhängung eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt. 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.
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Die Federbaugruppe weist ein Federelement auf, das wenigstens abschnittsweise elastisch aus Verbundwerkstoff ausgebildet ist, der in einer Polymermatrix eingebettete Fasern aufweist. In eingebautem Zustand verbindet das Federelement normalerweise direkt oder indirekt einen Fahrzeugaufbau mit einem Radträger, an dem ein Fahrzeugrad gelagert ist. Es sind allerdings auch Bauformen denkbar, bei denen der Radträger ganz oder teilweise einstückig mit dem Federelement ausgebildet ist. Unter Umständen kann das Federelement auch zwei Radträger auf gegenüberliegenden Seiten des Fahrzeugs mit dem Fahrzeugaufbau verbinden. Dabei dient „Fahrzeugaufbau“ als Sammelbegriff für eine Karosserie, ein Chassis sowie ggf. einen Hilfsrahmen des jeweiligen Fahrzeugs, also diejenigen Teile, die normalerweise die gefederten Masse bilden. Bei dem Federelement kann es sich insbesondere um eine Blattfeder handeln, bspw. eine Längsblattfeder, die sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckt, oder eine Querblattfeder, die sich in Fahrzeugquerrichtung erstreckt. Es könnte sich aber auch bspw. um einen flexiblen Längslenker bzw. Schwertlenker handeln. Auch könnte das Federelement eine Schraubenfeder sein, die in eingebautem Zustand bspw. über Federteller einerseits am Radträger bzw. an einem Lenker sowie andererseits am Fahrzeugaufbau abgestützt ist.
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Das Federelement ist wenigstens abschnittsweise elastisch aus Verbundwerkstoff ausgebildet. Normalerweise besteht das Federelement überwiegend oder sogar vollständig aus Verbundwerkstoff. In jedem Fall weist es allerdings wenigstens einen Abschnitt auf, der aus Verbundwerkstoff besteht und elastisch ausgebildet ist. Dieser Abschnitt kann auch als Federabschnitt bezeichnet werden und ist wesentlich für die federnden Eigenschaften des Federelements verantwortlich. Der Verbundwerkstoff kann auch als Faserverbundwerkstoff bezeichnet werden. Er 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. Die Fasern werden beim Urformen des Federelements in das zunächst flüssig bzw. teilweise flüssig vorliegende Polymermaterial eingelegt bzw. mit diesem umgossen. Nach dem Aushärten des Polymermaterials sind die Fasern somit in die Polymermatrix eingebettet. Die Fasern können dabei als Gelege und/oder Gewebe vorliegen. Es können Fasern unterschiedlicher Länge eingesetzt werden, wobei auch eine Mehrzahl von über- bzw. nebeneinander angeordneten Lagen von Fasern eingesetzt werden kann. Auch kann eine einzige Faser bzw. ein Faserbündel mehrlagig angeordnet sein. Optional können dabei weitere Partikel, Schichten oder Komponenten ein- oder angelagert sein, die sich nicht als Polymer oder als Fasern klassifizieren lassen.
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Erfindungsgemäß weist das Federelement wenigstens ein Heizelement auf, wobei die Federanordnung zur aktiven Beeinflussung einer Temperatur des Federelements mittels des wenigstens einen Heizelements eingerichtet ist. Mit anderen Worten, eine Temperatur des Federelements wird nicht allein durch die Umgebungstemperatur sowie die durch Umsetzung von mechanischer Energie innerhalb des Federelements erzeugte Wärme bestimmt, sondern kann aktiv mittels des wenigstens einen Heizelements beeinflusst werden. Somit ist es möglich, einer unerwünschten Temperaturänderung, bspw. eine Abkühlung, des Federelements aktiv entgegenzuwirken. Das Heizelement kann im Folgenden auch als Temperierelement bezeichnet werden. Die entsprechende Temperaturänderung kann mittels des Heizelements vermindert, verhindert oder sogar umgekehrt werden. Man kann auch sagen, dass das Heizelement dazu eingerichtet ist, dem Federelement Wärme zuzuführen. Die entsprechende Beeinflussung der Temperatur ist aktiv und insoweit zumindest qualitativ veränderbar. D.h. es ist wenigstens möglich, die Beeinflussung gezielt zu verstärken oder zu vermindern, was die Möglichkeit einschließt, die Beeinflussung zeitweise zu unterbrechen bzw. nur zeitweise eine Beeinflussung vorzunehmen.
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Während in diesem Zusammenhang von „einer“ Temperatur des Federelements die Rede ist, versteht es sich, dass das Federelement normalerweise während des Betriebs eine (wenigstens leicht) inhomogene Temperaturverteilung aufweist. Allgemein kann die hier genannte Temperatur des Federelements entweder eine an wenigstens einem Punkt des Federelements (im Inneren des Federelements oder an dessen Oberfläche) vorliegende Temperatur sein oder auch eine Durchschnittstemperatur, die sich durch Mittelung von Temperaturen verschiedener Punkte des Federelements ergibt.
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Durch das wenigstens eine Heizelement ist es möglich, eine Temperatur des Federelements wenigstens teilweise von der Umgebungstemperatur zu entkoppeln. Dies eröffnet die Möglichkeit, eine Solltemperatur bzw. einen Sollbereich vorzugeben. Bspw. könnte eine untere Grenztemperatur sowie eine obere Grenztemperatur eines Sollbereichs vorgegeben sein. Innerhalb des Sollbereichs weist das Federelement wenigstens annähernd bestimmte vorgesehene mechanische Eigenschaften auf. Insbesondere können die Eigenfrequenzen sowie die Abklingkonstanten verschiedener Schwingungsmoden innerhalb bestimmter Bereiche liegen, solange der Sollbereich eingehalten wird. Man kann auch sagen, dass innerhalb des Sollbereichs das Schwingung- und Dämpfungsverhalten des Federelements vorhersehbar ist. Die Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der Temperatur ist selbstverständlich von verschiedenen Faktoren abhängig, wie bspw. dem Material der Polymermatrix, Dichte, Beschaffenheit und Anordnung der eingebetteten Fasern sowie der Geometrie des Federelements. Sofern die mechanischen Eigenschaften nur wenig von der Temperatur abhängen, kann der Sollbereich weiter gewählt werden als wenn die mechanischen Eigenschaften stärker von der Temperatur abhängen. Unter Umständen ist es trotz des Heizelements nicht durchgehend möglich, den Sollbereich einzuhalten. In jedem Fall kann die Temperatur des Federelements besser stabilisiert werden als bei einem Federelement ohne ein derartiges Heizelement.
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Einerseits ist es möglich, dass ein Heizelement z.B. an der Oberfläche des Federelements angeordnet ist. Bevorzugt ist allerdings wenigstens ein Heizelement wenigstens überwiegend in die Polymermatrix eingebettet. Selbstverständlich kann sich dies auf eine Mehrzahl von Heizelementen oder auf alle Heizelemente beziehen. Wenigstens ein Heizelement kann auch vollständig in die Polymermatrix eingebettet sein. Das entsprechende Heizelement wird beim Herstellen bzw. Urformen des Verbundwerkstoffs vom anfangs flüssigen oder teilweise flüssigen Polymermaterial eingeschlossen und bildet nach dem Aushärten desselben einen integralen Bestandteil des Federelements. Es ist wenigstens überwiegend im Inneren des Federelements angeordnet, wodurch es vor mechanischer oder chemischer Beschädigung geschützt ist. Außerdem ist durch die Einbettung in die Polymermatrix ein optimaler Wärmeübergang zwischen dem Heizelement und der Polymermatrix gewährleistet.
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Mit einem solchen Heizelement kann dem Federelement Wärme zugeführt werden, wenn die Außentemperatur unterhalb des Sollbereichs liegt, entweder um zu verhindern, dass sich die Temperatur des Federelements auf die Außentemperatur absenkt oder, falls dies schon geschehen ist, um das Federelement zu erwärmen, bis der Sollbereich wieder erreicht ist. Die Notwendigkeit für ein Heizelement hängt selbstverständlich von den Einsatzbedingungen ab, d.h. der Außentemperatur und deren Schwankungen, sowie von der definierten Solltemperatur bzw. des Sollbereichs.
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Das Heizelement könnte beispielsweise als Wärmeleiter ausgebildet sein, der an einer Außenseite des Federelements und/oder im Inneren desselben angeordnet ist und durch eine externe Quelle erwärmt wird. Auch könnte es sich um eine Leitung für ein wärmespeicherndes Fluid handeln, welches extern erwärmt und dann durch das Federelement geführt wird. Ersteres kann u.U. schwierig sein, da ein Wärmeleiter für einen ausreichenden Wärmetransport einen ausreichenden Querschnitt aufweisen muss. Auch eine fluidführende Leitung muss einen ausreichenden Querschnitt aufweisen, zudem müssen Anschlüsse für die Zu- und Abfuhr des Fluids vorgesehen sein. Bevorzug ist wenigstens ein Heizelement als Widerstandsheizelement ausgebildet, wobei die Federanordnung Mittel zum Erzeugen eines elektrischen Stroms aufweist. Bei dem elektrischen Strom kann es sich um einen Gleichstrom oder einen Wechselstrom handeln. Es ist dabei grundsätzlich nicht wesentlich, dass eine bestimmte Stärke des Stroms exakt einstellbar ist, d.h. es kann bspw. auch eine Spannung einstellbar sein, so dass sich die Stromstärke je nach physischer Ausbildung des wenigstens einen Widerstandsheizelements einstellt. Wenn der elektrische Strom durch das jeweilige Widerstandsheizelement fließt, wird ein Teil der elektrischen Energie in Wärme umgesetzt, was insbesondere auf dem elektrischen Widerstand des Leitermaterials beruht. Hierdurch erfolgt primär eine Wärmezufuhr zum Widerstandsheizelement sowie sekundär (durch Wärmeleitung) zum Federelement insgesamt. Im Falle von Wechselstrom ist auch anteilig eine direkte Wärmezufuhr zu Teilen des Federelements denkbar, die nicht primär als Widerstandsheizelement angesehen werden können, bspw. zur Polymermatrix. Eine derartige Wärmezufuhr kann z.B. aufgrund dielektrischer Verluste erfolgen. Das jeweilige Widerstandsheizelement wirkt gewissermaßen als elektrisches Heizelement innerhalb des Federelements. Die Temperatur des Federelements kann somit erhöht werden oder ein Temperaturabfall kann verhindert oder zumindest vermindert werden.
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Hinsichtlich der Erzeugung des elektrischen Stroms sind unterschiedliche Möglichkeiten gegeben. Sofern ein Wechselstrom erzeugt wird, kann dieser gewissermaßen berührungslos durch ein elektrisches und/oder magnetisches Wechselfeld erzeugt werden. Insbesondere kann durch ein elektrisches Wechselfeld eine zeitlich variierende Polarisierung des wenigstens einen Widerstandsheizelements erfolgen. Durch ein magnetisches Wechselfeld könnte eine Spannung in einem Widerstandsheizelement induziert werden, die wiederum einen Strom erzeugt. Frequenz und Stärke des Wechselfeldes können derart angepasst werden, dass eine optimale Wärmeumsetzung innerhalb des Widerstandsheizelements erreicht wird. Verallgemeinernd kann man hier davon sprechen, dass der Strom in wenigstens einem Widerstandsheizelement kontaktlos durch Einwirkung eines elektromagnetischen Wechselfelds erzeugt wird. Der Strom wird somit durch (elektromagnetische) Induktion und/oder Influenz (elektrostatische Induktion) erzeugt. Dabei bezieht sich der Begriff „kontaktlos“ darauf, dass das Widerstandsheizelement selbst nicht mit einer Elektrode oder einem anderen externen Leiter in elektrischen Kontakt gebracht wird. Unter Umständen kann eine Elektrode das Federelement kontaktieren oder Teil desselben sein, wobei allerdings ein elektrischer Kontakt zum Widerstandsheizelement durch dazwischenliegendes isolierendes Material, insbesondere die Polymermatrix, verhindert wird.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform weist das Federelement von außen zugängliche elektrische Kontakte auf, die wenigstens indirekt elektrisch mit wenigstens einem Widerstandsheizelement, also mit dem Heizelement verbunden sind. Die elektrischen Kontakte sind dabei selbstverständlich selbst elektrisch leitend ausgebildet und bestehen normalerweise aus Metall, bspw. Kupfer oder einer Kupferlegierung. Sie sind von außen zugänglich und sind somit wenigstens teilweise an der Oberfläche des Federelements und/oder außerhalb des Federelements angeordnet. Die elektrischen Kontakte können auch als Elektroden bezeichnet werden, mit denen das jeweilige Widerstandsheizelement verbunden ist. Die Verbindung zum Widerstandsheizelement kann direkt gegeben sein, so dass das Widerstandsheizelement den jeweiligen elektrischen Kontakt berührt, oder indirekt, so dass bspw. ein weiterer elektrischer Leiter zwischen dem Kontakt und dem Widerstandsheizelement zwischengeordnet ist. Die Federanordnung kann zur aktiven Beeinflussung der Temperatur des Federelements eine elektrische Spannung zwischen den elektrischen Kontakten anlegen. D.h., im Betriebszustand wird bei Bedarf eine Spannung zwischen den elektrischen Kontakten angelegt, die als Gleichspannung oder Wechselspannung ausgebildet sein kann. Entsprechend fließt ein Gleichstrom oder Wechselstrom durch das Widerstandsheizelement, der wie oben erläutert zu einer Wärmezufuhr führt. Im Falle einer Blattfeder können bspw. zwei elektrische Kontakte an den gegenüberliegenden Enden der Blattfeder vorgesehen sein.
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Ein Widerstandsheizelement kann außen am Federelement angeordnet sein oder innerhalb desselben, wobei es insbesondere in die Polymermatrix eingebettet sein kann. In letzterem Fall könnte bspw. ein metallisches Widerstandsheizelement eingesetzt werden, bspw. ein Draht, eine dünne Folie oder dergleichen aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder einem anderen geeigneten Metall. Besonders vorteilhaft ist es, wenn in die Polymermatrix eingebettete Carbonfasern als Widerstandsheizelemente ausgebildet sind bzw. als Widerstandsheizelemente dienen. Die entsprechenden Carbonfasern bzw. Kohlenstofffasern können dabei eine doppelte Funktion erfüllen. Zum einen erfüllen sie die mechanische Aufgabe, als Teil des Verbundwerkstoffs das Federelement mechanisch zu stabilisieren Zum anderen eignen sie sich aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit als Widerstandsheizelemente. Der im Vergleich zu Metallen wie Kupfer eher hohe spezifische Widerstand von Carbonfasern kann in diesem Zusammenhang sogar vorteilhaft sein, da somit viel elektrische Energie innerhalb der Carbonfasern in Wärme umgesetzt wird. Es ist dabei zum einen möglich, ohne direkte Berührung durch ein elektromagnetisches Feld einen Strom in den Carbonfasern zu induzieren. Zum anderen kann wenigstens ein Teil der Carbonfasern wie oben beschrieben mit den elektrischen Kontakten verbunden sein. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, dass eine Carbonfaser sich von einem Kontakt zum Gegenkontakt erstreckt, sondern eine Stromleitung kann auch über mehrere Carbonfasern erfolgen, die miteinander in Berührung stehen. Unter Umständen ist es auch möglich, dass eine noch ausreichende Stromleitung durch eine dünne Polymerschicht hindurch erfolgt, die zwischen zwei Carbonfasern bzw. zwischen einer Carbonfaser und einem elektrischen Kontakt angeordnet ist. Da die Polymermatrix normalerweise ein elektrischer Isolator ist, ist dies selbstverständlich nur über äußerst kurze Distanzen möglich.
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Zusätzlich zu den als Heizelemente ausgebildeten Carbonfasern kann das Federelement in die Polymermatrix eingebettete weitere Fasern aufweisen. Diese weiteren Fasern könnten bspw. ebenfalls als Carbonfasern ausgebildet sein, welche allerdings elektrisch von den Kontakten isoliert sind und somit nicht als Heizelemente fungieren. Insbesondere kann es sich allerdings auch um andersartige Fasern wie bspw. Glasfasern oder Aramidfasern handeln, die im Wesentlichen als elektrische Isolatoren angesehen werden können und somit zwar zur mechanischen Stabilisierung des Federelements dienen, jedoch nahezu keinen elektrischen Strom leiten können. Die Zusammensetzung von Heizelement-Fasern einerseits und weiteren Fasern andererseits kann in Abhängigkeit von unterschiedlichen Faktoren gewählt werden, bspw. den gewünschten mechanischen Eigenschaften sowie der für eine ausreichende Wärmezufuhr als notwendig erachteten Anzahl bzw. Dichte der Heizfasern.
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Es kann u.U. möglich sein, den Einsatz des Heizelements ausschließlich in Abhängigkeit von einer Messung der Außentemperatur zu steuern. Dabei könnte bspw. über eine Versuchsreihe festgestellt werden, welches Maß an Beheizung bei einer bestimmten Außentemperatur notwendig ist, um die Temperatur des Federelements innerhalb des Sollbereichs zu halten. Diese Methode kann allerdings ungenau sein, bspw. weil sich das Federelement während des Betriebs durch Umsetzung von mechanischer Energie in Wärme aufwärmen kann. Somit könnte seine Temperatur ohne Einsatz des Heizelements je nach Betriebsdauer und Belastung entweder nahezu der Außentemperatur entsprechen oder wesentlich darüber liegen. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, dass die Federanordnung wenigstens einen Temperatursensor zur wenigstens indirekten Ermittlung der Temperatur des Federelements aufweist. Der entsprechende Temperatursensor kann entweder die Temperatur des Federelements direkt messen oder aber eine andere Temperatur, aus welcher sich die Temperatur des Federelements wenigstens näherungsweise ermitteln lässt. Dies könnte bspw. die Temperatur eines Bauteils sein, welches in thermischen Kontakt mit dem Federelement steht. Unter Umständen kann ein einzelner Temperatursensor ausreichen. Es kann allerdings auch vorteilhaft sein, eine Mehrzahl von Temperatursensoren einzusetzen, bspw. um eine Redundanz zu erzielen oder um einen Mittelwert aus mehreren Messungen bilden zu können.
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Um eine präzise Ermittlung der Temperatur zu ermöglichen, steht bevorzugt wenigstens ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Federelements in wenigstens indirektem thermischen Kontakt mit der Polymermatrix. Weiter bevorzugt kann der Temperatursensor in direktem thermischen Kontakt mit der Polymermatrix stehen. Er kann insbesondere ganz oder teilweise in die Polymermatrix eingebettet sein. D.h. bei der Urformung des Verbundwerkstoffs wird der Temperatursensor von vornherein in die Polymermatrix eingebettet. Alternativ wäre es auch denkbar, den Temperatursensor nach der Urformung an das Federelement anzukleben bzw. in eine Ausnehmung desselben einzukleben. Es können auch eine Mehrzahl solcher Temperatursensoren vorgesehen sein
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Bevorzugt weist die Federanordnung eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, die Temperatur des Federelements durch das wenigstens eine Heizelement zu beeinflussen, um einer Abweichung der Temperatur von einem Sollbereich entgegenzuwirken. Hinsichtlich der räumlichen Anordnung kann die entsprechende Steuereinheit außerhalb der Radaufhängung angeordnet sein. Sie kann auch Teil einer Fahrzeugsteuerung sein, die unterschiedliche Fahrzeugfunktionen steuert. Es versteht sich, dass die Steuereinheit teilweise softwaremäßig implementiert sein kann. Die Steuereinheit kann selbstverständlich drahtlos oder drahtgebunden Messwerte von wenigstens einen Temperatursensor empfangen, um die Temperatur des Federelements zu überwachen. Sie kann die entsprechende Temperatur mit der unteren Grenztemperatur sowie ggf. mit der oberen Grenztemperatur vergleichen. Wird die untere Grenztemperatur unterschritten, kann die Steuereinheit wenigstens ein Heizelement aktivieren bzw. die Wärmezufuhr über das Heizelement verstärken. Wird die obere Grenztemperatur überschritten, kann die Steuereinheit wenigstens ein Heizelement deaktivieren bzw. die Wärmezufuhr über das Heizelement verringern.
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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 Hinteransicht eines Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Federanordnung;
- 2 eine Detailansicht von 1; sowie
- 3 ein Flussdiagramm eines Betriebs der Federanordnung aus 1.
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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 Hinteransicht eines Kraftfahrzeugs 30, bspw. eines PKWs, mit einer erfindungsgemäßen Federanordnung 1. An einem Fahrzeugaufbau 31 sind zwei Räder 34 an Radträgern 33 drehbar gelagert. Die Radträger 33 sind mit dem Fahrzeugaufbau 31 zum einen über Lenker 32 verbunden, sowie zum anderen über eine sich entlang der Y-Achse erstreckende Blattfeder 10, welche auch als Querblattfeder bezeichnet werden kann. Wenngleich in 1 lediglich ein Lenker 32 bei jedem Radträger 33 dargestellt ist, versteht es sich, dass im Allgemeinen eine Mehrzahl von Lenkern 32 notwendig sind, um eine sichere Führung des jeweiligen Radträgers 33 zu gewährleisten. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist ein Federdämpfer, welcher ebenfalls den Radträger 33 oder aber den Lenker 32 mit dem Fahrzeugaufbau 31 verbindet, nicht dargestellt.
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Die Blattfeder 10 ist aus Verbundwerkstoff, genauer gesagt Faserverbundwerkstoff, gefertigt, welcher Fasern 12, 13 aufweist, die in eine Polymermatrix 11, bspw. aus Epoxidharz, eingebettet sind. Diese Struktur ist in der vergrößerten Detaildarstellung von 2 zu erkennen. Länge und Lage der Fasern 12, 13 entsprechen in dieser schematisierten Darstellung im Allgemeinen nicht den tatsächlichen Verhältnissen. Zu erkennen sind zum einen (gestrichelt dargestellte) Carbonfasern 12, die als Heizfasern, also als Heizelement fungieren, sowie zum anderen (strichpunktierte dargestellte) Glasfasern 13, die rein mechanische Funktion haben. Die Carbonfasern 12 haben zusätzlich zur Funktion als Heizelement eine mechanische Funktion, nämlich die Verstärkung des Verbundwerkstoffs. Die Carbonfasern 12 sind mit elektrischen Kontakten 15 an den Enden der Blattfeder 10 verbunden, d.h. sie stehen mit diesen in Berührung, so dass ein elektrischer Strom zwischen einem Kontakt 15 und einer Carbonfaser 12 fließen kann. Unter Umständen kann eine ausreichende elektrische Verbindung auch dann gewährleistet sein, wenn eine sehr dünne Schicht der Polymermatrix 11 zwischen der Elektrode und der Carbonfaser 12 gegeben ist. Die Begriffe Elektrode und Kontakt werden hier und im Folgenden synonym verwendet. Ansonsten kann die Polymermatrix 11 als elektrischer Isolator angesehen werden, während die Carbonfasern 12 als elektrische Leiter angesehen werden können. Wenngleich dies in 1 schematisch dargestellt ist, müssen sich einzelne Carbonfasern 12 nicht von einem Kontakt 15 zum anderen Kontakt 15 erstrecken. Vielmehr ist es auch möglich, dass eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Kontakten 15 über eine Mehrzahl von Carbonfasern 12 innerhalb der Blattfeder 10 verläuft, wenn diese Carbonfasern 12 miteinander in Kontakt stehen bzw. nur durch eine dünne Schicht der Polymermatrix 11 getrennt sind.
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Die Kontakte 15 sind über Versorgungsleitungen 17 mit einer Spannungsquelle 16 verbunden. Diese ist wiederum über eine Steuerleitung 21 mit einer Steuereinheit 20 verbunden. Alternativ könnte die Spannungsquelle 16 auch in die Steuereinheit 20 integriert sein. Über die Steuerleitung 21 kann die Steuereinheit 20 die von der Spannungsquelle 16 abgegebene Spannung steuern. Wenn eine Spannung U, die eine Gleichspannung oder Wechselspannung sein kann, zwischen den beiden Kontakten 15 angelegt wird, fließt ein Strom / durch die Versorgungsleitungen 17 sowie durch die Carbonfasern 12. Aufgrund ihres elektrischen Widerstandes wird dabei elektrische Energie in Wärme umgesetzt, d. h. der Blattfeder 10 wird Wärme zugeführt. Daher liegt eine Temperatur der Blattfeder 10 normalerweise oberhalb einer Außentemperatur in der Umgebung des Kraftfahrzeugs 30. Je nach Stärke des Stroms sowie nach den äußeren Bedingungen, insbesondere in Abhängigkeit von einer Außentemperatur, kann die Temperatur der Blattfeder 10 ansteigen, konstant bleiben oder zumindest langsamer absinken, solange der Strom fließt.
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Die Steuereinheit 20 ist über Sensorleitungen 19 mit zwei Temperatursensoren 18 verbunden, die in diesem Beispiel in die Polymermatrix 11 der Blattfeder 10 eingebettet sind. Alternativ könnte auch ein einzelner Temperatursensor 18 oder eine größere Anzahl an Temperatursensoren 18 eingesetzt werden. Mittels der Temperatursensoren 18 registriert die Steuereinheit 20 wenigstens eine Temperatur der Blattfeder 10, wobei sich die von den einzelnen Temperatursensoren 18 gemessenen Temperaturwerte im Allgemeinen unterscheiden können. In Abhängigkeit von den so ermittelten Temperaturwerten steuert die Steuereinheit 20 die Spannung U der Spannungsquelle 16 und somit den Strom I, der durch die Carbonfasern 12 fließt. Auf diese Weise können die Temperaturwerte derart geregelt werden, dass sie zumindest überwiegend in einem Sollbereich zwischen einer unteren Grenztemperatur und einer oberen Grenztemperatur gehalten werden. Der Sollbereich wird als optimal für die Funktion der Blattfeder 10 angesehen. Innerhalb dieses Toleranzbereichs sind sowohl die Eigenfrequenzen als auch die Abklingkonstanten verschiedener Schwingungsmoden der Blattfeder 10 in einem vorgesehenen Bereich. Wird der Toleranzbereich verlassen, verändern sich die mechanischen Eigenschaften insbesondere der Polymermatrix 11 so stark, dass das Schwingung- und Dämpfungsverhalten der Blattfeder 10 nicht mehr optimal ist.
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Ein mögliches Verfahren zur Temperaturregelung wird nun mit Bezug auf das Flussdiagramm in 3 erläutert. Nach dem Start (bei Schritt 100) ermittelt die Steuereinheit (bei Schritt 110) die Temperaturwerte. Als nächstes erfolgt in Schritt 120 eine Überprüfung, ob die untere Grenztemperatur unterschritten wird. Dabei können beide Temperaturwerte einzeln oder bspw. ein Mittelwert aus beiden Temperaturwerten mit der unteren Grenztemperatur verglichen werden. Wird diese untere Grenztemperatur unterschritten, wird (in Schritt 130) die Spannungsquelle 16 eingeschaltet bzw. die Spannung U wird erhöht das Verfahren kehrt zur Temperaturmessung (in Schritt 110) zurück. Wurde die untere Grenztemperatur nicht unterschritten, wird (bei Schritt 140) überprüft, ob die obere Grenztemperatur überschritten wurde. Falls ja, wird in Schritt 150 die Spannungsquelle 16 ausgeschaltet bzw. die Spannung U wird verringert (sofern dies möglich ist). Falls nein, kehrt das Verfahren ohne weitere Aktion zur Temperaturmessung (in Schritt 110) zurück.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Federanordnung
- 10
- Blattfeder
- 11
- Polymermatrix
- 12
- Carbonfaser
- 13
- Glasfaser
- 15
- Kontakt
- 16
- Spannungsquelle
- 17
- Versorgungsleitung
- 18
- Temperatursensor
- 19
- Sensorleitung
- 20
- Steuereinheit
- 21
- Steuerleitung
- 30
- Kraftfahrzeug
- 31
- Fahrzeugaufbau
- 32
- Lenker
- 33
- Radträger
- 34
- Rad
- I
- Strom
- U
- Spannung
- 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 102015102064 A1 [0004]
- DE 102018202750 A1 [0005]
