DE10221894A1 - Luftfedermodul - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Luftfedermodul (12) für eine Luftfeder (14), die eine schräg zur Bewegungsrichtung (24) der abzufedernden Bewegung angeordnete Wirkrichtung (22) hat, mit einem Luftfederbalg (32) aus elastischem Material und einem Abrollkolben (34), der eine Abrollfläche (40) mit nicht rotationssymmetrischer Außenkontur für den Luftfederbalg (32) hat. Um eine sichere Funktion über einen langen Zeitbereich zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Außenkontur an ihrem als Abrollfläche (40) derart gekrümmt ist, dass ihre Mittellinie (48) eine, insbesondere bogenförmig gekrümmte, Kurvenlinie bildet. Hierdurch werden Verstauchungen und Verzerrungen am Luftfederbalg (32) vermieden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Luftfedermodul für eine Luftfeder, die eine schräg zur Bewegungsrichtung der abzufedernden Bewegung angeordnete Wirkrichtung hat, mit einem Luftfederbalg aus elastischem Material und einem Abrollkolben, der eine Abrollfläche mit nicht rotationssymmetrischer Außenkontur für den Luftfederbalg aufweist.
• Ein solches Luftfedermodul ist aus der 197 53 637 A1 bekannt. Hierbei weist die Außenkontur des Abrollkolbens eine Einschnürung auf, wodurch der Abrollraum zwischen einer Außenführung und dem Luftfederkolben vergrößert wird. Weitere Beispiele für solche Luftfeder- und Achsmodule finden sich in der DE 36 24 296 A1 sowie der DE 199 08 607 A1.
• Es ist aus diesen Druckschriften auch bereits bekannt, einen Luftfederbalg schräg zu einem diesen durchgreifenden Stoßdämpfer anzuordnen, um Querkräfte aufzunehmen. Dies ist aber hinsichtlich eines möglichen Verschleißes des Luftfelderbalges problematisch.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Luftfedermodul der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Funktionalität über eine lange Lebensdauer gewährleistet ist.
• Diese Aufgabe wird durch ein Luftfedermodul gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die vorliegende Erfindung liefert eine Lösung, die eine schiefe Einfederung einer Luftfeder ermöglicht, ohne gleichzeitig eine schädliche Verformung oder Verkantung des Luftfederbalges hervorzurufen. Das Auftreten einer solchen Einfederungssituation wurde bisher weitestgehend vermieden oder allenfalls nur in geringen Grenzen erlaubt.
• Durch die gekrümmte, unsymmetrische Formgebung des Abrollkolbens wird dagegen ein Ausgleich einer seitlichen Verschiebung oder des Versatzes des Abrollkolbens innerhalb einer Luftfeder mit schräg zur Bewegungsrichtung angeordneter Wirkrichtung erreicht. Der wirksame Querschnitt des Abrollkolbens bleibt während der gesamten Ein- und Ausfederung einstellbar. Die unsymmetrische, nicht konzentrische Formgebung des Abrollkolbens erlaubt eine verschränkte Einfederung.
• Vorteilhafterweise ist die Außenkontur des Abrollkolbens derart geformt, dass ein Abrollen des Luftfederbalgs oder Rollbalgs mit am Umfang konstantem Abrollradius gewährleistet ist. Die Außenkontur des Abrollkolbens ist somit nicht rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Kontur wird vielmehr an die Achskinetik der mit der Luftfeder zu versehenden Achse oder Radaufhängung angepasst. Im wesentlichen ist die Außenkontur oder Abrollfläche des Abrollkolbens etwa konzentrisch zur Federachse ausgebildet und schräg verlaufend.
• Erfindungsgemäß hat der Abrollkolben aber eine Außenkontur mit gekrümmter Abrollfläche. Die Mittellinie der in der Regel ringförmig geschlossenen Abrollfläche bildet dabei eine weiche Kurvenlinie. Anders ausgedrückt ist die Abrollfläche wie die Wandung eines kurvenförmig gekrümmten Rohres ausgebildet oder geformt.
• Mit dieser Konstruktion lässt sich die Kinematik beim Einfedern berücksichtigten. Aufgrund der Schrägstellung der Luftfeder und des Dämpfers sowie der Eigenkinematik des Querlenkers und des Dämpfers bei McPherson-Achskonstruktionen ist die Lage der Abrollschlaufe des Luftfederbalges in der Regel nicht mit einer Zylinderform wie bei bisherigen Konstruktionen beschreibbar. Die Erfinder haben erkannt, dass es bei zylinderförmigen Abrollflächen vielmehr zu Einknickungen und Verstauchungen des Luftfederbalges kommt, was die Langlebigkeit und Funktion sowie die Federeigenschaften der Luftfeder stark beeinträchtigen kann.
• Diese Probleme lassen sich bereinigen, wenn man die Abrollfläche derart krümmt, dass ihre Mittelachslinie nicht geradlinig, sondern kurvenförmig gekrümmt verläuft.
• Bei dem erfindungsgemäßen Luftfederbein ist die Abrollfläche derart gekrümmt geformt, dass der Abrollradius zumindest über einen Teilbereich des Federweges, vorzugsweise über den gesamten üblichen Federweg ein Abrollen des Luftfederbalges mit am Umfang konstanten Abrollradius erlaubt. Rollt sich nämlich der Luftfederbalg während des Ein- und Ausfederns am gesamten Umfang mit gleichem Rollradius ab bzw. auf, so treten lokale Verspannungen oder Kräfte, die zu einer Beeinträchtigung der Luftfederbalgeigenschaften führen könnten, nicht auf Verstauchungen und Verzerrungen am Umfang des Luftfederbalges, die mit einem Verschleiß einhergehen, werden vermieden.
• Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Abrollfläche in einem Axialschnitt stufenlos, knickfrei und/oder bogenförmig gekrümmt verlaufend ausgebildet. Stufen und Knicke, wie sie beispielsweise im Stand der Technik nach der DE 197 53 637 A1 an der Außenkontur des Abrollkolbens vorkommen, führen zu lokalen Verstauchungen und Verzerrungen des Luftfederbalges und vorzeitigem Verschleiß. Ein solcher Verschleiß wird durch die stufenlose, knickfreie axial bogenförmig gekrümmt verlaufende Kontur vermieden. Entsprechend der Gesamtkinematik einer McPherson-Achskonstruktion ist ein etwa S-förmiger Krümmungsverlauf vorteilhaft.
• Demgemäss ist bei einem für eine übliche McPherson-Achskonstruktion entworfenem Luftfedermodul vorteilhaft, wenn der Krümmungsverlauf der Außenkontur des Abrollkolbens in dem nahe der Durchgangsöffnung oder dergleichen Befestigungseinrichtung angeordneten Umfangsbereich derart ist, dass er nahe des Endes, wo der Luftfederbalg befestigt ist, über einen kurzen Bereich konkav gekrümmt ist, dann allmählich in die einen Großteil der Abrollfläche ausmachende konvexe Krümmung übergeht, die sich weiter vorteilhafterweise im weiteren Verlauf allmählich abflacht und in eine im Axialschnittbild im wesentlichen geradlinige Kontur übergeht. Entsprechend ist die Außenkontur bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung in dem entfernt der Durchgangsöffnung oder dergleichen Befestigungseinrichtung angeordneten Umfangsbereich ausgehend von dem Luftfederbalgbefestigungsende zunächst konvex verlaufend, in die konkave Krümmung übergehend und weiter vorteilhafterweise flacher werdend geradlinig verlaufend ausgebildet. Zwar ist unter Umständen auch denkbar, den Außenumfang der Außenkontur je nach gewünschter Federcharakteristik entlang des Federweges zumindest bereichsweise zunehmend oder abnehmend zu gestalten, um so den Federwirkquerschnitt an gewünschte Federcharakteristiken anzupassen. Dies ist aber mit einer erhöhten Beanspruchung des Luftfederbalges verbunden. Es ist daher unter Umständen vorteilhafter, wenn der Außenumfang der Außenkontur über einen zusammenhängenden Großteil der Abrollfläche im wesentlichen konstant ist. Die Außenkontur verläuft dann an jeweils auf gleicher axialer Höhe gegenüberliegenden Seiten parallel. Eventuell gewünschte erhöhte Federsteifigkeiten im Laufe des Einfederns lassen sich vorteilhafterweise durch das Vorsehen einer oder mehrerer ab einem bestimmten Einfederungsgrad wirksamen Zusatzfedern erreichen.
• Es hat sich aber auch als vorteilhaft erwiesen, wenn die Abrollfläche sich am dem Luftfederbalg abgewandten Ende, das von dem Luftfederbalg nur bei einer außerordentlich hoher Federbelastung und dementsprechend selten erreicht wird, ausweitend ausläuft. Hierdurch lässt sich die Federsteifigkeit bei einem solchen Grad der Einfederung für eine solche hohe außergewöhnliche Belastung erhöhen.
• Vorteilhafterweise ist die Abrollfläche derart gekrümmt, dass die Sattellinie oder mit anderem Wort die Schlaufen-Endlinie des sich abrollenden Luftfederbalges im Normbereich des Einfederweges eine in der Form und vorteilhafterweise auch im Durchmesser gleichbleibende Ringform hat.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der hier beigefügten Zeichnung näher erläutert.
• Die einzige Figur zeigt eine schematische Schnittansicht durch ein Luftfederbein einer McPherson-Achskonstruktion für gelenkte Räder eines Kraftfahrzeuges.
• Das in der Figur dargestellte Luftfederbein 10 weist eine aus einem Luftfedermodul 12 gebildete Luftfeder 14 und einen durch die Luftfeder 14 hindurchgeführten Stoßdämpfer 16 auf. Das Luftfederbein 10 ist Teil eines McPherson-Achsmodules 18 zum Ausbilden einer Radaufhängung für ein gelenktes Rad 20 eines Kraftfahrzeuges. Das radgebundene Luftfederbein 10 ist schräg eingebaut. Die Federachse 22, die die Wirkrichtung der Luftfeder 14 angibt, verläuft schräg zur die Bewegungsrichtung beim Aus- und Einfedern angebenden Dämpferachse 24. Die Figur zeigt einen Schnitt entlang der durch die beiden Achsen 22, 24 aufgespannten Ebene. In dem dargestellten Beispiel laufen die beiden Achsen 22, 24 im an der Fahrzeugkarosserie zu befestigenden Federbeinlager 26 zusammen.
• Ein Deckel 28 der Luftfeder 14 ist über ein Kugellager 30 mit dem Federbeinlager 26 verbunden. Das die Luftfeder 14 bildende Luftfedermodul 12 weist einen Rollbalg oder Luftfederbalg 32 und einen Abrollkolben 34 auf.
• Der Abrollkolben 34 weist eine Befestigungseinrichtung 23 zur Befestigung an einem Zylinder 36 des Stoßdämpfers 16 auf. Zur Bildung einer Abrollfläche 40 für den Luftfederbalg 32 ist ein äußeres Hülsenteil 42 vorgesehen, das die Außenkontur des Abrollkolbens 34 bildet.
• Die Befestigungseinrichtung 38 weist eine innere Durchgangsöffnung 44 auf, durch die der Zylinder 36 geführt ist. Die innere Durchgangsöffnung 44 hat eine zylinderförmige Begrenzung mit konzentrisch zur Dämpferachse 24 liegender Mittelachse. Die innere und die äußere Hülse 34, 38 sind durch eine Stegwand 46 integral miteinander verbunden.
• Die Außenkontur des Abrollkolbens 34 ist nicht zylinderförmig, sondern gekrümmt verlaufend ausgebildet. Die Krümmung ist derart, dass die Mittellinie 48 einen kurvenlinienförmigen Verlauf hat. In dem hier dargestellten Beispiel ist die Mittellinie 48 in etwa S-förmig gekrümmt. Dementsprechend ergibt sich in dem gezeigten Axialschnittbild eine kurvenförmige Abrollfläche 40, die hier S-förmig gekrümmt ist. Die Krümmung ist auf den jeweils gegenüberliegenden Umfangsbereichen entsprechend in der jeweils anderen Krümmungsrichtung ausgeführt, so dass der Abrollradius, mit welchem sich der Luftfederbalg 32 an der Abrollfläche 40 auf- bzw. abrollt, auf jeder axialen Höhe bezüglich der Federachse 22 am gesamten Umfang gleich ist. Die Sattellinie oder Schlaufenendlinie 50 beschreibt also auf jeder axialen Höhe entlang ihres beim Ein- und Ausfedern zurückzulegenden Weges einen Kreisring.
• Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Abrollfläche 40 einen im wesentlichen gleichbleibenden Umfang. Lediglich in einem Bereich 52 nahe des dem Luftfederbalg 32 abgewandten Ende des Abrollkolbens 34 weitet sich die Abrollfläche 40 bogenförmig nach außen gekrümmt auf.
• Die Form der die Abrollfläche 40 bildenden Außenkontur wird durch die Achskinetik bestimmt. Die Form lässt sich in einem Mehrkörpersimulationsverfahren mit der Maßgabe ermitteln, dass der Abrollradius des Luftfederbalges 32 während des gewünschten Federweges jeweils am gesamten Luftbalgschlaufenumfang gleich ist.
• Bei der hier dargestellten Achse ergibt diese Bedingung die in der Figur dargestellte Form, wobei die Abrollfläche 40 an dem rechts im Bild dargestellten nahe dem inneren Hülsenteil 38 angeordneten Umfangsbereich 54 zunächst an dem Luftfederbalg 32 zugeordneten Ende 56 eine konkave Krümmung 58 aufweist, die allmählich in eine konvexe Krümmung 60 übergeht. Die konvexe Krümmung 60 erstreckt sich von dem dem Luftfederbalg 32 zugewandten Ende 56 zu den dem Luftfederbalg 32 abgewandten Ende 62 hin gesehen über einen Großteil der axialen Länge des Umfangsegmentes oder Umfangsbereiches 54, flacht sich dabei aber langsam ab und geht in ein im wesentlichen im Axialschnittbild geradliniges Teilstück 64 über.
• Dementsprechend ist der gegenüberliegende, weiter von der Hülse 38 entfernt angeordnete Umfangsbereich 66 ausgehend vom Ende 56 zu dem Ende 62 hin gesehen zunächst mit einer kurzen konvexen Krümmung 68, einer sich mit weichem Übergang daran anschließenden langen, langsam abflachenden konkaven Krümmung 70 und einem geradlinigen Stück 72 versehen.
• Das Luftfedermodul 12 weist noch eine Zusatzfeder 74 auf, die ab einem bestimmten Einfederungsgrad die Gesamtfedercharakteristik versteift.
• Durch die vorstehend beschriebene Ausbildung der Abrollfläche 40 werden Verstauchungen und Verzerrungen des Luftfederbalges 32 vermieden, die mit einem vorzeitigen Verschleiß einhergehen.

Claims (10)

1. Luftfedermodul (12) für eine Luftfeder (14), die eine schräg zur Bewegungsrichtung (24) der abzufedernden Bewegung angeordnete Wirkrichtung (22) hat, mit einem Luftfederbalg (32) aus elastischem Material und einem Abrollkolben (34), der eine Abrollfläche (40) mit nicht rotationssymmetrischer Außenkontur für den Luftfederbalg (32) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrollfläche (40) derart gekrümmt ist, dass ihre Mittellinie (48) eine, insbesondere bogenförmig gekrümmte, Kurvenlinie bildet.

2. Luftfedermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrollfläche (40) in einem Axialschnittbild stufenlos, knickfrei und/oder bogenförmig gekrümmt verläuft.

3. Luftfedermodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellinie (48) der Abrollfläche (40) in einem Axialschnittbild S-förmig verläuft.

4. Luftfedermodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abrollkolben (34) hohlzylinderförmig ausgebildet ist und im Innern eine außermittig zu der Abrollfläche (40) angeordnete Befestigungseinrichtung (38) zur Festlegung an einem Stoßdämpfer (16) aufweist.

5. Luftfedermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrollfläche (40) in dem nahe der Befestigungseinrichtung (38) angeordneten Umfangsbereich ausgehend von dem dem Luftfederbalg (32) zugewandten Ende (56) in der axialen Richtung aus einer konkaven Krümmung (58) allmählich in die konvexe Krümmung (60) übergeht und in dem entfernt der Befestigungseinrichtung (38) angeordneten Umfangsbereich (66) ausgehend von dem dem Luftfederbalg (32) zugewandten Ende (56) entsprechend in der axialen Richtung aus einer konvexen Krümmung (68) allmählich in die konkave Krümmung (70) übergeht.

6. Luftfedermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Krümmung (60) des nahe der Befestigungseinrichtung angeordneten Umfangsbereichs (54) und die konkave Krümmung (70) des entfernt der Befestigungseinrichtung (38) angeordneten Unfangsbereiches (66) in der axialen Richtung von dem Luftfederbalg weg gesehen sich allmählich abflachen und in im Axialschnittbild im wesentlichen geradlinige Konturen (64, 72) übergehen.

7. Luftfedermodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass des Abrollkolbens (34) der Außenkontur ausgehend von dem dem Luftfederbalg (32) zugewandten Ende (56) der Abrollfläche (40) über einen zusammenhängenden Großteil der Abrollfläche (40) gleichbleibend ist.

8. Luftfedermodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrollfläche (40) des Abrollkolbens (34) an dessen dem Luftfederbalg abgewandten Ende (62) sich allmählich, insbesondere bogenförmig nach radial außen gekrümmt, aufweitend ausläuft.

9. Luftfedermodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrollfläche (40) stufenlos und knickfrei derart gekrümmt ist, dass die Sattellinie oder Schlaufenendlinie (50) des sich abrollenden Luftfederbalges (32) einen Ring mit über den Großteil des Einfederweges im wesentlichen gleichbleibender Form, insbesondere einer Kreisform, und/oder gleichbleibendem Umfang bildet.

10. Luftfederbein (10) mit einem Luftfedermodul (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.