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Federelement Die Erfindung betrifft ein Federelement mit zwei in axialer
Richtung hintereinandergeschalteten Pufferkörpern scheibenförmiger Grundform aus
Gummi od. dgl., welche an den Außenrändern unter Einschluß eines mit einem vorzugsweise
vorgespannten gasförmigen Medium gefüllten Hohlkörpers gegebenenfalls mittelbar
miteinander verbunden sind und mit deren Naben relativ zueinander beweglich abgefederte
Teile gekuppelt sind. Federelemente dieser Art haben gegenüber den ausschließlich
pneumoelastisch arbeitenden Dämpfungsmitteln, wie sie beispielsweise in Form pneumatischer
Pufferzylinder bekannt sind, nicht nur den Vorteil der Unempfindlichkeit gegen Seitenschwingungen,
indem sie im Gegensatz zu diesen auch kombinierte Schwingungen, insbesondere kombinierte
Axial- und Radialschwingungen, aufnehmen, sondern haben darüber hinaus den für manche
Einsatzfälle wichtigen Vorzug, bei relativ großen Federwegen zu steile Lastanstiege
in den Umkehrbereichen des Federweges zu vermeiden.
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Bei einer insbesondere zur Abfederung für Kraftfahrzeuge dienenden
bekannten Bauart sind zwei napfartig ausgebildete Gummihohlkörper mit ihren einander
gegenüberliegenden, radial nach auswärts gerichteten Rändern unter Einschluß des
gasförmigen Mediums, insbesondere Luft, dichtend miteinander verspannt, wobei die
nach außen gewölbten Naben jeweils mit einem der relativ zueinander schwingenden
Teile gekuppelt sind. Mindestens einer der beiden Gummihohlkörper ist mit einer
den Innenraum mit der Außenluft verbindenden Bohrung und einem dieser zugeordneten
Drosselventil versehen. Um bei diesem bekannten Federelement einen ausreichend langen
Federweg zu erzielen, ist es notwendig, die Hohlkörper unter entsprechender Steilstellung
ihrer Wandung mit einer verhältnismäßig tiefen Wölbung zu versehen. Dies hat einerseits
den Nachteil, das der alterungsempfindliche Werkstoff bereits nach Überschreitung
eines relativ eng begrenzten Federweges erheblichen Beanspruchungen nicht nur in
Form von sich teilweise überlagernden Druck- und Zugkräften, sondern auch in Form
von Biegekräften ausgesetzt wird. Da die Federkraft bei dieser Bauart in erster
Linie auf der Ausnutzung der in den napfförmigen Gummihohlkörpern auftretenden Zug-
und Druckspannungen beruht, während die in dem Hohlkörper befindliche Luft hierauf
nur untergeordneten Einfluß hat, wirkt sich die Empfindlichkeit gegen Dauerwechselbeanspruchungen
um so nachteiliger aus, je größer die Federkraft bzw. die Dämpfung, d. h. je größer
die Wandstärke der napfförmigen Gummihohlkörper bemessen sein muß. Andererseits
liegt ein Nachteil dieser Bauart darin, daß bei Ausnutzung des vollen Federweges
zufolge der zunehmenden Verflachung der Hohlkörper die Dämpfungswirkung im Bereich
der Umkehrung im Verhältnis zum Beginn des Federweges relativ gering ist und daher
bei bestimmten Einsatzfällen, in denen die Ausnutzung langer Federwege Voraussetzung
ist, ein hartes Aneinanderschlagen der gegenüberliegenden Nabenbereiche der Hohlkörper
nicht mit Sicherheit vermieden werden kann.
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Es ist zwar bei ähnlichen Luftabfederungsvorrichtungen insbesondere
für den Sattel und die Lenkstange von Fahr- und Motorrädern, bei denen ebenfalls
zwei in axialer Richtung hintereinandergeschaltete Pufferkörper scheibenförmiger
Grundform aus Gummi od. dgl. im Bereich ihrer Außenränder durch ein starres Gehäuse
unter Einschluß eines vorgespannten gasförmigen Mediums miteinander verbunden sind,
bereits vorgeschlagen worden, die Naben der Pufferkörper bei Luftleerwerden des
Hohlkörpers unmittelbar im Sinne einer zusätzlichen Dämpfung sich gegeneinander
abstützen zu lassen. Abgesehen jedoch davon, daß hierbei einer der abzufedernden
Teile an dem Außenrand des einen Pufferkörpers und der andere Teil kolbenartig mit
der Nabe des anderen Pufferkörpers gekuppelt ist und die Scheibenkörper außer im
Falle der unmittelbaren Abpufferung ihrer Naben im Verhältnis zu der pneumoelastischen
Federwirkung keinen nennenswerten eigenen Beitrag zur Federspannung leisten, ist
der Federweg bei dieser bekannten Vorrichtung für viele Einsatzfälle nicht lang
genug und zufolge der unmittelbaren Abpufferung der Naben die Dämpfung, d. h. der
Lastanstieg im Umkehrbereich bei zusammengedrücktem Federelement, zu stark. Über
den Dämpfungspunkt hinaus ist ein nennenswertes Ausschwingen der Teile praktisch
nicht möglich.
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Da sowohl bei der eingangs als auch bei der zuletzt behandelten bekannten
Ausführungsform das gasförmige Medium beim Zusammendrücken .durch Bohrungen
aus
dem durch die beiden ineinandergeschalteten Scheibenkörper gebildeten Hohlraum entweichen
kann, sind sie ihrer Natur nach mehr Dämpfung- als Federeinrichtungen, so daß sie
zwar für die rasche Vernichtung kinetischer Schwingungsenergien, nicht aber als
dämpfende Kupplungsglieder zwischen im Regelfall mit hoher Frequenz relativ zueinander
schwingenden Vorrichtungsteilen, für die die Erfindung in erster Linie Anwendung
finden soll, geeignet sind, bei denen es, wie etwa bei Schwingsieben, nicht darauf
ankommt, die aufgenommene Schwingungsenergie zu vernichten, sondern darauf, die
aufgenommene Energie zu speichern und in der umgekehrten Richtung mit möglichst
geringen Verlusten wieder an die schwingenden Teile abzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe macht die Erfindung von bekannten Pufferkörpern
Gebrauch, bei denen die Naben von den Außenkragen durch im Querschnitt parabelförmige
Ringnuten getrennt sind, und kennzeichnet sich dadurch, daß die Kupplungsmittel
für die abgefederten Teile Stützscheiben tragen, die sich nach einem gewünschten
Federweg gegen die in an sich bekannter Weise stirnseitig vorstehenden, von den
Naben durch im Querschnitt parabelförmige Ringnuten getrennten Außenkragen der Pufferkörper
anlegen. Abgesehen davon, daß bei der Bauart gemäß der Erfindung die in dem Hohlraum
zwischen den hintereinandergeschalteten Pufferkörpern eingeschlossene, vorgespannte
Luft bzw. ein anderes gasförmiges Medium gegenüber der Außenluft abgeschlossen ist
und daher die pneumoelastische Federungscharakteristik in beiden Schwingungseinrichtungen
ständig gleichbleibt, wird eine zusätzliche stufenweise Dämpfung beim Schwingen
der Teile gegeneinander dadurch bewirkt, daß die den Kupplungsmitteln zugeordneten
Stützscheiben sich nach Überschreitung eines vorbestimmten Federweges gegen die
Außenkragen der jeweiligen Pufferkörper abstützen. Da die Außenkragen und die Nebenbereiche
der Pufferkörper jeweils praktisch gleiche Bewegungsrichtung haben, wobei jedoch
die Naben den Außenkragen gegen die zwischen beiden Bereichen bestehende elastische
Zugspannung vorauseilen, wird einerseits auch bei Ausnutzung sehr langer Federwege
eine Überbeanspruchung des Werkstoffes der Pufferkörper vermieden, zumal das hochgespannte
Medium innerhalb des Hohlraumes praktisch stets auf eine Zugbeanspruchung des Werkstoffes
hinwirkt, und zum anderen durch Ausnutzung eines stufenweisen Anstieges der Federspannung
trotz wirksamer Dämpfung ein zu steiler Lastanstieg im Umkehrbereich ausgeschlossen.
Da das Federelement gemäß der Erfindung neben Axialschwingungen gleichzeitig auch
weitgehend Seitenschwingungen aufzunehmen vermag, ist es in besonderer Weise zur
Verwendung als Federgelenk geeignet.
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Eine Veränderung der Federcharakteristik des Federelementes ist zur
Anpassung an die verschiedensten Bedarfsfälle nicht nur in bekanter Weise durch
Veränderung des Druckes des in dem Hohlraum eingeschlossenen gasförmigen Mediums,
sondern außerdem auch dadurch möglich, daß die Pufferkörper und Stützscheiben in
axialer Richtung durch Hülsen distanziert sind, durch deren Austauscharbeit der
vorbestimmbare Federweg, bei dem die zusätzliche Abstützung der Stützscheiben gegen
die Außenkragen der Pufferkörper erfolgt, beliebig verändert werden kann. Unter
Verwendung von Federelementen mit die Naben der Pufferkörper dichtend und axial
durchsetzenden Bolzen, die auf der Innenseite des Hohlraumes mit Bunden gegen die
Naben dichtend anliegen, besteht eine vorteilhafte Möglichkeit darin, die Distanzhülsen
auf den Bolzen zwischen der Nebenarmierung und den Stützscheiben zu führen. Unter
Verwendung von Federelementen mit nach den Außenseiten axial verlängerten und durch
Hülsen von der Stirnseite her haubenartig armierten Naben und die Stützscheiben
durchsetzenden Anschlußbolzen besteht eine andere vorteilhafte Möglichkeit darin,
daß die Bolzen die Stirnseiten der mit den Naben fest verbundenen Hülsen durchsetzen,
sich mittels Bunde von innen her gegen die Stirnseite der Hülsen legen und diese
durch von außen aufgeschraubte Muttern mit den Stützscheiben verspannen.
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Insbesondere bei aus leicht verformbarem Werkstoff bestehenden Pufferkörpern
kann es sich als vorteilhaft erweisen, die Hülsen außenseitig in mit den Bewehrungen
der Außenkragen z. B. lösbar gekuppelten Führungsringen längsverschieblich zu führen,
um Knickverformungen in diesen Bereichen zu vermeiden. Die Führungsringe können
hierbei in die mit Innengewinde versehenen Armierungsringe der Außenkragen der Pufferkörper
eingeschraubt sein.
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In :der Zeichnung ist die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen
erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein aus zwei Pufferkörpern zusammengesetztes Federelement,
bei welchem die Pufferkörper einen Hohlraum für die Aufnahme eines gasförmigen Mediums
zwischen sich einschließen, im Längsschnitt und Fig. 2 eine abweichende Ausführungsform,
ebenfalls im Längsschnitt.
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Die beiden in axialer Richtung im Abstand voneinander angeordneten,
aus Gummi oder einem ähnlichen Werkstoff bestehenden Pufferkörper sind mit 1 bezeichnet.
Auf beiden Stirnseiten sind die Pufferkörper mit im Querschnitt etwa parabelförmig
ausgebildeten Ringnuten 2 versehen, so daß im Kernbereich Naben 3 und im Außenbereich
Außenkragen 4 entstehen, die durch die Ringnut 2 gegeneinander abgegrenzt sind.
Die Naben sind mit vorzugsweise aufvulkanisierten Armierungen versehen, die im Falle
der Fig. 1 mit 5 bezeichnet sind, während die Außenkragen Armierungen 6 aufweisen.
Die Bewehrungen der Naben sind von den Bewehrungen der Außenkragen getrennt, um
eine Relativbewegung dieser beiden Bereiche der Pufferkörper zu ermöglichen. Zwischen
den beiden Pufferkörpern ist ein mit einem vorgespannten gasförmigen Medium, z.
B. Luft, angefüllter Hohlraum 7 eingeschaltet.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird der Hohlraum 7 durch einen
Rohrkörper 8 aus verformungsfestem Werkstoff gebildet, welcher mittels Flansche
8a mit entsprechend ausgebildeten Flanschen 9 an den einander zugekehrten Außenkragen
4 der beiden Pufferkörper l durch Flanschschrauben 10 dichtend verbunden ist. Auf
der den Flanschen 8 a des Rohrkörpers abgekehrten Seite sind besondere Armierungsringe
11 eingeschaltet, um ein Ausreißen der Bohrungen in den Flanschen 9 der Pufferkörper
zu verhindern. Der Rohrkörper 8 ist mit einem durch ein in der Zeichnung nicht dargestelltes
Ventil abschließbaren Anschlußstutzen 12 für die Zu- bzw. Ableitung des gasförmigen
Mediums versehen. Die in der Zeichnung nicht dargestellten Vorrichtungsteile greifen
unter Zwischenschaltung von .sich gegebenenfalls zusätzlich gegen die Außenkragen
der Pufferkörper abstützenden Stützscheiben 13 an den Bolzen 14 an, die die Naben
3 der Pufferkörper axial dichtend durchsetzen. Auf der Innenseite .des Hohlraums
7 legen sich die Bolzen 14 mit den Bunden 14a gegen die Armierungen 5 - gegebenenfalls
unter Einschaltung von Dichtungen -an,
während auf den Außenseiten
ebenfalls unter Einschaltung von Dichtungen besondere Distanzhülsen 15 auf den Bolzen
14 geführt sind, deren Länge diejenige Länge des Federweges bestimmt, bei welcher
sich die Stützscheiben 13 zusätzlich gegen die Stirnflächen der Außenkragen der
Pufferkörper 1 abstützen.
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Die Vorrichtungsteile können unter Einschaltung von beliebigen Kupplungsmitteln
an die Enden der Bolzen 14 angeschlossen sein, doch steht nichts im Wege, die Vorrichtungsteile
auch an den Stützscheiben 13 angreifen zu lassen oder die Vorrichtungsteile derart
auszubilden, daß die Stützscheiben 13 Teile von ihnen bilden.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind die Naben der Pufferkörper
nach den Außenseiten axial verlängert und von der Stirnseite her haubenartig mit
Hülsen 16 armiert, die auf den Naben der Pufferkörper, beispielsweise durch Vulkanisation
oder in anderer Weise, befestigt sein können. Bei dem in Fig2 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Stützscheiben 13 ebenfalls auf Bolzen 17 gelagert, die die Stirndeckel
der Hülsen 16 axial durchgreifen und mittels Bunde 17a von innen her in diesen verankert
sind.
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Um ein Knicken oder Schwenken der verlängerten Naben 3 während der
Schwingbewegung der Vorrichtungsteile zu verhindern, sind in die Armierungsringe
6 der Außenkragen Führungsringe 18 eingeschraubt, die die Hülsen 16 auf der Außenseite
mit geringem Spiel umgreifen.
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Für die Zu- bzw. Ableitung des gasförmigen Mediums ist innerhalb der
Nabe eines Pufferkörpers eine diese axial durchsetzende Bohrung 19 vorgesehen, die
mindestens auf einen Teil der Länge durch eine Röhre 20 aus verformungsfestem Werkstoff
versteift sein kann. Diese kanalförmige Durchbohrung 19 ist innerhalb des Bolzens
17 weitergeführt, wobei der hintere Teil des Bolzens 21 gleichzeitig als Anschlußstutzen
dient.
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Im Falle der Ausführungsform nach Fig. 2 bestimmt die Länge der Hülse
16 den Federweg, bei dessen Überschreitung die Stützscheibe 13 an der Stirnfläche
des des Außenkragens des diesem zugekehrten Pufferkörpers zusätzlich zur Anlage
kommt.