DE19932868B4

DE19932868B4 - Federbein, wahlweise mit innerer Niveauregelung

Info

Publication number: DE19932868B4
Application number: DE19932868A
Authority: DE
Inventors: Hubert Beck; Hans-Dieter Dr. Eulenbach; Albrecht Nachtigall
Original assignee: ZF Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1999-07-14
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2019-07-15
Also published as: FR2796888B1; FR2796888A1; DE19932868A1; US6988718B1

Abstract

Radführendes Federbein, wahlweise mit innerer Niveauregelung, bestehend aus einem Dämpferbein, wahlweise als selbstpumpendes hydropneumatisches Federbein ausgeführt, einer an einem oberen Stützlager abgestützten Kolbenstange und einer zwischen dem Federbein und dem Stützlager an jeweils einem Federteller fixierten Schraubenfeder, wobei der mit dem Ende der Kolbenstange zusammenwirkende Federteller gegenüber der Kolbenstange kardanisch bewegbar angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein radführendes Federbein gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 2.
Es sind radführende Federbeine mit integrierter Niveauregelung und einer mechanischen Zusatzfeder ( DE 36 30 757 C2 ) bekannt, bei denen die lastbedingten Lageunterschiede durch die Veränderung der über die Kolbenstange wirkenden hydropneumatischen Federkräfte ausgeglichen werden, so daß der Traganteil der mechanischen Zusatzfeder praktisch unverändert bleibt. Hierdurch ist jedoch auch die über die mechanische Zusatzfeder bewirkte Querkraftkompensation verschlechtert, nämlich bei Lastzunahmen gegenüber dem vollkompensierten Auslegungszustand führt dies zu einer Unterkompensation, bei Lastabnahmen dagegen zu einer Überkompensation.
Darüber hinaus sind radführende Federbeine bekannt, bei denen aufgrund des abzustützenden Biegemomentes erhöhte Seitenkräfte in der Kolbenstangenführung und am Dämpfungskolben auftreten. Diese erhöhten Seitenkräfte erzeugen komfortstörende Reibungskräfte bei Federungsbewegungen des Federbeines. Ein solcher Nachteil wird (z.B. DE 14 30 586 A1 ) durch einen Querkraftausgleich oder -kompensation ausgeglichen. Es wird hierbei die Schraubenfeder teilweise querverspannt eingebaut, um eine zur Dämpferachse schrägverlaufende Federkraft zu erreichen. Diese Kompensation erfolgt allerdings nur in einer bestimmten Vorzugslage, meist in der sogenannten Konstruktionslage, so daß nur in dieser Konstruktionslage eine vollständige Kompensation des Biegemomentes und damit der Seitenkräfte stattfindet. Die Kompensationswirkung ist demnach last- und positionsabhängig, so daß außerhalb der Konstruktionslage die Wirkung der Kompensation nicht eintritt. Durch den exzentrischen Versatz der Federteller oder querverspannten Einbau der Feder soll die Federkraftrichtung und -lage beeinflußt werden, daß in der Normallage des Fahrzeugs das aus der Radabstützung resultierende Biegemoment auf das Federbein mit den bekannten nachteiligen Folgen Seitenkräfte, Reibung und Verschleiß in der Stangenführung und am Kolben voll oder teilweise kompensiert wird.
Des weiteren sind Radaufhängungen bekannt ( US 4,779,855 A ), bei denen sowohl die Kolbenstange im Stützlager gelenkig geführt ist, wie auch der obere Federteller kardanisch gegenüber dem Stützlager beweglich ist, hierbei wird die kardanische Verstellung vom Stützlager kompensiert, so daß kein kardanisches Moment auf das Federende der Schraubenfeder aufgebracht werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Federbein, wahlweise mit innerer Niveauregelung, zu schaffen, welches bei jeweils unterschiedlichen Lastzuständen eine optimale Querkraftkompensation aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei radführenden Federbeinen mit innerer Niveauregelung vorgesehen, daß das Stützlager bei axialer Belastung durch die Kolbenstange und/oder die Schraubenfeder eine Schwenkbewegung ausführt, so daß sich die Mittenachse des Stützlagers gegenüber der Mittenachse der Kolbenstange in Querrichtung nach außen bewegt.
Hierbei ist von Vorteil, daß auf die veränderliche Kolbenstangenausfahrkraft bei Zu- oder Entladung des Fahrzeuges, jeweils mit einer Veränderung des kardanischen Anstellwinkels des Federtellers in dem Sinne reagiert wird, daß die Federtelleraufstandsachse bei Kraftzunahme flacher verläuft und ihr Durchstoßpunkt am Boden nach außen wandert. Dies bewirkt, daß auf das obere Federende der Schraubenfeder ein kardanisches Moment wirkt, das die Kompensation im gewünschten, positiven Sinne beeinflußt.
Zur Lösung dieses Problems ist bei radführenden Federbeinen erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Stützlager bei axialer Belastung durch die Kolbenstange und/oder die Schraubenfeder eine Schwenkbewegung ausführt, so daß sich die Mittenachse des Stützlagers gegenüber der Mittenachse der Kolbenstange in Querrichtung nach außen bewegt.
Zur Abhilfe der beschriebenen Nachteile wird vorgeschlagen, den oberen oder unteren Federteller oder beide kardanisch beweglich zum Federbein zu lagern und diese Lagerung so zu gestalten, daß bei zunehmender Federkraft eine kardanische Auslenkung des oder der Federteller bewirkt wird, welche zu einem kardanischen Moment auf die Federenden führt und eine Verdrehung der Federwirkachse in Richtung der geschilderten Erfordernisse verursacht, soweit zur Aufrechterhaltung der Querkraftkompensation am Federbein notwendig.
Dieses Lagerverhalten kann mit denselben Mitteln wie bei der Niveauregelung erreicht werden.
Der Unterschied zur Niveauregel-Lösung besteht also darin, daß die Federkraft selbst und nicht die (statisch nicht vorhandene) Kolbenstangenausfahrkraft die Lagerkardanik betätigt und steuert.
Beim unteren Federlager muß die kardanische Auslenkung im gleichen Drehsinn wie oben erfolgen, so daß z.B. bei beidseitigen Maßnahmen eine S-Verformung der Feder eintritt.
Des weiteren ist zur Erzielung einer kardanischen Beweglichkeit vorgesehen, daß das Stützlager unsymmetrisch ausgebildet ist oder daß das Stützlager symmetrisch ausgebildet ist und die Kolbenstange und/oder die Schraubenfeder exzentrisch auf das Stützlager wirkt.
Nach einem weiteren wesentlichen Merkmal ist vorgesehen, daß das Ende der Kolbenstange zumindest teilweise kugelig ausgebildet ist.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß der Federteller eine zumindest teilkugelig ausgebildete Stützfläche aufweist, die mit dem Endbereich der Kolbenstange zusammenarbeitet.
Eine weitere kardanische Bewegungsmöglichkeit ist vorgesehen, indem der Federteller an einem elastischen Teil des Stützlagers abgestützt ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Schraubenfeder über den Federteller am Federbein in Bezug auf die Mittenachse des Federbeines unsymmetrisch angeordnet ist.
Des weiteren ist vorgesehen, daß die Schraubenfeder bei Belastung sich unsymmetrisch verformt oder daß der Federteller über eine fremdgespeiste Vorrichtung bewegt wird.
Hierbei ist von Vorteil, daß das erwünschte Stützlagerverhalten durch entsprechende unsymmetrische Gestalt erreicht werden kann, aber auch durch ein unsymmetrisches Deformationsverhalten infolge z.B. eingelagerter Stütz- oder Versteifungselemente oder auch durch die Kombination von beiden bzw. durch unterschiedliche elastische Mate-rialeigenschaften (Shore-Härten) des Stützlagers. Des weiteren würde ein solches Stützlager auch die Rückwirkung der dynamischen Dämpfungskräfte auf die Reibung erheblich vermindern, so daß ein solches Lager auch für konventionelle Federbeine geeignet ist.
Vorteilhaft ist des weiteren, daß ein derartiges Stützlager mit einer fremdgespeisten Verstärkung ausgestattet ist, so daß die Kolbenstangenausfahrkraft über diese Einrichtung ein kardanisches Moment direkt oder über das Stützlager auf den Federteller ausübt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt.
Es zeigt:
1 ein Federbein mit innerer Niveauregelung in Ansicht;
2 und 3 ein oberes Stützlager zusammen mit dem Federteller in vergrößertem Maßstab;
4, 5 und 6 eine schematische Systematik des Stützlagers;
7 eine schematisch dargestellte Statik einer Federbeinachse eines konventionellen Federbeines gemäß dem Stand der Technik;
8 ein Kräftedreieck und statische Auslegung eines erfindungsgemäßen Federbeines mit innerer Niveauregelung;
9a und 9b ein Kräftedreieck und statische Auslegung eines Federbeines.
In der 1 ist im wesentlichen ein Federbein 1 dargestellt, welches aus einem Gehäuse 9, einem Befestigungselement 10 zur Befestigung an der Radaufhängung, sowie einer Kolbenstange 2, einem Stützlager 3, einer Schraubenfeder 4 sowie einem Federteller 5 besteht.
Das obere Ende der Kolbenstange 2 ist mit einer Stützfläche 6 versehen, die zumindest teilkugelig ausgebildet ist, in dieser Ausführungsform sogar als Vollkugel dargestellt, so daß die Stützfläche 6 gegenüber dem Federteller 5 eine kardanische Bewegung ausführen kann. Die Mittenachse 8 des Federbeines 1 weicht von der Mittenachse der Schraubenfeder 4 ab, dabei ändert sich die Mittenachse der Schraubenfeder bei Belastung des Federbeines, indem die kugelige Stützfläche 6 gegenüber dem Federteller 5 eine Lageänderung einnimmt. Der elastische Teil 7 des Stützlagers 3 ist verformbar, so daß das Stützlager 3 den Bewegungen des Federtellers folgen kann.
Aus den 2 und 3 ist im vergrößerten Maßstab das Stützlager 3, der Federteller 5, die Schraubenfeder 4 und die Kolbenstange 2 zu entnehmen. Aus der 3 ist gegenüber der 2 zu erkennen, daß bei Zunahme der Belastung des Federbeines 1 der Federteller 5 eine kardanische Bewegung ausführen kann, so daß die Schraubenfeder 4 durch eine entsprechende Verformung reagiert. Dies führt zu einer Ver änderung der Achse der Schraubenfeder 4, so daß die gedachte Verlängerung der Mittenachse der Schraubenfeder 4 am Boden nach außen verlagert wird.
Die 4 zeigt ein zweiteiliges Stützlager, bei dem im inneren Teil die Kolbenstange 2 kardanisch gelenkig abgestützt ist und dieser innere Teil sich zusammen mit dem Federteller 5 am äußeren Teil abstützt. Die kardanische Elastizität des inneren Teils ist im erfindungsgemäßen Zusammenhang nicht von Bedeutung, entscheidend ist die des äußeren Teils.
Dieses Lager hat zwei kardanische Drehpunkte, der untere ist der Drehpunkt der Kolbenstange im inneren Teil, der obere ist der Drehpunkt des äußeren Teils. Diese beiden Drehpunkte sind gestaltungsbedingt und können bedarfsweise auch zusammenfallen.
Da dieses Lager symmetrisch aufgebaut ist und mit zentrisch wirkender Kolbenstange und Feder bezogen auf den jeweils zugeordneten kardanischen Drehpunkt versehen ist, kann eine erfindungsgemäße Funktion nur durch zeichnerisch nicht erkennbares unsymmetrisches kardanisches Verformungsverhalten erreicht werden, wobei dann sowohl die von der Kolbenstange als auch die von der Feder ausgeübten Kräfte den gleichen Durchgriff auf die Kardanik haben.
Eine Differenzierung zwischen beiden ist hierbei also nicht möglich.
Die 5 zeigt das gleiche Lager, jedoch mit deutlich erkennbarem exzentrischen Versatz des inneren Lagers und seiner Kolbenstangenabstützung. Durch die Exzentrizität ist eine Differenzierung zwischen Kolbenstange und Feder hinsichtlich des kardanischen Durchgriffs möglich.
Bei voller Symmetrie des äußeren Teils in Gestalt und Verformungsverhalten würde dieses Lager nur die von der Kolbenstange ausgeübten hydropneumatischen Feder- und Dämpfungskräfte kompensieren.
Die 6 zeigt das gleiche Lager wie die 4, jedoch mit deutlich erkennbarem exzentrischen Versatz des Federtellers und der Feder. Durch die Exzentrität ist eine Differenzierung zwischen Kolbenstange und Feder hinsichtlich des kardanischen Durchgriffs möglich.
Bei voller Symmetrie des äußeren Teils in Gestalt und Verformungsverhalten würde dieses Lager nur die von der Feder sowohl in Ruhelage als auch beim Federn ausgeübten Kräfte kompensieren.
Aus der 7 ist als Stand der Technik die Kinematik und Statik einer Federbeinachse dargestellt, wobei FR die Radaufstandskraft, F_QL die Querlenkerkraft und F_FB die Federbeinkraft im oberen Stützlager darstellt. Hieraus ergibt sich ein Kräftedreieck gemäß der Skizze auf der rechten Seite. Dadurch daß die Mittenachse 8 des Federbeines 1 nicht mit der Wirklinie 11 der Federbeinabstützkraft übereinstimmt, ergibt sich auf die Kolbenstange 2 eine Seitenkraft. Ziel ist es diese Seitenkraft zu kompensieren und zwar bei einem Federbein mit innerer Niveauregelung in allen Belastungszuständen.
8 zeigt ein Kräftedreieck eines Federbeins mit innerer Niveauregelung, wobei die verwendeten Bezeichnungen aus der nachfolgenden Legende zu entnehmen sind.
Der rechte Teil dieses Kräftedreiecks mit den Indizes 1 stellt dabei den Zustand des Federbeins in der Grundlast dar, in dem durch entsprechende Anordnung und/oder Gestaltung der Feder mit ihrer Kraft F_TF1 die Seitenkraft auf die Kolbenstange voll kompensiert ist.
Wäre die Feder koaxial zum Federbein wirksam, würden die Federkraft F_TF0 und der hydropneumatische Traganteil F_TNO gleichgerichtet sein, was aus Gründen des Gleichgewichts eine unerwünschte Seitenkraft F_SLO auf die Kolbenstange hervorriefe.
Bei Erhöhung der Zuladung stellt sich nach eingeregelter Niveaulage das dem rechten Kräftedreieck ähnliche linke Kräftedreieck mit den Indizes 2 ein. Dabei bleibt der Traganteil der mechanischen Zusatzfeder gleich (F_TF2 = F_TF1) und die Lastzunahme wird lediglich durch eine Erhöhung des hydropneumatischen Traganteils (F_TN2 > F_TN1) und eine zusätzlich auftretende Seitenkraft F_SL2 auf die Kolbenstange aufgenommen.
Durch die erfindungsgemäße, von der erhöhten Kolbenstangenausfahrkraft F_TN2 bewirkte kardanische Verstellung des Federtellers verändert sich die Federkraft von F_TF2 hin zu F_TF3 wodurch die unerwünschte Seitenkraft F_SL2 vollständig zum Verschwinden gebracht wird.
Legende

F_R

= Radaufstandskraft

F_QL

= Querlenkerkraft

F_FB

= gesamte Federbeinkraft im oberen Stützlager

F_N

= gesamte (nivellierende) Teleskopkraft des Federbeins im oberen Stützlager (wirkt auf Kolbenstange)

F_TN

= hydropneumatischer Traganteil des Federbeins

F_SL

= Seitenkraft auf Kolbenstange im oberen Stützlager

F_TF

= Tragkraft der mechanischen Zusatzfeder

Indizes

0

= Grundlast nicht kompensiert

1

= Grundlast voll kompensiert durch desaxierte Zusatzfeder

2

= Zuladung mit Kompensation auf Basis 1

3

= Zuladung voll kompensiert durch verstärkte Desaxierung mittels kardanischer Stützlagernachstellung

Beziehungen

FF →R + FF →QL + FF →FB = 0
FF →_N = FF →_TN + FF →_SL
FF →_FB = FF →_TF + FF →_N = FF →_TF + FF →_TN + FF →_SL

9b zeigt ein Kräftedreieck eines radführenden Federbeins 9a ohne innere Niveauregelung, wobei die verwendeten Bezeichnungen aus der nachfolgenden Legende zu entnehmen sind.
Der rechte Teil dieses Kräftedreiecks mit den Indizes 1 stellt dabei den Zustand des Federbeins mit Grundlast in der Ruhelage dar, in dem durch entsprechende Maßnahmen analog zu 8 die Seitenkraft auf die Kolbenstange voll kompensiert ist.
Bei Zuladung oder beim Einfedern ändert sich neben der Kraftgröße auch die Lage der Achsführungsglieder zueinander, was im linken Teil des Kräftedreiecks mit den Indizes 2 wiedergegeben ist. Daraus ist zu ersehen, daß zur Aufrechterhaltung der Kompensation die Federkraft ihre Richtung in der Weise ändern müßte, daß ihr Kraftdurchstoßpunkt am Boden nach außen wandert.
Tatsächlich dreht die Federkraft F_TF2 aufgrund der auftretenden Querfederungskomponente in die gegensätzliche Richtung, was die vom Gleichgewicht hervorgerufene Seitenkraft F_SL2 auf die Kolbenstange zusätzlich verstärkt.
Bei getrennter Abstützung der Feder am Aufbau verlagert sich der im Schnittpunkt von Federkraft und Seitenkraft auf die Kolbenstange liegende äußere Kraftmittelpunkt 4' der oberen Abstützung nach außen, was die Zunahme der Seitenkraft etwas mindert, jedoch nicht aufhebt.
Bei fest verbundener Abstützung von Feder und Kolbenstange am Aufbau tritt die unverminderte Seitenkraft auf, jedoch verlagert sich der im Schnittpunkt von Federkraft und resultierender Lagerkraft liegende innere Kraftmittelpunkt 5 der Kolbenstange nach unten, was eine Minderung des wirksamen Hebels und der resultierenden inneren Stützkräfte in der Stangenführung und am Kolben bewirkt.
Durch die erfindungsgemäße, von der erhöhten Federkraft F_TF2 bewirkte kardanische Verstellung des Federtellers verändert sich die Federkraft von F_TF2 hin zu F_TF3, wo durch die unerwünschte Seitenkraft F_SL2 vollständig zum Verschwinden gebracht wird.
Legende zu 9a

1: = Kraftachse Normallage voll kompensiert
2: = Kraftachse eingefedert voll kompensiert (soll)
3: = Kraftachse eingefedert real aus Feder (ist)
4: = äußerer Kraftmittelpunkt oberes Stützlager Normallage und eingefedert mit fest verbundenem Federteller
4': = äußerer Kraftmittelpunkt oberes Stützlager eingefedert mit getrenntem Federteller
5: = innerer Kraftmittelpunkt Kolbenstange eingefedert mit fest verbundenem Federteller

Legende zu 9b

F_R

= Radaufstandskraft

F_QL

= Querlenkerkraft

F_FB

= ges. Federbeinkraft im oberen Stützlager

F_SL

= Seitenkraft auf Kolbenstange im oberen Stützlager

F_TF

= res. Tragfederkraft

Indizes

1

= Normallage voll kompensiert durch versetzte Tragfeder

2

= eingefedert bzw. mit Zuladung

3

= volle Kompensation von 2 durch kardanische Nachstellung des Federtellers

Beziehungen

F →_R + F →_QL + F →_FB = 0
F →_FB = F →_TF + F →_SL

1: Federbein
2: Kolbenstange
3: Stützlager
4: Schraubenfeder
5: Federteller
6: Stützfläche (teilkugelig)
7: elastisches Teil
8: Mittenachse
9: Gehäuse
10: Befestigungselement
11: Wirklinie der Federbeinabstützkraft
12: unterer Federteller

Claims

Radführendes Federbein mit innerer Niveauregelung, bestehend aus einem selbstpumpenden hydropneumatischen Federbein (1), einer an einem oberen Stützlager (3) kardanisch beweglich, abgestützten Kolbenstange (2) und einer zwischen dem Dämpfergehäuse (9) des Federbeins (1) und dem Stützlager (3) an jeweils einem Federteller (5, 12) fixierten Schraubenfeder (4), wobei der obere Federteller (5) fest mit dem Stützlager (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützlager (3) bei axialer Belastung durch die Kolbenstange (2) und/oder die Schraubenfeder (4) eine Schwenkbewegung ausführt, so daß sich die Mittenachse des Stützlagers (3) gegenüber der Mittenachse der Kolbenstange (2) in Querrichtung nach außen bewegt.
Radführendes Federbein mit einer an einem oberen Stützlager (3) kardanisch beweglich, abgestützten Kolbenstange (2) und einer zwischen dem Dämpfergehäuse (9) des Federbeins und dem Stützlager (3) an jeweils einem Federteller (5,12) fixierten Schraubenfeder (4), wobei der obere Federteller (5) fest mit dem Stützlager (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützlager (3) bei axialer Belastung durch die Kolbenstange (2) und/oder die Schraubenfeder (4) eine Schwenkbewegung ausführt, so daß sich die Mittenachse des Stützlagers (3) gegenüber der Mittenachse der Kolbenstange (2) in Querrichtung nach außen bewegt.
Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützlager (3) symmetrisch ausgebildet ist.
Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützlager (3) geometrisch und/oder bezüglich des Deformationsverhaltens unsymmetrisch ausgebildet ist.
Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützlager (3) symmetrisch ausgebildet ist und die Kolbenstange (2) und/oder die Schraubenfeder (4) exzentrisch auf das Stützlager (3) wirkt.
Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Kolbenstange (2) zumindest teilweise kugelig ausgebildet ist.
Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Federteller (5) eine zumindest teilkugelig ausgebildete Stützfläche (6) aufweist, die mit dem Endbereich der Kolbenstange (2) zusammenarbeitet.
Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Federteller (5) an einem elastischen Teil (7) des Stützlagers (3) abgestützt ist.
Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder (4) über den oberen Federteller (5) am Stützlager (3) in Bezug auf die Mittenachse (8) des Federbeines (1) unsymmetrisch angeordnet ist.
Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder (4) bei Belastung sich unsymmetrisch verformt.
Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Federteller (5) über eine fremdgespeiste Vorrichtung bewegt wird.
Federbein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Federteller (12) kardanisch bewegbar angeordnet ist.