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"Schraubenfeder, insbesondere Schraubendruck-
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feder für Kraftfahrzeug-Radaufhängungen" Die Erfindung betrifft eine
Schraubenfeder, insbesondere Schraubendruckfeder für Kraftfahrzeug-Radaufhängungen,
mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1.
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Eine Schraubenfeder dieser Art ist bereits bekannt (DE-OS 28 56 632).
Bei ihr sind die Endwindungen und die sich an diese anschließenden federungswirksamen
übergangswindungen gegenüber den zwischen diesen vorhandenen federungswirksamen
Windungen mit größerem Durchmesser ausgebildet.
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Durch diese Maßnahme konnte eine Verringerung der Beanspruchungen
und Verformungen der End- und Übergangswindungen erzielt werden, um die Gefahr von
Korrosionsbrüchen zu verringern und noch im Eederarbeitsbereich Geräuschbildungen
zu vermeiden.
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Die Erfindung verfolgt ein anderes Ziel.
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Schraubenfedern lenken über den Federarbeitsbereich radial aus, sofern
die Krafteinleitung nicht in Rich-
tung der Schraubenfederachse
erfolgt oder wenn die Federn bei axialer Belastung mit ihren Endwindungen z.B. scllwimmend
gelagert sind.
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Kommen Schraubenfedern beispielsweise als Druckfedern zum Einsatz,
so erfahren sie über dem Federweg eine radiale Auslenkung, sofern zumindest eines
der ihre Endwindungen abstützenden Abstützglieder bei ihrer Relativbewegung über
den Federarbeitsbereich sich in einer weiteren Richtung verlagert. Dies ist beispielsweise
bei Kraftfahrzeug-Radaufhängungen der Fall, bei denen sich die untere Federendwindung
im radnahen Bereich auf einem zur Radführung dienenden Querlenker abstützt, während
die obere Endwindung der Schraubenfeder am Fahrzeugaufbau abgestützt ist.
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Ein- und Ausfederungen führen dann zu einem seitlichen Versatz der
Federabstützglieder quer zur Fahrzeuglängsrichtung. Außerdem neigt sich das querlenkerseitige
Federabstützglied bei Ein- und Ausfederbewegungen des Rades in einander entgegengesetzten
Richtungen. Dies hat zur Folge, daß die Schraubenfeder bei Ausfedern des Rades in
Richtung Rad und dementsprechend bei dessen Einfedern in die entgegengesetzte Richtung
erheblich ausbaucht.
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Dies kann dazu führen, daß die Schraubenfeder bei der sich einstellenden
Neigung der Federabstützglieder nicht mehr knicksicher ist.
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Ferner zwingt die sich in radialer Richtung vollziehende Federverformung
hinsichtlich weiterer, im Achsbereich unterzubringender Komponenten, wie Stabilisator,
Dämpfer, Leitungen und weitere Teile einer Radaufhängung, zu Kompromißlösungen,
wobei sich der verhältnismäßig große Platzbedarf für die Schraubenfeder deshalb
besonders ungünstig auswirkt, weil viele dieser Teile sich beim Ein- und Aus federn
des Rades mitbewegen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Ausbildung
für eine Schraubenfeder, insbesondere Schraubendruckfeder für Kraftfahrzeug-Radaufhängungen,
anzugeben, durch die sich bei Anderungen der Federbelastung eine angestrebte Veränderung
der Federgestalt gezielt verwirklichen oder die Federgestalt im wesentlichen beibehalten
läßt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruches 1 gelöst.
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Durch die Ausstattung mindestens einer der ferderungswirksamen Windungen
mit einem einen veränderten Querschnitt aufweisenden Windungsteilstück ist es möglich,
die Torsions- und Biegesteifigkeit des Federdrahtes oder -stabes längs dieser Federwindung
gezielt zu beeinflußen, so daß sie entlang ihres einen veränderten Querschnitt aufweisenden
Windungsteilstückes gegenüber ihrem restlichen Windungsteil sowohl eine entsprechend
veränderte Torsions- als auch Biegesteifigkeit haben wird.
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Welche Gestalt bzw. Außenkontur eine Schraubenfeder unter Belastungsänderung
erhalten soll, wird hierbei von bestimmt, ob nur eine, ein Teil oder alle federungswirksamen
Windungen ggf. einschließlich der Endwindungen der Federwendel mit wenigstens einem
im Querschnitt veränderten Windungsteilstück ausgestattet sind, wie diese Windungsteilstücke
an Windungen, in Umfangsrichtung der Federwendel gesehen, einander zugeordnet sind
und wie diese im Querschnitt zueinander und zum Grundquerschnitt der Windungen bemessen
sind.
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Es kann dabei ggf. erforderlich sein, die im Querschnitt veränderten
sektorförmigen Windungsteilstücke insgesamt über einen Bereich von 360 Grad über
den Federumfang zu verteilen.
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Im Falle von Druckfedern ist dabei der gegenseitige Abstand von Windungen,
die einen Windungsabschnitt mit einem zum Windungsgrundquerschnitt vergrößerten
Querschnitt aufweisen, so groß zu wählen, daß sich diese vorzugsweise über den maximal
möglichen Federweg gegenseitig nicht berühren können.
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Dabei können die federungswirksamen Windungen von Windung zu Windung
den gleichen Abstand voneinander haben, oder es kann die Steigung zwischen einzelnen
Gruppen von Federwindungen über die Länge der Druckfeder variieren. Des weiteren
ist es möglich, die Erfindung auch bei solchen Federn zu verwirklichen, die entlang
eines Teilstückes auseinander gezogen sind, bzw.
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einen im Vergleich zu den übrigen Windungen sehr steil verlaufenden
Windungsteil aufweisen, um beispielsweise in die Schraubenfeder ein Fahrzeugbauteil
hineinragen zu lassen oder ein solches durch diese hindurchzuführen.
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Demgegenüber werden bei einer als Zugfeder auszubildenden Schraubenfeder
sich die Federwindungen in unbelastetem Zustand der Zugfeder, zumindest mit ihren
einen vergrößeren Querschnitt aufweisenden Windungsteilen aneinander anlegen.
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Die erfindungsgemäße Schraubenfeder kann jede bekannte Ausbildung
aufweisen und demgemäß zum Beispiel kreiszylindrisch, kegelstumpfförmig, tonnenförmig,
als Taillenfeder oder Blockfeder ausgebildet sein. Ebenso kann sie im Raum beliebig
orientiert sein.
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In der überwiegenden Zahl der Fälle wird man als Druckfeder ausgebildete
Schraubenfedern so ausbilden, daß sie sich unter Belastung in einem nicht tolerierbaren
Umfange quer zu ihrer Längsachse nicht mehr verformen (ausbauchen) werden.Dies ist
vorteilhaft nach Anspruch 5 oder 6 erreichbar.
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Besteht die Wendel der Schraubenfeder aus einem Runddraht, läßt sich
unter Belastung der Schraubenfeder dem Verlauf ihrer Mittenlinie vorteilhaft gemäß
den Ansprüchen 7 oder 8 eine gewünschte Form aufprägen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Schraubenfedern
und eine mögliche Anwendung derselben dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 schematisiert
eine übliche Schraubenfederanordnung einer Einzelradaufhängung eines Kraftfahrzeuges,
in ausgefedertem Zustand, wobei die übrigen Komponenten der Einzelradaufhängung
nicht gezeigt sind, zur Veranschaulichung der sich bei Verwendung solcher Schraubenfedern
ergebenden Probleme,
Fig. 2 eine Darstellung der Schraubenfederanordnung
gemäß Fig. 1, in eingefedertem Zustand, Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß
ausgebildete, in eine Einzelradaufhängung integrierte und verkürzt dargestellte
Schraubenfeder, in ausgefedertem Zustand, wobei auf die Darstellung der übrigen
Komponenten der Einzelradaufhängung gleichfalls verzichtet worden ist, Fig. 4 einen
Schnitt durch die Schraubenfeder gemäß Fig. 3, entlang der Linie IV - IV dieser
Figur, Fig. 5 eine Ansicht auf eine mögliche Konstruktionsvariante einer Windung
der Schraubenfeder gemäß Fig. 3, Fig. 6 geweils einen Längsschnitt durch eine Feder-und
7 windung weiterer möglicher Ausführungsbeispiele von Schraubenfedern.
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Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Komponenten einer bekannten Einzelradaufhängung
für ein Kraftfahrzeugrad (angetriebenes oder frei mitlaufendes Vorder- oder Hinterrad)
bilden einen zur Lagerung und Führung des betreffenden Fahrzeugrades dienenden,
an einem Fahrzeugaufbau 10 angelenkten Querlenker 12, eine aufrecht angeordnete
Schraubenfeder 14 sowie beispielsweise tellerartig ausgebildete Federabstützglieder
16 und 18.
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Die obere Federendwindung 20 stützt sich am oberen, am Fahrzeugaufbau
befestigten Federabstützglied 16 ab, während das die untere Federendwindung 22 abstützende
Federabstützglied 18 auf der Oberseite des Querlenkers 12 aufruht.
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Wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, verlagert sich das Zentrum
26 des am Querlenker 12 vorgesehenen Federabstützgliedes 18 bei Ein- und Ausfederbewegungen
bekanntlich entlang einer strichpunktiert angedeuteten, zur Schwenkachse 28 des
Querlenkers 12 konzentrischen Bahnkurve 30 in einer vertikalen Ebene.
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Beim Ein- und Ausfedern führt dies sowohl zu einem Versatz quer zur
Federlängsrichtung des Zentrums 26 des Federabstützgliedes 18 als auch zu einem
Neigen desselben in einander entgegengesetzten Richtungen relativ zum anderen Federabstützglied
16. Demgemäß baucht die Schraubenfeder, wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich
ist, während einer Ausfederbewegung in Richtung Rad und während einer Einfederbewegung
in die entgegengesetzte Richtung aus und wird dabei entsprecheS instabil.
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Der für den Einbau der Schraubenfeder bereitzustellende Raum ist dementsprechend
groß zu proportionieren, wobei noch weitere, eingangs bereits erläuterte Nachteile
in Kauf zu nehmen sind
Von solchen Problemen läßt sich mit Hilfe
erfindungsgemäß ausgebildeter Schraubenfedern Abhilfe schaffen.
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Im Falle einer Radaufhängung wäre beispielsweise anzustreben, dalJ
die in Figur 3 mit 32 bezeichnete Schraubenfeder beim Zusammendrücken und Entspannen
möglichst gerade steht, also eine im wesentlichen linear verlaufende Mittenlinie
aufweist, um quer zur Fahrzeuglängsrichtung möglichst wenig Einbauraum zur Verfügung
stellen zu müssen.
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Dabei kann die Schraubenfeder 32, analog zur erläuterten bekannten
Radaufhängung, zwischen einem oberen, karosseriefesten und einem unteren, an einem
Querlenker 12 angeordneten tellerartigen Federabstützglied 16 bzw. 18 eingespannt
sein.
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Normalerweise würde nun die Schraubenfeder 32 in dem in Figur 3 gezeigten
ausgefederten Zustand entsprechend Figur 1 in Richtung Rad ausbauchen. Dies liegt
darin begründet, daß die, beim betrachteten Längsschnitt der Schraubenfeder linken,
dem Rad zugekehrten halbkreisförmigen Windungteile 36 einen größeren Radialabstand
von der Schwenkachse 28 des Querlenkers 12 haben als die dieser zugekehrten Windungsteile
38. Demgemäß unterliegen die Windungsteile 36 beim Ein- und Ausfedern einer größeren
Verlagerung in Arbeitsrichtung der Feder als die Windungsteile 38.
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Dieser aus einer entsprechend größeren Verdrehung der Windungsteile
36 gegenüber den Windungsteilen 38 resultierende Mehrweg der Windungsteile 36 bzw.
das Ausbauchen läßt sich nach der Erfindung verhindern, indem die einer größeren
Torsionsbeanspruchung unterliegenden Windungsteile 36 bereichsweise versteift
bzw.
deren Torsions- und Biegefestigkeit entsprechend erhöht werden.
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Hierzu waren beim gezeigten Ausführungsbeispiel die Windungsteile
36 über einen Teil ihrer Länge im Querschnitt z.B. zu vergrößern. Im vorliegenden
Falle konnte dies in einfacher Weise durch geeignete Vergrößerung des Durchmesser
des Federdrahtes im Bereich der Windungsteile 36 bewerkstelligt werden, weil die
Drahtwendel beispielsweise aus einem Runddraht gefertigt ist.
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Die im vorliegenden Falle einander benachbarten Windungsteile 36 weisen
somit jeweils ein sektorförmiges, verdickt ausgebildetes Teilstück 36' auf, welches
die Verdreh- und zwangsläufig auch die Biegefestigkeit in solchem Umfange erhöht,
daß die Schraubenfeder 32 beim Ein- und Ausfedern die in Figur 3 gezeigte gewünschte
Form annimmt bzw. beibehält.
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Anstatt den Übergang der im Durchmesser vergrößerten Teilstücke 36'
zu den sich anschließenden Teilstücken der Windungsteile 36,gemäß Figur 4,ininetwa
stufenförmig zu gestalten, ist es auch möglich, diese Übergänge, gemäß Figur 5sanft
erfolgen zu lassen, was hinsichtlich der Verteilung der auftretenden Verdrehspannungen
in den verschieden große Querschnitte aufweisenden Teilstücken der Windungsteile
36 besonders vorteilhaft ist.
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Dabei ergibt sich eine besonders günstige Konstruktion, wenn der Drahtdurchmesser
an den einen größeren Querschnitt aufweisenden Windungsteilstücken 36' fortlaufend
bis zu einem Größtwert ansteigt und danach ebenso wieder abnimmt.
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Durch Berechnen des Querschnitts von mit einer erhöhten Torsions-
und Biegesteifigkeit auszubildenden Windungsteilstücken 36' und Bestimmen von Umfangsbereichen
an Schraubenfedern, in welchen die im Querschnitt vergrößerten Windungsteilstücke
36' vorzusehen sind, läßt sich demgemäß der Mittenlinie von Schraubenfedern in zusammengedrücktem
und/oder auseinander gezogenem Zustand ein gewünschter Verlauf bzw. der Schraubenfeder
eine bestimmte Kontur bzw. Gestalt aufprägen.
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Hierzu können die im vorliegenden Falle zu vergrößernden Drahtquerschnitteund
Längen der sektorförmigen Windungsteilstücke 36' untereinander gleich oder verschieden
sowie an allen oder nur an ausgewählten Windungen vorgesehen sein. Des weiteren
läßt sich auch dann, wenn die Federabstützglieder 16:und 18 beispielsweise am Fahrzeugaufbau
10 und am Querlenker 12 in gewissem Umfange kippfähig montiert sein sollten, aufgrund
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausbildung der Schraubenfeder eine gewünschte
Federgestalt über den Federarbeitsbereich zumindest weitgehend realisieren.
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Wie oben bereits erläutert, war bezüglich der Schraubenfeder 32 anzustreben,
daß sie bei Ein- und Ausfederungen einen im wesentlichen geraden Stand beibehält.
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Aufgrund dessen, daß hierzu z.B. alle Windungen 36, 38 mit im Querschnitt
vergrößerten Teilstücken 36' ausgestattet und diese am gleichen Umfangsabschnitt
der Federwendel vorgesehen sind, ergibt sich, daß die Schraubenfeder 32 in völlig
entspanntem Zustand sich in der Zeichenebene, bzw. in der Projektion auf eine Ebene
senkrecht auf ihrer Achse gesehen, bogenförmig verformt.
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Bei Belastungsänderu',gderSchraubenfeder 32 verlagert sich deshalb
die Achse 40 jeder Windung 36, 38 relativ zu ihrer Lage in nicht oder schwächer
belastetem Zustand, d h.
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unter Belastung kippt oder richtet sich diese Achse 40 in einer Ebene
a-a (Fig 4) auf, je nachdem , ob der vom Windungsgrundquerschnitt abweichende Windungsquerschnitt
vergrößert oder verkleinert ist.
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Beim gezeigten Ausführungsbeispiel definiert hierbei die Zeichenebene
für die Windungsachsen 40 diese Ebene a-a, in welcher die Achsen 40 kippen oder
sich aufrichten.
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Diese Ebene a-a durchdringt die einen z.B. vergrößerten Querschnitt
aufweisenden Windungsteilstücke 36' symmetrisch.
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Es ist klar, daß die Ebene a-a von Windung zu Windung im Raum anders
liegen kann. Dies ist davon abhängig, an welchem Umfangsteil der Federwendel das
im Querschnitt veränderte Windungsteil 36' plaziert ist.
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Die Erfindung bietet damit die Möglichkeit, Schraubenfedern letzlich
in einer Ebene oder in verschiedenen radialen Richtungen definiert zu verformen,
aus einem
verformten Zustand in eine gestreckte Lage überzuführen
oder, was insbesondere für Zugfedern bedeutsam sein kann, die Schraubenfedern in
auseinander gezogenem Zustand in eine Form zu bringen, in welcher deren Mittenlinie
einer Schraubenlinie folgt.
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Der in Fig. 6 gezeigte Längsschnitt durch eine Federwindung 42 einer
Schraubenfeder zeigt, daß der gegenüber dem Windungsgrundquerschnitt veränderte
Querschnitt eines Windungsteils 44 gegenüber diesem auch verkleinert sein kann.
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Des weiteren können Windungen 46,gemäß Figur 7, auch mit mehreren,
z.B. zwei einander gegenüberliegenden Windungsteilstücken ausgestattet sein, von
denen das mit 48 bezeichnete einen größeren und das mit 50 bezeichnete einen kleineren
Querschnitt aufweist als der Grundquerschnitt dieser Windung 46.