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Berührungsfreie Parabelfeder-Anordnung für die Abfederung von Kraftfahrzeugen
Die Erfindung bezieht sich auf eine berührungsfreie Parabelfeder-Anordnung für die
Abfederung von Kraftfahrzeugen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten
Art, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 30 35 915 bekannt ist.
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Die bekannte Parabelfeder-Anordnung stellt eine Blattfederanordnung
mit einem insgesamt progressiven Federkennlinienverlauf zwischen den statischen
Belastungsgrenzen (Leerlast und Vollast) dar, wobei ein unterer linearer Kennlinienteil
stetig, d. h. ohne Knickpunkt ih einen oberen linearen Kennlinienteil übergeht.
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Diese aus einer unteren Stützblattfeder, einer in der gleichen Vertikalebene
liegenden oberen Hauptblattfeder mit vorzugsweise nur einem ausgewalzten Federblatt
und auf den freien Enden der Stützblattfeder angeordneten elastischen Abstandselementen
bestehende Blattfederanordnung ist den baulichen und lastmäßigen Erfordernissen
leicht anpassbar, vergleichsweise leise und sehr komfortabel; darüber hinaus ist
sie im Vergleich zu bekannten progressiven Blattfederanordnungen nach Art von Spreizfedern,
bei denen aufeinandergestapelte Federblätter aufeinander abwälzen, ohne wesentliche
Schwierigkeiten sehr exakt berechenbar. Durch die bessere Werkstoffausnutzung der
Federn ergibt sich im Vergleich zu herkömmlichen Spreizfedern darüber hinaus ein
niedrigeres Gewicht, was nicht nur bezüglich des Materialwertes von Vorteil ist,
sondern auch der Nutzlast des Fahrzeuges zugute kommt.
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Wegen der berührungsfreien Anordnung von Hauptblattfeder zur Stützblattfeder
- diese stehen im oberen bzw. mittleren Kennlinienbereich lediglich über die elastischen
Abstandselemente miteinander in Kontakt - ergibt sich im Vergleich zu Spreizfedern
eine geringere Feder-Hysterese, was einen erhöhten Federungskomfort bedeutet.
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Darüber hinaus hat die berührungsfreie Anordnung zur Folge, daß bei
gleichem
Aufwand für den Korrosionsschutz die Gefahr von Spannungsriß-Korrosion
verringert und dadurch letztlich die Lebensdauer der Blattfederanordnung erhöht
wird.
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Noch stärker als bei konventionellen Blattfederanordnungen (z. B.
GB-PS 944 237) bei denen eine unterhalb einer geschichteten Hauptblattfeder angeordnete
Stützblattfeder nur im statischen Überlastbereich - primär als Anschlag - zur Wirkung
kommt, muß bei diesen bekannten berührungsfreien progressiven Parabelfeder-Anordnungen,
bei denen die Stützblattfeder zwecks Erzielung der gewünschten Progressivität innerhalb
der statischen Belastungsgrenzen (Leerlast, Vollast) über die elastischen Abstandselemente
mit der Hauptblattfeder zusammenwirkt, dafür Sorge getragen werden, daß die Stützblattfeder
und die ggf. aus mehreren Federblättern bestehende Hauptblattfeder unter der Einwirkung
von Seitenkräften o. ä. nicht ausfächern, d. h. aus der gemeinsamen Vertikalebene
auswandern.
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Üblicherweise werden bei Blattfederanordnungen zur Ausfächersicherung
im Bereich der Federenden entweder an der Stützblattfeder oder an der Hauptblattfeder
- beispielsweise durch Nieten o. ä. - befestigte geschlossene oder einseitig offene
bügelförmige Ausfächerklammern vorgesehen, deren vertikale Schenkel ein seitliches
Auswandern bzw. Ausschwenken der Stützblattfeder relativ zur Hauptblattfeder bzw.
umgekehrt verhindern.
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Beim Ein- und Ausfedern treten bei diesen bekannten Anordnungen häufig
recht unangenehme Geräusche auf, da es hierbei zur metallischen Berührung zwischen
Ausfächerklammer und Hauptblattfeder bzw. Stützblattfeder kommt.
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Ausgehend von einer berührungsfreien Parabelfeder-Anordnung der im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, diese insbesondere so zu verbessern, daß ohne Beeinträchtigung der generellen
fertigungstechnischen sowie funktionellen Vorzüge dieser Parabelfeder-Anordnung
ohne Mehraufwand einerseits ein Ausfächern mit Sicherheit unterbunden und andererseits
aber eine komfortable geräuschfreie Arbeitsweise beibehalten wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß werden also an der Hauptblattfeder örtlich im Eingriffsbereich
mit den Abstandselementen prismatisch o. ä. ausgebildete Führungsbereiche
mit
in Längsrichtung der Federanordnung verlaufenden Seitenwangen o. ä. angeordnet,
so daß die Abstandselemente bei abgestützter Hauptblattfeder von diesen Seitenwangen
seitlich zumindest teilweise umgriffen werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele
wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Fig.
1 eine berührungsfreie progressive Parabelfeder-Anordnung für die Abfederung von
Kraftfahrzeugen gemäß der Erfindung im unbelasteten Zustand, Fig. 2 die gleiche
Parabelfeder-Anordnung bei belastetem Fahrzeug, die Figuren 3a bis 3c je eine Schnittdarstellung
entlang der Schnittführung III in Fig. 2 für drei verschiedene Ausführungen und
Fig. 4 einen Schnitt durch den zusammengespannten mittleren Bereich der Federanordnung.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen eine berührungsfreie progressive Parabelfeder-Anordnung,
d. h eine Blattfederanordnung entlang der Längsseite eines Kraftfahrzeuges, wobei
nur die für das Verständnis der Erfindung notwenigen Einzelteile dargestellt sind.
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Die Parabelfederanordnung besteht im wesentlichen aus einer Hauptblattfeder
1 sowie aus einer in der gleichen Vertikalebene im Abstand unter der Hauptblattfeder
liegenden Stützblattfeder 2. Beide sind im gezeigten Ausführungsbeispiel nur schematisch
dargestellt. Je nach Bedarf kann die Hauptblattfeder - wie dargestellt - aus nur
einem parabelförmig ausgewalzten Federblatt bestehen, oder aus mehreren aufeinandergeschichteten,
jeweils durch dünne Kunststoffzwischenlagen voneinander getrennten Federblättern.
Entsprechendes gilt für die Stützblattfeder.
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Die Hauptblattfeder 1 und die Stützblattfeder 2 sind in ihrem mittleren
Bereich unter Zwischenlage einer oder mehrerer aufeinandergelegter Abstandsplatten
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miteinander - z. B. mittels eines in den Figuren 1 und 2 nicht
weiter dargestellten Schraubbolzens o. ä. - verspannt. Durch die zwischengelegte
unelastische Abstandsplatte 5 sind sie in diesem Bereich also räumlich voneinander
getrennt, wobei die in den Ausführungsbeispielen dargestellte Dicke willkürlich
gewählt ist, im Einzelfall jedoch von den jeweiligen Erfordernissen abhängt. Mit
Hilfe gemeinsamer Federbügel 6 sind Hauptblattfeder 1 und Stützblattfeder 2 als
Baueinheit - oberhalb der Fahrzeugachse liegend - an der Fahrzeugachse 4, und zwar
auf einem Federsattel 10 liegend, befestigt An beiden Enden der Hauptblattfeder
1 sind Federaugen 11 und 12 angeformt, welche in üblicher Weise am nicht weiter
dargestellten Fahrzeugaufbau oder Teilen davon angelenkt sind, wobei eines der beiden
Enden im allgemeinen zum Längenausgleich über eine besondere Lasche angelenkt wird.
Die freien Enden 21 und 22 der Stützblattfeder 2 stützen sich ihrerseits nicht am
Fahrzeugaufbau ab. Sie liegen bei statisch unbelastetem Fahrzeug, wie es in Fig.
1 gezeigt ist, in einem vorbestimmten Abstand frei unter der Hauptblattfeder 1.
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Auf den freien Enden 21 und 22 der Stützblattfeder 2 sind - der Hauptblattfeder
1 zugekehrt - elastische Abstandselemente 3 angeordnet, die eine im Vergleich zur
Stützblattfeder 2 geringere Anfangsfederrate besitzen. Diese beispielsweise aus
einem der bekannten Elastomere gefertigten elastischen Abstandselemente besitzen
vorzugsweise eine im wesentlichen progressive Kennlinie. Ihre der Hauptblattfeder
zugekehrte Oberflächenkontur ist - im unbelasteten Zustand - vorzugsweise kreisförmig,
dachförmig oder z. B. konkav/konvex rund o. ä. ausgebildet.
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Die Hauptblattfeder 1 und die Stützblattfeder 2 sind unter Berücksichtigung
der übrigen Fahrzeugabmessungen sowie der Fahrzeugbelastungen bezüglich ihrer Federungswerte
so bemessen und bezüglich ihrer räumlichen Gestaltung so angeordnet, daß sich die
Hauptblattfeder nach Überschreiten einer bei der Auslegung des Fahrzeuges und deren
Federung festgelegten vorbestimmten unter Vollast liegenden statischen Federlast
über die elastischen Abstandselemente 3 auf den freien Enden 21 und 22 der Stützblattfeder
2 abstützt.
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Im unteren statischen Lastbereich wird daher zunächst nur die Hauptblattfeder
1 wirksam, so daß sich in diesem Anfangsfederbereich ein linearer Kennlinienverlauf
ergibt. Nach Überschreiten der vorerwähnten vorbestimmten statischen Federlast kommt
die Hauptblattfeder 1 nach entsprechender Durchbiegung an den elastischen
Abstandselementen
3 zur Anlage, so daß oberhalb dieser statischen Belastung eine größere Federrate
wirksam wird, weil der Hauptblattfeder 1 die Reihenschaltung aus der Stützblattfeder
2 und den beiden elastischen Abstandselementen 3 nunmehr parallelgeschaltet ist.
Der weitere Verlauf der Federkennlinie der dann wirksamen Blattfederanordnung wird
insbesondere von der Charakteristik der elastischen Abstandselemente 3 bestimmt.
Wegen der eigenen progressiven Federkennung der elastischen Abstandselemente 3 ergibt
sich auch für die gesamte Parabelfeder-Anordnung im mittleren Lastbereich ein progressiver
Kennlinienverlauf mit einem stetigen Übergang vom unteren linearen Kennlinienverlauf.
Bei weiterer Erhöhung der statischen Federlast werden die elastischen Abstandselemente
3 weiter zusammengedrückt. Bei einer bestimmten, vorzugsweise noch etwas unterhalb
Vollast liegenden statischen Federlast sind die elastischen Abstandselemente 3 schließlich
völlig zusammengedrückt, d. h. sie liegen auf Block und werden selbst bei weiterer
Erhöhung der auf sie einwirkenden Last nicht weiter zusammengedrückt. Oberhalb dieser
statischen Belastung ergibt sich daher für die Gesamtanordnung eine Federkennlinie,
welche durch die unmittelbare Parallelschaltung der Hauptblattfeder 1 mit der Stützblattfeder
2 bestimmt wird. Jeweils lineare Blattfedern vorausgesetzt, ergibt sich daher auch
im oberen statischen Lastbereich wiederum ein linearer Kennlinienverlauf.
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Beachtenswert ist, daß sich für die Gesamtfederanordnung eine progressive
Federkennlinie ohne Knickpunkt, d. h. mit stetigen Übergängen zwischen den einzelnen
Kennlinienbereichen ergibt. Würde man auf die Zwischenschaltung der speziellen elastischen
Abstandselemente 3 verzichten und die Hauptblattfeder 1 sich unmittelbar - oder
aus Geräuschgründen unter Zwischenschaltung quasi unelastischer Abstandselemente
(ähnlich GB-PS 944 237) - auf der Stützblattfeder 2 abstützen lassen, ergäbe sich
dagegen ein Kennlinienverlauf mit einem Knickpunkt im für den Federungskomfort besonders
wichtigen mittleren Bereich des Federweges.
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In Fig. 2 ist die Parabelfeder-Anordnung für den Bereich der statischen
Fahrzeugbelastung dargestellt, bei dem die elastischen Abstandselemente 3 bereits
vollständig zusammengedrückt sind und nichts mehr zur Gesamtferrate beitragen. Es
ist erkennbar, daß auch in diesem Belastungsbereich völlige Berührungsfreiheit zwischen
Hauptblattfeder 1 und Stützblattfeder 2 herrscht.
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Es versteht sich, daß auch bei dieser berührungsfreien progressiven
Parabelfeder-Anordnung - nicht weiter dargestellte - insbesondere obere übliche
Federanschläge
vorgesehen sind, die oberhalb Vollast zur Wirkung
kommen, um die Federanordnung vor Überlastung zu schützen.
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Erfindungsgemäß sind nun an den Endbereichen der Hauptblattfeder 1
bzw. des der Stützblattfeder 2 benachbarten Federblatts der Hauptblattfeder 1 -
wenn die Hauptblattfeder aus mehreren Federblättern besteht - jeweils auf die Abmessungen
der elastischen Abstandselemente 3 abgestimmte prismatische o. ä. Führungsbereiche
vorgesehen, die in den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 3a bis 3c im einzelnen
dargestellt sind. In den Figuren 1 und 2 sind sie dagegen nicht weiter erkennbar.
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Diese Führungsbereiche bestehen im wesentlichen aus in Federlängsrichtung
verlaufenden federmittigen Vertiefungen sowie seitlichen zur Stützblattfeder hin
vorspringenden Wangen o. ä., so daß die elastischen Abstandselemente 3 seitlich
zumindest teilweise umgriffen werden, wenn die Hauptblattfeder bei entsprechender
Belastung an den elastischen Abstandselementen zur Anlage kommt. Hierdurch wird
in einfacher und sehr wirkungsvoller Weise sichergestellt, daß die Hauptblattfeder
und die Stützblattfeder auch unter der Einwirkung von Seitenkräften in der gleichen
Vertikalebene verbleiben und nicht gegeneinander ausfächern.
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Es hat sich herausgestellt, daß diese konstruktiv sehr einfache, jedoch
wegen ihrer geräuschfreien Arbeitsweise besonders kom fortfreundliche Ausfächersicherung
im allgemeinen sehr zuverlässig und beanstandungsfrei arbeitet. Wenn es aufgrund
besonderer Gegebenheiten nicht völlig auszuschließen ist, daß auf die Parabelfeder-Anordnung
bereits bei solchen statischen Federlasten, bei denen die Hauptblattfeder noch nicht
an den elastischen Abstandselementen zur Anlage kommt, so hohe Seitenkräfte einwirken,
daß die Gefahr des Ausfächerns heraufbeschworen wird, dann kann es von Vorteil sein,
die Hauptblattfeder 1, die Stützblattfeder 2 und die Abstandsplatte 5 im zusammengespannten
mittleren Bereich der Federanordnung zusätzlich derart auszubilden, daß einerseits
zwischen der Abstandsplatte 5 und den daran beidseitig anliegenden Hauptblattfeder
1 und Stützblattfeder 2 ein möglichst hoher Reibbeiwert µ1 und andererseits zwischen
der Stützblattfeder 2 und dem Teil des Fahrzeugs, an den sich die Stützblattfeder
abstützt, also dem Federsattel 10 der Fahrzeugachse 4, ein möglichst niedriger Reibbeiwert
µ2 vorliegt.
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In Fig. 4 sind diese Verhältnisse angedeutet, wobei von einer Hauptblattfeder
mit zwei aufeinandergeschichteten Federblättern 1 und 1' ausgegangen wurde.
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Durch diese zusätzliche Maßnahme wird einer Ausfächertendenz sehr
nachhaltig insbesondere im unteren statischen Lastbereich entgegengewirkt.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3a sind die Führungsbereiche durch
an der Hauptblattfeder 1 befestigte besondere Beilegplatten 8, insbesondere aus
Stahl, hergestellt.
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Um den Querschnitt der Hauptblattfeder 1 nicht zu schwächen, ist die
Beilegplatte 8 jeweils unter Verwendung einer von hinten an der Hauptblattfeder
1 anliegenden Spannplatte 9 sowie nicht weiter dargestellter Schrauben fest gegen
die Hauptblattfeder 1 gespannt. Die hauptblattfederseitig im wesentlichen ebene
Beilegplatte besitzt auf ihrer dem gummielastischen Abstandselement 3 zugekehrten
Seite eine prismatische o. ä. Form mit einer etwa federmittigen tiefsten Einformung
sowie in Richtung der Stützblattfeder bzw. der elastischen Abstandselemente 3 vorspringenden
seitlichen Wangen 81 o. ä., die sich jeweils in Federlängsrichtung erstrecken.
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Man erkennt, daß die elastischen Abstandselemente 3 bei abgestützter
Hauptblattfeder durch die besondere Kontur der Beilegplatten 8 seitlich gut geführt
werden und durch die sie seitlich zumindest teilweise umgreifenden seitlichen Wangen
81 sicher am seitlichen Auswandern relativ zur Hauptblattfeder 1 gehindert werden.
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Die in Fig. 3a dargestellte Variante stellt eine sehr einfach zu realisierende
Möglichkeit zur Schaffung geeigneter Führungsbereiche für die gewünschte Ausfächersicherung
dar, die erforderlichenfalls auch noch nachträglich an der Hauptblattfeder befestigt
werden kann, ohne an dieser selbst etwas ändern zu müssen.
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Die Anwendung dieser Variante ist allerdings auf Hauptblattfedern
mit nur einem Federblatt beschränkt, da die Beilegplatte mit der Hauptblattfeder
verspannt werden muß, was bei aufeinandergeschichteten Federblättern nicht möglich
ist. Auch können sich durch die Befestigung der Stahlbeilegeplatte u. U. gewisse
Steifigkeitssprünge ergeben, die sich im allgemeinen jedoch nicht weiter störend
bemerkbar machen.
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Etwas unangenehmer ist es, daß leichte Relativverschiebungen zwischen
der Beilegeplatte und der Hauptblattfeder nicht immer völlig ausgeschlossen werden
können, was u. U. zu Korrosionsansätzen führen könnte.
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Diese - im Vergleich zu den erzielten Vorteilen jedoch i. a. vernachlässigbaren
-Schwachpunkte werden vermieden, wenn entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 3b die Hauptblattfeder 1 selbst bzw. - bei geschichteten Federblättern -das
der Stützblattfeder 2 unmittelbar benachbarte Federblatt jeweils im Bereich der
elastischen Abstandselemente 3 in Längsrichtung dachförmig o, ä. durchgedrückt ist,
so daß bei abgestützter Hauptblattfeder für die elastischen Abstandselemente
3
wiederum eine zuverlässige prismatische o. ä. Führung gegeben ist, deren seitlichen
Wangen o. ä. mit 71 und deren federmittige tiefste Einformung mit 7 beziffert sind.
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Diese Variante besitzt den Vorteil, daß die gewünschten Führungsbereiche
originär in der Hauptblattfeder 1 eingeformt sind und nicht erst besondere Anbauteile
an der Hauptblattfeder befestigt werden müssen, was fertigungstechnisch Vorteile
bietet. Zwangsläufig entfällt auch die im Zusammenhang mit der Variante gemäß Fig.
3a erwähnte Korrosionsanfälligkeit in den Führungsbereichen.
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Da durch die Durchdrückung zur Erzielung der gewünschten Führungsbereiche
bei dieser Variante nicht nur die den elastischen Abstandselementen 3 zugekehrte
untere Seite der Hauptblattfeder 1 verformt ist, sondern auch die obere Seite, wird
diese Variante vorzugsweise bei Hauptblattfedern mit nur einem Federblatt verwendet.
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Andernfalls müßten auch die darüber liegenden weiteren Federblätter
entsprechend verformt werden, was aber zu einer verstärkten Materialbeanspruchung
führen würde, was dem allgemeinen Ziel, möglichst leichte Federn einzusetzen, zuwider
liefe.
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Optimale Verhältnisse ergeben sich sowohl für Hauptblattfedern mit
nur einem Federblatt als auch für solche mit mehreren aufeinandergeschichteten Federblättern
bei Anwendung der in Fig. 3c dargestellten Variante. Bei dieser Parabelfeder-Anordnung
ist die Hauptblattfeder 1 bzw. das der Stützblattfeder 2 benachbarte Federblatt
nur in seinem Hauptbereich, nicht aber in den Endbereichen, die mit den elastischen
Abstandselementen 3 zusammenwirken, parabelförmig ausgewalzt. In diesen nicht ausgewalzten
Bereichen, die also ihren ursprünglichen - stärkeren - Querschnitt besitzen, sind
jeweils auf der den elastischen Abstandselementen 3 zugekehrten Seite in Längsrichtung
der Federanordnung verlaufende prismatische o. ä. Führungen 7 mit entsprechenden
seitlichen Wangen 71 eingeformt. Die von den elastischen Abstandselementen 3 abgekehrte
Seite verbleibt dagegen eben, so daß sich darauf eventuell vorgesehene weitere Federblätter
1' in üblicher Weise unter Zwischenschaltung von Kunststoffteilen 5' abstützen können.
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Unter prismatischer Führung sind nicht nur die in den Ausführungsbeispielen
gemäß den Figuren 3a bis 3c gezeigten dachförmigen Schrägen zu verstehen, sondern
selbstverständlich auch geeignete andere Querschnittsformen, die etwa federmittig
eine vergleichsweise tiefe Einformung und seitlich jeweils zur Stützblattfeder vorstehende
wangenähnliche Bereiche aufweisen, die also geeignet sind, die daran anliegenden
elastischen Abstandselemente seitlich abzustützen. Die optimale Kontur dieser
Führungsbereiche
einerseits und der Oberfläche der damit zusammenwirkenden elastischen Abstandselemente
3 andererseits hängt letztlich von den jeweiligen konstruktiven bzw. fertigungstechnischen
Gegebenheiten ab.
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Unter einer Parabelfeder-Anordnung wird wie allgemein üblich eine
Blattfeder~ anordnung verstanden, bei der sich die einzelnen Federblätter (an sich
nur bei geschichteten Blattfedern vorhanden) nicht aufeinander abwälzen. Die Kennung
der Federanordnung kann dabei progressiv oder linear sein; die Federblätter können
entweder ausgewalzt oder nicht ausgewalzt sein und entweder eine konstante oder
eine nicht konstante Dicke über die Feder länge besitzen. Im vorliegenden Falle
stellt also eine Blattfederanordnung mit einer Hauptblattfeder aus einem Federblatt
und einer Stützblattfeder mit ebenfalls nur einem Federblatt eine Parabelfeder-Anordnung
dar.
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Die Erfindung wurde anhand einer progressiven Parabelfeder-Anordnung
erläutert.
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Sie ist nicht darauf beschränkt. Sie ist mit Vorteil auch bei linearen
Parabelfeder-Anordnungen anwendbar, bei denen also z. B. eine Hauptblattfeder sich
im gesamten statischen Lastbereich, also auch bereits bei Leerlast, über - unelastische,
nur der Abstandshaltung und Geräuschminderung dienende - Abstandselemente auf den
freien Enden einer Stützblattfeder abstützt.