DE60202308T2

DE60202308T2 - Schraubendruckfeder für eine Fahrzeugradaufhängung

Info

Publication number: DE60202308T2
Application number: DE60202308T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Nagoya city Imaizumi
Original assignee: Chuo Hatsujo KK
Current assignee: Chuo Hatsujo KK
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2022-02-08
Also published as: US6712346B2; EP1231402B1; EP1231402A2; EP1231402A3; DE20221753U1; DE60202308D1; US20020105127A1; JP2002234324A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraubendruckfeder für eine Fahrzeugradaufhängung und eine solche Aufhängung.
2. Stand der Technik
Eine Fahrzeugradaufhängung ist im allgemeinen mit einer Schraubendruckfeder ausgerüstet, deren Achse mit der Federkraftwirkungsrichtung übereinstimmt. Es sind verschiedene Arten dieser Fahrzeugradaufhängung bekannt. Eine Aufhängung dieser Art ist z. B. mit einem Stoßdämpfer in Form einer Strebe zum Positionieren des Fahrzeugrades ausgerüstet. Da bei dieser Art Aufhängung durch die Versetzung der Lastangriffsachse zur Strebenachse ein Biegemoment auf die Strebe wirkt, wird die Einheit seitlich belastet, so daß der Stoßdämpferkolben nicht mehr glatt in der Führung gleiten kann und die Dämpfungswirkung beeinträchtigt wird. Zum Kompensieren dieses Biegemoments wird die Schraubendruckfeder achsversetzt zur Strebenachse angeordnet.
Da dieser Achsversatz geometrisch bestimmt wird, sollte die Federachse sich in Richtung der Federkraftwirkung erstrecken. Um diese Forderung zu erfüllen, wurden von einigen Ingenieuren, zu welchen der Erfinder dieser Neuerung gehört, verschiedene Studien durchgeführt, deren Ergebnisse in den von der Japan Society for Spring Research am 28. August 1995 veröffentlichten Artikel „Minimierung der auf die Schrauben feder einer Radaufhängung wirkenden Seitenkraft" veröffentlicht wurden.
Im Gegensatz dazu wurden auf den Seiten 56 und 57 der Septemberausgabe der Zeitschrift „Automotive Engineering" von 1997 zwei Arten Federn offenbart, deren Achse zur Stoßdämpferachse geneigt ist, um die Reibung des Stoßdämpfers einer Radaufhängung zu minimieren. Eine dieser beiden Federn ist so konstruiert, daß die letzte Windung an einem Ende der Feder schweineschwanzähnlich sich erstreckt und die Achse, welche die Mitte der schweineschwanzförmigen Windung mit der Mitte der letzten Windung am anderen Ende der Feder verbindet, als Stoßdämpferachse dient und diese Achse zur Federkraftwirkungsrichtung unter einem bestimmten Winkel geneigt ist und der Schnittpunkt beider in der Mitte der letzten Windung am anderen Ende der Feder liegt. Bei der anderen der beiden Federn ist die letzte Windung an jedem Ende schweineschwanzförmig konstruiert, so daß die Achse, welche sich durch die Mitte der beiden schweineschwanzförmigen Windungen erstreckt, als Stoßdämpferachse dient und diese Achse zur Federwirkungsrichtung unter einem bestimmten Winkel geneigt ist und der Schnittpunkt beider in Längsrichtung der Feder in deren Mitte liegt.
Eine Verbesserung des Stützmechanismus für eine herkömmliche Schraubendruckfeder zur Erfüllung der Forderung nach einer weiteren Reduzierung einer Fahrzeugradaufhängung erschwert das Kompensieren des von der Straße über das Fahrzeugrad auf den Stoßdämpfer wirkenden Biegemomentes. Außerdem ist es erforderlich, die von der Schraubendruckfeder besonders in Breitenrichtung des Fahrzeugs auf die Radaufhängung wirkende Seitenkraft positiv zu vergrößern, doch das ist mit einer herkömmlichen Schraubendruckfeder nicht problemlos zu realisieren. Auch mit einer Schraubendruckfeder der in der Publi kation von Automotive Engineering offenbarten Konstruktion kann die gewünschte seitliche Belastung einer strebenförmigen Aufhängung nicht erreicht werden, denn es ist unmöglich, den Kolben und die Führung eines Stoßdämpfers mit einer so großen Seitenkraft zu belasten.
Deshalb hat der Einreicher dieser Erfindung am 20. Mai 1999 unter der Nummer 11-140649 in Japan ein Patent angemeldet, welches im Dokument 2000-104772 vom 11. April 2000 veröffentlicht wurde und eine einfach konstruierte Schraubendruckfeder für eine Fahrzeugradaufhängung betrifft, welche die gewünschte Seitenkraft erzeugt. Diese Anmeldung entspricht dem US-Patent 6,328,290 B1, erteilt am 11. Dezember 2001, und dessen noch schwebende Teilanmeldung. Bei dieser Schraubendruckfeder, deren einfache Montage an eine vorhandenen Aufhängung ohne Veränderung nachfolgend beschrieben wird, liegt die Reaktionskraftachse etwa in der Mitte des oberen Sitzes, so daß die gewünschte Seitenkraft auf die Aufhängung ausgeübt und problemloses Arbeiten des Stoßdämpfers gewährleistet werden kann. Die Windungsachse dieser zwischen dem oberen und dem unteren Sitz zusammendrückbaren Feder bildet im unbelasteten Zustand einen Bogen mit einem bestimmten Krümmungsradius, wobei die Steigung der untersten. Windung so ausgelegt ist, daß deren Auflagefläche sich unter einem bestimmten Winkel zum unteren Sitz in Richtung Verkürzung der Federlängslänge an der Bogeninnenseite erstreckt, und/oder die Steigung der obersten Windung so ausgelegt ist, daß deren Auflagefläche sich unter einem bestimmten Winkel zum oberen Sitz in Richtung Verkürzung der Federlängslänge an der Bogenaußenseite erstreckt.
Wenn bei der beschriebenen Schraubendruckfeder zum Beispiel die Lage der untersten Windung nicht verändert werden kann, muß die Gesamtanzahl an Windungen auf 4,55 begrenzt werden, um die Seitenkraft in eine vorbestimmte Richtung zu lenken. Die Beschränkung der Gesamtanzahl an Windungen erfordert immer eine Veränderung um eine Windung. Daraus resultiert eine Durchmesseränderung des Federdrahtes, welche die Verringerung des Federgewichts erschwert, wie aus der nachfolgenden Erläuterung anhand der 9, 10 und 11 zu erkennen ist.
9 zeigt eine Schraubendruckfeder 5x mit einer die Mitte der obersten Windung und jene der untersten Windung miteinander verbindenden Linie, welche auf der z-Achse mit der Federwindungsachse übereinstimmt. Die beim Zusammendrücken dieser Feder erzeugte Reaktionskraft stimmt im allgemeinen nicht mit der Federwindungsachse überein. Wie aus 9 hervor geht, wird die auf der x-y-Ebene sich erstreckende Reaktionskraftkomponente Seitenkraft (SF) und der in Uhrzeigerrichtung von der y-Achse ausgehende Winkel θ Seitenkraftrichtungswinkel genannt. In 10 ist die Seitenkraft und in 11 der Seitenkraftrichtungswinkel als Funktion der Anzahl an Federwindungen dargestellt.
Wenn eine Schraubendruckfeder gemäß der im japanischen Dokument 11-140649 beschriebenen Konfiguration in ein Fahrzeug eingebaut wird, sollte die Seitenkraft nicht nur in Breitenrichtung, sondern auch in Längsrichtung des Fahrzeugs wirken. In diesem Fall sind jedoch unterschiedliche Maßnahmen zu treffen. In manchen Fällen besteht die Möglichkeit einer Änderung der Lage oder der Konfiguration der untersten (oder der obersten) Federwindung, in anderen jedoch nicht, worauf nachfolgend näher eingegangen wird.
Wenn die Lage des hintersten Teils der untersten (oder der obersten) Federwindung verändert werden kann, besteht die Möglichkeit, die Seitenkraft in die gewünschte Richtung zu lenken. Wenn eine solche Lageänderung jedoch nicht möglich ist, kann durch Beschränkung der Anzahl an Federwindungen die Seitenkraft in die gewünschte Richtung gelenkt werden. Wenn die positive Richtung auf der y-Achse als Fahrzeugaußenseite angenommen wird, kann die Anzahl an Federwindungen auf etwa 4,55 festgelegt werden, um die Seitenkraft in Richtung Fahrzeugaußenseite zu lenken, wobei der Winkel θ Null ist, wie aus 11 hervor geht. Wenn in diesem Fall die Federkonstante geändert werden soll, müssen die Windungsanzahl um eine Windung und der Federdrahtdurchmesser geändert werden. Dadurch wird es aber schwierig, der Forderung nach einer Größenreduzierung nachzukommen. Weil die Seitenkraft sich pro Federwindung ändert, dürfen nicht 4,55 Windungen, sondern müssen 3,55 oder 5,55 Windungen gewählt werden.
Zum Konstruieren einer Feder wird im allgemeinen zuerst der eine zulässige Spannung gewährleistende Federdrahtdurchmesser und danach die Anzahl an Windungen zum Erreichen der gewünschten Federkonstante bestimmt. Wenn in diesem Fall die Windungsanzahl beschränkt ist, muß eine Feder mit einer anderen Anzahl an Windungen als berechnet ausgewählt werden. Wenn zum Beispiel nach dem allgemeinen Konstruktionskriterien 4,7 Windungen ermittelt, aber weniger als 3,55 Windungen ausgewählt werden, muß zum Beibehalten der Federkonstanten der Federdrahtdurchmesser entsprechend verringert werden, wodurch aber die zulässige Spannung überschritten wird. In diesem Fall müssen 5,55 Federwindungen ausgewählt werden, doch zur Beibehaltung der Federkonstanten ist eine entsprechende Vergrößerung des Federdrahtdurchmessers unumgänglich. Dadurch wird aber das Gewicht der Feder größer, so daß der Forderung nach einer Gewichtsverringerung nicht nachgekommen werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Schraubendruckfeder für eine Fahrzeugradaufhängung, deren Seitenkraft auf einfache und geeignete Weise sowohl in Breitenrichtung als auch in Längsrichtung des Fahrzeugs justiert werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Fahrzeugradaufhängung, welche auf einfache und geeignete Weise die von der Schraubendruckfeder erzeugte Seitenkraft sowohl in Breiten- als auch Längsrichtung des Fahrzeugs auf deren Strebe überträgt.
Um diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu realisieren, wird eine Schraubendruckfeder für eine Fahrzeugradaufhängung gemäß dieser Erfindung zwischen einem oberen und einem unteren Sitz zusammengedrückt. Im unbelasteten Zustand ist die Windungsachse dieser Feder im wesentlichen bogenförmig gekrümmt. Bei dieser Ausführungsform ist die Steigung der untersten Federwindung ist so ausgelegt, daß im unbelasteten Zustand die untere Auflagefläche der auf dem unteren Sitz ruhenden Feder sich unter einem bestimmten ersten Winkel zum unteren Federsitz in Richtung Verkürzung der Längslänge der Feder an der Bogeninnenseite erstreckt, und/oder die Steigung der obersten Federwindung so ausgelegt, daß im unbelasteten Zustand die obere Auflagefläche der den oberen Federsitz berührenden Feder sich unter einem bestimmten zweiten Winkel zum oberen Federsitz in Richtung Verkürzung der Federlängslänge an der Bogenaußenseite erstreckt. Außerdem ist bei dieser Ausführungsform die Steigung der untersten Federwindung so ausgelegt, daß im unbelasteten Zustand die untere Auflagefläche der Feder sich unter einem bestimmten dritten Winkel zum unteren Federsitz erstreckt, auf einer Ebene, welche die Verbindungslinie zwi schen der Mitte der untersten Windung und der Mitte der obersten Windung einschließt und rechtwinklig zu einer die Verbindungslinie und die gekrümmte Windungsachse einschließenden Ebene verläuft, und/der die Steigung der obersten Federwindung so ausgelegt, daß im unbelasteten Zustand die obere Auflagefläche sich unter einem bestimmten vierten Winkel zum oberen Federsitz erstreckt, auf der Ebene, welche die genannte Verbindungslinie einschließt und rechtwinklig zu der diese Verbindungslinie und die gekrümmte Windungsachse einschließenden Ebene verläuft.
Die Feder kann so konstruiert sein, daß im unbelasteten Zustand deren Windungsachse auf der diese und die genannte Verbindungslinie einschließenden Ebene in eine bestimmte Richtung gekrümmt ist.
Zur Aufhängung gehören eine oben am Fahrzeugchassis befestigte Strebe zum Stützen eines Fahrzeugrades, ein an der Strebe befestigter unterer Federsitz, ein am Chassis oben befestigter oberer Federsitz und eine zwischen dem oberen Federsitz und dem unteren Federsitz montierte, die Strebe umgebende Schraubendruckfeder. Die Feder ist so konstruiert, daß im unbelasteten Zustand deren Windungsachse einen Bogen mit einem bestimmten Krümmungsradius bildet. Bei dieser Ausführungsform ist der unter Federsitz so an der Strebe befestigt, daß im unbelasteten Zustand dieser sich unter einem bestimmten ersten Winkel in Richtung Verkürzung der Federlängslänge an der Bogenaußenseite erstreckt, und/oder der obere Federsitz so am Chassis befestigt, daß im unbelasteten Zustand. sich dieser unter einem bestimmten zweiten Winkel in Richtung Verkürzung der Federlängslänge an der Bogeninnenseite erstreckt. Bei dieser Ausführungsform ist der untere Federsitz so an der Strebe befestigt, daß dieser sich unter einem bestimmten dritten Winkel erstreckt, auf einer Ebene, welche die Verbindungslinie zwischen der Mitte der untersten Federwindung und der Mitte der obersten Federwindung einschließt und rechtwinklig zu der diese Verbindungslinie und die gekrümmte Windungsachse einschließende Ebene verläuft, und/oder der obere Federsitz so am Chassis befestigt, daß dieser sich unter einem bestimmten vierten Winkel erstreckt, auf der Ebene, welche die genannte Verbindungslinie einschließt und rechtwinklig zu der die genannte Verbindungslinie und die gekrümmte Windungsachse einschließende Ebene verläuft. Die Feder wird so gehalten, daß die Innenseite der gekrümmten Windungsachse auf das Chassis gerichtet ist.
Bei der beschriebenen Aufhängung kann die Schraubendruckfeder so eingesetzt werden, daß auf einer Ebene, welche die genannte Verbindungslinie einschließt und rechtwinklig zu der diese Verbindungslinie und die Windungsachse einschließende Ebene verläuft, im unbelasteten Zustand die Windungsachse der Feder in eine bestimmte Richtung gekrümmt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Aufgaben der Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher zu erkennen. In den Figuren sind ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt die Seitenansicht einer Schraubendruckfeder für eine Aufhängung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, dargestellt in der y-z-Ebene.
2 zeigt die Seitenansicht einer Schraubendruckfeder für eine Aufhängung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, dargestellt in der x-z-Ebene.
3 zeigt in Diagrammform die Änderung der Reaktionskraftachse einer Schraubendruckfeder, wenn deren obere und deren untere Auflagefläche von der positiven Seite der x-Achse in Richtung Nullpunkt gesehen entgegen Uhrzeigerrichtung um die x-Achse geneigt werden und die Feder, deren Windungsachse auf der y-z-Ebene gekrümmt ist, auf eine bestimmte Länge zusammengedrückt wird.
4 zeigt in Diagrammform die Änderung der Seitenkraft als Funktion des Neigungswinkels, wenn die obere und die untere Ebene der Feder von der positiven Seite der x-Achse in Richtung Nullpunkt gesehen entgegen Uhrzeigerrichtung um die x-Achse geneigt werden und die Feder, deren Windungsachse auf der y-z-Ebene gekrümmt ist, auf eine bestimmte Länge zusammengedrückt wird.
5 zeigt die Seitenansicht einer Schraubendruckfeder, deren Achse auf der y-z-Ebene gekrümmt ist und sich auf der x-z-Ebene erstreckt, und die Änderung der Reaktionskraftachse bei Änderung der Winkel δ und γ, wenn die Steigung der untersten Federwindung so ausgelegt ist, daß die untere Auflagefläche der Feder um den Winkel γ zum unteren Sitz geschwenkt wird, und die Steigung der obersten Federwindung so ausgelegt ist, daß die obere Auflagefläche der Feder um den Winkel δ zum oberen Sitz geneigt wird.
6 zeigt die Seitenansicht einer Schraubendruckfeder und die Änderung der Reaktionskraftachse dieser Feder, deren Windungsachse auf der y-z-Ebene gekrümmt ist, mit dem Krümmen der Windungsachse der Feder auf der x-z-Ebene.
7 zeigt die Seitenansicht einer Schraubendruckfeder und die Änderung der Reaktionskraftachse dieser Feder, deren Windungsachse auf der y-z-Ebene gekrümmt ist, mit der Nei gungsänderung der unteren Auflagefläche zum unteren Sitz und der oberen Ebene zum oberen Sitz auf der x-z-Ebene und dem Krümmen der Windungsachse auf der x-z-Ebene.
8 zeigt die Seitenansicht einer Radaufhängung mit montierter Schraubendruckfeder gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Schraubendruckfeder, anhand welcher der Einfluß des Neigens der unteren und der oberen Federebene auf die Federreaktionskraft untersucht wird.
10 zeigt in Diagrammform die Beziehung zwischen der Anzahl an Federwindungen und der Seitenkraft beim Zusammendrücken der in 9 dargestellten Schraubendruckfeder auf eine bestimmte Länge.
11 zeigt in Diagrammform die Beziehung zwischen der Anzahl an Federwindungen und dem Winkel der Seitenkraftrichtung beim Zusammendrücken der in 9 dargestellten Schraubendruckfeder auf eine bestimmte Länge.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die 1 und 2 zeigen schematisch eine Schraubendruckfeder 5 (nachfolgend nur Schraubenfeder genannt) für eine Fahrzeugradaufhängung. Die Schraubenfeder 5 entspricht der in 9 dreidimensional (x-, y-, z-Achse) dargestellten Schraubendruckfeder 5x. 1 zeigt die Seitenansicht der Schraubenfeder 5 auf der y-z-Ebene und 2 deren Seitenansicht auf der x-z-Ebene. Die Schraubenfeder 5 wird an einer Strebenaufhängung (nachfolgend nur Aufhängung genannt) gemäß 8 montiert, welche in dieser Figur durch Doppelpunkt-Strich-Linien angedeutet ist, ausgenommen den Abschnitt zum Stütze der obersten Windung dieser Feder.
Zunächst wird mit Bezug auf 8 der Gesamtaufbau der Aufhängung beschrieben. Am Chassis 1 des Fahrzeugs ist das obere Ende der Strebe 2 elastisch befestigt und an diesem auch der obere Federsitz 3 montiert. Der untere Federsitz 4 ist in der Mitte der Strebe 2 angeordnet. Zwischen dem oberen Federsitz 3 und dem unteren Federsitz 4 ist die Schraubenfeder 5 angeordnet, welche die Strebe 2 umgibt. Das untere Ende der Strebe 2 ist am Lenkzapfen 6 befestigt und dieser wiederum mit einen am Fahrzeugchassis 1 befestigten unteren Arm schwenkbarverbunden. Das Fahrzeugrad 8 ist am Lenkzapfen 6 und dieser wiederum über die Strebe 2 und die Schraubenfeder 5 sowie über den unteren Arm 7 am Chassis 1 befestigt. An der Strebe 2 ist ein Zylinder 2a angeordnet, welcher zusammen mit der in diesem gleitendem Kolbenstange 2b einen Stoßdämpfer bildet. Die Kolbenstange 2b ist oben über eine Strebenaufnahme 10 am Chassis 1, der Zylinder 2a unten am Lenkzapfen 6 befestigt. Zur Strebenaufnahme 10 gehören ein unteres Klemmstück 12 zur Aufnahme des oberen Federsitzes 3 über ein Lager 11 und ein oberes Klemmstück 13, welches zusammen mit dem unteren Klemmstück 12 mit Schrauben (nicht dargestellt) am Chassis 1 befestigt wird, wobei zwischen den beiden Klemmstücken 12, 13 ein Dämpfungselement 14 aus Gummi angeordnet ist. Am oberen Ende der Kolbenstange 2b ist ein Stützelement 15 befestigt, welches über das Dämpfungselement 14 zwischen dem oberen Klemmstück 13 und dem unteren Klemmstück 12 gehalten wird. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Strebenaufnahme 10 separat belastet, wobei die Strebe 2 über das Dämpfungselement 14 und die Schraubenfeder 5 über das Lager 11 am Chassis 1 befestigt sind. Dadurch kann jede beim Zusammendrücken und Entspannen der Schraubenfeder 5 verursachte Belastung in geeigneter Weise absorbiert werden. Das Dämpfungselement 14 aus Gummi ist so angeordnet, daß die Reaktionskraftachse der Schrau benfeder 5 sich etwa durch die Mitte der oberen Ebene US erstreckt.
Bei der in 8 dargestellten Aufhängung stimmt die Reaktionskraftachse RA nicht mit der Lastaufnahmeachse AA überein. Das heißt, die Strebenachse SA bildet mit der Lastaufnahmeachse AA einen Winkel θ1 und mit der Reaktionskraftachse RA einen Winkel θ2. In 8 kennzeichnet „LA" die Achse des unteren Arms 7 und „KA" die Achse eines Achsschenkelbolzens (nicht dargestellt). Da die Reaktionskraftachse RA nicht mit der Strebenachse SA übereinstimmt, kann zwischen dem Zylinder 2a und der Kolbenstange 2b der Strebe 2 ein Gleitwiderstand entstehen. Dieser Gleitwiderstand wird aber durch die Vorspannkraft der Schraubenfeder 5 kompensiert, so daß die Kolbenstange 2b problemlos im Zylinder 2a gleiten kann, worauf später näher eingegangen wird.
Wie die 1 und 2 zeigen, laufen gemäß der vorliegenden Erfindung die unterste Windung 5a und die oberste Windung 5b der Schraubenfeder schweineschwanzförmig aus. Die Achse CA der in 1 dargestellten Schraubenfeder 5 ist auf der y-z-Ebene gekrümmt und hat einen Krümmungsradius „R", wobei die y-Achse sich in eine vorbestimmte Richtung (Breitenrichtung des Fahrzeugs) und die z-Achse sich entlang der Verbindungslinie OF zwischen der Mitte der untersten Federwindung 5a und der Mitte de obersten Federwindung 5b, d. h. zwischen der Mitte der unteren Auflagefläche LS und der Mitte der oberen Auflagefläche US erstreckt und eine Ausgangskrümmungsgröße „d" des Federkörpers sich ergibt. Die Windungsachse CA kann aber auch aus mehreren Krümmungsradien zusammengesetzt sein und sich trotzdem in die gleiche Richtung erstrecken oder von mehreren geraden Linien gebildet werden, welche miteinander verbunden im wesentlichen den vorbestimmten Krümmungsradius ergeben.
Die Steigung der untersten Windung 5a ist so ausgelegt, daß bei unbelasteter Feder 5 deren untere Auflagefläche LS in einer bestimmten Richtung (in 1 in Uhrzeigerrichtung) um einen bestimmten Winkel α zum unteren Federsitz 9 geneigt und dadurch die Länge der Bogeninnenseite (linke Seite in 1) verkürzt wird. Die Steigung der obersten Windung 5b ist so ausgelegt, daß bei unbelasteter Feder 5 deren obere Auflagefläche US in eine bestimmte Richtung (in 1 in Uhrzeigerrichtung) um einen bestimmten Winkel β zum oberen Federsitz 3 geneigt und dadurch die Länge der Bogeninnenseite (rechte Seite in 1) verkürzt wird.
In diesem Fall besteht zwischen der unteren Auflagefläche LS und dem unteren Federsitz 4 eine bestimmte Beziehung. Wie aus 1 hervor geht, erstreckt die untere Auflagefläche LS sich horizontal, während der untere Federsitz 4 um den Winkel α geneigt ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den unteren Federsitz e horizontal anzuordnen und die untere Auflagefläche um den Winkel α zu neigen. Auch zwischen der oberen Auflagefläche US und dem oberen Federsitz 4 besteht eine bestimmte Beziehung. Wie aus 1 hervor geht, kann gemäß dieser Ausführungsform der obere Federsitz 4 geneigt angeordnet werden und die obere Auflagefläche US sich um den Winkel β zu diesem geneigt erstrecken. Es kann aber auch eine Anordnung gewählt werden, bei welcher die obere Auflagefläche US sich geneigt erstreckt und der obere Federsitz 3 um den Winkel β zu dieser geneigt angeordnet ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist bezüglich der Aufhängung kein Justieren erforderlich. Demzufolge sind der obere Federsitz 3 und der untere Federsitz 4 so angeordnet, daß deren Stützebenen parallel zueinander verlaufen.
Wie bereits erwähnt, sind bei dieser Ausführungsform die Steigung der untersten Windung 5a und jene der obersten Windung 5b so ausgelegt, daß bei unbelasteter Feder 5 deren untere Auflagefläche LS um einen ersten Winkel α zum unteren Federsitz 4 und deren obere Auflagefläche US um einen zweiten Winkel β zum oberen Federsitz 3 geneigt ist, beide in Uhrzeigerrichtung, wie aus 1 hervor geht. Es besteht aber auch die Möglichkeit, nur die Steigung der untersten Windung oder nur die Steigung der obersten Windung entsprechend auszulegen. Daraus ergibt sich eine zweite Ausführungsform (nicht dargestellt), bei welcher im unbelasteten Zustand der Feder 5 deren Achse CA gekrümmt und nur die Steigung der untersten Federwindung 5a entsprechend ausgelegt ist, damit bei unbelasteter Feder 5 deren untere Auflagefläche LS eine um einen vorbestimmten Winkel zum unteren Federsitz geneigte Lage einnimmt. Es ergibt sich auch eine dritte Ausführungsform (nicht dargestellt), bei welcher im unbelasteten Zustand der Feder 5 deren Achse CA gekrümmt und nur die Steigung der obersten Windung 5b entsprechend ausgelegt ist, damit bei unbelasteter Feder 5 deren obere Auflagefläche US eine um einen vorbestimmten Winkel zum oberen Federsitz 3 geneigte Lage einnimmt.
Nachfolgend werden die Ergebnisse der mit einer Schraubenfeder durchgeführten Versuche beschrieben. Bei diesen Versuchen wurde eine Feder verwendet, welche der in 9 dargestellten Feder 5x entsprach und deren gekrümmte Achse auf der y-z-Ebene lag. Diese Feder wurde in die in 9 gezeigte Lage gebracht und zusammengedrückt, so daß von der positiven Seite der x-Achse auf den Nullpunkt gesehen deren obere Auflagefläche und deren untere Auflagefläche entgegen Uhrzeigerrichtung zur x-Achse um den Winkel β bzw. α geneigt sind.
Wenn eine Schraubenfeder mit einer auf der y-z-Ebene gekrümmten Achse auf eine bestimmte Länge zusammengedrückt wird, werden von der positiven Seite der x-Achse auf den Nullpunkt gesehen deren obere und untere Auflagefläche entgegen Uhrzeigerrichtung zur x-Achse um den Winkel β bzw. α geneigt, so daß bestimmte Reaktionskraftachsen sich ergeben. In 3 sind diese Achsen als durchgehende Linien angedeutet. Die gestrichelten Linien in 3 gelten für die bei einer herkömmlichen Schraubenfeder erhaltenen Reaktionskraftachsen. Wenn die Schwenkwinkel β und α um die x-Achse wie in 9 angedeutet entgegen Uhrzeigerrichtung vergrößert werden, verschieben die Reaktionskraftachsen sich in die durch den Pfeil gekennzeichnete Richtung, welche der Winkelvergrößerungsrichtung entspricht. Die Reaktionskraftachse liegt jeweils auf der Linie, welche den Reaktionskraftansetzpunkt an der unteren Auflagefläche und jenen an der oberen Auflagefläche miteinander verbindet.
Nachfolgend wird auf die erzielten, in Figur dargestellten Ergebnisse näher eingegangen. (1) Bei einer Schraubenfeder mit einer um die Größe „d" gekrümmten Windungsachse wird die Reaktionskraftachse in y-Richtung, d. h. in Krümmungsrichtung des Federkörpers parallel verschoben. (2) Bei Vergrößerung der Schwenkwinkel α und β der oberen bzw. der unteren Auflagefläche entgegen Urzeigerrichtung (9) wird die Neigung der Reaktionskraftachse der Feder in y-Richtung vergrößert. Mit anderen Worten, bei Vergrößerung der Neigungswinkel α und β wird die auf die Schraubenfeder wirkende Seitenkraft größer. (3) Bei Vergrößerung der Neigungswinkel α und β der oberen bzw. unteren Ebene verschiebt der Reaktionskraftansetzpunkt auf der oberen Auflagefläche sich bis nahe an deren Mitte, d. h. in Richtung z-Achse, in 3 als durchgehende Linien angedeutet, während dieser bei einer herkömmlichen Schraubenfeder sich von der Mitte der oberen Auflagefläche, angedeutet durch die gestrichelten Linien. Wenn aber beim Zusammendrücken einer Feder mit einer auf der y-z-Achse gekrümmten Windungsachse auf eine bestimmte Länge von der positiven Seite der x-Achse auf den Nullpunkt gesehen die obere und die untere Auflagefläche in Uhrzeigerrichtung um die x-Achse geneigt werden, wird bei Vergrößerung der Neigungswinkel α und β in diese Richtung die Neigung der Reaktionskraftachse in y-Richtung und dadurch die auf die Feder wirkende Seitenkraft verkleinert.
4 zeigt die Änderung der Seitenkraft bei Vergrößerung der Neigungswinkel α und β der oberen bzw. unteren Auflagefläche entgegen Uhrzeigerrichtung um die x-Achse, von der positiven Seite der x-Achse auf den Nullpunkt gesehen, wenn eine Feder mit einer auf der y-z-Achse gekrümmten Windungsachse auf eine bestimmte Länge zusammengedrückt wird. Wie aus 4 hervor geht, wird mit steigenden Neigungswinkeln α und β die Seitenkraft vergrößert, wobei aber zwischen dem Verlauf der für eine gekrümmte Schraubenfeder geltende durchgehende Linie und dem Verlauf der für eine herkömmliche Schraubenfeder geltende gestrichelte Linie kein wesentlicher Unterschied zu verzeichnen ist.
Bei dieser Ausführungsform werden der Krümmungsradius „R" (oder die Krümmungsgröße „d") gemäß 1, die Neigungswinkel α und β und die Steigung der obersten Federwindung 5b sowie die Steigung der untersten Federwindung 5a so ausgelegt, daß beim Zusammendrücken der Feder 5x auf eine bestimmte Länge von der positiven Seite der x-Achse auf den Nullpunkt gesehen die oberste und die unterste Federwindung entgegen Uhrzeigerrichtung (9) um den Winkel α und β um die x-Achse geschwenkt werden, so daß die Feder die in 8 dargestellte Lage einnimmt. Wenn die Schraubenfeder 5 wie in 1 dargestellt zwischen dem oberen Sitz 3 und dem im wesentlichen parallel zu diesem angeordneten unteren Sitz 4 positioniert wird, was dem in 8 dargestellten Zustand entspricht, kann der gleiche Effekt wie in dem Fall erzielt werden, daß die oberste und die unterste Windung der in 9 dargestellten Schraubenfeder 5x von der positiven Seite der x-Achse auf den Nullpunkt gesehen entgegen Uhrzeigerrichtung geschwenkt werden.
Die beschriebene Schraubenfeder 5 ist zwischen dem unteren Sitz 4 und dem parallel zu diesem angeordneten oberen Sitz 3 (in 1 gestrichelt dargestellt) positioniert. In diesem Fall ist die Feder (5) so ausgerichtet, daß die Innenseite der bogenförmigen Windungsachse CA auf das Chassis zeigt (aus 1 nicht ersichtlich). Demzufolge wird die Reaktionskraftachse aus der durch den dicken Pfeil gekennzeichneten Lage in die durch den dünnen Pfeil gekennzeichnete Lage (in 1 nach rechts) verschoben.
In 1 ist die Schraubenfeder 5 von der Frontseite des Fahrzeugs aus gesehen dargestellt, und daraus geht hervor, daß der Bogen der Windungsachse CA nach außen zeigt. In diesem Fall wirkt die Seitenkraft in Längsrichtung des Fahrzeugs auf die Schraubenfeder 5, von rechts oder links gesehen. Aus diesem Grund ist die Schraubenfeder der vorliegenden Ausführungsform wie in 2 dargestellt konfiguriert, worauf später näher eingegangen wird.
Nachfolgend wird anhand der 5–7 die Beziehung zwischen der y-z-Ebene in 1 (die Ebene, welche sich in Breitenrichtung des Fahrzeugs erstreckt und die Verbindungslinie OF sowie die Windungsachse CA einschließt) und der rechtwinklig zu dieser sich erstreckenden x-z-Ebene in 2 erläutert.
5 zeigt die Änderung der Reaktionskraftachse der 1 dargestellten (entlang der y-z-Ebene sich erstreckenden) Schraubenfeder 5 mit insgesamt 4,8 Windungen auf der x-z-Ebene bei Änderung der Winkel δ und χ, wobei die Steigung der untersten Federwindung 5a so ausgelegt ist, daß die untere Auflagefläche LS der Feder sich unter dem Winkel χ zum unteren Federsitz 4 erstreckt, und die Steigung der obersten Federwindung 5b so ausgelegt ist, daß die obere Auflagefläche US der Feder 5 sich unter dem Winkel δ zum oberen Federsitz 3 erstreckt.
Mit anderen Worten, bei der in 5 dargestellten Schraubenfeder mit 4,8 Windungen ist deren Windungsachse CA auf der y-z-Ebene um die Größe „d" (1) gekrümmt. Wie aus 1 ebenfalls hervor geht, ist die Steigung der untersten Windung 5a so ausgelegt, daß im unbelasteten Zustand die untere Auflagefläche LS der Feder 5 sich unter einem ersten Winkel α zum unteren Federsitz 4 in Richtung Verkürzung der Federlängslänge an der Bogeninnenseite erstreckt, und die Steigung der obersten Windung 5b so ausgelegt ist, daß im unbelasteten Zustand die obere Auflagefläche US der Feder 5 sich unter einem zweiten Winkel β zum oberen Federsitz 3 in Richtung Verkürzung der Federlängslänge an der Bogenaußenseite erstreckt. Wie aus 5 hervor geht, ist die Feder 5 mit 4,8 Windungen auf der rechtwinklig zur y-z-Ebene (Fahrzeugbreitenrichtung) verlaufenden x-z-Ebene (Fahrzeuglängsrichtung) sich erstreckend dargestellt, wobei die Steigung der untersten Windung 5a so ausgelegt ist, daß die untere Auflagefläche LS der Feder 5 sich unter dem Winkel χ zum unteren Federsitz 4 erstreckt, und die Steigung der obersten Windung 5b so ausgelegt ist, daß die obere Auflagefläche US der Feder 5 sich unter dem Winkel δ zum oberen Federsitz 3 erstreckt. In 5 sind die Änderungen der Re aktionskraftachse durch entsprechende Pfeile angedeutet (Vollinie, gestrichelte Linie bzw. Strich-Punkt-Linie).
Wenn die untere Auflagefläche LS der in 1 auf der y-z-Ebene sich erstreckend dargestellten Feder 5 mit 4,8 Windungen auf der x-z-Ebene gemäß 5 um den Winkel χ zum unteren Federsitz 4 und deren obere Auflagefläche US um den Winkel δ zum oberen Federsitz 3 geschwenkt wird, kommt es mit der Verkleinerung Vergrößerung der beiden Winkel χ und δ zu einer Verschiebung der Reaktionskraftachse von der durch den Strich-Punkt-Pfeil angedeuteten Lage über die durch den gestrichelten Pfeil angedeutete Lage in die durch den Vollinienpfeil angedeutete Lage, in welcher die Seitenkraft nahezu Null ist.
In diesem Fall ist die Reaktionskraftachse bezüglich der Windungsmittelachse (z-Achse 5) etwas versetzt, was aber vernachlässigt werden kann. Um die leicht versetzte Reaktionskraftachse mit der Verbindungslinie in Übereinstimmung zu bringen, kann auf der x-z-Ebene eine Windungsachse CB der Schraubenfeder 5 mit der Krümmungsgröße „e" gemäß 6 erzeugt werden. Wenn die untere Auflagefläche LS der Feder 5 zum unteren Federsitz 4 und deren obere Auflagefläche US zum oberen Federsitz 3 geneigt verläuft und die Windungsachse CA auf der x-z-Ebene wie in den 5 und 6 angedeutet sich bogenförmig erstreckt, kann die in 7 gezeigte Änderung der Reaktionskraftachse auf der in 1 dargestellten y-z-Ebene (welche in Breitenrichtung des Fahrzeugs verläuft) vernachlässigt werden.
Wie bereits erwähnt, ist in 2 die Schraubenfeder auf der x-z-Ebene (in Fahrzeuglängsrichtung) dargestellt, und auf dieser Ebene sollte die Seitenkraft Null sein. Dagegen wird die vorbestimmte Seitenkraft auf der y-z-Ebene (in Fahrzeugbreitenrichtung) erzeugt, so daß die Reaktionskraftachse auf der Linie liegt, welche die Mitte der oberen Auflagefläche mit der Mitte der unteren Auflagefläche verbindet, wie in 1 dargestellt. Deshalb wird auf der x-z-Ebene die Steigung der untersten Federwindung 5a so ausgelegt, daß die untere Auflagefläche LS sich unter dem vorbestimmten Winkel χ zum unteren Federsitz 4 erstreckt, und die Steigung der obersten Federwindung 5b so ausgelegt, daß die obere Auflagefläche US sich unter dem vorbestimmten Winkel δ zum oberen Federsitz 3 erstreckt, und zwar in Richtung Verringerung der Seitenkraft, entweder nach rechts oder links in 2, je nach Montagezustand der Feder. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Feder 5 so konfiguriert, daß im unbelasteten Zustand deren Windungsachse CA sich in die vorbestimmte Richtung um die Größe „e" krümmt.
Wie in Verbindung mit 2 bereits beschrieben, ist gemäß dieser Ausführungsform die Steigung der untersten Federwindung 5a so ausgelegt, daß die untere Auflagefläche LS der Feder 5 sich unter dem dritten vorbestimmten Winkel χ zum unteren Federsitz 4 erstreckt, und die Steigung der obersten Federwindung 5b so ausgelegt, daß die obere Auflagefläche US der Feder 5 sich unter dem vierten vorbestimmten Winkel δ zum oberen Federsitz 3 erstreckt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, nur die unterste Federwindung 5a oder die oberste Federwindung 5b entsprechend zu justieren. Gemäß dieser Ausführungsform ist im unbelasteten Zustand die Windungsachse CB der Schraubenfeder 5 in die vorbestimmte Richtung um die Größe „e" gekrümmt, welche aber vernachlässigt werden kann.

Claims

Schraubendruckfeder (5) für eine Fahrzeugradaufhängung, welche zwischen einem oberen Sitz (3) und einem unteren Sitz (4) zusammendrückbar ist und deren Achse (CA) im unbelasteten Zustand im wesentlichen einen Bogen mit einem Radius (R) bildet, wobei die Steigung der auf dem unteren Sitz (4) ruhenden untersten Federwindung (5a) so ausgelegt ist, daß im unbelasteten Zustand die untere Auflagefläche (LS) der Feder (5) sich unter einem ersten Winkel (α) zum unteren Sitz (4) in Richtung Verkürzung der Federlängslänge an der Bogeninnenseite erstreckt und/oder die Steigung der den oberen Sitz (3) berührenden obersten Federwindung (5b) so ausgelegt ist, daß im unbelasteten Zustand die obere Auflagefläche (US) der Feder (5) sich unter einem zweiten Winkel (β) zum oberen Sitz (3) in Richtung Verkürzung der Federlänge an der Bogenaußenseite erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der untersten Federwindung (5a) so ausgelegt ist, daß im unbelasteten Zustand die untere Auflagefläche (LS) der Feder (5) sich unter einem dritten Winkel (χ) zum unteren Sitz (4) erstreckt, auf einer Ebene, welche eine Linie (OF) als Verbindungslinie zwischen der Mitte der obersten Windung (5b) und der Mitte der untersten Windung (5a) einschließt und rechtwinklig zu der die Verbindungslinie (OF) und die bogenförmige Federachse (CA) einschließenden Ebene verläuft, und/oder die Steigung der obersten Federwindung (5b) so ausgelegt ist, daß im unbelasteten Zustand die obere Auflagefläche (US) der Feder (5) sich unter einem vierten Winkel δ zum oberen Sitz (3) erstreckt, auf der Ebene, welche die Verbindungslinie (OF) einschließt und rechtwinklig zu der die Verbindungslinie (OF) und die bogenförmige Federachse (CA) einschließenden Ebene verläuft.
Schraubendruckfeder (5) gemäß Anspruch 1, wobei im unbelasteten Zustand die Achse (CA) der Feder (5) auf einer Ebene, welche die Verbindungslinie (OF) einschließt und rechtwinklig zu der die Verbindungslinie (OF) und die Achse (CA) einschließenden Ebene verläuft, in eine bestimmte Richtung Bogenform annehmen soll.
Fahrzeugradaufhängung, welche eine am Fahrzeugchassis (1) oben befestigte Strebe (2) zum Stützen eines Rades (8), einen an der Strebe (2) befestigten unteren Federsitz (4), einen am Chassis (1) befestigten oberen Federsitz (3) und eine zwischen dem unteren Federsitz (4) und dem oberen Federsitz (3) angeordnete, die Strebe (2) umgebende Schraubendruckfeder (5) aufweist, wobei im unbelasteten Zustand die Achse (CA) der Feder (5) im wesentlichen einen Bogen mit einem Krümmungsradius (R) bildet und wobei der untere Federsitz (4) so an der Strebe (2) befestigt ist, daß dieser im unbelasteten Zustand sich unter einem ersten Winkel (α) in Richtung Verkürzung der Federlängslänge an der Bogenaußenseite erstreckt und/oder der obere Federsitz (3) so am Chassis (1) befestigt ist, daß dieser im unbelasteten Zustand sich unter einem zweiten Winkel β in Richtung Verkürzung der Federlängslänge an der Bogeninnenseite erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Federsitz (4) so an der Strebe (2) befestigt ist, daß dieser sich unter einem dritten Winkel (χ) erstreckt, auf einer Ebene, welche die Linie (OF) als Verbindungslinie zwischen der Mitte der obersten Federwindung (5b) und der Mitte der untersten Federwindung (5a) einschließt und rechtwinklig zu der die Verbindungslinie (OF) und die bogenförmige Achse (CA) einschließenden Ebene verläuft, und/oder der obere Federsitz (3) so am Chassis (1) befestigt ist, daß dieser sich unter einem vierten Winkel (δ) erstreckt, auf der Ebene, welche die Verbindungslinie (OF) einschließt und rechtwinklig zu der die Verbindungslinie (OF) und die bogenförmige Achse (CA) einschließenden Ebene verläuft, wobei die Feder (5) so gehalten wird, daß die Innenseite der bogenförmigen Achse (CA) auf die Innenseite des Chassis (1) gerichtet bleibt.
Fahrzeugradaufhängung gemäß Anspruch 3, wobei im unbelasteten Zustand die Achse (CA) der Feder (5) auf einer Ebene, welche die Verbindungslinie (OF) einschließt und rechtwinklig zu der die Verbindungslinie (OF) und die Achse (CA) einschließenden Ebene verläuft, in eine bestimmte Richtung eine Bogenform annimmt.