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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schraubendruckfeder für eine Fahrzeugradaufhängung und
eine solche Aufhängung.
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2. Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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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.
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1 zeigt
die Seitenansicht einer Schraubendruckfeder für eine Aufhängung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, dargestellt in der y-z-Ebene.
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2 zeigt
die Seitenansicht einer Schraubendruckfeder für eine Aufhängung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, dargestellt in der x-z-Ebene.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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8 zeigt
die Seitenansicht einer Radaufhängung
mit montierter Schraubendruckfeder gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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9 zeigt
in perspektivischer Darstellung eine Schraubendruckfeder, anhand
welcher der Einfluß des
Neigens der unteren und der oberen Federebene auf die Federreaktionskraft
untersucht wird.
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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.
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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.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.