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Gummifederung für Kraftfahrzeuge Die Erfindung bezieht sich auf Gummifederungen
für Kraftfahrzeuge mit einem schräg zum Federweg angeordneten Gummikissen, welches
in der Art der bekannten, auf Schub und Druck beanspruchbaren Gummifederungen .ausgebildet
ist.
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Bei Kleinwagen, Lastwagen, Omnibussen und bei Hinterradfederungen
von Motorrädern sind die Belastungsunterschiede durch Änderung der Zuladung beträchtlich.
Ein bedeutender Teil des Federweges muß zur Aufnahme des Zuladungsgewichtes herangezogen
werden und steht deshalb für die Federung nicht mehr zur Verfügung. So sind diese
Fahrzeuge bei voller Zuladung noch härter gefedert, als es die Schwingungsrechnung
wünschenswert erscheinen läßt. Bei leerem oder nur gering beladenem Fahrzeug sind
jedoch die Federungen unzureichend. Als erste Abhilfe hierfür sind sogenannte progressiv
wirkende Federungen, insbesondere auch Gummifederungen vorgeschlagen worden. Die
Beeinflussungsmöglichkeiten der Kennung dieser Federungen hält sich jedoch durchweg
in geringen Grenzen. Bei der Erfindung dagegen kann die Kennung in weiten Grenzen
verändert werden. Es können sowohl stark progressive Federkennungen als auch über
einen großen mittleren Bereich nahezu waagerechte Kennungen erzielt werden. Die
progressive Kennung wird nach verschiedenen zum Teil auch bereits praktisch ausgeführten
Patenten durch stufenweises Hintereinanderschalten von verschieden harten Federn
erreicht. Weiterwird hierzu auch nach anderen bekannten Ausführungen die Hebelarmänderung
beim Durchfedern benutzt. Diese ist aber nach den bekannten
Ausführungen
so angeordnet, daß sie während des Betriebes nicht zu verändern ist, so daß die
Federung nicht an die jeweilige Belastung anzupassen ist.
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Wenn sich auch bei der progressiven Federkennung die Federhärte der
Belastung anpaßt, so wird bei ihr, da sich diese Anpassung in Abhängigkeit von der
Einfederung vollzieht, ebenfalls ein Teil des Federweges verbraucht und damit der
reinen Federwirkung entzogen. Man muß also auch hier entweder den Federweg größer
machen, als er für die reine Federwirkung benötigt wird, oder man muß die Feder
härter machen, als es dem gegebenen Gesamtfederweg entspricht. Auf alle Fälle weist
bei weich gehaltener Federung die statische Einfederung bei verschiedenen Zuladungen
auch hier beträchtliche Unterschiede auf.
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Die volle Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Gesamtfederweges,
wie gleichbleibende statische Einfederung bei allen Belastungen, ist erst dann möglich,
wenn die Federkraft verstellbar ist. Auch solche verstellbaren Federungen sind bereits
bekannt. Sie beruhen auf der Änderung der Vorspannung. Dabei bleibt jedoch die Federkonstante
(Federhärte) c konstant. Bekanntlich hängen die Schwingungseigenschaften von dem
Quotienten
ab, worin m die gefederte Masse bedeutet. Da m sich bei der Zuladung ändert, c aber
gleichbleibt, so ändern sich auch die Federungseigenschaften des Fahrzeugs. Die
reine Vorspannungsänderung hat aber den Nachteil, daß bei weicher werdender Federung
die Vorspannwege immer größer werden, die Verstellung der Feder also immer schwerer
zu bewerkstelligen ist. Bei der Erfindung kann dagegen die Federung so verstellt
werden, daß sich die Federkonstante ebenfalls so ändert, daß der Quotient
konstant bleibt. Auch ist eine Verstellung bei nahezu waagerechter Federkennung
ohne weiteres möglich, was bei reiner Vorspannungsänderung nicht der Fall ist. Es
ist zwar bei Motorrollern eine Verstellung der Federkennung bekannt und ausgeführt,
bei welcher sich auch die Federkonstante ändert. Dies wird durch Zuschaltung einer
zweiten Schraubenfeder erreicht. Dabei handelt es sich aber. nicht um eine fortlaufende
Verstellmöglichkeit, und die Federung kann sich insbesondere bei Kraftwagen nicht
an jede beliebige vorkommende Last anpassen.
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Ferner ist allen bisher bekannten verstellbaren Federungen gemeinsam
- und das gilt auch für die diesbezüglich bekanntgewordenen Gummifederungen und
alle anderen Federungen mit Ausnahme von Luftfederungen-, daß eine Verstellung nur
von Hand möglich ist. Nur bei Luftfederungen ist eine automatische Regelung vorgeschlagen
und auch versuchsmäßig ausgeführt worden. Da hierfür aber ein ständig mitlaufender
Verdichter, besondere Luftleitungen sowie Regelorgane benötigt werden, hat sich
diese Luftfederung in die Praxis nicht einführen können. Es besteht allerdings auch
bei der Luftfederung die Möglichkeit, die Federarbeit zur Aufpumpwirkung heranzuziehen
und dadurch eine selbständige Einstellung auf die jeweilige Belastung zu erzielen.
Da auch bei der Anwendung der letzteren Methode eine Luftfederung immer teurer als
jede andere der bekannten Federarten und der.Beweis ihrer Zuverlässigkeit erst noch
zu erbringen ist, erscheint es als technischer Fortschritt, die Anpassung der Federkennung
an die jeweilige Belastung auch für andere Federarten zu ermöglichen.
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Für diesen Zweck ist eine Gummifeder besonders geeignet. Bei einer
Gummifederung für Kraftfahrzeuge mit einem schräg zum Federweg angeordneten Gummikissen,
welches in der Art der bekannten auf Schub und Druck beanspruchbaren Gummifederungen
ausgebildet ist, wird daher erfindungsgemäß dieses Gummikissen mittels Gummidrehfedern
derart zwischen den abzufedernden Fahrzeugteilen angelenkt, daß Drehfedern und Gummikissen
so hintereinandergeschaltet sind, daß das Gummikissen ohne Einwirkung der Drehfedern
nur auf Druck beansprucht würde, durch die Einwirkung der Gummidrehfedern jedoch
auch auf Schub beansprucht wird, wobei das Gummikissen beim Durchfedern und Verschwenken
um den Schnittpunkt seiner Längsachse und seiner Querachsen in der Ebene durch das
Gummikissen in seiner Längsausdehnung und die Anlenkpunkte der Gummidrehfedern eine
Winkelbewegung beschreibt, wodurch sich eine Federkennung der Gesamtfederung mit
flachem mittlerem Teil ergibt. Unter »Gummikissen« sind hier die allgemein bekannten,
auf Schub und Druck beanspruchbaren Gummifederungen zu verstehen, die im wesentlichen
aus einer Gummischicht und zwei beiderseits aufvulkanisierten Metallplatten bestehen.
Dieses Gummikissen ist gegenüber den Teilen, an welchen es angelenkt ist, drehbar
gelagert. Diese Lagerung erfolgt in Drehgummilagen, im weiteren einfach als Drehfedern
bezeichnet. Diese Art der Lagerung ist ein wichtiger Bestandteil der Erfindung.
Durch diese wird - wie vorstehend ausgeführt - eine Winkeländerung des Gummikissens
beim Durchfedern ermöglicht und durch die Wirkung der Drehfedern das Gummikissen
außer auf Druck auch noch auf Schub beansprucht. Nach einem weiteren Gedanken der
Erfindung steigt bei Gummifederungen der erfindungsgemäßen, vorbeschriebenen Art
durch die in an sich bekannter Weise erfolgende Ausbildung der Drehfeder mit in
den Gummikörper hineinragenden Vorsprüngen oder mit ellipsenförmigem Querschnitt,
welcher eine übersteigerte Kennlinie der Drehfeder bewirkt, die Kennlinie der erfindungsgemäßen,
vorbeschriebenen Gesamtfederung gegen Federwegende steil an. Die Kennung der Gesamtfederung
ergibt sich durch die am Anlenkpunkt der oberen Drehfeder angreifende senkrechte
Komponente der Federkraft, weil lediglich die senkrechte Komponente für die Federwirkung
maßgebend ist. Die Veränderung der Gesamtkennung wird bewirkt erstens durch die
Veränderung Drehfederspannung (Verdrehung der Drehfedery, welche die Federwirkung
des Gummikissens und damit die Gesamtkennung infolge Veränderung der Schubspannung
des Gummikissens beeinflußt. Zweitens wird durch die Verschiebung des Anlenkungspunktes
der oberen Drehfeder in waagerechter und senkrechter Richtung, die erfindungsgemäß
auf einem Kreisbogen erfolgt, die Federwirkung
des Gummikissens
und damit die Gesamtkennung unmittelbar beeinflußt. Diese doppelte Wirkung der Verstellung
ergibt naturgemäß eine große Verstellmöglichkeit.
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Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Ausführungsbeispielen hervor:
Die Federkennung, die durch die Gummifederung erreicht werden soll, zeigt Bild i.
Während die Kennung einer Gummifederung bei normaler Beanspruchung als linear angenommen
wird, wird durch folgende konstruktive Anordnungen eine dem Bild i ähnliche Kennung
erzielt: i. Die Richtung des Federweges s (s. Bild 2 a) steht in einem sich beim
Durchfedern ändernden Winkel a zur durch die Druckkräfte P bezeichneten Symmetrie-Achse
des Gummikissens, so daß in Richtung des Federweges die Komponente Pk der Kraft
P wirkt. Den Verlauf dieser Komponente Pk über dem Federweg s zeigt Bild 2b.
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2. Die drehbaren Lager 302 und 303 (Bild 3 a) sind hier
als Gummidrehfedern ausgebildet. Das durch die Drehfedern hervorgerufene Drehmoment
Md beansprucht das Gummikissen 3oI auf Schub S. Der Verlauf der Schubkraftkomponenten
Sk über dem Federweg s ist im Bild 3b dargestellt.
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Das Zusammenwirken von i. und 2. - der Druck-und der Schubkraftkomponenten
Pk und Sk - ergibt dann etwa die im Bild i gezeigte Gesamtkennung.
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Die Rechnung hat indessen gezeigt, daß zur Erzielung einer solchen
Kennung die Drehfedern 302, 303
so ausgebildet werden müssen, daß die Zunahme
des Drehmomentes Md nicht proportional zum Verdrehwinkel s erfolgt, so daß gilt:
woraus
d e.
worin cd eine Konstante ist. Damit steigt die Schubkraft im rechten Bereich genügend
steil an, so daß die Federkennung nach Bild i tatsächlich erreicht wird. Die progressive
Zunahme des Drehmomentes Md wird durch eine bereits bekannte Ausbildung der Gummidrehfedern
nach Bild 5a oder 5b erreicht. Durch die Ansätze 5oI und 5o2 wird die in der Drehfeder
auftretende Schubspannung durch Druckspannungen überlagert, welche erst mit zunehmendem
Verdrehwinkel in Erscheinung treten und so die progressive Wirkung ergeben. Dieselbe
Wirkung wird durch die längliche, ellipsenähnliche Form der Drehfeder nach Bild
5b erreicht.
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Wie nun die eingangs beschriebene Veränderung der Federkennung nach
Bild 6 erreicht wird, zeigt die schematische Darstellung nach Bild 4. Der Verstellhebel
401 verändert bei Verdrehung die Drehvorspannung der Gummidrehfeder 407 und damit
auch die Schubvorspannung und auch die Druckvorspannung des Gummikissens 4o8. Durch
Anordnung, Lage und Länge des Verstellhebels 401 hat man es in der Hand, die Federkennung
entsprechend der ruhenden Last R1, R2, R3 usw. so zu ändern, wie das Bild 6 zeigt.
Das Gehäuse 405 stellt den Verstellmechanismus dar, dessen Mechanismus und Funktionsweise
nachfolgend beschrieben wird. Der Hebel 4o6 stellt einen mit dem schwingenden Rad
verbundenen Schwinghebel oder etwa die Schwinggabel einer Motorrad-Hinterradfederung
dar. Beim Durchfedern wird über das Gestänge 403 der Verstellmechanismus gesteuert.
Dabei wird, wenn der Steuerhebel 404 in Richtung des Pfeils a durchfedert, der Verstellhebel
401 in Richtung des Pfeils b verstellt, so daß die Federkennung erhöht wird.
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Welche Aufgaben hat nun der im Bild 4 angedeutete Verstellmechanismus
zu erfüllen? Bei geringen Federbewegungen um die Nullage (Mittellage, mittlere Einfederung)
soll er zunächst nicht ansprechen. Bei größeren Einfederungen (nach oben) in Pfeilrichtung
a soll er den Verstellhebel nur in Richtung b verstellen, so daß etwa die Federkennung
III (Bild 6) erzielt wird. Dabei ist zu beachten, daß bei Rückhub aus der Einfederung,
sofern dieser die Nullage nicht unterschreitet, der Verstellhebel 401 nicht verstellt
werden darf. Erst bei Ausfederung unter die Nullage wird der Verstellhebel entgegengesetzt
zur Pfeilrichtung b verstellt.
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Die Wirkungsweise des Verstellmechanismus kann nun entweder mechanisch
oder hydraulisch sein. Eine mechanische Lösung zeigen die Bilder 7a und 7b. Über
ein Klinkengetriebe werden die Steuerbewegungen auf eine Schnecke 7o6 übertragen
und von dieser auf das Schneckenrad 7o7, auf dessen Achse sich auch der Verstellhebel
7oI befindet. Während Bild 7 a eine rein schematische Darstellung ist, soll Bild
7b zeigen, wie sich dieser Verstellmechanismus konstruktiv in einem kleinen Gehäuse
unterbringen läßt.
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Das Klinkengetriebe erfüllt nun die weiter oben beschriebenen Aufgaben
des Verstellmechanismus. Nehmen wir an, das Steuergestänge 703 gehe nach
oben. Dann greift die rechte Klinke 702 in das Zahnrad 705 ein und verdreht es um
einen dem Ausschlag des Hebels 704 entsprechenden Winkel. Über Schnecke und Schneckenrad
wird dabei auch der Verstellhebel 701 in der gewünschten Richtung um einen kleinen
Betrag verdreht. Beim Rückhub geschieht nichts. Die rechte Klinke 702 gleitet über
das Rad 705, der Verstellhebel 7oI verbleibt jedoch -in seiner Stellung, da das
Schneckengetriebe selbstsperrend ist. Bei Abwärtsbewegung des Steuergestänges 703
unter die Nullage rastet die linke Klinke ein, und der Vorgang geht gerade in umgekehrter
Richtung vor sich.
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Statt eines Schneckengetriebes kann auch ein Spindeltrieb (Spindel
plus Mutter) verwendet werden, doch dürfte dessen Bauweise nicht so gedrängt sein
und mehr Raum beanspruchen.
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Wie die Verstellung hydraulisch bewirkt werden kann, zeigt das Bild
B. Mit dem Steuergestänge in Verbindung steht die Kolbenstange 8oi, die mit dem
Steuerkolben 8o2 verbunden ist. Geht der Steuerkolben nach oben, so kann im mittleren
Bereich zunächst das Öl über das Kanalstück 8o3 strömen. Geht der Kolben 8o2 weiter
nach oben, so wird das Öl aus dem Raum 804 durch die Leitung 805 über das
Rückschlagventil8o6 in den oberen Raum 807 des Verstellzylinders gedrückt,
welches damit versucht, den Verstellkolben 8o8 nach unten zu verschieben. Damit
jedoch der Verstellkolben 8o8 tatsächlich nach unten gehen kann, muß gleichzeitig
das Öl aus dem Raum 8o9. entweichen können. Dies. wird dadurch erreicht, daß der
entstehende Druck in der Leitung 8o5
über die Leitung 8Io den Kolben
811 des Druckschalters gegen die Federkraft der Feder 812 .nach unten drückt. Dadurch
gibt die Ringnut 813 des Kolbens 8II die Rückstromleitung 814 frei, so daß das Öl
aus dem Raum Bog über die erwähnte Leitung 814 über den Druckschalter und von dort
über die Leitung 8I5 über das Rückschlagventil 816. durch die Leitung 805a in den
Raum 817 des Steuerzylinders zurückfließt. Beim Rückhub wird der Druckschalter entlastet
und die Leitung 814 geschlossen. Das Rückschlagventil 8o6 schließt ebenfalls die
Leitung 805, so daß der Verstellkolben 8o8, dessen Kolbenstange mit dem Verstellhebel
401 (Bild. 4) verbunden ist; in seiner Stellung festgehalten wird. Dafür öffnet
sich das Rückschlagventil 818, so daß das Öl unterhalb des Steuerkolbens 8o2 über
die Leitung 803 über das Rückschlagventil 8I8 zur Oberseite des Kolbens strömen
kann. Der Behälter 8I9 dient als Reserve und zum Ausgleich der durch die Kolbenstangen
verursachten Volumendifferenzen. Die entsprechenden Vorgänge spielen sich ab, wenn
bei Ausfederung unterhalb des mittleren Bereichs der Steuerkolben nach unten geht.
Der Verstellkolben wird dann in entgegengesetzter Richtung verschoben. - Statt axial
wirkender Kolben können auch Drehkolben, etwa wie bei Stoßdämpfern, verwendet werden.
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Die Bilder 9a und 9b zeigen noch Möglichkeiten, die Schubkennung der
Gummifeder zu verändern. Zungen 9oI zur Schubbegrenzung sind bekannt, nur müssen
sie hier dem besonderen Zweck entsprechend federnd angeordnet sein. Statt dessen
kann man sie auch fest ausführen und dafür nachgiebige Gummikeile g02 einlegen.
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Abschließend seien noch die energiemäßigen Vorgänge bei der Selbsteinstellung
betrachtet. Es soll geprüft werden, ob die erfindungsgemäß vorgeschlagene Selbsteinstellung
mittels Heranziehung der Federstöße möglich ist.
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Bild Ioa zeigt zunächst die Einstellung auf die Nullage bei Belastungsänderung
mit Hilfe einer fremden Energiequelle, wie dies z. B. bei Luftfedern mit ständig
mitlaufendem Verdichter der Fall ist. Bei Belastung federe die Federung vom Punkt
I auf der Kennung bis zum Punkt 2 ein. Dann trete das Regelorgan in Tätigkeit, und
die fremde Energiequelle bewirke die Ausfederung zu Punkt 3, welcher auf der Kennung
II liegt. Damit hat sich die Federung auf die ruhende Last R2 bei mittlerer Einfederung
m eingestellt. Bei wieder erfolgter Entlastung auf die Last R1 federt die Federung
bis zum Punkt 4 aus, wo dann wieder das Regelorgan in Tätigkeit tritt und eine Einfederung
bis zum Punkt I stattfindet. Wie aus Bild Io a ersichtlich, wird im Diagramm dabei
eine Fläche im Gegenuhrzeigersinn umfahren, was eine negative Arbeitsleistung bedeutet,
eine Arbeit, die, wie schon gesagt, von einer fremden Energiequelle aufzubringen
ist.
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Soll dagegen die Arbeitsleistung von der Federung selbst aufgebracht
werden, so muß im Diagramm bei Einfederung und folgendem Rückgang eine Fläche im
Uhrzeigersinn umfahren werden. Daß dies bei dieser Erfindung tatsächlich so ist,
zeigt Diagramm Bild Iob. Bei Einfederung stimmt -zunächst der Kraftverlauf mit der
Kennung I überein. Durch die Einwirkung des Verstellmechanismus steigt jedoch der
tatsächliche Kräfteverlauf steiler an. Beim Punkt 2 erfolgt die Bewegungsumkehr.
Der Rückgang erfolgt dann gemäß der stattgefundenen Verstellung längs der Kennung
IIa und schneidet am Punkt 3 ein Flächenstück aus, das im Uhrzeigersinn umfahren
wird. Die durch diese Fläche bezeichnete Stoßenergie wird also hier dazu benutzt,
das Fahrzeug anzuheben oder, bildlich ausgedrückt, die Kennung anzuheben. Die Erhöhung
der Kennung wird bei einer Einfederung noch nicht das gewünschte Maß haben, um z.
B. die ruhende Last R2 zu erreichen, sondern es wird nur die ruhende Last R2a erreicht
werden. Dann wiederholt sich derselbe Vorgang während einiger Stöße nochmals, bis
sich die gewünschte Last R2 bei dem mittleren Federweg m eingestellt hat. So wird
also hier die kinetische Energie, die sonst im Stoßdämpfer vernichtet, d. h. in
Wärme umgewandelt wird, dazu benutzt, die Selbstverstellung der Federung zu bewirken.
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Das Diagramm nach Bild 6 zeigt aber noch,daß die eigentliche Kennung
nur in geringem Maße oder sogar überhaupt nicht progressiv sein muß, denn die Progressivität
wird ja zusätzlich durch die Selbstverstellung bewirkt. Wenn die Selbstverstellung
so ausgebildet wird, daß die Verstellkraft wachsend mit der Verstellung, d. h. mit
dem Federweg zunimmt, so kann die Federkennung, was bei dieser Gummifederung ohne
weiteres möglich ist, als Waagerechte ausgebildet werden. Die progressive Wirkung
der Selbsteinstellung ist bei der hydraulischen Verstellung ohne weiteres zu erreichen,
wie Bild II zeigt. Im Bild II ist noch einmal der Steuerzylinder entsprechend Bild
8 dargestellt. Im Gegensatz zum Bild 8 tritt jedoch die Ölförderung bei Überschreiten
des mittleren Bereiches nicht plötzlich ein, sondern es wird die Ölförderung durch
die konische Verjüngung nach oben, IIoI und unten, IIo2, langsam mit zunehmendem
Federweg einsetzen und damit auch die Verstellkraft zunehmend ansteigen. Dieselbe
Wirkung kann man jedoch auch durch das Klinkengetriebe nach Bild I2 erreichen. Der
Kreisbogen, auf dem sich der Anlenkungspunkt I2oI der Klinke I2o2 bewegt, verläuft
so, daß im Anfang des Federweges nur eine geringe Drehbewegung des Zahnrades
1203 bewirkt wird. Mit zunehmendem Federweg wächst jedoch der Drehwinkel
des Rades I203 im Verhältnis zum Federweg stark an, so daß die Verstellkraft stetig
zunimmt.
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Dem Diagramm nach Bild =3 ist eine waagerechte Kennung zugrunde gelegt.
Damit ist die absolut weichste Federung im mittleren Bereich erreicht, die überhaupt
möglich.ist. Erst wenn der mittlere Bereich überschritten ist, tritt ein progressives
Ansteigen der Federwirkung, hervorgerufen durch die Verstell-. wirkung, ein. Im
mittleren .Bereich tritt damit keine durch die Unebenheiten der Fahrbahn hervorgerufene
Schwingungserregung ein. Das Fahrzeug bleibt hier vollkommen in Ruhe und wird durch
die Fahrbahnunebenheiten nicht mehr beeinflußt. Wird durch einen stärkeren Stoß,
hervorgerufen durch eine Fahrbahnerhöhung oder Vertiefung, die Mittellage verlassen,
so
tritt, wie schon erwähnt, eine Verstellwirkung ein, die die Federung immer wieder
auf die mittlere Einfederung m zurückführt. Die Einstellung auf die jeweilige ruhende
Belastung R1, R2 usw. bei Belastungsänderung erfolgt im Prinzip genau in der gleichen
Weise, wie vorher schon bei der progressiven Federkennung nach Bild Iob beschrieben.
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Durch die Verwendung einer waagerechten Federkennung ist die absolut
beste Federung erreicht. Es werden hier nicht - wie bei einer normalen Federung
- die harten Stöße hoher Frequenz in weichere Stöße niederer Frequenz umgewandelt,
sondern es werden jegliche Schwingungsbewegungen im mittleren Bereich unterdrückt.
Aber auch bei Überschreiten des mittleren Bereichs treten keine Fahrzeugbewegungen
auf, die mit den bisher üblichen vergleichbar wären. Dadurch, daß im mittleren Bereich
die Federkraft sich nicht ändert, wird jeder von außerhalb des mittleren Bereichs
eingeleiteten vertikalen Fahrzeugschwingung die Tendenz zum Aufschaukeln genommen,
ohne daß hierzu ein Schwingungsdämpfer notwendig wäre.