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Fahrzeugfederung Nach den Erfahrungen im Kraftfahrzeugbau muß die
Eigenschwingungszahl des aus der abgefederten Masse des Fahrzeuges und den Wagenfedern
bestehenden schwingungsfähigen Gebildes innerhalb gewisser, ziemlich enger Grenzen
liegen, damit die Federung den Anforderungen an Bequemlichkeit der Insassen genügt.
Da die Eigenschwingungszahl eine Funktion der Masse und der Federkonstanten ist,
wobei die Federkonstante (Federeinheitskraft) den Federweg in Abhängigkeit von der
Federbelastung bestimmt, läßt sich der günstigste Wert mit einer einfachen Feder
nur für eine bestimmte Masse,, also für einen bestimmten Belastungsgrad des Fahrzeuges
einhalten. Die Nutzlast ist aber in der Regel in weiten Grenzen veränderlich, so
daß sich die gestellte Bedingung nur erfüllen läßt, wenn die Einheitskraft der zunehmenden
Nutzlast entsprechend wächst. Andernfalls verursacht ein von der Fahrbahn ausgehender
Stoß bei einer Nutzlast, die unterhalb des günstigsten Belastungsgrades liegt, einen
zu kleinen Federweg und eine zu hohe Eigenschwingungszahl der abgefederten Masse,
so daß die Federung als zu hart empfunden wird, während sich bei zu großer Nutzlast
die umgekehrte Wirkung ergibt.
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Für eine Wagenfeder, die die Straßenstöße bei jeder Belastung mit
gleicher Weichheit auffängt, d. 1i., bei der sich die Einheitskraft der wechselnden
Belastung
anpaßt und die Eigenschwingungszahl über den ganzen Belastungsbereich konstant bleibt,
erhält man, wenn man im Schaubild die Belastung über dem Federweg aufträgt, als
ideale Kennlinie eine Exponentialkurve, wie sie in Abb. I als Linie k gezeichnet
ist. Insbesondere bei Fahrzeugen mit verhältnismäßig geringem Leergewicht und dementsprechend
hohem Anteil der Nutzlast am Gesamtgewicht, muß man besondere Mittel anwenden, um
eine Federung zu schaffen,, die die hieraus sich ergebenden Anforderungen betriebssicher
erfüllt. Eine Feder, deren Einheitskraft dem stetigen Verlauf der Exponentialkurve
folgt, läßt sich nur für verhältnismäßig kleine Federwege bruchsicher herstellen,
z. B. in Form einer Blattfeder, deren wirksame Federlänge durch Abwälzen auf der
Abstützfläche mit wachsender Durchbiegung verkürzt wird. Für größere Federwege ist
man praktisch auf eine Kombination von Einzelfedern angewiesen, deren Kennlinie
sich der Exponentialfunktion mehr oder weniger stark nähert. Man ordnet zu diesem
Zweck mehrere, und zwar meist zwei oder drei Federn an, von denen die Hauptfeder
dauernd wirksam ist, während sich die zusätzlich angeordneten Federn erst bei zunehmender
Last nacheinander der Hauptfeder hinzuschalten. Um das progressive Ansteigen der
Federkennlinie zu erreichen, werden die Zusatzfedern der Hauptfeder ohne Vorspannung
parallel geschaltet. Bei einer solchen Federung ergibt sich ein aus geraden Stücken
zusammengesetzter gebrochener Linienzug, der sich der Exponentialkurve anschmiegt,
und zwar um so genauer, je mehr Zusatzfedern verwendet werden. Die Annäherung braucht
sich dabei nur über den praktisch in Betracht kommenden Bereich der Kurve zu erstrecken,
der vom Leergewicht des Fahrzeuges bis zur größten vorkommenden Stoßlast reicht.
Außerhalb dieser Grenzen ist der Verlauf der Federkennlinie für die Federungseigenschaften
des Fahrzeuges ohne wesentliche Bedeutung.
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Am, Hand der Abb. I soll zunächst eine aus drei Federn bestehende
progressive Federung erläutert werden. Die ideale Kurve k wird durch drei Linienstücke
AB, BC und CD ersetzt. Oberhalb des Leergewichts Po bis zur größten Stoßlast Pmax,
also in dem praktisch allein bedeutungsvollen Bereich, weicht der Linienzug ABCD
nur unwesentlich von der Idealkurve ab. Die Federung erfüllt daher die obige Bedingung.
Von A bis B ist nur die ständig tragende Hauptfeder wirksam. Bei B
und C schaltet sich je eine Zusatzfeder der Hauptfeder parallel.
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Wie bei der Abwälzfeder, so ist auch bei der Gestaltung solcher kombinierter
Federungen der grundsätzliche Nachteil vorhanden, daß es meist nicht möglich ist,
die erforderliche Durchbiegung der Hauptfeder ohne Überschreitung der durch den
Werkstoff gegebenen Elastizitätsgrenze zu erreichen. In dem erläuterten Beispiel
erstreckt sich der Federweg f der Hauptfeder von A bis E, während
die Federwege der beiden zusätzlichen Federn durch die viel kleineren Strecken
FE und GE dargestellt werden. Die Hauptfeder läßt sich daher in vielen
Fällen überhaupt nicht entwerfen, weil die Bruchsicherheitsgrenze überschritten
wird. Dadurch wird die Möglichkeit, die progressive Federung der Idealkurve bis
herunter zum Leergewicht Po anzugleichen, erheblich eingeschränkt. Infolgedessen
muß man sich mit Rücksicht auf die Beanspruchung der Hauptfeder mit einer zu großen
Federhärte im unteren Belastungsbereich begnügen. In Abb. I würde man z. B. den
Federweg der Hauptfeder entsprechend verkürzen können, wenn man als Kennlinie den
Linienzug HCD zugrunde legt, also nur zwei Federn verwendet, von denen die Hauptfeder
von H bis C allein arbeiten und von C bis D mit einer parallel geschalteten Feder
zusammenwirken würde. Der Federweg der Hauptfeder würde dadurch auf die Strecke
f' verkürzt werden. Doch ergäbe sich unterhalb von B eine mit abnehmender Nutzlast
unerwünscht starke Abweichung von der Idealkurve, also bei leerem: Fahrzeug eine
zu harte Federung.
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Es sind auch sogenannte Doppelfederungen oder Mehrfachfederungen bekannt,
die aus zwei oder mehreren hintereinandergeschalteten Federn bestehen. Meist soll
hierbei die eine als Schraubenfeder gestaltete Feder die kleineren schnellen Fahrbahnstöße
ungedämpft aufnehmen. Bei einer solchen Doppelfederung mit besonderer Eignung für
Schienenfahrzeuge ist die zweite Feder, die erst nach der ersten zur Abfederung
der leeren Fahrzeuge bestimmten Feder wirksam wird, zur Abfederung der Nutzlast
auf deren unterem Grenzwert vorgespannt. Die zweite Feder bleibt bis zur Höchstlast
wirksam.
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Schließlich ist auch eine Stufenfederung bekannt, bei der die Haupttragfedern
sich im unteren Federungsbereich auf Zusatzfedern und im oberen Federungsbereich
auf feste Anschläge des Rahmens abstützen. Hier arbeiten zunächst die nicht unter
Vorspannung stehenden Zusatzfedern mit den Hauptfedern zusammen, bis bei einer bestimmten
Belastung die Hauptfedern auf die festen Anschläge des Rahmens auftreffen, wodurch
die Zusatzfedern ausgeschaltet werden und die Hauptfedern die ganze Last aufnehmen.
Die Anschläge sind dabei verstellbar, so daß die Größe der Belastung, bei welcher
die Zusatzfedern abgeschaltet werden, innerhalb gewisser Grenzen verändert werden
kann. Diese Federung arbeitet zunächst weich, nach Abschalten der Zusatzfeder aber
hart. Die Kennlinie dieser Federung nähert sich zwar der Ideaelkurve mehr als diejenige
der anderen bekannten Federungen, bei ihr ist aber der Federweg der Hauptfeder verhältnismäßig
groß.
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Die Erfindung bezweckt, eine Fahrzeugfederung zu schaffen, bei welcher
die Idealkurve im ganzen praktisch wichtigen Bereich so genau eingehalten wird"
wie es beim LinienzugABCD der Abb. i der Fall ist, und der Federweg auf ein Maß
verkürzt ist, welches der Strecke f' entspricht, so daß eine Überbeanspruchung der
Hauptfeder vermieden ist und ihre Berechnung auf keine Schwierigkeiten stößt. Ausgangspunkt
dafür bildet die bekannte Fahrzeugfederung mit einer Hauptfeder und mindestens
einer
mit dieser in Reihe geschalteten Hilfsfeder, deren Weg bei einer bestimmten Belastung
des Fahrzeuges durch Festpunkt begrenzt ist, so daß bei weiterer Belastung die Hauptfeder
allein wirksam ist. Während bei den bekannten Fahrzeugfederungen dieser Art die
Hilfsfeder mit der Hauptfeder vorn Beginn an zusammenarbeitet, also auch bei unbelastetem
Fahrzeug, wird gemäß der Erfindung die Hilfsfeder erst dann automatisch zugeschaltet,
wenn das Fahrzeug belastet ist. Zu diesem Zweck ist der Hilfsfeder in an sich bekannter
Weise eine dem Leergewicht des Fahrzeuges entsprechende Vorspannung gegeben. Weiter
wird eine Hauptfeder verwendet, die bei unbelastetem Fahrzeug nachgiebiger ist als
die vorgespannte Hilfsfeder, und wird schließlich der Federweg der Hilfsfeder auch
bei der Entlastung des Fahrzeuges durch Festpunkt begrenzt. Dabei ergibt sich, daß
bei nicht belastetem Fahrzeug, für die Einfederung allein die Hauptfeder wirksam
ist, sich bei einer entsprechenden Belastung des Fahrzeuges die Hilfsfeder zuschaltet
und schließlich von einer bestimmten Belastung ab die Hauptfeder wieder allein wirksam
wird. Gegenüber den bekannten Fahrzeugfederungen, bei welchen eine mit der Hauptfeder
in Reihe geschaltete Hilfsfeder mit einer dem Leergewicht des Fahrzeuges entsprechenden
Vorspannung unterscheidet sich die Federung gemäß der Erfindung dadurch, daß die
Hilfsfeder, welche bei der bekannten Federung der obengenannten Art nach dem Zuschalten
bis zum Schluß mit der Hauptfeder zusammenarbeitet, im vorliegenden Falle, bei Erreichen
einer bestimmten Belastung, wieder ausgeschaltet wird, damit von diesem Belastungspunkt
an die Hauptfeder wieder allein wirksam wird. Das grundsätzlich Neue ist mithin
darin zu erblicken, daß die Zusatzfeder von einem bestimmten Punkt der Gesamtfederung
an zugeschaltet und an einem bestimmten Punkt wieder abgeschaltet wird.
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Bei der bekannten, den Ausgangspunkt der Erfindung bildenden Fahrzeugfederung
kann der den Weg der Hilfsfeder bei einer bestimmten Belastung des Fahrzeuges begrenzende
Festpunkt verstellt werden. Sinngemäß wird bei der Fahrzeugfederung gemäß der Erfindung
der den Weg der Hilfsfeder bei einer Entlastung des Fahrzeuges ausschaltende Festpunkt
einstellbar gemacht. Damit wird auch der Zeitpunkt geändert, an welchem bei Belastung
des Fahrzeuges die Zusammenarbeit von Hauptfeder und Hilfsfeder beginnt.
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Die Federung nach. der Erfindung ist in verschiedenen Stellungen in
Abb. 2 als Kombination von Schraubenfedern schematisch dargestellt, Die in Abb.
I gewählten Federnwegverhältnisse sind maßstäblich verkleinert übernommen. Zwischen
einem an der Achse I sitzenden Teller 2 und einem Teller 3 liegt eine Hauptfeder
4, die bei vollständiger Entlastung der Achse (P = O) vollständig entspannt ist.
Der Teller 3 kann sich in einem mit der Masse des Fahrzeuges, z. B. mit dem Fahrgestellrahm.en.,
verbundenen Gehäuse 5 zwischen festen Anschlägen 6 und 7 bewegen. Das Gehäuse enthält
eine Hilfsfeder 8, die so stark vorgespannt ist, wie es dem Leergewicht P0 entspricht,
und die Zwischenfeder in obigem Sinne bildet. Durch die Vorspannung wird der Teller
3 gegen den Anschlag 6 gedrückt, solange die Belastung kleiner ist als Po. Für die
Anpassung der Kennlinie an die Idealkurve im oberen Belastungsbereich trägt der
Teller 2 noch eine aus zwei Einzelfedern bestehende dritte Feder 9, die bei entlasteter
Achse entspannt und vorerst unwirksam ist. Wie ersichtlich, ist die Zwischenfeder
8 im Wirkungsbereich der Hauptfeder zwischengeschaltet (Hintereinanderschaltung),
während die Zusatzfeder 9 der Hauptfeder parallel geschaltet ist.
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In Abb. 2 sind die einzelnen Stellungen mit den Buchstaben der ihnen
entsprechenden Punkte im Schaubild der Abb. I bezeichnet. Bei vollständig entlasteter
Achse I sind die Federn 4 und 9 entspannt. Mit zunehmender Belastung wird zunächst
nur die Hauptfeder 4 zusammengedrückt, bis das Leergewicht P0 erreicht ist (Belastungsgrad
M). Dabei ist der Federweg a zurückgelegt worden. Die Vorspannung der Zwischenfeder
8 wird nunmehr überwunden, und die beiden hintereinanderliegenden Federn 4 und 8
werden gleichzeitig zusammengedrückt. Eine Zwischenstellung zeigt z. B. der Belastungsgrad
N. Der gesamte Federweg nimmt vom Belastungsgrad M an wegen der Mitwirkung der sich
auf die Hauptfeder 4 abstützenden Feder 8 stärker zu als im Abschnitt
LM und steigt bis zum Punkt B um die Strecke b. Dabei ist im gezeichneten
Beispiel die halbe Nutzlast P1 erreicht. Nunmehr legt sich der Teller 3 an den oberen
Anschlag 7, so daß die Zwischenfeder 8 wieder ausgeschaltet wird und der Federweg
sich oberhalb B wieder in dem gleichen geringeren Maß der Strecke LILI ändert. Die
Linienstücke LM und BC sind also einander parallel. Beim Erreichen der Stellung
C nach Überschreitung der vollen Nutzlast P2 wird die Zusatzfeder g durch Anschlagen
bei 6 wirksam und schaltet sich wie bei den. vorbekannten progressiven Federungen
der Hauptfeder q. parallel. Der Federweg ist vorher von B bis C um die Strecke c
gestiegen. Nunmehr nimmt er in noch geringerem Maße zu, bis mit Punkt D die Stellung
für P"", erreicht ist. Hierbei ist der Federweg von C bis D um die Strecke
d gewachsen.
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Die so entstandene stark ausgezogene Kennlinie LMBCD stimmt mit der
eingangs behandelten Linie ABCD im Bereich oberhalb des Leergewichts vollkommen
überein, hat also die gleich gute Annäherung an die Idealkurve k. Die Hauptfeder
4 hat sich aber dabei ebenso verhalten wie in dem zweiten obenerwähnten Fall, der
der Kennlinie HCD mit zwei parallel geschalteten Federn entspricht. Ihr eigener
Federweg ist gleich der Strecke f', so daß eine Überbeanspruchung vermieden wird.
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Man kann diesen Vorteil insbesondere in der Weise ausnutzen, daß man
entweder bei gegebener Höchstbeanspruchung des Federwerkstoffes eine weiter nach
unten reichende Anpassung der wirklichen Kennlinie an die Idealkurve erreicht, oder
daß
man, wenn eine ausreichende Anpassung bereits vorhanden ist, die größte tatsächliche
Beanspruchung der Hauptfeder niedriger hält und damit die Betriebssicherheit der
Federung wesentlich vergrößert. Der Punkt M braucht hierbei naturgemäß nicht genau
mit dem Leergewicht P0 zusammenzufallen. Es genügt, wenn er wenigstens ungefähr
in der Höhe von P0 liegt.
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Bei weniger großen Anforderungen an die Anpassung der Kennlinien und
ferner bei Fahrzeugen, bei denen das Verhältnis zwischen Pmax und P0 kleiner ist,
genügt in vielen Fällen eine weniger feine Abstufung. Man kann dann auf die Federn
9 verzichten und würde, wenn Pmax nicht wesentlich höher liegt als Punkt C, noch
immer eine brauchbare Annäherung an die Idealkurve erhalten.
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Andererseits sind Anwendungsfälle denkbar, bei denen es sich empfiehlt,
an Stelle einer einzigen vorgespannten Zwischenfeder 8 mehrere Federn dieser Art
anzuordnen. Dadurch kann man die erstrebte Wirkung noch verbessern, etwa in der
Weise, daß man die Zwischenfedern sich etwa gleichzeitig einschalten und nacheinander
ausschalten läßt. In diesem Fall kann der Knickpunkt M beliebig weit auf der Kennlinie
k in den niedrigeren Belastungsbereich vorverlegt werden., während die Ausschaltpunkte
der einzelnen Zwischenfedern eine weitgehende Anschmiegung der stufenförmigen Kennlinie
an die Idealkurve gestatten.
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Die weiteren Abbildungen zeigen einige im Fahrzeugbau anwendbare Ausführungsformen
der Erfindung, bei denen je nach Zweckmäßigkeit verschiedene Federarten (Blattfedern,
Schraubenfedern und Drehstabfedern) miteinander kombiniert sind. Die zweckmäßige
Auswahl der Federart wird sich nach den jeweiligen baulichen Umständen richten,
und zwar unter Berücksichtigung der Tatsache, daß Blattfedern gegenüber Schraubenfedern
und Drehstäben eine oft erwünschte Eigenreibung, d. h. Eigendämpfung besitzen. Die
Federung ist in allen folgenden Beispielen in einer dem Punkt X
(Abb. 2) entsprechenden
Stellung, bei der die zwischengeschaltete Zusatzfeder zwischen den Anschlägen spielt,
gezeichnet.
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Die Ausführung nach Abb. 3 entspricht nach Federzahl und Wirkung dem
Schema nach Abb. 2 und hat die Kennlinie LMBCD. Die Blattfeder 4 ist die an die
Achse I angeschlossene Hauptfeder. Die vorgespannten Zwischenfedern 8 sind Schraubenfedern.,
deren unterer Teller 3 sich zwischen den Anschlägen 6 und 7 bewegen kann. Die Anschläge
sind einstellbar und können mit Gummipuffern versehen werden. Die Vorspannung kann
durch den einstellbaren Gegenteller Io im Gehäuse 5 eingestellt werden. Die Blattfeder
9 stellt eine Zusatzfeder in dem oben angegebenen Sinne dar und schaltet sich der
Hauptfeder 4 parallel, wenn sie bei einer bestimmten. gemeinsamen Durchfederung
der Federn 4 und 8 auf die Anschläge II trifft. In Abb. I und 2 entspricht diese
Stellung dem Punkt C.
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Bei einem noch ungünstigeren Verhältnis von Pmax zu P0 kann man gemäß
Abb. 4 die Stufenzahl durch eine weitere Zusatzfeder 12, für die in dem gezeichneten
Beispiel wiederum eine Blattfeder angenommen ist, erhöhen. Diese Feder schaltet
sich den Federn 4 und 9 parallel, wenn sie auf ihre Anschläge 13 trifft. Die vorgespannte
Zwischenfeder 8, die in Abb. 3 an beiden Enden der Hauptfeder 4 angeordnet ist,
befindet sich in diesem Beispiel nur auf einer Seite, während das andere Ende 14
der Hauptfeder 4. am Fahrzeugrahmen schwenkbar angelenkt ist. Diese Bauart kommt
bei Wagenfedern in Frage, die den Schub der angetriebenen Räder auf den Fahrzeugrahmen
zu übertragen haben. Zur Verbindung der Federn q. und 8 dient im Beispiel der Abb.
q. ein Winkelhebel 15, der bei 16 drehbar am Fahrzeugrahmen angelenkt ist und mit
den Anschlägen 6 und 7 den Federungsbereich der Zwischenfeder 8 begrenzt.
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Umgekehrt genügt, wie oben dargelegt wurde, für ein günstigeres Verhältnis
von Pmax zu Po eine Bauart ohne die Zusatzfeder 9, z. B. gemäß Abb. 5 und
6.
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In Abb. 5 wird die vorgespannte Zwischenfeder 8 von einem Drehstab
gebildet, dessen der Zeichenebene abgekehrtes, nicht sichtbares Ende am Rahmen eingespannt
ist. Zur Verbindung mit der Hauptfederq., die in diesem Beispiel als Schraubenfeder
dargestellt ist, dient ein am vorderen, sichtbaren Ende des Drehstabes sitzender
Hebel 16, der sich zwischen den- Anschlägen 6 und 7 bewegt.
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Die Ausschaltung der Zwischenfeder durch den Anschlag 7 liefert die-Anpassung
der Kennlinie an die Idealkurve im Bereich oberhalb des Leergewichts. Eine gleichartige
Kennlinie kann man aber auch ohne Wiederausschaltung der Zwischenfeder 8 erhalten,
indem man z. B. in Abb. 3 die Anschläge 7 fortläßt und sich mit dem Knick der Kennlinie
begnügt, den man durch die Zusatzfeder 9 ,erhält. Wegendes geringen. Aufwandes bei
gleicher Wirkung verdient jedoch eine Bauart, die gemäß Abb. 5 und 6 mit insgesamt
zwei Federn auskommt, den Vorzug.
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In Abb. 6 sitzt im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Ausführungen
die Hauptfeder q. in Form einer Blattfeder mit dem Mittelteil am Rahmen. Die vorgespannte
Zwischenfeder 8 ist zwischen dem Achsschenkel r des gezeichneten, lenkbaren vorderen
Rades und die Hauptfeder geschaltet. Für die Abfederung ist diese Vertauschung der
Federn bedeutungslos, da die Anordnung der vorgespannten Zusatzfeder 8 lediglich
von der Bauart abhängt. Die Anschläge werden in Abb. 6 durch die Begrenzung der
Bewegungen des Achsschenkels nach oben und unten gebildet.