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Die Erfindung betrifft eine Luftfeder mit einem zwischen einem Luftfederkolben und einem Luftfederdeckel eingespannten Luftfederrollbalg aus elastomerem Material, wobei der Luftfederrollbalg unter Befüllung mit Druckluft eine im Wesentlichen zylindrische Arbeitskammer mit einer bei Ein- und Ausfederung am Luftfederkolben abrollenden Rollfalte ausbildet, mit in das elastomere Material eingebetteten Festigkeitsträgern versehen ist und auf seiner Außenseite eine Schutzschicht aus einer textilen Struktur aufweist, die sich mindestens teilweise über seine radial äußere Mantelflächen erstreckt
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Solche Luftfedern sind bekannt uns werden häufig für Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Eisenbahnwagons eingesetzt. Auch sind Anwendungen im Bereich von Maschinen- oder Fundamentlagerungen bekannt.
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Ein Luftfederrollbalg für eine solche Luftfeder eines Personenkraftwagens besteht in der Regel aus Elastomerwerkstoffen mit Verstärkungselementen. Ein Luftfederrollbalg wird zunächst als zylindrischer Körper aus mehreren Gummilagen und Lagen von – teilweise gummierten – Festigkeitsträgern so konfektioniert, d.h. zusammengebaut, dass ein Schlauch mit ggf. mehreren im Gummi eingebundenen Lagen von Festigkeitsträgern entsteht. Die Festigkeitsträger sind in ihren Lagen in einem Winkel von etwa 53°, nämlich im sogenannten Fadenwinkel zur Achsnormalen des zylindrischen Körpers ausgerichtet. Dabei sind weiterhin oft die Festigkeitsträger in benachbarten Lagen zueinander gekreuzt angeordnet, also einmal zur einen und einmal zur anderen Seite bezogen auf die Achse winklig ausgerichtet und bilden so eine so genannte Fadenraute. In einer Abwicklung der Festigkeitsträgerlagen des Zylinders ergäbe sich dann also eine gekreuzte Anordnung der Festigkeitsträger, die bei z.B. bei nur zwei Festigkeitsträgerlagen einem Jägerzaun ähneln würde.
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Der Fadenwinkel lässt sich, wie bereits angedeutet, in Bezug auf die Achse unterschiedlich definieren, wird aber hier als der Winkel verstanden, der sich zwischen der Senkrechten, d.h. der Normalen zur Balgachse und den Festigkeitsträgern ergibt. Ein großer Winkel würde dann im Extremfall 90° erreichen können, womit die Festigkeitsträger einer solchen Lage parallel zur Balgachse liefen, während ein kleiner Winkel höchsten 0° erreichen könnte und die Festigkeitsträger einer solchen Lage somit senkrecht die Balgachse kreuzen würden.
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Nach der Konfektion wird der Rollbalg konisch aufgeweitet und vulkanisiert. Bei diesem Herstellungsschritt werden auch die unterschiedlichen Durchmesser erzeugt und durch den in der Wärme erfolgende Vulkanisationsprozess fixiert.
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Besonders aufgrund der hohen Qualität der zum Einsatz kommenden Werkstoffe, insbesondere der Festigkeitsträger, wird die Lebensdauer eines Luftfederrollbalges der genannten Art häufig nicht durch den Bruch eines Festigkeitsträgers, sondern durch den Verschleiß der Balgwand bestimmt. Die Balgwand ist durch die Rollbewegung und durch das gleichzeitige Auffangen von Querkräften erheblichen Belastungen ausgesetzt.
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Es ist daher bekannt, die Balgwand mit verschiedenen Stoffen zu beschichten, die die Gleitfähigkeit der Oberfläche verbessern
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In der
DE 10 2004 007 332 A1 ist eine Luftfeder offenbart, bei der der Luftfederbalg mit einem Gleitmittel beschichtet ist, das die Haftfähigkeit von Schmutz auf der Balgaußenwand herabsetzen soll. Das Gleitmittel kann dabei bereits bei der Vulkanisation, aber auch nach Fertigstellung des Balges aufgebracht werden.
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Von dieser Beschichtung ist jedoch eine dauerhaft verschleißmindernde Wirkung nicht zu erwarten, da hier zwar die Reibung herabgesetzt wird, ein weitergehender mechanischer Schutz der Balgwand aber nicht gegeben ist.
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Die
EP 1 843 060 A1 offenbart eine gattungsgemäße Luftfeder, bei der der Luftfederbalg auf mindestens einer seiner radialen Mantelflächen eine sich über die Mantelfläche erstreckende Schutzschicht aus einer textilen Struktur aufweist, die als Kettwirkware ausgebildet ist. Die Herstellung einer solchen Kettwirkware mit ihrer aufwendigen Vermaschung ist jedoch nicht einfach und relativ teuer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Luftfeder der eingangs geschilderten Art zu schaffen, bei der ein Schutz gegen mechanischen Verschleiß durch möglichst einfache und kostengünstige Maßnahmen erreicht, die Herstellung vereinfacht und bei der eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Lebensdauer bei gleichen Belastungskollektiven erreicht wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Dabei ist die textile Struktur als Gewebe aus dehnbaren und im Wesentlichen rechtwinklig zueinander verlaufenden Kett- und Schussfäden ausgebildet, wobei die/der Schussfaden eine größere Dehnbarkeit aufweist als die/der Kettfaden und bei der die Kettfäden in Längsrichtung des Luftfederrollbalg, d.h. im Wesentlichen in Rollrichtung der Rollfalte und die Schussfäden im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Luftfederrollbalg ausgerichtet sind.
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Eine derartige textile Struktur hat den Vorteil, dass die gesamte elastomere Mantelfläche gegen äußere Einflüsse sehr gut geschützt ist, insbesondere in den Abrollbereichen. Derartig einfache, aus Kette und Schussfäden bestehende Strukturen lassen sich verhältnismäßig einfach herstellen und aufbringen und vorzugsweise durch einen Vulkanisationsvorgang sicher und unlösbar mit der elastomeren Balgwand verbinden.
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Die äußere Gewebestruktur stützt den Aufbau des Luftfederrollbalgs in Längsrichtung. Gleichzeitig erleichtert sie das Abrollen des Balges auf dem Luftfederkolben. Beides führt dazu, dass Bälge mit der erfindungsgemäßen äußeren Gewebestruktur wesentlich länger halten.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass der Kettfaden des Gewebes eine Dehnbarkeit von 15 bis 18 % seiner Ursprungslänge aufweist und der Schussfaden eine Dehnbarkeit von 40 bis 150 % seiner Ursprungslänge.
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Ein derartig in elastisch richtungsmäßig unterschiedlich ausgebildetes Gewebe eignet sich überraschenderweise gut für die Beschichtung von Luftfederbälgen, da die so ausgebildete unterschiedliche Dehnbarkeit von Kette und Schuss zu einer besonders guten Verformbarkeit bei der Bildung einer Rollfalte führt und dadurch die Bewegungsfähigkeit des Luftfederbalges beim Abrollen auf dem Luftfederkolben nicht einschränkt.
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Der Aufbau aus zwei solcherart verschieden dehnfähigen Fäden, von denen das eine dehnfähiger als das andere ist, gewährleistet darüber hinaus eine gute Herstellbarkeit des Gewebes.
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Eine weitere vorteilhafte, weil besonders einfach herzustellende Ausbildung besteht darin, dass die erhöhte Dehnbarkeit des Schussfadens durch eine im Unterschied zum Kettfaden auf der Außenseite des Schussfadens vorgesehene Texturierung, also z.B. durch eine Strukturierung, Riffelung, Prägung erzeugt wird. Diese Ausbildung kann auch bei an sich unterschiedlich dehnfähigen Materialien dazu dienen, den Unterschied in der Dehnbarkeit weiter zu vergrößern.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die in das elastomere Material eingebetteten Festigkeitsträger rautenförmig gekreuzt ausgebildet sind und die Kettfäden des Gewebes im Wesentlichen mittig durch die Fadenrauten der gekreuzten Gewebelagen verlaufen. In einem Versuch wurde ein zylindrischer Schlauchrollbalg mit der so ausgebildeten textilen Struktur versehen und absolvierte in einem Prüfstandsversuch überraschenderweise mehr als doppelt so viele Lastwechsel wie der beste bis dato geprüfte Standardbalg desselben Typs. Dieses überraschend gute Ergebnis im Lebensdauertest ist dadurch erklärbar, dass einerseits natürlich im Inneren der Balgwand die Fäden der beiden kreuzweise angeordneten Gewebelagen, die die sogenannten Fadenrauten bilden, die Zugkräfte innerhalb der Balgwand aufnehmen, und das die äußeren Kettfäden einen Teil der inneren Spannungen in dem Elastomer, das die Fadenrauten umgibt, aufnehmen können. Durch diese Entlastung, vor allem bei dynamischer Beanspruchung, erhöht sich die Lebensdauer des Luftfederbalges enorm. Dies wird natürlich durch eine weitere vorteilhafte Ausbildung begünstigt, die darin besteht, dass das Gewebe auf der Außenseite des Luftfederrollbalgs einvulkanisiert ist.
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Eine besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Luftfeder besteht darin, dass die textile Struktur als räumlich geformter zylindrisch oder konisch ausgebildeter Gewebekörper vor der Vulkanisation auf die Außenoberfläche des Luftfederrollbalgs aufgebracht wird. Durch eine solche Vorfertigung erleichtert sich die Herstellung schon dadurch, dass der übliche Herstellungsprozess nicht verändert, sondern nur durch eine „Nebenlinie“ ergänzt werden muss.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, dass der mittlere Durchmesser des räumlich geformten Gewebekörpers geringer ausgebildet ist als der Außendurchmesser des Luftfederrollbalgs und unter Spannung auf den Luftfederrollbalg aufgezogen wird, also etwa wie ein Stützstrumpf. Dies verbessert die Anpassung der textilen Struktur/des Gewebes an den Luftfederbalg. So kann die textile Struktur vor der Vulkanisation wie ein elastischer Strumpf über den Luftfederbalg gezogen werden. Dieser Strumpf wird so ausgerichtet, dass die Fäden mit geringer Dehnung in Richtung der Rollbewegung des Federbalges (Längsrichtung) verlaufen und die Fäden mit großer Dehnung senkrecht dazu (in Umfangsrichtung). Da der Durchmesser des Strumpfes kleiner ist als der Außendurchmesser des Luftfederbalges, werden die Fäden in Umfangsrichtung leicht dabei vorgespannt und während der Vulkanisation sicher in die Elastomermatrix eingebunden.
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Im Sinne einer einfachen Vorkonfektionierung besteht eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens darin, dass der räumliche geformte Gewebekörper vor dem Aufbringen auf den Luftfederrollbalgs aus einem flächigen Zuschnitt des Gewebes hergestellt wird, vorzugsweise aus einem rechteckigen, rhombus- oder trapezförmigen Zuschnitt, indem zwei gegenüberliegende Kanten des Zuschnitts miteinander verbunden werden, z. B. durch Ultraschall-Schweißen, Kleben, Vernähen etc.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens besteht darin, dass der räumliche geformte Gewebekörper vor dem Aufbringen auf den Luftfederrollbalgs () mit einer Haftlösung behandelt wird, vorzugsweise mit einer Lösung aus lsocyanat und Toluol. Dies geschieht, um die Haftung der textilen Struktur an dem Außengummi des Luftfederbalges zu gewährleisten. Die Weiterverarbeitung erfolgt dann erst, wenn das Gewebe getrocknet ist.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
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1 einen erfindungsgemäße Luftfeder im Schnitt
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2 die auf der Außenseite der Luftfeder gemäß 1 aufgebrachte Schutzschicht aus einer textilen Struktur
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3 skizzenartig die Herstellung der textilen Struktur nach 2
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4 einen Luftfederrollbalg einer erfindungsgemäßen Luftfeder im noch nicht eingebauten Zustand direkt nach der Herstellung
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5 als Prinzipskizze die relative Lage von Kettfäden und Schussfäden und rautenförmig gekreuzt eingebetteten Festigkeitsträgern am Körper eines Luftfederrollbalgs einer Luftfeder nach 1
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6 als Prinzipskizze die relative Lage von Kettfäden und Schussfäden und rautenförmig gekreuzt eingebetteten Festigkeitsträgern in der Rollfalte eines Luftfederrollbalgs einer Luftfeder nach 1
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In der 1 ist eine Luftfeder 1 mit einem Luftfederrollbalg 2 dargestellt. Der Luftfederrollbalg 2 ist aus elastomerem Werkstoff gebildet und ist an seinem ersten axialen Ende an einem Luftfederdeckel 3 mittels eines Spannringes 4 gasdicht befestigt und an seinem zweiten axialen Ende an einem Luftfederkolben oder auch Abrollkolben 5 ebenfalls mit einem Spannring 6 gasdicht befestigt. Der Abrollkolben 5 ist dabei so angeordnet, dass er mit seinem dem zweiten Ende des Luftfederbalges 2 zugeordneten Ende in das Innere 7 des Luftfederbalges 2 hineinragt und der Luftfederrollbalg 2 in bekannter Weise eine Rollfalte 8 bildet, die sich bei Relativbewegungen zwischen Luftfederdeckel 3 und Abrollkolben 5 längs der Hauptachse der Luftfeder 1 auf der äußeren Mantelfläche 9 des Abrollkolbens 5 abrollt.
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Der Luftfederdeckel 3 ist an einer nicht genauer dargestellten Karosserie 10 und der Abrollkolben 5 an einem nicht genauer dargestellten Fahrwerksteil 11 eines nicht gezeigten Fahrzeuges befestigt.
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Der Luftfederrollbalg 2 weist auf seiner äußeren radialen Mantelfläche 12 eine textile Struktur in Form eines Gewebes 13 auf, das sich über die gesamte Mantelfläche 12 erstreckt. Das Gewebe 13 ist durch Vulkanisation mit dem elastomeren Werkstoff des Luftfederbalges 2 fest verbunden ist. Die erfindungsgemäß unterschiedliche Dehnungsfähigkeit von Kett- und Schussfäden der textilen Struktur 13 ermöglicht eine gute Verformung der Schutzschicht auch in der Rollfalte 8.
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2 zeigt die textile Struktur 13 als Gewebe aus dehnbaren und im Wesentlichen rechtwinklig zueinander verlaufenden Kett- und Schussfäden 14 und 15. Die Schussfaden 15 weisen eine größere Dehnbarkeit/Dehnfähigkeit aufweist als die Kettfaden 14. Die Kettfäden 14 sind in Längsrichtung des Luftfederrollbalgs 2, d.h. im Wesentlichen in Rollrichtung der Rollfalte 8 und die Schussfäden im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Luftfederrollbalg 2 ausgerichtet sind. Die hier gezeigten Kettfäden 14 des Gewebes 13 weisen eine Dehnbarkeit von 18% ihrer Ursprungslänge auf und die Schussfaden 15 eine Dehnbarkeit 120 % ihrer Ursprungslänge.
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3 zeigt skizzenartig die Herstellung der textilen Struktur bzw. des Gewebes 13 als räumlich geformten zylindrisch ausgebildeten Gewebekörper 16, der aus einem hier rechteckigen Zuschnitt 17 entsteht, indem zwei gegenüberliegende Kanten 18 und 19 des Zuschnitts 16 miteinander durch Kleben verbunden werden.
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4 zeigt noch einmal einen Luftfederrollbalg 2 im noch nicht eingebauten Zustand direkt nach der Herstellung. Hier sind prinzipiell die Richtungen eingezeichnet, in der Kett- und Schussfäden 14 und 15 relativ zum Luftfederrollbalg 2 angeordnet sind, nämlich Kettfäden 14 in Längsrichtung 20 des Luftfederrollbalg 2, d.h. im Wesentlichen in Rollrichtung der Rollfalte 8 und die Schussfäden 15 im Wesentlichen in Umfangsrichtung 21 des Luftfederrollbalg 2.
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5 und 6 zeigen als Prinzipskizzen die relative Lage von Kettfäden 14 und Schussfäden 15 und rautenförmig gekreuzt eingebetteten Festigkeitsträgern 22 und 23 zueinander. Die Kettfäden 14 des Gewebes verlaufen im Wesentlichen mittig durch die Fadenrauten der gekreuzten Gewebelagen aus Festigkeitsträgern 22 und 23.
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5 zeigt dabei den nur durch Innendruck belasteten Zustand des Luftfederrollbalgs 2, während 6 den zusätzlich gedehnten Zustand in der Rollfalte darstellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftfeder
- 2
- Luftfederrollbalg
- 3
- Luftfederdeckel
- 4
- Spannring
- 5
- Abrollkolben / Luftfederkolben
- 6
- Spannring
- 7
- Innenraum des Luftfederrollbalgs, Arbeitskammer
- 8
- Rollfalte
- 9
- Mantelfläche des Kolbens 5
- 10
- Karosserie
- 11
- Fahrwerksteil
- 12
- äußere radiale Mantelfläche des Luftfederrollbalgs
- 13
- textile Struktur bzw. Gewebe
- 14
- Kettfaden
- 15
- Schussfaden
- 16
- zylindrisch ausgebildeten Gewebekörper
- 17
- rechteckiger Zuschnitt
- 18
- Kante
- 19
- Kante
- 20
- Längsrichtung des Luftfederrollbalgs
- 21
- Umfangsrichtung des Luftfederrollbalgs
- 22
- Festigkeitsträger
- 23
- Festigkeitsträger
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004007332 A1 [0008]
- EP 1843060 A1 [0010]
