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Die Erfindung betrifft eine Federbaugruppe mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 mit einer sich entlang der Fahrzeug-Längsachse erstreckenden Blattfeder, die eine Fahrzeugachse trägt und die an einem vorderen Ende sowie an einem hinteren Ende wenigstens indirekt mit einem Fahrzeugaufbau verbunden ist.
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Mit der
DE 10 2009 054 458 A1 wird eine Anordnungsstruktur in Sandwichbauweise und deren Anwendung mit zumindest zwei Deckschichten vorgeschlagen, zwischen denen zumindest eine Füllung vorgesehen ist, wobei zumindest teilweise als Füllung wenigstens ein Funktionswerkstoff vorgesehen ist. Die Struktur kann als Querblattfeder ausgebildet sein.
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In der Radaufhängung moderner Kraftfahrzeuge werden unterschiedliche Typen von Federn eingesetzt, über die der eigentliche Fahrzeugaufbau mit den Rädern des Fahrzeugs verbunden ist. Dabei werden neben Spiralfedern u.a. auch Blattfedern eingesetzt, insbesondere bei Starrachsen. Eine derartige Blattfeder erstreckt sich entlang der Längsachse des Fahrzeugs und weist in aller Regel eine konkave Form auf, bspw. nach Art einer Parabel. Neben Blattfedern aus Federstahl kommen teilweise auch Blattfedern aus Verbundwerkstoff, bspw. faserverstärktem Kunststoff, zum Einsatz. Es können einzelne Federn oder auch Federpakete aus zwei oder mehr Federn eingesetzt werden. Die wenigstens eine Feder wird normalerweise in einem mittleren Bereich über eine Spannvorrichtung, bspw. mit Federbriden, mit der zu federnden Achse verbunden.
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Dabei ist es üblich, dass der Fahrzeugaufbau mit der gefederten Achse außerdem über Stoßdämpfer verbunden ist, die ein unerwünschtes Schwingungsverhalten des Fahrzeugaufbaus gegen die Fahrzeugachse verhindern sollen. Derartige Stoßdämpfer sind normalerweise als Teleskopdämpfer ausgebildet, bei denen ein Kolben innerhalb eines Zylinders arbeitet. Üblicherweise handelt es sich um hydraulische Dämpfer, bei denen der Zylinder teilweise flüssigkeitsgefüllt ist, daneben sind aber auch bspw. Luftfederdämpfer bekannt. Derartige Stoßdämpfer funktionieren im Prinzip zuverlässig, tragen aber zur Erhöhung des Gesamtgewichts bei und verkomplizieren den Aufbau des Fahrzeugs, was sich auf den Montage- und Wartungsaufwand auswirkt.
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Mit der
DE 101 41 432 A1 soll eine Faserverbund-Blattfeder preiswert hergestellt werden. Zudem soll die Feder möglichst auch gewichts- bzw. volumen-optimiert sein. Die Blattfeder besteht aus mindestens zwei Federelementen, die aus Faserverbundkunststoff im Strangpressverfahren geradlinig und mit rechteckigem Querschnitt hergestellt sind. Alternativ können die FVK-Federelemente im Wickelverfahren bereits kreisbogenförmig hergestellt sein. Diese so hergestellten Federelemente werden vorzugsweise gegenläufig kreis- oder parabelförmig, d. h. bikonvex, gekrümmt und in diesem Zustand mittels Verbindungselementen, die schräg geneigte Schlitze aufweisen, gehaltert. Sowohl zwei mittig auf den Federelementen angebrachte Krafteinleitungsbauteile als auch die beiden Verbindungselemente sind so gestaltet, dass keine oder nur geringe Spannungs- /Dehnungsüberhöhungen auftreten.
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Die
DE 10 2013 107 889 A1 betrifft eine Blattfederanordnung für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs, umfassend: eine Blattfeder aus faserverstärktem Kunststoffmaterial zur federnden Abstützung eines Radträgers des Kraftfahrzeugs, wobei die Blattfeder einen ersten Endabschnitt, einen Federungsabschnitt, einen Biegeabschnitt und einen zweiten Endabschnitt aufweist; eine erste Aufnahmevorrichtung zur Lagerung des ersten Endabschnitts ; eine zweite Aufnahmevorrichtung zur Lagerung des zweiten Endabschnitts; wobei die erste Aufnahmevorrichtung und die zweite Aufnahmevorrichtung derart gestaltet sind, dass der erste Endabschnitt und der zweite Endabschnitt verschiebungsfest relativ zueinander gehalten sind; wobei zumindest eine der ersten und zweiten Aufnahmevorrichtungen derart gestaltet ist, dass der jeweils zugehörige Endabschnitt momentenfrei in der Aufnahmevorrichtung gelagert ist; wobei der Federungsabschnitt durch vom Radträger eingeleitete Vertikalkräfte auf Zug belastet wird; und wobei der Biegeabschnitt bei Zugbelastung des Federungsabschnitts auf Biegung belastet wird.
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Die
US 6 012 709 A offenbart eine Blattfeder in Hybrid-Bauweise, die ein nichtelastomeres primäres Blattelement aufweist, das an einem Fahrzeugrahmen befestigt wird. Weiterhin weist die Blattfeder wenigstens eine Schicht eines nichtelastomeren Kompositmaterials auf, dessen Elastizitätsmodul sich von dem des primären Blattelements unterscheidet. Diese Schicht ist mit dem primären Blattelement verbunden. Durch das Vorsehen unterschiedlicher Schichten sollen u.a. die Dämpfungseigenschaften der Blattfeder beeinflusst werden.
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Das Dokument von S. C. Saddu, V.V. Shinde: „Modelling and Analysis of Composite as an Alternative Material for Leaf Spring“, IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, beschreibt Zusammensetzung und Eigenschaften unterschiedlicher Blattfedern aus Komposit-Material. Daraus geht u.a. hervor, dass derartige Blattfedern neben federnden Eigenschaften auch dämpfende Eigenschaften haben.
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Aus der
DE 103 52 315 A1 ist ein Feder-/Dämpferelement mit mehreren mechanischen Feder-/Dämpferteilelementen bekannt, die mittels zwischengeschalteter elektro-rheologischer und/oder magneto-rheologischer Einrichtungen koppelbar sind. Dabei sind mindestens zwei der genannten Einrichtungen derart ausgeführt, dass das elektro-rheologische bzw. magneto-rheologische Medium unter Wirkung einer Betriebsbelastung auf eine voneinander unterschiedliche Beanspruchungsart belastet bzw. verformt wird. So kann die jeweilige Einrichtung im Schermodus, Quetschmodus oder Fließmodus betrieben werden.
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Die
GB 2 514 258 A offenbart eine Blattfeder-Baugruppe für ein Fahrzeug, die wenigstens eine Blattfeder aufweist, über die eine Achse an einem Rahmen des Fahrzeugs abgestützt ist. Dabei ist ein Dämpferelement vorgesehen, dessen Enden beide mit der Blattfeder verbunden sind, um Verformungen der Blattfeder zu dämpfen. Das Dämpferelement kann bspw. nach Art eines Hydraulikdämpfers ausgestaltet und oberseitig oder unterseitig der Blattfeder angeordnet sein.
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Die US 2014 / 0 284 855 A1 zeigt eine in Verbundbauweise gefertigte Blattfeder, die ein thermoplastisches Kunststoffmaterial umfasst, das durch eingelagerte Fasern verstärkt ist. Dabei kann in einem mittleren Bereich der Blattfeder ein Einsatzstück in das faserverstärkte Kunststoffmaterial eingebettet sein, das bspw. aus Metall gefertigt sein kann.
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Die US 2015 / 0 273 963 A1 offenbart eine Einzelradaufhängung für eine Hinterachse eines Fahrzeugs mit einer Querblattfeder, einem Dämpfer sowie einem Radträger, der über bewegliche Verbindungselemente mit einem Fahrzeugaufbau verbunden ist. Die Querblattfeder ist gelenkig mit einem der Verbindungselemente verbunden. Optional kann die Querblattfeder aus einem Verbundmaterial gefertigt sein.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Bereitstellung einer Radaufhängung, die bei optimiertem Gewicht und Aufbau ein vorteilhaftes Feder- und Dämpfungsverhalten gewährleistet, durchaus noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Radaufhängung mit vorteilhaftem Feder- und Dämpfungsverhalten bereitzustellen, die hinsichtlich Gewicht und Komplexität optimiert ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Federbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird eine Federbaugruppe zur Verfügung gestellt. Diese kann insbesondere Teil einer Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs wie eines Lkw oder Pkw sein. Allerdings ist auch beispielsweise eine Anwendung für Anhänger möglich. Es handelt sich normalerweise um die Radaufhängung einer ungelenkten Achse, also typischerweise einer Hinterachse.
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Die Federbaugruppe weist eine sich entlang der Fahrzeug-Längsachse erstreckenden Blattfeder auf, die eine Fahrzeugachse trägt und die an einem vorderen Ende sowie an einem hinteren Ende wenigstens indirekt mit einem Fahrzeugaufbau verbunden ist. D.h., die Blattfeder dient der elastischen Aufhängung der Fahrzeugachse gegenüber dem Fahrzeugaufbau. Dabei dient „Fahrzeugaufbau“ als Sammelbegriff für eine Karosserie, ein Chassis sowie ggf. einen Hilfsrahmen des jeweiligen Fahrzeugs, also diejenigen Teile, die normalerweise die gefederte Masse bilden. Bei der Verbindung der Blattfeder mit dem Fahrzeugaufbau handelt es sich üblicherweise um eine schwenkbare Verbindung. In bekannter Weise können am vorderen sowie am hinteren Ende der Blattfeder Lageraugen ausgebildet sein, in die bspw. Gummi-Metall-Buchsen eingepresst sein können. Das jeweilige Lagerauge bzw. die darin angeordnete Buchse entspricht der Position eines aufbauseitigen Achsbolzens, über den eine drehbare Verbindung gegeben ist. Dabei kann der Achsbolzen seinerseits stationär am Aufbau angeordnet sein oder er kann, wie im Falle einer Hotchkiss-Aufhängung, an einem Verbindungsarm angeordnet sein, der wiederum schwenkbar am Aufbau angeordnet ist.
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Die Blattfeder kann aus Verbundwerkstoff bestehen und kann insbesondere wenigstens teilweise aus Faserverbundstoff bestehen. Als Faserverbundstoffe gelten hierbei sämtliche Werkstoffe, bei denen Fasern, wie bspw. Glasfasern, Carbonfasern und/oder Aramidfasern, zur Verstärkung in eine Polymermatrix (z.B. eine Kunststoff- oder Kunstharzmatrix) eingelagert sind. Optional können dabei weitere Partikel, Schichten oder Komponenten ein- oder angelagert sein, die sich nicht als Polymer oder als Fasern klassifizieren lassen.
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Dabei erstreckt sich die Blattfeder entlang der X-Achse des Fahrzeugs, wobei sie im Allgemeinen zumindest in unbelastetem Zustand nicht parallel zur X-Achse verläuft, sondern eine konkave Krümmung aufweist, bspw. nach Art einer Parabelfeder. Sämtliche Bezugnahmen auf die X-Achse (Längsachse), Y-Achse (Querachse) sowie die Z-Achse (Hochachse) des Fahrzeugs beziehen sich hier und im Folgenden auf den bestimmungsgemäß eingebauten Zustand der Federbaugruppe.
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Die Verbindung zwischen der Fahrzeugachse, die insbesondere als Starrachse ausgebildet sein kann, ist normalerweise über eine Spannvorrichtung gegeben, die bspw. ein oberes und ein unteres Spannelement aufweisen kann, die in sich vergleichsweise starr ausgebildet sein können, bspw. aus Stahl. Das untere Spannelement kann starr, bspw. stoffschlüssig, mit der Fahrzeugachse verbunden sein. Die beiden Spannelemente sind oberseitig bzw. unterseitig der Blattfeder angeordnet, wobei elastische Isolierelemente zwischengeordnet sein können. Derartige Isolierelemente können insbesondere aus einem Elastomer bestehen, bspw. Gummi oder Silikon. Die primäre Funktion eines solchen Isolierelements besteht darin, den Druck auf die Blattfeder besser zu verteilen, so dass es zu keiner stark ungleichmäßigen Belastung kommt. Die Verspannung der Spannelemente gegeneinander kann über Federbriden erfolgen.
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In die Blattfeder ist wenigstens ein wenigstens teilweise flüssigkeitsgefüllter Dämpfungsbereich integriert. Ein derartiger Dämpfungsbereich kann einen kleinen Teil des Gesamtvolumens der Blattfeder einnehmen (bspw. zwischen 10 und 30 %) oder auch einen größeren Teil (bspw. zwischen 40 und 70 %). Der Begriff „flüssigkeitsgefüllt“ schließt ausdrücklich die Möglichkeit ein, dass eine Emulsion nicht-mischbarer Flüssigkeiten vorliegt und/oder Festkörper in der Flüssigkeit suspendiert sind. Der Dämpfungsbereich ist wenigstens teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt, d.h. in diesem Bereich ist innerhalb der Blattfeder wenigstens eine Ausnehmung zur Aufnahme der Flüssigkeit ausgebildet. Eine derartige Ausnehmung kann innerhalb eines - bspw. aus faserverstärktem Kunststoff gebildeten - Federkörpers der Blattfeder ausgebildet sein. Um ein Entweichen der Flüssigkeit zu verhindern, ist die Ausnehmung selbstverständlich geschlossen ausgebildet. Die Ausnehmung kann bspw. direkt beim Urformen des Federkörpers ausgebildet werden und/oder durch spanende oder nicht-spanende Bearbeitung. Auch Verbindungsverfahren können zur Ausbildung der Ausnehmung eingesetzt werden, bspw. derart, dass ein Verschlusselement an den Federkörper geklebt wird, durch das die Ausnehmung verschlossen wird. Diese Strukturen dämpfen mittels der günstigen Anordnung der flüssigkeitsspeichernden sphärischen Strukturen bevorzugt im Bereich der Randzonen einer Blattfeder, die den größten Verformungen bei Federbewegungen unterworfen sind. Die Flüssigkeit kann dabei durch dünne Fließkanäle gepresst werden, wodurch Dämpfungsarbeit geleistet wird.
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Der Federkörper, d.h. der als Festkörper ausgebildete Teil der Blattfeder, ist dabei elastisch verformbar und somit vorrangig für die eigentliche Federeigenschaft verantwortlich. Demgegenüber dient die Flüssigkeit innerhalb des Dämpfungsbereichs vorrangig der Dämpfung des Schwingungsverhaltens der Blattfeder, sie kann aber auch die Elastizität bzw. die Steifigkeit der Feder beeinflussen. Jegliche Schwingung der Feder geht mit Verformungen derselben einher, die in aller Regel auch eine Verformung des Dämpfungsbereichs beinhalten. Die Verformung des Dämpfungsbereichs wiederum führt zu einer wenigstens bereichsweisen Kompression, Expansion und/oder Verlagerung der Flüssigkeit. Diese Prozesse, die normalerweise in Kombination miteinander auftreten, führen dazu, dass mechanische Energie in Wärme umgesetzt wird, woraus eine Dämpfung des Schwingungsverhaltens resultiert. Insbesondere die Verlagerung der Flüssigkeit, die zu Verwirbelungen innerhalb der Flüssigkeit sowie zu Reibung zwischen der Flüssigkeit und dem umgebenden Festkörper führt, trägt zur Umwandlung von kinetischer Energie in Wärme bei.
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Somit bildet die Blattfeder ein kombiniertes Feder-Dämpfer-Element, das ein unerwünschtes Schwingungsverhalten wenigstens teilweise unterdrückt. Normalerweise kann daher auf einen separaten Stoßdämpfer verzichtet werden, wodurch das Gewicht sowie die Teilezahl der Federanordnung reduziert werden, was sich vorteilhaft auf den Aufwand für Zusammenbau und Wartung auswirkt.
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Bevorzugt weist die Blattfeder einen wenigstens abschnittsweise konkaven Federabschnitt auf, an den sich ein im Winkel hierzu verlaufender Verbindungsarm anschließt, der schwenkbar mit dem Fahrzeugaufbau verbunden ist. Der Federabschnitt ist dabei wenigstens im unbelasteten Zustand sowie normalerweise auch im belasteten, allerdings nicht eingefederten Zustand nach oben konkav ausgebildet, und zwar wenigstens abschnittsweise, üblicherweise vollständig. Beim Einfedern kann der Federabschnitt eventuell vollständig gestreckt werden oder sogar in eine konvexe Form übergehen. Der Verbindungsarm dient dabei vorrangig dazu, die durch die Verformung auftretende Veränderung des Abstands zwischen den Enden des Federabschnitts auszugleichen. Der Verbindungsarm kann eine geringere Elastizität aufweisen als der Federabschnitt oder er kann bedingt durch die Anordnung und Art der Verbindung eine allenfalls vernachlässigbare elastische Verformung erfahren. Es ist allerdings ausdrücklich auch möglich, dass der Verbindungsarm beim Einfedern (nicht-vernachlässigbar) elastisch verformt wird.
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Gemäß einem Aufbau, der dem einer herkömmlichen Hotchkiss-Aufhängung ähnelt, kann der Verbindungsarm als separates Bauteil einerseits gelenkig mit dem hinteren Ende der Blattfeder verbunden sein sowie andererseits gelenkig mit dem Fahrzeugaufbau. In diesem Fall kann der Verbindungsarm bspw. aus Stahl oder auch Verbundwerkstoff bestehen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der Verbindungsarm durch einen einstückig mit dem Federabschnitt ausgebildeten Verbindungsabschnitt gebildet. D.h., der Verbindungsabschnitt und der Federabschnitt sind einstückig ausgebildete Teile der Blattfeder, die in diesem Fall typischerweise aus Verbundwerkstoff gebildet ist. Insofern schließt der Begriff „einstückig“ ausdrücklich die Möglichkeit ein, dass die Blattfeder und somit auch die beiden genannten Abschnitte aus mehreren Komponenten zusammengesetzt sind, die in der Regel stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die einstückige Ausbildung von Federabschnitt und Verbindungsabschnitt ist besonders vorteilhaft, da sich die Anzahl der Teile reduziert. Es ist kein separater Verbindungsarm notwendig und es entfallen somit auch etwaige Komponenten für die gelenkige Verbindung des Verbindungsarms mit der Blattfeder. Bei dieser Ausgestaltung ist normalerweise vorgesehen, dass der Verbindungsabschnitt beim Einfedern elastisch verformbar ist, insbesondere durch Biegung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist wenigstens ein Dämpfungsbereich eine elektro-rheologische oder magneto-rheologische Flüssigkeit auf. Bei einer elektro-rheologischen Flüssigkeit handelt es sich um eine Flüssigkeit, deren rheologische Eigenschaften, insbesondere die Viskosität, durch ein elektrisches Feld beeinflussbar sind. Entsprechend handelt es sich bei einer magneto-rheologischen Flüssigkeit um eine Flüssigkeit, deren rheologische Eigenschaften, insbesondere die Viskosität, durch ein magnetisches Feld beeinflussbar sind. Somit ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften des Dämpfungsbereichs zu beeinflussen, indem man ein elektrisches bzw. magnetisches Feld angelegt. Qualitativ kann es dabei so sein, dass bei einer erhöhten Viskosität der Flüssigkeit im Dämpfungsbereich sich diese ähnlich einem Festkörper verhält, womit die Blattfeder sich in stärkerem Maße wie ein reines Federelement verhält. Bei einer geringeren Viskosität der Flüssigkeit können hingegen die dämpfenden Eigenschaften stärker hervortreten. Es versteht sich, dass in der jeweiligen Flüssigkeit auch bspw. Festkörper suspendiert sein können und/oder eine Emulsion mit einer anderen Flüssigkeit vorliegen kann. Dies schließt somit auch sogenannte heterogene elektro-rheologische Flüssigkeiten ein, bei denen in einer Flüssigkeit Teilchen suspendiert oder Tröpfchen einer anderen Flüssigkeit emulgiert sind, um die elektro-rheologische Eigenschaft herzustellen.
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Vorteilhaft ist wenigstens ein Dämpfungsbereich zwischen zwei wenigstens teilweise leitfähigen Schichten angeordnet, die elektrisch beaufschlagbar sind, um die rheologischen Eigenschaften der Flüssigkeit im Dämpfungsbereich zu beeinflussen. Die genannten Schichten sind zur Herstellung der Leitfähigkeit normalerweise wenigstens teilweise metallisch. Sie können prinzipiell auch zumindest teilweise aus Federstahl gefertigt sein und somit die mechanischen Eigenschaften der Blattfeder beeinflussen. Die beiden Schichten können oberseitig und unterseitig des Dämpfungsbereichs angeordnet sein, es ist allerdings auch eine Anordnung derart denkbar, dass die beiden Schichten einander bezüglich des Dämpfungsbereichs in horizontaler Richtung gegenüberliegen. Jedenfalls kann man sagen, dass der Dämpfungsbereich von den beiden Schichten eingefasst ist. Im Falle einer elektro-rheologischen Flüssigkeit innerhalb des Dämpfungsbereichs besteht die elektrische Beaufschlagung der leitfähigen Schichten darin, dass zwischen diesen Schichten eine Spannung, also eine Potenzialdifferenz, angelegt wird, so dass innerhalb des Dämpfungsbereichs ein elektrisches Feld entsteht. Im Falle einer magneto-rheologischen Flüssigkeit innerhalb des Dämpfungsbereichs besteht die elektrische Beaufschlagung darin, dass die Schichten von einem elektrischen Strom durchflossen werden, so dass ein Magnetfeld innerhalb des Dämpfungsbereichs entsteht. In diesem Fall könnte unter Umständen auch nur eine Schicht von einem Strom durchflossen werden, während die gegenüberliegende Schicht stromlos bleibt. Der Dämpfungsbereich kann in unterschiedlicher Art und Weise strukturiert sein:
- Elektromagnetische Partikel, die homogen im Grundmaterial der gesamten Blattfeder verteilt sind
- Einzelne elektromagnetische Schichten, bevorzugt in den auf Zug bzw. Druck belasteten Randbereichen der Blattfeder
- Mit elektro-rheologischer bzw. magneto-rheologischer Flüssigkeit gefüllte, abgeschlossene Räume, die homogen im Grundmaterial der gesamten Blattfeder verteilt sind
- Mit elektro-rheologischer bzw. magneto-rheologischer Flüssigkeit gefüllte, abgeschlossene Räume, bevorzugt in den auf Zug bzw. Druck belasteten Randbereichen der Blattfeder
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In erfindungsgemäßer Ausführungsform weist der Dämpfungsbereich eine Mehrzahl von entlang einer Erstreckungsrichtung der Blattfeder aufeinander folgender, wenigstens teilweise flüssigkeitsgefüllter Ausnehmungen auf. Die Erstreckungsrichtung der Blattfeder kann auch als deren Längsrichtung bezeichnet werden und entspricht innerhalb des o.g. Federabschnitts dessen konkavem Verlauf. Die Ausnehmungen sind zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt, die optional wie oben geschildert magneto-rheologische oder elektro-rheologische Eigenschaften haben kann. Dies ist allerdings nicht notwendig und es kann sich bspw. um eine Flüssigkeit handeln, die auch in herkömmlichen hydraulischen Dämpfern verwendet wird. Um ein Entweichen der Flüssigkeit zu verhindern, sind die Ausnehmungen selbstverständlich geschlossen ausgebildet. Vorteilhaft ist wenigstens ein Teil der Ausnehmungen, insbesondere alle Ausnehmungen, vollständig flüssigkeitsgefüllt. D.h., es ist kein Gas zusammen mit der Flüssigkeit eingeschlossen oder allenfalls ein vernachlässigbares Volumen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Teil der Ausnehmungen langgestreckt ausgebildet und verläuft in einem Winkel von wenigstens 45° zur Erstreckungsrichtung. Dabei bedeutet „langgestreckt“, dass eine Abmessung in einer Richtung, die als Verlaufsrichtung bezeichnet werden kann, deutlich größer ist als die Abmessung quer zu dieser Richtung. Dabei kann insbesondere die Länge entlang der Verlaufsrichtung um wenigstens das Dreifache, das Vierfache oder das Fünffache größer sein als eine Querabmessung quer zur Verlaufsrichtung. Die Verlaufsrichtung, die sich ggf. entlang der jeweiligen Ausnehmung ändern kann, verläuft im Winkel von wenigstens 45° zur Erstreckungsrichtung der Blattfeder. Der Winkel kann weiterhin wenigstens 60°, wenigstens 80° und insbesondere 90° betragen. Die Verlaufsrichtung ist dabei normalerweise im Winkel (also nicht-parallel) zur X-Y Ebene angeordnet und kann insbesondere wenigstens überwiegend innerhalb der X-Z Ebene liegen. Durch die langgestreckte Ausbildung der jeweiligen Ausnehmung ist ihr Querschnitt vergleichsweise klein im Verhältnis zum eingeschlossenen Flüssigkeitsvolumen, wodurch sich Reibungsverluste verstärken, wenn Flüssigkeit innerhalb der Ausnehmung von einem Ende zum anderen Ende hin strömt. Es wird somit das Dämpfungsverhalten verstärkt. Weiterhin ist es so, dass beim Einfedern die oberen Teile der Blattfeder expandiert werden, während die unteren Teile komprimiert werden. D.h., die Teile der Blattfeder, die hinsichtlich der mechanischen Spannung die größten Unterschiede aufweisen, sind innerhalb der X-Z-Ebene, quer zur Erstreckungsrichtung voneinander beabstandet. Verläuft eine langgestreckte Ausnehmung wie beschrieben im Winkel zur Erstreckungsrichtung, so erfahren ihre Enden relativ große Druckunterschiede, wodurch ein Flüssigkeitsaustausch zwischen diesen Enden verstärkt wird.
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Die Form der Ausnehmungen ist erfindungsgemäß dadurch optimiert, dass wenigstens ein Teil der Ausnehmungen zwei endseitige aufgeweitete Reservoirbereiche aufweist, die durch einen wenigstens abschnittsweise verengten Verbindungskanal verbunden sind. Die Reservoirbereiche sind aufgeweitet, d.h. sie weisen einen vergrößerten Querschnitt im Vergleich zu den jeweils angrenzenden Bereichen des Verbindungskanals auf. Umgekehrt ist der Verbindungskanal wenigstens teilweise, bevorzugt vollständig, gegenüber den Reservoirbereichen verengt. Beim Ein- und Ausfedern erfolgt aufgrund der oben beschriebenen Mechanismen ein Flüssigkeitsaustausch zwischen den endseitig angeordneten Reservoirbereichen, wobei die Flüssigkeit den Verbindungskanal durchströmen muss. Aufgrund des verengten Querschnitts des Verbindungskanals ist die Reibung innerhalb der Flüssigkeit sowie zwischen der Flüssigkeit und der Wandung des Verbindungskanals vergleichsweise stark, wodurch das Dämpfungsverhalten verstärkt wird. Eine Querabmessung des jeweiligen Reservoirbereichs kann dabei wenigstens das 1,5-fache oder wenigstens das Doppelte einer Querabmessung des Verbindungskanals betragen. Der Verbindungskanal kann insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Querschnitt kann dabei entlang des Verbindungskanals in Form und Größe variieren und könnte abschnittsweise auch den der Reservoirbereiche übertreffen. Um die mechanische Spannung in dem an den Reservoirbereich angrenzenden Material möglichst gleichmäßig zu verteilen, ist es bevorzugt, dass die Reservoirbereiche kugelartig, insbesondere kugelförmig, ausgebildet sind.
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Entsprechend der bevorzugten Verlaufsrichtung der Ausnehmungen ist es bevorzugt, dass bei wenigstens einem Teil der Ausnehmungen die Reservoirbereiche entlang der Fahrzeug-Hochachse beabstandet sind. Durch den Abstand entlang der Fahrzeug-Hochachse ist sichergestellt, dass die Reservoirbereiche beim Ein- und Ausfedern unterschiedlichen Druckveränderungen ausgesetzt sind, die aus den unterschiedlichen Verformungen der angrenzenden Bereiche der Blattfeder resultieren. So wird beim Einfedern ein oberer Reservoirbereich expandiert, während ein unterer Reservoirbereich komprimiert wird. Zusätzlich ist es möglich, dass die Reservoirbereiche entlang der Fahrzeug-Längsachse und/oder der Fahrzeug-Querachse beabstandet sind.
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Es hat sich gezeigt, dass die Ausnehmungen vergleichsweise dicht hintereinander angeordnet werden können, ohne dass sich dies nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften der Blattfeder auswirkt. Auf diese Weise lassen sich eine große Anzahl von Ausnehmungen in der Blattfeder vorsehen, was sich wiederum vorteilhaft auf das Dämpfungsverhalten auswirkt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn ein Abstand zwischen zwei Ausnehmungen kleiner ist als eine Dicke der Blattfeder quer zur Erstreckungsrichtung. Insbesondere kann die Dicke wenigstens das Doppelte oder wenigstens das Dreifache des Abstands betragen.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht einer Federbaugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine Schnittdarstellung des Ausschnitts II aus 1;
- 3 eine 2 entsprechende Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform; sowie
- 4 eine Seitenansicht einer Federbaugruppe gemäß einer dritten Ausführungsform.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Federbaugruppe 1, die bspw. in einem LKW eingesetzt werden kann. Dabei ist eine als Starrachse ausgebildete Hinterachse 20 durch eine Blattfeder 2 mit einem (nicht dargestellten) Fahrzeugaufbau verbunden. Während sich die Hinterachse 20 parallel zur Y-Achse erstreckt, erstreckt sich die Blattfeder 2 entlang der X-Achse, allerdings überwiegend nicht parallel zu dieser, sondern weist eine konkave Krümmung innerhalb der X-Z-Ebene auf. Die Blattfeder 2 weist dabei einen konkaven Federabschnitt 2.1 auf sowie an einem vorderen Ende 2.2 ein erstes Lagerauge 2.4 und an einem hinteren Ende 2.3 ein zweites Lagerauge 2.5. In das erste Lagerauge 2.4 ist eine erste Gummi-Metall-Buchse 4 eingepresst, über die die Blattfeder 2 schwenkbar mit dem Fahrzeugaufbau verbunden ist. In das zweite Lagerauge 2.5 ist eine zweite Gummi-Metall-Buchse 5 eingepresst, über die die Blattfeder 2 schwenkbar mit einem bspw. aus Stahl hergestellten Verbindungsarm 3 verbunden ist, der seinerseits schwenkbar mit dem Fahrzeugaufbau verbunden ist. Die Funktion des Verbindungsarms 3 besteht darin, bei einer Verformung der Blattfeder 2 dem sich ändernden Abstand zwischen den Enden 2.2, 2.3 Rechnung zu tragen.
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Die Blattfeder 2 ist über eine Spannvorrichtung 6 mit der Hinterachse 20 verbunden. Dabei ist ein unteres Spannelement 7 durch Federbriden 9 und diesen zugeordnete Muttern 10 gegen ein oberes Spannelement 8 verspannt und gleichzeitig mit der Hinterachse 20 verschweißt. Beide Spannelemente 7, 8 bestehen im vorliegenden Fall aus Stahl. Unter Zwischenschaltung von Dämpferkissen 11, 12, die hier aus Gummi bestehen, ist die Blattfeder 2 zwischen den Spannelementen 7, 8 verspannt.
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2 ist eine Schnittzeichnung entlang der X-Z-Ebene, die einen Abschnitt der Blattfeder 2 darstellt. Oberseitig und unterseitig der Blattfeder 2 sind eine erste Metallschicht 13 und eine zweite Metallschicht 14 erkennbar, zwischen denen ein Dämpfungsbereich 15 angeordnet ist. Letzterer ist teilweise mit einer elektro-rheologischen Flüssigkeit oder einer magneto-rheologischen Flüssigkeit gefüllt, wobei die genauere innere Struktur des Dämpfungsbereichs 15 hier nicht dargestellt ist. Die Metallschichten 13, 14 beeinflussen einerseits die Elastizität bzw. Steifigkeit der Blattfeder und tragen somit unmittelbar zum Federverhalten bei. Andererseits ist vorgesehen, dass diese Metallschichten 13, 14 (durch eine nicht dargestellte Spannungsquelle) elektrisch beaufschlagbar sind. Im Falle einer elektro-rheologischen Flüssigkeit im Dämpfungsbereichs 15 ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Metallschicht 13 und der zweiten Mittelschicht 14 eine Spannung angelegt werden kann, so dass innerhalb des Dämpfungsbereichs 15 ein elektrisches Feld erzeugt wird. Im Falle einer magneto-rheologischen Flüssigkeit im Dämpfungsbereich 15 ist vorgesehen, dass wenigstens eine, vorzugsweise beide Metallschichten 13, 14 von einem Strom durchflossen werden, wodurch innerhalb des Dämpfungsbereichs 15 ein Magnetfeld erzeugt wird. In jedem Fall werden durch das entstehende Feld die rheologischen Eigenschaften der Flüssigkeit verändert, insbesondere ihre Viskosität.
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Beim Einfedern der Hinterachse 20 kommt es zu einer Verformung der Blattfeder 2, die sich auch auf den Dämpfungsbereich 15 auswirkt. Die dort eingeschlossene Flüssigkeit wird durch diese Verformung expandiert, komprimiert und/oder verlagert. Diese Prozesse führen dazu, dass Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt wird und sich somit eine Dämpfung des Schwingungsverhaltens ergibt. Die Stärke der Dämpfung kann dabei durch die Viskosität der Flüssigkeit und somit über das angelegte elektrische bzw. magnetische Feld beeinflusst werden. Allerdings wird auch die Elastizität bzw. die Steifigkeit der Blattfeder 2 durch die Viskosität der Flüssigkeit beeinflusst. So verhält sich die Flüssigkeit bei hoher Viskosität eher wie ein Festkörper, wodurch sich im Allgemeinen die Steifigkeit der Blattfeder 2 erhöht. Somit ist es möglich, durch die Einstellung des elektrischen bzw. magnetischen Feldes sowohl die Steifigkeit der Blattfeder 2 als auch deren Dämpfung einzustellen.
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3 ist eine 2 entsprechende Schnittzeichnung in erfindungsgemäßer Ausführungsform der Blattfeder 2. In diesem Fall ist praktisch das gesamte Volumen der Blattfeder 2 durch einen Dämpfungsbereich 15 gebildet, der allerdings eine besondere Struktur aufweist. Innerhalb eines aus faserverstärktem Kunststoff gebildeten Federkörpers 2.6 sind eine Reihe von Ausnehmungen 16 ausgebildet. Jede der Ausnehmungen 16 ist quer bzw. senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung A der Blattfeder 2 langgestreckt ausgebildet. Genauer gesagt ist sie gerade entlang einer Verlaufsrichtung B ausgebildet, die im 90°-Winkel zur Erstreckungsrichtung A der Blattfeder 2 verläuft. Im vorliegenden Beispiel sind sämtliche Ausnehmungen 16 gleichartig ausgebildet. Der Abstand zwischen zwei Ausnehmungen 16 beträgt im vorliegenden Beispiel ca. 20 bis 25 % der Dicke der Blattfeder 2, also ihrer Abmessung quer zur Verlaufsrichtung A. Endseitig weist jede Ausnehmungen 16 einen oberen Reservoirbereich 16.1 sowie einen unteren Reservoirbereich 16.3 auf, die durch einen geraden Verbindungskanal 16.2 miteinander verbunden sind. Dabei sind die Reservoirbereiche 16.1, 16.3 im Vergleich zum Verbindungskanal 16.2 aufgeweitet bzw. der Verbindungskanal 16.2 ist gegenüber den Reservoirbereichen 16.1, 16.3 verengt. Die Abmessung der Reservoirbereiche 16.1, 16.3 quer zur Verlaufsrichtung B beträgt ungefähr das Doppelte derjenigen des Verbindungskanals 16.2. Die Reservoirbereiche 16.1, 16.3 sind kugelförmig ausgebildet und der Verbindungskanal 16.2 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Jede Ausnehmungen 16 ist mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt, wobei vorzugsweise keinerlei Luft oder andere Gase mit eingeschlossen sind. Im Rahmen des Herstellungsprozesses der Blattfeder 2 kann die Hydraulikflüssigkeit durch eine Öffnung eingefüllt werden, die anschließend durch ein Verschlusselement stoffschlüssig mit dem Federkörper 2.6 verbunden wird.
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Beim Einfedern der Blattfeder 2 erfährt ein (in Richtung der Z-Achse) oberer Teil des Federkörpers 2.6 eine Expansion, während ein unterer Teil eine Kompression erfährt. Dies führt einerseits zu einer rückstellenden Federkraft, andererseits wird der jeweilige untere Reservoirbereich 16.3 komprimiert, während der Reservoirbereich 16.1 expandiert wird. Dies führt dazu, dass Flüssigkeit durch den Verbindungskanal 16.2 in den oberen Reservoirbereich 16.1 strömt, wobei aufgrund des vergleichsweise engen Querschnitts des Verbindungskanals 16.2 eine starke Reibung innerhalb der Flüssigkeit sowie zwischen der Flüssigkeit und der Wandung des Verbindungskanals 16.2 entsteht. Dies führt wiederum dazu, dass ein Teil der Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt wird und somit eine Schwingung der Blattfeder 2 (und somit der Federbaugruppe 1) gedämpft wird. Beim Ausfedern kommt es zu einer Kompression des oberen Reservoirbereich 16.1 und zu einer Expansion des unteren Reservoirbereich 16.3, wobei wiederum Flüssigkeit durch den Verbindungskanal 16.2 strömt. Auch hierbei wird Bewegungsenergie in Wärme umgesetzt und ein unerwünschtes Schwingungsverhalten gedämpft.
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Wenngleich die Ausgestaltung gemäß 3 hier als von 2 separates Ausführungsbeispiel dargestellt ist, kann es sinnvoll sein, beide Ausführungsformen dahingehend zu kombinieren, dass der in 2 gezeigte Dämpfungsbereich 15 so wie in 3 dargestellt strukturiert ist.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Federbaugruppe 1, deren Aufbau der in 1 gezeigten Ausführungsform ähnelt und insoweit nicht nochmals besprochen wird. Allerdings ist bei dieser Ausführungsform kein separater Verbindungsarm 3 vorgesehen, sondern an einen konkaven Federabschnitt 2.1 schließt sich ein etwa im Winkel von 90° hierzu verlaufender Verbindungsabschnitt 2.7 an, an dem das hintere Lagerauge 2.5 ausgebildet ist, in welches die zweite Gummi-Metall-Buchse 5 eingepresst ist. Über die zweite Gummi-Metall-Buchse 5 ist der Verbindungsabschnitt 2.7 mit dem Fahrzeugaufbau verbunden. D.h. in diesem Fall ist die Funktion des Verbindungsarms 3 in die Blattfeder 2 integriert. Der notwendige Längenausgleich, der beim Ein- und Ausfedern hergestellt werden muss, erfolgt über eine elastische Verformung des Verbindungsabschnitts 2.7 sowie ein elastisches Abknicken des Verbindungsabschnitt 2.7 gegenüber dem Federabschnitt 2.1. Bei der in 4 gezeigten Blattfeder 2 können die Dämpfungsmechanismen gemäß 2 und 3 oder auch Mischformen derselben vorgesehen sein. Optional ist es dabei möglich, dass sich ein Dämpfungsbereich 15 auf den Federabschnitt 2.1 beschränkt, während der Verbindungsabschnitt 2.7 bspw. als massiver Körper aus Faserverbundstoff hergestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Federbaugruppe
- 2
- Blattfeder
- 2.1
- Federabschnitt
- 2.2
- vorderes Ende
- 2.3
- hinteres Ende
- 2.4,2.5
- Lagerauge
- 2.6
- Federkörper
- 2.7
- Verbindungsabschnitt
- 3
- Verbindungsarm
- 4,5
- Gummi-Metall-Buchse
- 6
- Spannvorrichtung
- 7,8
- Spannelement
- 9
- Federbride
- 10
- Mutter
- 11, 12
- Dämpferkissen
- 13, 14
- Metallschicht
- 15
- Dämpfungsbereich
- 16
- Ausnehmung
- 16.1, 16.3
- Reservoirbereich
- 16.2
- Verbindungskanal
- 20
- Hinterachse
- A
- Erstreckungsrichtung
- B
- Verlaufsrichtung
- X
- X-Achse
- Y
- Y-Achse
- Z
- Z-Achse
