DE10359729B4

DE10359729B4 - Fahrzeug-Feder bzw.-Federbein mit Zusatzfeder

Info

Publication number: DE10359729B4
Application number: DE2003159729
Authority: DE
Inventors: Christian Hilgers; Jens-Uwe Gleu
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2014-12-18
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: DE10359729A1; FR2864188A1

Abstract

Federbein (2) – mit einer Feder (6), deren Kraftrichtung durch Drehung der Federrichtung um eine Achse senkrecht zur Bewegungsebene und/oder durch seitlichen Versatz zwecks Querkraftausgleich im Dämpfer aus der Bewegungs-Achse geneigt und versetzt ist, und – mit einem integrierten Stoßdämpfer (4), – zur Abstützung der Aufbauten eines Kraftfahrzeuges –, wobei die Feder/Dämpferanordnung (4/6) einen als Zusatzfeder (8) ausgebildeten Druckanschlag aufweist, wobei wiederum die Zusatzfeder (8) aus der eigentlichen Zusatzfeder (8a) aus gummielastischem Material, einer Armatur zur Aufnahme des Sockels der eigentlichen Zusatzfeder (8a) und einer Prallfläche (30) an dem der Armatur abstandsvariabel gegenüberliegenden Teil (10) der Feder (6) oder der Feder/Dämpferanordnung (4/6) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzfeder (8) asymmetrisch ausgeführt ist, dass sie durch zur Mittelachse (34) asymmetrische Verformung eine resultierende Kraftrichtung produziert, die der zum Querkraftausgleich erforderlichen Kraftrichtung optimaler entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Feder mit einem integrierten Stoßdämpfer, insbesondere zur Abstützung der Aufbauten eines Kraftfahrzeuges. Gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 weist die Feder bzw. das Federbein einen als Zusatzfeder ausgebildeten Druckanschlag auf. Die Zusatzfeder besteht aus der eigentlichen Zusatzfeder aus gummielastischem Material (z. B. zelliges Polyurethan-Elastomer), einer Armatur (Aufnahme, Aufnahmetopf) zur Aufnahme des Sockels der Zusatzfeder und einer Prallfläche an dem der Armatur abstandsvariabel gegenüberliegenden Teil der Feder bzw. des Federbeins.
Stand der Technik
1.) Rotationssymmetrische Federn bzw. Federbeine, jeweils mit Zusatzfeder
Je nach Auslegung dient eine Zusatzfeder nur als Anschlagpuffer zur Begrenzung des Einfederungsweges oder als echte Zusatzfeder, mit deren Hilfe die Federkennlinie des Federbeines über einen größeren Bereich beeinflusst wird. Bei einer üblicherweise rotationssymmetrischen Zusatzfeder, die konzentrisch zum Dämpfer angeordnet ist, liegt deren Kraftwirkungslinie auf der Mittelachse des Dämpfers und erzeugt somit eine rein axiale Kraft in Dämpferlängsrichtung.
Solche als Zusatzfedern ausgebildeten Druckanschläge bzw. Anschlagpuffer sind z. B. aus der DE 100 37 026 C1 (Spalte 2, Zeile 7) und DE 198 34 092 A1 (Puffer, 18; Endkappe, 20) bekannt. Auch die 1 der DE 197 19 301 A1 zeigt eine – nicht näher beschriebene – Zusatzfeder. Die DE 101 21 918 A1 beschreibt in Spalte 4, Zeile 8ff eine konzentrische „Zusatzfeder (62)” mit „zentraler Bohrung (63)”.
2.) Querkräfte an Federn bzw. Federbeinen ohne Zusatzfeder
Bei radführenden Federbeinen treten auf Grund der Bauart und der speziellen Kinematik der Achse im Dichtungspaket des Dämpfers hohe Kräfte in Querrichtung (Querkräfte) zur Dämpfer-Mittelachse hin auf. Werden diese Querkräfte nicht durch geeignete Maßnahmen kompensiert, verschlechtert sich der Federungskomfort des Federbeines erheblich und die Lebensdauer des Dichtungspaketes im Dämpfer wird deutlich reduziert.
Grundsätzlich können diese Querkräfte reduziert werden, indem die Kraftwirkungslinie der Tragfeder des Federbeines in einem bestimmten, sich aus der Konstruktion der Achse ergebenden Winkel schräg gestellt wird. Je nach Konstruktion und Kinematik der Achse und Art und Anordnung der Tragfeder wird die Querkraft über einen mehr oder weniger großen Federweg kompensiert. Ist die Tragfeder als Stahlfeder ausgeführt, gelingt die Kompensation in der Regel nur in der Konstruktionslage des Federbeines. Bei Luftfedern besteht die Möglichkeit, durch bestimmte Maßnahmen die Kompensation über einen verhältnismäßig großen Bereich des Federweges konstant auf niedrigem Niveau zu halten.
3.) Querkräfte an Federn bzw. Federbeinen mit Zusatzfeder
Wenn die Zusatzfeder eines McPherson-Federbeines in Eingriff gerät, dann verschlechtert sie je nach Applikation zum Teil massiv den Querkraftausgleich, der gewöhnlich zur Komfortoptimierung mit der Hauptfeder realisiert wird. Dieses Phänomen wurde bisher ignoriert. Möglicherweise wurde bisher der Aufwand gescheut oder der zu erwartende Nutzen wurde als unverhältnismäßig klein eingestuft. Jedenfalls wurde bisher keine taugliche Lösung bekannt. Wenn in einem mit Zusatzfeder ausgestatteten Federbein die Zusatzfeder gegen den Dämpfer in Eingriff gerät, dann baut sie progressiv große Kräfte auf, die in Richtung Dämpferachse wirken. Zum Querkraftausgleich wird jedoch eine Kraftrichtung, wie sie z. B. in der Offenlegungsschrift DE 20 63 448 (Fichtel und Sachs) beschrieben wird, benötigt. Diese Kraftrichtung kann z. B. durch Drehung der Federrichtung um eine Achse senkrecht zur Bewegungsebene sowie durch seitlichen Versatz der Feder oder durch Querkomponenten (realisiert durch elastische Anschläge) vorwiegend in Design-Einbaulage des Federbeins realisiert werden. Dieses subtile Gleichgewicht wird empfindlich gestört, wenn die großen Zusatzfederkräfte in einer nicht erwünschten Richtung, z. B. in Richtung der Dämpfer-Mittelachse, zu wirken beginnen.
In der Offenlegungsschrift DE 101 06 915 A1 wird eine mit Zusatzfeder ausgestattete Federungsanordnung beschrieben. Die Anschlagfläche (23) des der Zusatzfeder zugeordneten Anschlagsockels (10) ist konkav gekrümmt, die Flächennormale (FN) weist einen Winkel (W) zur Mittellängsachse (MLA) auf. Das Ende der Tragfeder kann in radialer Richtung lageorientiert, d. h. exzentrisch versetzt sein. Der Anschlagsockel dient ebenfalls zur Lageorientierung der Tragfeder. Eine Verknüpfung der Merkmale: „exzentrische Anordnung der Tragfeder” und „geneigte Anschlagfläche der Zugfeder” bewirken offenbar eine Minimierung der Schiefziehkräfte, so dass Biegemomente, die auf die Zusatzfeder einwirken, weitgehend vermieden werden sollen (Sp. 3, Z. 16, 17). Beim Einfedern bewegt sich die konkave, schräggestellte Prallfläche aufgrund der Achskinematik nicht genau axial sondern auf einer Kreisbahn auf die Zusatzfeder zu. An einem bestimmten Punkt des Einfederungsweges liegt dann die Flächennormale (FN) der Prallfläche, welche in der dargestellten Position noch schräg zur Mittelachse steht, auf der Mittellinie der Trag- und Zusatzfeder. Die konkave Prallfläche bewirkt beim Einfedern lediglich, dass die Zusatzfeder nicht seitlich von der Prallfläche wegspringen kann. Die besondere Form der Prallfläche ist so ausgebildet, dass die wirkende Kraft an einem bestimmten Punkt des Federweges genau zentrisch eingeleitet wird.
Weiterhin ist aus der DE 43 31 585 A1 ein Federbein mit einer exzentrisch angeordneten gummielastischen hülsenförmigen Zusatzfeder bekannt. Dabei ist die Zusatzfeder an einem starr verbundenen Teil des Fahrzeugaufbaus abgestützt und stützt sich beim Einfedern mit dem unteren Ende an einem am Dämpferrohr befestigten Federteller ab. Da der Innendurchmesser der hülsenförmigen Zusatzfeder größer bemessen ist, wirken beim Einfedern keine Biegebeanspruchungen auf die Kolbenstande.
Aufgabe der Erfindung
Die sich aufgrund des Gesagten stellende Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine lebensdauertaugliche Zusatzfeder insbesondere für ein McPherson-Federbein zu schaffen, wobei die durch Querkräfte hervorgerufene Verschlechterung der Federcharakteristik vermieden wird.
Lösung und Vorteile
Die grundsätzliche Lösung der gestellten Aufgabe ist mit den im Hauptanspruch angegebenen Merkmalen gegeben. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Maßnahmen möglich.
Eine Zusatzfeder wird vorzugsweise in eine Kammer (Zusatzfedertopf) eingebaut. In den meisten Fällen befindet sich der Zusatzfedertopf oben im Federbein und dient gleichzeitig der Befestigung der Zusatzfeder. In einigen Fällen wird die Zusatzfeder auf der Kolbenstange des Dämpfers befestigt und durch einen Topf auf dem Dämpfer gekammert, welcher erst beim Einfedern die Zusatzfeder umschließt. Herkömmliche Zusatzfedern sind symmetrisch und werden durch konzentrische, symmetrische Zusatzfedertöpfe gekammert. Die Kammer kann außer als Befestigungstopf für die Zusatzfeder im Federbein auch – wie hier dargestellt – in einer gegenüberliegenden, die Prallfläche ummantelnden Wandung ausgeführt werden. Grundsätzlich dient eine solche Kammer dem Zweck, die Zusatzfeder daran zu hindern, sich radial auszudehnen, während sie axial komprimiert wird. Dies unterstützt die Lebensdauertauglichkeit der Zusatzfeder und ist hilfreich, der Zusatzfeder eine definierte Federkennlinie zu verleihen.
Insbesondere bei Federbeinen zur Abstützung gegenüber lenkbaren Rädern können Querkräfte auftreten. Soll der Gummipuffer nicht lediglich als Anschlagpuffer sondern als echte Zusatzfeder dienen, so sind auf den Dämpfer wirkende, durch Querkräfte erzeugte Biegemomente zu vermeiden, da diese zu höheren Führungskräften in der Kolbenstangendichtung führen. Für die gewünschte Querkraftkompensation sind symmetrische Zusatzfedern mit entsprechend konzentrisch angeordnetem Zusatzfedertopf ungeeignet. Eine Anregung zur Querkraftkompensation ist aus den bisherigen Zusatzfeder-Konstruktionen nicht zu entnehmen.
Wird nun die Zusatzfeder in erfindungsgemäßer Weise exzentrisch zur Mittelachse des Dämpfers angeordnet oder entsprechend asymmetrisch ausgeführt, wird auch ihre Kraftwirkungslinie gegenüber der Dämpfermittelachse verschoben. Statt einer rein axialen Kraft auf die Dämpfermittelachse wird eine resultierende Kraftrichtung der Zusatzfeder erzeugt, die optimaler der Kraftrichtung der Tragfeder entspricht und damit den Querkraftausgleich unterstützt.
Die Aufnahmen und/oder Anlaufflächen der Zusatzfeder können exzentrisch und/oder geneigt zur Dämpferachse angeordnet werden. Dafür muss der Bauraum vorhanden sein, was in den meisten Fällen sehr wahrscheinlich ist.
Die von der Zusatzfeder generierten Federkräfte erzeugen sehr kleine bis keine Biegebelastung mehr auf den Dämpfer. Dadurch wird der Querkraftausgleich der Hauptfederanordnung nicht mehr bzw. nur sehr viel weniger gestört.
Auch Stahlfederbeine können so über einen größeren Federwegsbereich besser als bisher querkraftkompensiert arbeiten. Die funktionalen Vorteile spiegeln sich in einem hohen Kundennutzen wieder.
Eine erfindungsgemäß exzentrisch angeordnete oder asymmetrisch ausgeführte Zusatzfeder kann in jedem radführenden Federbein sinnvoll eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Konstruktion des Zusatzfedertopfes macht immer dann Sinn, wenn die Kammer für die Zusatzfeder wie hier dargestellt als Wandung um die Prallfläche ausgeführt wird.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt:
1 ein erfindungsgemäßes Federbein nebst Zusatzfeder, größtenteils im Längsschnitt; und 2 ein teilweise dimensioniertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zusatzfeder, ebenfalls im Längsschnitt.
Beschreibung
Das in der 1 dargestellte Federbein (McPherson-Federbein) 2 besteht aus einer Feder/Dämpfer-Anordnung 4/6, in die eine Zusatzfeder 8 integriert ist. Auf einem Dämpfer 4 ist ein Luftfederkolben 10 angeordnet, an dem mit einem Spannring 12 ein Ende eines Luftfederbalges 14 befestigt ist. Das andere Ende des Luftfederbalges 14 ist an einem Luftfederdeckel 16 ebenfalls mittels eines Spannringes 18 befestigt. Die Kolbenstange 20 des Dämpfers 4 ist an einem Gummi-Metall-Lager 22 verschraubt, welches im Luftfederdeckel 16 montiert ist. Die Luftfeder 6 wird mit einem Verschlussdeckel 24 luftdicht verschlossen. Das Federbein 2 wird über das äußere Kopflager 26 unverlierbar mit der Karosserie des Fahrzeuges (nicht dargestellt) verbunden. Da es sich um ein radführendes Federbein 2 für eine Vorderachse (nicht dargestellt) handelt, muss ein Drehfreiheitsgrad für die Lenkung vorgesehen werden, der durch ein Drehlager 28 im äußeren Kopflager 26 dargestellt wird. Die Zusatzfeder 8 ist auf der Kolbenstange 20 des Dämpfers 4 montiert und stützt sich bei Belastung an einer Prallfläche 30 des Luftfederdeckels 16 ab. Eine gegenüberliegende Prallfläche 32 ist bei dieser Konstruktion durch den Luftfederkolben 10 dargestellt. (Als Prallfläche kann auch eine Dämpferkappe verwendet werden.) Erfindungswesentlich ist, dass die Zusatzfeder 8 exzentrisch zur Mittelachse 34 des Dämpfers 4, die auch die Richtung des Federweges definiert, angeordnet ist.
Durchmesser D und Lage des in den Luftfederkolben 10 integrierten Zusatzfedertopfes 36 sind so gestaltet, dass sich die Zusatzfeder 8 bei axialer Kompression durch den Einfederungsvorgang nur in radialer Richtung ausdehnen kann. Das wird erreicht, indem die Konstruktion des Zusatzfedertopfes 36 so ausgeführt wird, dass das Verhältnis des Volumens der eigentlichen Zusatzfeder 8 links und rechts der Kolbenstange 20 gleich dem Verhältnis des Volumens im Spalt zwischen Zusatzfeder 8 und Wandung des Topfes 36 links und rechts der Kolbenstange 20 ist (2, ohne Kolbenstange).
Bezugszeichenliste

2: Federbein (McPherson-Federbein)
4/6: Feder/Dämpfer-Anordnung
4: (Stoß-)Dämpfer
6: (Luft-)Feder
8: Zusatzfeder
8a: eigentliche Zusatzfeder
10: Luftfederkolben, abstandsvariabel gegenüberliegendes Teil der Feder
12: (erster) Spannring
14: Luftfederbalg
16: Luftfederdeckel
18: (zweiter) Spannring
20: Kolbenstange
22: Gummi-Metall-Lager
24: Verschlussdeckel
26: Kopflager
28: Drehlager
30: Prallfläche
32: (gegenüberliegende) Prallfläche
34: Mittelachse
36: Zusatzfedertopf
D: Durchmesser des Zusatzfedertopfes

Claims

Federbein (2) – mit einer Feder (6), deren Kraftrichtung durch Drehung der Federrichtung um eine Achse senkrecht zur Bewegungsebene und/oder durch seitlichen Versatz zwecks Querkraftausgleich im Dämpfer aus der Bewegungs-Achse geneigt und versetzt ist, und – mit einem integrierten Stoßdämpfer (4), – zur Abstützung der Aufbauten eines Kraftfahrzeuges –, wobei die Feder/Dämpferanordnung (4/6) einen als Zusatzfeder (8) ausgebildeten Druckanschlag aufweist, wobei wiederum die Zusatzfeder (8) aus der eigentlichen Zusatzfeder (8a) aus gummielastischem Material, einer Armatur zur Aufnahme des Sockels der eigentlichen Zusatzfeder (8a) und einer Prallfläche (30) an dem der Armatur abstandsvariabel gegenüberliegenden Teil (10) der Feder (6) oder der Feder/Dämpferanordnung (4/6) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzfeder (8) asymmetrisch ausgeführt ist, dass sie durch zur Mittelachse (34) asymmetrische Verformung eine resultierende Kraftrichtung produziert, die der zum Querkraftausgleich erforderlichen Kraftrichtung optimaler entspricht.
Federbein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzfeder (8) in einem Zusatzfedertopf (36) „gekammert” ist, wobei der Zusatzfedertopf (36) ortsfest dem der Armatur abstandsvariabel gegenüberliegenden Teil (10) zugeordnet ist.
Federbein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturierung des Zusatzfedertopfes (36) und/oder die Formgebung seiner Aufnahmeflächen zur Beeinflussung der Federkennlinie und der Richtung der Kraftwirkungslinie entsprechend ausgebildet ist (sind).
Federbein nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeflächen des Zusatzfedertopfes (36) und/oder Anlaufflächen der eigentlichen Zusatzfeder (8a) exzentrisch und/oder geneigt zur Mittelachse (34) angeordnet sind.
Federbein nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Versatzes der Zusatzfeder (8a) zum Versatz des Zusatzfedertopfes (36) – jeweils bezogen auf die Mittelachse (34) – im Bereich von 0,8:1 bis 0,95:1 liegt.
Federbein nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzfedertopf (36) in seiner Lage und seinem Durchmesser (D) so gestaltet ist, dass sich die eigentliche Zusatzfeder (8a) nur in radialer Richtung ausdehnen kann.
Federbein nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzfedertopf (36) entsprechend der Volumenverhältnisse, welche aus der Asymmetrie der eigentlichen Zusatzfeder (8a) entstehen, gestaltet ist.
Federbein nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die eigentliche Zusatzfeder (8a) und der Zusatzfedertopf (36) so konstruiert sind, dass das Verhältnis des Volumens der eigentlichen Zusatzfeder (8a) „links” und „rechts” der Mittelachse (34) gleich dem Verhältnis des Volumens im Spalt zwischen der eigentlichen Zusatzfeder (8a) und Wandung des Topfes (36) links und rechts der Mittelachse (34) ist.
Federbein nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die das Volumen der eigentlichen Zusatzfeder (8a) und das Volumen im Spalt zwischen der eigentlichen Zusatzfeder (8a) und der Wandung des Topfes (36) jeweils „links” und „rechts” der Mittelachse (34) bestimmenden Querschnittsflächen im Verhältnis von 1,5:1 bis 2,0:1 liegen.
Federbein nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (6) eine Luftfeder ist, wobei der der Armatur abstandsvariabel gegenüberliegende Teil (10) der Feder (6) ein Luftfederkolben (10) ist.