DE2329038A1

DE2329038A1 - Druckfeder aus elastomerem material

Info

Publication number: DE2329038A1
Application number: DE2329038A
Authority: DE
Inventors: auf Nichtnennung. M Antrag
Original assignee: Firestone Tire and Rubber Co
Current assignee: Bridgestone Firestone Inc
Priority date: 1972-06-14
Filing date: 1973-06-07
Publication date: 1974-01-03
Also published as: JPS4949051A; GB1423627A; BE800612A; FR2188079A1; JPS5213280B2; AU5678573A; NL7307365A; LU67764A1; FR2188079B1; AT331650B; CH575559A5; ATA500773A; ES415683A1; IT988443B; CA989423A; AU461363B2; ZA733872B

Description

The Firestone Tire & Rubber Company,
Akron/ Ohio Wl7, U.S.A.

Druckfeder aus elastomerem Material.

Die Erfindung bezieht sich auf eine aus einem Stück bestehende Druckfeder mit einem Körperabschnitt aus elastomerem Material.

Druckfedern in Pahrzeugaufhängungen sind problematisch bezüglich der Steuerung der Pederungsrate oder der Härte hinsichtlich der Lastauslenkungskurve. Eine hohe Federrate wird durch Steifheit der Aufhängung kenntlich, die aus dem Verhältnis einer besonderen Last und der statischen Auslenkung besteht, und durch die Tangente an die Auslenkungskurve der speziellen Last gekennzeich·

309881/04 1 1

2329Ü38

net ist. Eine hohe Federungsrate ergibt eine steile Tangente, eine steile Auslenkungskurve und eine harte Federung; im Gegensatz dazu ergibt eine niedrige Federrate eine weiche Federung, d.h. eine größere Auslenkung.

Die Weichheit einer Federung wird im allgemeinen durch die statische Auslenkung oder durch die natürliche Frequenz gemessen. Die natürliche Frequenz eines Systems variiert mit der umgekehrten Funktion der statischen Auslenkung: Je größer die statische Auslenkung, desto niedriger ist die natürliche Frequenz und desto weicher ist das System.

Bei einer konstanten Federungsrate, z.B. einer Spiralfeder aus Metall, nimmt die Weichheit des Federungssystems mit steigender Belastung zu; hierdurch entstehen Probleme, insbesondere wo eine große Gewichtsdifferenz zwischen einem leeren Fahrzeug und einem vollbelasteten Fahrzeug besteht: Die Feder muß bemessen sein, um eine Maximalbelastung tragen zu können, aber das ergibt eine harte Federung und eine rauhe Fahrweise bei leichter Belastung.

Außerdem muß bei einer Spiralfeder zwecks Erreichung einer niedrigeren Federungsrate und einer höheren Auslenkung die Länge erheblich vergrößert werden, wodurch sie in Querrichtung unstabil wird und zu unpraktischen Bauweisen führt. Eine Vergrößerung der Länge von bekannten elastoneren Federn würde dieselben begrenzenden Faktoren ergeben.

Aus der USA-Patentschrift 3 081 993 sind bereits Federn aus elastomerem Material bekannt, die zwecks Begrenzung des Ausbeulens bei Belastung durch getrennte Metallbänder umgeben sind. Eine solche Anordnung ist tatsächlich eine Gummifeder innerhalb einer Stahlfeder und ist zu einer engen Begrenzung der Auslenkungskurve nicht geeignet.

309881/041 1

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden Federn zu benutzen, die einen im wesentlichen zylindrischen Kern aus elastomerem Material aufweisen, der auf seiner Resamten Axiallänge mit gewebtem oder gestricktem Verstärkungsmaterial versehen ist, und mit diesem aus einem Stück besteht. Derartige Anordnungen ergeben jedoch nur eine begrenzte Kontrolle der Eigenschaften und haben unter Biegebeanspruchung nur eine kurze Lebensdauer infolge der Abtrennung des Verstärkungsnaterials vom Kern.

Gemäß der Erfindung kann eine Gummifeder mit veränderlicher Federungsrate entworfen werden, die im wesentlichen dieselben Eigenschaften unter allen Belastungen aufweist, während sie eine genügende Querstabilität zur Erzielung der für eine hohe statische Auslenkung nötigen Höhe besitzt.

Eine solche Feder ist trotz ihrer Schlankheit querstabil, und sie weist eine engbegrenzte Lastauslenkungskurve auf zusammen mit einer natürlichen Frequenz, die so niedrig und konstant wie gewünscht ist,·.und zwar ohne Rücksicht auf die Belastung, so daß ein Ausgleich erzielt wird zwischen einer guten Fahrweise bei leichter Belastung und einer ausreichenden Belastungskapazität zusammen mit Querstabilität bei vergrößerten Längen.

Die Feder nach der Erfindung besteht aus einem Gummikörper mit einer gekrümmten Außenfläche, der gummiertes Stoffmaterial einschließt, dessen Kordfäden sich in einem Winkel zur Achse der Feder erstrecken und der eine Oberfläche von abnehmender Fläche aufweist, die sich axial vom Ende des Körpers erstreckt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Vergleich von Lastauslenkungskurven;

Fig. 2, H und 5 sind Querschnitte durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Feder nach der Erfindung gezeigt in verschiedenen Stufen der Kompression;

30988 1/04 1 1

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt und weggebrochen, einer Feder nach Fig. 2;

Fig. 5 bis 13 sind Schnittansichten von Abänderungsformen der Feder nach der Erfindung.

In Fig. 1 zeigt das Diagramm entlang der Abszisse die Auslenkung und entlang der Ordinate die Belastung.

In Bezug auf die Kurven stellt die horizontale Entfernung von der tatsächlichen Auslenkung zu dem Schnittpunkt der Federungsratentangente mit der horizontalen (Auslenkung) Linie die äquivalente statische Auslenkung "D" für eine gegebene Belastung dar. Die natürliche Frequenz bei einer besonderen Belastung wird durch die Formel 188 definiert.

Bei 10 ist eine typische Kurve für eine übliche Stahlfeder mit konstanter Federungsrate gezeigt. Ihre statische Auslenkung d* bei 4530 kg ist 21,6 mm, was einer natürlichen Frequenz von 20¹I Schwingungen pro Minute entspricht; bei 31,7 to ist die statische Auslenkung d₉ 15,24 cm was einer natürlichen Frequenz von 77 Schwingungen pro Minute entspricht.

Somit zeigt die Stahlfeder eine große Änderung in den natürlichen Frequenzen bei leichten und schweren Belastungen, was unerwünscht ist; ferner ist die Federungarate bei etwa 5,26 to pro 2,54cm konstant, berechnet durch Dividieren der Belastung durch die statische Auslenkung; diese Rate ist bei leichter Belastung zu hoch und bei hoher Belastung zu niedrig.

Die Feder nach der Erfindung befriedigt die Ansprüche nach einer Federung, die relativ weich ist und eine große Auslenkung bei niedrigen Belastungen aufweist, aber die ohne übermäßige Auslenkung schnell ihre Abstützung von höheren Belastungen vergrößert; eine Kurve, die für eine Feder nach der Erfindung charakteristisch ist, wird bei 11 in Fig. 1 gezeigt.

309881 /OA 1 1

2329Ü38

Bei 4,52 to hat eine erfindungsgemäße Feder eine statische Auslenkung D. von 5,08 cm, und somit eine Federungsrate von etwa 2,26 to pro 2,5^ cm. Die natürliche Frequenz bei dieser Belastung ist 133 Schwingungen pro Minute. Bei 13,59 to Belastung beträgt die Auslenkung Dp 5,59 cm und die Federungsrate ist 6,16 pro 2,54 cm bei einer natürlichen Frequenz von 127 Schwingungen pro Minute. Bei 31,71 to Belastung hat dieselbe Feder eine statische Auslenkung D, von 5,59 cm, was einer Federungsrate von etwa 14,4l to pro 2,5^ cm entspricht bei einer natürlichen Frequenz von 127 Schwingungen pro Minute. Man sieht also, daß die Feder nach der Erfindung eine wünschenswerte, im wesentlichen konstante natürliche Frequenz aufweist, und zwar unabhängig von der Belastung.

Die Kurve HA stellt die Lastauslenkungskurve für eine Feder dar, die für steifere Eigenschaften unter Belastung entwickelt wurde. Die entsprechende statische Auslenkung bei 4,53 to ist im wesentlichen dieselbe wie für Kurve 11, und sie ergibt dieselbe weiche Fahrweise bei niedrigen Belastungen; die entsprechende statische Auslenkung D bei 31,71 to ist jedoch nur 4,31 cm. Das entspricht einer natürlichen Frequenz von 144 Schwingungen pro Minute, so daß eine steifere Federung resultiert, die eine größere Stabilität für Geräte ergibt, die diese bei Belastung aufweisen müssen.

In den Fig. 2 und 3 ist die Feder nach der Erfindung in unbelastetem oder unkomprimiertem Zustand gezeigt, die in den oben besprochenen Kurven beschrieben wurde. Die Feder 20 besteht aus einem hohlen, im wesentlichen zylindrischen Körper 21 mit einer inneren Zone oder einem Kern 22 aus elastomerem Material, so wie einer äußeren Zone oder Schicht 23 aus stoffverstärktem Elastomeren. Wie Fig. 3 zeigt besteht die Zone 23 aus Lagen, z.B. 24 und 25 aus mit Elastomerem beschichteten Kordfäden 26, die zueinander parallel sind innerhalb einer bestimmten Lage. Die Kordfäden 26 erstrecken sich in Winkeln zu der Körperachse 3^> wobei die Winkel in aneinander grenzenden Lagen, z.B. 24 und 25 gleich sind, sich jedoch in entgegengesetzten Richtungen erstrecken.

309881 /OA 1 1

2329U38

Von den Enden 27 und'28 des Körpers 21 erstrecken sich axial kegelstumpfförmige Flächen 29 und 30 mit abnehmenden Durchmessern.

Die Feder 20 endet in Stirnflächen 31 und 32, die zur Aufnahme von Druckkräften geeignet ausgebildet sind, die durch Teile 33 und 36 gezeigt sind.

Wenn die Feder in Richtung ihrer Achse 3^ belastet wird, ist die Reaktion eine Tendenz zur Abflachung der geneigten Flächen 29 und 30 und eine Ausdehnung des Körperabschnitts 21 in radialer Richtung. Die radiale Rückstellkraft, die von der inneren Zone 22 durch die schrägen Kordfäden 26 der Zone 23 ausgeübt werden, ist während dieser anfänglichen axialen Auslenkung der Feder minimal. Beim Steigen der Belastung wird die Feder jedoch weiter ausgelenkt, wobei die abgeschrägten Endflächen 29 und 30 die Tendenz zur Abflachung haben, wobei sie einen größeren Widerstand entgegensetzen; gleichzeitig wird der Neigungswinkel der Kordfäden 26 bei radialer Ausdehnung des Körpers größer, wodurch der Auslenkung ein größerer Widerstand entgegengesetzt wird.

Der Zustand bei dieser gesteigerten Belastung ist in Fig. 4 gezeigt, wo die geneigten Flächen 29, 30 nun im wesentlichen flach sind, die Feder verkürzt ist und ihr Durchmesser sich vergrößert hat.

Eine weitere Vergrößerung des Durchmessers und eine Verkürzung der Federlänge ergibt sich bei noch größeren Belastungen. Wenn sich die Feder radial ausdehnt, wird die Auslenkung des Elastomeren durch die Kordfäden begrenzt, so daß sie im wesentlichen eine zylindrische Form behält, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Das verhindert, daß das Elastomere quer ausgelenkt wird, und ermöglicht das Herstellen von Federn mit Schlankheitsverhältnissen (d.h. Länge/Durchmesser) von mehr als 2:1 .

309881 /04 11

Eine weitere Steuerung der Federeigenschaften ist durch Änderung der Form und der Größe des Loches 35 im Kern der Feder gegeben oder durch das Fortlassen von diesem. Je größer das Loch ist, desto größer ist die vorhandende Verforraungsfläche und daher die Weichheit der Feder. Eine allmähliche Verringerung des Lochdurchmessers beeinflußt ebenfalls die Federeigenschaften, die auch durch ein speziell geformtes Loch beeinflußt werden können, z.B. in Form eines Sternes, wie in Fig. 13 bei 111 gezeigt ist.

Die Lastauslenkungskurve 11 der Fig. 1 zeigt Eigenschaften einer tatsächlichen Feder 20, die entsprechend den Fig. 2 und 3 gebaut ist. Ihre axiale Länge im unbelasteten Zustand betrug 56 cm und ihr Außendurchmesser war 33 cm. Die Zone 22 hatte einen Wert von 70 Durometer Gummihärte; die Flächen 29, 30 waren mit einem Winkel von 28° zur radialen Ebene der Feder geneigt und erstreckten sich in axialer Richtung 1,27 cm jenseits der Körperenden 27, 28. Die Kordfäden 26 der Zone 23 erstreckten sich mit Winkeln von etwa 60° zur Federachse J>k in abwechseinen Richtungen.

Der Zustand der Fig. k tritt bei etwas 5, 44 to Belastung auf, und Fig. 5 aeigt den Zustand bei etwa 33,1 to Belastung.

Fig. 6 zeigt eine Feder 40 mit Fläche 41 mit abnehmenden Durchmesser, die gekrümmt ist im Gegensatz zu einer Kegelstumpfform.

Fig. 7 zeigt eine Feder 50 mit einer Oberfläche 51 die gegensätzlich zu derjenigen in Fig. 6 gekrümmt ist.

Fig. 8 zeigt eine Feder 60, deren Fläche 6l mit abnehmendem Durchmesser sich axial einwärts vom Ende 62 des Federkörpers 63 erstreckt.

Fig. 9 zeigt eine Feder 70, die an einem Ende eine sich axial auswärts erstreckende Fläche 71 aufweist und eine sich einwärts erstreckende Fläche 72 am entgegengesetzten Ende.

309881/0411

- ⁸- 2329Ü38

Fig. 10 zeigt eine Feder 80, bei der die Verstärkungszone 8l sich maximal radial einwärts erstreckt.

Fig. 11 zeigt eine Feder 90, die kegelförmig ausgebildet ist mit geneigten Endflächen 91 und 92.

Fig. 12 zeigt eine tonnenförmige Feder 100 mit Endflächen 101 und 102.

Fig. 13 zeigt eine Feder 110 mit einem ovalen Querschnitt und einer sternförmigen Öffnung 111.

Durch die Erfindung ist eine Feder geschaffen, deren Arbeitsweise durch ein geeignetes Verhältnis verschiedener Faktoren gesteuert werden kann. Beispielsweise die Art, die Abmessungen und der Neigun-gswinkel der Kordverstärkung, sowie die Anzahl der Lagen davon kann verändert werden,um eine Feder mit größerer oder geringerer Steifheit zu erzeugen, insbesondere in dem Gebiet höherer Belastungen.

Die Stoffverstärkung ermöglicht es ebenfalls mit hohen Achslänge/Durchmesserverhältnissen zu arbeiten, woraus sich eine Schlankheit ohne Einknicken ergibt. Verhältnisse von mehr als 2:1 und 3:1 sind leicht erreichbar. Man kann infolgedessen Systeme mit natürlichen Frequenzen von weniger als einer Schwingung pro Minute erzeugen.

Bei gewissen Anwendungszwecken kann der Verstärkungsstoff aus Kordfäden mehrere Male in derselben Richtung gewickelt werden und mit anderen Umwicklungen in der Gegenrichtung ausbalanciert werden, im Gegensatz zu alternierenden Lagen von Kordfäden mit entgegengesetzten Winkeln. Die Verstärkung kann auch entgegengesetzte Winkelverhältnisse benutzen, aber nicht notwendigerweise des gleichen Winkels, oder die Winkel der Kordfäden können sich alle in einer einzigen Richtung erstrecken, wie beispielsweise bei einer fortlaufenden Umwicklung.

309881 /041 1

Die Form des Hauptkörpers kann im wesentlichen zylindrisch sein, wie in den Fig. 1 bis IO gezeigt ist, kegelstumpfförmig, wie in Fig. 11, tonnenförmig,wie in Fig. 12, oder oval, wie in Fig. 13.

Eine Änderung in der Gesamtlänge der Feder ändert auch ihre Charakteristik, z.B. eine Verkürzung macht die Feder steifer.

Um eine Feder mit einer weicheren Charakteristik am Niedriglastende der Kurve zu erzeugen, kann die axiale Ausdehnung der Flächen mit sich verringerndem Durchmesser erhöht werden, ferner wird durch eine Änderung in der Form dieser Fläche die Rate geändert, mit der das Niedriglastende der Kurve steigt.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Feder zwei geformte Enden aufweisen kann, oder nur ein geformtes Ende, falls dies für einen bestimmten Anwendungszweck erforderlich ist.

309881/CK 1 1

Claims

Patentansprüche :

Aus einem Stück bestehende Druckfeder mit einem Körperabschnitt aus elastomerem Material, dadurch gekennzeichnet, daß der Körperabschnitt gegen Querausdehnung verstärkt ist, und daß seine Querschnittsfläche sich wenigstens an einem Achsende verringert.
2. Druckfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körperabschnitt einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
3. Druckfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körperabschnitt einen ovalen Querschnitt aufweist.
Ί. Druckfeder nach Anspruch 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsfläche des Körperabschnitts an einem oder an beiden Achsenden kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
5. Druckfeder nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsfläche des Körperabschnitts an einem oder an beiden Achsenden im Axialschnitt kurvenförmig ausgebildet ist.
6. Druckfeder nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsfläche des Körperabschnitts an einem oder an beiden Achsenden im Axialschnitt die Form einer abgeschnittenen Tasse aufweisen.
7. Druckfeder nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsfläche des Körperabschnitts an einem oder an beiden Achsenden eine radiale Innenfläche des Körperabschnitts ist.
8. Druckfeder nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere des Körperabschnitts zwischen seinem Endabschnitt oder Endabschnitten zylindrisch ausgebildet ist.

309881/041 1
9. Druckfeder nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Loch axial durch den Körperabschnitt erstreckt.
10. Druckfeder nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Körperabschnitt einen elastomeren Kern aufweist, der von einer Verstärkungsschicht umgeben ist, die mit dem Kern aus einem Stück besteht.
11. Druckfeder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsschicht aus mehreren Lagen besteht, von denen jede parallele Kordfäden aufweist, die sich in einem Winkel zu der Achse des Körperabschnitts erstrecken.
12. Druckfeder nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kordfäden in aneinander angrenzenden Lagen sicn gleichen, aber entgegengesetzten Winkeln zu der Achse des Körperabschnitts erstrecken.
13. Druckfeder nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus Kautschuk und die Verstärkungsschicht aus verstärktem Kautschuk besteht.

309881/0 A11

Leerseite