DE69024003T2

DE69024003T2 - Verbesserungen an Federn aus elastomerem Material.

Info

Publication number: DE69024003T2
Application number: DE1990624003
Authority: DE
Inventors: John Harris; Andrew Stevenson
Original assignee: MATERIALS ENG RES
Current assignee: MATERIALS ENG RES
Priority date: 1989-08-25
Filing date: 1990-08-24
Publication date: 1996-04-25
Anticipated expiration: 2010-08-25
Also published as: GB9018592D0; DE69024003D1; GB2235747A; GB2235747B; EP0419057A1; EP0419057B1

Description

Bereich der Erfindung

Diese Erfindung betrifft Verbesserungen in und in bezug auf Elastomerfedern, insbesondere, doch nicht ausschließlich, zur Verwendung in den Aufhängungssystemen von Kraftfahrzeugen und anderen Fahrzeugen.

Hintergrund der Erfindung

Elastomere wurden viele Jahre lang als Bestandteile gegen Schwingungen in den Aufhängungssystemen von Kraftfahrzeugen und anderen Fahrzeugen benutzt. Moderne Kraftfahrzeuge können mehr als ein Dutzend unterschiedlicher elastomerer Teile aufweisen, wie Buchsen, Halterungen usw. Die primäre Aufhängung ist noch immer üblicherweise eine herkömmliche Stahlfeder mit einem hydraulischen Dämpfer, wobei das System oft eine obere Elastomerhalterung umfaßt. Elastomerteile werden in weitem Umfang in schwingungshindernden Systemen in Kraftfahrzeugen und anderen Bodenfahrzeugen sowie auch bei Anwendungen in der Luftfahrt benutzt. Sie können niedrige Federkonstanten mit niedriger oder hoher Dämpfung kombinieren, uin Schwingung abzuschwächen. Die Fähigkeit, Schwingungen abzuschwächen, wird im allgemeinen sowohl von der Amplitude als auch der Frequenz der eingegebenen Schwingung abhängen. Obwohl die Schwingungsisolierung oder -dämpfung für eine Quellenbedingung sehr erfolgreich sein kann, kann sie somit ganz unwirksam sein für eine andere Quellenbedingung. Es ist ein Merkmal von Fahrzeugen, daß eine große Anzahl unterschiedlicher Schwingungen aus unterschiedlichen Quellen oft simultan überlagert wird.
Gegenwärtige Konstruktionsvorgänge für elastomere, schwingungshemmende Vorrichtungen sind üblicherweise ein Kompromiß, der darauf abzielt, sich mit der schlimmsten der Schwingungen zu befassen. Die Isolierung von Schwingungen ist stets vorzuziehen, wenn natürliche Resonanzfrequenzen niedrig genug gemacht werden können, verglichen mit den Eingabefrequenzen. Dies kann oft nicht sichergestellt werden, wenn man sich mit einem Spektrum von Eingängen befaßt, besonders bei herkömmlich konstruierten Anti-Schwingungshalterungen. Die Dämpfung muß dann die resonanten Wirkungen (oder Ansprechverhalten auf Stoß) verringern, üblicherweise aber zu Lasten der Isolierung höherer Frequenzen. Die Konstruktion muß diese beiden Funktionen ins Gleichgewicht bringen. Zusätzlich beruht die Konstruktion üblicherweise auf einer Annäherung an das Verhalten linearer Materialien, obwohl es durchaus bekannt ist, daß Elastomere ein nicht- lineares statisches und dynamisches Verhalten gegenüber Kraftauslenkung haben.
Ein Grund, daß Elastomere nicht in weiterem Umfang als primäre Aufhängungsbestandteile benutzt wurden, ist es, daß Ingenieure im allgemeinen mit nicht-linearen Materialien nicht vertraut sind und die Konstruktionen so danach getrachtet haben, nicht-lineare Aspekte zu minimieren, zum Schaden der Ausbeutung des vollen Potentials elastomerer Bestandteile.
In der GB-A-2207730 ist eine Druckfeder offenbart, die besonders, doch nicht ausschließlich, in Fahrzeugaufhängungs-Anwendungsfällen nützlich ist und einen verlängerten Plateaubereich in ihren Kraft/Dehnungs-Merkmalen hat, wobei ein solches verlängertes Plateau dank der Bildung der Feder als rohrförmiger Elastomerkörper mit vom einen Ende zum anderen progressiv zunehmendem Querschnitt erreicht wird, mit in Längsrichtung getrennt beabstandeten Verstärkungen, die dazwischen sich ausbeulende Unstabilitätsstellen festlegen, wobei die Feder, wenn sie unter Druck steht, die Ausbeulung der Reihe nach an den genannten Stellen erfährt. Mehr im allgemeinen sorgt die in der GB-A-2207730 offenbarte Erfindung für eine Druckfeder mit einem länglichen, rohrförmigen Elastomerkörper, der mit in Längsrichtung getrennt beabstandeten Verstärkungen versehen ist, die zwischeneinander Stellen für örtliche, sich ausbeulende Unstabilitäten festlegen und worin die Feder zwangsläufig solche örtlich sich ausbeulenden Instabilitäten aufeinanderfolgend über die genannten Stellen hinweg entwickelt, wenn sie unter Drucklast steht, infolge der Tatsache, daß die Feder einen nichtgleichförmigen Querschnitt aufweist, der von einem kleineren zu einem größeren Ende der Feder hin zunimmt.
Die Elastomerfeder der GB-A-2207730 ist in deren Beschreibung im Gegensatz zur Feder der EP-A-0184848 gesetzt, die einen rohrförmigen Elastomerkörper aufweist, in den eine Spiralfeder eingebettet ist und an ihr anvulkanisiert ist, wobei die Spiralfeder das Auftreten einer symmetrischen Ausbeul-Instabilität im elastomeren Körper unter Bedingungen axialer Last so steuern soll, daß die Ausbeul-Instabilität aufeinanderfolgend längs der Längenerstreckung des Körpers zwischen benachbarten Windungen der Spiralfeder auftritt; es wurde ausgeführt, daß infolge dieser Anordnung die Kraft/Dehnungs- Charakteristik der Verbundfeder steuerbar sein soll, um ausgewählte steife und weiche Bereiche in Übereinstimmung mit speziellen Erfordernissen zu bilden. Wie in der GB-A- 22077 30 erläutert ist, ist es jedoch unsere Überzeugung, daß eine Verbund-Federvorrichtung, wie in der EP-A-0184848 beschrieben, nicht imstande sein kann, Merkmale zu erreichen, die sich beträchtlich von denen unterscheiden, die durch Vorrichtungen aus dem Stand der Technik erhalten werden, und in Übereinstimmung mit der Erfindung der GB-A- 2207730 haben wir vorgeschlagen, daß der Elastomerkörper sich zwangsläufig fortlaufend in vorbestimmter Weise dadurch ausbuchten soll, daß man den Körper und/oder irgendwelche diesem zugeordnete Verbundmaterialien in geeigneter Weise gestaltet. Mehr im einzelnen haben wir unter anderem vorgeschlagen, daß der Elastomerkörper eine insgesamt kegelstumpfförmige Gestalt haben sollte, vorteilhafterweise mit axial getrenntbeabstandeten, ringförmigen Verstärkungen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung sorgt für eine Druckfeder mit einem länglichen, rohrförmigen Elastomerkörper, der mit in Längsrichtung getrennt beabstandeten Verstärkungen versehen ist, die zwischeneinander Stellen für sich örtlich ausbeulende Unstabilitäten bilden, wobei die genannte Feder aus einer Vielzahl einzelner Federelemente gebildet ist, die zusammengefügt sind, und jedes der genannten Federelemente aus einem kegelstumpfförmigen Elastomerkörper mit einem kreisringförmigen Verstärkungsring gebildet ist, der an seiner jeden axialen Endfläche hiermit verbunden bzw. hieran anvulkanisiert ist und sich über mindestens im wesentlichen die gesamte Erstreckung der jeweiligen Endfläche erstreckt. Eine solche Feder ist aus der LU-A-64563 bekannt (die der GB-A-1 381 749 entspricht). Die bekannte Feder der LU-A-64563 ist jedoch nicht für den Zweck ausgebildet, aufeinanderfolgende Ausbeulungs-Instabilitäten bei Zusammendrückung zu erzeugen und entwickelt nicht eine nicht- lineare Kraft-Verformungs-Charakteristik mit mindestens einem Plateaubereich zwischen Bereichen höherer Steifigkeit. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Feder, wie sie aus der LU-A-64563 bekannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Vielzahl von Federelementen Elemente umfaßt, die aus unterschiedlichen Elastomermaterialien gebildet sind, wie etwa unterschiedlichen Elastomermaterialien, die unterschiedliche Kraft/Verformungs-Charakteristiken aufweisen und/oder Elementen, die aus demselben Elastomermaterial geformt sind, aber infolge der Unterschiede zwischen den jeweiligen Federelementen nach Abmessung und/oder Formgebung unterschiedliche Kraft/Verformungs-Charakteristiken aufweisen, wobei eine solche Anordnung getroffen ist, daß die Feder zwangsweise die genannten örtlichen Ausbeulungs-Unstabilitäten aufeinanderfolgend über die genannten Stellen hinweg entwickelt, wenn sie unter Drucklast steht, und zwar auf eine solche Weise, um die Feder mit einer nicht- linearen Kraft/Verformungscharakteristik zu versehen, die mindestens einen Plateaubereich zwischen Bereichen höherer Steifigkeit aufweist.
Wie nachfolgend noch mehr im einzelnen beschrieben wird, sieht die vorliegende Erfindung in einer speziellen, beispielhaften Ausführungsform kegelstumpfförmige Elastomerelemente mit kreisringförmigem Querschnitt vor, die erwünschterweise einen Konuswinkel von 2º bis 28º und bevorzugt von 5º bis 15º aufweisen. Die kegelstumpfförmigen Elastomerelemente umfassen ringförmige Verstärkungsringe, die fest an das Elastomermaterial mit ihren axialen Endflächen angeklebt bzw. anvulkanisiert sind, wobei die Verstärkungsringe bevorzugt flache, gepreßte Metallstücke oder einfache Metallringe mit kreisförmigem Querschnitt sind, obwohl sie auch andere Formen annehmen könnten und auch aus anderen Materialien geformt sein könnten.
Die Erfindung zieht in Betracht, daß solche kegelstumpfförmigen Elastomerelemente mit kreisringförmigem Querschnitt in vielfachen Kombinationen mit anderen Elastomerelementen möglicherweise der gleichen Art benutzt werden könnten, um spezifisch geforderte Kraft/Dehnungs- Charakteristiken zu erreichen. Eine Elastomerfeder, die als eine Kombination aus zwei oder mehr Elastomerfederelementen gebildet ist, könnte so durchgehend aus ein und demselben Elastomermaterial gebildet sein, in welchem Fall Abmessungs- und/oder Formänderungen etwa zwischen dem einen Element und dem anderen benutzt werden könnten, um die geforderten Charakteristiken maßzufertigen. Anders und in Übereinstimmung mit einem bevorzugten und vorteilhaften Merkmal der vorliegenden Erfindung können unterschiedliche Elastomermaterialien mit unterschiedlichen Kraft/Dehnungs- Charakteristiken benutzt werden, so daß die gesamte Feder- Verformungs-Charakteristik ein Aggregat aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Elementarcharakteristiken ist, die gemäß der gewünschten Anforderung der Feder ausgewählt sind. Dank eines solchen mehrfachen Elastomerfederaufbaus kann eine Feder, die eine Vielzahl von Plateaus in ihrer Kraft-/Dehnungskurve aufweist, erhalten werden, die eine vorteilhafte Anwendung bei Anwendungsfällen von Fahrzeugaufhängungen hat, beispielsweise dort, wo unterschiedliche Fahrzeugbelastungen aufgenommen werden müssen.
Mehrfach-Elastomerfeder-Anordnungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können auch einstückig durch Verwendung von Formen abgeformt werden, die mehrere Einspritzöffnungen aufweisen, und durch Steuern der Strömungswege des eingespritzten Elastomers in den Formen, wobei eine solche Anordnung eine Alternative zur Bildung äquivalenter Federn durch deren Zusammenfügung aus einer Vielzahl vorgeformter Federelemente bildet.
In Übereinstimmung mit einer weiteren Möglichkeit, die nachfolgend beschrieben wird, ist in einem kegelstumpfförmigen Elastomerfederelement mit kreisringförmigem Querschnitt oder einer Druckfeder gemäß der vorliegenden Erfindung, wie vorangehend beschrieben, ein weiteres Elastomerfederelement in deren sonst hohlem Inneren aufgenommen. Die Kraft-/Dehnungs-Charakteristiken der somit parallel gekoppelten Federelemente kann als eine Komponente der Gesamtfedercharakteristiken ausgelegt werden, um spezifischen Anwendungsfällen zu genügen. Somit ist in einer besonders beschriebenen Anordnung ein hohles, kegelstumpfförmiges Elastomerelement, das einen Zusammenbruch in seiner Kraft-/Dehnungs-Charakteristik zeigt, wenn erst einmal eine bestimmte Auslenkung erreicht wurde, mit einem zylindrischen Elastomerfederelement ausgepolstert, das einen viel größeren und zunehmenden Widerstand gegenüber der Verformung bietet, die zum Tragen kommt, wenn das kegelstumpfförmige Element einzusinken beginnt, und demzufolge wird eine kombinierte Kraft- /Dehnungs-Charakteristik erreicht, die einen Plateaubereich aufweist.
Bei der oben erwähnten, weiteren Anordnung kann zusätzlich zu den Steuermöglichkeiten, die durch Änderung der Größen, Formen und Materialien der parallel gekoppelten Elastomerkomponenten bewirkt werden können, eine zusätzliche Steuermöglichkeit dadurch erreicht werden, daß man der inneren Komponente eine verringerte axiale Länge verleiht, verglichen mit der äußeren Komponente, und durch Variation der Längendifferenz. Dank einer solchen Längendifferenz kann es beispielsweise eingerichtet werden, daß die innere Komponente bis zu einer solchen Zeit nicht belastet wird, bevor nicht die äußere Komponente um ein vorbestimmtes Maß zusammengedrückt wurde.
Die oben erwähnten, parallel gekoppelten Elastomerkomponenten können mit anderen Federelementen derselben Art und/oder mit anderen kegelstumpfförmigen Federkomponenten der ersterwähnten Art, d.h. ohne eine parallele Komponente, benutzt werden, um eine Reihen-Mehrfach-Federanordnung zu bilden, die eine oder mehrere parallel gekoppelte Komponenten aufweist.
Der innere Hohlraum, der innerhalb der in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Elastomerfedern vorliegt, gibt Anlaß zur Möglichkeit, eine Strömungsmitteldämpfung und/oder aktive Änderung der Federcharakteristiken mit aufzunehmen. Die Strömungsmitteldämpfung wird allgemein dadurch bewirkt, daß man eine Anordnung für eine Strömungsmittelströmung durch einen verkleinerten Durchlaß von einer Kammer zur anderen anordnet, und dies kann ohne weiteres innerhalb der Praxis der vorliegenden Erfindung erreicht werden. In gleicher Weise kann eine aktive Änderung der Federcharakteristiken zur Änderung der Fahrzeugfahrtcharakteristik und/oder der Fahrzeug-Niveauregulierung oder -Fahrthöhenbestimmung ohne weiteres innerhalb der Praxis der vorliegenden Erfindung dadurch bewirkt werden, daß man Gasdruck- und Sensorsysteme den Elastomerfedern zuordnet. Zusätzlich könnten Elastomerfedern gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise an herkömmlichen, strebenförmigen Kraftfahrzeugdämpfern angebracht werden und mit diesen benutzt werden.
Die obigen und weitere Merkmale der Erfindung werden ausführlich in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt und werden aus der Betrachtung der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungen der Erfindung deutlich, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen vorgelegt wird.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A und 1B zeigen schematisch Aufrisse beispielhafter Elastomerfederelemente in Übereinstimmung mit einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein schematischer Aufriß, der zeigt, wie zwei Elastomerfederelemente in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zusammengebaut werden könnten, um ein Verbundelement zu bilden;
Fig. 3 ist eine beispielhafte Last-/Dehnungskurve für eine Elastomerfeder gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine erhöhte geometrische Dämpfung in ihrem Plateaubereich zeigt;
Fig. 4 zeigt eine Gruppe von Kurven des Durchlassungsvermögens entsprechend den Stellen 1, 2 und 3, die in Fig. 3 bezeichnet sind;
Fig. 5 zeigt beispielhafte Last-/Dehnungskurven für zwei Elastomerfederelemente und zeigt die resultierende Kurve, die durch Kombinieren der beiden Elemente erhalten wurde;
Fig. 6 zeigt, wie mehrfache Plateaus in einer Kraft- /Dehnungskurve durch sinnvolle Auswahl von Elastomercharakteristiken für unterschiedliche Elemente einer Mehr-Elemente-Elastomerfeder gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden können;
Fig. 7A und 7B zeigt im schematischen Aufriß zwei weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, mit Viel-Elemente-Elastomerfedern, die alle einstückig abgeformt sind;
Fig. 8 zeigt Änderungen in der Steifigkeit und Dämpfung mit zunehmender Amplitude bei unterschiedlichen statischen Versetzungen für eine Version kombinierter Elastomerfederelemente in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 stellt schematisch die Anwendung der Erfindung bei einem aktiven Aufhängungssystem dar;
Fig. 10 ist ein schematischer Aufriß eines parallelgekoppelten Elastomerfederelements einer Druckfeder in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, wobei das Element unter keiner Druckbelastung gezeigt ist;
Fig. 11 ist ein schematischer Aufriß des Federelements der Fig. 10, wenn es sich unter beträchtlicher Druckbelastung befindet; und
Fig. 12A, 12B und 12C zeigen jeweils getrennte Kraft- /Dehnungs-Charakteristiken für die Elementarfedern A und B, die das Federelement der Fig. 10 bilden, sowie eine Kraft- /Dehnungs-Charakteristik für das Verbundfederelement.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Wie in den Fig. 1A, 1B und 2 gezeigt, sind hohle, ringförmige, kegelstumpfförmige Elastomerelemente 1 mit Konuswinkeln zwischen 2º und 28º und bevorzugt zwischen 5º und 15º sowie mit genau definierten Verhältnissen des Außen- und Innendurchmessers zur Höhe durch heiße Klebtechniken, die während der Vulkanisierung des Elastomers bewirkt werden, um eine dauerhafte Verklebung zu erhalten, an ihren axialen Endflächen mit ringförmigen Verstärkungsringen 2 verklebt, die als einfache, flache Metallpreßlinge gebildet sind, die sich über die gesamte Erstreckung der jeweiligen Endflächen erstrecken. Wie bereits vorangehend umrissen wurde, sind die sich ergebenden Federelemente miteinander kombiniert, um eine Verbundfeder zu bilden. Fig. 2 zeigt eine Zwei-Elemente- Verbundfeder, die durch zwei unterschiedliche kegelstumpfförmige Elastomerfederelemente gebildet sind, die Basis an Basis montiert sind, wobei ein Element beispielsweise ein Element mit niedriger Dämpfung für die Steuerung bei normaler Fahrt bei der Anwendung in einem Fahrzeug und das andere ein hochdämpfendes Element ist, um für eine höhere Dämpfung für größere Auslenkungen zu sorgen, die durch Stöße, Schlaglöcher, Kurvenfahrten und Bremsen verursacht werden. Andere Verbundanordnungen sind möglich, beispielsweise aus kegelstumpfförmigen Elementen mit unterschiedlichem Durchmesser, die eine insgesamt konisch geformte Verbundanordnung bilden, obwohl die Anzahl von Federelementen in jeder Verbundanordnung der mechanischen Stabilität und anderer Überlegungen wegen 10 nicht überschreiten sollte. Wie durch die Fig. 1A und 1B und tatsächlich auch durch die beiden getrennten Federelemente der Fig. 2 gezeigt ist, können die Federelemente unterschiedliche innere und äußere Kegelwinkel, unterschiedliche innere und äußere Durchmesser an der Oberseite und Unterseite ihres kegelstumpfförmigen Querschnitts und unterschiedliche Höhen aufweisen, und können ferner entweder aus demselben oder aus unterschiedlichen Elastomermaterialien oder aus Mischungen von Elastomermaterialien geformt sein, die unterschiedliche Steifigkeit und Dämpfungseigenschaften aufweisen.
Dank der vorliegenden Erfindung kann eine Verbund-Elastomerfedervorrichtung ein Kraft-/Dehnungsplateau mit einer sog. geometrischen Dämpfung aufweisen, d.h. einer erhöhten Dämpfung für jene Bedingungen, wo eine Dämpfung erforderlich ist. Die Differenz in der Dämpfung, die bei unterschiedlichen Stadien der Kraft-/Dehnungskurve erreicht wird, kann dank dieses Effekts durch die Konstruktion so eingestellt werden, daß sie jeder speziellen Verwendung genügt. Fig. 3 stellt eine Kraft-/Dehnungskurve dar, der an den Stellen, die mit 1, 2 und 3 bezeichnet sind, Hystereseschleifen aus typischen dynamischen Versuchen überlagert sind, und es ist zu sehen, daß eine größere Hystereseschleife im Plateaubereich 2 der Kraft- /Dehnungskurve erreicht wird, was eine größere Dämpfung (d.h. einen größeren Verlustwinkel) anzeigt. Fig. 4 zeigt eine Gruppe von Kurven des Durchlassungsvermögens entsprechend den Stellen, die in Fig. 3 mit 1, 2 und 3 bezeichnet sind, und es ist zu sehen, daß der Plateaubereich 2, wo die Dämpfung am höchsten ist, den niedersten Scheitel in seiner Kurve des Durchlassungsvermögens aufweist. Eine Verringerung in der natürlichen Frequenz wird im Plateaubereich (Punkt 2 der Kraft-/Dehnungskurve) erreicht, ohne den Nachteil einer größeren statischen Auslenkung, und eine Zunahme in der Dämpfung wird auch ohne den Nachteil einer Zunahme in der Steifigkeit oder einer geforderten Modifizierung der Elastomerverbindung erreicht.
Es wird Bezug auf die Fig. 5 und 6 genommen; es kann gesehen werden, daß Elastomerfederelemente zu einer Verbund-Elastomerfeder kombiniert werden können, die nicht nur eine einzige durchgehende Kraft-/Dehnungskurve, wie in Fig. 3, mit einem einzigen Plateaubereich aufweist, sondern auch mehrfache Plateaubereiche ergeben kann. Fig. 5 zeigt, wie individuelle Elastomerfederelemente mit unterschiedlichen Kraft-/Dehnungsmerkmalen zu einer Verbundfeder kombiniert werden können, die Kraft- /Dehnungsmerkmale aufweist, die ein Aggregat jener ihrer Komponenten sind, und es ist aus Fig. 6 ersichtlich, daß durch Hinzufügung weiterer Komponenten mit größerer Steifigkeit ein weiteres Plateau in den Kraft-/Dehnungs- Charakteristiken erreicht werden kann. Dank einer solchen Kombination unterschiedlicher Federelemente, die unterschiedliche Dämpfung erzeugen, und mehrerer Plateaus in unterschiedlichen Bereichen der Kraft-/Dehnungskurve der Gesamtfeder können Anpassungen an Fahrzeuganwendungen, die beispielsweise eine erhöhte Dämpfung bei unterschiedlichen Fahrzeugbelastungen erfordern, ohne weiteres vorgenommen werden. Somit kann beispielsweise die Aufhängung eines Kraftfahrzeuges dazu bestimmt werden, optimale Fahrbedingungen vorzusehen, ungeachtet der Tatsache, ob nur der Fahrer im Fahrzeug anwesend ist oder ob noch ein, zwei oder mehrere Fahrgäste anwesend sind.
Während die Elastomerfedern der Fig. 1A, 1B und 2, die oben beschrieben wurden, unterschiedliche Elemente aufweisen, die miteinander zu einer Verbundfederanordnung kombiniert sind, hat die vorliegende Erfindung eine breitere Anwendung und umfaßt auch Verbundelastomerfedern, die in integraler Weise entweder aus einem einzigen Elastomermaterial durchgehend oder aus verschiedenartigen unterschiedlichen Elastomermaterialien abgeformt sind, die so ausgewählt sind, daß sie spezifische Charakteristiken vorsehen, wie oben erläutert. Die Fig. 7A und 7B der Zeichnungen zeigen beispielhafte Anordnungen einheitlich abgeformter Verbundelastomerfedern in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, wobei die Feder der Fig. 7A eine variierende Wandstärke durch den Stapel der Federelemente hindurch aufweist und die Feder der Fig. 7B gleichförmige Wandstärke bietet. Formgebungstechniken sind anwendbar, bei denen durch Verwendung von Abformgesenken mit mehrfachen Einspritzöffnungen und durch Steuerung der Elastomerströmung im Inneren der Form unterschiedliche Elastomermaterialien oder Gemische hiervon an unterschiedlichen Teilen der Verbundfeder abgeformt werden können. Das Elastomerinaterial ist bevorzugt rund um die Verstärkungsringe zu Zwecken des Korsionsschutzes abgeformt, falls Metallringe benutzt sind. Bemerkenswert in den Fig. 7A und 7B ist die Verwendung dickerer Ringe am oberen und unteren Ende der Feder; solche dickeren Ringe können praktischerweise mit Gewindeschraublöchern, Gewindezapfen oder anderen Befestigungsmitteln ausgebildet sein, die die anforderungsgemäße Anbringung der Feder ermöglichen. Es wird ohne weiteres als wichtig erkannt, daß die einheitlich abgeformten Federn der Fig. 7A und 7B in jeder Hinsicht die Äquivalente eines gestapelten Satzes geeignet bemessener Elastomerfedern der vorangehend unter Bezugnahme auf Fig. 1A beschriebenen Federn sind, bei denen sich die Verstärkungsringe über im wesentlichen die gesamte Erstreckung der Endflächen der einzelnen, kegelstumpfförmigen Elemente 1 erstrecken.
Fig. 8 zeigt, wie die Steifigkeit und Dämpfung einer beispielhaften Verbundeleastomerfeder in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sich mit zunehmender Amplitude der dynamischen Auslenkung unter unterschiedlichen statischen Versetzungen ändern kann. Wie ersichtlich ist, können sich durch die Ausbildung bei Erhöhung der Schwingungsamplitude die Steifigkeit und Dämpfung ändern. Hochfrequente Straßeneingaben haben beispielsweise eine niedrige Amplitude, wenn die Steifigkeit höher ist. Große Amplituden können niedrigerer Steifigkeit und höherer Dämpfung zugeordnet sein. Dank der vorliegenden Erfindung können diese Wirkungen viel einfacher als bisher dank des geometrischen Dämpfungseffektes unter Verwendung unterschiedlicher Elastomere als Verbundmaterialien aufgenommen werden, die in Reihe oder parallel angeordnet sind. Das Einhergehen der Steifigkeit mit der Amplitude kann sogar so umgekehrt werden, daß die Steifigkeit mit der Amplitude zunimmt, was in Fahrzeug-Anwendungsfällen manche Vorzüge bei der Kontrolle über rauhe Straßenoberflächen haben kann.
Federelemente, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind, können speziell für die Verwendung in aktiven oder halb-aktiven Aufhängungssystemen ausgebildet sein, wo die Dämpfungs- oder Federkonstante unter elektronischer Steuerung oder Rechnersteuerung über Änderungen im Innendruck, beispielsweise eines Druckströmungsmittels, wie etwa Ethylen oder Propylenglykol oder dergleichen, modifiziert werden kann. Fig. 9 stellt schematisch eine Art und Weise dar, auf welche dies dank des inneren Hohlraums der Feder erreicht werden kann, die an jedem Ende geschlossen ist, dank einer Einlaß- /Auslaßöffnung 5, die an einem Ende für die Überführung von unter Druck stehendem Strömungsmittel in den Federhohlraum hinein oder aus diesem heraus vorgesehen ist, und durch die wahlweise Anordnung einer inneren Membran 10, um eine zusätzliche Dämpfung bei hohen Amplituden vorzusehen. Eine aktive Steuerung kann auch einfach durch Hinzufügung einer Kraft zum Erhöhen der Versetzung der nicht-linearen Feder sogar ohne Druckströmungsfüllung im Federhohlraum erreicht werden. Dies könnte ein zweistufiges System ergeben, das entweder sich automatisch an eine Zunahme in der Belastung anpassen könnte oder von "weicher Fahrt" auf "harte Fahrt" durch Umschalten eines Schalters am Fahrzeug-Armaturenbrett geändert werden könnte. Ein solches System wäre in Lastwagenaufhängungen beispielsweise von Vorteil, um es zu ermöglichen, daß eine einfache Einstellung für beladenes und unbeladenes Gewicht vorgenommen werden kann.
Es liegt somit die Möglichkeit vor, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung ein System vorzusehen, wie beispielsweise in Fig. 2, worin die Kammer, die innerhalb des obersten eines der beiden Elastomerelemente vorgesehen ist, mit Strömungsmittel gefüllt ist, und eine Platte mit einer kleinen Öffnung an der Verbindung des oberen und unteren Elastomerelements vorgesehen ist, um es Strömungsmittel zu gestatten, zwischen den Kammern hin und her hindurchzutreten, die innerhalb des oberen und unteren Elastomerelements gebildet sind, wodurch eine Dämpfungswirkung erzeugt wird. Der Platte mit einer kleinen Öffnung könnte ein Dämpfungs- und Absorptionselement aus Elastomer zugeordnet sein, das eine flexible Membran bildet, die das Innere der untersten der beiden Elastomerelemente gegenüber dem strömungsmittelgefüllten oberen Element isoliert, und der Strömungsmitteldruck in der oberen Kammer (d.h. der Kammer, die innerhalb des oberen elastischen Elements gebildet ist) und/oder der Gasdruck in der unteren Kammer kann einstellbar sein, um das aktive Aufhängungssystem vorzusehen.
Während vorangehend speziell Verbund-Elastomer-Federausbildungen beschrieben wurden, worin Federelemente, die jeweils eine örtliche, sich ausbeulende Unstabilitätsstelle bilden, gestapelt oder in Reihe miteinander gekoppelt sind, so daß die Kraft-/Dehnungs-Charakteristik der Verbundfeder in der Wirkung die Summe der charakteristiken der Federelemente ist, zieht die vorliegende Erfindung auch in Betracht, daß die parallele Koppelung von Elastomer- Federelementen in einer reihengekoppelten Federanordnung benutzt werden kann, um vorteilhafte Kraft-/Dehnungs- Charakteristiken zu erhalten. Es wird auf Fig. 10 Bezug genommen; in dieser ist eine Verbund-Elastomer- Federelementausbildung gezeigt, die in eine in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung stehende Feder mit aufgenommen werden kann, wobei das Element der Fig. 10 Elastomer-Federkomponenten A und B aufweist, die an ihren oberen und unteren Enden mit Metallplatten 1, 2 und 3 verklebt bzw. zusammenvulkanisiert sind. Wie gezeigt, weist die Federkomponente A eine innere und äußere kegelstumpfförmige Form mit unterschiedlichen Kegelwinkeln für ihre Innen- und Außenfläche auf und das Federelement B ist zylindrisch mit einer Axialbohrung. Die oberen Enden der Federelemente A und B sind konzentrisch mit einer ringförmigen Endplatte 2 verklebt bzw. zusammenvulkanisiert, wobei das untere Ende der Federkomponente A an eine kreisringförmige Endplatte 1 angeklebt bzw. anvulkanisiert ist und das untere Ende des Federelements B konzentrisch an die kreisringförmige Endplatte 3 angeklebt bzw. anvulkanisiert ist. Die axiale Länge der Federkomponente A ist größer als die der Federkomponente B, wie gezeigt.
Bei der Verwendung des Verbund-Elastomer-Federelements in Fig. 10 als eine Komponente einer Druckfeder gemäß der vorliegenden Erfindung und bei Aufbringung einer Drucklast ist die Federkomponente A anfangs zusammengedrückt und verformt, ohne jegliche Zusammendrückung der Federkomponente B. Die Kraft-/Dehnungs-Charakteristik der Federkomponente A allein ist in Fig. 12A gezeigt. Nachdem die Federkomponente A bis zur selben Höhe wie die Federkomponente B zusammengedrückt wurde, tritt die Federkraft der Federkomponente B mit einer Kraft-/Dehnungs- Charakteristik auf, wie in Fig. 12B gezeigt. Eine weitere Zusammendrückung der Verbundfeder veranlaßt sie, sich fortlaufend zu verformen, wie in Fig. 11 gezeigt, und die gesamte Kraft-/Dehnungs-Charakteristik ist so, wie in Fig. 12C gezeigt. Wie in Fig. 12A gezeigt, weist die Kraft- /Dehnungs-Charakteristik der Federkomponente A eine Delle auf, wo in der Wirkung die Feder ein hauptsächliches Zusammensinken unter Druck erleidet. Die Federkomponente B ist so angeordnet, daß sie wirksam wird, um dieses Zusammensinken der Federkomponente A auszugleichen, und die resultierende Kraft-/Dehnungs-Charakteristik, wie sie in Fig. 12C gezeigt ist, hat einen verlängerten Plateaubereich. Die Federelementanordnung, die in den Fig. 10 und 11 gezeigt ist, ist nur beispielhaft und Anpassungen und Abänderungen können hieran vorgenommen werden, ohne daß man von der vorliegenden Erfindung abweicht. Beispielsweise könnten die Federkomponenten A und/oder B ihrerseits aus mehreren Federelementen gebildet sein, die Art und/oder die Materialien der Federkomponenten A und/oder B könnten geändert werden, und der Punkt, an dem die Federkomponente B wirksam wird, könnte durch Änderung der axialen Länge, beispielsweise der Komponente B, verändert werden.
Anhand des voranstehenden wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung darauf abzielt, die inhärente Nicht-Linearität elastomerer Materialien über ihren Arbeitsbereich hinweg bei der Entwicklung fortgeschrittener Antischwingungsvorrichtungen auszunutzen, die eine besonders vorteilhafte Anwendung bei Fahrzeug-Aufhängungssystemen haben. Die Erfindung benutzt die geometrische Dämpfung, um die normalen Dämpfungseigenschaften des Elastomermaterials unter speziellen Bedingungen in Abhängigkeit von Art und Ausmaß der Verformung zu fördern. Bei der Anwendung an Straßenfahrzeugen liefern die Federelemente der vorliegenden Erfindung ein statisches und dynamisches Kraft-/Dehnungsverhalten und ein dynamisches Verhaltens die an die Bedingungen der Eingaben von Last und Straße angepaßt sind. Dieser Versuch ist eher anpassend als aktiv und vermeidet somit das Erfordernis erforderlicher hydraulischer Hochdruckeinrichtungen. Das inhärente, nicht-lineare Verhalten wird die Systeme veranlassen, ständig dann härter zu werden, wenn seitliche oder vertikale Kräfte über ein vorher festgelegtes Niveau ansteigen. Das System wird dann automatisch weicher, wenn diese Kräfte aufgehoben werden (inklusive beispielsweise Brems- oder Kurvenfahrtmanöver). Wenn die Amplitude dynamischer Eingaben von der Straße her zunimmt, kann die Dämpfung so ausgebildet werden, daß sie zunimmt. Somit sind Kraft/Dehnung, dynamische Steifigkeit und Dämpfungsverhalten angepaßt an die Art der Belastungsbedingungen. Dies erhöht die Kompliziertheit der anfänglichen Konstruktion und der Materialeigenschaftscharakteristiken, die erforderlich sind. Wenn jedoch erst einmal die korrekte Konstruktion und die korrekten Eigenschaften der Feder bestimmt sind, dann wird das Ergebnis mit einem einfachen Abformen eines einzigen Bestandteils erreicht, das billig und massenweise hergestellt werden kann.
Was die Anwendung der Erfindung auf aktive Aufhängungssysteme angeht, wie oben erwähnt, so ist es die Funktion eines jeden Fahrzeug-Aufhängungssystems, die Übertragung der vertikalen Bewegung vom Rad her auf ein Mindestmaß zu verringern, die sich aus Unregelmäßigkeiten der Straßenoberflächen ergibt. Herkömmliche passive Systeme (Stahlfeder und hydraulische Dämpfer) bieten festgelegte Charakteristiken, die üblicherweise ein Kompromiß zwischen dem Fahrkomfort und der Behandlung über die unterschiedlichen Frequenz- und Amplitudenbedingungen hinweg ist. Keine einzige optimale Einstellung eines herkömmlichen Dämpfers kann allen Erfordernissen des Komforts der Fahrzeughandhabung und -fahrt genügen. Es besteht gegenwärtig ein beträchtliches Interesse bei der Entwicklung neuer Konzepte für eine Fahrzeugaufhängung mit variablen Dämpfern, die die Zwänge überwinden können, die von diesem herkömmlichen System aufgebracht werden. Manche Konzepte wurden in Prototypfahrzeugen oder Fahrzeugen hoher Leistung ausgeführt. Die vollaktive Aufhängungsregelung bietet die Regelung der seitlichen und vertikalen dynamischen Erscheinungen separat und mit hoher Leistung. Dies erfordert jedoch vier hydraulische Betätigungseinrichtungen und eine Steuerzentrale mit einer Regelung, die große Strommengen verbraucht, um die Isolationsunfähigkeit zu überwinden. Ohne hohe Zylinderdrücke wird eine befriedigende Regelung bei Störungen von der Straße her mit hoher Frequenz oder Amplitude schwierig. Eine hohe Leistung ist wahrscheinlich teuer, erfordert eine Anlage für den schweren Einsatz und hat Langzeit-Wartungsprobleme.
Die halbaktive Aufhängung richtet sich nur auf das Stromverbrauchssystem durch Verwendung nur eines regelbaren Dämpfers. Dies hat die Möglichkeit, ein praktisches System mit Leistungsverbesserungen zu bieten. Die Verwendung einer hydraulischen Anlage alleine zur Dämpfung wird Leistungsgrenzen haben, besonders im Hinblick auf Isolationsfunktionen. Es wurde auch die Vorab-Straßenuntersuchung als Weg zur Leistungsverbesserung vorgeschlagen. Die elastomeren Komponenten, die von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen werden, bieten unterschiedliche Möglichkeiten im Zusammenhang mit einem halbaktiven Aufhängungssystem. Sowohl Steifigkeit als auch Dämpfung könnten unter elektronischer Steuerung unter Verwendung verhältnismäßig niedriger innerer hydrostatischer Drücke angepaßt werden, um sowohl die Steifigkeit als auch die Dämpfung einzustellen, die dem zugrundeliegenden, nicht-linearen und inhärent anpassungsfähigen Federverhalten überlagert sind. Es liegt das zusätzliche Sicherheitsmerkmal der Rückkehr auf ausfallsichere, passive Leistungspegel im Fall des Ausfalls des aktiven Teils des Systems vor.
Ordnungsgemäß konstruierte Elastomerkomponenten können äußerst sichere und zuverlässige bauliche Komponenten liefern. Strukturelle Lagerungen für im Meer verankerte Ölplattformen wurden beispielsweise erfolgreich als die Hauptlast tragende Elemente benutzt, die 3000 Tonnen für eine Mindest-Arbeits-Lebensdauer von 30 Jahren tragen. Elastomere sind auch als Neben-Aufhängungs-Komponenten in Kraftfahrzeugen in weitem Umfang benutzt und wurden als Aufhängungs-Hauptelemente für Lastwagen, Formel-1-Rennwagen und beim Projekt Thrust verwendet, dem gegenwärtigen Geschwindigkeitsrekordhalter an Land. Der Sicherheit inhärent ist ein ausfallsicherer Versuch der Konstruktion unter Benutzung von Scher- und Druckbetriebsarten, um sicherzustellen- daß volle Arbeitslasten stets von dem Elastomer abgestützt werden, selbst im unwahrscheinlichen Augenblick eines Rißwachstums oder Schadens. Elastomerkomponenten haben in dieser Art der Anwendung eine Beständigkeit gegen Ermüdung und Kriechen gezeigt. Reifen selbst sind Elastomerverbundstrukturen, die viel härteren Belastungen als Aufhängungskomponenten ausgesetzt sind. In einem halbaktiven System könnte die Wandstärke des Elastomers als eine sichere Feder bzw. ein sicherer Dämpfer selbst im Fall des vollständigen Ausfalls des aktiven Teils des Systems weiterarbeiten.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung haben ersichtlicherweise die folgenden, hervorragenden Eigenschaften, und zwar:
i. Hauptfeder und -dämpfer in einem einzigen abgeformten Bestandteil
ii. eine Aufhängung, die an Eingaben von der Straße her anpaßbar ist, ohne mechanisch bewegliche Teile
iii. nicht-lineares Federelement
iv. abstimmbare Eigenschaften über einen weiten Bereich von Federkonstanten und Dämpfung
v. Eignung für Verwendung in halbaktiven Aufhängungssystemen
vi. Vorzüge der Leistungshandhabung über Eingaben von der Straße her mit hoher Amplitude, harter Bremsung und rascher Kurvenfahrt
vii. gewichts- und kostensparend.

Claims

1. Druckfeder mit einem länglichen, rohrförmigen Elastomerkörper, der mit in Längsrichtung getrennt beabstandeten Verstärkungen versehen ist, die zwischeneinander Stellen für örtlich sich ausbeulende Unstabilitäten bilden, wobei die genannte Feder aus einer Vielzahl einzelner Federelemente (1) gebildet ist, die zusammengefügt sind, und jedes der genannten Federelemente aus einem kegelstumpfförmigen Elastomerkörper mit einem kreisringförmigen Verstärkungsring (2) gebildet ist, der an seiner jeden axialen Endfläche hiermit verbunden bzw. hieran anvulkanisiert ist und sich über mindestens im wesentlichen die gesamte Erstreckung der jeweiligen Endfläche erstreckt, und wobei die genannte Feder dadurch gekennzeichnet ist, daß die genannte Vielzahl von Federelementen (1) Elemente umfaßt, die aus unterschiedlichen Elastomermaterialien gebildet sind, wie etwa unterschiedlichen Elastomermaterialien, die unterschiedliche Kraft/Verformungs-Charakteristiken aufweisen und/oder Elementen (1), die aus demselben Elastomermaterial geformt sind, aber infolge der Unterschiede zwischen den jeweiligen Federelementen nach Abmessung und/oder Formgebung unterschiedliche Kraft/Verformungs-Charakteristiken aufweisen, wobei eine solche Anordnung getroffen ist, daß die Feder zwangsweise die genannten örtlichen Ausbeulungs-Unstabilitäten aufeinanderfolgend über die genannten Stellen hinweg entwickelt, wenn sie unter Drucklast steht, und zwar auf eine solche Weise, um die Feder mit einer nicht-linearen Kraft/Verformungscharakteristik zu versehen, die mindestens einen Plateaubereich zwischen Bereichen höherer Steifigkeit aufweist.

2. Feder, wie beansprucht in Anspruch 1, worin die genannte Vielzahl von Federelementen (1) dadurch zusammengefügt sind, daß sie gemeinsam abgeformt sind, wobei benachbarte Federelemente in der Anordnung an den gegenüberliegenden Seiten ein und desselben Verstärkungsrings (2) aufgeklebt bzw. aufvulkanisiert sind.

3. Feder, wie beansprucht in Anspruch 1 oder 2, worin die genannte Vielzahl kegelstumpfförmiger Federelemente (1) Federwinkel zwischen 2º und 28º aufweisen.

4. Feder, wie beansprucht in Anspruch 3, worin die genannten Federwinkel zwischen 5º und 15º liegen.

5. Feder, wie beansprucht in irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, worin die genannte Vielzahl von Federelementen (1) so ausgewählt ist, daß diese eine Vielzahl von Plateaus zwischen jeweiligen Bereichen höherer Steifigkeit liefern.

6. Feder, wie beansprucht in irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, worin die genannte Vielzahl von Federelementen (1) mindestens zwei Elemente umfaßt, die in Reihe angebracht sind.

7. Feder, wie beansprucht in irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, worin die genannte Vielzahl von Federelementen (1) mindestens ein Federelement (Fig. 10) umfaßt, das zwei Federbestandteile (A, B) aufweist, die parallel angebracht sind.

8. Feder, wie beansprucht in Anspruch 7, worin die parallel angebrachten Federbestandteile einen kegelstumpfförmigen Elastomerkörper (A) mit kreisringförmigem Querschnitt und einen weiteren Elastomerkörper (B) im Hohlraum des ersterwähnten Körpers aufweisen.

9. Feder, wie beansprucht in Anspruch 8, worin der genannte weitere Elastomerkörper (B) insgesamt zylindrisch ist.

10. Feder, wie beansprucht in Anspruch 8 oder 9, worin die axialen Längen des genannten kegelstumpfförmigen (A) sowie des weiteren (B) Elastomerkörpers unterschiedlich sind, wodurch die Zusammendrückung des genannten weiteren Körpers (B) erst nach einer vorbestimmten Zusammendrückung des genannten kegelstumpfförmigen Körpers wirksam wird.

11. Feder, wie beansprucht in irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, worin Strömungsmittel-Dämpfungsmittel (10) einem Hohlraum zugeordnet sind, der im Inneren der Feder umgrenzt ist.

12. Feder, wie beansprucht in irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, worin ein aktives System einem Hohlraum zugeordnet ist, der im Inneren der Feder umgrenzt ist, um die Federmerkmale durch Einstellung des Drucks im Inneren des genannten Hohlraums zu variieren.

13. Fahrzeugaufhängungssystem mit einer oder mehreren Druckfeder(n), wie beansprucht in irgendeinem der vorangehenden Ansprüche.