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Die Erfindung betrifft eine Luftfeder mit einer Kunststoffaußenführung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Eine Luftfeder besteht im Wesentlichen aus einem Luftfederdeckel, einem Abrollkolben und einem dazwischen luftdicht eingespannten Rollbalg, wodurch ein unter Luftdruck stehender Arbeitsraum begrenzt wird. Der Rollbalg kann von einer hülsenförmigen Außenführung umschlossen werden und rollt beim Einfedern unter Ausbildung einer Rollfalte am konzentrischen Abrollkolben ab. Die Luftfeder wird einerseits über den Luftfederdeckel mit der Kraftfahrzeugkarosserie und andererseits über den Abrollkolben mit dem Radträger verbunden, um ihre Federeigenschaft zu verwirklichen.
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Außenführungen werden insbesondere bei dünnwandigen Rollbälgen verwendet und eine Ausdehnungsbegrenzung auf diese zu bewirken. In der Regel werden Außenführungen nach dem Stand der Technik aus Aluminium gefertigt. Zugehörige Herstellverfahren wie Tiefziehen, Strangpressen, usw. haben sehr begrenzte Möglichkeiten die Wanddicke den tatsächlichen Belastungen anzupassen, wodurch die geometrische Freiheit bisheriger Außenführungen stark begrenzt ist.
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Eine aus Kunststoff hergestellte Außenführung mit Faserverstärkung ist bspw. aus der
DE 10119363 A1 bekannt.
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In der Regel werden Außenführungen (sowohl Aluminium- als auch Kunststoff-Außenführungen) stets nach Höchstlast bzw. Worst-Case dimensioniert und bestenfalls wird die Auslegungssicherheit für einzelne andere Lastfälle kontrolliert, wobei gegenüber dem Lastfall mit höchster Belastung bereichsweise eine geringere Belastung auftritt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Luftfeder mit einer Kunststoffaußenführung bereitzustellen, welche sich durch einen gegenüber dem Stand der Technik verringerten Materialeinsatz auszeichnet und dabei die geforderte Festigkeit vollständig erfüllt.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine Luftfeder für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, wobei die Luftfeder einen elastomeren Rollbalg umfasst, welcher luftdicht zwischen zwei Anschlussteilen der Luftfeder eingespannt ist und unter Ausbildung zumindest einer Rollfalte auf einem der Anschlussteile abrollt, wobei der Rollbalg zumindest teilweise von einer aus einem Kunststoff hergestellten und hülsenförmigen Außenführung umgeben ist, wobei die Außenführung in ihrer Längserstreckung eine variierende Wanddicke aufweist.
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Die Erfindung geht von der grundlegenden Überlegung aus, dass sich die Außenführung einer Luftfeder in vier unterschiedliche Belastungszonen untergliedern lässt, da diese aufgrund ihrer Aufgabe (Stützkorsett für den Rollbalg) unterschiedlichen Innendrücken ausgesetzt ist. Zunächst ist die Außenführung über einen Innenspannring mit dem Rollbalg fixiert. In diesem Befestigungsbereich wirkt ein hoher radialer Druck auf die Außenführung. Des Weiteren wird die Außenführung auch dazu verwendet einen Schutzbalg zu befestigen, welcher die Rollfalte vor Verschmutzung schützt. Dieser Bereich der Außenführung wird in der Regel nicht mit dem Innendruck des Arbeitsraums belastet.
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Daher ist in erfinderischer Art und Weise erkannt worden, dass eine Material- und Gewichtseinsparung der Außenführung durch gezieltes Variieren der Wanddicke erreicht werden kann, indem die Wanddicke der Außenführung an die jeweiligen Belastungssituationen der einzelnen Belastungszonen angepasst wird.
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Als Kunststoffmaterial für die Außenführung kommen Thermoplaste oder Duroplaste in Betracht.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Außenführung einen ersten Endbereich und einen zweiten Endbereich, wobei die Wanddicke in dem zweiten Endbereich kleiner ist als die Wanddicke in dem ersten Endbereich.
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Der erste Endbereich ist bspw. das dem ersten Anschlussteil zugewandte Ende der Außenführung, wobei dieser Bereich im Wesentlich durch die Befestigung der Außenführung an den Rollbalg definiert ist. Der zweite Endbereich ist dementsprechend das dem zweiten Anschlussteil zugewandte Ende der Außenführung. Dieser Bereich zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass der Rollbalg bzw. seine Rollfalte in keiner Einfederungsposition des regulären dynamischen Fahrbetriebs in diesem Bereich der Außenführung anliegt.
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Dies führt also zu einer Außenführung, welche im Bereich ihrer Befestigung an den Rollbalg dickwandig ausgebildet ist und im frei liegenden Bereich möglichst dünnwandig ausläuft.
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Vorzugweise ist der zweite Endbereich für den Anschluss eines Schutzbalgs vorgesehen. Der an dem unteren Ende der Außenführung angebrachte Schutzbalg oder auch Faltenbalg schützt die Rollfalte vor Verschmutzung.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Außenführung eine im Wesentlichen zylindrisch verlaufende Innenwandung auf. Die in ihrer Wanddicke variierende Außenführung zeichnet sich insbesondere durch eine weitestgehend zylindrisch geformte Innenwandung aus. Sie stellt eine möglichst plan verlaufende Kontaktfläche für den Rollbalg und im Speziellen für seine Rollfalte dar.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Außenführung eine im Wesentlichen konisch verlaufende Außenwandung auf. Die gestalterische Freiheit ist an der Außenwand der Außenführung am größten, sodass durch die konische Formgebung am einfachsten eine Materialreduktion erreicht wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an der Außenführung zumindest ein Mittel zur Festigkeitssteigerung vorgesehen. Um dennoch in den verjüngten Bereichen der Außenführung eine ausreichende Festigkeit zu gewährleisten, sind Mittel bzw. umlaufende Erhebungen (auch Rippen genannt) vorgesehen, welche die Materialfestigkeit in diesem Bereich erhöhen.
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Bevorzugt ist das Mittel zur Festigkeitssteigerung aus dem Kunststoffwerkstoff der Außenführung geformt. Es bietet sich an das oder die Mittel zur Festigkeitssteigerung im Zuge des Spritzens der Außenführung gleich mit auszuformen.
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Vorzugweise ist das Mittel zur Festigkeitssteigerung an der Außenwandung der Außenführung vorgesehen. Zudem ist das Mittel zur Festigkeitssteigerung bevorzugt in einem Mittenbereich der Außenführung angeordnet. Die gezielte Platzierung das oder der Mittel zur Festigkeitssteigerung steigert die Materialfestigkeit in dem Mittenbereich signifikant, wobei das Gesamtgewicht der Außenführung nur minimal erhöht ist. Der Mittenbereich der Außenführung zeichnet sich dadurch aus, dass die Rollfalte im regulären dynamischen Fahrbetrieb in diesem Bereich der Außenführung auf- und abrollt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Außenführung durch einen Befestigungsring an dem Rollbalg fixiert. Der Befestigungsring kann bspw. in Form eines Innenspannrings vom Inneren des Rollbalgs heraus die Außenführung an diesem verspannen.
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Sofern die erfindungsmäße Luftfeder mit einem integrierten Stoßdämpfer kombiniert wird, handelt es sich um ein Luftfederbein, bei welchem die Außenführung mit variierender Wanddicke ebenfalls Einsatz findet.
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Verwendung findet die Luftfeder in einem Fahrwerk, vorzugsweise in einem Luftfedersystem, für ein Kraftfahrzeug.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Figuren.
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Es zeigen
- 1 eine Luftfeder gemäß dem Stand der Technik, und
- 2 im Ausschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Luftfeder mit einer Außenführung, und
- 3 im Ausschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Luftfeder mit einer Außenführung.
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Die 1 zeigt stark schematisiert eine bekannte Luftfeder 1 mit ihren wesentlichen Bauteilen. Als erstes Anschlussteil dient ein Luftfederdeckel 2 zur Anbindung an die Fahrzeugkarosserie und als zweites Anschlussteil dient ein Abrollkolben 3 zur Anbindung an einen Radträger. Diese reguläre Einbaulage einer Luftfeder bestimmt die Orientierung „oben/unten“.
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Zwischen Luftfederdeckel 2 und Abrollkolben 3 ist ein elastomerer Rollbalg 4 luftdicht eingespannt, wodurch ein mit Druckluft befüllter volumenelastischer Arbeitsraum 5 begrenzt wird. Schlauchförmiger Rollbalg 4 wird über jeweilige Klemmringe 6 an den Anschlussteilen 2, 3 befestigt.
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Weiterhin ist Rollbalg 4 von einer hülsenförmigen Außenführung 7 umschlossen, welche als Stützkorsett insbesondere bei dünnwandigen Rollbälgen eingesetzt wird, um dem hohen Innendruck im Arbeitsraum 5 entgegenzuwirken. Außenführung 7 erstreckt sich parallel zur Längsachse L der Luftfeder 4. Dünnwandige Rollbälge sind in der Regel fadenverstärkt, wobei diese Fäden axial oder in Überkreuzlage ausgerichtet sind.
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Im dynamischen Fahrbetrieb rollt Rollbalg 4 unter Ausbildung einer Rollfalte 10 an der Außenwandung des Abrollkolbens 3 auf und ab. Beim Einfedern bewegt sich Abrollkolben 3 in Richtung Luftfederdeckel 2, sodass Rollbalg 4 den Abrollkolben 3 maßgeblich bedeckt. Bei Ausfederung, wenn sich also Luftfederdeckel 2 vom Abrollkolben 3 wegebewegt, löst sich Rollbalg 4 vom Abrollkolben 3 ab, sodass dessen Außenwandung überwiegend frei liegt.
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Zugleich rollt Rollbalg 4 mit seiner Rollfalte 10 an der Innenseite von Außenführung 7 entlang. In der Normalniveaulage liegt der untere Endbereich der Außenführung 7 in der Regel teilweise frei. Bei vollständiger Einfederung löst sich Rollbalg 4 immer mehr von der Innenwandung der Außenführung 7 ab, sodass ein größerer Bereich der Außenführung 7 ohne Rollbalgkontakt offen liegt. Beim Übergang in den voll ausgefederten Zustand rollt dann Rollfalte 10 an Außenführung 7 entlang, sodass Außenführung 7 wieder überwiegend vom anliegenden Rollbalg 4 bedeckt ist und der untere Endbereich frei liegt.
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Die 2 zeigt ausschnittsweise eine erste beispielsgemäße Luftfeder, deren Außenführung 7 in vier Bereiche unterteilt ist. Grundsätzlich lässt sich die Belastung von Außenführung 7 in vier örtliche Bereiche unterteilen.
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Der Austritt des Rollbalgs 4 stellt einen ersten Bereich B1 dar. Damit ist der Übergangsbereich umschrieben, an welchem Rollbalg 4 die Außenführung 7 verlässt und eine Kardanikfalte ausbildet.
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Als ein zweiter Bereich B2 wird der obere Endbereich der Außenführung 7 hin zum Luftfederdeckel angesehen, welcher zugleich den Befestigungsbereich der Außenführung 7 am Rollbalg 4 darstellt.
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Die Befestigung von Außenführung 7 am Rollbalg 4 erfolgt durch einen Spannring 8, welcher innenseitig des Rollbalgs 4 positioniert ist und gegen welchen Außenführung 7 verpresst wird, sodass diese am Rollbalg 4 in einer starren Position befestigt ist. Aufgrund dieser Fixierung erfolgt in keinem Einfederungszustand ein Abrollvorgang der Rollfalte 10 in dem zweiten Bereich B2.
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Unterhalb des zweiten Bereichs B2 liegt ein dritter Bereich B3 vor. Dieser kennzeichnet sich dadurch, dass der Ablösepunkt der Rollfalte 10 in Normalniveaulage innerhalb dieses Bereiches B3 liegt. Bereich B3 definiert sich durch den höchsten Ablösepunkt der Rollfalte 10 im eingefederten Zustand und durch den tiefsten Ablösepunkt der Rollfalte 10 im ausgefederten Zustand.
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Abschließend wird als ein vierter Bereich B4 der untere Endbereich der Außenführung 7 verstanden, welcher dem Abrollkolben zugewandt ist. Bereich B4 gilt als unbelasteter Zustand, da Rollfalte 10 in keinem Einfederungszustand an diesem anliegt. Vorzugsweise ist Bereich B4 für den Anschluss eines Faltenbalgs vorgesehen.
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Es ist erkannt worden, dass Außenführung 7 über ihre gesamte Länge unterschiedlichen Drücken ausgesetzt ist und damit bereichsweise unterschiedliche Festigkeitsanforderungen erfüllen muss. So tritt direkt am Austritt des Rollbalgs 4 aus Außenführung 7 im ersten Bereich B1 die höchste Belastung auf. Bei Normalniveaulage sind die Belastungen in dem zweiten und dritten Bereich B2, B3 aufgrund des Innendrucks im Arbeitsraum 5 annährend gleich. Die Belastung auf den vierten Bereich B4 ist vernachlässigbar, da dieser vom Rollbalg 4 nicht überrollt wird.
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Aufgrund dieser Erkenntnisse wird eine beispielgemäße Wanddickenreduktion von Außenführung 7 über ihre axiale Länge vorgeschlagen. Die Längsachse der Luftfeder 1 ist mit L gekennzeichnet.
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Da in dem zweiten Bereich B2 die höchste Belastung auftritt, wird die erforderliche Wanddicke d in diesem Bereich auf 100% gesetzt. Eine Wanddicke d von 100% erfüllt die notwendigen Festigkeitsanforderungen der Außenführung 7 um dem Innendruck des Arbeitsraums 5 der Luftfeder standzuhalten. Nachfolgend kann die Wanddicke d im dritten Bereich B3 mit 67% beginnen und weiter auf 35% ausgedünnt werden. Die Wanddicke d im vierten Bereich B4 unterliegt den minimal herstellbaren Dicken des ausgewählten Spritzverfahrens.
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Folglich variiert über die Längserstreckung der Außenführung 7 deren Wanddicke d und kann zu einer Materialeinsparung von 13% gegenüber rein zylindrischen Außenführungen führen. Wie es der 2 zu entnehmen ist, verjüngt sich Außenführung 7 nach unten hin, sodass eine Material- und Gewichtseinsparung erzielt ist.
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Mit der 3 wird eine zweite beispielsgemäße Luftfeder dargestellt, deren Außenführung 7 mit zusätzlichen Mitteln zur Festigkeitssteigerung 9 versehen ist.
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In dieser abgewandelten Form weist Außenführung 7 an deren Außenwandung mehrere ringförmig umlaufende Rippen 9 auf. Diese führen zu einer örtlichen Versteifung bzw. Festigkeitssteigerung, bei gleichzeitiger Wanddickenreduzierung. Vorzugweise werden eine oder mehrere Rippen 9 in dem zweiten und dritten Bereich der Außenführung 7 ausgebildet.
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Erzeugt werden Rippen 9 durch eine entsprechende Nut in der Formwand beim Spritzen der Kunststoffaußenführung 7.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftfeder
- 2
- erstes Anschlussteil/Luftfederdeckel
- 3
- zweites Anschlussteil/Abrollkolben
- 4
- Rollbalg
- 5
- Arbeitsraum
- 6
- Klemmring
- 7
- Außenführung
- 8
- Spannring
- 9
- Rippe
- 10
- Rollfalte
- d
- Wanddicke
- B1
- erster Bereich
- B2
- zweiter Bereich
- B3
- dritter Bereich
- B4
- vierter Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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