DE19932868A1

DE19932868A1 - Federbein, wahlweise mit innerer Niveauregelung

Info

Publication number: DE19932868A1
Application number: DE19932868A
Authority: DE
Inventors: Hubert Beck; Hans-Dieter Eulenbach; Albrecht Nachtigall
Original assignee: Mannesmann Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1999-07-14
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2001-01-25
Anticipated expiration: 2019-07-15
Also published as: US6988718B1; FR2796888A1; DE19932868B4; FR2796888B1

Abstract

Radführendes Federbein, wahlweise mit innerer Niveauregelung, bestehend aus einem Dämpferbein, wahlweise als selbstpumpendes hydropneumatisches Federbein ausgeführt, einer an einem oberen Stützlager abgestützten Kolbenstange und einer zwischen dem Federbein und dem Stützlager an jeweils einem Federteller fixierten Schraubenfeder, wobei der mit dem Ende der Kolbenstange zusammenwirkende Federteller gegenüber der Kolbenstange kardanisch bewegbar angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein radführendes Federbein, wahlweise mit innerer Ni veauregelung, bestehend aus einem Dämpferbein, wahlweise als selbstpumpendes hy dropneumatisches Federbein ausgeführt, einer an einem oberen Stützlager abgestütz ten Kolbenstange und einer zwischen dem Federbein und dem Stützlager an jeweils einem Federteller fixierten Schraubenfeder.

Es sind radführende Federbeine mit integrierter Niveauregelung und einer mechani schen Zusatzfeder (DE 36 30 757 C2) bekannt, bei denen die lastbedingten Lageunter schiede durch die Veränderung der über die Kolbenstange wirkenden hydropneumati schen Federkräfte ausgeglichen werden, so daß der Traganteil der mechanischen Zu satzfeder praktisch unverändert bleibt. Hierdurch ist jedoch auch die über die mechani sche Zusatzfeder bewirkte Querkraftkompensation verschlechtert, nämlich bei Lastzu nahmen gegenüber dem vollkompensierten Auslegungszustand führt dies zu einer Un terkompensation, bei Lastabnahmen dagegen zu einer Überkompensation.

Darüber hinaus sind radführende Federbeine bekannt, bei denen aufgrund des abzu stützenden Biegemomentes erhöhte Seitenkräfte in der Kolbenstangenführung und am Dämpfungskolben auftreten. Diese erhöhten Seitenkräfte erzeugen komfortstörende Reibungskräfte bei Federungsbewegungen des Federbeines. Ein solcher Nachteil wird (z. B. DE 14 30 586 A1) durch einen Querkraftausgleich oder -kompensation ausgegli chen. Es wird hierbei die Schraubenfeder teilweise querverspannt eingebaut, um eine zur Dämpferachse schrägverlaufende Federkraft zu erreichen. Diese Kompensation er folgt allerdings nur in einer bestimmten Vorzugslage, meist in der sogenannten Kon struktionslage, so daß nur in dieser Konstruktionslage eine vollständige Kompensation des Biegemomentes und damit der Seitenkräfte stattfindet. Die Kompensationswirkung ist demnach last- und positionsabhängig, so daß außerhalb der Konstruktionslage die Wirkung der Kompensation nicht eintritt. Durch den exzentrischen Versatz der Federtel ler oder querverspannten Einbau der Feder soll die Federkraftrichtung und -lage beein flußt werden, daß in der Normallage des Fahrzeugs das aus der Radabstützung resultie rende Biegemoment auf das Federbein mit den bekannten nachteiligen Folgen Seiten kräfte, Reibung und Verschleiß in der Stangenführung und am Kolben voll oder teilwei se kompensiert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Federbein mit innerer Niveauregelung zu schaffen, welches bei jeweils unterschiedlichen Lastzuständen eine optimale Querkraftkompensa tion aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei radführenden Federbeinen mit in nerer Niveauregelung vorgesehen, daß der mit dem Ende der Kolbenstange zusam menwirkende Federteller gegenüber der Kolbenstange kardanisch bewegbar angeord net ist.

Hierbei ist von Vorteil, daß auf die veränderliche Kolbenstangenausfahrkraft bei Zu- oder Entladung des Fahrzeuges, jeweils mit einer Veränderung des kardanischen An stellwinkels des Federtellers in dem Sinne reagiert wird, daß die Federtelleraufstandsach se bei Kraftzunahme flacher verläuft und ihr Durchstoßpunkt am Boden nach außen wandert. Dies bewirkt, daß auf das obere Federende der Schraubenfeder ein kardani sches Moment wirkt, das die Kompensation im gewünschten, positiven Sinne beein flußt.

Zur Lösung dieses Problems ist bei radführenden Federbeinen erfindungsgemäß vorge sehen, daß der mit dem Ende der Kolbenstange zusammenwirkende Federteller ge genüber der Kolbenstange kardanisch bewegbar angeordnet ist.

Zur Abhilfe der beschriebenen Nachteile wird vorgeschlagen, den oberen oder unteren Federteller oder beide kardansich beweglich zum Federbein zu lagern und diese Lage rung so zu gestalten, daß bei zunehmender Federkraft eine kardanische Auslenkung des oder der Federteller bewirkt wird, welche zu einem kardanischen Moment auf die Fede renden führt und eine Verdrehung der Federwirkachse in Richtung der geschilderten Erfordernisse verursacht, soweit zur Aufrechterhaltung der Querkraftkompensation am Federbein notwendig.

Dieses Lagerverhalten kann mit denselben Mitteln wie bei der Niveauregelung erreicht werden.

Der Unterschied zur Niveauregel-Lösung besteht also darin, daß die Federkraft selbst und nicht die (statisch nicht vorhandene) Kolbenstangenausfahrkraft die Lagerkardanik betätigt und steuert.

Beim unteren Federlager muß die kardanische Auslenkung im gleichen Drehsinn wie oben erfolgen, so daß z. B. bei beidseitigen Maßnahmen eine S-Verformung der Feder eintritt.

Des weiteren ist zur Erzielung einer kardanischen Beweglichkeit vorgesehen, daß das Stützlager unsymmetrisch ausgebildet ist, wobei die Kolbenstange und/oder die Schrau benfeder zentrisch auf das Stützlager einwirkt oder daß das Stützlager symmetrisch ausgebildet ist, dabei greift die Kolbenstange und/oder die Schraubenfeder exzentrisch auf das Stützlager oder daß das Stützlager symmetrisch ausgebildet ist, wobei bei axia ler Belastung durch die Kolbenstange und/oder die Schraubenfeder (4) eine kardanische Deformierung ausgeführt wird oder eine Kombination hieraus.

Nach einem weiteren wesentlichen Merkmal ist vorgesehen, daß das Ende der Kolben stange zumindest teilweise kugelig ausgebildet ist.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß der Federteller eine zumindest teilkugelig ausgebildete Stützfläche aufweist, die mit dem Endbereich der Kolbenstange zusam menarbeitet.

Eine weitere kardanische Bewegungsmöglichkeit ist vorgesehen, indem der Federteller an einem elastischen Teil des Stützlagers abgestützt ist.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Schraubenfeder über den Federteller am Federbein in Bezug auf die Mittenachse des Federbeines unsymmetrisch angeordnet ist.

Des weiteren ist vorgesehen, daß die Schraubenfeder bei Belastung sich unsymmetrisch verformt oder daß der Federteller über eine fremdgespeiste Vorrichtung bewegt wird.

Hierbei ist von Vorteil, daß das erwünschte Stützlagenverhalten durch entsprechende unsymmetrische Gestalt erreicht werden kann, aber auch durch ein unsymmetrisches Deformationsverhalten infolge z. B. eingelagerter Stütz- oder Versteifungselemente oder auch durch die Kombination von beiden bzw. durch unterschiedliche elastische Mate rialeigenschaften (Shore-Härten) des Stützlagers. Des weiteren würde ein solches Stütz lager auch die Rückwirkung der dynamischen Dämpfungskräfte auf die Reibung erheb lich vermindern, so daß ein solches Lager auch für konventionelle Federbeine geeignet ist.

Vorteilhaft ist des weiteren, daß ein derartiges Stützlager mit einer fremdgespeisten Verstärkung ausgestattet ist, so daß die Kolbenstangenausfahrkraft über diese Einrich tung ein kardanisches Moment direkt oder über das Stützlager auf den Federteller aus übt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Federbein mit innerer Niveauregelung in Ansicht;

Fig. 2 und 3 ein oberes Stützlager zusammen mit dem Federteller in vergrößer tem Maßstab;

Fig. 4, 5 und 6 eine schematische Systematik des Stützlagers;

Fig. 7 eine schematisch dargestellte Statik einer Federbeinachse eines konventionellen Federbeines gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 8 ein Kräftedreieck und statische Auslegung eines erfindungsgemä ßen Federbeines mit innerer Niveauregelung;

Fig. 9a und 9b ein Kräftedreieck und statische Auslegung eines Federbeines.

In der Fig. 1 ist im wesentlichen ein Federbein 1 dargestellt, welches aus einem Gehäu se 9, einem Befestigungselement 10 zur Befestigung an der Radaufhängung, sowie ei ner Kolbenstange 2, einem Stützlager 3, einer Schraubenfeder 4 sowie einem Federtel ler 5 besteht.

Das obere Ende der Kolbenstange 2 ist mit einer Stützfläche 6 versehen, die zumindest teilkugelig ausgebildet ist, in dieser Ausführungsform sogar als Vollkugel dargestellt, so daß die Stützfläche 6 gegenüber dem Federteller 5 eine kardanische Bewegung ausfüh ren kann. Die Mittenachse 8 des Federbeines 1 weicht von der Mittenachse der Schrau benfeder 4 ab, dabei ändert sich die Mittenachse der Schraubenfeder bei Belastung des Federbeines, indem die kugelige Stützfläche 6 gegenüber dem Federteller 5 eine Lage änderung einnimmt. Der elastische Teil 7 des Stützlagers 3 ist verformbar, so daß das Stützlager 3 den Bewegungen des Federtellers folgen kann.

Aus den Fig. 2 und 3 ist im vergrößerten Maßstab das Stützlager 3, der Federteller 5, die Schraubenfeder 4 und die Kolbenstange 2 zu entnehmen. Aus der Fig. 3 ist gegen über der Fig. 2 zu erkennen, daß bei Zunahme der Belastung des Federbeines 1 der Fe derteller 5 eine kardanische Bewegung ausführen kann, so daß die Schraubenfeder 4 durch eine entsprechende Verformung reagiert. Dies führt zu einer Veränderung der Mittenachse der Schraubenfeder 4, so daß die gedachte Verlängerung der Mittenachse der Schraubenfeder 4 am Boden nach außen verlagert wird.

Die Fig. 4 zeigt ein zweiteiliges Stützlager, bei dem im inneren Teil die Kolbenstange 2 kardanisch gelenkig abgestützt ist und dieser innere Teil sich zusammen mit dem Feder teller 5 am äußeren Teil abstützt. Die kardanische Elastizität des inneren Teils ist im er findungsgemäßen Zusammenhang nicht von Bedeutung, entscheidend ist die des äuße ren Teils.

Dieses Lager hat zwei kardanische Drehpunkte, der untere ist der Drehpunkt der Kol benstange im inneren Teil, der obere ist der Drehpunkt des äußeren Teils. Diese beiden Drehpunkte sind gestaltungsbedingt und können bedarfsweise auch zusammenfallen.

Da dieses Lager symmetrisch aufgebaut ist und mit zentrisch wirkender Kolbenstange und Feder bezogen auf den jeweils zugeordneten kardanischen Drehpunkt versehen ist, kann eine erfindungsgemäße Funktion nur durch zeichnerisch nicht erkennbares un symmetrisches kardanisches Verformungsverhalten erreicht werden, wobei dann sowohl die von der Kolbenstange als auch die von der Feder ausgeübten Kräfte den gleichen Durchgriff auf die Kardanik haben.

Eine Differenzierung zwischen beiden ist hierbei also nicht möglich.

Die Fig. 5 zeigt das gleiche Lager, jedoch mit deutlich erkennbarem exzentrischen Ver satz des inneren Lagers und seiner Kolbenstangenabstützung. Durch die Exzentrizität ist eine Differenzierung zwischen Kolbenstange und Feder hinsichtlich des kardanischen Durchgriffs möglich.

Bei voller Symmetrie des äußeren Teils in Gestalt und Verformungsverhalten würde die ses Lager nur die von der Kolbenstange ausgeübten hydropneumatischen Feder- und Dämpfungskräfte kompensieren.

Die Fig. 6 zeigt das gleiche Lager wie die Fig. 4, jedoch mit deutlich erkennbarem exzen trischen Versatz des Federtellers und der Feder. Durch die Exzentrität ist eine Differen zierung zwischen Kolbenstange und Feder hinsichtlich des kardanischen Durchgriffs möglich.

Bei voller Symmetrie des äußeren Teils in Gestalt und Verformungsverhalten würde die ses Lager nur die von der Feder sowohl in Ruhelage als auch beim Federn ausgeübten Kräfte kompensieren.

Aus der Fig. 7 ist als Stand der Technik die Kinematik und Statik einer Federbeinachse dargestellt, wobei F_R die Radaufstandskraft, F_QL die Querlenkerkraft und F_FB die Feder beinkraft im oberen Stützlager darstellt. Hieraus ergibt sich ein Kräftedreieck gemäß der Skizze auf der rechten Seite. Dadurch daß die Mittenachse 8 des Federbeines 1 nicht mit der Wirklinie 11 der Federbeinabstützkraft übereinstimmt, ergibt sich auf die Kolben stange 2 eine Seitenkraft. Ziel ist es diese Seitenkraft zu kompensieren und zwar bei einem Federbein mit innerer Niveauregelung in allen Belastungszuständen.

Fig. 8 zeigt ein Kräftedreieck eines Federbeins mit innerer Niveauregelung, wobei die verwendeten Bezeichnungen aus der nachfolgenden Legende zu entnehmen sind.

Der rechte Teil dieses Kräftedreiecks mit den Indizes 1 stellt dabei den Zustand des Fe derbeins in der Grundlast dar, in dem durch entsprechende Anordnung und/oder Ge staltung der Feder mit ihrer Kraft F_TF1 die Seitenkraft auf die Kolbenstange voll kompen siert ist.

Wäre die Feder koaxial zum Federbein wirksam, würden die Federkraft F_TFO und der hy dropneumatische Traganteil F_TNO gleichgerichtet sein, was aus Gründen des Gleichge wichts eine unerwünschte Seitenkraft F_SLO auf die Kolbenstange hervorriefe.

Bei Erhöhung der Zuladung stellt sich nach eingeregelter Niveaulage das dem rechten Kräftedreieck ähnliche linke Kräftedreieck mit den Indizes 2 ein. Dabei bleibt der Traganteil der mechanischen Zusatzfeder gleich (F_TF2 = F_TF1) und die Lastzunahme wird lediglich durch eine Erhöhung des hydropneumatischen Traganteils (F_TN2 < F_TN1) und eine zusätzlich auftretende Seitenkraft F_SL2 auf die Kolbenstange aufgenommen.

Durch die erfindungsgemäße, von der erhöhten Kolbenstangenausfahrkraft F_TN2 bewirk te kardanische Verstellung des Federtellers verändert sich die Federkraft von F_TF2 hin zu F_TF3, wodurch die unerwünschte Seitenkraft F_SL2 vollständig zum Verschwinden gebracht wird.

Legende

F_R

= Radaufstandskraft
F_QL

= Querlenkerkraft
F_FB

= gesamte Federbeinkraft im oberen Stützlager
F_N

= gesamte (nivellierende) Teleskopkraft des Federbeins im oberen Stützlager (wirkt auf Kolbenstange)
F_TN

= hydropneumatischer Traganteil des Federbeins
F_SL

= Seitenkraft auf Kolbenstange im oberen Stützlager
F_TF

= Tragkraft der mechanischen Zusatzfeder

Indizes

0 = Grundlast nicht kompensiert
1 = Grundlast voll kompensiert durch desaxierte Zusatzfeder
2 = Zuladung mit Kompensation auf Basis 1
3 = Zuladung voll kompensiert durch verstärkte Desaxierung mittels kardanischer Stützlagernachstellung

Beziehungen

++ = 0
= +
= + = ++

Fig. 9b zeigt ein Kräftedreieck eines radführenden Federbeins Fig. 9a ohne innere Ni veauregelung, wobei die verwendeten Bezeichnungen aus der nachfolgenden Legende zu entnehmen sind.

Der rechte Teil dieses Kräftedreiecks mit den Indizes 1 stellt dabei den Zustand des Fe derbeins mit Grundlast in der Ruhelage dar, in dem durch entsprechende Maßnahmen analog zu Fig. 8 die Seitenkraft auf die Kolbenstange voll kompensiert ist.

Bei Zuladung oder beim Einfedern ändert sich neben der Kraftgröße auch die Lage der Achsführungsglieder zueinander, was im linken Teil des Kräftedreiecks mit den Indizes 2 wiedergegeben ist. Daraus ist zu ersehen, daß zur Aufrechterhaltung der Kompensation die Federkraft ihre Richtung in der Weise ändern müßte, daß ihr Kraftdurchstoßpunkt am Boden nach außen wandert.

Tatsächlich dreht die Federkraft F_TF2 aufgrund der auftretenden Querfederungskompo nente in die gegensätzliche Richtung, was die vom Gleichgewicht hervorgerufene Sei tenkraft F_SL2 auf die Kolbenstange zusätzlich verstärkt.

Bei getrennter Abstützung der Feder am Aufbau verlagert sich der im Schnittpunkt von Federkraft und Seitenkraft auf die Kolbenstange liegende äußere Kraftmittelpunkt 4' der oberen Abstützung nach außen, was die Zunahme der Seitenkraft etwas mindert, jedoch nicht aufhebt.

Bei fest verbundener Abstützung von Feder und Kolbenstange am Aufbau tritt die un verminderte Seitenkraft auf, jedoch verlagert sich der im Schnittpunkt von Federkraft und resultierender Lagerkraft liegende innere Kraftmittelpunkt 5 der Kolbenstange nach unten, was eine Minderung des wirksamen Hebels und der resultierenden inneren Stützkräfte in der Stangenführung und am Kolben bewirkt.

Durch die erfindungsgemäße, von der erhöhten Federkraft F_TF2 bewirkte kardanische Verstellung des Federtellers verändert sich die Federkraft von F_TF2 hin zu F_TF3, wodurch die unerwünschte Seitenkraft F_SL2 vollständig zum Verschwinden gebracht wird.

Legende zu Fig. 9a

1

= Kraftachse Normallage voll kompensiert

2

= Kraftachse eingefedert voll kompensiert (soll)

3

= Kraftachse eingefedert real aus Feder (ist)

4

= äußerer Kraftmittelpunkt oberes Stützlager Normallage und eingefedert mit fest verbundenem Federteller

4

' = äußerer Kraftmittelpunkt oberes Stützlager eingefedert mit getrenntem Federteller

5

= innerer Kraftmittelpunkt Kolbenstange eingefedert mit fest verbundenem Federteller

Legende zu Fig. 9b

F_R

= Radaufstandskraft
F_QL

= Querlenkerkraft
F_FB

= ges. Federbeinkraft im oberen Stützlager
F_SL

= Seitenkraft auf Kolbenstange im oberen Stützlager
F_TF

= res. Tragfederkraft

Indizes

1 = Normallage voll kompensiert durch versetzte Tragfeder
2 = eingefedert bzw. mit Zuladung
3 = volle Kompensation von 2 durch kardanische Nachstellung des Federtellers

Beziehungen

++ = 0
= +

Bezugszeichenliste

1

Federbein

2

Kolbenstange

3

Stützlager

4

Schraubenfeder

5

Federteller

6

Stützfläche (teilkugelig)

7

elastisches Teil

8

Mittenachse

9

Gehäuse

10

Befestigungselement

11

Wirklinie der Federbeinabstützkraft

12

unterer Federteller

Claims

1. Radführendes Federbein mit innerer Niveauregelung, bestehend aus einem selbst pumpenden hydropneumatischen Federbein, einer an einem oberen Stützlager abge stützten Kolbenstange und einer zwischen dem Federbein und dem Stützlager an je weils einem Federteller fixierten Schraubenfeder, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Ende der Kolbenstange (2) zusammenwirkende Federteller (5) ge genüber der Kolbenstange (2) kardanisch bewegbar angeordnet ist.

2. Radführendes Federbein mit einer an einem oberen Stützlager abgestützten Kolben stange und einer zwischen dem Federbein und dem Stützlager an jeweils einem Fe derteller fixierten Schraubenfeder, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Ende der Kolbenstange (2) zusammenwirkende Federteller (5) ge genüber der Kolbenstange (2) kardanisch bewegbar angeordnet ist.

3. Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützlager (3) symmetrisch ausgebildet ist, wobei bei axialer Belastung durch die Kolbenstange (2) und/oder die Schraubenfeder (4) eine kardanische Deformie rung ausgeführt wird.

4. Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützlager (3) unsymmetrisch ausgebildet ist, wobei die Kolbenstange (2) und/oder die Schraubenfeder (4) zentrisch auf das Stützlager (3) einwirkt.

5. Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützlager (3) symmetrisch ausgebildet ist, dabei greift die Kolbenstange (2) und/oder die Schraubenfeder (4) exzentrisch auf das Stützlager (3).

6. Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Kolbenstange (2) zumindest teilweise kugelig ausgebildet ist.

7. Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Federteller (5) eine zumindest teilkugelig ausgebildete Stützfläche (6) auf weist, die mit dem Endbereich der Kolbenstange (2) zusammenarbeitet.

8. Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Federteller (5) an einem elastischen Teil (7) des Stützlagers (3) abgestützt ist.

9. Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder (4) über den Federteller (5) am Federbein (1) in Bezug auf die Mittenachse (8) des Federbeines (1) unsymmetrisch angeordnet ist.

10. Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder (4) bei Belastung sich unsymmetrisch verformt.

11. Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Federteller (5) über eine fremdgespeiste Vorrichtung bewegt wird.

12. Federbein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Federteller (12) kardanisch bewegbar angeordnet ist.