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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur
elastischen Aufhängung eines Führerhauses bezüglich eines
Fahrzeugrahmens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine
Buchse, die einen Teil der Anordnung bildet, gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Stand der Technik
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Die Aufhängung gefedert montierter Führerhäuser bezüglich
der Rahmen von Schwerlastfahrzeugen wie z. B. Lastkraftwagen
erfordert gegenwärtig unter anderem eine Anzahl Federbeine,
die je eine Feder und einen Stoßdämpfer enthalten. Jedes
Federbein ist an seiner oberen Befestigung oft mit Buchsen in
Form von Gummiringen versehen, um Vibrationen zu dämpfen.
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Diese Gummiringe müssen ausreichend steif sein, um der
Belastung durch das Führerhaus gewachsen zu sein. Dies
erfordert, daß entweder die Gummiringe oder die Stoßdämpfer
unerwünschte Effekte innerhalb eines Frequenzbereichs von
ungefähr 80-300 Hz in Abhängigkeit der Hysterese und internen
Reibung herausfiltern können. Dieser Frequenzbereich enthält
jedoch oft störende Vibrationen vom Rahmen, häufig mit
Amplituden von weniger als 2-3 mm, welche sich folglich zum
Führerhaus ausbreiten können.
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Ferner müssen die Gummiringe einfach und zuverlässig und
vorwiegend einer Druckbelastung ausgesetzt sein, wodurch die
Gefahr der Buchsenschädigung durch Scherung minimiert wird.
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Der Gegenstand des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus
den Dokumenten SE 94 02 296 und WO 93 19 973-A bekannt.
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SE 94 02 296 bezieht sich auf eine vordere Befestigung
einer Aufhängung eines Führerhauses, die im übrigen
vorteilhaft ist, aber einen schweren Gußträger zur Befestigung des
Stoßdämpfers am Führerhaus enthält, was störendes Geräusch
mit niedriger Amplitude noch kritischer macht.
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WO 93 19 973-A bezieht sich auf eine Buchse, die so
gestaltet ist, daß sie die Ausbreitung von Vibrationen
reduziert; die Buchse erzeugt aber in der Tat nur eine
Steifigkeit, die mit zunehmender Last allmählich zunimmt.
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Der Gegenstand des Oberbegriffs von Anspruch 8 ist aus
den Patentschriften SU 14 81 130, JP-A-61 232 968, EP 0 429
084-A1 und DE 21 48 126-A bekannt.
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SU 14 81 130, JP-A-61 232 968 und EP 0 429 084-A1
beziehen sich auf Buchsen, die so gestaltet sind, daß sie die
Ausbreitung von Vibrationen reduzieren; aber jede Buchse besitzt
auch eine Federvorrichtung (die kein Federbein ist) und
erzeugt in der Tat nur eine Steifigkeit, die mit zunehmender
Last allmählich zunimmt.
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DE 21 48 126-A bezieht sich auf eine Gummibuchse, die
sowohl einer Druckbelastung als auch einer horizontalen
Belastung ausgesetzt ist, welche das Risiko einer
Buchsenbeschädigung durch Scherung erhöhen.
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Mehrere verschiedene Anordnungen für Befestigungen von
Federbeingestaltungen mit Feder und Stoßdämpfer kennt man von
Radaufhängungen für Fahrzeuge, bei denen Gummibuchsen bei
größeren Amplituden eine größere Steifigkeit, um den
Kraftbelastungen gewachsen zu sein, und bei kleinen Amplituden eine
geringere Steifigkeit zur Vibrationsdämpfung aufweisen. Auf
solche Lösungen wird z. B. in SE 159 273 und WO 89 05 242
verwiesen.
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An der Aufhängung eines Führerhauses eines schweren
Fahrzeugs treten jedoch ganz verschiedene Lastzustände auf. Es
gibt mehrere Anregungsquellen, da der Rahmen eine große Masse
hat, auf die durch Vibrationen nicht nur von der
Antriebseinheit, Anhängern und Aufbauten, sondern auch von den Rädern
eingewirkt wird. Es ist daher nicht möglich, Lösungen von der
Radaufhängung von Personenkraftwagen direkt auf die
Aufhängung für Führerhäuser von Schwerlastfahrzeugen zu übertragen.
Aufgaben der Erfindung
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Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Schwerlastfahrzeug wie
z. B. einen Lastkraftwagen mit einer verbesserten gefederten
Aufhängung eines Führerhauses, vorzugsweise einer vorderen
Aufhängung der in SE 94 02 216 bezeichneten Art zu versehen,
wodurch besondere und gewöhnlich auftretende Vibrationen mit
niedriger Amplitude vom Fahrzeug-Fahrgestell im
Frequenzbereich von ungefähr wenigen hundert Hertz herausgefiltert
werden können und daher das Führerhaus im wesentlichen nicht
erreichen ungeachtet davon, ob die Vibration bewirkt, daß sich
das Führerhaus vom Rahmen weg oder auf ihn zu bewegt.
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Eine weitere Aufgabe ist, eine einfache und zuverlässige
Gummibuchse zu schaffen, die in einer Aufhängung eines
Führerhauses verwendet werden kann, wodurch alle größeren Lasten
auf der Befestigung des Federbeins im Führerhaus über die
Buchse bewirken, daß diese aufsitzt und hauptsächlich einer
Druckbelastung ausgesetzt ist, wodurch die Gefahr der
Buchsenschädigung durch Scherung minimiert wird. Zu diesem Zweck
sollte die Buchse bezüglich Vibrationen mit niedriger
Amplitude im vorher erwähnten Frequenzbereich sehr weich gemacht
werden, so daß diese Vibrationen effektiv herausgefiltert
werden können und das Führerhaus nicht erreichen.
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Eine weitere Aufgabe ist, die Befestigung eines
Federbeins am Führerhaus zu vereinfachen, das als eine eine im
Federbein befestigte Feder und einen Stoßdämpfer enthaltende
zusammengesetzte Einheit bezüglich einer speziell gefertigten
Montageaussparung im unteren Teil des Führerhauses fest
angebracht werden kann.
Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die Anordnung für eine Aufhängung eines Führerhauses
gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch das im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 Angegebene und die Buchse,
die einen Teil der Anordnung bildet, gemäß dem im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 8 Angegebenen.
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Andere Merkmale und Vorteile, die die Erfindung
kennzeichnen, sind durch die kennzeichnenden Teile anderer
Patentansprüche und durch die folgende Beschreibung einer
Ausführungsform angegeben. Die Beschreibung bezieht sich auf die
beigefügten Zeichnungen.
Zeichnungsliste
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Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Federbeins.
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Fig. 2 zeigt die Kraft in der Gummibuchse als Funktion
der Durchfederungsbewegung S.
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Fig. 3 zeigt eine nicht eingebaute Gummibuchse, die
durch das Eigengewicht des Führerhauses nicht vorbelastet
ist.
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Fig. 4 zeigt schematisch ein Führerhaus eines Fahrzeugs,
das mit Hilfe von vier Federbeinen bezüglich des Rahmens
aufgehängt ist.
Beschreibung einer Ausführungsform
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Fig. 1 zeigt ein Federbein 1, das einen Stoßdämpfer 3
und eine parallel zum Stoßdämpfer angeordnete Feder 2
enthält. In diesem Fall ist die Feder 2 ein Luftbalg, der mit
dem Stoßdämpfer konzentrisch angeordnet ist und in (nicht
dargestellter) herkömmlicher Weise mit Druckluft gefüllt und
entlüftet werden kann, um das Niveau des Führerhauses
einzustellen. Der Stoßdämpfer ist innerhalb des Luftbalges
angeordnet und zwischen oberen und unteren Endabdeckungen 14, 15
festgeklemmt. Die Tatsache, daß der Stoßdämpfer zwischen den
Endabdeckungen des Luftbalgs ohne beweglichen Durchbruch
intern festgeklemmt ist, macht es einfach, den Luftbalg
abzudichten. Der Luftbalg 2 kann durch eine andere Federart wie
z. B. eine Schraubenfeder ersetzt werden. Die Feder 2 und der
Stoßdämpfer 3 sind als zusammengesetzte Einheit zwischen den
Endabdeckungen 14, 15 angeordnet. Dies macht es einfach, das
Federbein bezüglich des Führerhauses und des Rahmens
anzubringen.
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An der unteren Endabdeckung 15 ist eine Befestigungsöse
10angeordnet, die an einem Element am Rahmen,
vorteilhafterweise einer entsprechenden Befestigungsöse 21' oder einem am
Rahmen 21 fest angeordneten Stift, gelenkig verankert werden
kann. Es kann vorteilhaft sein, eine alternative Anordnung
gemäß SE 92 03 909 zu verwenden.
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Im oberen Teil des Federbeins gibt es eine Gummibuchse 4
gemäß der Erfindung, die ein hülsenförmiges Gummielement 40
und eine interne steife Traghülse 6 enthält, welche auf einer
zumindest teilweise mit Gewinde versehenen, stangenförmigen
Vorrichtung 8 angeordnet ist, die vom oberen Teil des
Federbeins nach oben vorsteht, vorzugsweise einer axialen
Verlängerung der Kolbenstange des Stoßdämpfers 3, die nur eine
statische Abdichtung beim Durchbruch durch die Endabdeckung 14
erfordert. Die Traghülse 6 ist an der oberen Endabdeckung 14
des Federbeins durch eine Mutter 7 verankert, die an der
stangenförmigen Vorrichtung 8 angebracht ist und eine
Anschlagfläche 5, hier eine lose Unterlegscheibe, gegen den
oberen Teil der Traghülse 6 drückt. Die Traghülse 6 der
Gummibuchse wird folglich fest zwischen zwei Anschlagflächen,
nämlich die Unterlegscheibe 5 und die obere Endabdeckung 14 des
Federbeins, geklemmt.
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Die Buchse 4 ist über eine Halterung 11, die am
Führerhaus befestigt ist, mit dem Führerhaus verbunden. Ein
Befestigungselement 9 ist entlang seinem radialen inneren Teil 9'
in das Gummielement eingegossen. Der radial äußere Teil des
Befestigungselements 9 ragt frei aus dem Gummielement 40 vor
und ist mit Löchern 16 versehen, durch die
Verankerungsschrauben 12 angeordnet sind. Die Verankerungsschrauben
können alternativ dazu fest an das Befestigungselement 9
angeschweißt sein: Wenn das Federbein nach oben geschoben wird,
können die Verankerungsstifte 12 in die entsprechenden
Befestigungslöcher in der Halterung 11 des Führerhauses eingesetzt
werden, gefolgt von einem Anziehen der Schraubenmutter 13, um
die Buchse am Führerhaus zu sichern.
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Das Befestigungselement 9 ist entlang seinem radial
inneren Teil 9' mit einem Kragen versehen, der sich nach oben in
der Längsrichtung des Federbeins erstreckt und eine radial
einwärts gewandte Fläche aufweist, die mit der Außenfläche 63
der Traghülse im wesentlichen konzentrisch ist und den
gleichen spitzen Winkel wie diese aufweist, wodurch der innere
Kragenteil der Halterung für das Führerhaus in der
Gummibuchse vollkommen eingeschlossen und in einer im wesentlichen
konstanten Distanz C in der Umfangsrichtung von der
Außenfläche 63 der Traghülse angeordnet ist.
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Um einer günstigen Belastung des Gummielements 40 willen
sind nicht nur die Traghülse 6, sondern auch das Gummielement
40 und die einwärts gewandte Fläche 9' des Kragens
konzentrisch und mit einem nach oben abnehmenden Außendurchmesser
konisch. Dies hat eine sowohl Druck- als auch Scherbelastung
des Gummielements 40 zur Folge, das entlang seiner radial
nach innen gewandten Fläche 43 vorteilhafterweise fest an die
radial nach außen gewandte Fläche der Traghülse vulkanisiert
ist. Die axiale Länge des Gummielements an seiner Verbindung
mit der Traghülse 6 kann der Länge der letztgenannten
entsprechen, in welchem Fall das obere und untere Ende des
Gummielements eine sehr begrenzte radiale Ausdehnung über eine
kurze axiale Länge hinaus aufweisen, eine Tatsache, die die
Eigenschaften der Gummibuchse nicht wesentlich beeinflußt.
Die lokale axiale Längenzunahme entlang der gesamten
Berührungsfläche mit der Traghülse 6 ist so ausgelegt, daß die
Last in der verbindenden Innenfläche 43 und Außenfläche 63
reduziert wird.
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Die Gummiteile radial außen um den Kragen 9' haben keine
federnde oder dämpfende Funktion und können daher theoretisch
weggelassen werden, aber vom Standpunkt der Fertigung und
Festigkeit ist es vorteilhaft, den ganzen Kragen in das
Gummielement zu gießen. Der Kragen kann auch durch ein massives
Befestigungselement mit der gleichen Höhe wie der Kragen
ersetzt werden; das Ergebnis wäre aber wahrscheinlich eins
teures und schweres Gebilde.
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Fig. 3 zeigt die Buchse 4, wie sie ursprünglich
gefertigt ist, bevor sie am Federbein angebracht wird und die
Anschlagflächen 5, 14 an den jeweiligen Enden der Traghülse die
Bewegung der Gummibuchse beschränken können. In diesem
Zustand ist die Gummibuchse durch das Eigengewicht des
Führerhauses nicht belastet, was bedeutet, daß der obere äußere
Umfang 44 des Gummielements in der Distanz b über der Ebene
liegt, welche die obere Endfläche 61 der Traghülse berührt.
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Nachdem das Führerhaus auf dem Rahmen montiert worden
ist, wird die Gummibuchse 4 durch das Gewicht des
Führerhauses belastet, so daß der obere äußere Umfang 44 des
Gummielements in einer Ebene liegt, die in einer Distanz a&sub1; unter
einer Ebene liegt, welche die obere Endfläche 61 der
Traghülse berührt, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Die Traghülse 6
hat eine axiale Länge SL, und das Gummielement 40 weist eine
axiale Länge BL über den Hauptteil der radialen Ausdehnung
der Gummibuchse hinaus, d. h. von einer kurzen Distanz von der
Traghülse zum äußeren Umfang der Gummibuchse auf. Die Länge
SL der Traghülse übertrifft die Länge BL der Gummibuchse, so
daß es einen Zwischenraum a&sub1; zwischen der Unterlegscheibe 5
und der axial gerichteten Oberseite 41 der Gummibuchse gibt.
Es ist vorteilhaft, daß die Gummibuchse so bemessen wird, daß
der Zwischenraum a&sub1; während einer statischen Belastung durch
das Führerhaus SL - BL/2 entspricht, wodurch auch ein
Zwischenraum a&sub2; zwischen der oberen Endabdeckung 14 und der
axial gerichteten Unterseite 42 der Gummibuchse erzeugt wird.
Falls die Gummibuchse wie oben bemessen ist, gilt dann a&sub2; =
SL - BL/2 = a&sub1;, wenn das Führerhaus auf den Federbeinen
montiert ist und die Buchsen statisch belastet.
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Die Anschlagflächen 5, 14 haben einen Außendurchmesser,
der dem des Gummielements entspricht oder diesen geringfügig
übertrifft. Dies hat zur Folge, daß die axial gerichteten
Oberflächen 41, 42 des Gummielements ganz an die
Anschlagflächen stoßen, wenn die Buchse aufsitzt, d. h. wenn das
Federbein Vibrationen mit größeren Amplituden als a&sub1; bzw. a&sub2;
ausgesetzt ist.
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Fig. 4 ist eine schematische Zeichnung eines
Führerhauses, das bezüglich des Fahrzeugrahmens 21 auf vier
Federbeinen 1a-1d gefedert aufgehängt ist. Jedes Federbein ist
im Prinzip vertikal angeordnet und in der Nähe einer Ecke des
Führerhauses auf solch eine Weise plaziert, daß jedes
Federbein eine ähnliche Last aufnimmt. Die vier Federbeine 1a-1d
sind am vorderen bzw. hinteren Rand des Führerhauses
paarweise und auf solch eine Weise angeordnet, daß jedes Federbein
in den jeweiligen Paaren in im wesentlichen der gleichen
Distanz D von der Mittellinie CL des Fahrzeugs angeordnet ist
und jedes Sederbein im statischen Zustand im Prinzip etwa 25%
des Eigengewichts des Führerhauses 20 aufnimmt. Jedes der
Federbeine 1a-1d einschließlich ihrer Buchsen 4a-4d muß an
das Eigengewicht des Führerhauses angepaßt sein, so daß es
eine Vorbelastung innerhalb der Buchse und im Prinzip gleiche
Distanzen a&sub1;, a&sub2; zwischen den Anschlagflächen 5, 14 und den
axial gerichteten Oberflächen der Gummibuchse gibt.
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Die Gummibuchse ist so bemessen, daß sie eine
Federkennlinie gemäß Fig. 2 erzielt, in der die Last F als Funktion
der Durchfederungsbewegung S dargestellt ist. In der
neutralen Stellung S = 0 ist die Gummibuchse durch eine statische
Last, die vom Gewicht des Führerhauses abhängt und in diesem
Fall mit vier gleichmäßig belasteten Federbeinen 25% eines
normalen Führerhausgewichts von 1200 kg, im Diagramm 290 kg
oder einer Last von 2900 N entsprechend, entsprechen kann.
Diese statische Vorbelastung durch das Gewicht des
Führerhauses und die Zwischenräume a&sub1;, a&sub2; von je 2 mm zwischen den
Anschlagflächen 5, 14 und den axialen Flächen 41, 42 der Buchse
ergeben bei Vibrationsamplituden von bis 2 mm aus der
statischen Gleichgewichtslage eine weiche Buchse. Bei 2 mm
übersteigenden Vibrationsamplituden sitzen die Endflächen des
Gummielements an den Anschlagflächen 5, 14 auf, was bedeutet,
daß die Buchse nur Druckkräften ausgesetzt ist und daher
merklich steifer wird. Die Gummibuchse ist so bemessen, daß
die Federkonstante im Amplitudenbereich von -2 bis +2 mm
aus der Gleichgewichtslage innerhalb des Bereichs 600-800
N/mm und bei größeren Amplituden (nachdem das Gummielement
aufgesessen ist) etwa 4000 N/mm beträgt. Für bestimmte
Fahrzeuge haben sich Federkonstanten von etwa 3000 N/mm als
vorteilhaft erwiesen. Das Verhältnis zwischen den
Federkonstanten sollte mindestens 1/4 betragen.
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Bei größeren Amplituden kann sich das Führerhaus in bezug
auf den Rahmen weiterbewegen. Nachdem die Buchse 4
aufgesessen ist, wird die Bewegung (unter der Annahme, daß die
Frequenz niedrig genug ist, damit der Stoßdämpfer sie aufnehmen
kann) durch den Stoßdämpfer 3 im wesentlichen absorbiert.
Dies geschieht beispielsweise, wenn das Fahrzeug durch ein
Schlagloch fährt oder irgendeine ähnliche Unebenheit der
Fahrbahn kreuzt. Es ist vorteilhaft, die Gummibuchse
bezüglich eines berechneten Eigengewichts des Führerhauses zu
bemessen, welches eine normale Ausstattung im Führerhaus und
einen Fahrer einschließt. Mit Zwischenräumen a&sub1;, a&sub2; von 2 mm
in der statischen Gleichgewichtslage sitzt die Buchse bei
einer Last von 1300 (130 kg) pro Federbein auf. Falls die
Zwischenräume a&sub1;, a&sub2; auf je 3 mm erhöht werden, findet das
Aufsitzen nur bei einer Last von 2000 N pro Federbein statt.
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Eine geeignete Bemessung der Buchse und Anpassung der
Zwischenräume a&sub1;, a&sub2; schaffen eine gute Sicherheitsmarge
gegen Aufsitzen der Buchse aufgrund einer statischen Last unter
normaler Belastung durch das Gewicht des Führerhauses. Im
Fall eines höheren Eigengewichts des Führerhauses infolge
z. B. einer zusätzlichen Anlage wie z. B. Kühleinrichtungen,
etc. ist es einfach, die Buchse an das höhere Eigengewicht
anzupassen, indem eine Abstandshalterscheibe zwischen der
oberen Endabdeckung 14 und der Unterseite 62 der Traghülse
montiert wird, vorausgesetzt daß der Außendurchmesser der
Unterlegscheibe 62 dem Außendurchmesser dieser Unterseite 62
der Traghülse entspricht. Falls gleichzeitig gewünscht wird,
daß die Buchse eine ähnliche Charakteristik beibehalten soll,
wenn sich das Führerhaus vom oberen Teil des Federbeins weg
bewegt, kann die Unterlegscheibe 5 durch eine Unterlegscheibe
ersetzt werden, die mit einer erhöhten Dicke radial auswärts
um die Berührungsfläche der Unterlegscheibe mit der Oberseite
61 der Traghülse versehen ist. Die Abstandshalterscheibe und
die modifizierte Unterlegscheibe 5 sind so bemessen, daß die
Distanzen a&sub1; und a&sub2; innerhalb des Bereichs 2-3 mm liegen
und vorzugsweise gleich sind, wenn die einzige statische Last
auf der Buchse das Eigengewicht des Führerhauses ist.
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Die beschriebene Ausführungsform kann auf vielfache Weise
innerhalb des Umfangs der Patentansprüche abgewandelt werden.
Wesentlich ist, daß die Gummibuchse imstande ist, Vibrationen
innerhalb des Amplitudenbereichs 2-3 mm herauszufiltern,
was bedeutet, daß die Zwischenräume a&sub1; und a&sub2; innerhalb eines
entsprechenden Bereichs, vorteilhafterweise je 2,5 mm, liegen
müssen. Gleichzeitig muß die Federkonstante der Gummibuchse
an jede normalerweise auftretende Gewichtszunahme im
Führerhaus angepaßt werden, wobei die Gewichtszunahme nicht
bewirken darf, daß die Gummibuchse unter der sich aus solch einen
erhöhten Gewicht ergebenden statischen Last aufsitzt.
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Die Innenfläche 9', die Innenfläche 43 und die
Außenfläche 63 können auch zylindrisch sein; dies ist aber nicht
vorzuziehen, da die Buchse dann vom Standpunkt der reinen
Festigkeit aus schwächer wäre und die Gefahr einer Abscherung
bestünde.
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Der äußere Umfang des Befestigungselements kann auch an
die Zahl von Halterungselementen 12, 13 angepaßt werden, so
daß dem äußeren Umfang beispielsweise eine dreieckige Form
gegeben werden kann, falls drei Halterungselemente 12, 13
verwendet und an den Ecken des Befestigungselements
angeordnet werden. Den Teilen des Befestigungselements, die in der
Gummibuchse eingeschlossen sind und radial innen liegen,
müßte jedoch eine Kreisform gegeben werden, um eine günstige
Belastung der Gummibuchse 4 zu erreichen.