DE10260062A1 - Blattfeder für eine Kraftfahrzeugfederung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Blattfeder für das Federungssystem eines Kraftfahrzeugs. Sie weist einen im Wesentlichen in Längsrichtung ausgedehnten Federungskörper mit einer Federlänge und einer Längsachse auf. Außerdem weist sie eine Außenbereichsoberfläche auf, die durch mindestens einen senkrecht zur Längsachse verlaufenden ersten Federquerschnitt mit einer maximalen Querschnittsbreite bestimmt ist. Das Verhältnis zwischen der Federlänge und der maximalen Querschnittsbereite beträgt mindestens zwei.

Description

• Die vorliegende Anmeldung steht in engem Zusammenhang mit der gleichzeitig eingereichten Anmeldung V 201-0413 desselben Anmelders vom heutigen Tage mit der Bezeichnung "Einzelradaufhängung mit Blattfeder für ein Kraftfahrzeug", auf die hiermit Bezug genommen wird und deren Inhalt durch diese Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Federn für Fahrzeugfederungen und insbesondere auf langgestreckte, nicht geschichtete Blattfedern für Kraftfahrzeuge, die eine Federbewegung in zwei voneinander unabhängigen Ebenen zulassen.
• Aus dem Stand der Technik bekannte Federungssysteme für Kraftfahrzeuge mit geschichteten Blattfedern (= Trapezfeder) beruhen im Wesentlichen auf einer elastischen Deformation der Trapezfeder in einer Ebene. Eine merkliche Auslenkung der geschichteten Trapezfeder aus der vorgesehenen Bewegungsebene heraus wird dadurch verhindert, dass die Federkonstante der Trapezfeder senkrecht zur vorgesehenen Bewegungsebene wesentlich höher gewählt wird als in der Federungsebene. Dies erreicht man durch einen großen Federquerschnitt senkrecht zur Federungsebene. Eine ein- oder auswärts gerichtete Federbewegung der Trapezfeder ist in den genannten Konstruktionen bislang nicht erwünscht, da diese Konstruktionen bislang vor allem zur federnden Aufhängung von konventionellen Starrachsen verwendet werden, sich über die gesamte Breite des Fahrzeugs erstrecken. In einer solchen Konstruktion ist das gesamte Gewicht der Starrachse jedoch nicht mit dem Fahrgestell verbunden, sondern ungefedert gelagert.
• Die vorgenannten Konstruktionen, die auf der Verwendung von Trapezfedern beruhen, sind hervorragend geeignet für Konstruktionen mit einer Starrachse. Hingegen sind diese Konstruktionen nicht geeignet für Einzelradaufhängungen. Einzelradaufhängungen weisen typischerweise Achswellen auf, die über ein Differentialgetriebe miteinander verbunden sind, welches mit dem Fahrgestell verbunden ist. Die mittels Drehgelenken mit dem Differentialgetriebe verbundenen Achs-Halbwellen dienen dazu, das antreibende Drehmoment auf die ungefederten Antriebsräder des Kraftfahrzeugs zu übertragen.
• Bei einer Einzelradaufhängung bewegen sich die Aufnahmen der Antriebsräder auf einer bogenförmigen Bahn, wobei diese Bewegung von einem oder mehreren Lenkhebeln begrenzt und gesteuert wird. Die bogenförmige Bewegung erfordert eine Beweglichkeit der gefederten Radaufnahme in zwei voneinander unabhängigen Bewegungsebenen. Aufgrund ihrer Beweglichkeit in nur einer Ebene können Blattfedern hier bislang nicht eingesetzt werden. Gegenwärtig verwenden Einzelradaufhängungen Torsionsfedern und einen oder mehrere Lenkhebel, um die gewünschte gefederte Aufhängung der Radaufnahmen zu realisieren.
• Da Torsionsfedern auf andere Weise mit dem Fahrgestell eines Fahrzeuges verbunden werden als Blattfedern, d. h. beide Federtypen nicht gegeneinander austauschbar sind, können diese beiden Federtypen nicht ohne weiteres auf einer gemeinsamen Karosserieplattformen verwendet werden.
• Darüber hinaus sind die Lenkhebelanordnungen von Federungen mit Torsionsfeder oftmals sehr schwer und benötigen eine Vielzahl von Befestigungspunkten sowie kostenintensive Lagerungen, um die gewünschten Federungseigenschaften zu erzielen. Daher erhöhen Torsionsfedern und die zugehörigen Lenkhebel die Komplexität und die Kosten gegenüber einem Kraftfahrzeug mit konventionellen Blattfederungen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Feder für eine Kraftfahrzeugfederung anzugeben, die wie eine konventionelle Trapezfeder montiert werden kann, jedoch aufgrund ihrer elastischen Verformbarkeit eine Federbewegung in einer Mehrzahl voneinander unabhängigen Ebenen zulässt.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Blattfeder für eine Kraftfahrzeugfederung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
• Die vorliegende Erfindung vermeidet die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen, in dem sie eine Blattfeder für eine Kraftfahrzeugfederung bereitstellt, die eine elastische Verformbarkeit in zwei voneinander unabhängigen Raumrichtungen aufweist. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Blattfeder in Längsrichtung eine deutlich größere Ausdehnung auf als in Horizontal- und Vertikalrichtung. Hieraus resultiert eine elastische Verformbarkeit sowohl in der vertikalen als auch in der horizontalen Richtung.
• Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Blattfeder für eine Radaufhängung in einer Längslenkeranordnung verwendet werden, in der die Blattfeder gleichzeitig die Funktion eines Federelements und eines Längslenkers übernimmt.
• Diese und weitere Vorteile, Merkmale und besondere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nun folgenden Ausführungsbeispielen, die anhand der Zeichnung erläutert werden, sowie der anliegenden Ansprüche.
• In der Zeichnung zeigen:
• Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer typischen Trapez- Blattfederung mit einer Starrachse,
• Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Blattfeder, deren Federkonstante in vertikaler und horizontaler Richtung durch den Querschnitt der Feder in der jeweiligen Richtung bestimmt wird,
• Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Blattfeder mit sich längs ihrer Längsachse veränderndem Querschnitt und Formgebung,
• Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Blattfeder mit einer zusätzlichen Versteifung,
• Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer zusätzlichen Versteifung, die an verschiedenen Positionen auf der Längsachse der Blattfeder unterschiedliche Querschnitte aufweist,
• Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Blattfeder, die an zwei Punkten mit dem Fahrgestell eines Kraftfahrzeugs verbunden ist, und
• Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer Blattfeder, die an nur einem Punkt mit dem Fahrgestell eines Kraftfahrzeugs verbunden ist.
• Fig. 1 zeigt eine konventionelle Trapez-Blattfederung eines Fahrzeugs. Eine Trapezfeder 10 ist über einen Betätigungsbügel 30 und eine Lagerung 32 mit einer Karosserie 20 verbunden. Diese Befestigungsanordnung führt in Zusammenwirkung mit der Federbeweglichkeit der Blattfeder 10, die durch deren Querschnitt verursacht wird, dazu, dass sich die Radaufhängung bei einer elastischen Federbewegung der Trapezfeder 10 im Wesentlichen nur in der gezeigten vertikalen Ebene 40 bewegen kann.
• Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Blattfeder 50 für ein Fahrzeug, die eine Federlänge 60, eine Längsachse 70 und eine Außenbereichsoberfläche 80 aufweist. Die Außenbereichsoberfläche 80 ist bestimmt durch mindestens einen Querschnitt 90, der senkrecht zur Längsachse 70 der Blattfeder orientiert ist und eine maximale Querschnittsbreite 100 aufweist. Dabei beträgt das Verhältnis der Federlänge 60 zu der maximalen Querschnittsbreite 100 mindestens zwei. Sowohl die Federkonstante in der vertikalen Ebene 40 als auch die Federkonstante in der horizontalen Ebene 110 ist wesentlich kleiner als die der Federkonstante in der Longitudinalebene 120.
• Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Blattfeder 50, die verschiedene Federquerschnitte aufweist. Dabei ändern sich die Abmessungen und/oder die Form der senkrecht zur Längsachse 70 orientierten Querschnitte längs der Längsachse 70 der Blattfeder 50. Aus den unterschiedlichen Querschnitten resultieren jeweils unterschiedliche Federkonstanten in der horizontalen und in der vertikalen Ebene.
• Bei der aus Fig. 3 ersichtlichen Blattfeder 50 können die verschiedenen Federkonstanten beispielsweise durch unterschiedliche Federquerschnitte realisiert werden. Weiterhin können sie durch eine Kombination verschiedener Querschnitte und/oder durch unterschiedliche Materialeigenschaften innerhalb des homogenen oder teilweise homogenen Materials der Feder realisiert werden. Dabei können unterschiedliche Materialeigenschaften in einem homogenen Material beispielsweise durch eine Wärmebehandlung oder durch eine chemische Behandlung einzelner Bereiche der Blattfeder 50 resultieren. Insgesamt sind im gezeigten Ausführungsbeispiel die Federkonstanten sowohl in der Vertikalebene 40 als auch in der Horizontalebene 110 deutlich kleiner als die Federkonstante in der Longitudinalebene 120.
• Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, gezielt die Steifheit bzw. Elastizität der Blattfeder 50 in ihren verschiedenen Federebenen 40, 110, 120 zu beeinflussen, um eine Abstimmung des Federverhaltens der Blattfeder 50 in den verschiedenen Federebenen 40, 110 und 120, in denen eine elastische Verformung der Blattfeder 50 gewünscht oder unerwünscht ist, herbeizuführen. Es gibt viele unterschiedliche Möglichkeiten, die Federkonstanten einer Feder in den verschiedenen Bewegungsrichtungen längs der Längsachse einer Feder zu beeinflussen. In dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel sind die geometrischen Abmessungen des Federquerschnitts senkrecht zur Längsachse der Blattfeder 50 an verschiedenen Punkten unterschiedlich gewählt, um die Federeigenschaften der Blattfeder 50 in den unterschiedlichen Federebenen, in denen eine elastische Deformation erforderlich oder unerwünscht ist, unterschiedlich einzustellen.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Blattfeder 50 Abschnitte mit runden Querschnitten, die an den Enden der Blattfeder 50 angeordnet sind, wogegen der Querschnitt der Blattfeder 50 in einem Mittenbereich rechteckig ist. Dabei sind die Abmessungen des rechteckigen Querschnitts in der Horizontalebene deutlich größer als in der Vertikalebene.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführung kommen Blattfedern 50 zum Einsatz, die eine Mehrzahl von Bereichen mit einem rechteckigen Querschnitt aufweisen, die aber jeweils unterschiedliche Abmessungen haben. Eine solche Blattfeder 50 ist ebenfalls aus Fig. 3 ersichtlich. Die in Fig. 3 gezeigte Blattfeder 50 weist in ihrem Mittenbereich eine relativ hohe Steifigkeit in der Horizontalebene auf, lässt jedoch in ihren Endbereichen eine elastische Verformung in der horizontalen Ebene zu. In diesen Endbereichen ist die durch eine Deformation verursachte Bewegung der Feder in der Horizontalebene leichter zu kontrollieren, ohne dass unerwünschte Vibrationen oder Mitbewegungen auftreten.
• In einer alternativen Ausführung der erfindungsgemäßen Blattfeder 50 weist diese flache Querschnitte in ihren Endbereichen auf, um die Haltbarkeit der Feder 50 zu erhöhen, wogegen der Mittenbereich der Feder 50 einen kleineren, runden Querschnitt aufweist, der für eine elastische Deformation in der Horizontalebene vorteilhaft ist. Darüber hinaus können andere Querschnitte in den unterschiedlichsten Kombinationen verwendet werden, um das Verhalten der Federung abzustimmen. So kann beispielsweise die Federkonstante progressiv zunehmen, indem die Steifigkeit der Blattfeder 50 längs ihrer Längsachse durch eine Veränderung ihres Querschnitts kontinuierlich erhöht wird.
• Fig. 4 zeigt eine Blattfeder 50 mit einer zusätzlichen Versteifung 140. Diese Versteifung 140 kann entweder aus einem steiferen oder einem weniger steifen Materials als der Rest der Blattfeder 50 hergestellt sein. Hierdurch kann die Steifheit der Blattfeder 50 in bestimmten Bereichen längs ihrer Längsachse gezielt eingestellt werden. Dabei kann die Blattfeder 50 aus den unterschiedlichsten Materialien hergestellt sein. Darüber hinaus ist es möglich, Kombinationen von Materialien zu verwenden, hierbei insbesondere Verbundwerkstoffe, Metalle, Metallgussverbunde und Kunststoff-Metall- Hybridwerkstoffe.
• In der zusätzlichen Versteifung 140, die aus Materialien mit verschiedenen Steifheiten hergestellt sein können sowie an unterschiedlichen Orten innerhalb des Querschnitts und längs der Längsachse der Blattfeder vorgesehen werden können, ist es möglich, die Steifheit und das elastische Verhalten der Blattfeder wie gewünscht einzustellen. So ist es beispielsweise möglich, durch die Einbringung einer zusätzlichen Versteifung mit konstantem Querschnitt, die aus einem weniger steifen Material besteht, in einen bestimmten Bereich einer Blattfeder 50 längs ihrer Längsachse 70, die Steifheit der Blattfeder 70 längs ihrer Längsachse zu variieren. Auf diese Weise entsteht ein weniger steifer Bereich der Blattfeder 50 an der Stelle, wo das Material mit der geringeren Federkonstante angeordnet ist.
• Es wird darauf hingewiesen, dass neben einem steiferen Material ebenso ein weniger steifes Material für die Versteifung 140 der Blattfeder verwendet werden kann, wobei es möglich ist, das steifere Material entweder separat oder auch gemeinsam mit einem weniger steifen Material zu verwenden. Im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung werden sowohl "Versteifungen" 140 aus einem härteren Material als auch "Versteifungen" 140 aus einem weicheren Material als zusätzliche Versteifungen 140 bezeichnet.
• Ebenso ist es möglich, ein Metall mit variierender Federkonstante oder eine Mehrzahl von Metallen mit variierenden Federkonstanten einzeln oder gemeinsam für Versteifungen 140 zu verwenden, um eine Blattfeder 50 mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen. Solche Blattfedern 50 können beispielsweise mittels an sich bekannter Techniken zur Herstellung von Metallverbunden, mittels geeigneter Schmiedetechniken und mittels geeigneter Kombinations-Gusstechniken, bei denen ein erstes Material in einem Hohlraum in einem weiteren Material eingebracht wird, hergestellt werden. Weiterhin ist es möglich, Presstechniken, bei denen Kunststoffe mit einem Stahlkörper verpresst werden, oder Hybridmetall-Kunststoff-Konstruktionen zu verwenden, um eine Blattfeder 50 mit einer zusätzlichen Versteifung 140 herzustellen.
• Fig. 5 zeigt eine Blattfeder 50 mit einer zusätzlichen Versteifung 140, die ihrerseits verschiedene Querschnitte aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Federkonstante der Blattfeder nicht durch eine Änderung der Abmessungen des Querschnitts der Blattfeder 50 hervorgerufen, sondern durch eine Änderung des Querschnitts und eine damit einhergehende Änderung der Federkonstanten der zusätzlichen Versteifung 140.
• Fig. 6 zeigt eine Blattfeder 50, die an zwei Punkten mit dem Fahrgestell 20 eines Kraftfahrzeugs verbunden ist. Diese Anordnung ist vergleichbar mit der Anordnung, wie sie für konventionelle Blattfederungen mit Trapezfeder verwendet wird.
• Hingegen zeigt Fig. 7 eine Blattfeder 50, die an einem einzigen Punkt mit dem Fahrgestell 20 eines Kraftfahrzeuges verbunden ist. Eine solche Befestigungsweise ermöglicht eine größere Freiheit bei der Gestaltung dem Fahrgestell und erlaubt daher kostengünstigere Karosseriekonstruktionen, die ohne eine zweite Befestigung für das Federungssystem auskommen.
• Die Blattfeder 50 kann auf verschiedene Weise an dem Fahrgestell befestigt werden. So ist es möglich, eine nur an einem Punkt befestigte Blattfeder 50 an ihrem ersten Ende so auszugestalten, dass sie an einer an dem Fahrgestell bereits bestehenden Befestigung für eine Trapezfeder befestigt werden kann. Insbesondere kann eine Durchgangsbohrung in der Blattfeder 50 vorgesehen werden, die an eine an der Fahrgestellbefestigung bereits vorgesehene Durchgangsbohrung angepasst ist, um die Blattfeder 50 fest mit dem Fahrgestell zu verbinden.
• Dies bedeutet, dass eine einheitliche Karosserie sowohl für eine Einzelradaufhängung als auch für eine Aufhängung mit einer Starrachse geeignet ist.
• Darüber hinaus kann die Blattfeder 50 weitere Merkmale ausbilden, die es erlauben, weitere mit dem Fahrgestell verbundene Lenkhebel vorzusehen, die im montierten Zustand der Blattfeder 50 eine Verdrehung der Blattfeder 50 relativ zu ihrem Befestigungspunkt vermeiden. Auf diese Weise ist es möglich, mit einer nur an einem Punkt befestigten Blattfeder 50 auch wechselnde Lasten gefedert aufzuhängen.
• Ebenso ist es möglich, die Blattfeder 50 an zwei Punkten mit dem Fahrgestell zu verbinden. So ist es beispielsweise möglich, in einer solchen Anordnung jedes der beiden Enden der Blattfeder 50 so auszugestalten, dass es in Zusammenwirkung mit an dem Fahrgestell bereits vorgesehenen Blattfederbefestigungen zusammenwirkt, wie im Zusammenhang mit der vorstehend beschriebenen Einpunktbefestigung bereits ausgeführt wurde.
• Weiterhin ist es möglich, eine erfindungsgemäße Blattfeder 50 an dem Fahrgestell unter Verwendung von Hülsen zu befestigen, die jeweils dazu vorgesehen sind, ein Ende der Blattfeder 50 zu übergreifen. Die Blattfeder 50 kann dann mit dem Fahrgestell verstiftet, verklebt oder gefaltet werden, um sie an den tragenden Teilen dem Fahrgestell festzulegen und eine Verdrehung der Enden der Blattfeder 50 relativ zur Karosserie zu verhindern.
• Die zur Befestigung verwendeten Mechanismen und die Anordnung möglicher Lenkhebel sowie stoßdämpfender Elemente an der Blattfederaufhängung sind abhängig von der speziellen Konfiguration der Radaufhängung und den verwendeten Materialien.
• Für einen Fachmann ist es selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weise realisiert werden kann. So ist es beispielsweise möglich, Halbwellen und ein gefedert aufgehängtes Differentialgetriebe und/oder Antriebsgetriebe in die Blattfederaufhängung zu integrieren. Darüber hinaus ist es möglich, Lenkhebel mit mehr als zwei Befestigungspunkten zu verwenden. Auch andere Ausführungsformen, die in der Beschreibung nicht explizit erwähnt wurden, sind möglich und gehören zur vorliegenden Erfindung, deren Gegenstand durch die nun folgenden Ansprüche gegeben ist, die selbstverständlich auch Äquivalente umfassen.

Claims (9)

1. Blattfeder (50) für das Federungssystem eines Kraftfahrzeugs, die folgenden Merkmale aufweisend:
einen im wesentlichen in Längsrichtung ausgedehnten Federungskörper, der eine Federlänge (60) und eine Längsachse (70) aufweist, und
eine Außenbereichsoberfläche (80), die durch mindestens einen senkrecht zur Längsachse (70) verlaufenden ersten Federquerschnitt (90) bestimmt ist, der eine maximale Querschnittsbreite (100) aufweist, wobei das Verhältnis zwischen der Federlänge (60) und der maximalen Querschnittsbreite (100) mindestens zwei beträgt.

2. Blattfeder (50) für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des ersten Federquerschnitts (90) im Wesentlichen oval ist.

3. Blattfeder (50) für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Federquerschnitt (90) im Wesentlichen rechtwinklig ist.

4. Blattfeder (50) für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder (50) zumindest einen zweiten Querschnitt (95) aufweist, wobei der erste Querschnitt (90) einen ersten Federabschnitt definiert und der zumindest eine zweite Querschnitt (95) zumindest einen zweiten Federabschnitt definiert, wobei die Federkonstante des ersten Federabschnitts wesentlich größer ist als die Federkonstante des zumindest einen zweiten Abschnitts.

5. Blattfeder (50) für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder (50) aus einem Federwerkstoff gefertigt ist, der eine Federkonstante in der Vertikalebene (40) aufweist, die zwischen 30 Newton pro mm und 80 Newton pro mm beträgt.

6. Blattfeder (50) für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Federkörper nur einen Befestigungspunkt für eine Befestigung des Federkörpers an dem Fahrgestell (20) eines Kraftfahrzeuges aufweist.

7. Blattfeder (50) für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Federkörper zwei Befestigungspunkte für eine Befestigung des Federkörpers an dem Fahrgestell (20) eines Kraftfahrzeuges aufweist.

8. Blattfeder (50) für das Federungssystem eines Kraftfahrzeugs, die folgenden Merkmale aufweisend:
einen im wesentlichen länglichen Federkörper mit einer Federlänge (60) und einer Längsachse (70), wobei der Federkörper aus einem Federmaterial gefertigt ist, welches eine Vertikalfederkonstante in der Vertikalebene (40) und eine Horizontalfederkonstante (110) in der Horizontalebene (110) aufweist, wobei der Federkörper eine elastische Federbewegung in der Horizontal- und Vertikalebene (40, 110) ausführen kann, und
eine Außenbereichsoberfläche (80), die durch mindestens einen senkrecht zur Längsachse (70) verlaufenden ersten Federquerschnitt (90) bestimmt ist, der eine maximale Querschnittsbreite (100) aufweist, wobei das Verhältnis zwischen der Federlänge (60) und der maximalen Querschnittsbreite (100) mindestens zwei beträgt.

9. Blattfeder (50) für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertikalfederkonstante in Abhängigkeit von der Blattfeder (50) getragenen Last progressiv von mindestens 30 Newton pro mm bis zu maximal 200 Newton pro mm zunimmt.