DE10311442A1

DE10311442A1 - Fahrwerksfederung

Info

Publication number: DE10311442A1
Application number: DE10311442A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Bidlingmaier (FH)
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-03-15
Filing date: 2003-03-15
Publication date: 2004-09-23
Also published as: WO2004083672A1; US20060108764A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fahrwerksfederung mit einer Federvorrichtung zur Schwingungsdämmung, wobei die Federvorrichtung zumindest an einem Ende in ein Lager eingespannt ist und eine Begrenzung einer Federbewegung vorgesehen ist. Ein Knickelement (1) bildet ein Tragelement der Federvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrwerksfederung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bewegte Teile an Maschinen, Geräten und Fahrzeugen erzeugen Schwingungen und damit auch unerwünschte Geräusche und Vibrationen. Eine Übertragung von Schwingungen kann entweder gedämmt oder gedämpft werden. Mechanische Schwingungen treten dort auf, wo ein schwingungsfähiges System, also Masse und Federung, vorhanden ist. Die Masse stellt den Speicher für kinetische Energie, die Federung den Speicher für potentielle Energie dar. Einfache oder doppelt elastische Lagerungen reichen bei sehr schwingungsintensiven Aggregaten zur Schwingungsdämmung nicht aus, und für die Lagerung schwerer Massen müssen ungünstige hohe Federsteifigkeiten gewählt werden.

Entscheidende Parameter für die schwingungsdämmende Wirkung einer elastischen Lagerung sind die Steifigkeit der verwendeten Federn und die wirksame Masse des elastisch gelagerten Systems.

Aus dem Patent DE 199 58 178 C1 ist ein Feder-Dämpferbein für ein Fahrzeugrad bekannt, bei dem eine Stahlfeder als Tragelement eingesetzt ist, die somit eine hohe Federsteifigkeit aufweisen muss. Für eine komfortable Federung ist jedoch eine möglichst weiche Federung wünschenswert, insbesondere beim Einsatz in aktiven Fahrwerken.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Fahrwerksfederung mit einer elastischen Lagerung mit verbesserten schwingungsisolierenden Eigenschaften und verminderter Federsteifigkeit zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung wird als Tragelement bei der Federung ein Knickstab eingesetzt. Dies hat den Vorteil, dass die Funktion „Tragen der Masse" und „Schwingungsdämmung" getrennt sind und von verschiedenen Bauteilen übernommen werden. Die Tragfähigkeit des einen Elements kann daher im wesentlichen unabhängig von der Federsteifigkeit des anderen Elements eingestellt werden.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung und den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Im weiteren ist die Erfindung anhand einer Zeichnung beschrieben.
Dabei zeigen in schematischer Darstellung:
1 eine Kennlinie der Druckkraft über dem Federweg eines Knickstabs als Knickelement,
2 eine bevorzugte parallele Anordnung von Knickelement und schwingungsfähigem Element,
3 eine bevorzugte Anordnung mit Knickelement in einem Gehäuse mit Längenverstellung,
4 eine bevorzugte Geländewagenfederung und 5 ein bevorzugtes Kopflager mit Knickelementen.
Beim Einwirken einer Druckkraft auf einen Stab steigt die Stabkraft verbunden mit geringer Verformung stark an und bleibt nach Überschreiten einer Knickkraft F_K über einen großen Verformungsbereich konstant. Ein solcher Stab wird als Knickstab oder, im folgenden, als Knickelement bezeichnet. Wird er auf Druck beansprucht, knickt er bei Erreichen der Knickkraft F_K seitlich aus. Solange die Kraft kleiner als die Knickkraft F_K ist, bleibt er gerade. Bei Überschreiten der Knickkraft F_K knickt der Knickstab sofort aus. Bis zum Ausknicken ist der Kraftverlauf des Knickstabs ähnlich dem Kraftverlauf einer elastischen Feder, bei der die Längenänderung in axialer Richtung proportional zur wirkenden Kraft ist. Nach dem Ausknicken geht seine Steifigkeit gegen Null.
Die 1 zeigt schematisch eine Kennlinie der Druckkraft über dem in axialer Richtung zurückgelegten Weg eines Knickstabs. Wirken kleine Druckkräfte auf den Knickstab, verhält sich dieser wie eine elastische Feder: der Weg ist proportional zur auf den Knickstab wirkenden Kraft, wobei die Federsteifigkeit dem E-Modul entspricht. Sobald die wirkende Kraft die Knickkraft F_K erreicht, knickt er aus. Im Diagramm ist das durch den Kennlinienbereich B_el parallel zur Weg-Achse zu erkennen. Dieser Bereich B_el kennzeichnet dem elastischen Bereich des Knickstabs. Die Knickkraft F_K ist hier unabhängig vom Weg, was einer unendlich kleinen Federsteifigkeit des Knickstabs entspricht. Wird der elastische Bereich B_el bei W_max überschritten, tritt eine plastische Verformung ein, und der Knickstab versagt.
In den folgenden Figuren sind gleiche oder sich entsprechende Elemente jeweils mit demselben Bezugszeichen bezeichnet.
Bei einer erfindungsgemäßen Fahrwerksfederung ist vorgesehen, dass ein Knickelement 1 ein Tragelement einer Federvorrichtung des Fahrwerks bildet. Vorzugsweise umfasst die Federvorrichtung ein parallel zu dem Knickelement 1 angeordnetes schwingungsfähiges Element 11. Dies ist in 2 skizziert. Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass dadurch die Aufgaben "Tragen einer Last" und „Federn" voneinander getrennt sind. Die Federsteifigkeit des schwingungsfähigen Elements 11 muss daher nicht unmittelbar auf die zu tragende Masse abgestimmt werden. In einer ersten Ausgestaltung ist das schwingungsfähige Element 11 ein Elastomer. Diese Konfiguration ist für ein Kopflager geeignet. Die Federsteifigkeit des Kopflagers ist in dieser Kombination nicht mehr unmittelbar durch die Maximallast bestimmt, die durch die zu tragende Masse bestimmt ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das schwingungsfähige Element 11 eine Stahlfeder. In dieser Kombination kann gezielt eine gewünschte, vorzugsweise geringe, Federsteifigkeit eingestellt werden. Dabei kann die Federsteifigkeit in erster Näherung unabhängig von der Grundlast sein, die durch die zu tragende Masse gebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das schwingungsfähige Element 11 eine Luftfeder. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das schwingungsfähige Element 11 ein aktiver Stellmotor. Dies hat den Vorteil, dass ein Stellmotor, insbesondere ein Linearmotor, nur zusätzlich gewünschte Kräfte stellt und durch eine entsprechende Regelung bei Relativbewegungen des Stellmotors keine ungewünschten Reaktionskräfte. Die statische Grundlast einer zu tragenden Masse wird von dem Knickelement 1 getragen, während dynamische Lasten vom Stellmotor ausgeregelt werden können. Diese Kombination ermöglicht bei relativ geringem Energieaufwand ein hohes Stellpotential des Stellers besonders in einem aktiven Fahrwerk. Die Anordnung mit Stellmotor, insbesondere mit Linearmotor, wirkt als nahezu idealer Kraftsteller, der alle dynamischen Lasten aufnimmt, aber gleichzeitig bei Störungen, die nicht ausgeregelt werden können, unendlich weich ist. Dies gilt annähernd auch für eine Luftfeder als schwingungsfähiges Element 11. Zusätzlich kann bei Kombination mit einer Luftfeder die Niveauregulierung einfach dargestellt werden.
3 zeigt eine bevorzugte Anordnung einer Federung mit einem Knickelement 1. Das Knickelement 1 ist in einem Gehäuse 10 angeordnet. Bevorzugt ist das Gehäuse 10 mit Knickelement 1 parallel zu einer Luftfeder angeordnet. Das Gehäuse 10 ist als Teleskopzylinder ausgebildet, bei dem ein erster Zylinder 2 und ein zweiter Zylinder 3 so ineinander gesteckt sind, dass sie einen Überlappungsbereich 6 bilden. Im Überlappungsbereich 6 ist zwischen den beiden Zylindern 2, 3 ein Lager 9, insbesondere ein Gleitlager, angeordnet sowie ein Zuganschlag 7. Das Knickelement 1 im Innern des Gehäuses 10 ist das Knickelement 1 mit einem ersten Ende in einem ersten Lager 2.1 im ersten Zylinder 2 und mit einem zweiten in einem zweiten Lager 3.1 im zweiten Zylinder 3 eingespannt. In Ruhestellung nimmt das Knickelement 1 eine bestimmte Länge und damit das Gehäuse 10 eine Länge L₀ ein. Das Knickelement ist in Ruhelage vorzugsweise bereits ausgeknickt und zeigt in etwa in der Mitte eine Auswölbung. Der Zuganschlag 7 bewirkt, dass das Knickelement 1 geknickt bleibt und nicht in den Bereich der linearen Kennlinien zurückfällt. Eine axiale Druckbelastung entlang der Längsachse des Gehäuses 10 führt zu einem Zusammenstauchen des Knickelements 1 und folglich zu einer Verkürzung des Gehäuses 10. Die Differenz zwischen der Länge in Ruhelage und der Länge unter Belastung entspricht dem Weg in 1 im elastischen Bereich B_el. Ein Druckanschlag 8, vorzugsweise im Innern des zweiten Zylinders 3, verhindert eine unzulässige Stauchung des Knickelements 1 und verhindert so ein Verlassen des elastischen Bereichs B_el des Knickelements 1. Solange das Knickelement 1 im elastischen Bereich B_el bleibt, kann von der Anordnung unabhängig vom Weg eine konstante Kraft F_K aufgebracht werden.
Zusätzlich kann der Durchmesser des ersten Zylinders 2 so bemessen sein, dass eine begrenzende Wand 2a des Zylinders 2 im Bereich der Auswölbung des Knickelements 1 einen Abstand zu dem Knickelement 1 aufweist, der geringer ist als eine maximal zulässige seitliche Auslenkung, die bei der maximalen Längenänderung W_max in axialer Richtung im elastischen Bereich B_el des Knickelements 1 auftritt. Durch den Kontakt des Knickelements 1 mit der Wand 2a kann eine progressive Kennlinie des Knickelements 1 gestaltet werden.
Durch eine Änderung der Länge des Knickelements 1 kann gezielt die Knickkraft F_K verändert werden. Dazu sind an einem Ende 4 des Knickelements 1 außerhalb des eingespannten Bereichs Einkerbungen vorgesehen, die mit einem Stellmittel 5, insbesondere einem Zahnrad, wechselwirken, so dass das Knickelement 1 an diesem Ende 4 hin und her beweglich ist. Das stellmittel ist günstigerweise elektrisch einstellbar. Das Ende 4 mit den Einkerbungen befindet sich zweckmäßigerweise immer im unbelasteten Bereich den Knickelements 1. Zweckmäßigerweise wird eine Entlastung durch eine Rollenführung des Lagers 2.1 dargestellt.
4 zeigt schematisch ein Detail einer bevorzugte Federvorrichtung für einen Geländewagen. Ein Knickelement 1 ist in einem als Teleskopzylinder gestalteten Gehäuse 10 angeordnet. Dieses ist vorzugsweise in einem Schweller des Fahrzeugs untergebracht. Ein nicht dargestelltes Rad übt eine Radlast F auf einen Querlenker 20 aus, an den ein aktiver, mit einer Motor-Pumpeneinheit 22 ausgestatteten Dämpfer 21 angelenkt ist. An dem Querlenker 20 ist eine Pendelstütze 23 abgestützt. Das Knickelement 1 in dem Gehäuse 10 wird über eine bekannte, sogenannte Pushrod-Umlenkung 24 angelenkt. Maximalkräfte können über die Zug- und Druckanschläge 7, 8 aufgenommen werden. Über eine Längenverstellung des Knickelements 1, etwa an dessen Ende 4 wie in 3 beschrieben, kann eine Niveauregulierung bewirkt werden. Ein Vorteil ist, dass in dieser Anordnung lange Federwege mit geringer Federsteifigkeit möglich sind.
5 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung eines Lagers, besonders bevorzugt eines Kopflagers. Das Knickelement 1 ist durch eine Mehrzahl von Fasern 30 gebildet. Die Fasern 30 sind vorzugsweise ringförmig angeordnet, und der so gebildete Faserring ist in axialer Richtung jeweils an einem ersten Rand 31 und einem zweiten Rand 32 eingespannt. Alternativ können die Fasern 30 auch büschelweise verteilt sein.
Koaxial zu dem Faserring ist ein Ring 33 als Endanschlag in axialer Richtung angeordnet. Koaxial zum Faserring ist ein Elastomerlager 34 vorgesehen. Alternativ umgeben die Fasern 30 das Elastomerlager 34 zumindest bereichsweise. Die Fasern 30 können Kunststofffasern, Kohlefasern und/oder Keramikfasern umfassen.
Eine Auslegung von Kopflagern und Fahrwerkslagern wird massiv durch eine geforderte Lebensdauer und die zu tragende Grundlast bestimmt. Üblicherweise muss aus diesem Grund eine Federsteifigkeit vorgesehen werden, die viermal so hoch ist, wie eigentlich, z.B. aus Komfortgründen, gewünscht ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung eines Kopflagers bestehen die Fasern 30 aus Aramidfasern und umgeben ein Elastomerlager 34 ringförmig. Das innerhalb des Faserrings befindliche Elastomerlager 34 kann nunmehr eine gewünschte definierte niedrige Federsteifigkeit aufweisen. Die Aramidfasern übernehmen in geknicktem Zustand Last und sind in das Elastomerlager 34 an dem oberen und unteren Rand 31, 32 eingegossen. Ein Metallring 33 dient als Endanschlag und ist zweckmäßigerweise ebenfalls in den oberen Rand 31 eingegossen.

Claims

Fahrwerksfederung mit einer Federvorrichtung zur Schwingungsdämmung, wobei die Federvorrichtung zumindest an einem Ende in ein Lager eingespannt ist und eine Begrenzung einer Federbewegung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet , dass ein Knickelement (1) ein Tragelement der Federvorrichtung bildet.
Federungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung ein parallel zu dem Knickelement (1) angeordnetes schwingungsfähiges Element (11) umfasst.
Federungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingungsfähige Element (11) ein Elastomer ist.
Federungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingungsfähige Element (11) eine Stahlfeder ist.
Federungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingungsfähige Element (11) eine Luftfeder ist.
Federungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingungsfähige Element (11) ein aktiver Stellmotor ist.
Federungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längenverstellung (5) zur Änderung der Länge des Knickelements (1) vorgesehen ist.
Federungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Knickelement (1) in einem Gehäuse (10) angeordnet ist, welches aus zwei Zylindern (2, 3) besteht.
Federungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Zylinder (2, 3) ineinander gesteckt sind und im Überlappungsbereich (6) zwischen den beiden Teilzylindern (2, 3) ein Zuganschlag (7) vorgesehen ist.
Federungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Zylinder (2, 3) ein Lager (2.1, 3.1) vorgesehen ist, in das das Knickelement (1) eingespannt ist.
Federungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine begrenzende Wand (2a) einen Abstand zu einer Auswölbung des Knickelements (1) aufweist, der geringer ist als eine seitliche Auslenkung des Knickelements (1) bei maximal zulässiger Auslenkung (W_max) im elastischen Bereich (B_el) .
Federungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckanschlag (8) in einem der Zylinder (2, 3) vorgesehen ist.
Federungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Knickelement (1) an einem Ende (4) außerhalb des eingespannten Bereichs Einkerbungen aufweist, die mit einem Stellmittel (5) so wechselwirken, dass das Knickelement (1) an diesem Ende (4) hin und her beweglich ist.
Federungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das den Einkerbungen benachbarte Lager (3.1) eine Rollenführung aufweist.
Federungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Knickelement (1) durch eine Mehrzahl von Fasern (30) gebildet ist.
Federungsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (30) zumindest bereichsweise ein Elastomerlager (34) umgeben.
Federungsvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ring (33) als Endanschlag in axialer Richtung vorgesehen ist.
Federungsvorrichtung nach mindesten seinem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (30) ringförmig angeordnet sind und so gebildete der Faserring in axialer Richtung jeweils an einem oberen und unteren Rand (31, 32) eingespannt ist.