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Die Erfindung betrifft eine Federkonstruktion nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, enthaltend ein hohles zylindrisches Dämpfungselement (i) auf der Basis von zelligen Polyisocyanat-Polyadditionsprodukten, bevorzugt auf der Basis von zelligen Polyurethanelastomeren, die ggf. Polyharnstoffstrukturen enthalten können, besonders bevorzugt auf der Basis von zelligen Polyurethanelastomeren bevorzugt mit einer Zugfestigkeit nach DIN 53571 von ≥ 2, bevorzugt 2 bis 8 N/mm2, einer Dehnung nach DIN 53571 von ≥ 300, bevorzugt 300 bis 700 % und einer Weiterreißfestigkeit nach DIN 53515 von ≥ 8, bevorzugt 8 bis 25 N/mm, sowie einen hohlen, bevorzugt zylindrischen Befestigungstopf (v) mit einer Höhe (xii) zwischen 10 mm und 80 mm, bevorzugt zwischen 15 mm und 50 mm, besonders bevorzugt zwischen 20 mm und 40 mm, insbesondere zwischen 26 mm und 30 mm, der über eine mittige, durchgängige Bohrung (ii) verfügt, die sich in axialer Verlängerung zu dem Hohlraum des Dämpfungselementes (i) befindet, sowie über mindestens zwei, bevorzugt 2 bis 15, besonders bevorzugt 3 bis 10, insbesondere 6 bis 8 weitere Durchbrüche (iii) in axialer Richtung des Befestigungstopfes. Außerdem betrifft die Erfindung Automobile, bevorzugt Automobilfahrwerke enthaltend die erfindungsgemäße Federkonstruktion.
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Aus Polyurethanelastomeren hergestellte Federungselemente werden in Automobilen beispielsweise innerhalb des Fahrwerks verwendet und sind allgemein bekannt. Sie werden insbesondere in Kraftfahrzeugen als schwingungsdämpfende Federelemente eingesetzt. Dabei übernehmen die Federelemente eine Endanschlagfunktion, beeinflussen die Kraft-Weg-Kennung des Rades durch das Ausbilden oder Verstärken einer progressiven Charakteristik der Fahrzeugfederung. Die Nickeffekte des Fahrzeuges können reduziert werden und die Wankabstützung wird verstärkt. Insbesondere durch die geometrische Gestaltung wird die Anlaufsteifigkeit optimiert, dies hat maßgeblichen Einfluss auf den Federungskomfort des Fahrzeuges. Durch die gezielte Auslegung der Geometrie ergeben sich über der Lebensdauer nahezu konstante Bauteileigenschaften. Durch diese Funktion wird der Fahrkomfort erhöht und ein Höchstmaß an Fahrsicherheit gewährleistet.
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Aufgrund der sehr unterschiedlichen Charakteristika und Eigenschaften einzelner Automobilmodelle können die Federelemente individuell an die verschiedenen Automobilmodelle angepasst werden, um eine ideale Fahrwerksabstimmung zu erreichen. Beispielsweise können bei der Entwicklung der Federelemente das Gewicht des Fahrzeugs, das Fahrwerk des speziellen Modells, die vorgesehenen Stoßdämpfer sowie die gewünschte Federcharakteristik berücksichtigt werden. Hinzu kommt, dass für verschiedene Automobile aufgrund des zur Verfügung stehenden Bauraums individuelle, auf die Baukonstruktion abgestimmte Einzellösungen erfunden werden können.
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Aus
DE 202 04 328 U1 ist ein Federelement basierend auf einem hohlen zylindrischen Dämpfungselement auf der Basis von Polyisocyanat-Polyadditionsprodukten bekannt, mit einer Höhe von 83 mm bis 87 mm, einem Wulst mit einem Durchmesser von 117 mm bis 123 mm, in dem ein Einleger positioniert ist, einem Durchmesser unterhalb des Wulstes von 97 mm bis 103 mm sowie einer umlaufenden Einschnürung auf der äußeren Oberfläche vom Dämpfungselement in der ein Ring mit einer Höhe von 15 mm bis 20 mm und einem Durchmesser von 10 mm bis 15 mm positioniert ist.
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Aus
US 4 256 292 A ist ein Federbein bekannt, das einen Stoßfänger aus einem geeigneten Gummi oder Elastomer mit einem nach außen gerichteten Knie beinhaltet, das bei geringer axialer Kompression nachgibt, um eine niedrige Anfangsfederrate bereitzustellen, wenn die Federung zunächst den Stoßfänger berührt. Mit zunehmendem Federweg gibt das Knie in der Stoßfängerwand weiter nach, so dass die Innenform der Wände des Stoßfängers aktiv wird und die effektive Kontaktfläche progressiv vergrößert wird, um eine progressiv steigende Federrate und eine verbesserte Rüttelregelung zu gewährleisten.
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Aus den vorstehend genannten Gründen können die bekannten Lösungen für die Ausgestaltung einzelner Federelemente nicht generell auf neue Automobilmodelle übertragen werden. Bei jeder neuen Entwicklung eines Automobilmodells kann eine neue Form des Federelements entwickelt werden, das den spezifischen Anforderungen des Modells gerecht wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es somit, für ein spezielles, neues Automobilmodell eine geeignete Zusatzfeder mit den oben genannten Funktionen zu entwickeln, die den spezifischen Anforderungen gerade dieses Modells gerecht wird und einen möglichst guten Fahrkomfort und eine ausgezeichnete Fahrsicherheit gewährleistet. insbesondere sollte eine Federkonstruktion entwickelt werden, die hinsichtlich der Kraft-Weg-Kennlinie eine Zusammendrückung bei maximaler Krafteinwirkung, d.h Stauchung in axialer Richtung, von bevorzugt 30 %-75 %, besonders bevorzugt von 55 %-70 %, insbesondere von 60 %-65 % bezogen auf die Gesamtlänge der Federkonstruktion, - bei gleichzeitig sehr weichem Anlauf, d.h. anfänglich geringem Federwiderstand aufweist. Außerdem sollte im Alltagsbetrieb eine Geräuschentwicklung zwischen Metallfederteller und Zusatzfeder möglichst vermieden werden.
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Die Aufgabe wird durch eine Federkonstruktion nach Anspruch 1 gelöst.
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Diese Anforderungen werden bei den eingangs dargestellten Federkonstruktionen dadurch erfüllt, dass das Dämpfungselement (i) in Kontakt mit dem Befestigungstopf (v) hergestellt wird und die Durchbrüche (iii) ausfüllt. Die mittige Bohrung (ii) kann zwischen verwendeter Kolbenstange (xx) und dem Befestigungstopf (v) ausgefüllt oder nicht ausgefüllt werden.
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Beispielhafte, bevorzugte erfindungsgemäße Federkonstruktionen bzw. die Federelemente und Befestigungstöpfe sind im Detail in den 1 bis 4 dargestellt. Die 1 zeigt die Federkonstruktion enthaltend das Federelement (i) und den Befestigungstopf (v). Die 2 stellt ein besonders bevorzugten Befestigungstopf dar. Die 3 offenbart die Federkonstruktion im Querschnitt, die 4 stellt die Federkonstruktion zusammen mit Kolbenstange (xx), Dämpferkappe (xxi) und Federteller (xxii) dar. In allen Figuren sind die angegebenen Maße in [mm] angegeben.
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Gerade die räumliche Ausgestaltung der Federkonstruktionen, d.h. ihre dreidimensionale Form und die Kombination der Materialien, hat neben ihrem Material eine entscheidenden Einfluss auf ihre Funktion. Über die Form der Federelemente werden die oben genannten Funktionen gezielt gesteuert. Diese dreidimensionale Form des Federelements muss somit individuell für jedes Automobilmodell entwickelt werden. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, dass der bevorzugt mikrozellige Schaumstoff des Dämpfungselementes (i), d.h. des elastischen Federelementes in Kontakt mit dem Befestigungstopf hergestellt wird, bevorzugt durch Reaktion der reaktiven Ausgangstoffe zur Herstellung des Schaumstoffes, und bevorzugt nach vollständiger Reaktion an dem Befestigungstopf haftet. Die einzelnen Durchbrüche (iii) werden durch Stege des Befestigungstopfes getrennt, die den äußeren Mantel des Befestigungstopfes (v) mit der Wand verbinden, die den inneren Hohlraum der Bohrung (ii) begrenzt.
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Bevorzugt weisen diese Stege (vi) des Befestigungstopfes (v), die die Durchbrüche (iii) untereinander sowie bevorzugt auch die mittige Bohrung (ii) von den Durchbrüchen (iii) trennen, eine Höhe, d.h. Länge in axialer Richtung, zwischen 5 mm und 70 mm, besonders bevorzugt zwischen 15 mm und 30 mm, insbesondere zwischen 18 mm und 22 mm auf. Die axiale Richtung ist die Richtung, in der die mittige Bohrung (ii) des Befestigungstopfes (v) sowie der Hohlraum des Dämpfungselementes (i) ausgerichtet sind. Die Stege (vi) weisen bevorzugt eine Dicke zwischen 1,5 mm und 6 mm, besonders bevorzugt zwischen 2 mm und 4 mm, insbesondere zwischen 3 mm und 3,8 mm auf.
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Die Durchbrüche (iii), die in axialer Richtung bevorzugt den gesamten Befestigungstopf (v) durchziehen, d.h. durchbrechen, werden genutzt, den Befestigungstopf (v) bevorzugt intensiv mit dem Schaumstoffe des Dämpfungselementes (i) zu fixieren, bevorzugt in axialer Richtung sowohl unterhalb als auch oberhalb des Befestigungstopf zu umschäumen. Bevorzugt sind somit Federkonstruktionen, bei denen das Dämpfungselement (i) sowohl unterhalb als auch oberhalb des Befestigungstopfes (v) vorliegt, d.h. den Befestigungstopf an beiden axialen Enden des Befestigungstopfes umschließt.
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Dadurch wird sowohl eine definierte Blockmaßerhöhung erreicht, ohne dass Hilfselemente wie Stützringe verwendet werden müssen, die die Anlaufsteifigkeit erhöhen würden, als auch ein formschlüssiger Verbund zwischen dem geschäumten Dämpfungselement (i) und dem Befestigungstopf (v) erzeugt. Außerdem wird durch die Schicht des Dämpfungselementes (i) oberhalb des Befestigungstopfes (v) verhindert, dass Geräusche zwischen Befestigungstopf (v) und Federteller (xxii), der üblicherweise aus Metall gefertigt wird, entstehen. Durch die erfindungsgemäße Erhöhung des Blockmaßes kann die Raumdichte des Schaumstoffes des Dämpfungselementes (i) vergleichsweise gering gewählt werden, wodurch zusätzlich die Anlaufsteifigkeit reduziert wird.
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Das Dämpfungselement (i) weist bevorzugt eine Höhe, d.h. Länge in axialer Richtung, zwischen 50 mm und 180 mm, besonders bevorzugt zwischen 70 mm und 120 mm, insbesondere zwischen 80 mm und 100 mm auf. Die Dichte des Dämpfungselementes (i) beträgt bevorzugt zwischen 150 kg/m3 und 800 kg/m3, besonders bevorzugt zwischen 350 kg/m3 und 600 kg/m3, insbesondere zwischen 400 kg/m3 und 450 kg/m3. Bevorzugt befindet sich die erfindungsgemäße Federkonstruktion enthaltend (i) und (v) in einem Automobilfahrwerk, das zusätzlich eine Kolbenstange (xx), z.B. eines Stoßdämpfers, eine Dämpferkappe (xxi) sowie einen Federteller (xxii), auf dem bevorzugt eine Metallspiralfeder positioniert werden kann, enthält. Eine solche Federkonstruktion ist in der 4 dargestellt. Bevorzugt sind erfindungsgemäße Federkonstruktionen, bei denen in den mittigen Bohrungen des Dämpfungselementes (i) und des Befestigungstopfes (v) eine Kolbenstange (xx) positioniert wird, bei denen das dem Befestigungstopf abgewandte Ende des Dämpfungselementes (i) an eine Dämpferkappe (xxi) eines Stoßdämpfers stößt, bei denen an das dem Befestigungstopf zugewandte Ende der Kolbenstange ein Federteller (xxii) befestigt ist, auf dem eine Metallspiralfeder positioniert werden kann, und bei denen zwischen Befestigungstopf (v) und Federteller (xxii) zwischen 1 mm und 50 mm, besonders bevorzugt zwischen 3 mm und 20 mm, insbesondere zwischen 4 mm und 6 mm des Dämpfungselementes (i) vorliegen.
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Die Fixierung der Federkonstruktion kann üblicherweise durch untermassigem Durchmesser des Schaums in der innenbohrung zur Kolbenstange (xx) erfolgen. Die Untermassigkeit kann im Verhältnis zum Kolbenstangendurchmesser zwischen 0,5 und 10mm, besonders bevorzugt zwischen 1mm und 4mm, insbesondere zwischen 1,5mm und 2,5mm betragen.
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Weiterhin ist eine Fixierung der Federkonstruktion auf dem Stoßdämpfer über eine Übermassigkeit des Dämpfungselementes zwischen Befestigungstopf (v) und Federteller (xxii), wenn ein Federtellertopf eingesetzt wird. Die Übermassigkeit kann im Verhältnis zum Innendurchmesser des Federtellertopfes zwischen 0,5 und 10mm, besonders bevorzugt zwischen 1mm und 4mm, insbesondere zwischen 1,5 mm und 2,5 mm betragen.
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Gerade diese dreidimensionale Form erwies sich als besonders geeignet, den spezifischen Anforderungen durch das spezielle Automobilmodell gerecht zu werden, insbesondere auch im Hinblick auf die spezifischen räumlichen Anforderungen und die geforderte Federcharakteristik.
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Zum Befestigungstopf, der bevorzugt aus festen Materialien gefertigt sein kann, beispielsweise Metallen oder harten Kunststoffen, z.B. thermoplatischem Polyurethan, Polyamid, Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol oder bevorzugt Polyoxymethylen sind folgende bevorzugte Merkmale anzufügen: Der Befestigungstopf (v) ist hohl ausgestaltet. Dabei befindet sich der Hohlraum des Befestigungselementes (v) bevorzugt in direkter Verlängerung des Hohlraums des Dämpfungselementes (i). Der Hohlraum von (v) weist bevorzugt einen Durchmesser auf der in etwa dem Durchmesser des Hohlraums des Dämpfungselementes (i) entspricht. Bevorzugt umschließt der Befestigungstopf (v) unterhalb der Durchbrüche (iii) einen Teil des Dämpfungselementes (i), beispielsweise durch eine umlaufende Kante.
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Bevorzugt weist das Dämpfungselement
(i) mindestens eine umlaufende Einschnürung
(x) auf der äußeren Oberfläche auf. Bevorzugt besitzt das Dämpfungselement
(i) an dem dem Befestigungstopf
(v) abgewandten Ende eine umlaufende Lippe
(xi), die besonders bevorzugt auf die Dämpferkappe stößt. Die erfindungsgemäßen Körper
(i) basieren bevorzugt auf Elastomeren auf der Basis von Polyisocyanat-Polyadditionsprodukten, beispielsweise Polyurethanen und/oder Polyharnstoffen, beispielsweise Polyurethanelastomeren, die gegebenenfalls Harnstoffstrukturen enthalten können. Bevorzugt handelt es sich bei den Elastomeren um mikrozellige Elastomere auf der Basis von Polyisocyanat-Polyadditionsprodukten, bevorzugt mit Zellen mit einem Durchmesser von 0,01 mm bis 0,5 mm, besonders bevorzugt 0,01 bis 0,15 mm. Besonders bevorzugt besitzen die Elastomere die eingangs dargestellten physikalischen Eigenschaften. Elastomere auf der Basis von Polyisocyanat-Polyadditionsprodukten und ihre Herstellung sind allgemein bekannt und vielfältig beschreiben, beispielsweise in
EP 0 062 835 A1 ,
EP 0 036 994 A2 ,
EP 0 250 969 A1 ,
DE 195 48 770 A1 und
DE 195 48 771 A1 .
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Die Herstellung erfolgt üblicherweise durch Umsetzung von Isocyanaten mit gegenüber Isocyanaten reaktiven Verbindungen.
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Die Elastomere auf der Basis von zelligen Polyisocyanat-Polyadditionsprodukte werden üblicherweise in einer Form hergestellt, in der man die reaktiven Ausgangskomponenten miteinander umsetzt. Als Formen kommen hierbei allgemein übliche Formen in Frage, beispielsweise Metallformen, die aufgrund ihrer Form die erfindungsgemäße dreidimensionale Form des Federelements gewährleisten. Die Herstellung der Polyisocyanat-Polyadditionsprodukte kann nach allgemein bekannten Verfahren erfolgen, beispielsweise indem man in einem ein- oder zweistufigen Prozess die folgenden Ausgangsstoffe einsetzt:
- (a) Isocyanat,
- (b) gegenüber Isocyanaten reaktiven Verbindungen,
- (c) Wasser und gegebenenfalls
- (d) Katalysatoren,
- (e) Treibmittel und/oder
- (f) Hilfs- und/oder Zusatzstoffe, beispielsweise Polysiloxane und/oder Fettsäuresulfonate.
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Die Oberflächentemperatur der Forminnenwand beträgt üblicherweise 40 bis 95°C, bevorzugt 50 bis 90°C.
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Die Herstellung der Formteile wird vorteilhafterweise bei einem NCO/OH-Verhältnis von 0,85 bis 1,20 durchgeführt, wobei die erwärmten Ausgangskomponenten gemischt und in einer der gewünschten Formteildichte entsprechenden Menge in ein beheiztes, bevorzugt dichtschließendes Formwerkzeug gebracht werden. Die Formteile sind nach 5 bis 60 Minuten ausgehärtet und damit entformbar. Die Menge des in das Formwerkzeug eingebrachten Reaktionsgemisches wird üblicherweise so bemessen, dass die erhaltenen Formkörper die bereits dargestellte Dichte aufweisen. Die Ausgangskomponenten werden üblicherweise mit einer Temperatur von 15 bis 120°C, vorzugsweise von 30 bis 110°C, in das Formwerkzeug eingebracht. Die Verdichtungsgrade zur Herstellung der Formkörper liegen zwischen 1,1 und 8, vorzugsweise zwischen 2 und 6.