DE2126020A1 - Federelastische Tragvorrichtung, insbesondere für Fahrzeugaufhängungen - Google Patents

Description

DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖNWALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER

DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLOPSCH

DIPL.-ING. SELTING KÖLN T, DEICHMANNHAUS

25. Mai 1971 Sch-DB/1s

John Russell Crompton Moore
Little Melton, Norwich (England)

Federelastische Tragvorrichtung, insbesondere für Fahrζ eugaufhängungen

Die Erfindung betrifft federnde Tragvorrichtungen, insbesondere für Fahrzeugaufhängungen.

Bei Pahrzeugaufhängungen ist es bekannt, das Chassis mittels einer Schraubenfederung gegen die von Unebenheiten der Fahrbahn hervorgerufenen Stöße abzufedern. Diese als Druckfeder ausgelegte Feder benutzt ihre axiale Rückstellkraft zur Abfederung des Fahrzeuge chassis gegen plötzliche senkrechte Bewegungen der zugehörigen Räder. Die beiden Enden der Feder sind obwohl in axialer Richtung relativ beweglich, damit das axiale Federungsvermögen ausgenutzt wird - in Drehrichtung relativ zueinander festgelegt, so daß die

der Feder ntcht genutzt wird.

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Es ist bei Fahrzeugaufhängungen außerdem bekannt, hydraulische Schwingungsdämpfer oder sogenannte Stoßfänger vorzusehen, die der Aufhängung schwingungsdämpfende Eigenschaften verleihen.

Zur Erzielung eines gleichmäßigen Fahrverhaltens kann es zweckmäßig sein, einen hydraulischen Schwingungsdämpfer vorzusehen, bei dessen Differentialdämpfungswirkung einer stoßartigen Verstellung ein geringerer Dämpfungswiderstand entgegengesetzt wird als einer Rückstellung.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Aufhänge^ oder Tragvorrichtung zu schaffen, die ohne hydraulischen Schwingungsdämpfer eine Differentialdämpfung hervorruft.

Gemäß, der Erfindung ist eine federnde Tragvorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß eine Schraubenfeder axial so zusammengedrückt ist, daß ihre Windungen reibungsschlüssig aneinanderliegen, und daß die Enden der Feder mit je einem von zwei Elementen in Verbindung stehen, die Relativdrehungen ausführen können, um die Feder mit einer Torsion zu beaufschlagen, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß der Relativdrehimg eine relative Gleitbewegung der reibungsschlüssig verbundenen Windungen entgegenwirkt.

Wird eine enggewickelte Schraubenfeder mit einer Torsionsbelastung, d,h. um ihre Achse von einem Ende zu anderen, in der Richtung belastet, in der sie aufgewickelt wurde, bis ihre Enden um 36O⁰ zu ihrer unbelasteten Stellung versetzt sind, hat die Feder eine Windung gewonnen und wird daher entsprechend verlängert. Wenn sie in entgegengesetzter oder Abwickelrichtung eine Belastung gleicher Größe erfährt, wird sie um eine

Windung kürzer. Bei derart belasteten Federn rufen daher Belastungsveränderungen Längenveränderungen hervor.

Benötigt eine Schraubenfeder in unbelastetem Zustand und ohne äußere Druckeinwirkung eine Axial- oder Zugkraft, damit sich zwischen den Windungen ein offener Spalt befindet, ist es klar, daß die Torsionsverstellung zwischen benachbarten Windungen Reibung erzeugt. Eine solche Feder wird nachstehend als "vorgespannte" Feder bezeichnet. Wenn anstatt oder zusätzlich zu der Vorspannung innerhalb der Feder eim äußere Druckkraft zur Anwendung kommt, kann bei einer normalerweise offenen Feder die Reibung zwischen benachbarten Windungen durch Torsionsbeanspruchung hervorgerufen oder bei einer vorgespannten Feder gesteigert werden. Die äußere Druckkraft kann von zusätzlichen Mitteln ausgehen, die innerhalb oder außerhalb der Feder oder sowohl innerhalb als auch außerhalb der Feder angeordnet sein können.

Zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades erfordern viele Schwingungsdämpfer und insbesondere Aufhängungsdämpfer für Fahrzeuge die Wirkung der vorstehend erwähnten Differentialdämpfung. Im allgemeinen sollte bei Aufhängesystemen der stoßartigen Verstellungen entgegenwirkende Dämpfungswiderstand kleiner, und zwar sehr viel kleiner als derjenige gegen Rückstellungen sein. Bei Kraftwagendämpfern beträgt das Verhältnis dieser Dämpfungswiderstände im wesentlichen 1:4.

Bei einer torsionsbelasteten Schraubenfeder ist unter Vernachlässigung der zur Überwindung der Elastizität für eine gegebene Verstellung erforderlichen Druckkraft die bei Erreichen dieser Verstellung zu überwindende Restkraft gleich Null, wenn die Windungen sich nicht reibungsschlüssig berühren. Wenn jedoch

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aufgrund der Vorspannung und/oder zusätzlicher Druckmittel die Windungen miteinander oder mit zur Erzielung eines Dämpfungswiderstandes zwischen ihnen vorgesehenen Einlagen reibungsschlüssigen Kontakt haben, ist die erforderliche Verstellkraft abhängig und eine Funktion des Druckes zwischen den Windungen und des Reibungskoeffizienten. In einem solchen Falle hängt die zur Erzielung einer gegebenen Verstellung lediglich die Reibung zwischen den Windungen überwinden müssende Kraft von der Richtung der Verstellung ab. Wenn die Verstellung die Feder aufwickeln,oder kürzen will, wirkt die Verstellung mit den Druckkräften, Demgegenüber wirkt sie gegen die Druckkräfte, wenn die Verstellung die Feder abwickeln oder verlängern will. Daher tritt bei Schraubenfedern, deren Windungen unter dem Einfluß axialer Druckkräfte stehen, ein Differentialwiderstand gegen Torsionsverstellungen auf.

Dieses Differential ist in weiten Grenzen veränderbar. Aus dünnem Material mit rechteckigem Querschnitt hochkantgewickelte Federn mit beträchtlichem Radius und einer verhältnismäßig großen Windungszahl haben eine geringfügige Steigung und reagieren auf eine Verstellung mit nur kleinen Längenveränderungen. Bei breitem mit großer Steigung gewickeltem Material und schmalem Durchmesser werden große Längenveränderungen erzielt. Diese Änderxmgen lassen sich noch durch Verwendung von Federn vergrößern, die ähnlich den mehrgängigen Schraubengewinden oder Schneckengetrieben ineinandergesetzt sind. Auf diese Weise ergibt sich eine außerordentlich breite Gestaltungswahl bei der Bestimmung der Parameter, die das erforderliche Differential hervorrufen.

Die Dämpfungsreibung kann auch im Hinblick auf die Größe der gegebenenfalls in der Feder vorhandenen Vor-

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spannung verändert werden. Die Zusammendrückkraft kann durch Druckmittel, z.B. eine außerhalb der Schraubenfeder wirksame Kompressionsfeder, eine innere Zugfeder oder andere Druckquellen hervorgerufen oder vergrößert werden. Die Druckmittel können zur Veränderung der von ihnen ausgehenden Druckkraft einstellbar oder fest sein. Zwischengeschaltete Organe, die aus Gründen der Fahrkontrolle mit den Aufhängungen anderer Fahrzeugräder verbunden sind, können ebenfalls Druckkräfte erzeugen.

Zur Erzielung besonderer Dämpfungscharakteristiken wird die Feder zweckmäßig über geneigte Flächen, z.B. schrägverlaufende Kei!verzahnungen, belastet. Die Feder kann auf einem Fahrzeug so angeordnet sein, daß die durch Stoßverstellungen hervorgerufene Toiäonskraft die Feder aufzuwickeln und zu verkürzen trachtet. Die geneigten Flächen verlaufen zweckmäßig so, daß sie der leichten Längenverringerung der Feder durch Schraubenwirkung zwischen den geneigten Flächen sofort folgen, wobei ihr Neigungswinkel mehr oder weniger mit-wirkt. Die Feder erfährt daher nur eine durchschnittliche Verstellung und Längenveränderung, indem sie den der Längenveränderung der 'Feder bei ihrer Rückstellung von den Keilnuten entgegengesetzten WinleLwiderstand überwindet. Dieser Widerstand erhöht die Druckkraft und den Dämpfungswiderstand der Reibungsflächen der ganzen Feder. Die Einstellung durch diese Mittel ist in weiten Grenzen wählbar, weil jeder von vielen Winkeln für die geneigten Flächen in Frage kommt. Vorzugsweise liegt der Neigungswinkel der Flächen zur Achse der Feder zwischen 30 und 4o°.

Die Reibungsflächen zwischen den Windungen stellen ebenfalls Mittel zur Beeinflussung der Federcharakte-

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ristiken dar. Die Federflächen können in beliebiger herkömmlicher Weise zur Erzielung von Reibungsflächen bearbeitet werden. Die Feder kann mit einer Zwischenlage aus synthetischem Material versehen sein, die zwischen die windungen eingelegt ist, um besondere Reibungseigenschaften, Selbstschmierung, Schutz gegen Korrosionseinflüsse und dgl. hervorzurufen. Diese Materialien können an nur einer Seite der Federfläche befestigt sein oder sie können frei bleiben, so daß sie zwar gleiten,jedoch durch mechanische Mittel auf den Federwindungen gehalten sind.

Alle Möglichkeiten der Einstellung und Beeinflussung zur Anpassung der Vorrichtung an individuelle Erfordernisse können einzeln oder in beliebigerKombination eingesetzt werden.

Ein ernster und bekannter Einwand gegen Reibungsdämpfung, der vor einigen Jahren einen Haupteinfluß auf die weit verbreitete Abwandlung hydraulischer Anordnungen ausübte, bestand in der hohen statischen Durchschlagsfestigkeit von Reibungsdämpfungsanordnungen. Die bisher erhältlichen Reibungsmaterialien hatten sehr erhebliche statisch-dynamische Widerstandsverhältnisse, mit dem Ergebnis, daß Fahrbahnstöße mit kleiner Amplitude häufig keine Verstellung in der Aufhängung hervorriefen, während starke Stöße erheblich untergedämpft waren. Hieraus konnten sich auf sehr unebenen Fahrbahnen Fahrunsicherheiten und auf glatteren Fahrbahnen Unbequemlichkeiten ergeben.

Auf Drehung beanspruchte Schraubenfedern zeigen diese Eigenschaften nicht. Ein Reibungsausfall zwischen den Flächen benachbarter Windungen beginnt auf einem sehr kleinen Bereich. Dies ergibt sich, wenn die \irstell-

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kräfte Werte erreichen, die etwa denjenigen entsprechen, die einen dynamischen Bruch unterstützen würden und der Ausfall kann von diesem Bereich auf so viele Windungen übergehen, wie bei der gegebenen Verstellung wirksam sind. Herkömmliche Reibungsdämpfer benötigen andererseits gleichzeitig einen Ausfall über die gesamte Reibungsfläche bevor die Verstellung beginnen kann, Dennoch können die vorgeschlagenen kombinierten Feder- und Dämpfereinheiten wie beschrieben mit Zwischenlagen versehen werden und es ist nunmehr möglich, mit mehreren solchen Materialien, Zusammensetzungen und Flächenbehandlungen einheitliche dynamisch/statische Widerstandsverhältnisse zu erzielen.

Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer federnden Tragvorrichtung,

Fig. 2 eine schaubildliche Ansicht eines geschnittenen Teiles einer ersten Ausführungsform einer Zwischenlage für eine federnde Tragvorrichtung,

Fig. 3 eine schaubildliche Ansicht eines geschnittenen Teiles einer zweiten Ausführungsform einer Zwischenlage für eine federnde Tragvorrichtung und

Fig. 4 eine schaubildliche Ansicht eines geschnittenen Teiles einer dritten Ausführungsform einer Zwischenlage für eine federnde Tragvorrichtung.

Gemäß Fig. 1 ist eine rechteckige Schraubenfeder 11 mit einem Ende 1 in eine Endplatte 2 eingesetzt, die mittels eines Klemmringes 4 an einem Teil j5 eines Fahr-

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zeugchassis befestigt ist. Die Endplatte 2 ist mit einer Lagerbüchse 5 versehen, die eine Welle 6 trägt, auf deren sich verjüngenden Teil 7 ein mittels einer Mutter 9 gesicherter Tragarm 8 aufgekeilt ist. Das andere Snde der Welle 6 weist eine gewundene Keilverzahnung 10 auf, die mit Keilnuten 20 in einer am anderen Ende 13 der Feder 11 befestigten Endplatte 12 zusammenwirkt . Reibungsflächen 14 können eingearbeitet oder zwischengefügt sein.

In einer zylindrischen Hülse 19 befindet sich eine Feder 16, die gegen die Endplatte 12 drückt, um die auf die Feder 11 wirkende axiale Druckkraft zu erhöhen. Zur Veränderung der Kompression der Feder 16 dient ein Bolzen 18, mittels dessen eine Platte 17 in der Hülse 19 vor- und zurückbewegt werden kann.

In Richtung des vorderen Endes der Vorrichtung gesehen drehen auf den Arm 8 im Gegenuhrzeigersinn einwirkende Schubbelastungen die Keilverbindung 10 um einen Winkel in einer die Feder 11 verkürzenden Richtung. Die Keilverbindung 10 vergrößert dabei ihren Zusammengriff mit der Endplatte 12, wodurch sie Spiel oder Verschleiß in den Reibüngsflachen 14 automatisch aufnimmt. Der durch die Reibungsflächen 14 hervorgerufenen Druckkraft wirkt eine Druckscheibe 15 entgegen. Bei der Rückstellung der Feder 11 im Uhrzeigersinn wird ihre axiale Verlängerung durch zusätzliche Reibungskräfte behindert, die an den Reibungsflächen 14 als Ergebnis des von der Keilverbindung 10 der Welle 6 auf die End-' platte 12 einwirkenden axialen Widerstandes auftreten. Auf diese V/eise wird der Dämpfungswiderstand der Anordnung erhöht.

Fig. 2 zeigt einen Teil der Zwischenlage, die mit einer

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Seite der Zwischenfläche der Feder verbindbar ist. In Fig. 3 ist eine Zwischenlage erkennbar, deren kurze Flansche sie dort mechanisch festhalten, wo auf beiden Seiten Reibungsflächen erwünscht sind. Bei Federn mit kreisförmigem Querschnitt sind Zwischenlagen gemäß Fig. 4 einsetzbar.

Wird die Vorrichtung in Kraftfahrzeuge oder in andere Maschinen eingebaut, in denen sie Belichtungen und abträglichen Arbeitsbedingungen ausgesetzt ist, so läßt sich ein guter Schutz dadurch erzielen, daß die Feder 11 und die Kei!verzahnungen 10, 20 in einer flexiblen Hülse untergebracht werden. Eine solche Hülse kann zum Beispiel aus synthetischem Gummi oder Kunststoff bestehen und durch Eigenelastizität oder ein Klemmorgan auf dem Durchmesser der Endplatte 2 (Fig. l) befestigt werden. Eine am äußeren Ende geschlossene Hülse kann mit Schmiermittel gefüllt werden, damit konstante Arbeitsbedingungen für die Kei!verzahnungen und die Windungsflächen aufrechterhalten bleiben. Auch andere einfache Umhüllungen sind möglich.

Ein wirtschaftlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht bei Fahrzeugen In dem Wegfall einer Komponente pro Rad und in verringerten Montageanforderungen. Die Anordnung kann die Trägheitskraft herabsetzen und kann einem einfachen robusten Bauteil, das gegen die mit einigen hydraulischen Schwingungsdämpfern verbundenen Viskositätsabweichungen und thermische Probleme unanfällig ist, über langet Zeit beständige Charakteristiken verleihen. Die dargestellte Anordnung verträgt sich mit konventionellen Herstellungsverfahren; sie läßt sich einfach und zweckentsprechend anfertigen.

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Es gibt viele Anwendungsmogliehkeiten für Schwingungsdämpfer. Die Betonung der Verwendung für Kraftfahrzeuge dient lediglich dazu, anhand eines allgemein bekannten Beispieles Aufbau und Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung leichter verständlich zu machen. Dämpfungsvorrichtungen sind außerdem auf Gebieten einsetzbar, die außerhalb der Schwingungsbeeinflussung selbst liegen. Obwohl es auf vielen Bereichen üblich und wirtschaftlich ist, einen Schwingungstilger (restraint damper) und einen Schwingungsdämpfer in einer Baueinheit zu kombinieren, um ein Bauteil zu schaffen, das zwei Funktionen erfüllt und damit die erforderlichen Montagemaßnahmen herabsetzt, kann die Vorrichtung so ausgebildet sein, daß ihre Pederungskraft klein, jedoch ihr Dämpfungswiderstand groß ist, damit die Anforderungen nach gänzlicher oder vorwiegender Dämpfung und Stoßdämpfung erfüllt sind.

Wenn beispielsweise die Winkellage der Kei!verzahnungen 10 relativ zur Welle 6 genügend groß ist, ist es möglich, eine Verdrehung des Armes 8 im Gegenuhrzeigersinn vorzunehmen, bei der die Rückstellung der Feder 11 nicht ausreicht, um die Reibungskräfte an den Flächen 14 zu überwinden und den Arm 8 zurückzuführen. Daher wird der Arm 8 in der Ausschlagstellung gehalten.

Derartige Auslenkungen des Armes 8 im Gegenuhrzeigersinn stellen sich nicht selbst zurück. Sie können jedoch ganz oder um jeden beliebigen Winkel rückgängig gemacht werden, indem der Arm 8 im Uhrzeigersinn gedreht wird.

Anordnungen mit diesen selbsthemmenden Eigenschaften sind für manche Werkzeugbewegungen und -mechanismen , z.B. Spannvorrichtungen, bedeutungsvoll.

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Claims (16)

1. Ansprüche

   l/\ Federelastische Tragvorrichtung mit einer Schraubenfeder, deren Enden mit je einem von zwei Verbindungselementen in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder (ll) axial zusammengedrückt ist, so daß ihre Windungen reibungsschlüssig aneinanderliegen, und daß die Verbindungselemente (2, 6) relativ zueinander drehbar sind, um die Feder mit einer Torsionsverstellung zu beaufschlagen, der die Reibung der relativen Gleitbewegung der reibungsschlüssig aneinanderliegenden Windungen entgegenwirkt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Verbindungselement (6) mit einem Ende (13) der Feder (11) über Flächen (10, 20) verbunden ist, die zu der Achse relativer Drehung schräg verlaufen.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen (10, 20) so ausgebildet sind, daß Relativdrehungen zwischen dem einen Verbindungsteil (6) und dem anderen Federende (13) möglich sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen (10, 20) derart schräg verlaufen, daß - bei einer Relativdrehung zwischen den Verbindungsteilen (2,- 6) in einer Richtung zur Aufwicklung der Schraubenfeder (11) die Torsionsspannung in der Feder (11) das eine Ende (13) veranlaßt, sich relativ zu dem einen Verbindungsteil (6) In einer Richtung zu drehen, in der die

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   Schrägflächen (10, 20) zur axialen Verkürzung der Feder (11) zusammenwirken.
5. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Schrägflächen (10, 20) durch Kei!verzahnungen (10) auf dem einen Verbindungsteil (6) und mit diesen zusammenwirkenden dem einen Ende (13) der Schraubenfeder (11) zugeordneten Keilverzahnungen (20) gebildet sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet , daß die zusammenwirkenden Keilverzahnungen (20)-von einem Endteil (12) dargestellt sind, der an das Ende (13) der Feder angesetzt ist.
7. 7- Vorrichtung nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder (11) so ausgebildet ist, daß wenigstens ein Teil der axialen Zusammendrückung durch die Elastizität der Feder (11) in axialer Richtung hervorgerufen wird.
8. 8. Vorrichtung nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennz ei chnet , daß , eine zusätzliche Feder (16) vorgesehen ist, die die Schraubenfeder (11) zusammendrückt, um wenigstens einen Teil der axialen Druckkraft hervorzurufen.
9. 9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Feder (16) eine außerhalb der Schraubenfeder (11) angeordnete Druckfeder ist.

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10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß die zusätzliche Feder (16) Verstellmittel (18) aufweist.
11. 11. Vorrichtung nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die in gegenseitigem Zusammengriff stehenden benachbarten Windungen der Schraubenfeder (11) so bearbeitet sind, daß sie der Anordnung eine Dämpfungscharakteristik verleihen.
12. 12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den benachbarten Windungen der Schraubenfeder (11) eine Einlage vorgesehen ist, die der Anordnung (Fig. 2 bis 4) eine Dämpfungscharakteristik verleiht.
13. 13· Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage an einer der benachbarten Windungen befestigt ist (Fig. 2).
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage durch ihre Oberflächengestaltung gehalten wird, die so ausgebildet ist, daß sie mit Flächen der benachbarten Windungen der Schraubenfeder (11) zusammenwirkt (Fig. 3 und 4).
15. 15. Vorrichtung nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Verbindungselement (6) eine Welle ist.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15* dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (6) sich

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    durch die Schraubenfeder (11) und durch das andere Verbindungselement (2) hindurch erstreckt.

    17· Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 16., dadurch gekennzeichnet , daß die Schrägflächen (10, 20) zur Achse der Relativdrehung der Verbindungselemente (2, 6) unter einem Winkel im Bereich von ~$0 bis 40° schräggestellt sind.

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