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ZFührungslager; insbesondere für Mc Pherson Federbeine von Kraftfahrzeugen"
Die Erfindung bezieht sich auf ein Führungslager, insbesondere für Mc Pherson Federbeine
von Kraftfahrzeugen, das im Zylinderdeckel eines zylindrischen Gehäuses angeordnet
ist und als Querkräfte aufnehmendes Lager einer längsbeweglichen, durch den Zylinderdeckel
nach außen tretenden Kolbenstange dient.
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Bei einem Mc Pherson Federbein sitzt am inneren Ende der Kolbenstange
ein in dem zylindrischen Gehäuse geführter Kolben, und ein Boden des Gehäuses ist
mit einem Achsschenkel und einem Gelenkkopf fest verbunden. Bei Einbau des Mc Pherson-Federbeins
in ein Fahrzeug wird das freie Ende der Kolbenstange gelenkig mit dem Fahrzeugaufbau
verbunden, auf dem Achsschenkel wird ein Fahrzeugrad gelagert und der Gelenkkopf
über Längslenker und Querlenker am Fahrzeugbau derart abgestützt, daß der Achsschenkel
im wesentlichen von drei linearen Freiheitsgraden nur einen für nahezu vertikale
Bewegungen hat.
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Am Fahrzeugrad im Berührungsbereich mit der Fahrbahn auftretende Seitenführungskräfte,
Bremskräfte und Vortriebskräfte rufen am freien Ende der Kolbenstange erhebliche
Seitenkräfte hervor, aus denen am Kolben und am Führungslager der Kolbenstange entsprechende
Querkräfte resultieren. Die Querkräfte auf das Führungslager erzeugen an der Kolbenstange
axiale Störkräfte in Form von Reibung und Losbrechkräften, die, gute Werkstoffpaarung,
gute Schmierung und glatte Oberfläche vorausgesetzt, nur bei Klemmfreiheit des Führungslagers
in erträglichen Grenzen gehalten werden können. Ein klemmendes Lager erhöht in unerwünschter
Weise die Störkräfte, bewirkt Verschleiß, ein Rauhwerden der Oberfläche und führt
zu weiterer Erhöhung der Störkräfte.
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Aus der französischen Patentschrift 1 189 165 ist ein Mc Pherson-Federbein
bekannt, bei dem das Führungslager starr im Zylinderdeckel festgelegt ist. Bei dieser
bekannten Anordnung ist schwer
erreichbar, daß Kolbenstange und
Führungslager miteinander fluchten. Unvermeidliche Bearbeitungs- und Einbauungenauigkeiten,
sowie Verformung der auf Durchbiegen beanspruchten Kolbenstange ergeben Fluchtfehler,
wodurch in nachteiliger Weise ein Klemmen des Führungslagers und eine Erhöhung der
beschriebenen Störkräfte hervorgerufen werden können. Um die Gefahr des Klemmens
zu verringern wird das Führungslager meistens mit geringer Breite und großem Lagerspiel
ausgeführt, unter bewußtem Inkaufnehmen des Nachteils, daß die geringe Lagerbreite
infolge hoher Flächenpressung zu vermehrtem Verschleiß und vermehrter Reibung führt.
Bei das Zweirohrdämpferprinzip benutzenden hydraulischen Federbeinen besteht außerdem
der Nachteil einer durch die geringe Breite und das große Lagerspiel bedingten großen
Durchlässigkeit des Führungslagers wodurch in der Zugstufe tekanntermaßen der Verlauf
der Dämpfungskräfte in unerwünschtem Maße beeinflußt wird.
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Bei an sich gewollter großer Lagerbreite und geringem Lagerspiel kann
eine Klemmfreiheit des Führungslagers nur erwartet werden, wenn das Führungslager
winkelbeweglich ist, und z.B. wie die US-Patentschrift 2 660 449 zeigt, als sphärisches
Lager in Form einer winkelbeweglichen Kugel ausgebildet ist. Diese Ausbildung hat
sich jedoch nicht durchgesetzt, da die Kugel, insbesondere aus Geräuschgründen,
verhältnismäßig fest in eine entsprechende Kugelschale eingespannt werden muß und
dadurch die Winkelbeweg lichkeit zu sehr gehemmt ist, als daß die kugelige Ausbildung
zu der gewünschten Klemmfreiheit führen würde. Soweit für Kugel und Kugelschale
Stahl als Werkstoff verwendet wird, kann sich zwischen diesen Teilen Passungsrost
bilden und die Winkelbeweglichkeit in besonders nachteiliger Weise vollkommen unterbinden.
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Es besteht die Aufgabe, ein leichtgängiges, winkelbewegliches Führungslager
unter Vermeidung der aufgezeigten Nachteile zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß das Führungslager als zylindrische Büchse mit einem membranartigen
Flansch ausgebildet ist, wobei der Flansch in seinem äußeren Bereich im Zylinderdeckel
fest eingespannt ist und der übrige Bereich des Flansches und die zylindrische Büchse
keine weitere starre Berührung mit dem Zylinderdeckel haben.
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Ein derartiges Führungslager gleicht Fluchtunterschiede von Kolbenstange
und Führungslager durch seine Winkelbeweglichkeit aus und gestattet in vorteilhafter
Weise die Anwendung einer großen Lagerbreite und eines geringen Lagerspiels ohne
die Gefahr des Klemmens. Die Winkelbeweglichkeit wird durch elasti-sche Verformung
geschaffen, wobei bei entsprechend dünn ausgeführtem Flansch nur kleine Rückstellmomente
entstehen, die in weiterhin vorteilhafter Weise sich nicht im Laufe der Zeit ändern
können.
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Die zylindrische Büchse und der Flansch können einteilig sein oder
zwei Teile bilden. Der Flansch kann an seinem äußeren Umfang zwischen Teilen des
Zylinderdeckels oder des Gehäuses eingespannt sein oder auch in einen besonderen
Haltering übergehn.
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Zylindrische Büchse, Flansch und ein Haltering können auch ein einziges
Teil bilden.
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Das erfindungsgemäße Führungslager weist auch bei geringer Flanschdicke
eine große radiale Steifigkeit auf, was für eine exakte Führung der Kolbenstange
von Vorteil ist. Bei der Wahl der Flanschdicke muß auf die Höhe der Axialkräfte
infolge Reibung der Kolbenstange und gegebenenfalls infolge von Druckunterschieden
auf beiden Seiten des Flansches Rücksicht genommen werden. Werden bei einer ebenen
Ausbildung des Flansches Materialbeanspruchung oder Verformung durch Axialkräfte
zu groß, kann durch eine kegelige Form des Flansches Abhilfe geschaffen werden,
die gegenüber einer ebenen Form bei gleicher Flanschstärke axial wesentlich steifer,
kardanisch aber nur unwesentlich steifer ist. Um die elastische axiale Bewegungsfreiheit
des Führungslagers zu begrenzen, ist die Anordnung axialer Anschläe-zweckmäßig,
z. B. wenn sonst Bruchgefahr besteht.
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wDie axiale Elastizität des erfindungsgemäßen Führungslagers mildert
in vorteilhafter Weise das plötzliche Einsetzen der Losbrechkraft in den Umkehrpunkten
der Kolbenstangenbewegungen u-nd setzt deren Störwirkung wesentlich herab, indem
ein ohne Elastizität rechteckiges Reibungsdiagramm mit stoßartigen Kraftänderungen
durch die Elastizität in ein Reibungsdiagramm von'Paral lelogrammform mit zeitlich
gestreckten Kraftänderungen verwandeit wird.
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Bei einem ebenen membranartigen Flansch nehmen die aus der Elastizität
resultierenden axialen und radialen Rückstellmomente progressiv zu. Eine keglige
Form des Flansches ist zweckmäßig dann anzuwenden, wenn in einer bevorzugten axialen
Bewegungsrichtung des Flansches, die sich dem ebenen Zustand nähert, die axialen
und/oder radialen Rückstellmomente bekanntermaßen degressiv sein sollen." An sich
übt die Elastizität des erfindungsgemäßen Führungslagers auf das plötzliche Einsetzen
der Losbrechkraft in den Umkehrpunkten der Kolbenstangenbewegung einen mildernden
Einfluß aus.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der membranartige Flansch
des Führungslagers nach einer oder beiden Seiten axial durch elastische Ringe abgestützt.
Dann kann die Dicke des Flansches besonders klein gehalten werden, wodurch sich
sehr niedrige kardanische Rückstellmomente ergeben Andererseits können Axialkräfte
in hohem Maße aufgenommen werden, ohne daß sich eine zu große axiale Durchbiegung
ergeben kann.
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Es ist auch zweckmäßig, das erfindungsgemäße Führungslager breit auszuführen,
um die aus dem Rückstellmoment herrührende Kanten pressung des Lagers klein zu halten.
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Ausführungsbeispiele von Führungslagern gemäß der Erfinsung sind auf
der Zeichnung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 ein Mc Pherson Federbein in eingebautem
Zustand, Fig. 2 einen im Schnitt dargestellten oberen Bereich eines Mc Pherson Federbeins
nach Fig. 1 mit einem erfindungsgemäßen Führungslager, bei dem eine zylindrische
Büchse und ein membranartiger Flansch einteilig ausgeführt sind, Fig. 3 ein Führungslager,
bei dem zylindrische Büchse und membranartiger Flansch zwei Teile sind, Fig. 4 ein
Führungslager, bei dem zylindrische Büchse, ein membranartiger Flansch und ein äußerer
Haltering ein gemeinsames Teil bilden,
Fig. 5 ein Führungslager,
bei dem ein membranartiger Flansch eine keglige Ausbildung aufweist, Fig. 6 ein
Führungslager mit einem kegeligen Flansch anderer Art, Fig. 7 ein Führungslager,
dem ein Dichtring vorgeschaltet ist, Fig. 8 ein Führungslager, dessen Axialbelastung
von einem membranartigen Flansch auf elastische Ringe übertragen wird.
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Bei einem Mc Pherson Federbein nach Fig. 1 ist ein Boden 2 eines zylindrischen
Gehäuses 3 mit einem Achsschenkel 4 und einem Gelenkkopf 5 verbunden. Durch einen
Zylinderdeckel 6 tritt eine Kolbenstange 7 nach außen, an deren innerem Ende ein
in dem Gehäuse 3 geführter Kolben 8 sitzt und deren äußeres Ende 9 gelenkig mit
einem Fahrzeugaufbau 10 verbunden ist. Ein Führungslager 11 ist im Zylinderdeckel
6 angeordnet und dient zur Führung der Kolbenstange 7. Auf dem Achsschenkel 4 ist
ein Fahrzeugrad 13 gelagert.
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Der Gelenkkopf 5 ist mittels eines Lenkers 12 in Querrichtung am Aufbau
10 und mittels eines nicht gezeichneten Leinkers in Längsrichtung am Aufbau 10 derart
abgestützt, daß der Achsschenkel 4 von drei linearen Freiheitsgraden nur einen für
nahezu vertikale Bewegungen hat. Eine zwischen dem Fahrzeugrad 13 und einer Fahrbahn
14 auftretende Seitenführungskraft A ruft im Lenker 12 eine Kraft B und am Ende
9 der Kolbenstange 7 eine Kraft C hervor, aus der dem Kolben 8 eine Querkraft E
und am Führungslager eine Querkraft D resultiert. Dabei wird die Kolbenstange 7
auf Biegung beansprucht und entsprechend verformt.
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Gemäß Fig. 2 ist ein zylindrisches Gehäuse 23 an seinem oberen Ende
durch einen Zylinderdeckel 26 verschlossen, der durch einen Schraubring 25 gegen
die obere Stwrnfläche eines Zylinderrohres 24 gespannt ist. Zwischen dem Zylinderrohr
24 und dem Gehäuse 23 ist nach Art der hydraulischen Zweirohrdämpfer ein zum Teil
mit Luft und zum Teil mit Öl gefüllter Ausgleichsraum 29 gebildet. Das Zylinderrohr
24 umschließt einen ölgefüllten Arbeitsraum 39 und dient als Führung für einen am
Ende einer Kolbenstange 27 sitzenden, nicht gezeichneten Kolben-ähnlich dem Kolben
8 nach Fig. 1.
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Die Kolbenstange 27 ist durch ein im Zylinderdeckel 26 angeordnetes
Führungslager 31 geführt und durch eine Gleitdichtung 36 nach außen abgedichtet,
während der Zylinderdeckel 26 gegenüber dem Gehäuse 23 durch einen statischen Dichtring
37 gedichtet ist. Ein Ringraum 30 oberhalb des Führungslagers 31 steht über Kanäle
35 und 38 mit dem Ausgleichsraum 29 in offener Verbindung und ist dadurch von im
Arbeitsraum 39 auftretenden dynamischen Drücken entlastet.
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Das Führungslager 31 besteht aus einer zylindrischen Büchse 32 und
einem membranartigen Flansch 33, der in seinem äußeren Bereich 34 zwischen zwei,
den Zylinderdeckel 26 bildenden Teilen 26a und 26b fest verspannt ist. Außerhalb
des Bereiches 34 haben der Flansch 33 und die Büchse 32 keine mechanische Berührung
mit den Teilen 26a und 26b des Zylinderdeckels 26. Die membranartige Ausbildung
des dünnen Flansches 33 ermöglicht der Büchse 32 eine Winkelbeweglichkeit mit nur
kleinen Rückstellmomenten, durch die nur geringe Kantenpressungen im Führungslager
31 auftreten. Bei Fluchtunterschieden von Kolbenstange 27 und Führungslager 31,
sei es infolge von Einbauungenauigkeiten, infolge Durchbiegens der Kolbenstange
27 oder aus anderer Ursache, wird hierdurch eine Klemmfreiheit des Führungslagers
31 erreicht. Der Flansch 33 muß nicht, wie gezeichnet, von der Mitte der Büchse
32 ausgehen, er kann auch aus der Mitte versetzt sein, beispielsweise derart, daß
eine in der Mitte des Führungslagers 31 angreifende resultierende Querkraft die
Büchse gerade um so viel gegenüber dem Flansch elastisch verdreht, wie der jeweils
vorliegenden Winkelbewegung der Kolbenstange 27 entspricht. Dann ist in diesem Falle
eine Kantenpressung im Führungslager 31 ganz vermieden.
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Das Führungslager nach Fig. 3, das ähnlich wie das Führungslager 31
nach Fig. 2 einbaubar ist, besteht aus einer mit einer Schulter 56 und einem Gewinde
55 versehenen Büchse 52 und einem membranartigen Flansch 53, der in seinem Innenbereich
mittels eines Schraubringes 54 gegen die Schulter 56 gespannt ist. Der Flansch 53
kann als dünne Scheibe ausgebildet sein oder, wie gezeichnet, aus einzelnen Lamellen
bestehen, er muß nicht kreisrund sein und wird zweckmäßig so gestaltet, wie die
gewünschte
zu Winkelbeweglichkeit und die aufinehmenden axialen
und radialen Kräfte es erfordern.
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Das Führungslager gemäß Fig. 4 besteht in einteiliger Ausbildung
aus einer Büchse 62, einem Flansch 63 und einem äußeren Haltering 64. Der Einbau
ist so vorzunehmen, daß der Haltering 64 in einem zylindrischen Gehäuse festgelegt
ist, beispielsweise im Bereich seiner Schulter 65 und 66 zwischen Teilen eines Gehäuses
und/oder Teilen eines Zylinderdeckels verspannt ist.
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Das Führungslager gemäß Fig. 5 weist eine Büchse 72 mit einem kegelig
geformten Flansch 73 auf. Durch die kegelige Ausbildung des Flansches 73 ist gegenüber
einer Ausbildung als ebene Platte eine größere axiale Steifheit bei nur geringfügig
veränderter Winkelbeweglichkeit erzielbar, wenn die vorliegenden Verhältnisse es
erfordern.
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Das Führungslager gemäß Fig. 6 mit einem Flansch 83 und einer kragenförmigen
zylindrischen Büchse 82 ist in einfacher Weise als tiefgezogener Topf mit ausgestanztem
Boden herstellbar.
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Bei dieser Ausbildung erzeugt eine Querkraft auf die Büchse 82 ein
die Büchse verdrehendes Moment. Eine dadurch bedingte Kantenpressung kann klein
gehalten werden, wenn die durch die Verdrehung eingenommene Winkelstellung der Büchse
82 sich mit der Winkellage einer durch die Büchse 82 geführten Kolbenstange deckt.
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Bei Fortfall der Querkraft oder anderen Belastungen tritt wohl Kantenpressung
e-in, hier läßt sich aber durch entsprechende Ausbildung des Flansches 83 ein Mittelweg
finden, der im gesamten gesehen die Kantenpressung klein hält.
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Die erfindungsgemäßen Führungslage-r werden in axialer Richtung durch
Reibungskräfte der Kolbenstange und zusätzlich durch eventuelle Druckunterschiede'
auf beiden Seiten des membranartigen Flansches belastet. Bei Verwendung eines Führungslagers
31 nach Fig. 2 in einem Federbein nach Art eines Zweirohrdämpfers pflanzen sich
die dynamischen Drücke des' Arbeitsraums 39 in den Raum 40 unterhalb des Flansches
33 fort und belasten ihn in axialer Richtung derart, daß das Führungslager 31 nach
oben aus weicht.
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Die Größe der möglichen Axialbewegungen des Führungslagers 31 ist
durch ein mechanisches Anliegen des Flansches 33 an Schultern 41 oder 42 des Zylinderdeckels
26 begrenzt und so gewählt, daß der Flansch 33 vor Bruch durch Überlastung geschützt
ist. Die Begrenzung kann auch zur Einschränkung einer durch die axiale Nachgiebigkeit
des Flansches 33 bedingten zu großen Elastizität des Arbeitsraumes 39 dienen, die
den Verlauf der im Arbeitsraum 39 erzeugten Dämpfungskräfte in unerwünschter Weise
in Richtung einer Phasenverschiebung von Dämpfungskräften und Federkräften verzerren
könnte.
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Gemäß Fig. 7, die in den nicht beschriebenen Einzelheiten im wesentlichen
der Fig. 2 entspricht, besteht eine Möglichkeit, die dynamische Drücke eines Arbeitsraumes
99 von einem Führungslager 91 fernzuhalten und dadurch einen Flansch 93 von Axialbewegungen
zu entlasten, in dem Vorschalten eines Dichtringes 94, vorzugsweise eines innenspannenden
Kolbenringes, der auf einer Kolbenstange 97 dichtend gleitet und den Raum 95 unterhalb
des Flansches 93 von dem Arbeitsraum 99 trennt, wobei der Raum 95 über einen Kanal
96 mit einem Ausgleichsraum 98 in Verbindung steht, mit dem auch der Raum 95a über
dem Flansch 93 verbunden ist.
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Bei einem ausschnittsweise gezeichneten, als Einrohrdämpfer ausgebildeten
Federbein gemäß Fig. 8 ist ein Führungslager 131, bestehend aus einer Büchse 132,
einem Flansch 133 und einem Haltering 134, vorgesehen und der Haltering 134 zwischen
einer Schulter 122 eines Gehäuses 123 und einem Zylinderdeckel 126 verspannt. Eine
einen Dämpfungskolben 128 tragende Kolbenstange 127 ist in dem Führungslager 131
geführt und durch eine Gleitdichtung 136 nach außen abgedichtet. Der Zylinderdeckel
126 ist gegenüber dem Gehäuse 123 durch einen Dichtring 137 gedichtet. Zwischen
dem Zylinderdeckel 126 und dem Flansch 133 ist ein durch einen Vorsprung 139 des
Zylinderdeckels 126 in radialer Richtung festgelegter gummielastischer Anschlagring
140 vorgesehen, der Axialbewegungen des Flansches 133 beschränkt und zugleich die
axiale Belastung des Flansches infolge von statischen oder dynamischen Drücken in
dem Arbeitsraum 129 zwischen dem Kolben 128 und dem
Zylinderdeckel
126 aufnimmt. Den durch Winkelbewegungen der Büchse 132 verursachten Molekularverschiebungen
setzt der Anschlagring 140 nur wenig Widerstand entgegen, wenn er aus einem möglichst
hysteresisfreien Werkstoff besteht.
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Bei allen Ausführungen des erfindungsgemäßen Führungslagers, ob mit
oder ohne elastischen Anschlag, besteht auch der entscheidende Vorteil, daß das
Führungslager in radialer, d.h.
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in Querrichtung nahezu unnachgiebig ist und dadurch der in ihm geführten
Kolbenstange eine exakte Führung gibt.