Erfindungsgebiet
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Die Erfindung betrifft Kraftfahrzeug-Luftfeder/Federbein-
Systeme mit Seitenlastausgleich, wie in dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 angegeben und beispielsweise in US-A-4 778 198
beschrieben.
Hintergrund der Erfindung
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Typische Kraftfahrzeug-Federbeinsysteme enthalten ein
Dämpferrohr, das mit der ungefederten Masse des Fahrzeugs
verbunden ist, eine in dem Dämpferrohr gleitbare Kolbenstange, die
mit der gefederten Masse des Fahrzeugs verbunden ist, und
eine Feder um das Federbein, die gegen einen Sitz an dem
Dämpferrohr und gegen einen Sitz an der gefederten Masse
reagiert. Die Feder kann eine Wendelfeder oder eine Luftfeder
des Typs mit einer verstärkten, flexiblen, am Boden an einem
Luftfederkolben abgedichteten Hülse an dem Dämpferrohr und
an der Oberseite einer Endhalterung an der gefederten Masse.
Um Seitenlasten auf die Stange und den Kolben gering zu
halten, werden die Federn bei manchen
Federbein-Aufhängungssystemen relativ zu den Federbeinen so gekippt, daß sich die
ergebenden Federkräfte eng einer theoretisch optimalen
Neigung annähern.
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Eine obere Luftfeder-Endhalterung erfindungsgemäßer Art wird
gekennzeichnet durch die im kennzeichneten Abschnitt des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Eine erfindungsgemäße
Luftfeder-Endhalterung trägt zur Optimierung des Neigungswinkels
einer Luftfeder in einem Federbeinsystem bei.
Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Erfindung ist eine neue und verbesserte Endhalterung
für eine Luftfeder bei einem Kraftfahrzeug-Federbeinsystem,
wobei die Luftfeder von dem Typ mit einer verstärkten
flexiblen Hülse mit einem kreisförmigen oberen Ende benachbart
der Endhalterung ist. Die Endhalterung nach der Erfindung
enthält einen elliptischen Klemmflansch mit einer
Umfangslänge gleich dem Umfang des oberen Endes der Luftfederhülse, so
daß die Hülse ohne Streckung über den Flansch paßt. Die
Endhalterung enthält weiter einen starr mit dem elliptischen
Flansch verbundenen Zentralsteg und eine
Durchführungsöffnung in dem Zentralsteg, die zum elliptischen Klemmflansch
an einem Ende der großen Achse des Flansches tangential ist.
Die Endhalterung erfindungsgemäßer Art wird an der
gefederten Masse des Fahrzeugs mit einem Winkel relativ zur
Längsachse des Federbeins abgestützt, wobei sich die Kolbenstange
des Federbeins in der Durchführungsöffnung befindet. Eine
elastomere Büchse ist in der Durchführungsöffnung des Stegs
der Endhalterung befestigt und mit der Kolbenstange des
Federbeins verbunden, wodurch die Kolbenstange mit der
gefederten Masse des Fahrzeugs verbunden ist. Die geometrische
Mitte des elliptischen Klemmflansches wirkt zusammen mit der
geometrischen Mitte der Rollmembran am anderen Ende der
Luftfederhülse bei der Bestimmung der Wirkungslinie der
resultierenden Kraft der Luftfeder.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Fig. 1 ist eine teilweise weggebrochene Seitenansicht eines
Kraftfahrzeug-Luftfeder/Federbein-Systems mit einer
erfindungsgemäßen Luftfeder-Endhalterung;
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Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung eines Abschnitts der
Fig. 1, der die erfindungsgemäße Luftfeder-Endhalterung
zeigt; und
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Fig. 3 ist eine Ansicht allgemein längs der durch Linien 3-3
in Fig. 2 bezeichneten Ebene.
Beschreibung bevorzugter Ausführungen
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In Fig. 1 ist ein Federbeinsystem 10 zwischen einer
teilweise dargestellten gefederten Masse 12 eines Kraftfahrzeugs
und einer ungefederten Masse angeordnet, die durch eine
Radstütze 14 und ein zur Drehung um eine Achse 18 der Stütze an
dieser befestigtes Rad 16 repräsentiert ist. Ein
Kugelstutzen 20 an der Radstütze stellt einen Teil einer gelenkigen
Verbindung zwischen der Stütze und einem (nicht
dargestellten) Querlenker des Fahrzeugs dar, der an einer Querachse 22
zentriert ist. Das Zentrum der Gelenkverbindung wird durch
einen Punkt 24 in Fig. 1 dargestellt, der an der
Überschneidung der Achse 22 mit dem Zentrum des kugelförmigen
Lagerendes der Kugelstütze 20 gelegen ist.
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Die Radstütze 14 ist auch mit der gefederten Masse 12 des
Fahrzeugs durch ein Federbein 26 mit einer Längsachse 28
verbunden. Das Federbein enthält ein zylindrisches Dämpferrohr
30, das über eine Lasche 32 mit der Radstütze verschraubt
ist, eine längs der Federbeinachse 28 in einer
Stangenführung 36 an dem Dämpferrohr gleitbare Stange 34 und einen
Kolben 38 an der Stange, der längs der Federbeinachse 28 an
einer Innenwand 40 des Dämpferrohrs 30 gleitbar ist. Der
Kolben unterteilt den Innenraum des Dämpferrohrs in eine
obere Arbeitskammer 42 und eine untere Arbeitskammer 44, die
vorzugsweise gasgefüllt sind, jedoch auch
flüssigkeitsgefüllt sein können. Der Kolben 38 trägt nicht gezeigte
Ventile zum Steuern des Fluidstroms durch den Kolben. Eine
Luftfeder 46 ist um das Federbein 26 zwischen dem Dämpferrohr 30
und der gefederten Masse 12 angeordnet.
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Die Luftfeder 46 enthält einen starr an dem Dämpferrohr 30
um die Stangenführung 36 angebrachten Luftfederkolben 48.
Der Luftfederkolben besitzt eine Klemm-Umfangsfläche 54 über
einer irregulär geformten Außenfläche 52. Eine
kordverstärkte flexible Hülse 54 der Luftfeder besitzt ein kreisförmiges
unteres Ende 56, das dichtend an der Klemm-Umfangsfläche 50
des Kolbens angeklemmt ist. Die Hülse 54 entfaltet sich von
dem Klemmumfang nach außen zur Bestimmung einer Innenwand 58
der Luftfeder, die sich auf die Außenfläche 52 des Kolbens
auflegt. Die Hülse 54 faltet sich nach außen mit einem
Rollfalten-Bogen 60 und bestimmt eine äußere Zylinderwand 62 um
den Stab 34, welche äußere Wand einen Teil mit kleinem
Durchmesser an dem Boden anschließend an den Rollfalten-Bogen 60
enthält und einen Teil mit großem Durchmesser an der oberen
Seite der Außenwand 62.
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Nach Fig. 1 bis 3 enthält eine obere Lageranordnung 64
zwischen der gefederten Masse 12 und dem Federbein 26 und der
Luftfeder 46 einen mit der gefederten Masse 12 um eine darin
befindliche Öffnung 68 verschraubte ringförmige obere Stütze
66 und eine ringförmige untere Stütze 70 unter der oberen
Stütze. Die untere Stütze besitzt eine rohrförmige
Verlängerung 72, die in die Öffnung 68 in der gefederten Masse
hinein vorsteht. Ein Lager 74 ist zwischen der oberen und
unteren Stütze 66 bzw. 70 so angeordnet, daß die beiden
relativ verdrehbar sind. Die untere Stütze 70 wird an der
gefederten
Masse 12 durch einen Ring 76 um die rohrförmige
Verlängerung der unteren Stütze zurückgehalten. Die untere
Stütze 70 ist mit der Luftfeder und der Stange 34 des
Federbeins durch eine Endhalterung 78 erfindungsgemäßer Art
verbunden.
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Die Endhalterung 78 ähnelt einer umgekehrten Schüssel und
enthält einen Klemmflansch 80 und einen integralen
Zentralsteg 82. Senkrecht auf die Ebene des Flanschs 80 nach Fig. 3
gesehen besitzt der Klemmflansch elliptische Form mit einer
großen Achse D1 und einer kleinen Achse D2. Der Zentralsteg
82 ist leicht konisch, Fig. 2, und in der Nähe eines Endes
der großen Abmessung des elliptischen Flansches 80 weist er
eine kreisförmige Durchführungsöffnung 84 auf. Die Kante der
Öffnung 84 ist im wesentlichen tangierend zu oder berührt
gerade den elliptischen Klemmflansch 80, Fig. 3.
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Die Endhalterung 78 ist an der unteren Stütze 70 über eine
Einlageplatte 86, Fig. 1 und 2, angebracht. Die
Einlageplatte 86 besitzt eine Öffnung 88, durch welche ein Flansch 90
um die Durchführungsöffnung 84 in der Endhalterung 78
vorsteht. Der vorstehende Flansch 90 ist mit der Einlageplatte
überbördelt und verschweißt, so daß die Endhalterung starr
an der Einlageplatte angebracht ist. Die Einlageplatte ist
an der unteren Stütze 70 durch eine Vielzahl von Schrauben
befestigt, von denen nur eine einzige Schraube 92 in Fig. 1
gezeigt ist, so daß die Endhalterung 78 zu der gefederten
Masse 12 des Fahrzeugs relativ verdrehbar ist.
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Eine elastomere Durchführung 94 ist in der
Durchführungsöffnung 84 durch übliche Mittel befestigt und besitzt eine
durchgehende Zentralbohrung, die das obere Ende der Stange
34 aufnimmt. Ein Paar Halter 96 an der Stange über und unter
der Durchführung 94 verhindern eine vertikale Gleitbewegung
der Stange relativ zu der Durchführung und damit relativ zur
gefederten Masse 12. Das Federbein 26 und das Rad 16 sind
gegenüber der gefederten Masse 12 um eine nicht dargestellte
Lenkachse lenkbar, die sich durch den Punkt 24 an dem
Kugelmittelpunkt des Kugelstutzens 20 und durch die Mitte des
Lagers 24 erstreckt.
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Wegen der nichtstreckbaren Natur der kordverstärkten
flexiblen Hülse 54 der Luftfeder in ihrem voll aufgeblasenen
Zustand wird der Umfang des Klemmflanschs 80 gleich der
Umfangslänge des kreisförmigen oberen Endes der Außenwand 62
der aufgeblasenen Luftfederhülse 54 errechnet, so daß diese
eng und dicht über den Klemmflansch 80 paßt, ohne über ihre
Grenze hinaus gestreckt zu werden. Sobald sie über den
Klemmflansch gepaßt ist, wird die Außenwand 62 durch eine Klammer
98 dichtend so angedrückt, daß eine abgedichtete Gaskammer
100 innerhalb der Luftfeder 46 gebildet ist.
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Wie am besten in Fig. 1 zu sehen, wird durch einen
Kraftpfeil F1 eine resultierende Straßenkraft auf das Rad 16
dargestellt, die vertikal auf das Rad einwirkt. Diese Kraft ist
teilweise ausgeglichen durch eine resultierende
Luftfederkraft, die durch einen Kraftpfeil F2 dargestellt wird,
welcher auf eine sich theoretisch ergebende Kraftlinie 102 der
Feder wirkt. Für das statische Gleichgewicht wird die
Straßenkraft auch teilweise aufgehoben durch eine dritte Kraft,
welche durch einen Kraftpfeil F3 dargestellt ist, der auf die
Radstütze 14 durch den Punkt 24 in der Kugelmitte des
Kugelstutzens 20 wirkt und in Längsrichtung der Querachse 22
gerichtet ist.
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Bezüglich der Seitenlast auf die Stange 34 und den Kolben 38
wird ein optimaler Zustand erreicht, wenn die sich ergebende
Kraftlinie 102 die Querachse 22 in der Ebene des Rades 16
trifft, welche den Kraftpfeil F1 enthält, wie bei einem
theoretischen Punkt 104. Bei diesem Zustand ergibt sich keine
Seitenbelastung auf die Stange 34 oder den Kolben 38, da die
durch die Kraftpfeile F1, F2 und F3 dargestellten Kräfte
alle durch den theoretischen Punkt 104 wirken. Wenn die
resultierende Kraftlinie 102 in Querrichtung innerhalb des
theoretischen Punktes 104 hindurchtritt, entwickeln sich
Seitenbelastungen an der Stangenführung 36 und am Kolben 38 an
der Innenwand 40 des Dämpferrohrs, deren Größe ansteigt,
wenn der Abstand nach innen von dem theoretischen Punkt 104
anwächst. Dementsprechend wird eine optimale Neigung der
Luftfeder 46 gekennzeichnet durch die Überschneidung der
sich ergebenden Kraftlinie 102 mit dem theoretischen Punkt
104.
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Die Neigung der sich ergebenden Kraftlinie 102 der Luftfeder
46, die in der dargestellten Ausführung nicht die vorstehend
definierte optimale Neigung ist, wird durch die Orte der
geometrischen Mittelpunkte der Endhalterung 78 und des
Rollfaltenbogens 60 bestimmt. In der Praxis kann der geometrische
Mittelpunkt des Rollfaltenbogens 60 nicht sehr weit
außerhalb der Längsachse 28 des Federbeins bewegt werden.
Beispielsweise stellt ein Punkt 106, Fig. 1, innerhalb der
Begrenzungen der Stange 34 den geometrischen Mittelpunkt des
Rollfaltenbogens 60 unter statischen
Auslegungs-Lastbedingungen dar. Statt dessen war der praktischere Weg, den Ort des
geometrischen Mittepunktes der oberen Halterung 78 seitlich
nach innen oder nach rechts, Fig. 1, zu bewegen,
schrittweise Zuwachsgrößen der Neigung der sich ergebenden Kraftlinien
zu der vorstehend definierten optimalen Neigung hin zu
erreichen.
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Die erfindungsgemäße Endhalterung 78 stellt eine
Verwirklichung des genannten praktischeren Verfahrens dar. Nach Fig.
3 wird die durch die Endhalterung 78 erzielte Verbesserung
durch das nachfolgende Beispiel beschrieben. Der Umfang des
elliptischen Flansches 80 an der Endhalterung 78 wird
relativ
eng angenähert durch die folgende Gleichung:
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P = 3,1416 2(a² + b²)
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wobei P der Umfang, a eine Hälfte der großen Achse D1 und b
eine Hälfte der kurzen Achse D2 des Flansches sind. Falls
der elliptische Flansch 80 eine lange Achse D1 = 127 mm und
eine kurze Achse D2 = 95 mm besitzt, beträgt der Umfang P des
Flansches 352 mm. Eine Lufthülse mit einem kreisförmigen
oberen Ende, das auf einen Durchmesser von 112 mm
aufgeblasen wurde, besitzt einen gleichen Umfang. Damit paßt das
obere Ende einer Lufthülse mit diesem Durchmesser eng und
glatt über den elliptischen Flansch 80, ohne über seine
Streckgrenze hinaus beansprucht zu sein.
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Wenn die Endhalterung 78 statt des elliptischen Flansches 80
einen kreisförmigen Klemmflansch entsprechend dem Stand der
Technik besitzt, muß der Durchmesser des Kreisflansches am
oberen Ende der Luftfederhülse etwa 127 mm sein, um die
gleiche Exzentrizität oder den gleichen Versatz zwischen der
geometrischen Mitte des Flansches und der Achse 28 des
Federbeins einzuhalten. Bei dieser Exzentrizität ist die Neigung
der sich ergebenden Kraftlinie 102 die gleiche, wie sie
durch die Endhalterung 78 mit elliptischem Flansch erzielt
wird, jedoch mit dem zusätzlichen Aufwand einer
Luftfederhülse mit einem in der Größenordnung von 15 mm größeren
aufgeblasenen oberen Enddurchmesser, als dem bei dem obigen Beispiel
erforderlichen. Etwas anders gesagt: bei einer
Luftfederhülse mit einem bestimmten aufgeblasenen oberen Enddurchmesser
ist die sich ergebende Kraftlinie 102 der Luftfeder bei
einer Endhalterung 78 nach dieser Erfindung mehr zu dem
theoretischen Punkt 104 hin geneigt als bei einer gleichartigen
Endhalterung mit einem kreisförmigen Endflansch des gleichen
Durchmessers wie dem aufgeblasenen Durchmesser des oberen
Endes der Luftfederhülse.