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Einrichtung zum Ausgleich des Biegemomentes bei luftgefederten Federbeinen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Ausgleich des Biegemomentes bei luftgefederten
Federbeinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bei denen die Achsschenkel mit dem
unteren, mit dem Lenker des Fahrzeuges verbundenen Teil des Stoßdämpfers eine bauliche
Einheit bilden und der Luftfederbalg so um den oberen Teil des Stoßdämpfers herum
angeordnet ist, daß sich sein unterer, nach innen eingeschlagener Teil an einer
am Stoßdämpferaußenrohr befestigten Fuhrungseinrichtung abstützt und dort befestigt
ist, während der obere Teil zusammen mit der Stoßdämpfer-Kolbenstange beweglich
mit dem Fahrzeugaufbau o. dgl. verbunden ist.
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Federbeine, bei denen die Fahrzeugfederung, der Stoßdämpfer und die
Radaufhängung zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind, erfahren durch die Last des
seitlich geführten Rades ein Biegemoment, das eine Verbiegung des Federbeines bewirkt,
die sich als Verbiegung der Stoßdämpfer-Kolbenstange in der Führung des Stoßdämpfers
mitteilt, wodurch Reibungs- und Klemmkräfte im stoßdämpfer entstehen.
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dadurch entsteht ein verzögertes Ansprechen des Stoßdämpfers, was
wiederum zur Verminderung des Fahrkomforts führt.
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Es ist bekannt, z. R. durch versetzte Anordnung von Schraubenfedern
bzw. durch unterschiedliche einseitige Vorspannung derselben dieses Biegemoment
auszugleichen. Das gleiche ist theoretisch auch für Luft federn möglich. Reiden
Ausfuhrunen ist eigen, daß der Ausgleich des Biegemomentes nur in der sog. Konstruktionslage,
d. h.> bei einer vorgegebenen Einfederung des Fahrzeuges, voll zur Wirkung kommt.
der Fahrkomfort ist daher bei derartigen Ausffihrungen sehr stark von der gewünschten
Niveauhöhe und der Beschaffenheit der straße abhanfrig. Der vorliegenden Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Einrichtung zu schafei, die unabtlarlglg
von ji'ahrzeugniveau und ntraßenbeschaffenheit einen gleichbleibenden Fahrkomfort
gewährleistet.
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niese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die innere,
vorzugsweise mit dem Stoßdämpfer verbundene Führungseinrichtung der Feder so ausgebildet
ist, daß sich in jedem Ein- und Ausfederpunkt die Wirkungslinie der Luftfederkraft
und die Wirkungslinie der Resultierenden aus Aufstandskraft und "eitenführungskraft
des Rades mit der Wirkungslinie der Kraft im Lenker möglichst in einem Dunkt schneidet.
dadurch werden unabhängig von der Ein- und ausfederung die sich übertragenden Biegemomente
gleich Null, wodurch ein einwandfreies arbeiten und rasches ansprechen des Qtoßdämpfers
gewährleistet ist. Weiterhin ist kennzeichnend, daß die Verbindungslinie des Schnittpunktes
der Resultierenden aus neitenführungskraft und Radaufstandskraft, die vom Radaufstandspunkt
ausgeht mit der Wirkungslinie der Lenkerkraft und des Befestigungspunktes am Fahrzeug
die Wirkungslinie der Luftfeder darstellt und senkrecht auf der durch die Berührungslinie
des Luftfederbalgwulstes mit dem äußeren Umfang der Führungseinrichtung definierten
wirksamen Querschnittsfläche steht. Ferner, daß die Führungseinrichtung vorzugsweise
kreisförmige wirksame Querschnittsflächen aufweist; sowie, daß die Wirkungslinie
der Luftfederkraft durch den Mittelpunkt der vorzugsweise kreisförmigen wirksamen
Querschnittsflächen geht. Weiterhin ist kennzeichnend, daß die vorzugsweise kreisförmigen
wirksamen Querschnittsflächen unterschiedlich groß sein können, wobei die Kontur
der Führungseinrichtung durch die Hüllkurve sämtlicher wirksamer Querschnittsflächen
dargestellt wird. Ferner daß sämtliche Mittelpunkte der vorzugsweise kreisförmigen
wirksamen Querschnittsflächen auf einer stetigen, vorzugsweise ungleichförmig gekrümmten
Kurve liegen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 Federbein in Konstruktionslage,
Fig.
2 Federbein voll eingefedert, Fig. 5 Federbein voll ausgefedert, Fig. 4 Zusammenfassung
der in Fig. 1-3 dargestellten Federungslagen, Fig. 5 Kräfteparallelogramm am Radaufstandspunkt,
Fig. 6 schematische Darstellung verschiedener und verschieden großer Querschnittsflächen
bei gleichem Verlauf der Mittelpunktskurve, Fig. 7 schematische Darstellung des
Verlaufes der Federkennlinie von Fig. 6.
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Fig. 1 zeigt den schematischen Verlauf der Wirkungslinien der Kräfte,
die auf das Federbein ein Biegemoment auüben, in Konstruktionslage.
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Vom Radaufstandspunkt 1 führt die Linie 11, welche - wie in Fig. 5
gezeigt - die Resultierende aus Radaufstandskraft 20 und Seitenführungskraft 18
darstellt, im folgenden kurz Resultierende genannt, von der Lenkerdrehachse 2 die
Wirkungslinie 21 der Lenkerkraft und dem Befestigungspunkt 5 die Wirkungslinie 51
der Luftfederkraft zum Schnittpunkt 51, in dem die Summe der Biegemomente für den
vorliegenden Fall der Konstruktionslage gleich Null ist. Die Wirkungslinie 51 der
Luftfederkraft ist zugleich die Achse des vorzugsweise kreisrunden Luftfederbalges
6. Der Federbalg 6 ist unten eingeschlagen und bildet im Querschnitt einen theoretisch
halbkreisförmigen Wulst 14. Die vorzugsweise kreisrunde wirksame Querschnittsfläche
16 der nicht gezeigten Führungseinrichtung wird an ihrem äußeren Umfang 19 von dem
umlaufenden Wulst 14 begrenzt. Durch ihren Mittelpunkt 17 verläuft die Wirkungslinie
der Luftfederkraft 51, die zugleich die Normale für die Querschnittsfläche 16 darstellt.
Der Luftfederbalg 6 ist in bekannter, nicht dargestellter Weise mit dem 3toßdämpfer
8 verbunden. Die Achse 15 des Stoßdämpfels 8, der im Punkt 5 beweglich mit dem Fahr%eugaufbau
o. dgl.
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verbunden ist, schneidet im Punkt 41 die WirkungsiiIie 'I dr Lenkerkraft
und ist dort zugleich mit dem nicht gezeigten Lenker beweglich verbunden. Der untere
Teil des Stoßdämpfers 8 trägt in starrer Verbindung den Achsschenkel 10.
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Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung den Verlauf der Wirkungslinien
bei voller Einfederung. Bezugspunkte sind wiederum der Radaufstandspunkt 1, die
Lenkerdrehachse 2 und der Befestigungspunkt 5. Die von diesen ausgehenden Wirkungslinien
12, 22 und 52 schneiden sich im Punkt 52. Dabei schneidet die Achse 25 des Stoßdämpfers
8 im Punkt 42 die Wirkungslinie 22, während die Wirkungslinie 52 im Mittelpunkt
27 die wirksame Querschnittsfläche 26 durchdringt und zu dieser die Normale darstellt.
Fig. 5 zeigt den Verlauf der Wirkungslinien für den voll ausgefederten Fall. Bezugspunkte
sind wieder der Radaufstandspunkt 1, die Lenkerdrehachse 2 und der Aefestigungspunkt
5. Von ihnen aus führen die Resultierende, Radaufstandskraft 15, die Lenkerkraft
25 und die Luft federkraft 55 - jeweils in ihren Wirkungslinien dargestellt - zum
Schnittpunkt 53. Dabei durchdringt die Wirkungslinie 53 den wirksamen Querschnitt
56 - für den sie zugleich die Normale darstellt im M ttelpunkt 37. ner wirksame
Querschnitt 56 berührt auf seiner Umfangslinie 59 den Wulst 14 des Federbalges 6.
Die Achse 55 des Stoßdämpfers 8 schneidet im Punkt 45 die Wirkungslinie 23 der Lenkerkraft.
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Fig. 4 zeigt bei Konstruktionslage des Federbeines eine Zusammenfassung
der aus den Fig. 1-3 gewonnenen geometrischen Orte. nabei dienen wieder der Radaufstandspunkt
1, die Lenkerdrehachse 2 und der Befestigungspunkt 5 als Bezugspunkte, von denen
aus die Resultierende 11, die Wirkungslinie der Lenkerkraft 21 und die Wirkungslinie
der Luftfederkraft 51 ausgehen und sich im Punkt 31 schneiden, dabei liegt der Punkt
31 auf der Kurve 3. nie Kurve 3 verbindet zwischen dem Einfederungsschnittpunkt
52 und dem Ausfederungsschnittpunkt 3) sämtliche Schnittpunkte der von den Bezugspunkten
1, 2 und 5 in jedem beliebigen Ein- oder Ausfederungszeitpunkt ausgehenden Wirkungslinien
der zugeprdneten Kräfte. Im Verlauf der
Kurve 3 ist die Summe aller
Momente gleich Null. Auf der Kurve 4 versammeln sich sämtliche Schnittpunkte der
@toßdämpferachse 15 mit der Wirkungslinie der Lenkerkraft 21. @ie verläuft vorzugsweise
als Kreisbogen um die Lenkerdrehachse 2 zwischen dem Einfederungspunkt 42 und dem
Ausfederungspunkt 45 - im gezeigten Reispiel ist ihr Radius mit der Länge des Lenkers
identisch.
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Die Kurve 7 zeigt den Verlauf der Querschnittsflächenmittelpiinkte
- schematisch dargestellt durch die Mittelpunkte 17, 27, 37 - von voll ein- bis
voll ausgefedert. nie stellt zugleich die Normale zur wirksamen Querschnittsfläche
- schematisch gezeigt durch die Querschnittsflächen 16, 26, 36 - in jedem beliebigen
zugehörigen Ein-oder Ausfederungopunkt dar. @ie schematisch dargestellten wirksamen
Querschnittsflächen 16, 26 und 56 berühren mit ihren ebenfalls schematisch dargestellten
Umfangslinien 19, 29 und 39 den ringförmig umlaufenden Federbalgwulst 14. dieser
folgt beim Ein- und tusfedern der Hüllkurve 9, die sich ergibt, wenn slitntliche
- durch die erforderlichen Federkennlinien bedingten - wirksamen Querschnitts flächen
auf ihren Umfangslinien in einer Kurve zusammen gefaßt werden. niete Hüllkurve stellt
die erfindungsgemäße Führungseinrichtung zum Abrollen des Luftfederbalges 6 ar.
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Fig. 5 zeigt ein Kräfteparallelogramm, bei dem in schematischer narstellung
aus der teitenführungskraft 18 und der Radaufstandskraft 20 die Resultierenden 11
(12, 1)) entsteht. Durch Variation der beiden Kräfte 18 und 20 kann ihr Verlauf
den Erfordernissen der Konstruktion entsprechend beliebig festgelegt werden.
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Fig. 6 zeigt eine Skizze dreier wirksamer Querschnittsflächen 61,
62 und 6 5, die als Beispiel verdeutlichen soll, wie bei - durch Steigngsxindertlng
der Federkennlinie bedingter - Veränderung der wirksamen Querschnittsfläche in Größe
und Lage ihre Mittelpunkte der skizzierten Kurve 7 folgen. Dabei braucht die Hüllkurve
9 im Schnitt weder konkruent zu sein noch muß sie dem Verlauf der Mittelpunktskurve
7 folgen. Zur Erläuterung zeigt Fig. 7 die Skizze einer Federkennlinie, wie sie
durch Anordnung der in Fig. 6 gezeigten
Ausbildung der wirksamen
Querschnittsficjhe etwa entstehen würde. Dabei ist auf der Ordinate die mit F bezeichnete
Federkraft aufgetragen und auf der Abzisse der mit 5 bezeichnete Federweg.
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Im folgenden scll die Konstruktion der Mittelpunktskurve 7 an Hand
der Fig. 4 näher beschrieben werden: Aus den konstrtktiv erforderlichen Kräften
- Seitenführungskraft 1E und Radaufstandskraft 20 - wird, wie in Fig. 5 gezeigt,
die Resultierende 11 konstruiert. Diese wird vom vorher festgelegten Radauf standspunkt
1 ausgehend in ihrer Richtung eingezeichnet. Durch die Konstruktion wird gleichzeitig
die Lenkerdrehachse 2 und der Federbalrbefestigungspunkt 5 vorbestimmt und festgelegt.
Von der Federdrehachse 2 ausgehend wird die in ihrer Richtung durch die konstruktiv
bedingte Normallage festgelegte Wirkungslinie der Lenkerkraft 21 eingezeichnet,
sie schneidet im Punkt 51 die Resultierende 11, die Wirkungslinie 51 verbindet den
Befestigungspunkt 5 mit dem Schnittpunkt 51. An Hand des vorher bestimmten Luftfederbalges
6 und der Länge des Stoßdämpfers 8 läßt sich für diesen - unbelasteten - Fall die
Lage der wirksamen Querschnittsfläche 16 ermitteln und dadurch festlegen, daß die
Wirkungslinie 51 durch ihren Mittelpunkt 17 als Normale gehen muß. Die Größe der
wirksamen Querschnittsfläche 16 wird dabei durch die geforderte Federkennlinie bestimmt.
In gleicher Weise wird, wie in Fig. 2 und 5 gezeigt, der Verlauf der Wirkungslinien
52 und 55 ermittelt. Die Verbindung der Punkte 17, 27 und 57 ergibt die Mittelpunktskurve
7. Die Verbindung der Umfangslinien der wirksamen Querschnittsflächen 16, 26 und
)6 - hier als Endpunkte 19, 29 und 59 gezeigt - ergibt die Hüllkurve 9, deren Kontur
so gestaltet ist, daß die Wirkungslinien der Luftfederkraft, der Lenkerkraft und
der resultierenden Radaufstandskraft in jedem Ein- und Ausfederpunkt zu einem gemeinsamen
Schnittpunkt gelangen, wobei dieser dem Verlauf der Kurve 5 folgt.
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Die Erfindung bezieht sich nicht nur auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
und Skizzen, sondern auch auf im Rahmen des
Erfindungsgedankens
liegende Erweiterungen wie z. B. Richtungsänderung der Wirkungslinien, Ausdehnung
der Schnitt- oder Begrenzungspunkte in Bereiche oder Änderung der Federelemente.