-
Schraubenfederung mit nahezu waagerechter Federungskennlinie für Kraftfahrzeuge
Die Erfindung entstand aus der Zielsetzung heraus, eine Fahrzeugfederung zu schaffen,
welche die Fahrbahnstöße nahezu vollkommen verschluckt. Dies ist nur mit einer extrem
weichen Federung zu erreichen. Beim Gegenstand der Erfindung wird dies insofern
verwirklicht, als die Federungskennlinie im mittleren Bereich nahezu waagerecht
verläuft.
-
Es wurden bereits Federungen vorgeschlagen, bei welchen eine waagerechte
Federungskennlinie erzielt werden sollte. Hierbei hatte man jedoch nicht die Notwendigkeit
der Verstellung der Federung bzw. der Federungskennlinie erkannt. weil man indessen
die Belastungsunterschiede ausgleichen mußte, fügte man der verhältnismäßig komplizierten
Federung mit waagerechter Federungskennlinie eine Feder mit üblicher Federkennlinie
hinzu, welche die Unterschiede der Zuladung aufnehmen sollte. Damit war aber der
alte Zustand wiederhergestellt, weil es der Federungskennlinie und den Federungseigenschaften
vollständig gleichgültig ist, ob der üblichen Federkennlinie eine waagerechte Federungskennlinie
untergelegt ist oder nicht. Maßgebend ist allein die Federhärte der resultierenden
Federungskennlinie. Somit wurde bei den bisherigen Federungen mit Zusatzfedern u.
dgl. die Erzielung einer waagerechten Federungskennlinie nicht erreicht.
-
Hiernach ging man dazu über, die Federungskennlinie progressiv zu
gestalten, Es sollte eine im Verhältnis zur Einfederung des Rades zunehmend steiler
werdende Federungskennlinie erreicht werden. Hierüber wurde eine ganze Reihe von
Fahrzeugabfederungen mit Schraubenfedern bekannt. Allen gemeinsam ist, daß sie vermittels
einer besonderen Anlenkung der Schraubenfeder eine progressive Kennlinie erreichen,
während
die Kennlinie einer Schraubenfeder selbst linear ist. So hat man z. B. innerhalb
des Lenkervierecks der Vorderräder eine auf Zug beanspruchte Schraubenfeder angeordnet.
-
Beim Gegenstand der Erfindung geht man dagegen ebenso wie bei den
zuerst erwähnten Federungen davon aus, die Federungskennlinie - im mittleren Federwegbereich
- annähernd waagerecht zu gestalten, . während die Kennlinie in den Grenzbereichen
abfällt (Ausfederung) bzw. ansteigt (Einfederung). Zum Unterschied zu den bisherigen
Federungsbauarten wird dies jedoch durch eine sehr einfache Anordnung entweder einer
Zugschraubenfeder oder einer Zug- und einer Druckschraubenfeder erreicht. Der wesentlichste
Unterschied der neuen Federung zu den bisher bekannten Federungen besteht jedoch
darin, daß eine Verstellmöglichkeit vorgesehen ist, welche eine Anpassung an die
jeweilige Belastung ermöglicht. Wichtig ist hierbei, daß die Verstellung mittels
eines in einem Punkt am Fahrzeug fest gelagerten Hebels oder Doppelhebels geschieht.
Es sind bereits Federungen z. B. für Motorradsättel und Hinterradfederungen von
Motorrädern bekanntgeworden, bei welchen die Verstellung durch eine gleitende Verschiebung
der Feder an einem schwingenden Hebelarm ermöglicht wird. Eine solche Verstelleinrichtung
schließt die Verstellung während der Fahrt jedoch aus. Dies ist jedoch für eine
nahezu waagerechte Federungskennlinie eine unbedingte Notwendigkeit, da sich diese
sofort jedem geringsten Belastungsunterschied anpassen muß. Infolge der einfachen
Verstellmöglichkeit ist es bei dieser Federung auch möglich, einen Verstellmechanismus
zu verwenden, der durch die Federarbeit selbst betrieben wird und der die Federung,
ohne daß hierzu eine besondere Energiequelle benötigt wird, die Federung selbsttätig
auf die jeweilige Belastung einstellt. Verstelleinrichtungen, die mit fremden Energiequellen
arbeiten, sind in elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Ausführung schon
vorgeschlagen worden. Infolge des sehr komplizierten Aufbaus und des hohen Preises
haben sie sich nicht genügend durchsetzen können.
-
Die eben geschilderten Verstellmöglichkeiten dürfen nicht mit während
der Fahrt verstellbaren Stoßdämpfern verwechselt werden. Diese beeinflussen die
Federungseigenschaften nur in verhältnismäßig geringem Maße und können vor allem
die Belastungsunterschiede nicht ausgleichen.
-
Die Federung mit den vorgehend geschilderten Eigenschaften läßt sich
mit zwei verschiedenen Ausführungen erreichen, die nachfolgend beschrieben werden.
Die erste Ausführung verwendet eine sogenannte Kurbelachse, d. h. eine Radaufhängung
mit einem Längslenker, wie sie Bilder i a und i b zeigen. Auf einen Hebel 2a, welcher
zusammen mit dem Längslenker einen Doppelhebel 2 bildet, wirkt eine Zugschraubenfeder
I ein. Die Anlenkung der Feder am Fahrzeugrahmen erfolgt dagegen über einen kraftschlüssig
verstellbaren Hebel 3, dessen Drehpunkt A fest mit dem Fahrzeugrahmen verbunden
ist. Der Verstellmechanismus, welcher die Verschwenkung und Verstellung des Hebels
3 um den Punkt A bewirkt, wird hier nicht näher behandelt. Eine andere Ausführung
nach Bild 2a und 2b arbeitet mit einer Druck- und einer Zugschraubenfeder. Auch
hier sind die freien Enden der am Radträger 23 angreifenden Schraubenfedern 21 und
22 über einen Verstellhebel 24, der hier als Winkelhebel ausgebildet ist, mit dem
Fahrzeugrahmen verbunden.
-
Zunächst die Ausführung, die nur mit einer Zugfeder i arbeitet. Diese
Ausführung ist an einen kurzen Schwinghebel bzw. Längslenker 2a gebunden, wie er
bei den sogenannten Kurbelachsen zur Anwendung kommen kann. Ein kurzer Längslenker
2a ist hier deshalb erforderlich, weil zur Erzielung der Änderung der Hebelarmübersetzung
beim Durchfedern - auf welcher die waagerechte Federkennlinie ja beruht -eine große
Winkeländerung des Längslenkers beim Durchfedern erforderlich ist. Um diese Winkeländerung
zu erreichen, muß der Längslenker verhältnismäßig kurz bemessen sein. Wie Bilder
Ia und Ib zeigen, ist der Längslenkerarm, an dessen freiem Ende 2' sich das Rad
befindet, ein Teil des Winkelhebels 2. Am freien Ende 2' des Längslenkers greift
somit die Radkraft R an; an dem kurzen Hebel 2a, der mit ersterem den Winkelhebel
2 bildet, greift die Zugschraubenfeder I mit der Federkraft F an. Die Kraft R hat
den Abstand H und F den Abstand h
vom Drehpunkt O des Winkelhebels
2. Bild Ia zeigt den Winkelhebel 2 in völlig ausgefederter, Bild Ib in völlig eingefederter
Stellung.
-
Für die auf das Rad wirksame Kraft R gilt
Durch entsprechende Wahl des Anlenkpunktes B der Schraubenfeder i an dem verschwenkbaren
Verstellhebel 3 kann man erreichen, daß für Ausschläge oberhalb unterhalb bis zum
vom der Waagerechten (Bild i b) die Federkennung nahezu waagerecht verläuft, d.
h. für alle Werte des Federweges s die Radkraft R nahezu konstant bleibt. Außer
dem gezeichneten Anlenkpunkt B gibt es jedoch noch andere, die angenähert auf dem
Kreisbogen b liegen, welchen der Punkt B des Verstellhebels 3 beschreibt. Durch
diesen Verstellhebel kann dann die waagerechte Federkennung parallel zu sich verschoben
werden.
-
Die zweite Ausführung nach Bild za und 2b arbeitet und einer Zugfeder
22. Im mit einer Druckfeder Gegensatz zur ersten Ausführung ist diese Ausführung
nicht an einen kurzen, große Winkelausschläge beschreibenden Schwinghebel oder Längslenker
- wie er für Kurbelachsen in Frage kommt - gebunden. Die Zug- und die Druckfeder
können hier direkt auf die Achse 23 oder andere mit der Achse oder dem Rad verbundenen
Teile wirken, die in gerader oder nahezu gerader senkrechter Richtung durchschwingen.
Bild2a zeigt die Federung in der Stellung Federweg s = Null, Bild 2b bei mittlerer
Einfederung. In denZeichnungen ist angenommen, daB die Federn direkt auf die Achse
23 wirken. In Bild 2b ist die Stellung für s = Null wie auch für s = bo eingezeichnet,
auf welche nachher bei den Diagrammen 3 a und 3 b Bezug genommen wird. Ferner sind
in Bild 2b die Kräfte eingezeichnet, welche Zug- und Druckfeder auf den am Fahrzeug
bei A angelenkten Verstellhebel2q. ausüben. In Richtung
der Druckfeder
ist deren Kraft D, in senkrechter Richtung deren Komponente Dk wirksam. Z ist in
Richtung der Zugfeder wirksam, während Zk deren Komponente in senkrechter Richtung
ist.
-
Bei dieser Anordnung wird eine nahezu waagerechte Federungskennlinie
wie folgt erzielt. Die Diagramme (Bilder 3a und 3b) zeigen den Verlauf von Dk und
Zk über dem Federweg s.
-
Die Summe von Dk und Zk bildet die gesamte auf die Achse oder das
Rad wirkende Federkraft Pk, welche die Federungskennlinie bestimmt.
-
Wählt man die Anordnung so, daß D k für s = Null ein Maximum und für
s = b0 gleich Null und Zk an der Stelle s = b0 gleich Dk, Zk wie deren Ableitung
nach s an der Stelle s = Null gleich Null ist oder formelmäßig ausgedrückt
dann sind die Randbedingungen für eine waagerechte Federungskennlinie von Pk gegeben.
Da ferner für jedes s zwischen Null und nahezu gleich
ist, ergibt sich über den ganzen Bereich zwischen Null und b0 eine gute Annäherung
an die Waagerechte. Auch bei dieser Anordnung kann man durch einen Verstellhebel
24, der hier als Winkelhebel ausgebildet ist, erreichen, daß die Federkennung entsprechend
den verschiedenen Belastungen nahezu parallel verschoben wird. Für die Verstellmöglichkeit
bei dieser zweiten Ausführung gilt dasselbe, was bereits zur ersten Ausführung hierüber
gesagt wurde.