Vorrichtung zur Abstützung eines Federbeins gegenüber einem Fahrzeugaufbau

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Abstützung eines Federbeins gegenüber einem Fahrzeugaufbau.

Eine derartige Vorrichtung in Gestalt eines Kopflagers für ein Federbein eines Fahrwerks in einem Fahrzeug geht aus der DE 196 06 155 Al hervor. Das bekannte Kopflager weist ein dem Federbein zugeordnetes rohrförmiges Wandelement auf, das einen radial nach innen gewölbten Stützring umfasst, der in a- xialer Richtung über ein elastomeres Dämpferelement an einem mit dem Fahrzeugaufbau verbindbaren Befestigungsteller abgestützt ist.

Im Falle einer komfortorientierten Auslegung des Fahrwerks kompensiert das Kopflager idealerweise die beim Ein- bzw. Ausfedern zu überwindenden Losbrech- bzw. Reibungskräfte des Federbeins, wozu die Axialsteifigkeit des Kopflagers möglichst gering sein sollte. Dies erfordert den Einsatz entsprechend weicher bzw. nachgiebiger elastomerer Materialien, deren erhöhte Deformierbarkeit nicht nur zum Auftreten übermäßiger und damit bauraumintensiver Dämpferwege führt, sondern auch eine unerwünschte Verringerung der Radialsteifigkeit des Kopflagers zur Folge hat.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die sich durch

ein verbessertes Verhältnis zwischen Radial- und Axialstei- figkeit bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf auszeichnet .

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abstützung eines Federbeins gegenüber einem Fahrzeugaufbau umfasst eine Lageranordnung mit einer dem Fahrzeugaufbau zugeordneten ersten Lagerschale, mit einer dem Federbein zugeordneten zweiten Lagerschale, und mit einem torusförmigen Rollbalg, der in einem von der ersten und zweiten Lagerschale ausgebildeten Radial- spalt in axialer Richtung abrollend gelagert ist.

Die erfindungsgemäße Konfiguration der Lageranordnung verhindert maßgeblich eine gegenüber dem Fahrzeugaufbau auftretende Bewegung des Federbeins in radialer Richtung, lässt diese jedoch in axialer Richtung weitgehend ungehindert zu. Die auf diese Weise erzielbaren Steifigkeiten liegen in radialer Richtung typischerweise im Bereich zwischen 3000 und 6000 N/m und in axialer Richtung im Bereich zwischen 50 und 100 N/m.

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den maximalen Dämpferweg der Lageranordnung durch geeignete Ausbildung der Lagerschalen auf praxisgerechte Werte einzuschränken. Im allgemeinen genügen Dämpferwege in der Größenordnung zwischen 4 und 5 mm, was zu einem dementsprechend kompakten Aufbau der Lageranordnung führt .

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Vorteilhafterweise ist der torusförmige Rollbalg zur Erhöhung der Radialsteifigkeit mit einem unter Druck stehenden flüssigen und/oder gasförmigen Fluid befüllt. Der Fülldruck liegt typischerweise in der Größenordnung zwischen 30 und 60 bar.

Insbesondere kann ein ringförmiges, von gasdichter Folie umgebenes Gaspolster vorgesehen sein, das in einer in dem to- rusförmigen Rollbalg befindlichen Flüssigkeit frei schwimmend eingebracht ist. Die Kompressibilität des Gaspolsters gewährleistet einen sicheren Druckausgleich innerhalb des torusför- migen Rollbalgs im Falle temperatur- bzw. fertigungsbedingter Schwankungen des Fülldrucks.

Der Mantel des torusförmigen Rollbalgs besteht vorzugsweise aus einem deformierbaren Material, in das stabilisierende Verstärkungsfasern eingelagert sind. Die Herstellung des Rollbalgs erfolgt durch Umformen oder Extrudieren eines geeigneten Ausgangsmaterials. Geeignete Ausgangsmaterialien sind beispielsweise Gummi- oder Silikonkautschuk.

Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Verstärkungsfasern längs und/oder diagonal zur Abrollrichtung des torusförmigen RoIl- balgs verlaufen, sodass die auf die Verstärkungsfasern füll- druckbedingt wirkenden Zugkräfte zu einer zusätzlichen Versteifung des torusförmigen Rollbalgs in radialer Richtung führen. Bei den Verstärkungsfasern kann es sich um metallische Fasern und/oder hochfeste Kunststofffasern, beispielsweise aus Aramid, Kevlar, Vectran und/oder Kohlenstoff, handeln.

Im Hinblick auf die Erzielung einer möglichst geringen Axialsteifigkeit ist es von Vorteil, wenn der torusförmige Rollbalg eine rundum geschlossene Mantelfläche aufweist und innerhalb des Radialspalts frei abrollend („schwimmend") gelagert ist. Die Druckbefüllung erfolgt in diesem Fall bereits bei Herstellung des Rollbalgs. Eine nachträgliche Anpassung des Fülldrucks ist dementsprechend nicht möglich.

Alternativ ist es vorstellbar, dass der torusförmige Rollbalg entlang seines Innendurchmessers eine in einem ersten und zweiten Wulst mündende öffnung aufweist, wobei der erste und zweite Wulst druckdicht mit der zweiten Lagerschale ab-

schließt. Ein derartiger Rollbalg, der insbesondere auch als Differenz- oder Doppelrollbalg ausgebildet sein kann, lässt sich aufgrund seiner offenen Mantelfläche vergleichsweise einfach herstellen. Die Druckbefüllung kann in diesem Fall nach Einbau in die Lageranordnung erfolgen. Zu diesem Zweck ist in der zweiten Lagerschale eine verschließbare Zuleitung ausgebildet, die eine flexible Anpassung des Fülldrucks und damit der Dämpfungscharakteristik der Lageranordnung erlaubt. Vorteilhafterweise ist die mit dem torusförmigen Rollbalg in Kontakt stehende Abrollkontur der ersten und/oder zweiten Lagerschale axial- und/oder radialsymmetrisch ausgebildet. Eine derartige Kontur lässt sich mit vergleichsweise geringem fertigungstechnischem Aufwand herstellen.

Es ist allerdings auch möglich, dass die mit dem torusförmi- gen Rollbalg in Kontakt stehende Abrollkontur der ersten und/oder zweiten Lagerschale in radialer und/oder axialer Richtung asymmetrisch ausgebildet ist. Durch geeignete Formgebung der Abrollkontur kann eine anisotrope Konditionierung der Radialsteifigkeit der Lageranordnung vorgenommen werden. So ist bei einer Verwendung der Lageranordnung in einem Fahrwerk im allgemeinen in Richtung der Fahrzeuglängsachse eine geringere Radialsteifigkeit erwünscht als in Richtung der Fahrzeugquerachse .

Eine vergleichbare Wirkung kann durch gezieltes Variieren des Dichteverlaufs der im Mantel des Rollbalgs eingelagerten Verstärkungsfasern erreicht werden. Je höher die Dichte der Verstärkungsfasern ist, umso größer ist die Radialsteifigkeit der Lageranordnung in der betreffenden Richtung.

Zusätzlich oder alternativ kann die erste Lagerschale mittels an geeigneter Stelle angeordneter bogenförmiger Dämpferelemente in einer dem Fahrzeugaufbau zugeordneten Befestigungs- buchse gelagert sein. Die Dämpferelemente sind beispielsweise in Gestalt von Gummiwulsten oder dergleichen ausgebildet. Je nach Anordnung, Materialeigenschaften und Formgebung der

Dämpferelemente ist auf diese Weise ebenfalls eine Konditionierung der Radialsteifigkeit möglich.

Vorteilhafterweise verjüngt sich der Radialspalt jeweils zu seinen Enden hin. Der hierdurch hervorgerufene progressive Anstieg der Axialsteifigkeit führt zu einer zuverlässigen Begrenzung des maximal zulässigen Dämpferwegs.

Des weiteren besteht die Möglichkeit, dass die mit dem torus- förmigen Rollbalg in Kontakt stehende Abrollkontur der ersten und/oder zweiten Lagerschale zur Kompensation einer im Fahrzeugstillstand wirkenden RadaufStandskraft im wesentlichen konisch zuläuft. Die konische Kontur wird derart bemessen, dass die beiden Lagerschalen bei Einwirken der Radaufstands- kraft eine vorgegebene Ausgangs- bzw. Ruheposition zueinander einnehmen.

Um ein Verkanten des Federbeins zu vermeiden, ist es von Vorteil, wenn die Lageranordnung gegenüber dem Fahrzeugaufbau und/oder gegenüber dem Federbein kardanisch aufgehängt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Querschnittsdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abstützung eines Federbeins gegenüber einem Fahrzeugaufbau mit einem torusförmigen Rollbalg,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Querschnittsdarstellung mit unterschiedlichen Ausgestaltungen bezüglich des torus- förmigen Rollbalgs,

Fig. 3 eine beispielhafte Weiterbildung der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zusätzlichen Lagerelementen zur Konditionierung der Radialsteifigkeit .

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abstützung eines Federbeins gegenüber einem Fahrzeugaufbau.

Die Vorrichtung umfasst eine Lageranordnung 10, mit einer dem Fahrzeugaufbau 11 zugeordneten ersten Lagerschale 12, mit einer dem Federbein 13 zugeordneten zweiten Lagerschale 14, und mit einem torusförmigen Rollbalg 15, der in einem von der ersten Lagerschale 12 und zweiten Lagerschale 14 ausgebildeten Radialspalt 16 in axialer Richtung 22 abrollend gelagert ist.

Wie zu erkennen ist, verhindert die vergleichsweise breite Kontaktfläche 20 des torusförmigen Rollbalgs 15 eine gegenüber dem Fahrzeugaufbau 11 auftretende Bewegung des Federbeins 13 in radialer Richtung 21, lässt diese jedoch in axialer Richtung 22 weitgehend ungehindert zu.

Zur Erhöhung der Radialsteifigkeit ist der torusförmige RoIl- balg 15 mit einem unter Druck stehenden flüssigen und/oder gasförmigen Fluid befüllt. Der Fülldruck p _fluld liegt typischerweise in der Größenordnung zwischen 30 und 60 bar.

Der Mantel des torusförmigen Rollbalgs 15 besteht aus einem deformierbaren Material, in das stabilisierende Verstärkungsfasern eingelagert sind. Die Herstellung des Rollbalgs 15 erfolgt durch Umformen oder Extrudieren eines geeigneten Ausgangsmaterials. Geeignete Ausgangsmaterialien sind beispielsweise Gummi- oder Silikonkautschuk.

Die Verstärkungsfasern verlaufen längs und/oder diagonal zur Abrollrichtung des torusförmigen Rollbalgs 15, sodass die auf die Verstärkungsfasern fülldruckbedingt wirkenden Zugkräfte zu einer zusätzlichen Versteifung des Rollbalgs 15 in radialer Richtung 21 führen. Bei den Verstärkungsfasern handelt es sich um metallische Fasern und/oder hochfeste Kunststofffasern, beispielsweise aus Aramid, Kevlar, Vectran und/oder Kohlenstoff.

Beispielsgemäß verjüngt sich der Radialspalt 16 zu seinen Enden hin. Der hierdurch hervorgerufene progressive Anstieg der Axialsteifigkeit der Lageranordnung 10 führt zu einer entsprechenden Begrenzung des maximal zulässigen Dämpferwegs. Letzterer liegt typischerweise in der Größenordnung von 4 bis 5 mm.

Zusätzlich läuft die mit dem torusförmigen Rollbalg 15 in Kontakt stehende Abrollkontur der ersten Lagerschale 12 und/oder der zweiten Lagerschale 14 im wesentlichen konisch zu. Die konische Kontur ist derart bemessen, dass die beiden Lagerschalen 12 und 14 im Falle einer im Fahrzeugstillstand auf die Lageranordnung 10 wirkenden RadaufStandskraft eine vorgegebene Ausgangs- bzw. Ruheposition zueinander einnehmen.

Um ein Verkanten des Federbeins 13 zu vermeiden, ist die Lageranordnung 10 gegenüber dem Fahrzeugaufbau 11 und/oder gegenüber dem Federbein 13 kardanisch aufgehängt, was durch Verwendung eines nicht dargestellten Kugelgelenks oder dergleichen erfolgt.

Besondere Ausgestaltungen der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung sollen im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 und Fig. 3 erläutert werden. Hierbei sind miteinander korrespondierende Teile mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.

Fig. 2 zeigt - ebenso wie Fig. 3 - ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Querschnittsdarstellung mit unterschiedlichen Ausgestaltungen bezüglich des torusför- migen Rollbalgs 15. Bei dem dargestellten Federbein 13 handelt es sich um ein herkömmliches Mc-Pherson-Federbein.

Gemäß der in Fig. 2 a) bzw. 3 a) wiedergegebenen Ausgestaltung weist der torusförmigen Rollbalg 15a eine rundum geschlossene Mantelfläche auf und ist innerhalb des Radial - spalts frei abrollend („schwimmend") gelagert. Die Druckbe- füllung erfolgt vor dem Einbau in die Lageranordnung 10, genauer gesagt bereits bei Herstellung des torusförmigen RoIl- balgs 15a.

Gemäß der in Fig. 2 b) bzw. 3 b) wiedergegebenen Ausgestaltung weist der torusförmige Rollbalg 15 entlang seines Innendurchmessers eine in einem ersten Wulst 23 und einem zweiten Wulst 24 mündende öffnung auf, wobei der erste Wulst 23 und der zweite Wulst 24 druckdicht mit der zweiten Lagerschale 14 abschließt. Die Druckbefüllung des torusförmigen Rollbalgs 15 erfolgt nach Einbau in die Lageranordnung 10. Zu diesem Zweck ist in der zweiten Lagerschale 14 eine verschließbare Zuleitung 30 ausgebildet.

Hierbei ist ein ringförmiges, von gasdichter Folie umgebenes Gaspolster 31 vorgesehen, das in einer in dem torusförmigen Rollbalg 15b befindlichen Flüssigkeit frei schwimmend eingebracht ist .

An dieser Stelle sei angemerkt, dass der torusförmige RoIl- balg 15 entgegen der Darstellung in Fig. 2 b) bzw. 3 b) auch als Differenz- oder Doppelrollbalg ausgebildet sein kann.

Beispielsgemäß ist die mit dem torusförmigen Rollbalg 15 in Kontakt stehende Abrollkontur der ersten Lagerschale 12 und/oder der zweiten Lagerschale 14 axial- und/oder radial - symmetrisch ausgebildet. Eine derartige Kontur lässt sich mit

vergleichsweise geringem fertigungstechnischem Aufwand herstellen.

Alternativ ist die Abrollkontur der ersten Lagerschale 12 und/oder der zweiten Lagerschale 14 in radialer und/oder axialer Richtung asymmetrisch ausgebildet. Durch geeignete Formgebung der Abrollkontur kann eine anisotrope Konditionierung der Radialsteifigkeit der Lageranordnung 10 vorgenommen werden.

Zur Erzielung einer vergleichbaren Wirkung wird der Dichteverlauf der im Mantel des Rollbalgs 15 eingelagerten Verstärkungsfasern gezielt variiert oder aber - wie in Fig. 3 dargestellt - die erste Lagerschale 12 mittels an geeigneter Stelle angeordneter bogenförmiger Dämpferelemente 32 in einer dem Fahrzeugaufbau 11 zugeordneten Befestigungsbuchse 33 gelagert. Die Dämpferelemente 32 sind im vorliegenden Fall in Gestalt von Gummiwulsten ausgebildet, die entlang der Fahrzeuglängsachse verlaufen, sodass in dieser Richtung die Radialsteifigkeit der Lageranordnung 10 geringer ist als in Richtung der Fahrzeugquerachse .