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Dokumentenidentifikation DE4110651A1 08.10.1992
Titel Regelbares Federsystem aus mehreren Federn und Anwendungen solcher Federsysteme speziell bei Fahrzeugfederungen
Anmelder Ingelheim, Peter, Graf von, 8309 Au, DE
Erfinder Ingelheim, Peter, Graf von, 8309 Au, DE
DE-Anmeldedatum 02.04.1991
DE-Aktenzeichen 4110651
Offenlegungstag 08.10.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.10.1992
IPC-Hauptklasse F16F 3/02
IPC-Nebenklasse F16F 15/02   F16F 3/07   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein regelbares Federsystem aus mehreren Federn und Anwendungen solcher Federsysteme speziell bei Fahrzeugfederungen.
Dabei sind zwei parallel- oder hintereinandergeschaltete Federn mit einem Schalt- oder Verstellsystem so versehen, daß die Federrate des Gesamtsystems zwei- oder mehrstufig oder stufenlos verändert werden kann.
Derartige Federsysteme werden bevorzugt als Fahrzeugfederungen eingesetzt dergestalt, daß bei Kurvenfahrten die Fahrzeugfedern so eingestellt sind, daß die Federn des Kurveninnenrades und des Kurvenaußenrades unterschiedliche Härte haben.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein regelbares Federsystem mit mehreren Federn und Anwendungen solcher Federsysteme speziell bei Fahrzeugfederungen.

Einfache Federn weisen unveränderliche Kennlinien auf, die linear, progressiv oder degressiv verlaufen können. Es gibt aber Anwendungsgebiete, bei denen es sinnvoll ist, die Federkennlinie zu verändern.

Als wichtigstes Anwendungsgebiet seien die Federungen von Fahrzeugen genannt.

Fahrzeugfedern sollen aus Komfortgründen möglichst weich sein. Um den Aufbau in Kurven möglichst gering wanken zu lassen und dem Fahrzeug genügend Kurvenstabilität zu geben, dürfen sie nicht zu weich sein. Die Auslegung der Fahrzeugfedern ist daher stets ein Kompromiß.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, ermöglicht die Kennlinie einer aus mehreren einfachen Federn zusammengesetzten Federung mit Hilfe eines schalt- oder verstellbaren Regelelementes zu verändern und so einem jeweiligen Bedarf anzupassen. Dies wird dadurch erreicht, daß das Federsystem aus zwei hintereinander oder parallel geschalteten oder schaltbaren Federn I und II mit den Federraten c1 und c2 besteht und eine der beiden Federn zu- oder abgeschaltet werden kann oder die beiden hintereinandergeschalteten oder -schaltbaren Federn durch ein Getriebe so verbunden sind, daß entweder die beiden Federn verschieden stark belastet sind und/oder die für einfach hintereinandergeschaltete Federn gültige Gleichung c&sub1;*f&sub1;=c&sub2;*f&sub2; mit f1,2=Federweg der Feder I, II; für die beiden Federn I und II nicht gilt.

Die Abb. 1-8 dienen der Erläuterung des erfindungsgemäßen Federsystems.

Fig. 1 zeigt das Prinzip des erfindungsgemäßen Federsystems.

Zwei hintereinandergeschaltete Federn I und II mit den Federraten I, II zusammengepreßt wird; sind über ein Getriebe verbunden.

Wird das Federsystem mit der Kraft F belastet, federt die Feder I um den Weg S&sub1; und die Feder II um den Weg S&sub2; ein. Dann gilt für die Federrate c1+2 des Gesamtsystems

c1+2 = F/(S&sub1;+S&sub2;) = (c&sub2;+µ²*c&sub1;)/(1+µ)²

mit µ = S&sub1;/S&sub2;.

Beweis

Zur Berechnung der Federrate des Gesamtsystems stellt man vier Gleichungen auf:

Wegen des Leistungsgleichgewichtes gilt:

(S&sub1; + S&sub2;)*F/2 = S&sub1;*F&sub1;/2 + S&sub2;*F&sub2;/2 (Gl. 1)

Weiterhin gilt:

S&sub1; = µ*S&sub2; (Gl. 2)

S&sub1; = F&sub1;/c&sub1; (Gl. 3)

S&sub2; = F&sub2;/c&sub2; (Gl. 4)

Aus Gl. 2, 3, 4 folgt:

F&sub1; = µ*F&sub2;*c&sub1;/c&sub2; (Gl. 5)

Aus Gl. 1, 2, 5 folgt:

F&sub2; = (µ + 1)*F/((µ²*c&sub1;/c&sub2;)) + 1) (Gl. 6)

Aus Gl. 1, 3, 4, 5, 6 folgt:

(S&sub1; + S&sub2;)*F = (1 + µ)²*F²/(µ²*c&sub1; + c&sub2;)

und daher die Behauptung.

Fig. 2 zeigt das Konzept eines Federsystems welches durch ein mechanisches Getriebe verbunden ist. Eine erste Feder 1 stützt sich am Gehäuse 8 und einer Zwischenplatte ab, eine zweite Feder 2 stützt sich an der Zwischenplatte und dem Kraftaufnehmer 3 ab.

Im Gehäuse 8 ist ein Führungsnut 7, im Kraftaufnehmer ein Führungsschlitz 4 und an der Zwischenplatte ein parallel verschiebbares Führungselement 5, das mit einem Stift 6 durch den Führungsschlitz 4 im Führungsnut 7 endet.

Fig. 3 zeigt das Funktionsprinzip dieses Kurvengetriebes.

In Fig. 3a ist eine mögliche Abwicklung des Ausgangsgetriebes abgebildet.

Der Führungsnut 7 sei eine beliebig gebogene Kurve. Wird der Kraftaufnehmer und damit der Führungsschlitz 4 nach oben bewegt, fährt der Stift entlang des Führungsnut 7 und bewegt das Führungselement 5 und mit ihm die Zwischenplatte nach oben. Je nach Richtung des Führungsnuts wird bei gegebener Länge der Bewegung des Kraftaufnehmers bzw. des Führungsschlitzes 4 die Zwischenplatte bzw. das Führungselement 5 unterschiedlich weit nach oben bewegt.

Fig. 3b, 3c und 3d zeigen wie durch waagrechtes, senkrechtes und schräges Verschieben des Führungsnuts 7 im Gehäuse das Einfedern der Zwischenplatte bzw. des Führungselementes 5 bei gegebener Einfederungslänge des Kraftaufnehmers bzw. des Führungsschlitzes 4 verändert werden kann.

Fig. 4 zeigt eine Veränderung des Federweges der Zwischenplatte durch Verdrehen des Führungsnuts im Gehäuse.

Durch derartige Veränderungen des Führungsnuts 7 können die Übersetzangen und damit die Faktoren µ in der angegebenen Gleichung der Federrate C1+2 verändert werden. Somit ändert man damit auch die Federrate.

Fig. 5 zeigt die Federkennlinien für die Federrate c1+2 für c&sub1;=2*c&sub2; und µ=5, µ=2 und µ=0.5.

Ist das Federsystem mit einer gegebenen Kraft F belastet und so eingestellt, daß µ=2, dann findet man sich im Punkt P&sub1;.

Ändert man µ, so daß µ=5 ist, so wird das Federsystem ausfedern, so daß man sich in P&sub2; befindet.

Ändert man µ nach 0.5, dann wird das Federsystem stärker einfedern, so daß man sich in P&sub3; befindet.

Fig. 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Getriebe bei dem ein hydraulisches Getriebe so zugeschaltet werden kann, daß die sonst unverbundenen Federn hintereinandergeschaltet sind. Ein derartiges Federsystem ist zur Verbesserung der Kurvenstabilität von Fahrzeugen gedacht. Die beiden Federungen 10,11 des linken und rechten Rades enthalten Hydraulikzylinder 12,13, deren Kolben mit der Ein- und Ausfederung nach oben und unten bewegt werden. Die Leitungen von der einen zur anderen Kolbenseite können durch ein Wegeventil 14 unterschiedlich geschaltet werden.

Bei Geradausfahrt sind die beiden Kolbenseiten miteinander verbunden, so daß die Zylinder wie normale Dämpfer wirken oder sogar keinen Widerstand erbringen.

Mit dem Lenkeinschlag und evtl. in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit wird das Wegeventil geschaltet.

Wenn die Federung 10 am Kurvenaußenrad wirkt, wird der obere Raum des Zylinders 12 mit dem unteren Raum des Zylinders 13 verbunden.

Wird nun das Kurvenaußenrad durch die fliehkraftabhängige Gewichtsverlagerung stärker belastet, wird auch die Außenfeder stärker belastet und zusammengepreßt. Die große Kolbenfläche des Zylinders 12 drückt das Öl auf die kleine Kolbenfläche des Zylinders 13, so daß:

  • 1. die Federung 10 härter wird und
  • 2. die Federung 11 stärker zusammengepreßt wird als die Federung 10.


Das Fahrzeug wird sich daher auf der Kurveninnenseite senken.

Fig. 7 zeigt Möglichkeiten mit Hydraulikzylindern die Federrate eines erfindungsgemäßen Federsystems zu ändern.

In 7a und 7b kann mit Hilfe eines Ventils und eines Zylinders 33 in jeder Position des Federungssystems die weichere Feder 30 gesperrt oder eine zweite, parallelwirkende Feder 35 zugeschaltet werden, so daß sich die Federkennlinie ändert.

In Fig. 7c sind beide Federn 37, 38 sperrbar.

Anhand Fig. 8 sind verschiedene Konzepte für die Anwendung erfindungsgemäßer Federsysteme zur Verbesserung des Fahrwerks von Fahrzeugen in Kurven kurz skizziert.

An einem Fahrzeug, welches mit einer bestimmten Geschwindigkeit v durch eine Kurve des Radius r fährt, wirkt die Fliehkraft waagrecht nach außen und die Gewichtskraft senkrecht nach unten. Als resultierenden Summenvektor erhält man den Vektor S, der nach dem kurvenäußeren Rad weist.

Diese Summenkraft bewirkt ein Wanken des Aufbaus aus der Kurven heraus, der den Fahrzeugschwerpunkt in Richtung des kurvenäußeren Rades verlagert.

Fig. 8 zeigt stark übersteigert das Verhalten des Fahrzeugs bei normalen Federungen und bei Federungen nach dem erfindungsgemäßen Konzept:

Bei normalen Federn wird in der Kurve der Fahrzeugschwerpunkt nach außen verschoben und somit gleichsam die Stützlänge des Abstandes zwischen der Senkrechten des Schwerpunkts auf die Fahrzeugachse und dem Außenrad verkürzt.

Das Konzept der Federsperrung nach Fig. 7 schaltet nur die kurvenäußere Feder auf hart.

Der die kurvenäußeren Federn wesentlich stärker belastende Summenvektor S drückt diese Federn nur geringfügig zusammen, so daß der Aufbau kaum wankt und sich der Schwerpunkt nur geringfügig zur Kurvenaußenseite verlagert.

Die Stützlänge zwischen kurvenäußerem Rad und der Senkrechten vom Schwerpunkt auf die Fahrzeugachse bleibt nahezu konstant.

Das Konzept der durch Getriebeverstellung geregelten Federsystemen der Fig. 2-4 und der selbstregelnden Federn der Fig. 6 ändert gezielt durch die Lenkradeinstellung die Federhärte von Innen- und Außenfederung.

Anhand von Fig. 5 sei das daraus resultierende Verhalten beschrieben.

Befindet man sich bei Geradausfahrt im Punkte P1, d. h. für die Federn beider Fahrzeugseiten hat man die Federhärte mit µ=2, dann sind bei gleichmäßiger Belastung beider Seiten beide Federn gleich weit zusammengepreßt. Verschiebt man nun die Federhärte der einen Seite nach µ=5, dann wird bei weiterhin gleichmäßiger Belastung diese Feder etwas ausfedern und den Fahrzeugaufbau an dieser Seite anheben.

Verschiebt man gleichzeitig die Federhärte der anderen Seite nach µ=0.5, dann wird diese Feder noch stärker zusammengepreßt und der Fahrzeugaufbau an dieser Seite gesenkt. Der Fahrzeugschwerpunkt wird somit zur Seite der weicheren Feder verschoben.

Wenn man diese Federeinstellung gezielt über den Lenkeinschlag vornimmt, kann man so in Kurven die Stützlänge zwischen kurvenäußerem Rad und Senkrechter vom Schwerpunkt auf die Achse verlängern.

Beim Konzept der Fig. 2-4 kann die Federrate gezielt durch eine Regelung, die verschiedene Variable berücksichtigen kann, eingestellt werden.

Bei der selbstregelnden Feder der Fig. 6 geschieht die Einstellung der Federhärte in Abhängigkeit von der Fliehkraft dergestalt, daß je starker die Querbeschleunigung in der Kurve ist, desto stärker sich der Aufbau nach der Kurveninnenseite neigt.


Anspruch[de]
  1. 1. Federsystem, welches aus zwei parallel- oder hintereinandergeschalteten Federn I und II besteht mit der Federhärte C1 = F1/f1 und C2 = F2/f2 mit F1, 2 = Federkraft der Feder I, II und f1, 2 = Federweg der Feder I, II dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalt- oder Verstellsystem vorhanden ist, mit dessen Hilfe die Federrate C1+2 des Federsystems verändert werden kann in der Weise, daß
    1. a) in jeder Stellung des Federsystems eine der beiden Federn 30; 34; 37, 38; durch ein Sperrelement 33; 39, 40; so zu- oder ausgeschaltet werden kann, daß nur eine der beiden Federn oder beide Federn als Federelemente wirken und so die Federrate C1+2 des Federsystems verändert wird,
  2. und/oder
    1. b)daß die beiden hintereinandergeschalteten Federn 1, 2; 10, 11; durch ein Getriebe 3, 4, 5, 6, 7, 8; 12, 13; verbunden sind, welches zu- oder ausgeschaltet werden kann oder dessen Übersetzung verstellt werden kann, so daß entweder die beiden Federn 12, 13 verschieden stark belastet sind und/oder die für einfach hintereinandergeschaltete Federn gültige Gleichung c&sub1;*f&sub1;=c&sub2;*f&sub2; für die beiden. Federn 1, 2 nicht gilt.
  3. 2. Federsystem unter Patentanspruch 1, bei welchem ein Sperrelement zur Sperrung einer Feder vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrelement der einen Feder 30; 34; 37, 38; ein Hydraulikzylinder 33; 39, 40; ist, dessen Kolben mit der Federbewegung im Zylinder hin- und herbewegt wird und Öl von der einen auf die andere Kolbenseite bewegt durch eine mit einem Ventil versperrbare Leitung.
  4. 3. Federsystem unter Patentanspruch 1, 2, bei dem ein zu- oder abschaltbares Getriebe vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe aus zwei Hydraulikzylindern 12, 13 besteht, von denen jeder mit einer Feder so zusammenarbeitet, daß sein Kolben mit der jeweiligen Feder hin- und herbewegt wird und ein Ventil 14 vorhanden ist, mit dessen Hilfe die Zylinderräume der beiden Zylinder verbunden oder getrennt werden können.
  5. 4. Federsystem unter Patentanspruch 1-3, bei dem ein verstellbares Getriebe vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß Getriebe ein mechanisches, dreiteiliges Getriebe 3; 5; 7; von denen zwei bewegliche Teile 3; 5; mit den Federschwankungen bewegt werden und das dritte Teil 7 im Gehäuse fixiert aber verstellbar ist, sodaß durch Verstellung des dritten Teils die Relativbewegungen der beiden beweglichen Teile 3, 5 zueinander verändert werden können.
  6. 5. Federsystem unter Patentanspruch 1-4, welches als Federung eines Kraftfahrzeugs eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung durch die Verstellung des Lenkrades und/oder durch andere Steuergrößen so geschieht, daß bei Kurvenfahrten die kurveninneren und kurvenäußeren Räder unterschiedlich hart gefedert sind.
  7. 6. Federsystem unter Patentanspruch 1-5, welches als Federung eines Kraftfahrzeugs eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung des Federsystems in Abhängigkeit von der Beladung, der Fahrzeugbeschleunigung, der Fahrzeugverzögerung oder der Fahrzeugneigung geschieht.






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