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Hydropneumatische Federung-un Stossdämpfungseinrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge
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Die vom Stossdämpferkolben bewegte Pumpe ist vorzugsweise eine einfach wirkende Flüssigkeits- pumpe, die so betätigt wird, dass ihr grösster Widerstand bei der Bewegung eines Rades nach unten auf- tritt und dass dann das Ansaugen der Federungsflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter stattfindet.
Ein Federungselement mit den oben angeführten Eigenschaften hat gewöhnlich die Neigung, sich mit Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter zu füllen, wenn das Fahrzeug auf einem unebenen Boden rollt, d. h. sie versucht, das Fahrzeug in eine höhere Lage zu bringen. Im Federungselement ist in einfacher
Weise eine Abflusseinrichtung vorgesehen, die vorzugsweise innerhalb des Federungselementes angeord- net ist und dann zur Wirkung kommt, wenn das Fahrzeug und damit die mittlere relative Lage der abge- federten und nicht abgefederten Massen eine Höhe über dem Boden erreicht, die einen Grenzwert über- schreitet.
Diese Abflusseinrichtung kann beispielsweise durch ein Ventil gebildet sein, dessen Sitz relativ zu einem Rad festliegt und das durch ein flexibles Verbindungsorgan gehalten ist, z. B. durch einen Poly- amidfaden, von dem ein Ende im Federungselement gehalten und das andere Ende durch eine Feder mit langem Federweg gespannt ist. Das Ventil ist normalerweise geschlossen, öffnet sich aber jedesmal dann, wenn der Abstand zwischen einem Rad und dem Gestell des Fahrzeuges einen Grenzwert über- schreitet.
Im andern Fall, d. h. dann, wenn der genannte Abstand vorübergehend zu klein ist, was einen Man- gel an Flüssigkeit im Federungselement bedeutet, führt jeder Stoss, der auf das Federungselement aus- geübt wird, mittels der Pumpe ein wenig Flüssigkeit zu, so dass das System fortschreitend in den Gleich- gewichtszustand zurückkehrt.
Da die Federungseinrichtung elastische Anschläge zur Begrenzung der Kolbenbewegung aufweist, kann sich das nicht benutzte Fahrzeug bei inneren, praktisch nicht vermeidbaren, jedoch unbedeutenden
Flüssigkeitsverlusten auf die elastischen Anschläge aufsetzen. Die hydropneumatische Federung kann trotz dieser Verluste noch das Wagengewicht tragen, und bei der Fahrt wird durch die Fahrbahnstösse und die hiedurch ausgelöste Pumpentätigkeit schnell die Tragfähigkeit der hydropneumatischen Federung heraufgesetzt.
Die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen zeigt verschiedene weitere Merkmale der Erfindung auf. Es zeigen : Fig. 1 im Schema eine bekannte hydropneumatische Federungs-und Stossdämpfereinrichtung mit automatischer Höhenkorrektur, Fig. 2 das Prinzip einer erfindungsgemässen Einrichtung, Fig. 3 einen Vertikalschnitt einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung und Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine bekannte hydropneumatische Federungs-und Stossdämpfereinrichtung mit selbsttätiger Korrektur der Fahrzeughöhenlage, die am Beispiel eines einzigen Rades stark vereinfacht wiedergegeben ist. Diese Einrichtung besteht im wesentlichen aus einem Behälter 1, in dem eine bestimmte Menge eines Gases, das durch eine Membran 2 abgeschlossen ist, und eine Flüssigkeit enthalten sind, die einen fest mit dem Behälter 1 verbundenen Federungszylinder 3 ausfüllt. Im Federungszylinder ist ein mit einem Rad 5 verbundener Kolben 4 verschiebbar. Der Zylinder 3 enthält eine Scheidewand 6, die als Stossdämpfer wirkt und zu diesem Zweck in bekannter Weise mit kalibrierten Durchlässen und entgegengesetzt wirkenden Ventilen 6a, 6b versehen ist. Die Ventile sind durch einfache Pfeile angedeutet.
Die selbsttätige Höhenkorrektur wird vorteilhaft durch Anpassen der im Federungselement enthaltenen Flüssigkeitsmenge vorgenommen. Zu diesem Zweck ist, wie Fig. 1 schematisch zeigt, in bekannter Weise ein Dreiwegeventil 7 vorgesehen, das mit der Achse des Rades 5 über eine elastische verzögerungseinrichtung 8 verbunden ist. Das Dreiwegeventil 7 verbindet den Zylinder entweder mit einem Vorratsbehälter 9 oder mit einem Sammelbehälter 10, der Druckflüssigkeit enthält, die vom Vorratsbehälter durch eine Pumpe 11 zugeführt wird.
Bei dieser Ausführungsform wird die ganze bei der Dämpfung vernichtete Energie in Wärme umgewandelt. Es ist bekannt, als Pumpe 11 eine Kolbenpumpe zu verwenden, die durch die Vertikalbewegungen des Rades 5 bzw. des Federungskolbens 4 betätigt wird, wobei jedoch weder die Eigenschaften der Aufhängung verändert noch eine Vereinfachung der Einrichtung erreicht wird.
Bei der erfindungsgemäss verbesserten Einrichtung nach Fig. 2 ist die Scheidewand 16 als ein schwimmender, stossdämpfender Kolben ausgebildet, der sich im Federungszylinder 3 verschieben kann und mit dem Kolben 15 einer Pumpe, beispielsweise durch einen in einem elastischen Lagerblock 14a schwenkbaren zweiarmigen Hebel 14, der sich zwischen zwei z. B. als Gummikegel mit progressiver Kennlinie ausgebildeten elastischen Anschlägen 12 und 13 verlagern kann, verbunden ist.
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Der Kolben 15 gleitet in einem Pumpengehäuse 17, das mit durch Pfeile schematisch ange- deuteten Einlass- und Auslassventilen versehen ist. Das Pumpengehäuse ist einerseits mit dem Vorrats- behälter 9 verbunden, in dem die Flüssigkeit unter dem Umgebungsdruck gespeichert ist, und ander- seits mit dem Behälter 1 der Federungseinrichtung. Man erkennt, dass die von einem unebenen Boden auf das Rad 5 ausgeübten Stösse eine Übertragung von Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 9 in das
Federungselement 1, 3 nach sich ziehen, wodurch das Fahrzeug in eine obere Lage gehoben wird.
Diesem Anheben wird durch ein Entleerungsventil entgegengewirkt, das Flüssigkeit in den Vorratsbe- hälter entweichen lässt, sobald das Federungselement eine bestimmte Höhe über Boden zu passieren ver- sucht. Gemäss Fig. 2 ist dieses Entleerungsventil durch den Kolben 4 selbst gebildet ; dieser gibt eine Öffnung 18 im Zylinder 3 frei, die über eine Leitung 19 mit dem Vorratsbehälter 9 verbun- den ist.
Man erkennt, dass beim ständigen Arbeiten der beschriebenen Federung eine besondere Verzöge- rungsvorrichtung entbehrlich ist, da ein in der Leitung 19 gelegener kalibrierter Durchlass 19a ge- nügt, um zu vermeiden, dass ein einzelner Stoss mit grosser Amplitude eine unzulässige grosse Absenkung der Radaufhängung hervorrufen kann. Die Pumpenenergie wird im Rahmen der Erfindung von der sonst verlorenen Dämpfungsenergie geliefert. Die Einrichtung zur Abgabe von Flüssigkeit kann sehr einfach ausgebildet sein. Die Höhenkorrektur wirkt beispielsweise dauernd und tritt je nach Bedarf in Tätigkeit.
Eine gewisse progressive Wirkung kann man leicht dadurch erhalten, dass man mehrere Öffnungen 18 mit verschiedenen Grössen übereinander anordnet. Durch Verbindung dieser Öffnungen mit dem Vorratsbehälter über einen Hahn mit mehreren Stellungen kann eine von Hand regelbare Einrichtung für die Bodenfreiheit geschaffen werden, die sehr unempfindlich ist, da die Dichtung dieses Hahnes, der in einer Niederdruck führenden Leitung liegt, nicht besonders gut zu sein braucht.
Das untere Ende des Zylinders 3 kann von einer elastischen, mit unter Umgebungdruck stehendem Öl gefüllten Manschette umgeben sein, was im Bedarfsfall eine Vereinfachung der Abdichtung des Kolbens 4 ermöglicht.
Die Fig. 3 und 4 betreffen eine weiterentwickelte Ausführungsform, die einen schwimmenden Stossdämpferkolben enthält, der mit dem Pumpenkolben verbunden ist und koaxial zu letzterem liegt.
Der Zylinder 3 wird unten von einer durch eine Membran 21 abgeschlossenen Schale 20 umfasst. Die Membran 21 ist an ihrem Umfang durch einen Ring 22a gehalten, der seinerseits durch einen Sprengring 22b festgehalten ist. Das obere Ende des Zylinders ist an einer dicken Platte 23 festgeschraubt.
Die Schale 20 ist mit dem nicht dargestellten Vorratsbehälter 9 über eine Leitung 20a und mit einer in der Platte 23 untergebrachten Kammer 23a über eine zweite Leitung 20b verbunden, wobei diese Anordnung mit unter Umgebungsdruck stehendem Öl gefüllt ist.
Im Zylinder 3 kann ein mittels einer Kolbenstange 24 am Rand befestigter Kolben 4 gleiten, auf dem sich ein Teil des Fahrzeuggewichtes abstützt. Die Kolbenstange 24 ist gegenüber der Membran 21 abgedichtet und trägt an ihrem unteren Ende ein Gelenk, z. B. ein Kugelgelenk ; der Kolben 4, der am oberen Ende der Kolbenstange befestigt ist, kann ein an sich bekannter hin-und herbeweglicher Kolben sein. Die Kolbenstange 24 ist vorteilhaft hohl und hat am oberen Ende einen Sitz 24a kleinen Durchmessers, auf den eine im Inneren untergebrachte Feder 25 ein aus vorzugsweise elastischem Material bestehendes Ventil 26 drückt. Die Kolbenstange ist auch mit einer Entleerungsöffnung 24b versehen. Das Entleerungsventil 26 ist durch einen biegsamen Faden 27, z. B. einem Polyamidfaden, gehalten.
Es ist an diesem Faden befestigt, wobei der Faden selbst mit seinem einen Ende 27a an einem einen Anschlag für das Federungselement bildenden Querstück 28 befestigt ist, wogegen das andere Ende des Fadens 27b durch die Feder 25 gespannt ist.
Die Platte 23 wird an ihrem Umfang beispielsweise mittels eines Sprengringes 23b und einer Dichtung 23c, die infolge des Anliegens an einer Schulter des Behälters 1 abdichtet, festgehalten. Die Platte 23 ist an dem Behälter 1 befestigt, der das der Federung ihre Elastizität verleihende Druckgas enthält. Dieses Gas kann nach aussen durch eine Membran 2 abgedichtet sein, die am Behälter 1 ebenso befestigt ist wie die Membran 21 an der Schale 20. Die Platte 23 ist mit mehreren Durchlässen 23d versehen, über die der Behälter 1 und der Zylinder 3 miteinander verbunden sind. Eine Maske 29 stützt die Membran 2, wenn der Behälter 1 entleert ist, und verhindert dadurch, dass die Membran durch die Durchlässe 23d hindurchgedrückt wird.
An der Unterseite der Platte ist die aus Stossdämpfer und Pumpe bestehende erfindungsgemässe Anordnung angeschraubt.
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Bei beiden Ausführungsformen nach den Fig. 3 und 4 enthält die Einrichtung einen Zylinder 30, der an der Platte 23 unter Zwischenlegung einer Dichtung festgeschraubt ist, wobei der Zylinder 30 einen Einsatzteil 31 festhält, der ein den Raum 23a abschliessendes Ventil trägt. Das Einlassventil
32 kann nach bekannter Art ausgebildet sein und darf nur einen verhältnismässig kleinen Öffnungsdruck haben, was einen verhältnismässig weiten Durchlass und eine schwache Ventilfeder 33 voraussetzt.
Der im Zylinder 30 gleitende Pumpenkolben 34 enthält ein Auslassventil, das vorzugsweise durch eine Dichtung in Form einer weichen Lippe 34a gebildet ist, wobei die Lippe entgegengesetzt zum Ventil 32 gerichtet ist. Ein solcher Kolben kann auch dann noch einwandfrei funktionieren, wenn die Achsen der Zylinder 3 und 30 nicht genau aufeinander ausgerichtet sein sollten.
Der schwimmende Dämpferkolben 35 ist mit dem Pumpenkolben 34 durch eine Stange 36 verbunden ist, die zugleich den Zusammenhalt der Elemente sichert. Vorzugsweise ist für die Verschie- bung des Kolbens 35 nach unten eine grössere Kraft erforderlich als für seine Verschiebung nach oben.
Der Kolben 35 nach Fig. 3 weist Durchlässe 35a auf, die bei der Aufwärtsbewegung des Federungs- elementes von einer oberen Scheibe 35b freigegeben werden. Die Scheibe 35b selbst ist mit Öff- nungen 35c versehen, die einen kleineren Querschnitt haben als die Durchlässe 35a und die nur bei der Abwärtsbewegung des Federungselementes zur Wirkung kommen.
Auf der Stange 36 ist ein ringförmiger Kolben 37 befestigt, der zusammen mit einem am Zy- linder 30 festgeschraubten Zylinder 38 ein doppelt und progressiv wirkendes Dämpfungsglied mit
Endanschlägen 30'und 38'bildet. Zu diesem Zweck ist der Zylinder 38 mit Bohrungen 38a und 38b versehen, wobei diese Bohrungen am Ende der Kolbenlaufbahn liegen und vom Kolben fortschreitend abgedeckt werden. Der Querschnitt und die Verteilung dieser Bohrungen können zur Erzielung einer gewünschten Charakteristik selbstverständlich zweckentsprechend gewählt werden.
Fig. 4 zeigt eine andere Ausführung des schwimmenden Kolbens 35, u. zw. insbesondere der progressiv wirkenden Anschläge. Der Dämpferkolben 35, der in Fig. 4 vereinfacht dargestellt ist, hat zwei Gruppen von Durchlässen 35d, 35e, die in bekannter Weise mit Scheibenventilen versehen sind, die entgegengesetzte Öffnungsrichtungen haben. Dieser Kolben ist zwischen zwei Federn 39a, 39b angeordnet, die sich zwischen Abstützschultem am Querstück 28 bzw. dem Zylinder 30 abstützen. Die Wirkungsweise der beiden beschriebenen Ausführungsbeispiele ist ebenso wie die der schematisch dargestellten Einrichtung nach Fig. 2.
Sie beruht im wesentlichen darauf, dass die als Dämpfer wirkende, fest mit dem Zylinder 3 verbundene Scheidewand gemäss Fig. l durch eine bewegliche Wand in Form eines schwimmenden Kolbens 35 ersetzt ist, der mit dem Zylinder 3 über den Kolben 34 einer Pumpe verbunden ist. Der schwimmende Dämpferkolben 35 hat demzufolge eine Laufbahn, längs der die Dämpferkraft eine Pumparbeit liefert. Die Kolbenlaufbahn muss durch vorzugsweise progressiv wirkende Anschläge begrenzt werden.
Es ist klar, dass sich die Pumpenarbeit hauptsächlich im oberen Teil der Abwärtsbewegung des Rades und der Kolben 4,34 und 35 vollzieht und dass die Pumpenarbeit mit Ansaugen von Öl in den Zylinder 30 über das Einlassventil 32 verbunden ist. Wenn die Federungsbewegung des Rades und damit des Kolbens 4 zum Stillstand kommt, gleichen sich die Drücke in der gesamten Federung aus, d. h. im Behälter 1, im Zylinder 3, in den beiden Teilen des Kolbens 35 und im Zylinder 30 stellen sich gleiche Drücke ein. Das Wiederanheben des Rades äussert sich durch den Austritt von Öl aus dem Zylinder 30, wodurch das Ansaugen einer neuen Ölmenge vorbereitet wird.
Es ist ersichtlich, dass der Beginn der Wirkung der progressiv wirkenden Anschläge, welche die Bewegung der schwimmenden Kolbenanordnung 34,35 begrenzen, eine übliche Arbeitsweise des Stossdämpfers zur Folge haben, wenn die Bewegungsamplituden des Rades verhältnismässig gross werden.
Das Auslassventil 24a und 24b, 25 und 27 wirkt ebenso wie die Öffnung 18 in Fig. 2.
Es ist klar, dass die Erfindung nicht auf die ausführlich beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern sich auf solche Ausführungen erstreckt, die man durch Anwendung technisch äquivalenter Mittel erzielt. Insbesondere kann der Kolben 15 doppeltwirkend sein und einen biegsamen Hebel aufweisen. Die Regelung der Dämpferventile und der Pumpe sowie ihre Verlagerung selbst können eine Kompressionswirkung erzielen, die grösser ist als die Wirkung der Entspannung.
Es ist denkbar, dass das beschriebene Federungselement, das für sich allein funktionsfähig ist, zur Befestigung irgendwelcher beweglicher Teile auf einem Gestell verwendet wird.