DE10039598A1 - Pneumatische Federung mit veränderlicher Federsteifigkeit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine pneumatische Federung eines Kraftfahrzeuges, bei der an mindestens einer Achse an jeweils ein Rad gegen den Fahrzeugaufbau abstützenden Gasfedern mindestens je ein zuschaltbares Wirkvolumen angeordnet ist. Die Gasfedern (10) einer Achse sind über eine Leitung verbunden und in dieser Leitung sind ein oder mehrere Ventile angeordnet, dessen oder deren Schaltstellungen mindestens eine Sperr- und mindestens eine Durchflussstellung aufweisen. DOLLAR A Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung entwickelt, die wenig Bauraum beansprucht und in der Herstellung und in der Unterhaltung kostengünstig ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine pneumatische Federung eines Kraft­ fahrzeuges, bei der an mindestens einer Achse an jeweils ein Rad gegen den Fahrzeugaufbau abstützenden Gasfedern mindestens je ein zuschaltbares Wirkvolumen angeordnet ist.

In einem mit einer pneumatischen Federung ausgerüsteten Kraft­ fahrzeug sind Gasfedern an einer oder mehreren Achsen zwischen dem Fahrzeugaufbau und den die Räder führenden oder tragenden Lenkern oder Achsteilen angeordnet.

Die Federwirkung einer pneumatischen Federung wird im wesent­ lichen durch die Federsteifigkeit der Gasfedern, beispiels­ weise der Luftfedern, bestimmt. Die Federsteifigkeit ist u. a. abhängig vom eingeschlossenen Gasvolumen, der wirksamen Quer­ schnittsfläche des komprimierten Volumens, vom Innendruck und ggf. der Kompressibilität des pneumatischen Mediums. Je größer das eingeschlossene Volumen und je niedriger der Innendruck ist, desto niedriger ist die Federsteifigkeit und desto wei­ cher ist die Feder. Das eingeschlossene Volumen wird in der Folge als Wirkvolumen bezeichnet.

Für das Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges ist bei Geradeausfahrt mit konstanter Geschwindigkeit eine weiche Federung für einen hohen Fahrkomfort erwünscht. Bei Fahrten mit starken Quer- oder Längsbeschleunigungen, wie z. B. bei Kurvenfahrten, Brems- oder Beschleunigungsvorgängen, ist eine harte Federung er­ wünscht, damit die Wank- und Nickbewegungen des Aufbaus klein bleiben.

Aus der DE 40 18 712 A1 ist eine Federung bekannt, bei der eine Gasfeder über eine Ventilvorrichtung mit einem mit Pneu­ matikmedium gefüllten Behälter verbunden ist. Bei geschlosse­ nem Ventil wirkt das Volumen der Gasfeder als Federvolumen. Wird das Ventil in Durchflussstellung geschaltet, wird das Fe­ dervolumen um das Behältervolumen vergrößert. Die Feder wird weicher.

Der an die Feder angeschlossene Behälter ist schwer und bean­ sprucht Bauraum. Außerdem verursacht er zusätzliche Kosten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde, eine Federung mit variabler Federsteifigkeit zu kon­ struieren, die wenig Bauraum beansprucht und in der Herstel­ lung und Unterhaltung kostengünstig ist.

Diese Problemstellung wird mit den Merkmalen des Hauptanspru­ ches gelöst. Die Gasfedern einer Achse sind über eine Leitung verbunden und in dieser Leitung sind ein oder mehrere Ventile angeordnet, dessen oder deren Schaltstellungen mindestens eine Sperr- und mindestens eine Durchflussstellung aufweisen.

Die meisten Fahrbahnunebenheiten treten unsymmetrisch auf. Dies bedeutet, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt nur das rechte oder das linke Rad federn muss. Tritt beispielsweise bei langsamer Fahrt auf der rechten Fahrzeugseite eine Fahr­ bahnstörung in Form einer Erhebung auf, soll das entsprechende rechte Rad einer Achse mit einer niedrigen Federsteifigkeit nachgeben und einfedern, so dass möglichst wenige Störkräfte in den Aufbau geleitet werden. Sind in diesem Fahrzustand die Schaltventile geöffnet, ist das Federvolumen der rechten Achs­ hälfte über die Verbindungsleitung mit dem Federvolumen der linken Achshälfte verbunden. Da die linke Achshälfte in der beschriebenen Betriebssituation nicht federn muss, steht das gesamte Volumen, also die Volumina der Federn und der Verbin­ dungsleitungen, als kompressibles Medium, als Wirkvolumen, für die rechte Feder zur Verfügung.

Die als Gasfeder hier beschriebene Baugruppe kann auch aus zwei oder mehreren parallel oder hintereinander geschalteten Einzelfedern bestehen.

Statt mit einem Gas kann die Federung auch mit einer Flüssig­ keit gefüllt sein. Dieses Medium ist dann inkompressibel. Um eine Federwirkung zu erzielen, wird z. B. zwischen den Federn und den Ventilen je eine Membran, evtl. in einem Ausgleichsbe­ hälter, angeordnet.

Die in den Verbindungsleitungen zwischen den Federn angeordne­ ten Ventile können zentral angesteuert werden. Hierfür können z. B. die Ventile elektromagnetisch betätigte Spulen aufweisen. Diese können dann mit einem Steuergerät verbunden sein und von diesem aus beeinflusst werden.

Dieses Steuergerät kann entweder durch einen vom Fahrer ausge­ lösten Impuls oder aufgrund eines Algorithmus die Ventile sperren oder in Durchflussstellung schalten. Der Algorithmus kann z. B. in der Überwachung der dynamischen Werte von Fahr­ zeuggeschwindigkeit und Lenkwinkel und deren Vergleich mit ei­ nem oder mehreren Schwellenwerten bestehen. Hierfür liefern Sensoren für die Fahrzeuggeschwindigkeit und für den Lenkwin­ kel diese Werte als Eingangsgrößen an das Steuergerät.

An die mit einer veränderlicher Steifigkeit ausgestatteten pneumatische Federung kann eine Niveauregulierung angeschlos­ sen werden. Hierfür ist an die Gasfedern oder an die Verbin­ dungsleitung zwischen die Gasfedern über eine absperrbare Pneumatikleitung ein Kompressor angeordnet. Zur Absperrung der Leitung dient z. B. ein Ventil, das mindestens eine Sperr- und eine Durchflussstellung aufweist.

Diese Niveauregulierung kann Teil eines Regelkreises sein. Das Steuergerät erhält als Eingangssignale Niveauwerte z. B. eines im Bereich der Radaufhängungen angeordneten Niveaumessgeräts. Die Niveauwerte sind hierbei Messwerte, die abhängig sind vom Abstand des Fahrzeugaufbaus zur Fahrbahn. Die Ausgangssignale des Steuergerätes schalten die Betätigungsspulen der Ventile der Niveauregulierung und des Kompressors.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zweier schema­ tisch dargestellter Ausführungsbeispiele.

Fig. 1 Schaltplan der Anordnung mit einem Ventil in der Verbindungsleitung der Gasfedern,

Fig. 2 Schaltplan der Anordnung mit zwei Ventilen in der Verbindungsleitung der Gasfedern.

Fig. 1 zeigt den Schaltplan der Anordnung zur Beeinflussung der Federsteifigkeit einer Gasfederung ohne zusätzlichen sepa­ raten Behälter. Hierzu sind Gasfedern (10), Ventile (22) sowie ein Steuergerät (30) mit Ein- und Ausgängen (36) zusammenge­ schaltet. Die Komponenten und ihre Einbaulagen sind hier ver­ einfacht dargestellt. Die Gasfedern (10) sind hier z. B. ver­ einfachend in der gleichen Ebene wie die radführenden und/oder radtragenden Lenker (6) dargestellt. Die einzelne Gasfe­ der (10) enthält in den Ausführungsbeispielen z. B. einen hyd­ raulischen Stoßdämpfer, der u. a. auch der Balgführung dient.

Die Gasfedern (10) bestehen aus einem Rollbalg (12) und einem Kolben (13). Der Rollbalg (12) schließt einen Teil eines Wirk­ volumens (14) ein. Am Rollbalg (12) sind zwei Rohrleitun­ gen (20, 41) unterschiedlicher Nennweite befestigt. Beide Leitungen (20, 41) verbinden die beiden Gasfedern (10) einer Achse. Beispielsweise im Bereich der Mitte der Lei­ tung (20), die den großen Querschnitt hat, ist ein 2/2-Wege­ ventil (22) mit einer Sperr-Nullstellung und einer Durchfluss­ stellung angeordnet. Dieses Ventil (22) wird elektromagnetisch angesteuert. Das Steuersignal erhält das Ventil (22) von den Ausgängen (36) des Steuergerätes (30).

In der Leitung (41), sie hat den kleinen Querschnitt, sind in der Nähe der Gasfedern (10) je ein 2/2-Wegeventil (42) mit ei­ ner Sperr-Nullstellung und einer Durchflussstellung angeord­ net. Diese Ventile (42) werden einzeln elektromagnetisch ange­ steuert. Die Steuersignale erhalten die Ventile (42) von den Ausgängen (36) des Steuergerätes (30). Zwischen diesen beiden Ventilen (42) ist im Bereich der Mitte der Leitung (41) eine Verbindungsleitung (44) zur anderen Achse angeordnet.

An die Verbindungsleitung (44) ist ein Kompressor (45) über ein Rückschlagventil (46) angebunden. Das Rückschlagventil sperrt in Richtung des Kompressors (45). Der Kompressor (45) erhält sein Steuersignal von den Ausgängen (36) des Steuerge­ räts (30). Weiterhin zweigt an der Verbindungsleitung (44) eine weitere Leitung (48) ab, die ins Freie führt. In dieser Leitung (48) ist ein 2/2-Wegeventil (49) mit einer Sperr-Null­ stellung und einer Durchflussstellung angeordnet. Auch dieses Ventil (49) wird elektromagnetisch angesteuert. Das Steuersig­ nal erhält es von den Ausgängen (36) des Steuergerätes (30).

In der Nähe eines jeden Rades (5) ist ein Messgerät (43) ange­ ordnet, das den Niveauwert des Fahrzeuges an dem entsprechen­ den Rad (5) ermittelt. Dieser Wert eines jeden Messgeräts (43) wird als Eingangssignal an das Steuergerät (30) übertragen. Weitere Eingangsgrößen des Steuergeräts (30) sind die mit Hilfe der Sensoren (33) und (34) erfassbare Geschwindigkeit und der Lenkwinkel des Fahrzeuges.

Im Ruhezustand sind die Ventile (22) in der Leitung mit dem großen Querschnitt und die Ventile (42) in der Leitung mit dem kleinen Querschnitt geschlossen.

Unterschreitet der Niveauwert eines Sensors (43) eines Ra­ des (5) einen Sollwert, wird der Kompressor (45) eingeschaltet und das zum jeweiligen Rad (5) bzw. zur jeweiligen Gasfe­ der (10) gehörende kleine Ventil (42) geöffnet. Es wird Gas in die entsprechende Gasfeder (10) gefördert. Das Ausfahren des Kolbens (13) bewirkt eine Erhöhung des Niveauwertes am Sen­ sor (43). Hierbei bleibt der Druck in der Gasfeder (10) annä­ hernd gleich. Ist der Sollwert des Niveaus erreicht, wird das kleine Ventil (42) wieder geschlossen und der Kompressor (45) abgeschaltet. Zum Abbau des Druckes in den Leitungen (41, 44) wird daß Ablassventil (49) geöffnet und nach einer eingestell­ ten Zeitspanne wieder geschlossen.

Überschreitet der Niveauwert am Sensor (43) eines Rades (5) einen Sollwert, werden das kleine Ventil (42) und das Ablass­ ventil (49) geöffnet, bis der Niveauwert am entsprechenden Sensor (43) seinen Sollwert erreicht hat. Dann wird zunächst das kleine Ventil (42) und dann das Ablassventil (49) ge­ schlossen.

Die Federsteifigkeit der Gasfeder (10) wird bei geschlossenem großem Ventil (22) bestimmt durch das in der Feder (10) und der Leitung (20) bis zum großen Ventil (22) eingeschlossene Gasvolumen (14). Bei geöffnetem großen Ventil (22) vergrößert sich das Volumen auf das doppelte, nämlich um die zweite Hälfte der Leitung (20) und die zweite Gasfeder (10). Die Fe­ der (10) ist dann weicher.

Bei langsamer Fahrt ist das Ventil (22) geöffnet. Die Ein­ gangswerte der Fahrzeuggeschwindigkeit und des Lenkwinkels werden im Steuergerät (30) mit den entsprechenden Schwellen­ werten verglichen. Wird zumindest ein Schwellenwert über­ schritten, wird das große Ventil (22) in der Verbindungslei­ tung (20) geschlossen. Hierdurch wird das Wirkvolumen (14) der Gasfeder (10) verringert, die Feder (10) wird steifer.

Unterschreitet zumindest die Fahrzeuggeschwindigkeit oder/und der Lenkwinkel den entsprechenden Schwellenwert, wird das Ven­ til (22) in der Verbindungsleitung (20) wieder geöffnet. Das Wirkvolumen (14) der Gasfedern (10) vergrößert sich, die Gas­ federn (10) werden weicher.

In die Leitungen (20) zwischen den Gasfedern (10) und in den Leitungen (41, 44) für die Niveauregulierung können auch ge­ drosselte Ventile (22, 42) eingesetzt werden. Die Ventile (22, 42) können in mindestens eine Schaltrichtungen elektromagne­ tisch, federbelastet oder pneumatisch geschaltet werden. Bei­ spielsweise sind die kleinen Ventile (42) der Niveauregulie­ rung und das Ablassventil (49) im stromlosen Zustand geschlos­ sen, um ein Absinken des Fahrzeuges bei Stromausfall zu ver­ meiden. Auch gilt das für das große Ventil (22) in der Verbin­ dungsleitung (20). Hierdurch wird bei Ausfall der Ventilan­ steuerung die Federung hart. Der Fahrkomfort im niedrigen Ge­ schwindigkeitsbereich ist niedriger. Sind jedoch die Werte der Lenkwinkel und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit oberhalb ihrer Schwellenwerte, ist eine gute Fahrsicherheit gewährleistet, da die Wank- und Nickbewegungen des Aufbaus klein bleiben.

Eine alternative Anordnung der Komponenten ist in Fig. 2 dar­ gestellt. In der Verbindungsleitung (20) zwischen den zwei Gasfedern (10) einer Achse sind zwei 2/2-Wegeventile (22) mit großen Durchflussquerschnitten angeordnet. Diese Ventile (22) befinden sich unmittelbar vor den Gasfedern (10). Im Bereich der Mitte der Verbindungsleitung (20) ist zwischen den Venti­ len (22) die Verbindungsleitung (44) vom Kompressor (45) ange­ ordnet. In dieser Verbindungsleitung (44) sind zwei weitere 2/2-Wegeventile (42) angeordnet. Diese Ventile (42) haben ge­ genüber den Ventilen (22) einen kleineren Querschnitt. Die An­ steuerung der Ventile (22, 42, 49) erfolgt wie im Ausführungs­ beispiel nach Fig. 1 mit Hilfe eines Steuergerätes (30), wo­ bei die zwei Ventile (22) einer Achse jeweils gemeinsam ge­ schaltet werden.

Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird die Federsteifigkeit der Gasfeder (10) bestimmt durch die in der Feder (10) und der Leitung (20) eingeschlossenen Gasvolumina (14). Da das Ven­ til (22) unmittelbar hinter der Gasfeder (10) angeordnet ist, ist dieses Volumen praktisch identisch mit dem Volumen der Gasfeder (10). Werden die Ventile (22) in die Durchflussstel­ lung geschaltet, vergrößert sich das Wirkvolumen (14) einer Gasfeder (10) um das Volumen der Leitung (20) und der zweiten Gasfeder (10).

Während der Fahrt werden die Eingangswerte im Steuergerät (30) mit den entsprechenden Schwellenwerten verglichen. Solange diese Werte unter diesen Schwellenwerten liegen, bleiben die Ventile (22) geöffnet. Die Gasfedern (10) sind weich. Übersteigt mindestens einer der beiden oder beide Eingangs­ werte der Fahrzeuggeschwindigkeit und des Lenkwinkels einen der entsprechenden Schwellenwerte, werden die beiden Ven­ tile (22) geschlossen. Das für die Federung zur Verfügung ste­ hende Wirkvolumen (14) verringert sich auf das Volumen der Gasfeder (10). Die Feder (10) wird steif.

Unterschreitet der Niveauwert am Sensor (43) eines Rades (5) einen Sollwert, wird der Kompressor (45) eingeschaltet und das entsprechende Ventil (42) in der Verbindungsleitung (44) und das jeweilige Ventil (22) in der Nähe des entsprechenden Ra­ des (5) geöffnet. Wie im ersten Ausführungsbeispiel wird der Fahrzeugaufbau erhöht. Ist der Sollwert des Niveaus am Sen­ sor (43) erreicht, werden das Ventil (22) und das Ventil (42) in der Verbindungsleitung (44) wieder geschlossen und der Kom­ pressor (45) abgeschaltet. Zum Abbau des Druckes in den Lei­ tungen (20, 44) wird das Ablassventil (49) geöffnet und nach einer eingestellten Zeitspanne wieder geschlossen.

Der Vorteil der zweiten Ausführungsvariante gegenüber der ers­ ten ist die größere Volumendifferenz der Wirkvolumina (14) zwischen den Schaltstellungen bei geöffneten und geschlossenen Ventilen (22). Das Verhältnis der Wirkvolumina (14) ist umge­ kehrt proportional dem Verhältnis der Federsteifigkeiten. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist das Wirkvolumen (14) bei geschlossenem Ventil (22) das Volumen der Feder (10) und das Volumen der halben Verbindungsleitung (20). Bei geöffnetem Ventil (22) vergrößert sich das Wirkvolumen (14) um die Volu­ mina der zweiten Hälfte der Verbindungsleitung (20) sowie der zweiten Feder (10).

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist das Wirkvolumen (14) bei geschlossenem Ventil (22) das Volumen der Gasfeder (10), da sich das Ventil (22) unmittelbar an der Gasfeder (10) be­ findet. Bei geöffneten Ventilen (22) vergrößert sich das Wirk­ volumen (14) um die Volumina der Verbindungsleitung (20) und der zweiten Feder (10).

Durch die größere Differenz der Wirkvolumina (14) und der da­ mit verbundenen größeren Differenz der Federsteifigkeiten der Ausführungsvariante nach Fig. 2 gegenüber der Ausführungsva­ riante nach Fig. 1 ergeben sich in der Variante nach Fig. 2 bessere Möglichkeiten, bei extremeren Fahrsituationen die Wankneigung zu verringern und die Federung bei langsamer Fahrt weich zu halten.

Zur mehrfachen Abstufung der Steifigkeit der Federung ist es auch möglich, in der Verbindungsleitung drei Ventile (22) an­ zuordnen. Eines dieser Ventile (22) ist dann mittig oder in der Nähe der Mitte der Leitung (20) angeordnet, wie in der Ausführungsvariante nach Fig. 1 dargestellt. Zwei weitere Ventile (22) sind nahe der Gasfedern (10) positioniert, wie in der Ausführungsvariante nach Fig. 2 dargestellt.

Die Ventile (22) können auch hier als stufenlos verstellbare Drosseln ausgeführt sein. Es kann statt der Ventile (22) und des Ventils (42) in der Ausführungsvariante nach Fig. 2 auch ein Drei-Wege-Ventil eingesetzt werden.

Die Ventile (22) einer Achse werden im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 pro Achse gemeinsam geschaltet, es können aber auch die Ventile (22) mehrerer Achsen gemeinsam geschaltet werden.

Eine weitere Möglichkeit die Volumina der weichen und harten Feder aufeinander abzustimmen, ist, die Verbindungslei­ tung (20) zwischen links- und rechtsseitiger Feder (10) be­ reichsweise im Durchmesser zu variieren.

Bei entsprechender Auswertung der Daten aus Fahrzeuggeschwin­ digkeit und Lenkwinkel ist es bei Anordnung der Ventile (22) gemäß der Ausführungsvariante nach Fig. 2 oder nach der Vari­ ante mit drei Ventilen auch möglich, z. B. bei Kurvenfahrten die Federung auf einer Fahrzeugseite härter zu gestalten als der anderen. Hierbei werden z. B. die Ventile (22) auf der rechten Fahrzeugseite gesperrt, während die Ventile (22) auf der linken Fahrzeugseite geöffnet bleiben. Die Wirkvolu­ mina (14) der linksseitigen Federung vergrößern sich dann um die Leitungsvolumen der Verbindungsleitungen (20). Die Fede­ rung auf der rechten Fahrzeugseite ist dann härter als auf der linken Fahrzeugseite.

Die im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel beschriebene Vorrichtung zur Veränderung der Federsteifigkeit funktioniert auch, wenn das Gesamtsystem ohne Niveauregulierung ausgerüstet ist. Zum Ausgleich von Leckageverlusten sollte das System dann mit einer Druckmittelquelle, beispielsweise einem Kompressor, einem Speicherbehälter, etc., ausgerüstet sein. Bei Einsatz der Niveauregulierung kann diese z. B. bei Stillstand des Fahr­ zeuges aktiviert werden, um die Fahreigenschaften des Fahrzeu­ ges nicht zu beeinträchtigen.

Die Veränderung der Federsteifigkeit kann auch handbetätigt, z. B. über einen Vorwahlschalter für sportliche und weniger sportliche Fahrweise, erfolgen.

Claims (6)

1. Pneumatische Federung eines Kraftfahrzeuges, bei der an mindestens einer Achse an jeweils ein Rad (5) gegen den Fahr­ zeugaufbau abstützenden Gasfedern (10) mindestens je ein zu­ schaltbares Wirkvolumen angeordnet ist, dadurch gekennzeich­ net, dass die Gasfedern (10) einer Achse über eine Leitung (20) verbunden sind und in dieser Leitung (20) ein oder mehrere Ventile (22) angeordnet sind, dessen oder deren Schaltstellun­ gen mindestens eine Sperr- und mindestens eine Durchflussstel­ lung aufweisen.

2. Pneumatische Federung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die Leitung (20) zumindest bereichsweise einen Quer­ schnitt hat, der den Ausgangsquerschnitt einer die Gasfe­ dern (10) versorgenden Druckmittelquelle (45) um den Faktor 3 übersteigt.

3. Pneumatische Federung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die elektromagnetische Betätigung der Ventile (22) an ein Steuergerät (30) angeschlossen ist.

4. Pneumatische Federung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, dass an dem Steuergerät (30) ein Sensor (34) für die Fahrzeuggeschwindigkeit und mindestens ein Sensor (33) für den Lenkwinkel angeschlossen sind.

5. Pneumatische Federung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass an die Gasfedern (10) oder die Verbindungslei­ tung (20) eine oder zwei weitere Leitung (41, 44) angeschlos­ sen sind, in der je ein Ventil (42) mit einer Sperr- und einer Durchflussstellung angeordnet ist und dass diese Leitung (41, 44) wiederum direkt oder über eine Verbindungsleitung an die Ausgangsleitung einer Druckmittelquelle (45) angeschlossen ist.

6. Pneumatische Federung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, dass die elektromagnetischen Betätigungen der Ven­ tile (42) an der Ausgangsseite (36) eines Steuergerätes (30) angeschlossen sind, dessen Eingangsseite mit Niveaumessgerä­ ten (43) verbunden ist.