DE10109555A1

DE10109555A1 - Federbein mit verstellbarer Vorspannung

Info

Publication number: DE10109555A1
Application number: DE10109555A
Authority: DE
Inventors: Stephan Bleicher; Hubert Decker
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2002-09-05
Also published as: EP1236591B1; ES2227329T3; EP1236591A3; EP1236591A2; DE50201537D1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Federbein mit verstellbarer Vorspannung, umfassend zwei Aufnahmen für eine gefederte und ein ungefederte Masse, eine sich an einer der beiden Aufnahmen abstützende Druckfeder, ein sich an der anderen Aufnahme abstützendes Zylindergehäuse, in dem ein Kolben axial verschiebbar gelagert ist, an dem sich die Druckfeder mit ihrem anderen Ende abstützt, und eine mit dem Zylindergehäuse verbundene Hydraulikpumpe zur Beaufschlagung des Kolbens mit einem variablen Druck. Die Pumpe ist eine elektrohydraulische Pumpe, die zusammen mit den zugehörigen Leitungen in das Zylindergehäuse integriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Federbein mit verstellbarer Vorspannung, umfassend zwei Aufnahmen für eine gefederte und eine ungefederte Masse, eine sich an einer der beiden Aufnahmen abstützende Druckfeder, ein sich an der anderen Aufnahme abstützendes Zylindergehäuse, in dem ein Kolben axial verschiebbar gelagert ist, an dem sich die Druckfeder mit ihrem anderen Ende abstützt, und eine mit dem Zylin dergehäuse verbundene Hydraulikpumpe zur Beaufschlagung des Kolbens mit ei nem variablen Druck.

Federbeine werden hauptsächlich bei Kraftfahrzeugen eingesetzt, um die ge federten Massen, d. h. den Fahrzeugaufbau abzufedern und zu dämpfen. Um einer unterschiedlichen Beladung des Kraftfahrzeugs und/oder einer unterschiedlichen Be schaffenheit der Straßenoberfläche gerecht zu werden, werden zum Teil Federbeine mit verstellbarer Vorspannung verwendet. Es sind mechanische, elektromechani sche, pneumatische und hydraulische Verstelleinrichtungen bekannt, deren Wir kungsweise darauf beruht, daß die Axialstellung eines die Druckfeder abstützenden Kolbens verändert wird. Die mechanische Verstellung des Kolbens kann zwar auf konstruktiv einfache Weise verwirklicht werden, sie kann aber nur im Stillstand des Fahrzeugs durchgeführt werden. Die elektromechanische Verstellung des Kolbens ermöglicht eine Fernbedienung und kann daher während der Fahrt vorgenommen werden. Neben einem Elektromotor ist aber zusätzlich noch ein Untersetzungsge triebe erforderlich. Ein Nachteil besteht aber darin, daß sowohl der Motor als auch das Untersetzungsgetriebe einen verhältnismäßig großen Bauraum beanspruchen. Da eine hohe Leistung des Elektromotors erforderlich ist, kommt es auch zu einer starken Belastung des Bordnetzes. Im übrigen hat die große Anzahl sehr präziser Einzelelemente einen hohen Komponentenpreis zur Folge.

Bei einem Federbein mit hydraulisch verstellbarer Vorspannung der eingangs genannten Art dient eine Handradpumpe zur Beaufschlagung des Kolbens mit einem variablen Druck. Diese Handradpumpe ist über eine hydraulische Leitung mit dem am Federbein angeordneten Zylindergehäuse verbunden. Diese hydraulische Lei tung und die Handradpumpe verursachen wegen der Baugröße häufig ein Package- Problem. Außerdem sind bei hydraulischen Leitungen besondere Vorkehrungen gegen die Gefahr des Berstens, besonders bei einer Beschädigung durch Scheuern sowie durch Alterung, erforderlich. Zur Erzielung des erforderlichen hohen Druckes muß die Handradpumpe stark untersetzt sein, weshalb der Verstellvorgang verhält nismäßig zeitaufwendig ist. Eine Fernbedienung, beispielsweise vom Lenker eines Motorrades aus, ist nicht möglich bzw. realitätsfern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Federbein mit verstellbarer Vor spannung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, das mit einem einfachen technischen Aufbau eine Verstellung der Vorspannung während der Fahrt ermög licht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem gattungsgemäßen Federbein gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Pumpe eine elektrohydraulische Pumpe ist, die zusammen mit den zugehörigen Leitungen in das Zylindergehäuse integriert ist.

Das erfindungsgemäße Federbein zeichnet sich bei einem einfachen techni schen Aufbau durch eine hohe Betriebssicherheit aus, weil keine freiliegenden hydraulischen Leitungen erforderlich sind. Die elektrohydraulische Pumpe ermöglicht eine Fernbedienung, so daß die Vorspannung des Federbeins während der Fahrt vom Fahrer verändert werden kann.

Die Hydraulikpumpe kann als Magnetnadelpumpe ausgebildet sein, die einen besonders einfachen technischen Aufbau und wenig mechanische Bauteile aufweist. Eine solche Magnetnadelpumpe bewirkt wegen der hohen Frequenz des oszillieren den Nadelkolbens pro Einzelhub eine geringe Fördermenge bei hohem Druck, und sie zeichnet sich daher durch eine geringe Stromaufnahme aus. Damit die Magnet nadel bei einer Bewegung in beiden Richtungen Öl fordert, ist vorgesehen, daß an der Magnetnadelpumpe zwei Anschlußstutzen beidseitig der von dem Magnetkern gebildeten Nadel angeordnet sind.

Wenn ein höherer Durchsatz der Hydraulikpumpe erforderlich ist, dann ist gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß die Pumpe einen zum Zylindergehäuse koaxialen Rotor aufweist, der in einem Stator drehbar angeordnet ist, wobei der Rotor mit mindestens einem Nocken versehen ist, der mit mindestens einem Pumpenkolben zusammenwirkt.

Unabhängig vom Aufbau der elektrohydraulischen Pumpe ist diese zweck mäßiger Weise ebenso wie das Zylindergehäuse mit einem Vorratsbehälter für eine Hydraulikflüssigkeit verbunden. In der das Zylindergehäuse mit dem Vorratsbehälter verbindenden Leitung ist dabei ein Entlastungsventil angeordnet. Durch Öffnen die ses Ventils kann der Druck in dem Zylindergehäuse abgesenkt und damit die Vor spannung des Federbeins verringert werden. Das Entlastungsventil ist vorzugsweise ein Magnetventil, wodurch eine Fernbedienung erleichtert wird.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Federbein,

Fig. 2 in größerem Maßstab eine Einzelheit von Fig. 1, und

Fig. 3 einen Axialschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Federbeins mit verstellbarer Vorspannung. Dieses Federbein besteht in an sich bekannter Weise grundsätzlich aus drei Teilen, nämlich einem Dämpfergehäuse 1, einer Kolbenstange 2 und einer Schraubenfeder 3. Die Kolbenstange 2 ist in dem Dämpfergehäuse 1 zu einer Axialbewegung geführt und mit einem in dem Dämpfergehäuse angeordneten hydraulischen Dämpfermechanismus verbunden. Das Dämpfergehäuse 1 ist mit ei ner als unteres Federbeinauge bezeichneten Aufnahme 4 zur gelenkigen Verbindung mit einem von zwei relativ zueinander beweglichen Komponenten versehen. Die Kolbenstange 2 ist mit einer als oberes Federbeinauge bezeichneten Aufnahme 5 zur gelenkigen Abstützung an der anderen Komponente versehen. Das Dämpfer gehäuse 1 ist ferner mit einer Ringschulter 6 versehen. Diese Ringschulter 6 dient zur Abstützung eines auf das Dämpfergehäuse 1 aufgeschobenen ringförmigen Zylindergehäuses 7. In dem Zylindergehäuse 7 ist ein Kolben 8 axial verschiebbar geführt. An der Kolbenstange 2 ist ein Federteller 9 befestigt. Die Schraubenfeder 3 stützt sich am Kolben 8 und am Federteller 9 ab und hält die Kolbenstange 2 gegen über dem Dämpfergehäuse 1 in einem ausgefahrenen Zustand.

Wenn auf die untere Aufnahme 4 des Federbeins eine vertikale Kraft ausgeübt wird, dann wird das Dämpfergehäuse 1 unter Kompression der Schraubenfeder 3 gegenüber der Kolbenstange 2 nach oben bewegt. Dieser Vorgang wird als Ein federn bezeichnet. Wenn die auf die Aufnahme 4 ausgeübte Axialkraft aufgehoben wird, dann kann sich die Schraubenfeder 3 entspannen, und das Dämpfergehäuse 1 bewegt sich gegenüber der feststehenden Kolbenstange 2 nach unten. Dieser Vor gang wird als Ausfedern bezeichnet. Die Relativbewegung beim Ein- und Ausfedern wird durch den im Dämpfergehäuse 1 angeordneten und mit der Kolbenstange 2 verbundenen Dämpfermechanismus gedämpft. Ein solcher Dämpfermechanismus besteht grundsätzlich aus einem mit der Kolbenstange 2 verbundenen Dämpfer kolben, der mit Überströmkanälen versehen ist, die ein gebremstes Überströmen der Hydraulikflüssigkeit von der sich verkleinernden Kammer in die sich vergrößernde Kammer des Dämpfergehäuses 1 beiderseits des Kolbens ermöglichen.

Die vorstehende Konstruktion und Wirkungsweise des Federbeins ist dem Fachmann geläufig und bedarf keiner weiteren Erläuterung.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die rechte Hälfte des Dämpfergehäuses 1 und des Zylindergehäuses 7. In dem Zylindergehäuse 7 ist ein als Stator bezeichneter Permanentmagnet 10 ortsfest angeordnet. Ein als Rotor bezeichneter Ringanker 12 ist mit einem Lager 13 konzentrisch zu dem Dämpfergehäuse 1 und dem Stator 10 drehbar gelagert. Der Rotor 12 ist über Schleifbürsten 11 mit einer Spannungsquelle verbindbar, und er trägt an seiner Oberseite mindestens einen Nocken 14. In dem Zylindergehäuse 7 ist ferner mindestens ein axialer Verdichtungsraum 15 ausgebil det, in dem ein Pumpenkolben 16 beweglich gelagert ist. Ein Schaft 17 des Pumpen kolbens 16 ist mit der Kraft einer Schraubenfeder 18 nach unten vorgespannt, so daß er an der Nockenbahn 14 zur Anlage gelangt. Der Verdichtungsraum 15 steht über ein Rückschlagventil 19 mit einem den ringförmigen Kolben 8 aufnehmenden Druck raum 20 in Verbindung. Der Verdichtungsraum 15 steht ferner über ein Rückschlag ventil 21 mit einem ringförmigen Vorratsraum 22 für eine Hydraulikflüssigkeit in Ver bindung. Der Druckraum 20 steht über ein elektromagnetisch betätigbares Entla stungsventil 23 mit dem Vorratsraum 22 in Verbindung.

Wenngleich in der Zeichnung nur ein Pumpenkolben 16 gezeigt ist, so ist da von auszugehen, daß konzentrisch zum Dämpfergehäuse 1 auch mehrere Pumpen kolben 16 angeordnet sein können. Die Anordnung eines jeden Pumpenkolbens würde dabei der Darstellung nach Fig. 2 entsprechen. Ferner ist es möglich, daß die Nockenbahn 14 nicht nur einen, sondern mehrere nach oben ragende Nocken auf weist, so daß jeder Pumpenkolben 16 bei einer Umdrehung des Rotors 12 mehrfach angehoben und abgesenkt wird.

Wenn über die Schleifbürsten 11 an den Rotor 12 eine Spannung angelegt wird, dann wird ein Magnetfeld erzeugt, und der Rotor 12 wird in Drehung versetzt. Durch die Drehbewegung des Rotors 12 und der an dessen Oberseite angeordneten Nockenbahn 14 wird der Pumpenkolben 16 gegen die Vorspannkraft der Schrau benfeder 18 nach oben gedrückt, sobald das untere Ende des Kolbenschaftes 17 auf einen Nocken aufläuft. Durch diese Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens 16 wird in dem Verdichtungsraum 15 ein Druck aufgebaut. Wenn dieser Druck den im Druck raum 20 herrschenden Druck übersteigt, dann öffnet das Rückschlagventil 19 und Hydraulikflüssigkeit wird in den Druckraum 20 gepumpt. Wenn sich der Pumpenkolben 16 unter der Vorspannkraft der Schraubenfeder 18 wieder nach unten bewegt, dann schließt das Rückschlagventil 19, und in dem Verdichtungsraum 15 entsteht ein Unterdruck. Das hat zur Folge, daß das Rückschlagventil 21 öffnet, so daß Hydrau likflüssigkeit aus dem Vorratsraum 22 in den Verdichtungsraum 15 überströmen kann. Durch fortgesetztes Verdrehen des Rotors 12 wird demzufolge intermitierend Hydraulikflüssigkeit in den Druckraum 20 gepumpt, so daß der Kolben 8 zunehmend aus dem Zylindergehäuse 7 ausgefahren wird. Die sich am Kolben 8 abstützende Schraubenfeder 3 wird daher komprimiert, und die Vorspannung des Federbeins wird erhöht.

Dieser Vorgang wird bei jeder Umdrehung des Rotors 12 je nach Anzahl der auf der Nockenbahn 14 angeordneten Nocken und der in dem Zylindergehäuse 7 angeordneten Pumpenkolben 16 wiederholt.

Um die Vorspannung des Federbeins zu reduzieren, wird das elektromagneti sche Entlastungsventil 23 gegen die Kraft einer Vorspannfeder geöffnet. Die Hydrau likflüssigkeit kann daher vom Druckraum 20 in den Vorratsraum 22 abfließen. Die auf die Unterseite des Kolbens ausgeübte Druckkraft nimmt daher ab, und die Schrau benfeder 3 kann sich dementsprechend entspannen.

Damit sich in dem System keine Luftpolster bilden können, ist der Vorratsraum 22 mit einer (nicht gezeigten) automatischen Entlüftungseinrichtung versehen. Um den von dem Stator 10 und dem Rotor 12 gebildeten Elektromotor vor einer Überla stung zu schützen, könnte dem Vorratsraum 22 ein Überdruckventil zugeordnet sein. Alternativ könnte dem Druckraum 20 ein Drucksensor zugeordnet sein, der eine den Schleifbürsten 11 zugeordnete Elektronik ansteuert.

Da der Rotor 12 eine hohe Anzahl von Polpaaren aufweisen kann, ist bei klei ner Baugröße eine geringe Drehzahl und gleichzeitig ein hohes Drehmoment mög lich. Wenn der den Stator 10 bildende Permanentmagnet gegen Elektromagneten vertauscht wird, dann kann durch einen dem Druckraum 20 zugeordneten Druck sensor über eine externe Elektronik durch Veränderung der Anzahl der Polpaare der Elektromagneten die Drehzahl verändert werden. In einem solchen System ist ein Überlastschutz bereits integriert.

Über induktive Wegaufnehmer im Kolben 8 und eine Rückmeldung an eine den Schleifbürsten 11 zugeordnete Elektronik kann eine durch den Fahrer vorge wählte Vorspannung der Feder 3 erreicht werden.

Fig. 3 ist eine Darstellung ähnlich wie Fig. 2, wobei ein Axialschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform eines Zylindergehäuses 7' gezeigt ist. Die in dem Zylindergehäuse 7' angeordnete elektrohydraulische Pumpe ist dabei als Magnet nadelpumpe ausgebildet. Bei dieser abgewandelten Ausführungsform sind in dem ringförmigen Zylindergehäuse 7' ebenfalls ein Vorratsraum 22' für eine Hydraulikflüs sigkeit und ein Druckraum 20' ausgebildet, der teilweise von der Unterseite des Kol bens 8' begrenzt ist. In das Zylindergehäuse 7 sind eine Magnetspule 24 und eine dieser zugeordnete elektronische Steuereinheit 25 integriert. In der Magnetspule 24 ist ein Magnetkern 26 beweglich gelagert, der an beiden Enden mit koaxialen zylin drischen Fortsätzen 16'a, 16'b versehen ist, die als Kolben dienen. In dem Gehäuse 7' sind zwei zylindrische Verdichtungsräume 15'a und 15'b ausgebildet, in denen die Kolben 16'a und 16'b abgedichtet geführt sind. Die beiden Verdichtungsräume 15'a und 15'b stehen über erste Rückschlagventile 19'a und 19'b mit dem Druckraum 20' und über entgegengesetzt wirkende zweite Rückschlagventile 21'a und 21'b mit einem ebenfalls in dem Zylindergehäuse 7' ausgebildeten Vorratsraum 22' für eine Hydraulikflüssigkeit in Verbindung. Ferner ist ein mit der Steuereinheit 25 ansteuer bares elektromagnetisches Entlastungsventil 23' vorhanden, das eine Verbindung des Druckraums 20' mit dem Vorratsraum 22' ermöglicht.

Über die Steuereinheit 25 kann in der Magnetspule 24 ein alternierendes Magnetfeld erzeugt werden, das eine oszillierende Bewegung des Magnetkerns 26 bewirkt. Wenn sich der Magnetkern 26 gemäß der Darstellung nach Fig. 3 nach links bewegt, dann bewegt sich der linke Pumpenkolben 16'a in den zugeordneten Ver dichtungsraum 15'a hinein, so daß der Druck ansteigt. Nach Überschreiten des er zeugten Druckes gegenüber dem Druck im Druckraum 20' öffnet das Rückschlag ventil 19'a, während das Rückschlagventil 21'a geschlossen bleibt. Gleichzeitig wird der rechte Pumpenkolben 16'b aus dem rechten Verdichtungsraum 15'b zurückge zogen, so daß der Druck annimmt. Wenn der in dem Verdichtungsraum 15'b herr schende Druck unter den im Vorratsraum 22' herrschenden Druck abfällt, dann öffnet das Rückschlagventil 21'b, während das Rückschlagventil 19'b geschlossen bleibt. Demzufolge wird Hydraulikflüssigkeit aus dem Vorratsraum 22' in den rechten Ver dichtungsraum 15'b angesaugt. Wenn sodann die Magnetspule 24 von der Steuer einheit 25 umgepolt, d. h. das Magnetfeld geändert wird, dann bewegt sich der Magnetkern 26 nach rechts. Das hat zur Folge, daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem rechten Verdichtungsraum 15'b über das Rückschlagventil 19'b in den Druckraum 20' gedrückt wird, und daß Hydraulikflüssigkeit aus dem Vorratsraum 22' über das Rück schlagventil 21'a in den linken Verdichtungsraum 15'a angesaugt wird. Demzufolge wird bei jedem Takt oder bei jeder Bewegung des Magnetkerns 26 eine bestimmte Menge der Hydraulikflüssigkeit in den Druckraum 20' gepumpt. Der Kolben 8' wird daher entsprechend der in den Druckraum 20' gepumpten Flüssigkeitsmenge nach oben verschoben, und die sich an diesem abstützende (nicht gezeigte) Schrauben feder 3 wird komprimiert. Nach Erreichen der gewünschten Vorspannung der Schrau benfeder wird die Magnetnadelpumpe abgeschaltet. Wenn die Vorspannung verrin gert werden soll, dann wird das Entlastungsventil 23' über die Steuereinheit 25 ange steuert, um den Druckraum 20' mit dem Vorratsraum 22' zu verbinden. Die unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit kann daher vom Druckraum 20' in den Vorrats raum 22' abfließen, so daß sich der Kolben 8' unter gleichzeitiger Entspannung der Druckfeder nach unten bewegen kann.

Das Fördervolumen einer Magnetnadelpumpe pro Arbeitshub des Magnet kerns ist zwar sehr gering, weshalb der vorstehend beschriebene Vorgang sehr oft wiederholt werden muß. Das besondere einer Magnetnadelpumpe ist es aber, daß bei einer von der Steuereinheit 25 gezielt getakteten Magnetspule 24 der Magnet kern 26 mit sehr hoher Frequenz arbeiten kann, um bei geringer Stromaufnahme der Pumpeneinheit einen hohen Druck aufzubauen.

Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform kann auch bei der vorstehend be schriebenen Ausführungsform über induktive Wegaufnehmer im Kolben 8 und eine Rückmeldung an die Steuereinheit 25 eine durch den Fahrer vorgewählte Vorspan nung erreicht werden.

Bezugszeichenliste

1

Dämpfergehäuse

2

Kolbenstange

3

Schraubenfeder

4

Aufnahme an

1

5

Aufnahme an

2

6

Ringschulter

7

Zylindergehäuse

8

Kolben

9

Federteller

10

Stator

11

Schleifbürsten

12

Rotor

13

Lager

14

Nockenbahn

15

Verdichtungsraum

16

Pumpenkolben

17

Kolbenschaft

18

Schraubenfeder

19

Rückschlagventil

20

Druckraum

21

Rückschlagventil

22

Vorratsraum

23

Entlastungsventil

24

Magnetspule

25

Steuereinheit

26

Magnetkern

Claims

1. Federbein mit verstellbarer Vorspannung, umfassend zwei Aufnahmen für eine gefederte und eine ungefederte Masse, eine sich an einer der beiden Aufnah men abstützende Druckfeder, ein sich an der anderen Aufnahme abstützendes Zylindergehäuse, in dem ein Kolben axial verschiebbar gelagert ist, an dem sich die Druckfeder mit ihrem anderen Ende abstützt, und eine mit dem Zylindergehäuse verbundene Hydraulikpumpe zur Beaufschlagung des Kolbens mit einem variablen Druck, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe eine elektrohydraulische Pumpe (12, 16; 26, 16'a, 16'b) ist, die zusammen mit den zugehörigen Leitungen in das Zylindergehäuse (7, 7') integriert ist.

2. Federbein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe eine Magnetnadelpumpe (26, 16'a, 16'b) ist.

3. Federbein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Magnetnadelpumpe zwei Anschlußstutzen (15'a, 15'b) beidseitig der von dem Magnetkern gebildeten Nadel (26) angeordnet sind.

4. Federbein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe einen zum Zylindergehäuse (7) koaxialen Rotor (12) aufweist, der in einem Stator (10) drehbar angeordnet ist, wobei der Rotor (12) mit mindestens einem Nocken (14) versehen ist, der mit mindestens einem Pumpenkolben (16) zusammenwirkt.

5. Federbein nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Pumpe (12, 16; 26, 16'a, 16'b) und das Zylindergehäuse (7, 7') mit einem Vorratsbehälter (22, 22') für eine Hydraulikflüssigkeit verbunden sind, und daß in der den Zylinder mit dem Vorratsbehälter verbindenden Leitung ein Entlastungs ventil (23, 23') angeordnet ist.

6. Federbein nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Entla stungsventil (23, 23') ein Magnetventil ist.