DE102005060581A1

DE102005060581A1 - Luftfeder- und Dämpfereinheit mit vorgesteuertem Hauptventil

Info

Publication number: DE102005060581A1
Application number: DE102005060581A
Authority: DE
Inventors: Christian Schallmeier
Original assignee: Continental AG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2005-12-17
Filing date: 2005-12-17
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2025-12-18
Also published as: EP1966508A1; KR20080077092A; CN101331340A; DE102005060581B4; US20080308367A1; WO2007068312A1; JP2009520162A; US8025272B2

Abstract

Luftfeder- und Dämpfereinheit für Fahrzeuge, welche mindestens zwei mit Druckluft gefüllte und über Strömungskanäle untereinander verbundene Druckräume als Arbeitsräume und bewegliche Wände in Form von Roll- oder Faltenbälgen aufweist, wobei mindestens in einer Strömungsrichtung in einem ersten Strömungskanal ein vorgesteuertes Hauptventil ausgebildet ist, das niederdruckseitig mit einem Steuerdruck beaufschlagbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftfeder- und Dämpfereinheit für Fahrzeuge, welche mindestens zwei mit Druckluft gefüllte Arbeitsräume aufweist, bei der mindestens ein Arbeitsraum jeweils mindestens teilweise durch bewegliche Wände begrenzt wird, insbesondere durch bewegliche Wände in Form von Roll- oder Faltenbälgen, bei der die Arbeitsräume untereinander über Strömungskanäle verbunden sind und die Strömungskanäle Drosselventile aufweisen.

Solche Luftfeder- und Dämpfereinheiten, kurz Luftdämpfer genannt, sind bekannt als komfortable Feder-Dämpfer-Einheiten für unterschiedlichste Fahrzeugtypen, wobei eine solche Dämpfereinheit üblicherweise zwischen Karosserie und Fahrwerk angeordnet ist.

So offenbart die DE 101 15 980 eine Gasfeder-Dämpfer-Einheit mit einem in einem Zylindergehäuse verschiebbaren und gegenüber letzterem abgedichteten Kolben, der zwei Arbeitsräume unterteilt. Der Dämpferraum ist teilweise von einem Rollbalg nach außen begrenzt. Die im Kolben befindlichen Drosselventile sind dabei so gestaltet, dass abhängig von der Durchströmungsrichtung ein unterschiedlicher Strömungswiderstand vorhanden ist und der Ort des Umschlags von laminarer in turbulente Strömung angepasst wird. Bei den hier gezeigten Drosselventilen handelt es sich um fest eingestellte/eingeformte Drosseln ohne Regelungsfunktion.

In der DE 199 32 717 A1 wird eine Einrichtung offenbart, bei der zwei Arbeitsräume einer Gasfeder-Dämpfer-Einheit mit einem in einem Zylindergehäuse verschiebbaren abgedichteten Kolben unterteilt werden. Der Dämpferraum ist teilweise von einem Rollbalg nach außen begrenzt. Die im Kolben befindlichen Drosselventile sind dabei als mit Federscheiben belastete Ventile gestaltet, wobei die Federscheiben und Ventilquerschnitte abhängig von der Durchströmungsrichtung ausgebildet sind.

Aus der DE 43 34 007 A1 ist eine pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit mit elektromagnetisch steuerbaren Überströmventilen bekannt, deren Verschlussorgane durch Ventilfederplättchen gebildet werden. Durch die Ventilfederplättchen verläuft der magnetische Fluss und die Ventilfederplättchen wirken in ihrer Schließlage mit zugeordneten Anlageflächen zusammen. Die Schließkraft ist durch einen steuerbaren Elektromagneten veränderbar, so dass eine Feder-Dämpfer-Einheit mit veränderlicher Abstimmung vorliegt. Mit dieser Feder-Dämpfer-Einheit ist es möglich, die maximale Schließkraft oder Vorspannung einzustellen und zu bestimmen, ab welchem Druck das Ventil öffnet.

Aus der DE 101 35 261 C1 ist eine Gasfeder-Dämpfer-Einheit mit Überströmdrosseln bekannt, die mit federnden Dichtscheiben verschlossen sind. Die federnden Dichtscheiben sind nicht fest eingespannt, sondern durch eine Federkraft nur für einen vorbestimmten Druckdifferenzbereich festgelegt. Nach Überschreiten eines bestimmten Druckes hebt der Einspannbereich ab, wobei die federnde Kraft zur Belastung der Dichtscheibe vorzugsweise durch eine ebenfalls federnde Ringscheibe aufgebracht wird.

Den bisherigen Ausführungsformen haftet jedoch der Nachteil an, dass eine Verstellmöglichkeit für die Dämpferkennung abhängig von der jeweiligen Fahrsituation im Sinne einer Umschaltung der Luftdämpfer auf eine andere Dämpfungs-Kennlinie entweder nur in geringem Umfang vorhanden oder überhaupt nicht gegeben ist. Der dynamische Differenzdruck an den Drosselventilen und der Volumenstrom sind maßgeblich für den Energieumsatz durch Dissipation und damit für die Dämpfungsarbeit. Bei der Luftdämpfung sind hohe Drücke und große Volumenströme zur Erzeugung der erforderlichen Dämpfungsarbeit nötig. Eine Beeinflussung der Dämpferkennung, d.h. der Dämpfungs-Kennlinie ist also insbesondere deswegen schwierig, weil bei den hier vorliegenden Gasdämpfungssystemen hohe Drücke und hohe Volumenströme zu schalten sind.

Für die Erfindung bestand also die Aufgabe, eine Luftfeder- und Dämpfereinheit für Fahrzeuge bereitzustellen, bei der eine gute Verstellbarkeit der Dämpferkennung erreicht wird, bei der neben großen Volumenströmen zwischen den Arbeitskammern auch große Druckdifferenzen geschaltet werden können, und die eine Anpassung und Reaktion auf unterschiedliche Untergrund- und Fahrsituationen ermöglicht.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.

Hierbei ist mindestens in einer Strömungsrichtung in einem ersten Strömungskanal ein in seiner Dämpfung steuerbares Drosselventil angeordnet und als vorgesteuertes und zur Niederdruckseite öffnendes Hauptventil ausgebildet, dass niederdruckseitig mit einem Steuerdruck beaufschlagbar ist. Zur Regelung des Steuerdrucks ist in einem zweiten Strömungskanal niederdruckseitig ein Steuerventil so angeordnet ist, dass Hauptventil und Steuerventil einen dritten Druckraum für den Steuerdruck begrenzen.

Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten und oben genannten Luftdämpfungssystemen, bei denen z. B. mit steuerbaren Elektromagneten die Schließkraft verändert wird durch die proportionale, aber direkte Wirkung einer Zusatzkraft (Magnetkraft) auf den Ventilkörper oder auf die Federn, erfolgt bei der erfindungsgemäßen Ausführung eine indirekte Einwirkung auf die Schließ- und Dämpfungscharakteristik eines Ventile über die Beeinflussung oder Steuerung der Vorsteuerkraft bzw. des Vorsteuerdruckes.

Bekanntermaßen lassen sich bei hydraulischen Ventilen durch eine Vorsteuerung größere Schaltkräfte erreichen. Dies geschieht dadurch, dass der Systemdruck eines inkompressiblen Mediums genutzt wird, um die Schaltkräfte bis auf eine geringe Differenzkraft zu kompensieren. Dabei werden z.B. miteinander in Wirkverbindung stehende Differenzflächen an den Schaltkolben/Schaltventilen ausgebildet. Bei den bekannten Vorsteuerungen hydraulischer Systemen wird jedoch in aller Regel hochdruckseitig vorgesteuert, d.h. der auf der Hochdruckseite herrschende Systemdruck wird zur Unterstützung des Schaltvorganges eingesetzt.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung dagegen erfolgt die Regelung von Ventilströmungen in einem kompressiblen Medium, nämlich die Regelung eines pneumatischen Drosselventils für Luftdämpfer, durch eine niederdruckseitig angeordnete Vorsteuerung. Diese niederdruckseitige Vorsteuerung zeichnet sich, wie oben gesagt, dadurch aus, dass die Vorsteuerkraft als solche einstellbar ist bzw. geregelt wird. Dies geschieht durch ein niederdruckseitig in einem zweiten Strömungskanal angeordneten Vorsteuerventil, welches im Grunde wie eine verstellbare Drossel auf die Luftströmung wirkt. Durch diese „verstellbare Drossel" wird in einem zur Niederdruckseite gelegenen und durch Hauptventil und Steuerventil begrenzten dritten Druckraum, also einem „Zwischenbereich" zwischen den beiden Arbeitsräumen ein Steuerdruck erzeugt. Die Untergrenze für den Steuerdruck ist dann bei vollständig geöffnetem Steuerventil der Systemdruck auf der Niederdruckseite, die Obergrenze bei vollständig geschlossenem Steuerventil der Systemdruck auf der Hochdruckseite. Der dritte Druckraum kann dabei im Grunde einen Verbindungskanal zwischen dem Steuerventil und Hauptventil darstellen, ggf. erweitert durch eine Bohrung zur Führung des Hauptventils.

Durch eine solche Ausbildung mit einem passiven, aber vorgesteuerten Hauptventil und einem derartig angeordneten Steuerventil/Vorsteuerventil für den Steuerdruck ergibt sich eine exzellentes und feinstufige regelbares Kennlinienfeld für die Luftfeder- und Dämpfereinheit. Zwischen den „harten" und den „weichen" Extremwerten der Dämpfung eines solchen Kennlinienfeldes ist dabei je nach Fahrzustand eine hervorragende Abdeckung des Zwischenbereiches möglich. Bei der Verwendung der Luftfeder- und Dämpfereinheit als Fahrwerksfederung und -Dämpfung im PKW lassen sich zum Beispiel Fahrzustände wie Gefahrenbremsung, Kurvenfahrt, Rollen oder Wanken durch exakte Dämpfereinstellung innerhalb eines weit gespreizten Kennfeldes bestens im Sinne einer Optimierung des Fahrzustandes unterstützen.

Eine vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass in einem parallelen dritten Strömungskanal ein fest eingestelltes ungesteuertes Drosselventil angeordnet ist. Dadurch ergibt sich eine fest eingestellte harte Dämpfungscharakteristik in einem Drosselventil eines in Bezug auf die jeweilige Strömungsrichtung in der Zug- oder Druckstufe parallel geschalteten Strömungskanals, die solange erhalten bleibt, wie das Hauptventil im ersten Strömungskanal nicht öffnet, d.h. solange die Vorsteuerung nicht eingeschaltet wird. Es ergibt sich hierdurch nicht nur eine sichere Rückfallebene für z.B. einen Stromausfall, sondern auch eine sehr einfach zu schaltende „harte" Sicherheitseinstellung.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der zweite Strömungskanal mindestens teilweise innerhalb des ersten Strömungskanals verläuft. Hierdurch ergibt sich eine besonders integrierte und kompakte Bauweise.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das Steuerventil für den Steuerdruck als Schieber ausgebildet ist, dessen Schließ- oder Bewegungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zu Strömungsrichtung in dem beeinflussten Strömungskanal ausgerichtet ist. Eine solche Ausbildung verringert und vergleichmäßigt die erforderlichen Stellkräfte für das Steuerventil beträchtlich. In der Folge lassen sich auch kleinere Stellmotoren mit relativ geringen Leistungen verwenden, was dann wieder die Stromaufnahme für die Stellbewegungen reduziert.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das Hauptventil im ersten Strömungskanal und das Drosselventil im dritten Strömungskanal als federbelastete Ventile ausgebildet sind. Bei diese sehr einfachen Konstruktion sind Ventile möglich, die einen Ventilkörper und eine gegen die Öffnungsrichtung des Ventilkörpers auf letzteren wirkende Schraubenfeder als Ventilfeder aufweisen, aber auch Teller- oder Scheibenfedern, bei denen die Federscheibe selbst der Ventilkörper ist und sich z.B. an ihren Rändern federnd hochbiegen kann. Ebenso sind Kombinationen möglich oder Ventile, deren Federbelastung beispielsweise durch Kompression eines auf einen Ventilkörper wirkenden kompressiblen Mediums erfolgt.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass im zweiten Strömungskanal hochdruckseitig ein federbelastetes Rückschlagventil angeordnet ist, welches zur Niederdruckseite öffnet. Damit ist gewährleistet, dass bei geschlossenem Steuerventil ein Druckausgleich aus der Hochdruckseite in den dritten Druckraum erfolgt. Das zur Niederdruckseite öffnende und niederdruckseitig mit dem Steuerdruck beaufschlagte Hauptventil wird damit vorderseitig und rückseitig mit gleichem Mediumsdruck beaufschlagt und bleibt geschlossen. Bei geschlossenem Steuerventil und entsprechend ausgelegter Federcharakteristik des Hauptventils ist damit auf einfache Wiese die Rückfallposition abgesichert, bei dem eine harte und fest eingestellte Dämpfungscharakteristik in einem Drosselventil des dritten Strömungskanals zur Wirkung kommt.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das federbelastete Rückschlagventil im zweiten Strömungskanal innerhalb des federbelasteten Hauptventils im ersten Strömungskanal angeordnet ist. Durch eine solche „Ventilschachtelung" wird die Baugröße und die Bearbeitung der unterschiedlichen Strömungskanäle und Ventilsitze bei der Herstellung verringert.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass ein vierter Strömungskanal als gedrosselter Bypass ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich, insbesondere bei einer einstellbaren Drosselung, die weitere Möglichkeit einer groben Voreinstellung der Dämpferhärte. Vorteilhafterweise verläuft dann der vierte Strömungskanal mindestens teilweise innerhalb des dritten Strömungskanals. Auch dies dient der Zusammenfassung von Bauteilen und zur Reduzierung der Baugröße. Der der gedrosselte Bypass kann dann auch durch Spaltblenden realisiert werden, ggf. sogar über z.b. Toleranzen bei der Fertigung des Ventilsitzes des dritten Drosselventiles.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die vier Strömungskanäle mit ihren Ventil- und Drosseleinrichtungen funktionsgleich in beiden Strömungsrichtungen ausgebildet sind. Hierdurch ergibt sich eine Möglichkeit zur Steuerung beider Strömungsrichtungen, nämlich der Druckstufe und der Zugstufe der Dämpfereinheit.

Dadurch lassen sich u.a. Aufbauschwingungen bestmöglich reduzieren.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass beide Arbeitsräume durch einen innerhalb eines rotationssymmetrischen Gehäuses axial beweglichen und am Kopfende einer Kolbenstange befindlichen rotationssymmetrischen Kolben getrennt sind, sodass ein Arbeitsraum auf der Kolbenvorderseite angeordnet ist und mindestens der andere Arbeitsraum auf der Kolbenrückseite angeordnet ist. Die gesamte Luftfeder- und Dämpfereinheit benötigt dann wenig Bauraum, insbesondere keine entfernt liegenden zusätzlichen und mit Leitungen verbundene Ausgleichsräume. In vorteilhafter Weise auf ein Minimum reduziert wird die Baugröße dann, wenn zusätzlich die Strömungskanäle innerhalb des beweglichen Kolbens verlaufen.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung besteht dabei darin, dass innerhalb des beweglichen Kolbens – funktionsmäßig dargestellt – für jede Strömungsrichtung vier Strömungskanäle vorgesehen sind, die teilweise ineinander bzw. auf gleichen Wegen verlaufen. Der jeweils erste Strömungskanal weist dabei ein vorgesteuertes und aus einem durch eine Feder belasteten Ventilkörper bestehendes Hauptventil auf und die Achse und Bewegungsrichtung des Ventilkörpers und der Feder des Hauptventils sind senkrecht zur Kolbenachse angeordnet. Der jeweils zweite Strömungskanal verläuft dabei teilweise innerhalb des ersten Strömungskanals und weist ein federbelastetes Rückschlagventil aufweist, welches innerhalb des Ventilkörpers des Hauptventils angeordnet ist. Achse und Bewegungsrichtung des Rückschlagventils sind ebenfalls senkrecht zur Kolbenachse und koaxial zum Hauptventil angeordnet sind. Das Steuerventil ist hierbei als elektrisch angetriebener Schieber ausgebildet und der Antrieb des Steuerventil liegt mit seiner Achse und Wirkungsrichtung senkrecht zur Kolbenachse und parallel zur oder in der Achsrichtung des Hauptventils.

Hierdurch wird eine besonders kompakte Bauweise und damit eine Minimierung des Bedarfs an Einbauraum im Fahrzeug erreicht. Dies kann dadurch noch gesteigert werden, dass das Hauptventil, das Steuerventil und der Antrieb des Steuerventils in einer Achse liegen und diese Achsen für die Zugstufe und für die Druckstufe parallel und im Kolben übereinander angeordnet sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht dabei darin, dass die Schiebergeometrie des Steuerventils so ausgebildet ist, dass der durch das Steuerventil zu öffnende Querschnitt sich in seiner Querschnittsfläche nichtlinear ändert, nämlich beim Öffnen des Schiebers nichtlinear vergrößert bzw. beim Schließen nichtlinear verkleinert wird. Dadurch wirkt man der üblicherweise vorhandenen proportionalen Öffnungscharakteristik der elektromagnetischen Antriebe entgegen. Die proportionale Öffnungscharakteristik von elektromagnetischen Antrieben führt aufgrund der an sich zur Änderung eines Kanalquerschnitts nichtproportionalen Änderung der Strömungsverhältnisse (dämpfende Drosselströmung) zu einem nicht-linearen Verhältnis von Druckdifferenz zu Öffnungsquerschnitt und damit zu Sprüngen der Kennlinien im Kennlinienfeld. Dies lässt sich elegant durch die vorteilhafte Schiebergeometrie verhindern, sodass man eine gleichmäßige Stufung der Kennlinien im Kennlinienfeld erreicht. Auf einfache Weise lässt sich dieses Verhalten durch eine Gestaltung des Steuerventilschiebers dergestalt erreichen, dass das Steuerventil als ein den Querschnitt eines Strömungskanals beeinflussender Flachschieber ausgebildet ist, dessen Vorderseite mit abgestuften und abgeschrägten Rücksprüngen versehen ist.

Selbstverständlich ist es nach wie vor auch möglich, eine lineare Änderung des zu öffnenden Querschnitts durch einen einfach ausgebildeten, z.B. rechteckigen, Steuerventilschieber vorzusehen, wenn die durch die niederdruckseitige Vorsteuerung erreichte „sanfte" Öffnung des Hauptventils eine ausreichende Stufung des Kennlinienfeldes ergibt.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Gezeigt ist hier ein so genannter „Dreibalg-Dämpfer", bei dem beide Arbeitsräume mindestens Teilweise von Rollbälgen begrenzt sind. Es versteht sich von selbst, das jede andere Luftfeder-Dämpfereinheit, also etwa eine solche mit separaten Ausgleichsräumen als Arbeitsräumen oder eine, die lediglich starre Kolben und Zylinder-Konstruktionen aufweist, ebenso mit den erfindungsgemäßen Merkmalen ausgebildet werden kann. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Luftfeder- und Dämpfereinheit in Dreibalg-Ausführung für ein Fahrwerk eines luftgefederten Personenkraftwagens,
2 eine prinzipielle Darstellung der im Kolben einer erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit angeordneten Strömungskanäle,
3 einen horizontalen Schnitt A-A durch eine erfindungsgemäße konstruktive Ausführung eines Kolbens gemäß 1 im Detail,
4 einen perspektivischen vertikalen Schnitt durch einen Kolben einer erfindungsgemäße Luftfeder- und Dämpfereinheit gemäß 1 mit geschlossenem Steuerventil,
5 einen perspektivischen vertikalen Schnitt durch einen Kolben einer erfindungsgemäße Luftfeder- und Dämpfereinheit gemäß 4 mit geöffnetem Steuerventil,
6 anhand von Strömungspfeilen einen Strömungsverlauf bei geöffnetem Flachschieber,
7 ein Feld von Dämpfungskennlinien der erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit.
Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße 3-Balg-Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 für ein Fahrwerk eines luftgefederten Personenkraftwagens. Die Luftfeder- und Dämpfereinheit weist zwei mit Druckluft gefüllte Arbeitsräume 2 und 3 auf. Die Druckluft wird über einen hier nicht näher dargestellten Kompressor, über zugehörige Ventile und Leitungen in bekannter Weise in die Arbeitsräume gefördert und kann ebenfalls über dieses System abgelassen werden. Üblicherweise besteht ein Luftfeder- oder Niveauregelsystem aus Druckluftanlage/Druckluftversorgung und vier Luftfedermodulen, nämlich für jedes Rad eines, und wird insgesamt über eine Steuerungseinrichtung geregelt.
Die Arbeitsräume 2 und 3 sind in einem gemeinsamen topfförmigen, hier zylindrisch ausgebildeten Gehäuse 4 angeordnet und durch einen am Kopfende einer Kolbenstange 5 befindlichen, rotationssymmetrisch ausgebildeten Kolben 6 getrennt.
Der Kolben 6 ist innerhalb des zylindrischen Gehäuses 4 axial beweglich. Innerhalb des Kolbens 6 sind die im Weiteren näher dargestellten und die Arbeitsräume verbindenden Strömungskanäle angeordnet, wobei in jeder Strömungsrichtung jeweils mindestens vier Strömungskanäle vorhanden sind, wie sie im weiteren beschrieben werden.
Der Kolben 6 und die Kolbenstange 5 werden jeweils durch Rollbälge 7, 8 und 9 innerhalb des zylindrischen Gehäuses abgedichtet und geführt. Die Außenflächen 10 und 11 des Kolbens und der Kolbenstange sowie die Innenfläche 12 des Zylinders sind jeweils über einen für das Abrollen der Rollbälge erforderlichen Bereich als rotationssymmetrische Abrollkonturen ausgebildet.
Ein zwischen dem Ende des zylindrischen Gehäuses und dem unteren Anschlußpunkt 13 zum Fahrwerk üblicherweise befindlicher Faltenbalg zum Schutz gegenüber Umgebungseinflüssen ist hier nicht näher dargestellt.
Die Luftfeder- und Dämpfereinheit weist weiterhin federnd ausgebildete Anschläge 14 und 15 auf, die bei entsprechender Belastung in der Druck- oder in der Zugstufenendlage den Kolbenweg/Federweg begrenzen, damit kein metallischer Kontakt entsteht.
Die Außenfläche des rotationssymmetrischen Kolbens 6 ist als ein sich nach oben verjüngender Kegelmantel ausgebildet. Dadurch weisen der erste Rollbalg 7 und der zweite Rollbalg 8 unterschiedliche wirksame Durchmesser 16 und 17 auf, die jeweils größer sind als der wirksame Durchmesser 18 des dritten Rollbalges 9, der die Rollfalte 19 bildet. Der wirksame Durchmesser 16 des ersten Rollbalges ist kleiner ist als der wirksame Durchmesser 17 des zweiten Rollbalges. Durch die unterschiedlichen wirksamen Durchmesser 16 und 17 entsteht eine Differenzfläche (Kreisringfläche), die eine auf den Kolben wirkende Kraft erzeugt. Diese Differenzkraft, auf die hier nicht weiter einzugehen ist, wird über die Kolbenflächen ausgelegt im Zusammenwirken mit dem wirksamen Durchmessers 18 des Rollbalgs 9.
Karosserieseitig ist die Luftfeder- und Dämpfereinheit über ein Federbein-Kopflager 20 mit dem Fahrzeug in bekannter Weise verbunden.
Die 2 zeigt nun in prinzipieller und funktioneller Darstellung die im Kolben einer erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit angeordneten Strömungskanäle, Drosseln, Ventile und Funktionen. Hierbei erkannt man oben den augenblicklich hochdruckseitigen Arbeitsraum 2 der Luftfeder- und Dämpfereinheit, im unteren Bereich dagegen den augenblicklich niederdruckseitigen Arbeitraum 3. Die zwischen diesen Arbeitsräumen dargestellten Strömungskanäle, Drosseln, Ventile und Funktionen befinden sich in einem rotationssymmetrischen Kolben 6, so dass ein Arbeitsraum auf der Kolbenvorderseite angeordnet ist und der andere Arbeitsraum auf der Kolbenrückseite angeordnet ist.
Innerhalb des beweglichen Kolbens, d.h. zwischen den Arbeitsräumen sind für jede Strömungsrichtung vier Strömungskanäle 21 bis 24 vorgesehen. Der jeweils erste Strömungskanal 21 weist ein vorgesteuertes und aus einem durch eine Feder 25 belasteten Ventilkörper 26 bestehendes Hauptventil 27 auf. Der zweite Strömungskanal 22 verläuft dabei teilweise innerhalb des ersten Strömungskanals und weist ein Drosselventil 28 auf, hier dargestellt als Blende oder Bohrung innerhalb des Ventilkörpers 26 des Hauptventils 27. In der tatsächlichen Ausführung ist dieses Drosselventil als federbelastetes Rückschlagventil ausgebildet, wie später beschrieben. Der zweite Strömungskanal 22 beinhaltet weiterhin ein Steuerventil 29. Das Steuerventil weist als Ventilkörper einen Schieber 30 auf, dessen Schließ- oder Bewegungsrichtung 31 im Wesentlichen senkrecht zu Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Der Schieber ist hier federbelastet, wird aber gegen die Feder 32 mit Hilfe eines elektromagnetischen Antriebs verstellt.
Die Luftfeder- und Dämpfereinheit weist einen parallelen dritten Strömungskanal 23 auf, in dem ein fest eingestelltes ungesteuertes Drosselventil angeordnet ist. Dieses Drosselventil 33 besteht aus einem durch eine Feder 34 belasteten Ventilkörper 35. Dadurch ergibt sich eine fest eingestellte harte Dämpfungscharakteristik in einem Drosselventil in Bezug auf die jeweilige Strömungsrichtung, d.h. eine „harte" Sicherheitseinstellung.
Letztlich erkennt man einen vierter Strömungskanal 24, in dessen Verlauf und hier innerhalb des Ventilkörpers 35 ein mittels Drosselbohrungen ausgebildeter Bypass 36 vorhanden ist. Hierdurch lässt sich die Dämpferhärte voreinstellen.
Die 3 zeigt nun im Detail einen horizontalen Schnitt durch konstruktive Ausführung eines Kolbens 6. Innerhalb des beweglichen Kolbens 6 ist für je Strömungsrichtung ein erster Strömungskanal 21 vorhhnden, der ein vorgesteuertes Hauptventil 27 aufweist, welches aus einem durch eine Feder 25 belasteten Ventilkörper 26 besteht. Der Ventilkörper 26 ist hierbei topfförmig ausgebildet und wird in einer entsprechenden Ausnehmung 37 des Kolbens geführt. Die Schraubenfeder Ventilfeder 25 ist gehalten und geführt in der rückseitigen topfförmigen Vertiefung des Ventilkörpers 26 und stützt sich kolbenseitig gegen den Boden der Ausnehmung 37 ab. Der Ventilkörper 26 kann somit unter bestimmten Bedingungen durch Mediumsdruck gegen den Federdruck in Richtung Kolbenachse verschoben werden, so dass der Ventilkörper 26 den Strömungskanal 21 zunehmend freigibt.
Die Achse und Bewegungsrichtung des Ventilkörpers 26 und der Ventilfeder 25 des Hauptventils 27 sind dabei senkrecht zur Kolbenachse angeordnet. Letztere steht in der hier gezeigten Konstruktion ja senkrecht zur Zeichnungsebene (siehe Anordnung des Schnittes A-A in der 1).
Der jeweils zweite Strömungskanal 22 verläuft dabei teilweise, nämlich in dem in der 3 auf der linken Seite befindlichen Bereich, innerhalb des ersten Strömungskanals 21 und weist ein Rückschlagventil 38 auf, welches innerhalb des Ventilkörpers 26 des Hauptventils 27 angeordnet ist. Das Rückschlagventil 38 wird durch eine Ventilfeder 39 in seinen Ventilsitz 40 auf der Innenseite, d.h. am Topfgrund des Ventilkörpers 26 gedrückt.
Achse und Bewegungsrichtung des Rückschlagventils sind ebenfalls senkrecht zur Kolbenachse und koaxial zum Hauptventil angeordnet sind.
Das Rückschlagventil 38 wird dabei geführt und gehalten von einem in die Rückseite des Hauptventils eingeschraubten und mit Durchlässen versehenen Käfig 41, an dem sich auch die Feder 39 abstützt.
Das Steuerventil 29 im Strömungskanal 22 ist hierbei als elektrisch angetriebener Schieber 42 ausgebildet und der Antrieb 43 des Steuerventil liegt mit seiner Achse und Wirkungsrichtung senkrecht zur Kolbenachse und hier in der Achsrichtung des Hauptventils 27.
Hauptventil 27, Rückschlagventil 38, das Steuerventil 42 und der Antrieb 43 des Steuerventils liegen hier in einer Achse und benötigen so ein Minimum an Bauraum.
Es ist wichtig, dass der topfförmig ausgebildete Ventilkörper 26 möglichst reibungsfrei in der entsprechenden Ausnehmung 37 des Kolbens geführt wird, nicht verkantet und trotzdem möglichst luftdicht in der Ausnehmung sitzt. Dies erreicht man durch sorgfältige Passungseinstellung und/oder zusätzliche fachlichen Maßnahmen, wie leicht laufende Dichtungen, gleitende Beschichtungen (Teflon), etc.
4 zeigt zur weiteren Verdeutlichung einen perspektivisch-vertikalen Schnitt durch einen Kolben einer erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit gemäß 1 bei geschlossenem Steuerventil/Steuerschieber.
Bei dieser ausnehmend Platz sparenden und kompakten Anordnung aller Strömungskanäle im Kolben erkennt man im oberen Teil des Kolbens die senkrecht zur Kolbenachse angeordneten Strömungsregeleinrichtungen für die Druckstufe, im unteren Teil des Kolbens die für die Zugstufe. Beide Einrichtungen funktionieren prinzipiell und konstruktiv gleich. Der Einfachheit halber werden daher in der 4 lediglich die Einrichtungen für die Druckstufe angezogen, also die Einrichtungen, die beispielsweise dann betätigt werden, wenn die Fahrzeugkarosserie aufgrund von Straßenunebenheiten in die Federung eintaucht. In diesem Fall bewegt sich der Kolben nach oben, wie auch aus der 1 gut verständlich. Dann ist also der Druck des Mediums oberhalb des Kolbens größer als unterhalb des Kolbens.
Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführung erfolgt die Regelung der Ventilströmungen des Hauptventils 44 auch durch eine niederdruckseitig angeordnete Vorsteuerung 45. Die Vorsteuerung beinhaltet dabei das niederdruckseitig im zweiten Strömungskanal 22 angeordnete elektromagnetisch angetriebene Vorsteuerventil 46, welches wie eine verstellbare Drossel auf die Luftströmung wirkt. Dadurch wird in einem zur Niederdruckseite gelegenen und durch Hauptventil 44 und Vorsteuerventil bzw. Steuerschieber 48 begrenzten dritten Druckraum 47 zwischen den beiden Arbeitsräumen 2 und 3 ein Steuerdruck erzeugt. Die theoretische Untergrenze für den Steuerdruck ist dann bei vollständig geöffnetem Steuerventil der Systemdruck auf der Niederdruckseite, die Obergrenze bei vollständig geschlossenem Vorsteuerventil der Systemdruck auf der Hochdruckseite. Das Vorsteuerventil 46 betätigt dabei einen Flachschieber 48, der senkrecht zur Kolbenachse den zugehörigen Strömungskanal schließen oder öffnen kann.
Das vorgesteuerte Hauptventil 44 besteht aus einem durch eine Ventilfeder 49 belasteten Ventilkörper 50. Der Ventilkörper 50 ist auch hier topfförmig ausgebildet und wird in einer entsprechenden Ausnehmung 51 des Kolbens geführt. Die als Schraubenfeder ausgebildete Ventilfeder 49 ist gehalten und geführt in der rückseitigen topfförmigen Vertiefung des Ventilkörpers 50 und stützt sich kolbenseitig gegen den Boden der Ausnehmung 51 ab.
Innerhalb desselben Strömungskanals zwischen den beiden Arbeitsräumen 2 und 3 und gleichzeitig innerhalb des Ventilkörpers 50 des Hauptventils 44 ist ein Rückschlagventil 52 angeordnet, welches funktional zum zweiten Strömungskanal gehört, der auch die Vorsteuerung beinhaltet. Das Rückschlagventil 52 besteht aus einem Ventilkörper 53 und wird durch eine Feder 54 in seinen Ventilsitz 55 auf einen Kragen des Ventilkörpers 50 des Hauptventils gedrückt. Achse und Bewegungsrichtung des Rückschlagventils sind ebenfalls senkrecht zur Kolbenachse und koaxial zum Hauptventil angeordnet sind.
Solange der Flachschieber 48 des Vorsteuerventils 46 geschlossen ist, sind die Drücke im dritten Druckraum 47 und im hochdruckseitigen Arbeitsraum 2 gleich groß, da ein Ausgleich über das Rückschlagventil 52 erfolgt. Sobald aber durch Öffnen des Flachschiebers 48 und damit durch eine Verbindung des dritten Druckraums 47 mit dem niederdruckseitigen Arbeitsraum 3 eine Druckdifferenz vor und hinter dem Hauptventil 44 entsteht, wird letzteres gegen den Federdruck in Richtung Kolbenachse verschoben werden, so dass der Ventilkörper 50 den Strömungskanal freigibt.
5 zeigt noch einmal einen perspektivischen vertikalen Schnitt durch einen Kolben einer erfindungsgemäße Luftfeder- und Dämpfereinheit gemäß 4, jedoch mit geöffnetem Flachschieber 48 des Vorsteuerventils 46. Hier erkennt man auch gut die auf der Vorderseite 56 des Flachschiebers 48 ausgebildeten abgeschrägten Abstufungen, wodurch sich der durch das Vorsteuerventil zu öffnende Querschnitt sich in seiner Fläche nichtlinear ändert, nämlich beim Öffnendes Schiebers nichtlinear vergrößert bzw. beim Schließen nichtlinear verkleinert.
6 zeigt lediglich zur Verdeutlichung und ohne weitere Bezugszeichen anhand von Strömungspfeilen den Strömungsverlauf bei geöffnetem Flachschieber 48 durch das Hauptventil 44 und das Rückschlagventil 52.
7 zeigt ein Feld von Dämpfungskennlinien, wie es sich mit der erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit erreichen lässt. Aufgetragen als Maß für die Dämpfung ist hier ist hier die Druckdifferenz ΔP in bar (Hektopascal) über dem Normvolumenstrom in Litern/min. Deutlich wird hier insbesondere die gleichmäßige Verteilung der Dämpfungskennlinien zwischen den Extrema, nämlich der Kennlinie 57 bei härtester Einstellung mit geschlossenem Vorsteuerventil und der Kennlinie 58 bei weicher Einstellung mit völlig geöffnetem Vorsteuerventil.

1: Luftfeder- und Dämpfereinheit
2: Arbeitsraum/Druckraum
3: Arbeitsraum/Druckraum
4: Gehäuse
5: Kolbenstange
6: Kolben
7: Rollbalg
8: Rollbalg
9: Rollbalg
10: Kolbenaußenfläche
11: Kolbenaußenfläche
12: Zylinderinnenfläche
13: Anschlusspunkt
14: Anschlag
15: Anschlag
16: wirksamer Rollbalg-Durchmesser
17: wirksamer Rollbalg-Durchmesser
18: wirksamer Rollbalg-Durchmesser
19: Rollfalte
20: Federbein-Kopflager
21: Strömungskanal
22: Strömungskanal
23: Strömungskanal
24: Strömungskanal
25: Ventilfeder
26: Ventilkörper
27: Hauptventil
28: Drosselventil
29: Steuerventil
30: Ventilschieber
31: Bewegungsrichtung
32: Feder
33: Drosselventil
34: Ventilfeder
35: Ventilkörper
36: Bypass
37: Ausnehmung
38: Rückschlagventil
39: Ventilfeder
40: Ventilsitz
41: Ventilkäfig
42: Elektrisch angetriebener Schieber
43: Antrieb des Steuerventils
44: Hauptventil
45: Vorsteuerung
46: Vorsteuerventil
47: Dritter Druckraum
48: Flachschieber
49: Ventilfeder/Schraubenfeder
50: Ventilkörper
51: Ausnehmung
52: Rückschlagventil
53: Ventilkörper
54: Ventilfeder
55: Ventilsitz
56: Vorderseite des Flachschiebers
57: Kennlinie „Hart"
58: Kennlinie „Weich"

Claims

Luftfeder- und Dämpfereinheit für Fahrzeuge, welche mindestens zwei mit Druckluft gefüllte Druckräume als Arbeitsräume aufweist, bei der mindestens ein Arbeitsraum jeweils mindestens teilweise durch bewegliche Wände begrenzt wird, insbesondere durch bewegliche Wände in Form von Roll- oder Faltenbälgen, bei der die Arbeitsräume untereinander über Strömungskanäle verbunden sind und die Strömungskanäle Drosselventile aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in einer Strömungsrichtung in einem ersten Strömungskanal (21) ein in seiner Dämpfung steuerbares Drosselventil angeordnet und als vorgesteuertes und zur Niederdruckseite öffnendes Hauptventil (27, 44) ausgebildet ist, das niederdruckseitig mit einem Steuerdruck beaufschlagbar ist.
Luftfeder- und Dämpfereinheit gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Steuerdrucks in einem zweiten Strömungskanal (22) niederdruckseitig ein Steuerventil (29, 46) so angeordnet ist, dass Steuerventil und Hauptventil einen dritten Druckraum (47) für den Steuerdruck begrenzen.
Luftfeder- und Dämpfereinheit gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem parallelen dritten Strömungskanal (23) ein fest eingestelltes ungesteuertes Drosselventil (33) angeordnet ist.
Luftfeder- und Dämpfereinheit nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungskanal (22) mindestens teilweise innerhalb des ersten Strömungskanals (21) verläuft.
Luftfeder- und Dämpfereinheit nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil für den Steuerdruck als Schieber (30, 42, 48) ausgebildet ist, dessen Schließ- oder Bewegungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zu Strömungsrichtung ausgerichtet ist.
Luftfeder- und Dämpfereinheit nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventil im ersten Strömungskanal und das Drosselventil im dritten Strömungskanal als federbelastete Ventile ausgebildet sind.
Luftfeder- und Dämpfereinheit nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Strömungskanal hochdruckseitig ein federbelastetes Rückschlagventil (38) angeordnet ist, welches zur Niederdruckseite öffnet.
Luftfeder- und Dämpfereinheit nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das federbelastete Rückschlagventil im zweiten Strömungskanal innerhalb des federbelasteten Hauptventils im ersten Strömungskanal angeordnet ist.
Luftfeder- und Dämpfereinheit nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Strömungskanal als gedrosselter Bypass ausgebildet ist.
Luftfeder- und Dämpfereinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Strömungskanal mindestens teilweise innerhalb des dritten Strömungskanals verläuft.
Luftfeder- und Dämpfereinheit nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Strömungskanäle mit ihren Ventil- und Drosseleinrichtungen funktionsgleich in beiden Strömungsrichtungen ausgebildet sind.
Luftfeder- und Dämpfereinheit nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beide Arbeitsräume durch einen innerhalb eines rotationssymmetrischen Gehäuses axial beweglichen und am Kopfende einer Kolbenstange befindlichen rotationssymmetrischen Kolben (6) getrennt sind, sodass ein Arbeitsraum auf der Kolbenvorderseite angeordnet ist und mindestens der andere Arbeitsraum auf der Kolbenrückseite angeordnet ist.
Luftfeder- und Dämpfereinheit nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle innerhalb des beweglichen Kolbens (6) verlaufen.
Luftfeder- und Dämpfereinheit nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des beweglichen Kolbens für jede Strömungsrichtung vier Strömungskanäle vorgesehen sind, wobei der jeweils erste Strömungskanal ein vorgesteuertes und aus einem durch eine Feder (49) belasteten Ventilkörper (50) bestehendes Hauptventil (44) aufweist, wobei die Achse und Bewegungsrichtung des Ventilkörpers (50) und der Ventilfeder (49) des Hauptventils (44) senkrecht zur Kolbenachse angeordnet sind, wobei der jeweils zweite Strömungskanal teilweise innerhalb des ersten Strömungskanals verläuft und ein federbelastetes Rückschlagventil (52) aufweist, welches innerhalb des Ventilkörpers (50) des Hauptventils angeordnet ist, wobei die Achse und Bewegungsrichtung des Rückschlagventils (52) ebenfalls senkrecht zur Kolbenachse und koaxial zum Hauptventil (44) angeordnet sind, und wobei das Steuerventil (46) als elektrisch angetriebener Schieber ausgebildet und der Antrieb des Steuerventils (46) mit seiner Achse und Wirkungsrichtung senkrecht zur Kolbenachse und parallel zur oder in der Achsrichtung des Hauptventils (44) liegt.
Luftfeder- und Dämpfereinheit nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventil, das Steuerventil und der Antrieb des Steuerventils in einer Achse liegen und diese Achsen für die Zugstufe und für die Druckstufe parallel und im Kolben (6) übereinander angeordnet sind.
Luftfeder- und Dämpfereinheit nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (26, 50) des federbelasteten Hauptventils (27, 44) topfförmig ausgebildet ist und in einer zur Außengeometrie des Ventilkörpers komplementären Ausnehmung (37, 51) des Kolbens geführt wird, wobei eine rückseitig des Hauptventils angeordnete Schraubenfeder (25, 54) als Ventilfeder das Hauptventil in den zugehörigen Ventilsitz drückt und wobei die Schraubenfeder in der rückseitigen topfförmigen Vertiefung des Ventilkörpers (26, 50) geführt ist und sich kolbenseitig gegen den Boden der Ausnehmung (37, 51) abstützt.
Luftfeder- und Dämpfereinheit nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebergeometrie des Steuerventils so ausgebildet ist, dass der durch das Steuerventil zu öffnende Querschnitt sich in seiner Querschnittsfläche nichtlinear ändert.
Luftfeder- und Dämpfereinheit nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil als ein den Querschnitt eines Strömungskanals beeinflussender Flachschieber ausgebildet ist, dessen Vorderseite (56) mit abgestuften und abgeschrägten Rücksprüngen versehen ist.