DE10200553C1 - Luftfeder mit integriertem Steuerventil - Google Patents

Luftfeder mit integriertem Steuerventil

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Abstract

Luftfeder mit mindestens einem innerhalb der Luftfeder angeordneten Steuerventil mit den Steuerstellungen Zuführen, Blockieren und Abführen von Druckluft, welches über ein ebenfalls innerhalb der Luftfeder angeordnetes Steuerelement angesteuert wird, das an einem der beiden relativ zueinander beweglichen Luftfederbaugruppen Außenrohr oder Abrollrohr angreift, wobei das Steuerelement eine Wirklänge aufweist, die kürzer ist als die Hublänge der Luftfeder und von einer Feder gegen eine der zueinander beweglichen Luftfederbaugruppen vorgespannt ist, wobei das Steuerelement relativ zu den Luftfederbaugruppen schwimmend gelagert ist und eine zweite Feder, deren Kraftrichtung gegen die erste Feder wirksam ist, die Stellung des Steuerelements mitbestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftfeder entsprechend dem Oberbegriff von Patentan­ spruch 1.
Die DE 100 03 045 A1 beschreibt eine Luftfeder mit einem integrierten Steuer­ ventil, wobei das Steuerventil von einem Steuerelement betätigt wird, dessen Wirklänge kürzer ist als die Hublänge der Luftfeder. Dazu ist das Steuerelement axial schwimmend gelagert und wird von einem Federelement vorgespannt, so dass das Steuerelement der Hubbewegung des Außenrohres folgt, bis ein An­ schlag die weitere Steuerbewegung des Steuerelements begrenzt, wobei das Au­ ßenrohr eine Wirkverbindung zum Steuerelement löst.
Der Kontakt des Anschlags des Steuerelements mit dem Abrollrohr oder einem dieser Baugruppe verbundenen Bauteil ist in Abhängigkeit der Ausfederungsge­ schwindigkeit des Steuerelements hörbar und kann als störend empfunden wer­ den. Ein ähnlicher Effekt kann auftreten, wenn die Luftfeder aus einem Ausfede­ rungszustand die angestrebte Niveaulage erreicht und das Außenrohr wieder die Wirkverbindung mit dem Steuerelement herstellt.
Bei der Basiskonstruktion gemäß der DE 44 09 252 A1 tritt dieses Problem nicht auf, da das Steuerelement mit dem Abrollrohr fest verbunden ist und folglich niemals eine Relativbewegung zwischen diesen beiden Bauteilen Geräusche ver­ ursachen kann.
Die DE 10 56 488 C offenbart eine Luftfeder mit einem innerhalb des Rollbalgs angeordneten Ventil, das die Druckluftversorgung des Federraums innerhalb des Rollbalgs ansteuert. Der Rollbalg weist eine Falte auf, deren Kontur sich hubab­ hängig ändert. Diese Änderung der Rollbalgkontur wird von einem Hebelgestänge abgegriffen, das wiederum das Ventil zur Steuerung der Druckluftversorgung be­ tätigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik be­ kannten Geräuschprobleme bei einer Luftfeder zu minimieren.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine zweite Feder, deren Kraftrichtung gegen die erste Feder wirksam ist, die Stellung des Steuerelements mitbestimmt.
Der große Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Steuerelement von den Federkräften beider Federn in den Extremlagen gehalten wird, ohne dass ein fes­ ter Anschlag notwendig ist. Die Federn unterbinden prinzipbedingt jedes Ge­ räusch, so dass es für Außenstehende akustisch nicht wahrnehmbar ist, wenn die Federn das Steuerelement in einem Gleichgewichtszustand halten.
In weiterer konstruktiver Ausgestaltung stützt sich die zweite Feder an der Bau­ gruppe Außenrohr ab. Bei dieser Variante besteht zwischen der Baugruppe Ab­ rollrohr und dem Steuerelement ein permanenter Kontakt, so dass zwangsläufig auch keine Kontaktgeräusche auftreten können.
Dazu ist es sinnvoll, dass die zweite Feder zumindest ab einer definierten Niveau­ lage in Einfederungsrichtung der Luftfeder eine größere Federkraft aufweist als die erste Feder. Ausgehend von der maximalen Ausfederungslage bis zur Niveau­ lage ist es ausreichend, wenn die zweite Feder eine gleichgroße Kraft aufweist, wie die erste Feder. Es besteht zwar eine gefederte Verbindung zwischen der Baugruppe Abrollrohr und dem Steuerelement, aber durch die steifere zweite Fe­ der wird die Übertragung der Änderungen des Hubwegs der Luftfeder fehlerfrei auf das Steuerelement gewährleistet.
So kann die zweite Feder von einem Elastomer gebildet werden.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit dass eine Schraubenfeder verwendet wird, wobei dann vorteilhafterweise das Steuerelement mit einem Federteller für die zweite Feder ausgeführt ist.
Bei dieser Variante kann ein besonders kurzbauendes Steuerelement eingesetzt werden, da man das Steuerelement schon eine Endposition einnehmen lassen kann, beispielsweise bei einer Einfederungsbewegung des Außenrohres, aber durch die zweite Feder eine weitere Relativbewegung der Baugruppe Außenrohr in Richtung des Steuerelementes zulassen kann, da dieser Weg von der zweiten Feder ausgeglichen wird. Für die Funktion des Steuerventils ist es unerheblich, ob die Luftfeder geringfügig oder sehr weit von einer vorgegebenen Niveaulage aus- oder eingefedert ist. Es wird unabhängig vom Absolutweg jeweils Druckluft zu- oder abgeführt.
Zur Vermeidung eines Anschlaggeräusches bei Erreichen einer Endstellung des Steuerelementes bezogen auf die Baugruppe Abrollrohr ist funktional zwischen dem Steuerelement und der Baugruppe Abrollrohr ein elastischer Anschlag ange­ ordnet ist.
Bei einer Alternativvariante ist dass ein Zughaltemittel eine Endstellung des Steu­ erelements gegen die Federkraft der ersten Feder bestimmt.
Vorteilhafterweise ist das Zughaltemittel als eine zweite Feder in der Bauform einer Zugfeder ausgeführt, die an der Baugruppe Abrollrohr angreift.
Des weiteren ist funktional zwischen einer Kontaktfläche der Baugruppe Abroll­ rohr und einer Kontaktfläche des Steuerelements eine Anschlagdämpfefement angeordnet.
Im Hinblick auf einen möglichst einfachen Montageablauf weist das Steuerele­ ment einen Axialanschlag auf, der eine Montageendstellung des Steuerelements bestimmt.
In dem Zusammenhang sind die Federrate und der Federweg der zweiten Feder derart abgestimmt, dass im Endmontagezustand der Luftfeder unabhängig von der momentanen Hublage der Axialanschlag außer Eingriff bleibt.
Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden:
Es zeigt:
Fig. 1 Anwendungsbeispiel der Erfindung
Fig. 2 erste Ausführungsvariante
Fig. 3 alternatives Steuerventil
Fig. 4-7 weitere Ausführungsvariante
Die Fig. 1 zeigt eine Einbausituation für eine Luftfederungsanlage 1 zwischen ei­ nem Fahrgestell 3 und einer relativ zum Fahrgestell 3 schwingend gelagerten Fahrzeugkomponente, wie ein Fahrerhaus 5 oder eine Fahrzeugachse 7. Dabei ist mindestens eine Luftfeder 9 über einen Versorgungsanschluss 11 mit einer Druckquelle 13 verbunden, wobei ein Steuerventil 15 als Teil der Luftfeder 9 zwischengeschaltet ist. Die Versorgung erfolgt mittels eines Kompressoraggrega­ tes.
Die Fig. 2 beschränkt sich in ihrer Darstellung auf die Luftfeder 9. Diese Luftfe­ der 9 weist ein Außenrohr 19 auf, auf welchem das eine Ende eines Feder­ balges 21 befestigt ist, während das andere Ende des Federbalges 21 auf einem Abrollrohr 23 eingespannt ist. Das Abrollrohr 23 ist durch Dichtungen 25 gegen­ über einem Behälterrohr 27 abgedichtet. Ein unter Druck stehender Federraum 29 wird von dem Federbalg 21 und dem Außenrohr 19 begrenzt.
Eine Kolbenstange 31, die zusammen mit dem Behälterrohr 27 Bestandteil eines Schwingungsdämpfers ist, steht in Wirkverbindung mit dem Außenrohr 19. Die Luftfeder 9 besteht damit aus zwei zueinander beweglichen Luftfederbaugrup­ pen. Eine erste Luftfederbaugruppe umfasst das Außenrohr mit der Kolbenstange und ggf. Anbauteilen, wie einem Anschlagpuffer. Zu einer zweiten Luftfederbau­ gruppe gehört das Abrollrohr 23 und das Behälterrohr 27, sowie den an diesen genannten Komponenten befestigten Teilen.
Innerhalb des Abrollrohres 23 ist ein Versorgungsanschluss 33 angeordnet, der in eine Druckluftzuführleitung 35 für das Steuerventil 15 übergeht. Dabei mündet die Druckluftzuführleitung 35 im Federraum. Am Ausgang der Druckluftzuführlei­ tung 35 in den Federraum 29 ist das Steuerventils 15 angeordnet, das die Druck­ luftzufuhr beeinflusst.
Das Steuerventil 15 ist als Schaltbild beispielhaft als 3/2-Wegeventil dargestellt. Man kann sich sicherlich auch eine Steuerventil vorstellen, bei dem eine Schalt­ stellung mit gleichzeitig blockierter Abführ- und Druckluftzufuhrleitung 35; 63 ausgeführt ist, die im Bereich der Normallage des Hubweges der Luftfeder einge­ nommen wird. Wie die Fig. 3 zeigt, kann alternativ sinnvollerweise auch ein 3/3 Wegeventil eingesetzt werden.
Innerhalb eines Ringraums 23a des Abrollrohres 23 ist ein Steuerelement 37 an­ geordnet, das ein Übertragungsglied 69 betätigt, das wiederum verschiedene Schaltstellungen des Steuerventils 15 bestimmt. Das Steuerelement kann stab­ förmig oder auch, wie gestrichelt dargestellt, als Zylinder ausgeführt sein und ist in Längsrichtung schwimmend zum Abrollrohr gelagert, wobei es sich auf einer ersten Federelement 43 abstützt, die wiederum auf einer Abstützfläche 23b des Abrollrohres anliegt. Des weiteren greift an dem Steuerelement 37 als ein Zughal­ temittel eine zweite Feder 73 in der Bauform einer Zugfeder an, deren anderes Ende am Abrollrohr oder einem ortsfesten Bauteil dieser Baugruppe befestigt ist. In der dargestellten Figur befindet sich die Luftfeder momentan in einer Hublage, die größer ist als eine definierte Niveaulage. Dabei besteht ein Abstand zwischen einer Kontaktfläche 67 des Steuerelements und einer Kontaktfläche 19a der Bau­ gruppe Außenrohr 19. Die Kontaktfläche 67 des Steuerelements wird von einem Anschlagdämpfelement 75 gebildet. Der Abstand wird von den Kräften der bei­ den gegeneinander wirksamen Federkräften der Federn 43; 73 bestimmt, wobei die Federkraft der ersten Feder 43 ausgehend von der maximalen Einfederungs­ stellung bis zur Niveaulage größer ist als die Federkraft der zweiten Feder 73 o­ der eines anderen Zughaltemittels, beispielsweise einem Seil.
Bei einer Einfahrbewegung der Luftfeder kommt die Kontaktfläche 19a des Au­ ßenrohres auf dem Anschlagdämpfelement 75 des Steuerelements 37 zur Anla­ ge. Folglich kann es zu keinen Geräuschproblemen in Verbindung mit dem Steu­ erelement kommen, wenn die Luftfeder eine Hublage außerhalb der Niveaulage einnimmt.
An dem Steuerelement ist eine Führungsbahn 39 in Form einer schiefen Ebene ausgeführt. Mit Änderung der Hublage des Steuerelementes 37 gegen die Feder­ kräfte der ersten und zweiten Feder 43; 73 ergibt sich eine Änderung des radia­ len Stellweges s relativ zum Steuerventil 15, ausgehend von der Führungsbahn auf das Übertragungsglied 69. Eine Rückstellfeder 71 sorgt für einen ständigen Kontakt des Übertragungsglieds 69 auf der Führungsbahn 39 und übt damit eine Stellkraft auf das Steuerventil 15 aus, wenn sich die Kolbenstange 31 der Luft­ feder in Ausfahrrichtung bewegt.
Wenn das Steuerelement 37 im Bereich der Führungsbahn 39 als Konus ausge­ führt ist, dann ist der Stellweg s für das Übertragungsglied 69 unabhängig von einer durch Vibrationen verursachten Drehbewegung des Steuerelementes 37. Man muss bei einer derartigen Ausgestaltung keinerlei Vorkehrungen für eine in Umfangsrichtung ausgerichtete Einbau- und Betriebsstellung des Steuerelemen­ tes 37 zum Steuerventil 15 treffen.
Die Fig. 4 bis 6 zeigen eine Alternativlösung zur Fig. 2 in verschiedenen Hub­ lagen der Luftfeder 9. Der wesentliche Aufbau ist identisch mit der Fig. 2. Ab­ weichend wird ein Steuerventil 15 eingesetzt, das als Drehschieberventil ausge­ führt ist und von einem Steuerelement 37 betätigt wird, das eine Führungs­ bahn 39 aufweist, die in Umfangsrichtung ausgehend von einem Bezugspunkt (Fig. 7) der Führungsbahn 39 radial versetzt ausgeführt ist. Diese Führungs­ bahn 39 wirkt mit einem Drehschieberventilkörper zusammen, wobei ein radialer Versatz 39a der Führungsbahn 39 über einen Eingriff des Drehschieberventil­ körpers mit der Führungsbahn zu einer Drehbewegung führt, wenn die Führungs­ bahn eine translatorische Relativbewegung ausgehend von der Bezugsstellung ausführt. Bezüglich einer möglichen Ausgestaltung des Drehschieberventils wird auf den Inhalt der DE 44 09 252 A1 verwiesen.
Des weiteren besteht ein Unterschied zu Lösung nach Fig. 2 darin, dass das Steuerelement unabhängig von der momentanen Niveaulage der Luftfeder stets in Kontakt zur Baugruppe Außenrohr 19 steht. Dazu stützt sich die zweite Feder 73 an dem Außenrohr 19 ab, die permanent hubunabhängig von der Luftfeder vor­ gespannt ist. Es besteht die Möglichkeit, dass die zweite Feder von einem E­ lastomer gebildet wird. Ohne funktionale Einschränkungen ist jedoch auch die Anwendung einer Schraubenfeder möglich, wobei dafür das Steuerelement mit einem Federteller 77 ausgeführt ist. (s. Fig. 5) Die Federkraft 73 der zweiten Fe­ der ist zumindest ab Erreichen der Niveaulage in Einfederungsrichtung größer als die Federkraft der ersten Feder 43. Damit wird erreicht, dass die gegeneinander gerichteten Federkräfte der Federn 43; 73 keine Fehlstellung des Steuerelements bezogen auf das Außenrohr zulassen. Eine Fehlstellung des Steuerelements be­ zogen auf das Außenrohr ist derart zu verstehen, dass eine Hublage der Luftfeder kleiner als Niveaulage auch von dem Steuerelement bezogen auf das Steuerventil im Sinne von Zuführen von Luft nachgeführt wird.
Ausgehend von der Fig. 4 mit der maximalen Ausfederungsposition der Luftfeder und der Fig. 5 mit der angestrebten Niveaulage wird das Steuerelement von dem Außenrohr in Verbindung mit der zweiten Feder 73 gegen die Kraft der ersten Feder 43 in Richtung des Abrollrohres verschoben. Die Fig. 6 zeigt in diesem Zu­ sammenhang die maximale Einfederungsstellung der Luftfeder. Dabei nimmt das Steuerelement eine Endstellung ein, bei der ein funktional zwischen dem Steuer­ element 37 und der Baugruppe Abrollrohr 23 angeordneter elastischer Anschlag 79 wirksam wird.
Wie man aus der Zusammenschau der Fig. 4 bis 6 erkennt, kann die Baugruppe Außenrohr 19 ab dem Einsatz des elastischen Anschlags 79 an der Baugruppe Abrollrohr eine axiale Relativbewegung zum Steuerelement 37 ausführen, bei der nur noch die zweite Feder 73 weiter vorgespannt wird. Deshalb kann das Steuer­ element bezogen auf die Hublänge der Luftfeder ebenfalls sehr kurz dimensioniert werden.
Insbesondere in der Fig. 4 ist erkennbar, dass das Steuerelement einen Axialan­ schlag 81 aufweist, der eine Montageendstellung des Steuerelements 37 be­ stimmt. Bei der Montage wird das Abrollrohr zusammen mit dem Steuerventil 15 und der ersten Feder 43 sowie dem Steuerelement zur Baugruppe Abrollrohr montiert. Die erste Feder drückt dabei das Steuerelement 37 zwangsläufig aus dem Ringraum 23a heraus. Damit die Baueinheit für den weiteren Montageablauf handhabbar ist, bestimmt der Axialanschlag eine Montageendstellung. Im End­ montagezustand, wenn die zweite Feder 73 wirksam wird, ist der Axialanschlag außer Eingriff, da die Federrate und Federweg der zweiten Feder entsprechend zur ersten Feder abgestimmt sind.
Die vorstehend beschriebene Problematik mit der Handhabbarkeit der Baugruppe Abrollrohr bzgl. der Hubbegrenzung des Steuerelements stellt sich bei der Varian­ te nach Fig. 2 nicht unbedingt, da die erste Feder 43 und die zweite Feder 73 jeweils an der Baugruppe Abrollrohr angreifen und damit schon eine Montage­ endstellung von den beiden Federn 43 und 73 bestimmbar ist.

Claims (11)

1. Luftfeder mit einem zwischen einem Außenrohr und einem Abrollrohr ange­ ordneten Rollbalg, mit mindestens einem innerhalb der Luftfeder angeordne­ ten Steuerventil mit den Steuerstellungen Zuführen, Blockieren- und Abführen von Druckluft, welches über ein ebenfalls innerhalb der Luftfeder angeordne­ tes Steuerelement angesteuert wird, das an einem der beiden relativ zueinan­ der beweglichen Luftfederbaugruppen Außenrohr- oder Abrollrohr angreift, wobei das Steuerelement eine Wirklänge aufweist, die kürzer ist als die Hub­ länge der Luftfeder und von einer Feder gegen eine der zueinander bewegli­ chen Luftfederbaugruppen vorgespannt ist, wobei das Steuerelement relativ zu den Luftfederbaugruppen schwimmend gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Feder (73), deren Kraftrichtung gegen die erste Feder (43) wirksam ist, die Stellung des Steuerelements (37) mitbestimmt.
2. Luftfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Feder (73) an der Baugruppe Außenrohr (19) abstützt.
3. Luftfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Feder (73) zumindest ab Erreichen der Niveaulage in Einfede­ rungsrichtung der Luftfeder (9) eine größere Federkraft aufweist als die erste Feder (43).
4. Luftfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Feder (73) von einem Elastomer gebildet wird.
5. Luftfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (37) mit einem Federteller (77) für die zweite Fe­ der (73) ausgeführt ist.
6. Luftfeder nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass funktional zwischen dem Steuerelement (37) und der Baugruppe Abroll­ rohr (23) ein elastischer Anschlag (79) angeordnet ist, der eine Endstellung des Steuerelements (37) bestimmt.
7. Luftfeder nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zughaltemittel eine Endstellung des Steuerelements (37) gegen die Federkraft der ersten Feder (43) bestimmt.
8. Luftfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zughaltemittel von einer zweiten Feder (73) gebildet wird, die als Zugfeder ausgeführt ist und an der Baugruppe Abrollrohr (23) angreift.
9. Luftfeder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass funktional zwischen einer Kontaktfläche (19a) der Baugruppe Außen­ rohr (19) und einer. Kontaktfläche (67) des Steuerelements (37) ein An­ schlagdämpfelement (75) angeordnet ist.
10. Luftfeder nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (37) einen Axialanschlag (81) aufweist, der eine Montageendstellung des Steuerelements (37) bestimmt.
11. Luftfeder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Federrate und der Federweg der zweiten Feder (73) derart abge­ stimmt sind, dass im Endmontagezustand der Luftfeder (9) unabhängig von der momentanen Hublage der Axialanschlag (81) außer Eingriff bleibt.
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