DE102006055483A1

DE102006055483A1 - Hydropneumatisches Federbein

Info

Publication number: DE102006055483A1
Application number: DE200610055483
Authority: DE
Inventors: Enno Dipl.-Ing. Duplitzer; Peter Dipl.-Ing. Gönnheimer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-05-29
Also published as: WO2008061583A1

Abstract

Es wird ein hydropneumatisches Federbein für ein Kraftfahrzeug zur Anordnung zwischen einem Fahrzeugaufbau (1a) und einem gegenüber dem Fahrzeugaufbau (1a) beweglichen, radtragenden Fahrwerkselement (1b) vorgeschlagen, mit einem mit Hydraulikmedium gefüllten Kolben-Zylinderaggregat (2), einem unter Gasdruck stehenden Gasspeicher (3), der mit dem Kolben-Zylinderaggregat (2) derart gekoppelt ist, dass der Gasdruck auf das Hydraulikmedium wirkt, einem Entkopplungselement (4), das zwischen dem Kolben-Zylinderaggregat (2) und dem Fahrzeugaufbau (1a) oder dem Fahrwerkselement (1b) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist bei dem Federbein vorgesehen, dass das Entkopplungselement (4) als Doppelschlauchrollbalg ausgeführt ist, die wirksamen Flächen (A1, A2) beider Rollbalghälften (6a, 6b) unterschiedlich groß sind und die Flächendifferenz (DeltaA = A2 - A1) zumindest in Konstruktionslage im Wesentlichen gleich der wirksamen Fläche (Ak) des Kolbens (5) des Kolbenzylinderaggregates (2) ist. Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein hydropneumatisches Federbein.
Aus der Offenlegungsschrift WO 2004/057208 A1 ist ein hydropneumatisches Federbein mit einem Kolben-Zylinderaggregat bekannt, das ein über ein Entkopplungselement am Aufbau angebundenes Zylinderrohr aufweist. Voraussetzung für eine Funktion des Entkopplungselementes ist, dass die am Zylinderrohr aufgrund des Systemdruckes angreifenden Kräfte in axialer Richtung ausgeglichen sind. Infolgedessen weist das Entkopplungselement im Wesentlichen eine der hydraulischen Wirkfläche des Kolbens entsprechende Querschnittsfläche auf. Sind beispielsweise im Kolben Längsbohrungen angeordnet, so dass die Zylinderrohrvolumen beidseits der Kolbens mit Hydraulikmedium gefüllt sind, so ist die wirksame hydraulische Kolbenfläche lediglich der Kolbenstangendurchmesser. Ein Entkopplungselement muss dann einen dem Kolbenstangenquerschnitt entsprechenden Querschnitt aufweisen. Insbesondere bei kleinen Kolbenstangendurchmessern ist ein zuverlässig arbeitendes Entkopplungselement aufgrund der kleinen radialen geometrischen Abmaße nicht darstellbar.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Entkopplungselement zur Verfügung zu stellen, das eine von der hydraulischen Wirkfläche des Kolbens unabhängige, radiale Ausdehnung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein hydropneumatisches Federbein mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Federbein zeichnet sich durch ein Entkopplungselement aus dessen Außendurchmesser an einer fahrzeugseitig oder fahrwerksseitig angebundenen Außenführung und der Innendurchmesser an einer am Kolben-Zylinderaggregat angeordneten Innenführung abrollt, wobei das Entkopplungselement als Doppelschlauchrollbalg ausgeführt ist, wobei die wirksamen Flächen (A1, A2) beider Rollbalghälften unterschiedlich groß sind und die Flächendifferenz (ΔA = A2 – A1) zumindest in Konstruktionslage im Wesentlichen gleich der wirksamen Fläche (Ak) des Kolbens des Kolbenzylinderaggregates ist. Unter einer fahrzeug- oder fahrwerksseitigen Anbindung der Außenführung und einer Anbindung der Innenführung an das Kolben-Zylinderaggregat sind beispielsweise feste Anbindungen, Anbindungen über Kugellager und/oder auch elastische Anbindungen zu verstehen. In vorteilhafter Weise kann die radiale Ausdehnung des Entkopplungselementes unabhängig vom Durchmesser der wirksamen Kolbenfläche ausgebildet sein, lediglich die Differenz der wirksamen Flächen der beiden Rollbalghälften muss der wirksamen Kolbenstangenfläche entsprechen. Damit sind mehr Möglichkeiten zur Gestaltung des Entkopplungselementes gegeben, womit eine Anpassung an einen zur Verfügung stehenden Bauraum verbessert ist.
In Ausgestaltung der Erfindung rollen die Rollbalghälften am Außendurchmesser in einem Außenführungen unterschiedlichen Durchmessers umfassenden Topfelement und am Innendurchmesser an mit einem Zylinderrohr oder einer Kolbenstange verbundenen Innenführung unterschiedlichen Durchmessers ab. Das Topfelement stellt die Verbindung zum Fahrzeugaufbau oder einem Fahrwerksteil her, in vorteilhafter Weise ist die Außenführung beider Rollbalghälften in dem Topfelement integriert. Die Außenführungen sind beispielsweise als Zusatzteil im Topfelement angeordnet. Alternativ weist das Topfelement eine Form auf, die eine einteilige Ausführung mit den Außenführungen erlaubt. Das Topfelement ist beispielsweise als zwei unterschiedliche Innendurchmesser aufweisendes, einteiliges Blechteil ausführbar. Das Topfelement kann selbstverständlich auch zwei Einzeltöpfe unterschiedlichen Durchmessers umfassen, wobei der Außendurchmesser jeweils einer Rollbalghälfte am Innendurchmesser der Einzeltöpfe abrollt. Die Innenführungen sind je nach Konstruktion des Federbeins am Zylinderrohr oder an der Kolbenstange angeordnet. Die Innenführungen sind so gestaltet, dass die Rollbalghälften in einem Klemmsitz zwischen der Führung und der Kolbenstange oder dem Zylinderrohr fixiert sind. In vorteilhafter Weise sind die Rollbalgführungen zumindest teilweise integraler Bestandteil des Topfelementes und/oder des Zylinderrohrs oder der Kolbenstange.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Außen- und/oder Innenführungen derart ausgebildet, dass beim Ein- bzw. Ausfedern des Rollbalges die Flächendifferenz (ΔA = A2 – A1) zu- bzw. abnimmt. Die Veränderung der Flächendifferenz ΔA führt dazu, dass sich der Rollbalg nach einer Auslenkung in Konstruktionslage zurückstellt. Solange Haftreibung zwischen dem Kolben bzw. der Kolbenstange und dem Zylinderrohr vorliegt wird der Rollbalg aus seiner Mittellage heraus ausgelenkt. Sobald sich der Kolben losreißt nimmt der Reibungskoeffizient einen wesentlich kleineren Gleitreibungswert an und der Rollbalg kann sich zumindest teilweise in Richtung Konstruktionslage, d.h. in eine Lage bei der die Flächendifferenz ΔA gleich der wirksamen Kolbenfläche Ak ist, zurückbewegen. Eine Zu- und Abnahme der Flächendifferenz (ΔA = A2 – A1) beim Ein- und Ausfedern ist erzielbar, indem eine oder beide Innenführungen eine kegelig geformte Abrollfläche aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können auch eine oder beide Außenführungen kegelig geformte Abrollflächen aufweisen. Dabei wandert beim Einfedern der Meniskus der ersten, kleineren Rollbalghälfte auf die Längsachse des Federbeins zu und der Meniskus der zweiten, größeren Rollbalghälfte von der Längsachse des Federbeins weg. Beim Ausfedern verhalten sich die Bewegungen der Menisken umgekehrt. Anstatt kegelig geformten Abrollflächen können die Abrollflächen jede andere beliebige Form wie beispielsweise eine Parabelform aufweisen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Topfelement am Fahrzeugaufbau oder am Fahrwerkselement gelenkig angeordnet. Die gelenkige Anordnung erfolgt beispielsweise durch eine Anbindung mittels eines Kugelgelenkes. In vorteilhafter Weise ist dadurch vermieden, dass beim Ein- und Ausfedern des Federbeins über das Topfelement eine Querbelastung auf den Rollbalg wirkt und dieser außermittig belastet wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist durch Bohrungen im Kolben des Kolbenzylinderaggregates der Durchmesser der Kolbenstange die wirksame Kolbenfläche. In vorteilhafter Weise ist durch die Bohrungen im Kolben die Bewegung der Kolbenstange bedämpfbar.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein maximaler und minimaler Hub des Entkopplungselementes durch Anschläge am Topfelement und am Zylinderrohr bzw. der Kolbenstange begrenzt. Um eine Beschädigung des Rollbalges durch zu große Abrollwege zu vermeiden, sind diese durch Anschläge begrenzt. Durch die Anordnung der Anschläge am Topfelement sind für diese Funktion wenig zusätzliche Bauteile erforderlich.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Gasspeicher als Kugelspeicher ausgeführt. Aufgrund der Formgebung sind Kugelspeicher für hohe Drücke geeignet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Kugelspeicher in axialer Verlängerung des Zylinderrohres oder der Kolbenstange angeordnet. Ein unmittelbares Anschließen des Kugelspeichers an das Zylinderrohr oder die Kolbenstange erfordert keine langen Zuleitungen, wodurch das Volumen des beim Ein- und Ausfedern zu verschiebenden Hydraulikmediums klein gehalten werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Gasspeicher radial zu dem Zylinderrohr angeordnet und mit diesem hydrau lisch gekoppelt. Diese Anordnung des Gasspeichers ermöglicht eine sehr kurze Bauform des Federbeins.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Gasspeicher Gasbags. Die Gasbags ermöglichen in vorteilhafter Weise eine zum Zylinderrohr radiale Anordnung des Gasvolumens.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Gasspeicher und dem Zylinderrohr ein Drosselelement angeordnet. Über das Drosselelement ist die Bewegung der Kolbenstange bzw. des Kolbens bedämpfbar. Damit ist die Dämpferfunktion in dem Federbein kostengünstig integrierbar. Alternativ kann auch im Kolben ein Drosselelement angeordnet sein. Selbstverständlich ist zur Veränderung der Dämpfercharakteristik auch ein im Querschnitt verstellbares, elektrisch ansteuerbares Drosselelement verwendbar.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist für eine aktive Verstellung eine Ölzu- und Abfuhrvorrichtung vorgesehen. Diese Vorrichtung ermöglicht das Hydraulikmedium im Federbein zu vergrößern oder zu verkleinern. Um eine möglichst spontane Verstellung zu erzielen ist das Hydraulikmedium dem Zylinderrohr zuzuführen.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen hydropneumatischen Federbeins mit einem als Doppelrollbalg ausgeführten, am Zylinderrohr angeordneten Entkopplungselement,
2 eine weitere Ausführung des Federbeins aus 1,
3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Federbeins mit einem an einer Kolbenstange angeordneten Entkopplungselement,
4 ein erfindungsgemäßes Federbein gemäß 1 mit einem radial zum Zylinderrohr angeordneten Gasspeicher,
5 ein Federbein aus 4 mit einem Dämpferventil im Kolben,
6 ein Federbein aus 4 mit einem Dämpferventil zwischen Zylinderrohr und Gasspeicher.
7 ein Federbein mit einem zweiteiligen Topfelement und einem kugelförmigen Gasspeicher und
8 ein Federbein mit einem zweiteiligen Topfelement mit einem Gasbag.
Gleiche und gleichwirkende Bauteile in den 1-8 sind im Folgenden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In 1 ist schematisch ein hydropneumatisches Federbein dargestellt, das üblicherweise zwischen einem Fahrzeugaufbau 1a und einem gegenüber dem Fahrzeugaufbau 1a beweglichen Fahrwerkselement 1b angeordnet. Das Fahrwerkselement 1b ist beispielsweise ein am Fahrzeugaufbau 1a gelenkig angelagerter Lenker.
Das Federbein weist einen Gasspeicher 3, ein Kolben-Zylinderaggregat 2 und ein zwischen einem Topfelement 7 und dem Kolbenzylinderaggregat 2 zwischengeschaltetes Entkopplungselement 4 auf. An dem Kolben-Zylinderaggregat 1 und an dem Topfelement 7 sind jeweils Gelenke 20a, 20b zur Anbindung am Aufbau 1a und an dem Fahrwerkselement 1b vorgesehen.
Gegeneinander bewegliche Bauteile 26, 30, 21, 9 sind über Faltenbälge 31 gegen ein Eintreten von Verschmutzungen geschützt.
Das Kolben-Zylinderaggregat 2 umfasst ein mit Hydraulikflüssigkeit gefülltes Zylinderrohr 8. In dem Zylinderrohr 8 ist eine einen Kolben 5 umfassende Kolbenstange 9 geführt. Das Zylinderrohr 8 weist eine ein Dichtungspaket 22 umfassende Kolbenstangenführung 21 auf.
Der Kolben 5 teilt das Volumen des Zylinderrohrs 8 in zwei Bereiche 23a, 23b. Damit Hydraulikfluid beispielsweise beim Einfahren der Kolbenstange 9 aus dem Bereich 23a in den Bereich 23b strömen kann, weist der Kolben 5 eine als Bohrung ausgeführte Öffnung 13 auf. Je nach Auslegung des Strömungsquerschnitts der Öffnung 13 kann eine kleine oder eine hohe Dämpfung eingestellt werden. In Ergänzung ist die Bedämpfung beispielsweise durch Plattenventile erhöhbar.
Die wirksame Kolbenfläche Ak entspricht in dieser Anordnung der durch den Kolbenstangendurchmesser bestimmten Fläche.
Das Entkopplungselement 4 ist als Doppelrollbalg ausgeführt. Der Doppelrollbalg 4 umfasst eine erste und zweite, unterschiedliche Wirkflächen A1, A2 aufweisende Rollbalghälfte 6a, 6b. Die erste Rollbalghälfte 6a weist gegenüber der zweiten Rollbalghälfte 6b eine kleinere wirksame Fläche A1 auf. Die Wirkflächen A1, A2 der ersten und zweiten Rollbalghälfte 6a, 6b sind durch die durch die Menisken 25a, 25b beschriebenen Kreisflächen definiert.
Die erste Rollbalghälfte 6a rollt am Innendurchmesser an einem an dem Zylinderrohr 8 angeordneten Abrollkolben 11a und am Außendurchmesser an einer in dem Topfelement 7 angeordneten Außenführung 10a ab.
Die zweite Rollbalghälfte 6b rollt am Innendurchmesser an einer gleichfalls am Zylinderrohr 8 angeordneten Abrollkol ben 11b und am Außendurchmesser an einer in dem Topfelement 7 angeordneten Außenführung 10b ab.
Die Außen- und Innenführungen 10a, 10b, 11a, 11b können dabei als Zusatzteil oder auch Integral mit dem Zylinderrohr 8 oder dem Topfelement 7 ausgeführt sein.
In der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sind die Außenführung 10b einteilig mit dem Topfelement 7 ausgeführt, in 3 bis 6 sind beide Außenführungen 10a, 10b einteilig mit dem Topfelement 7 ausgeführt.
Das Topfelement 7 stellt die Verbindung zum Fahrzeugaufbau 1a her. Das Topfelement 7 ist gelenkig am Aufbau 1a angeordnet. Hierzu ist das Topfelement 7 über ein Kugelgelenk 20a angebunden, das eine Kugel 30 und eine dazu komplementär ausgebildete Kugelschale 26 umfasst. Die Kugelschale 26 ist direkt oder gemäß 1 unter Zwischenschaltung eines schwingungsdämpfenden Elastomer- oder Schaumwerkstoffes 27 an dem Fahrzeugaufbau 1a angebunden. Zur Verbindung mit dem Fahrwerkselement 1b weist die Kolbenstange 9 an der vom Kolben 5 abgewandten Seite ein als Auge ausgeführtes Gelenk 20b auf, das das Fahrwerksteil unter Zwischenschaltung einer Elastomerbuchse 17 umgreift.
An dem Zylinderrohr 8 sind Zug- und Druckanschläge 15a, 15b vorgesehen, die mit Zug- und Druckanschlägen 14a, 14b am Topfelement 7 zusammenwirken. In der vorliegenden Vorrichtung gemäß 1 ist das Zug- und Druckanschlag 14a, 14b am Topfelement 7 integral mit diesem ausgeführt und der Druckanschlag 15b integral mit dem Abrollkolben 11a ausgeführt.
Der Gasspeicher 3 schließt sich auf der der Kolbenstangenführung 21 abgewandten Seite an das Zylinderrohr 8 an. Der Gasspeicher 3 umfasst einen mit Gas gefüllten Bereich, der von einem mit Hydraulikmedium gefüllten Bereich über eine Membran abgetrennt ist. Das im Gasspeicher 3 enthaltene Hydraulikmedium ist hydraulisch mit dem Hydraulikmedium in dem Zylinderrohr 8 verbunden. Zwischen dem Gasspeicher 3 und dem Zylinderrohr 8 ist ein Drosselelement 28 angeordnet, so dass das vom Zylinderrohr 8 in den Gasspeicher 3 oder umgekehrt strömende Hydraulikmedium gedrosselt wird und Ein- und Ausfedervorgänge des Federbeins gedämpft werden. In einer alternativen Ausführung ist der Querschnitt des Drosselelementes 28 beispielsweise elektrisch veränderbar, so dass unterschiedliche Dämpfungshärten einstellbar sind.
Eine Vorrichtung 19 zur Zu- und Abfuhr von Hydraulikmedium ist an dem Zylinderrohr 8 angeschlossen. Diese Vorrichtung 19 erlaubt ein aktives Ansteuern des Federbeins, wodurch beispielsweise ein An- oder Absenken des Fahrzeugaufbaus 1a oder eine Stabilisierung des Aufbaus bei Kurvenfahrten möglich ist.
Das von dem Doppelrollbalg 4 umgrenzte Volumen ist hydraulisch über mindestens einen Kanal 24 mit dem Hydraulikmedium in dem Zylinderrohr 8 verbunden. Die Aufgabe des Entkopplungselementes 4 ist, axiale Kräfte die aus Reibungskräften zwischen dem Kolben 5 und dem Zylinderrohr 8 beziehungsweise zwischen Kolbenstange 9 und Kolbenstangenführung 21 resultieren vom Fahrzeugaufbau 1a abzukoppeln. Aufgrund hoher Drücke von über 100bar bei hydropneumatischen Federn sind die oben genannten Reibungskräfte, insbesondere die Haftreibungskräfte dementsprechend hoch.
Voraussetzung für die Funktion des Doppelrollbalgs 4 ist, dass in Konstruktionslage an dem unter Druck stehenden Zylinderrohr 8 axiales, d.h. in Längsrichtung des Federbeins Kräftegleichgewicht vorliegt. Auf das Zylinderrohr 8 wirkt an der dem Fahrzeugaufbau 1a zugewandten Seite der Druck auf den vollen Innendurchmesser Az des Zylinderrohres 8, auf der gegenüberliegenden Seite wirkt der Druck auf eine um die wirksame Kolbenfläche verminderte Fläche ΔA = Az – Ak. Um Kräfte gleichgewicht am Zylinderrohr 8 herstellten zu können weisen die durch die Menisken 25a, 25b beschriebenen Flächen A1 und A2 der ersten und der zweiten Rollbalghälfte 6a, 6b eine Differenz auf, die der wirksamen Kolbenfläche entspricht. Damit besteht Kräftegleichgewicht am Zylinderrohr 8: p·Az = p·((Az – Ak) + (A2 – A1)) mit A2 – A1 = Ak.
Das Zylinderrohr 8 weist zwei Zylinderböden auf, wobei die Fläche eines der Zylinderböden, d.h. der Kolbenstangenführung 21, durch den Querschnitt der Kolbenstange 9 vermindert ist. Dieser Unterschied wird durch den Doppelrollbalg 4 derart kompensiert, dass am Zylinderrohr 8 in Konstruktionslage bei einem vorgegebenen Druck p in axialer Richtung wieder Kräftegleichgewicht herrscht. Die größere Fläche A2 der zweiten Rollbalghälfte 6b ist derart angeordnet, dass die aus dem Druck p auf die größere Fläche A2 resultierende Kraft in die gleiche Richtung wirkt wie die aus dem Druck p auf die Fläche der Kolbenstangenführung 21 resultierende Kraft.
Beispielsweise bei einem Einfedervorgang drücken der Kolben 5 und die Kolbenstange 9 aufgrund der Haftreibungskräfte das Zylinderrohr 8 in Richtung Fahrzeugaufbau 1a. Aufgrund dieser Reibungskräfte rollt die erste Rollbalghälfte 6a an der Innenführung 11a Richtung Gelenkauge 20b und an der Außenführung 10a Richtung Kugelgelenk 20a ab. Die zweite Rollbalghälfte 6b rollt auf der Innenführung 11b in Richtung Gelenkauge 20b und auf der Außenführung 10b in Richtung Kugelgelenk 20a.
Aufgrund der Elastizität des Doppelrollbalges 4 rollt dieser solange, bis die Gegenkraft des Doppelrollbalges 4 die Haftreibungskraft übersteigt und der Kolben 5 bzw. Kolbenstange 9 zu gleiten beginnt. Da nun eine gegenüber der Haftreibungskraft wesentlich kleinere Gleitreibungskraft wirkt, kann der Doppelrollbalg 4 zumindest teilweise in Richtung Konstruktionslage zurückrollen.
Die Rückstellungskraft des Doppelrollbalges 4 in Konstruktionslage wird verstärkt, indem beim Einfedern des Doppelrollbalges 4, d.h. wenn sich beim Eintauchen der Kolbenstange 9 in das Zylinderrohr 8 sich die Menisken 25a, 25b aufeinander zubewegen, die Flächendifferenz zwischen den Fläche A1 und A2 größer und beim Ausfedern des Doppelrollbalges 4, d.h. wenn beim Ausfahren der Kolbenstange 9 aus dem Zylinderrohr 8 sich die Menisken 25a, 25b voneinander wegbewegen, die Flächendifferenz zwischen den Fläche A1 und A2 kleiner wird. Dies kann erzielt werden, indem sich die Durchmesser an der Innen- oder Außenführung über dem Rollweg verändern. Beispielsweise können eine oder beide der Innenführungen 11a, 11b und/oder eine oder beide der Außenführungen 10a, 10b kegelige Mantelfläche aufweisen. Die Kegelflächen sind dabei so anzuordnen, dass sich bei einem Einfedern der Meniskus 25a der ersten Rollbalghälfte 6a in Richtung Längsachse 12 des Kolben-Zylinderaggregates 2 bewegt und sich der Meniskus 25b der zweiten Rollbalghälfte 6b von der Längsachse 12 des Kolben-Zylinderaggregates 2 wegbewegt. Bei Ausfedern des Federbeins stellt sich dann eine gegenüber der vorab beschriebenen, umgekehrte Bewegung der Menisken ein. Selbstverständlich sind neben kegeligen Mantelflächen auch andere Formen möglich.
Im Beispiel der 1 wird die Rückstellung des Rollbalges 4 in Konstruktionslage durch kegelförmige Innenführungen 11a, 11b erzielt.
Die Erläuterungen zur Funktion des Federbeins aus 1 treffen im Wesentlichen auch auf die folgenden Ausführungsformen zu, die verschiede Varianten zur Anordnung der Federbeinkomponenten aufzeigen.
Die 2 zeigt ein hydropneumatisches Federbein, bei dem der Gasspeicher 3 am Ende der Kolbenstange 9 als Verbindungselement zum Fahrzeugaufbau 1a über ein Kugelgelenk 20a angebunden ist. Die Verbindung zwischen dem Gasspeicher 3 und dem Volumen des Zylinderrohres 8 stellt eine Längsbohrung 29 dar. Der Doppelrollbalg 4 ist zwischen einem mit dem Fahrwerkselement 1b verbundenen Topfelement 7 und dem Zylinderrohr 8 angeordnet. Der Doppelrollbalg 4 ist analog der 1 so ausgelegt, dass die Differenz ΔA = (A2 – A1) der ersten Rollbalghälfte 6a und der zweiten Rollbalghälfte 6b zumindest in Konstruktionslage gleich der wirksamen Kolbenfläche Ak ist. Die größere Fläche A2 der zweiten Rollbalghälfte 6b ist der durch die Kolbenstange 9 verminderten Zylinderbodenfläche, d.h. der Kolbenstangenführung 21 zugewandt, die kleinere Fläche A1 der ersten Rollbalghälfte 6a ist dem der Kolbenstangeführung 21 gegenüberliegenden Zylinderboden zugewandt.
Um eine über die Elastizität des Rollbalges 4 hinausgehende Rückstellung in Konstruktionslage zu erzielen ist vorgesehen, die Innenführungen 11a, 11b und Außenführungen 10a, 10b derart zu gestalten, dass beim Einfedern eine Differenzfläche ΔA = A2 – A1 zunimmt und beim Ausfedern abnimmmt. Ein derartiges Verhalten ist beispielsweise durch kegelförmig gestaltete Innen- und Außenführungen 10a, 10b, 11a, 11b erzielbar. In 2 ist eine Ausführung mit kegelförmig ausgeführten Innenführungen 11a, 11b gezeigt.
In 3 ist ein hydropneumatisches Federbein dargestellt, bei dem der Doppelrollbalg 4 im Gegensatz zu der Ausführung in 1 und 2 nicht am Zylinderrohr 8 sondern an der Kolbenstange 9 angeordnet ist. Das Kolben-Zylinderaggregat 2 ist über ein Gelenkauge 20b an einem Fahrwerkselement 1b angebunden. Der Doppelrollbalg 4 ist zwischen einem mit dem Fahrwerkselement 1b verbundenen Topfelement 7 und der Kolbenstange 9 angeordnet.
Der Gasspeicher 3 ist in vorliegender Ausführung radial um das Kolben-Zylinderaggregat 2 als Ringvolumen angeordnet, dieses ist in Unterscheidung zur 1 und 2 als Ringgasspeicher 16 bezeichnet. Der Ringgasspeicher 16 umgibt in 3 das Zylinderrohr 8. Der Ringgasspeicher 16 umfasst einen mit Hydraulikmedium gefüllten Bereich, in dem in einer elastischen Hülle eingeschlossenes Gas angeordnet ist. Die ein Gasvolumen umfassende Hülle ist um folgenden als Gasbag 18 bezeichnet. Zwischen dem Ringgasspeicher 16 und dem Zylinderrohr 8 ist ein Drosselelement 28 angeordnet, so dass das vom Zylinderrohr 8 in den Gasspeicher 16 oder umgekehrt strömende Hydraulikmedium gedrosselt wird und Ein- und Ausfedervorgänge des Federbeins gedämpft werden. Für eine variable Dämpfung kann das Drosselelement 28 auch beispielsweise elektrisch verstellbare ausgeführt sein. Für eine aktive Verstellung des Federbeins ist analog zu 1 eine Ölzu- und Abfuhrvorrichtung 19 vorgesehen.
Das von dem Doppelrollbalg 4 umgrenzte Volumen ist hydraulisch über mindestens eine Längsbohrung 29 in der Kolbenstange 9 mit dem Hydraulikmedium in dem Zylinderrohr 8 verbunden.
Der Doppelrollbalg 4 ist zwischen einem mit dem Fahrwerkselement 1b verbundenen Topfelement 7 und Kolbenstange 9 angeordnet. Der Doppelrollbalg 4 ist analog der 1 so ausgelegt, dass die Differenz ΔA = (A2 – A1) der ersten Rollbalghälfte 6a und der zweiten Rollbalghälfte 6b zumindest in Konstruktionslage gleich der wirksamen Kolbenfläche Ak entspricht. Die größere Fläche A2 der zweiten Rollbalghälfte 6b ist zwischen der Kolbenstangenführung 21 und der kleineren Fläche A1 der ersten Rollbalghälfte 6a angeordnet.
Voraussetzung für die Funktion des Doppelrollbalgs 4 in dieser Anordnung ist, dass in Konstruktionslage an der Kolbenstange 9 axiales Kräftegleichgewicht vorliegt. Auf die Kolbenstange 9 wirkt eine aus dem Druck p auf die wirksame Kolbenfläche Ak resultierende Kraft. Um Kräftegleichgewicht am der Kolbenstange 9 herstellten zu können, weisen die durch die Menisken 25a, 25b beschriebenen Flächen A1 und A2 der ersten und der zweiten Rollbalghälfte 6a, 6b eine Differenz auf, die der wirksamen Kolbenfläche Ak entspricht.
Die größere Fläche A2 der zweiten Rollbalghälfte 6b ist derart angeordnet, dass die aus dem Druck p auf die größere Fläche A2 resultierende Kraft entgegen der aus dem Druck p auf die Kolbenstangenfläche Ak resultierenden Kraft wirkt.
Die 4 bis 6 entsprechen im Wesentlichen der 1. Im Unterschied zur 1 ist der Gasspeicher 3 wie in 3 als ein das Kolben-Zylinderaggregat 2 umgebender Ringgasspeicher 16 ausgeführt. Der Ringgasspeicher 16 umfasst einen mit Hydraulikmedium gefüllten Bereich, in dem Gasbags 18 angeordnet sind. Für eine aktive Verstellung des Federbeins kann analog zu 1 eine Ölzu- und Abfuhrvorrichtung 19 vorgesehen sein. Die Abkopplung des Zylinderrohres erfolgt in gleicher Weise wie in 1 über den Doppelrollbalg 4.
Im Unterschied zum Federbein in 4 weist das Federbein aus 5 ein Dämpferventil 32 im Kolben 5 auf. Durch Ansteuerung des Ventils ist der Durchfluss durch die Bohrungen 13 zur Dämpferhärteverstellung gezielt drosselbar.
Im Unterschied zum Federbein aus 4 weist das Federbein aus 6 zwischen dem Zylinderrohr 8 und dem Ringgasspeicher 16 ein verstellbares Dämpferventil 32 auf. Der Volumenstrom aus dem Zylinderrohr 8 in den Ringgasspeicher 16 und umgekehrt kann zur Verstellung der Dämpferhärte gezielt gedrosselt werden. Idealerweise ist das Dämpferventil 32 in 5 und 6 kontinuierlich verstellbar.
In 7 ist im Unterschied zur 1 ein Federbein mit einem zweiteiligen Topfelement 7', 7'' gezeigt. Am ersten Topf 7' rollt der Außendurchmesser der ersten Rollbalghälfte 6a ab, am zweiten Topf 7'' rollt der Außendurchmesser der zweiten Rollbalghälfte 6b ab. Die Innendurchmesser der Töpfe 7', 7'' weisen wie bereits in der Beschreibung zur 1 ausgeführt einen unterschiedlichen Durchmesser auf. Beide Töpfe 7', 7'' sind fahrzeugseitig angebunden, zwischen den Töpfen 7', 7'' ist ein Ringspalt 33 ausgebildet. Über den Ringspalt 33 steht das Innenvolumen des Entkopplungselementes 4 mit dem Gasspeicher 3 in Verbindung. Über den Verbindungskanal 24 ist wiederum das Innvolumen des Entkopplungselementes 4 mit dem Innenvolumen des Kolben-Zylinderaggregates 2 verbunden. Druckanschläge 14b, 15b und Zuganschläge 14a, 15a begrenzen den Abrollweg des Doppelrollbalges 4. An dem Gasspeicher 3 ist für eine aktive Verstellung des Federbeins eine Ölzu- oder Abführleitung 19 vorgesehen.
Im Unterschied zur 4 zeigt die 8 ein Federbein mit einem konzentrisch zum Entkopplungselement 4 angeordneten Ringgasspeicher 16 mit einem ringförmigen Gasbag 18. Der Doppelrollbalg 4 ist an einem zweiteiligen Topfelement 7' 7'' geführt. Am ersten Topf 7' rollt der Außendurchmesser der ersten Rollbalghälfte 6a ab, am zweiten Topf 7'' rollt der Außendurchmesser der zweiten Rollbalghälfte 6b ab. Der Ringspalt 33 zwischen dem ersten und zweiten Topf 7', 7'' und das Drosselelement 28 stellen eine Verbindung zwischen dem Ringgasspeicher 16 und dem Innenvolumen des Doppelrollbalges 4, das wiederum über ein Verbindungskanal 24 mit dem Innenvolumen des Kolbenzylinderaggregates 2 verbunden ist, her. Der erste Topf 7' sowie ein am zweiten Topf 7'' angeordnetes Blech sind an ihrem freien Ende eingezogen und jeweils mit einem Ringelement 35 versehn. Der zwischen den Ringelementen 35 verbleibende Querschnitt stellt ein Ringdrosselelement 34 dar, das den Fluss des Hydraulikmediums aus dem Kolben-Zylinderaggregat 2 in den Ringgasspeicher 16 bedrosselt.
Selbstverständlich sind die Ausführungsformen der 1 bis 8 bezüglich Anordnung des Gasvolumens oder der Gasbags, der Anordnung des Doppelrollbalges 4 am Kolben-Zylinderaggregat, der Ausgestaltung der Innen- und Außenfüh rungen 10a, 10b, 11a, 11b, der Varianten der Zug- und Druckanschläge 14a, 14b, 15a, 15b, der verschiedenen Ausgestaltungen des Topfelementes 7 oder der verschiedenen Bohrungen und Drosselelement untereinander kombinierbar.

1a: Fahrzeugaufbau
1b: Fahrwerkselement
2: Kolben-Zylinderaggregat
3: Gasspeicher
4: Entkopplungselement, Doppelrollbalg
5: Kolben
6a: Erste Rollbalghälfte mit gegenüber einer zweiten Rollbalghälfte kleineren wirksamen Fläche
6b: zweite Rollbalghälfte mit gegenüber einer ersten Rollbalghälfte größeren wirksamen Fläche
7: Topfelement
7': Erster Topf eines zweiteiligen Topfelementes
7'': Zweiter Topf eines zweiteiligen Topfelementes
8: Zylinderrohr
9: Kolbenstange
10a: Außenführung erste Rollbalghälfte
10b: Außenführung zweite Rollbalghälfte
11a: Innenführung erste Rollbalghälfte
11b: Innenführung zweite Rollbalghälfte
12: Längsachse Kolben-Zylinderaggregat
13: Bohrung im Kolben
14a: Zuganschlag am Topfelement
14b: Druckanschlag am Topfelement
15a: Zuganschlag am Zylinder oder der Kolbenstange
15b: Druckanschlag am Zylinder oder der Kolbenstange
16: Ringgasspeicher
17: Elastomerbuchse
18: Gasbag
19: Ölzu- und Abfuhrvorrichtung
20a: Anbindungsgelenk am Aufbau
20b: Anbindungsgelenk an Fahrwerkselement, Gelenkauge
21: Kolbenstangenführung
22: Dichtungspaket
23a, b: Teilvolumen des Zylinderrohres
24: Verbindungskanal
25a: Meniskus erste Rollbalghälfte
25b: Meniskus zweite Rollbalghälfte
26: Kugelschale
27: Elastomer- oder Schaumwerkstoff
28: Drosselelement
29: Längsbohrung
30: Kugel
31: Faltenbalg
32: Verstellbares Dämpferventil
33: Ringspalt
34: Ringdrossel
35: Ringelement

Claims

Hydropneumatisches Federbein für ein Kraftfahrzeug, zur Anordnung zwischen einem Fahrzeugaufbau (1a) und einem gegenüber dem Fahrzeugaufbau (1a) beweglichen, radtragenden Fahrwerkselement (1b) mit – einem mit Hydraulikmedium gefüllten Kolben-Zylinderaggregat (2), – einem unter Gasdruck stehenden Gasspeicher (3), der mit dem Kolben-Zylinderaggregat (2) derart gekoppelt ist, dass der Gasdruck auf das Hydraulikmedium wirkt, – einem mit Hydraulikmedium gefüllten, mit dem Kolben-Zylinderaggregat hydraulisch gekoppelten Entkopplungselement (4), das zwischen dem Kolben-Zylinderaggregat (2) und dem Fahrzeugaufbau (1a) oder dem Fahrwerkselement (1b) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (4) als Doppelschlauchrollbalg ausgeführt ist, die Außendurchmesser des Doppelschlauchrollbalges (4) an fahrzeugseitig oder fahrwerksseitig angebundenen Außenführungen (10a, 10b) und die Innendurchmesser an am Kolben-Zylinderaggregat (2) angeordneten Innenführungen (11a, 11b) abrollt, wobei die wirksamen Flächen (A1, A2) beider Rollbalghälften (6a, 6b) unterschiedlich groß sind und die Flächendifferenz (ΔA = A2 – A1) zumindest in Konstruktionslage im Wesentlichen gleich der wirksamen Fläche (Ak) des Kolbens (5) des Kolbenzylinderaggregates (2) ist.
Hydropneumatisches Federbein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollbalghälften (6a, 6b) am Außendurchmesser in einem Außenführungen (10a, 10b) unterschiedlichen Durchmessers umfassenden Topfelement (7, 7', 7'') und am Innendurchmesser an mit einem Zylinderrohr (8) oder einer Kolbenstange (9) verbundenen Innenführungen (11a, 11b) unterschiedlichen Durchmessers abrollen.
Hydropneumatisches Federbein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außen- und/oder Innenführungen (10a, 11a, 10b, 11b) derart ausgebildet sind, dass beim Ein- bzw. Ausfedern des Rollbalges 4 die Flächendifferenz (ΔA = A2 – A1) zu- bzw. abnimmt.
Hydropneumatisches Federbein nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Topfelement (7) am Fahrzeugaufbau (1a) oder am Fahrwerkselement (1b) gelenkig angeordnet ist.
Hydropneumatisches Federbein nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass infolge Bohrungen (13) im Kolben (5) des Kolbenzylinderaggregates (2) der Durchmesser der Kolbenstange (9) die wirksame Kolbenfläche Ak ist.
Hydropneumatisches Federbein nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler und minimaler Hub des Entkopplungselementes (4) durch Anschläge (14a, 14b, 15a, 15b) am Topfelement (7) und am Zylinderrohr (8) bzw. der Kolbenstange (9) begrenzt ist.
Hydropneumatisches Federbein nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasspeicher (3) als Kugelspeicher ausgeführt ist.
Hydropneumatisches Federbein nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelspeicher (3) in axialer Verlängerung des Zylinderrohrs (8) oder der Kolbenstange (9) angeordnet ist.
Hydropneumatisches Federbein nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasspeicher (3) als ein radial zu dem Zylinderrohr (8) angeordneter Ringgasspeicher (16) ausgeführt ist, der mit dem Zylinderrohr (8) hydraulisch gekoppelt ist.
Hydropneumatisches Federbein nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringgasspeicher (16) Gasbags (18) umfasst.
Hydropneumatisches Federbein nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gasspeicher (3) und dem Zylinderrohr (8) ein Drosselelement (28) angeordnet ist.
Hydropneumatisches Federbein nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolben (5) ein Drosselelement (28) angeordnet ist.
Hydropneumatisches Federbein nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (28) verstellbar ist.
Hydropneumatisches Federbein nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für eine aktive Verstellung eine Ölzu- und Abfuhrvorrichtung (19) vorgesehen ist.