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Die
Erfindung betrifft eine Luftfeder- und Dämpfereinheit, insbesondere
für Fahrwerke
von Fahrzeugen, welche mindestens zwei mit Druckluft gefüllte Arbeitsräume aufweist,
bei der die Arbeitsräume übereinander
innerhalb eines gemeinsamen topfförmigen rotationssymmetrischen
Gehäuses
angeordnet und durch einen innerhalb des Gehäuses axial beweglichen und
am Kopfende einer Kolbenstange befindlichen rotationssymmetrischen
Kolben getrennt sind, bei der die Arbeitsräume mindestens teilweise durch
bewegliche Wände
in Form von Roll- oder Faltenbälgen
begrenzt werden, welche mindestens teilweise auf den Konturen rotationssymmetrischer
Körper
abrollen (Abrollkonturen), und bei der die Arbeitsräume untereinander über durchströmbare Drosselventile
verbunden sind.
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Die
DE 103 11 263 B3 2004.07.29
zeigt eine Luftfeder mit Luftdämpfung,
wobei zwei Arbeitskammern und drei Rollbälge vorgesehen sind. Der im Durchmesser
größte Rollbalg
bestimmt hierbei die Federrate der Luftfeder über den Federweg und ist angeordnet
zwischen einem oberen und einem unteren topfförmigen Gehäuseteil. Die beiden weiteren und
sich in ihrer wirksamen Federkraft kompensierenden Bälge sind
zwischen dem unteren topfförmigen
Gehäuseteil
und einem Abrollrohr angeordnet, welches innerhalb des oberen topfförmigen Gehäuseteil
befestigt ist und in den unteren topfförmigen Gehäuseteil hineinragt. Über Drosselbohrungen
in den zylindrischen Wänden
des Abrollrohres kann Luft zwischen beiden Arbeitsräumen strömen. Die beiden
unteren spiegelbildlich angeordneten Bälge erlauben in dieser Ausbildung
eine axiale Führung der
Luftfeder, wodurch die Reibung während
des Federhubes weitgehend reduziert wird. Bei diesem System wird
beim Einfedern das Volumen beider Arbeitskammern verkleinert und
beim Ausfedern wieder vergrößert. Durch
das Verkleinern beider Volumina beim Einfedern steigt zwar in beiden
Arbeitskammern der Druck und damit die Gasdichte an, aber nicht
der dynamische Differenzdruck an den Drosselventilen, wodurch auch
bei höherem
Druck nur geringfügig
gesteigerter Energieumsatz erfolgt, d.h. relativ wenig Dissipation
ensteht und damit wenig Dämpfungsarbeit
umgesetzt wird. Bei dieser Konstruktion fällt der Nachteil auf, dass
auf die Luftfeder- bzw. den Luftdämpfer einwirkende Querkräfte, d.h.
Fahrwerkskräfte
normal zur Achse der Luftfedern (Radialkräfte) kaum übertragen werden können, da
entweder eine ausreichende Führung
fehlt oder aber Schäden
an den Bauteilen entstehen können.
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Die
WO 2006/061119 A1 offenbart
eine als 3-Balg-Konstruktion ausgebildete Luftfeder- und Dämpfereinheit,
bei der die Arbeitsräume
durch einen am Kopfende einer Kolbenstange befindlichen rotationssymmetrischen
Kolben getrennt werden und die Kolbenstange und der Kolben über ein
Gelenk miteinander verbunden sind. Dabei ist der Kolben fahrwerksseitig
fest mit dem Fahrwerk verbunden. Durch eine solche Konstruktion
ergibt sich die Möglichkeit
zur Aufnahme von Querkräften,
wodurch gewisse Radführungseigenschaften
der Luftfeder- und Dämpfereinheit
gegeben sind. Insbesondere jedoch bei Konstruktionen, bei denen
die Luftfeder- und Dämpfereinheit
in ihrem oberen Teil mit einem Federbeinkopflager an der Karosserie
befestigt ist, ergeben sich je nach Abmessungen bzw. Massen des Systems
gerade durch die Einwirkung von Querkräften Schwingungen mit Eigenfrequenzen,
die nicht nur akustisch als störend
empfunden werden, sondern die sich auch auf den Fahrkomfort negativ
auswirken können.
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Luftfedern
oder Luftdämpfer
herkömmlicher Bauarten
sind daher bisher nur in Ausnahmefällen in der Lage, Querkräfte schwingungsfrei
bzw. schwingungsarm aufzufangen und eine ausreichende Radführung innerhalb
eines Fahrwerkes zu übernehmen. Im
Wesentlichen aus diesem Grund und kommen bisher Luftdämpfer in
McPherson-Federbeinen weniger zum Einsatz.
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Für die Erfindung
bestand daher die Aufgabe, eine Luftfeder- und Dämpfereinheit bereitzustellen,
deren Bauraum gering und z. B. auch für ein Personenkraftwagen geeignet
ist und die ohne wesentlichen konstruktiven Mehraufwand die Schwingungsproblematik bei
der Einwirkung von Querkräften
reduziert und damit eine komfortable Radfederung erlaubt. Es sollte
also eine Luftfeder- und Dämpfereinheit
dargestellt werden, welche die so genannten Vertikal-Eigenschaften,
d.h. überragender
Federungs- und Dämpfungskomfort,
hervorragende Anfederungseigenschaften usw. und die Konstruktions- und
Herstellungsvorteile von Mehrbalg-Systemen, nämlich die Integration einer
elektrisch verstellbaren Drossel, Bauraumkompatibilität zu existierenden Fahrzeugplattformen,
Integration eines Schutzbalges usw. mit einem guten Eigenschwingverhalten
verbindet.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Vorteilhafte
Ausbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Dabei
ist die Luftfeder- und Dämpfereinheit zwischen
Karosserie und Fahrwerk so angeordnet ist, dass das rotationssymmetrische
Gehäuse
starr mit der Karosserie verbunden ist, während einerseits die Kolbenstange
und der Kolben und andererseits die Kolbenstange und das Fahrwerk über ein
Gelenk miteinander verbunden sind. Zusammen mit dem durch die Rollbälge zwar
biegeweich innerhalb des rotationssymmetrischen Gehäuses abgestützten, aber
straff geführten
Kolben verhält
sich damit die Luftfeder- und Dämpfereinheit
wie eine Pendelstütze und
ist damit als Fahrwerkselement in Form eines Federbeines bestens
geeignet.
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Bei
einer solchen Ausführung
der Luftfeder- und Dämpfereinheit
wird also die Außenführung am Chassis
kardanisch steif, d.h. starr an der Karosserie befestigt, während zur
Aufnahme der Auslenkungen durch Querkräfte einerseits der Körper „Kolben
und Kolbenstange",
die so genannte „Fackel" durch ein Gelenk
geteilt wird und andererseits zwischen Fußpunkt der Kolbenstange und
der Querlenkeranbindung im Fahrwerk ein weiteres Gelenk eingefügt ist. Damit
wird eine laterale, d.h. eine in Bezug auf die Achse der Luftfeder-
und Dämpfereinheit
radiale Eigendynamik der Außenführung unterbunden
bzw. so hochfrequent, dass sie keinen störenden Einfluss mehr hat. Die
Achskinematik, also kardanische Bewegungen und Torsion werden vollständig von
den Bälgen
ferngehalten.
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Das
Gelenk bzw. die Gelenke zur Aufnahme der Achskinematik werden bei
einer solchen Ausführung
in einem Bereich der Luftfeder- und Dämpfereinheit integriert, der
vorher „ungenutzt" war. Dadurch müssen solche
Bewegungen nicht mehr durch ein Federbein-Kopflager abgefangen werden, was Bauhöhe spart
bzw. den möglichen
Federweg vergrößert. Zudem
wird durch die Aufteilung mit Hilfe von Gelenken die Masse der jeweils
lateral schwingenden Körper
reduziert, was die Eigenfrequenzen der Teilschwingungen in hochfrequente
Bereiche überführt, die
dann nicht mehr als „schädlich" für eine Komfortbeurteilung
angezogen werden.
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Eine
vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass mindestens eine der
Gelenkverbindungen zwischen Kolbenstange und Kolben und zwischen
Kolbenstange und Fahrwerk als ein kardanisch wirkendes Drehgelenk
ausgebildet ist, vorzugsweise über ein
Kugelgelenk. Mit einem solchen Gelenk wird eine maximale Toleranz
gegenüber
Abweichungen im Hinblick auf Querkraftauslenkungen erreicht und
es entfällt
die Notwendigkeit, eine Drehbewegung in anderen Bauteilen aufzufangen,
beispielsweise durch eine separates drehbares Kopflager zwischen
Karosserie und Federbein.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Kolbenstange
innerhalb des Kolbens gelenkig gelagert ist, wobei der Kolben teilweise
als Hohlkörper,
vorzugsweise als Hohlzylinder ausgebildet ist und die Kolbenstange
in ihrem Endbereich beabstandet umschließt. Hierdurch wird eine weitere Reduzierung
der Bauhöhe
erreicht. Hierdurch ergeben sich völlig neue Möglichkeiten in der Gestaltung von
Radhäusern
und Karosserieteilen, ohne auf den Komfort einer Luftdämpfung zu
verzichten.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass im Bereich (8a)
des größeren Außendurchmessers
ein zwischen Kolben und Gehäuse abdichtender,
zur Kolbenvorderseite und damit zum an der Kolbenvorderseite angeordneten
Arbeitsraum geöffneter
erster Rollbalg, sowie ein zwischen Kolben und Gehäuse abdichtender,
zur Kolbenrückseite und
damit zum an der Kolbenrückseite
angeordneten Arbeitsraum geöffneter
zweiter Rollbalg angeordnet ist, und dass im Bereich des kleineren Außendurchmessers
ein zwischen Kolben und Gehäuse
abdichtender dritter Rollbalg angeordnet ist, der zum an der Kolbenrückseite
angeordneten Arbeitsraum geöffnet und
spiegelbildlich zum zweiten Rollbalg angeordnet ist. Eine Ausbildung
mit drei auf solche Art angeordneten Bälgen erlaubt eine präzise und
sichere Führung
des Kolbens innerhalb des topfförmigen
Gehäuses,
das z.B. mit der Karosserie verbunden ist. Insbesondere bei der
Aufnahme von auch auf die Luftfeder- und Dämpfereinheit einwirkenden Querkräften erweist
sich eine solche Ausführung
als besonders robust.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die durchströmbaren Drosselventile
als schalt- oder steuerbare Ventile ausgebildet und innerhalb des
die Arbeitsräume
trennenden Kolbens angeordnet sind. Insbesondere bei der Anwendung in
Fahrwerken von Kraftwagen ist es wünschenswert, die Dämpfungsarbeit
zu steuern bzw. zu regeln und somit in die gesamte Fahrzeugsteuerung
mit einzubinden. In sicherheitskritischen Situationen, wie z. B bei
einer Vollbremsung, kann dann eine regelbare Dämpfung der Vorder- und Hinterachse
ein Antiblockiersystem (ABS) oder eine elektronische Stabilitätskontrolle
(ESP) unterstützen.
Unterstützt
wird eine solche Ausbildung besonders dadurch, dass in vorteilhafter
Weise die Kolbenstange zur Durchführung von Energie- und/oder
Steuerleitungen hohl ausgeführt
ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Gelenkverbindungen
zwischen Kolbenstange und Kolben in Bezug auf den erster Rollbalg,
und den zweiten Rollbalg so angeordnet sind, dass eine durch Fahrwerkskräfte erzeugte
Radialbewegung der Gelenkverbindung zwischen Kolbenstange und Kolben
alle Rollbälge
richtungsparallel und gleichstark belastet. Die Gelenkverbindung
zwischen Kolbenstange und Kolben liegt damit in dem durch die Rollbalgführung des
Kolbens vorgegebenen elasto-kinematischen Drehpunkt des Kolbens.
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Eine
in eben diesem Sinne vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass
die Gelenkverbindungen zwischen Kolbenstange und Kolben in Bezug
auf den ersten Rollbalg und den zweiten Rollbalg so angeordnet ist,
dass eine durch Fahrwerkskräfte
erzeugte Radialbewegung der Gelenkverbindung zwischen Kolbenstange
und Kolben die Rollbälge mit
den größeren Durchmessern
mehr belastet als den Rollbalg mit dem kleineren Durchmesser. Eine
solche Anordnung des Gelenkes ermöglicht es bei einer 3-Balg-Ausführung, dass
die lateral wirkenden Vektorkomponenten der auf den Kolben eingeleiteten Gesamtquerkraft,
die in Richtung der ausgelenkten Pendelstütze wirkt, überwiegend die oberen Rollbälge (Dämpfungsbälge), d.h.
den ersten und den zweiten Rollbalg radial belasten. Der „empfindliche" dritte Balg, das
ist der Tragbalg, wird dadurch weniger radial belastet und seine
Lebensdauer erhöht
sich. Gleichzeitig ermöglicht
die Verlagerung der elastischen Lateralbewegung zwischen Außenführung und
Kolben nach oben eine optimierte Bauraumanpassung (Package) in der
kritischeren Region zwischen Tragbalg-Abrollkontur und Tragbalg-Außenführungsregion.
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Natürlich lassen
sich durch die Gelenkpunkte konstruktiv so anordnen, dass eine gezielte
mehr oder weniger starke Belastung der einzelnen Rollbälge erzielt
werden kann.
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Anhand
eines Ausführungsbeispieles
soll die Erfindung näher
erläutert
werden.
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Die 1 zeigt
eine erfindungsgemäße Luftfeder-
und Dämpfereinheit 1 für ein Fahrwerk
mit eines luftgefederten Personenkraftwagens mit radführenden
Federbeinen. 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.
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Die
Arbeitsräume 2 und 3 sind
in einem gemeinsamen topfförmigen,
hier zylindrisch ausgebildeten Gehäuse 4 angeordnet und
durch einen am Kopfende einer Kolbenstange 5 in einem Kugelgelenk 6 gelagerten
und ebenfalls zylindrisch ausgebildeten Kolben 7 getrennt.
Der Kolben 7 ist innerhalb des Gehäuses 4 axial beweglich.
Innerhalb des Kolbens 7 sind hier nicht näher dargestellte
steuerbare Drosselventile angeordnet, über die beiden Arbeitsräume 2 und 3 verbunden
sind. Der Kolbenvorderseite 7a des Kolbens 7 weist
eine im Wesentlichen kreisförmige
Fläche
auf.
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Der
Kolben ist dabei in seinem unteren Bereich als Hohlkörper, hier
als Hohlzylinder 7b ausgebildet ist und umschließt mit einem
nötigen
Abstand die Kolbenstange 5 in ihrem Endbereich. Der Kolben 7 besteht
dabei aus einem zur Kolbenvorderseite gelegenen Bereich 8a mit
einem größeren Außendurchmesser
und aus einem zur Kolbenrückseite
gelegenen Bereich 8b mit einem kleineren Außendurchmesser.
Der Bereich 8b entspricht in diesem Fall auch etwa der
Länge hohlzylindrischen
Ausbildung des Kolbens. Die Kolbenrückseite 7c wird durch
den Durchmessersprung im Kolben 7 erzeugt und weist eine
im Wesentlichen kreisringförmige
Fläche
auf.
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Der
Kolben 7 wird durch Rollbälge 9, 10 und 11 innerhalb
des Gehäuses
abgedichtet und geführt. Die
Außenflächen 12 und 13 des
Kolbens sowie die Innenfläche 14 des
Gehäuses
sind jeweils über
einen für
das Abrollen der Rollbälge
erforderlichen Bereich als rotationssymmetrische Abrollkonturen
ausgebildet.
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Im
Bereich des größeren Außendurchmessers 8a befindet
sich also ein zur Kolbenvorderseite 7a und damit zum oberen
Arbeitsraum 2 geöffneter erster
Rollbalg 9 sowie ein zur Kolbenrückseite 7c und damit
zum unteren Arbeitsraum geöffneter
zweiter Rollbalg 10. Im Bereich des kleineren Außendurchmessers 8b befindet
sich damit ein dritter Rollbalg 11, der zum unteren Arbeitsraum
geöffnet
und spiegelbildlich zum zweiten Rollbalg 10 angeordnet ist.
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Ein
zwischen dem Ende des Gehäuses
und dem unteren Anschlußpunkt 15 zum
Fahrwerk befindlicher Faltenbalg zum Schutz gegen Umgebungsbedingungen
ist hier nicht näher
dargestellt.
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Die
Luftfeder- und Dämpfereinheit
weist weiterhin federnd ausgebildete Anschläge 16 und 17 auf, die
bei entsprechender Belastung in der Druck- oder in der Zug-Endlage
den Federweg begrenzen.
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Im
Bereich 8a ist die rotationssymmetrische Kontur des zylindrischen
Kolbens 7 als ein sich zur Kolbenvorderseite 7a verjüngender
Kegelmantel ausgebildet. Dadurch weisen der erste Rollbalg 9 und der
zweite Rollbalg 10 unterschiedliche wirksame Durchmesser 18 und 19 auf,
die jeweils größer sind als
der wirksame Durchmesser 20 des dritten Rollbalges 11.
Durch die unterschiedlichen wirksamen Durchmesser 18 und 19 entsteht
eine Differenzfläche (Kreisringfläche), die
eine auf den Kolben wirkende und in diesem Fall nach oben gerichtete
Differenzkraft erzeugt.
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Die
Differenzkraft „zieht" den Kolben damit tiefer
in das topfförmige
Gehäuse.
Der dritte Rollbalg 11 (Tragbalg) besitzt jedoch einen
so groß ausgelegten
wirksamen Durchmesser 20, dass die Differenzkraft bei gegebenem
Betriebsdruck zusätzlich
zur statischen oder dynamischen Belastung aufgefangen werden kann.
Damit besitzt der dritte Rollbalg 11 aber auch einen großen Radius
in der ständig
bewegten Rollfalte 21 und damit eine sehr hohe Lastspielfestigkeit.
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Der
untere Anschlusspunkt 15 zum Fahrwerk ist erfindungsgemäß ebenfalls
als Gelenk 22 ausgeführt,
welches in einer entsprechenden Gelenkaufnahme 23 eines
hier nicht näher
dargestellten unteren Fahrwerkslenkers gehalten wird.
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Durch
die gelenkige Verbindung, d.h. durch das Gelenk 6 zwischen
Kolbenstange 5 und Kolben 7 sowie durch die gelenkige
Verbindung zwischen Kolbenstange 5 und Fahrwerk, d.h. über das
Gelenk 22 und die Gelenkaufnahme 23 kann die Luftfeder- und
Dämpfereinheit
direkt und ohne weitere drehfähige
Verbindungen oder zusätzliche
Lager über
einfache Verschraubungen 24 mit dem Fahrzeug verbunden
werden. Einerseits ist somit ein Augleich für Querbewegungen nicht mehr
erforderlich und andererseits ist die oben beschriebene Problematik
der jeweils lateral schwingenden Körper reduziert.
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Die
Kolbenstange 5 ist zur Durchführung von Energie- und/oder
Steuerleitungen hohl ausgeführt und
dazu mit Bohrungen 25 und 26 versehen.
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- 1
- Luftfeder-
und Dämpfereinheit
- 2
- Arbeitsraum
(Dämpferraum)
- 3
- Arbeitsraum
(Federraum)
- 4
- Gehäuse
- 5
- Kolbenstange
- 6
- Kugelgelenk
- 7
- Kolben
- 7a
- Kolbenvorderseite
- 7b
- Hohlzylindrischer
Teil des Kolbens
- 7c
- Kolbenrückseite
- 8a
- Kolbenbereich
mit großem
Außendurchmesser
- 8b
- Kolbenbereich
mit kleinem Außendurchmesser
- 9–11
- Rollbalg
- 12–14
- Fläche mit
Abrollkontur
- 15
- Anschlußpunkt
- 16,
17
- Federnder
Anschlag
- 18–20
- Wirksamer
Durchmesser
- 21
- Rollfalte
- 22
- Gelenk
- 23
- Fahrwerksseitige
Gelenkaufnahme
- 24
- Karosserieanschluß
- 25
- Längsbohrung
in der Kolbenstange
- 26
- Querbohrung
in der Kolbenstange