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Die Erfindung betrifft eine Luftfedereinrichtung mit einem unter einem inneren Überdruck stehenden Luftfederbalg, der unter Bildung einer Rollfalte an seinem einen Ende mit einem Luftfederkolben und an seinem anderen Ende mit einem Luftfederdeckel fest verbunden ist, wobei der Luftfederbalg unter Last und bei Federbewegungen auf dem Außenumfang des Luftfederkolbens abrollt, wobei der Außenumfang des Luftfederkolbens mindestens teilweise als Kolbenbalg ausgeführt ist, welcher seine Außenkontur ändert, wenn ein Überdruck im Kolbenbalg anliegt, so dass die Abrollkontur des Luftfederbalges durch den Innendruck im Kolbenbalg verändert wird.
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Federungen mit Luftfedern, die zwischen Fahrwerk und Karosserie eingespannt sind und die einen Luftfederbalg aufweisen, kennt der Fachmann in einer Vielzahl von Ausführungen. Derartige Einrichtungen werden häufig in Straßen- oder Schienenfahrzeugen eingesetzt, dienen heute insbesondere in Personenkraftwagen als besonders komfortable Federungselemente und sorgen für ein angenehmes Fahrgefühl. Darüberhinaus kann bei Personenkraftwagen die Federung je nach Straßenverhältnissen zwischen einem „weichen” und „harten” Federungsverhalten angepasst werden.
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Ein Luftfedersystem oder Niveauregelsystem besteht dabei aus Luftfederbeinen für jedes Rad oder mindestens für jede Achse, die Luftfedern und die Dämpfereinheiten umfassen. Die Dämpfereinheiten können dabei ebenfalls mit Luft arbeiten oder auch mit anderen Fluiden, wie dies etwa bei Hydraulikdämpfern der Fall ist. Luftfeder und Dämpfer können auch als ein Bauteil mit mehreren über Drosseln verbundenen Arbeitskammern ausgeführt sein. Weiterhin gehören zum Luftfedersystem eine Luftversorgungsanlage mit einem Verdichter, optional meist ein oder mehrere Speicher, ein in aller Regel regenerierbarer Trockner, sowie weitere schaltbaren oder festeingestellten pneumatischen Steuerelementen und Ventile und häufig eine elektronische Steuerung. Als Verdichter für die Versorgung von Luftfedern in Fahrzeugen werden größtenteils elektrisch angetriebene Kompressoren verwendet.
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Eine Luftfeder besteht üblicherweise aus einer von einem Luftfederbalg aus elastomerem Material mindestens teilweise umschlossenen Arbeitskammer, wobei der Luftfederbalg unter Bildung einer Rollfalte an seinem einen Ende mit einem Luftfederkolben und an seinem anderen Ende mit einem Luftfederdeckel fest verbunden ist. Die Luftfeder steht im Betrieb unter einem inneren Überdruck. Der Luftfederbalg rollt unter Last und bei Federbewegungen unter Bildung einer Rollfalte auf der Außenkontur des Luftfederkolbens/Abrollkolbens ab. Der Abrollkolben besteht in aller Regel aus Metall oder Kunststoff und ist als rotationssymmetrischer Hohlkörper ausgeführt.
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Dabei existieren sowohl Luftfedern, bei denen der Luftfederbalg nur einseitig eine Rollfalte bildet, nämlich in der Regel auf dem Abrollkolben, als auch Luftfedern, bei denen der Rollbalg unter Bildung einer beidseitigen (Roll-)Falte zwischen Luftfederdeckel und Abrollkolben eingespannt ist. Luftfedern mit einseitiger Rollfalte sind oft in Pkw zu finden, während die oft größeren und tragfähigeren Luftfedern mit beidseitiger Rollfalte eher in LKW und Schienenfahrzeuge eingebaut werden.
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Neben der Höhe des Innendrucks im Luftfederbalg bestimmen der wirksame Durchmesser des Luftfederbalges und die geometrischen Ausbildung der Abrollkontur des Abrollkolbens als rotationssymmetrischer Hohlkörper dabei im Wesentlichen die Federungseigenschaften, d. h. die Federsteifigkeit der Luftfedereinrichtung.
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Nun ist zur gewünschten Anpassung der Federung auf die Straßenverhältnisse und damit zur Einstellung eines „weichen” oder „harten” Federungsverhaltens eine Änderung der Federsteifigkeit erforderlich. Während Einrichtungen zur Änderung des Innendruckes des Luftfederbalges im Stand der Technik weit verbreitet sind, finden sich jedoch nur wenige Lösungen zum Verändern der Außenkontur des Abrollkolbens.
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Einrichtungen zur Änderung des Innendruckes erfordern nachteiligerweise große Mengen von Druckmedium und damit entsprechend groß dimensionierte Kompressoren oder Speicher.
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Eine Luftfedereinrichtung mit einer Möglichkeit zur Änderung der Außenkontur des Abrollkolbens offenbart die
US 7,156,382 B2 . Bei der dort offenbarten Lösung ist der Außenumfang des Luftfederkolbens als Kolbenbalg ausgeführt, welcher seine Außenkontur ändert, wenn ein Überdruck im Kolbenbalg anliegt. Der Überdruck im Kolbenbalg wird unabhängig vom Innendruck im Luftfederbalg gesteuert und verändert. Nachteiligerweise ist auch hier zur Verstellung der Außenkontur des Kolbenbalges eine relativ große Luftmenge erforderlich, die zudem mit hoher Geschwindigkeit gefördert werden und einströmen muss, so dass die Schaltzeiten kurz sind, eine aufwendige Ventiltechnik benötigt wird und eine nicht unerhebliche Geräuschbildung bei den jeweiligen Strömungsvorgängen entsteht.
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Für die Erfindung bestand daher die Aufgabe, eine Luftfedereinrichtung mit einer durch ein Druckmedium veränderbaren Außenkontur des Abrollkolbens bereitzustellen, welche einfach herzustellen ist, welche kurze Schaltzeiten bei hohen Stellvolumina erlaubt, welche im Wesentlichen sehr einfache Systemkomponenten benötigt, welche weiterhin keinen zusätzlichen Luftbedarf und keine groß dimensionierten Kompressoren oder Speicher benötigt und welche eine schnelle Verstellung der Kontur ohne Geräuschbelästigung erlaubt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Erfindungsgemäß stehen das Druckmedium des Luftfederbalges und das Druckmedium des Kolbenbalges über ein stellbares und/oder steuerbares Druckübertragungselement bzw. Druckausgleichselement so miteinander in Verbindung, dass bei einer Änderung der Außenkontur die in den Volumina der Luftfedereinrichtung vorhandene Menge an Druckmedium konstant bleibt. Die Volumina der Luftfedereinrichtung setzen sich dabei zusammen aus dem Volumen des Luftfederbalges, dem Volumen des Kolbenbalges und den im Druckübertragungselement vorhandenen und mit Luftfederbalg oder Kolbenbalg jeweils verbundenen Volumina, welche sich wechselseitig so beeinflussen, dass die in allen Volumina vorhandene Menge an Druckmedium bei einer Änderung der Außenkontur konstant bleibt. Wird also dem Volumen innerhalb des Luftfederbalges eine Menge an Druckmedium entnommen, so nimmt die Menge an Druckmedium im Volumen des Kolbenbalges entsprechend den Druckverhältnissen in den betroffenen Räumen/Volumina zu und umgekehrt.
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Durch eine solche Ausbildung, bei der die Schalt- und Fördervorgänge zur Konturänderung durch die bereits in System vorhandene Menge an Druckmedium erfolgt, ist für die Veränderung der Kolbenkontur kein zusätzlicher Luftbedarf/Mediumsbedarf von außen erforderlich.
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Bei der hier vorgesehenen Ausbildung des zumindest teilweise als Kolbenbalg ausgeführten Luftfederkolbens fallen zusätzlich in das System einzubringende Fördermengen, d. h. zusätzliche Mengen an Druckmedium weg. Dieser Erhalt der Menge an Druckmedium während der Konturänderung führt einerseits zur Energieeinsparung, da hierfür keine Kompressor-Leistung erforderlich wird und führt andererseits dazu, dass Strömungsgeräusche durch ein „Auffüllen” von Druckmedium gar nicht erst entstehen können. Die Verstellgeschwindigkeiten sind dabei sehr hoch und die Ventile und die übrigen Systemkomponenten können sehr einfach ausgeführt werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass das Druckübertragungselement als Druckübersetzer oder als Druckverstärker ausgebildet ist. Damit lässt sich die Verstellkraft zur Konturänderung auf die elastischen Gegebenheiten des Kolbenbalgs anpassen. Der Kolbenbalg kann somit durch eingebettete/einvulkanisierte Verstärkungselemente wesentlich stabiler ausgeführt sein als der Luftfederbalg und trotzdem durch einen entsprechend höheren Druck „aufgepumpt” und in seiner Kontur verändert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass das Druckübertragungselement als mechanischer Druckübersetzer ausgebildet ist. Ein mechanischer Druckübersetzer ist sehr robust und erlaubt die erforderlichen schnellen Schaltvorgänge durch sehr einfache Bauteile, wie etwa entsprechend ausgebildete mechanisch oder hydraulisch verbundene Kolben-Zylinder-Kombinationen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass das Druckübertragungselement eine Einrichtung zum Aufbringen einer ggf. verstärkenden Stellkraft auf das Druckübertragungselement aufweist, so dass die Druckübertragung oder Druckübersetzung nicht nur durch die Geometrie oder Bauweise des jeweiligen Gerätes beeinflusst wird, sondern auch noch eine Zusatzkraft wirksam wird. Diese kann entweder zur Druckerhöhung auf der Seite des Kolbenbalges genutzt werden oder auch zum schnelleren „Umfüllung” von Druckmedium, was die Schaltzeiten verkürzt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass das Aufbringen der Stellkraft und/oder die Steuerung des Druckübertragungselementes durch einen Schrittmotor erfolgen. Ein Schrittmotor benötigt in der Regel keine weitere komplizierte Sensorik zur Rückkopplung der Verstellwege in die Steuerung/in das System und stellt somit eine einfache und leicht zu realisierende Möglichkeit dar, durch die Volumenverhältnisse des Druckübertragungselements festgelegten Mengen an Druckmedium im Luftfederbalg oder im Kolbenbalg zuzuführen oder abzuführen.
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Ähnliche Vorteile ergeben sich, wenn das Aufbringen der Stellkraft und/oder die Steuerung des Druckübertragungselementes durch einen proportional ansteuerbaren Magneten, beispielsweise durch einen Elektromagneten mit kontinuierlicher Wegansteuerung erfolgt. Solche Normbauteile vereinfachen die gesamte Ausbildung/Konstruktion der erfindungsgemäßen Ausführung.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass der Innendruck des Luftfederbalgs und des Kolbenbalgs durch Luftdruck erzeugt wird. Damit ist nur ein Medium im Einsatz, was Herstellung, Logistik und Wartung vereinfacht.
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Natürlich kann es auch bei bestimmten Anwendungen vorteilhat sein, dass der Innendruck des Luftfederbalgs und des Kolbenbalgs durch unterschiedliche Medien erzeugt wird. So kann bei der natürlich als Medium für einen Luftfederbalg vorgesehenen Verwendung von Luft der Druck im Kolbenbalg durch eine hydraulische Flüssigkeit erzeugt werden. Mit entsprechenden mechanischen Druckübertragungselementen erzeugt man dann eine große Verstellung bei relativ kleinen Medienströmen. Dies reduziert die Baugröße der Elemente.
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Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Luftfedereinrichtung
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2 eine Ausführung der erfindungsgemäßen Luftfedereinrichtung mit einem über einen Schrittmotor verstellbaren Druckübertragungselement
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3 eine Ausführung der erfindungsgemäßen Luftfedereinrichtung mit einem über einen Elektromagneten verstellbaren Druckübertragungselement
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Die 1 zeigt eine Luftfedereinrichtung 1 mit einem unter einem inneren Überdruck stehenden Luftfederbalg 2, der unter Bildung einer Rollfalte 3 an seinem einen Ende mit einem Luftfederkolben 4 und an seinem anderen Ende mit einem Luftfederdeckel 5 fest verbunden ist. Der Luftfederbalg 2 rollt unter Last und bei Federbewegungen auf dem Außenumfang des Luftfederkolbens 4 ab. Der Außenumfang des Luftfederkolbens 4 ist hier als Kolbenbalg 6 ausgebildet, der unter Überdruck, d. h. Innendruck gesetzt werden kann.
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Die linke Seite der 1 zeigt dabei einen Zustand, in dem der Kolbenbalg 6 an dem aus Metall oder Kunststoff gefertigten Luftfederkolben anliegt, also nicht unter Überdruck gesetzt ist, während die rechte Seite der 1 zeigt einen Zustand zeigt, in dem der Kolbenbalg 6 unter Überdruck, d. h. Innendruck gesetzt wurde, dadurch das Volumen 9 ausbildet und dementsprechend seine Außenkontur, nämlich die Abrollkontur des Luftfederbalges, verändert hat. Auf der linken Seite der 1 entspricht also die Abrollkontur im Wesentlichen der geometrischen Außenkontur des Abrollkolbens, auf welcher lediglich der Kolbenbalg wie eine Art Schlauch dünn aufliegt. Auf der rechten Seite der 1 ist der Abrollbalg in seinem zentralen Bereich vom Abrollkolben abgehoben und bildet eine mit einer wesentlich geringeren Krümmung bzw. Kavität ausgeprägte Abrollkontur für den Luftfederkolben aus.
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Der Überdruck im Kolbenbalg wird über ein stellbares und steuerbares Druckübertragungselement 7 erzeugt, durch welches das Volumen 8 des Luftfederbalges 4 und das Volumen 9 des Kolbenbalges 6 über weitere Leitungen 10 miteinander in Verbindung stehen.
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Das mechanische Druckübertragungselement 7 besteht aus einer Kolben-Zylinderanordnung mit den beiden Zylindern 11 und 12, in denen die beiden über eine gemeinsame Kolbenstange 13 miteinander mechanisch verbundenen Differenzkolben 14 und 15 verschiebbar angeordnet sind.
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Über die Kolbenstange 13 erfolgt die Stellbewegung, welche durch die Kolbenbewegung und die Veränderung der Volumina in den Zylindern 11 und 12 die Volumina 8 und 9 jeweils entgegengesetzt verkleinert oder vergrößert. Dies geschieht in und unter gegenseitiger Abhängigkeit und Verstärkung/Unterstützung, jedoch ohne dass die Medien im den Volumina 8 und 9 direkt miteinander in Verbindung stehen müssen. Die Verbindung der Volumina 8 und 9 erfolgt erfindungsgemäß über das mechanische Druckübertragungselement 7. Durch die erfindungsgemäß so ausgebildete Luftfedereinrichtung erfolgte die Konturänderung des Kolbenbalgs 6 durch bereits im System vorhandene Medien und Volumina. Damit ist außer den bereits vorhanden Volumina/Medien 8, 9 11 und 12 kein zusätzlicher Bedarf an Druckmedium erforderlich, wodurch jedwede zusätzlich in das System einzubringende Fördermengen entfallen.
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2 zeigt als weitere Ausführung eine Luftfedereinrichtung 16, bei der die beiden über eine gemeinsame Kolbenstange 13 miteinander mechanisch verbundenen Differenzkolben 14 und 15 mit Hilfe eines Schrittmotors 17 verstellt werden. Mit den definierten Verstellschritten des Schrittmotors 17 ist auch der Stellweg und damit das bewegte bzw. durch die Differenzkolben in den Kolbenbalg 6 umgepumpte Volumen 9 definiert. Man benötigt in der Regel keine weitere Sensorik zur Ermittlung der Verstellwege oder des eingepumpten Volumens 9.
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3 zeigt als weitere Ausführung eine Luftfedereinrichtung 18, bei der die beiden über eine gemeinsame Kolbenstange 13 miteinander mechanisch verbundenen Differenzkolben 14 und 15 mit Hilfe eines Elektromagneten 19 verstellt werden. Die Verstellung kann dabei ebenfalls mit definierten Verstellschritten erfolgen, wodurch auch der Stellweg und damit das bewegte bzw. durch die Differenzkolben in den Kolbenbalg 6 umgepumpte Volumen 9 definiert ist. Es ist jedoch ebenfalls eine proportionale Verstellung möglich, bei der die Volumina zur Verstellung abhängig von weiteren Größen sind und beispielsweise durch ein Drosselventil 20 beeinflusst werden. Die hier gezeigte Luftfedereinrichtung 18 weist beide Möglichkeiten auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftfedereinrichtung
- 2
- Luftfederbalg
- 3
- Rollfalte
- 4
- Luftfederkolben
- 5
- Luftfederdeckel
- 6
- Kolbenbalg
- 7
- Druckübertragungselement
- 8
- Volumen des Luftfederbalges
- 9
- Volumen des Kolbenbalges
- 10
- Leitung
- 11
- Zylinder
- 12
- Zylinder
- 13
- Kolbenstange
- 14
- Differenzkolben
- 15
- Differenzkolben
- 16
- Luftfedereinrichtung
- 17
- Schrittmotor
- 18
- Luftfedereinrichtung
- 19
- Elektromagnet
- 20
- Drosselventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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