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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luftfeder- und Dämpfereinheit zur Höhenverstellung eines Fahrzeugaufbaus nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Straßenfahrzeuge mit Radaufhängungen, die eine aktive oder semiaktive Niveau- bzw. Höhenregelanlage des Fahrzeugaufbaus enthalten, bieten verschiedene Vorteile im Vergleich zu Fahrzeugen mit einer passiven Radaufhängung. Durch eine konstante Bodenfreiheit kann das Fahrverhalten verbessert werden, da die Ein- und Ausfederbewegungen der Räder unabhängig von der Beladung des Fahrzeugs sind. Ebenso ist es zum Beispiel möglich, bei Stadtfahrten, das heißt bei niedriger Fahrgeschwindigkeit, den Fahrzeugaufbau gegenüber dem Untergrund anzuheben und somit die Bodenfreiheit zu erhöhen, um beispielsweise problemlos über Bremsschwellen, Bordsteinkanten oder Tiefgarageneinfahrten mit einem hohen Rampenwinkel fahren zu können. Bei höheren Fahrgeschwindigkeiten kann der Fahrzeugaufbau mit Hilfe der Niveauregelanlage abgesenkt werden, um beispielsweise den Luftwiderstand des Fahrzeugs zu verringern. Die Bewegungen des Fahrzeugaufbaus werden bei Fahrzeugen, insbesondere bei Personenfahrzeugen, gewöhnlich überwiegend hydraulisch, zum Beispiel mittels eines Hydrauliköls, gedämpft. Alternativ kann jedoch auch Luft als Arbeitsmedium zur Erzeugung von Dämpfungskräften genutzt werden, was u. a. im Vergleich zur Verwendung von Hydrauliköl Vorteile für die Umwelt mit sich bringt. Außerdem sind die derzeit auf dem Markt verfügbaren Niveauregelanlagen für Fahrzeuge relativ teuer und weisen ein hohes Gewicht auf. Darüber hinaus erfordern sie einen großen Bauraum und benötigen für den Betrieb relativ viel Energie.
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So offenbart die gattungsbildende
DE 10 2006 055 757 A1 zum Beispiel eine selbstpumpende, mit Druckluft arbeitende Luftfeder- und Dämpfereinheit mit selbsttätiger Niveauregulierung für Fahrwerke von Fahrzeugen mit einer Pumpe, die durch den durch das Ein- und Ausfedern des Fahrzeugs sich verändernden Abstand zwischen den Anlenkpunkten der Feder- und Dämpfereinheit an einem Fahrzeugaufbau bzw. einem Fahrwerk angetrieben wird und eine Erhöhung der Druckluft erzeugt, wodurch die Luftfeder- und Dämpfereinheit bei veränderlicher Zuladung des Fahrzeugs ein festgelegtes Niveau beibehält. Die Pumpe ist im Wesentlichen aus zwei relativ zueinander beweglichen und einen Kompressionsraum verkleinernden Pumpenteilen gebildet, von denen ein Pumpenteil mit dem einen Anlenkpunkt und das andere Pumpenteil mit dem anderen Anlenkpunkt derart in Verbindung steht, dass der beim Ein- und Ausfedern des Fahrzeugs sich verändernde Abstand zwischen den Anlenkpunkten auf den Abstand der Pumpenteile untereinander übertragen wird. Die Feder- und Dämpfereinheit weist ferner zwei durch ein durchströmbares Drosselventil verbindbare Arbeitsräume auf, die ein Dämpfungsmedium enthalten, das beim Ein- und Ausfedern des Fahrzeugs durch die Drosselventile gedämpft zwischen den Arbeitsräumen ausgetauscht wird. Einer der Arbeitsräume ist durch einen Rollbalg begrenzt, der auf der Kontur eines rotationssymmetrischen Rollzylinders abrollt. Der Kompressionsraum der Pumpe ist über ein Rückschlagventil mit einem der Arbeitsräume fluidleitend verbindbar, so dass bei einem Kompressionshub der Pumpe bzw. beim Einfedern Luft durch die Pumpe in einen Arbeitsraum gepumpt wird. Beim Ausfedern wird Luft aus dem Arbeitsraum über eine weiterhin vorgesehene Ablaßvorrichtung, die im Wesentlichen einen Ablaßzylinder und einen Ablaßkolben aufweist, abgelassen. Die Pumpe und die Ablaßvorrichtung sind derart aufeinander abgestimmt, dass sich durch Ein- und Ausfederbewegungen des Fahrzeugaufbaus unabhängig von der Beladung des Fahrzeugs stets eine konstante Fahrzeughöhe einstellt.
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Aus der
DE 10 2005 060 581 A1 ist weiter eine Luftfeder- und Dämpfereinheit für Fahrzeuge bekannt, die zwei mit Druckluft gefüllte und über Strömungskanäle untereinander verbundene Druckräume als Arbeitsräume und bewegliche Wände in Form von Roll- oder Faltenbälgen aufweist. Die Druckluft wird über einen Kompressor über zugehörige Ventile und Leitungen in die Arbeitsräume gefördert und kann ebenfalls über dieses System abgelassen werden. In einer Strömungsrichtung ist in einem ersten Strömungskanal ein in seiner Dämpfung steuerbares Drosselventil angeordnet und als vorgesteuertes und zur Niederdruckseite öffnendes Hauptventil ausgebildet, das niederdruckseitig mit einem Steuerdruck beaufschlagbar ist. Die offenbarte Luftfeder- und Dämpfereinheit ist nicht in der Lage, eine selbstpumpende Höhenverstellung auszuführen.
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Aus der
DE 43 34 007 A1 ist eine pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit bekannt, die einen Zylinder umfaßt, welcher durch einen Kolben mit einseitig angeordneter Kolbenstange in zwei Pneumatikkammern unterteilt ist, deren Volumina sich bei Kolbenhüben gegensinnig ändern. Außerdem ist zwischen Teilen an der Kolbenstange und der zugewandten Stirnseite des Zylinders eine weitere, durch einen Rollbalg abgeschlossene Pneumatikkammer vorgesehen, welche normalerweise über Verbindungskanäle in der Kolbenstange mit einer der zwei Pneumatikkammern kommuniziert. Die zwei Pneumatikkammern sind miteinander über in dem Kolben vorgesehene, ventilgesteuerte Überströmkanäle verbindbar. Durch Steuerung der Drosselwiderstände der Überströmkanäle läßt sich die Dämpferwirkung verändern. Eine Höhenverstellung offenbart die
DE 43 34 007 A1 jedoch nicht.
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Die
DE 44 18 120 A1 beschreibt eine zur
DE 43 34 007 A1 sehr ähnliche pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit, bei der die Ventile in den Überströmkanälen in Abhängigkeit von der Hubgeschwindigkeit und/oder dem Hubweg der Federhübe steuerbar sind, um sowohl die Federsteifigkeit als auch die Dämpferwirkung variieren zu können.
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Ferner offenbart die
DE 42 38 790 A1 ein Luftfederaggregat mit einer bei Federhüben ihr Volumen verändernden Hauptkammer sowie einer im Wesentlichen konstantes Volumen aufweisenden Zusatzkammer, die über ein schaltbares Ventil mit der Hauptkammer verbindbar bzw. davon abtrennbar ist, so dass durch Öffnen bzw. Sperren des Ventils die Progressivität der Federung verändert werden kann. Eine Höhenverstellung oder eine Dämpfung vermag das beschriebene Luftfederaggregat jedoch nicht auszuführen.
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Die
DE 31 06 122 A1 beschreibt weiters ein Höhenverstellsystem für Motorräder, bei dem mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit Druckluft aus einer Hochdruckgasquelle, die von einer mittels eines Elektromotors angetriebenen Luftpumpe gespeist wird, jeweils mittels schaltbarer Elektromagnetventile in einen pneumatischen Stoßdämpfermechanismus einer vorderen und hinteren Teleskopaufhängung gepumpt wird, um das Fahrgestell des Motorrads anzuheben. Mit abnehmender Fahrgeschwindigkeit werden die Teleskopaufhängungen mittels Elektromagnet-Entlüftungsventilen zur Atmosphäre entlüftet, so dass die in den Stoßdämpfermechanismen enthaltene Druckluft entweichen kann. In der Folge senkt sich das Fahrgestell des Motorrads ab.
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Aus der
DE 2 016 540 A ist eine Federung für Kraftfahrzeuge mit einer mechanischen Niveauregelung bekannt, die eine Schraubenfeder als Hauptfeder und eine zu dieser parallel geschaltete Gasfeder als Zusatzfeder und einen Niveauregler aufweist. Der Niveauregler ist derart eingerichtet, die Luftfeder bei einer Belastung des Fahrzeugs größer als die Normalbelastung mit einer Überdruckquelle und die Luftfeder bei einer Belastung des Fahrzeugs geringer als die Normalbelastung mit einer Unterdruckquelle zu verbinden. Hierdurch wird das Einstellen einer von der Belastung des Fahrzeugs unabhängigen Fahrzeughöhe erzielt.
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Die
DE 609723 A beschreibt eine Federungs- und Dämpfungseinrichtung für Fahrzeuge, die im Wesentlichen aus einer metallischen Schraubenfeder und einer zu dieser parallel geschalteten Luftfeder besteht. Die Luftfeder wird durch einen Luftfederungszylinder gebildet, der aus einem äußeren Zylinder, durch dessen Wand Bohrungen gehen, die den Durchtritt von Luft nach innen und nach außen zulassen, und einen in den äußeren Zylinder eingesetzten inneren Zylinder, dessen Wand Luftdurchlaß- bzw. Drosselungsdurchbohrungen auf beiden Seiten eines in der Mittellage gedachten Kolbens und auf seiner Außenfläche Luftüberströmkanäle eingearbeitet enthält. Die beschriebene Federungs- und Dämpfungseinrichtung ist nicht in der Lage, eine Niveauregulierung auszuführen.
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Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer pneumatischen Luftfeder- und Dämpfereinheit zur Höhenverstellung eines Fahrzeugaufbaus anzugeben. Diese Luftfeder- und Dämpfereinheit soll besonders kompakt bauen und gleichzeitig in der Lage sein, eine Höhenverstellfunktion für einen Fahrzeugaufbau, eine Luftfeder- und eine Luftdämpferfunktion bereitstellen zu können. Ferner soll der Betrieb der Luftfeder- und Dämpfereinheit mit möglichst geringer, extern zugeführter Energie möglich sein.
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Diese Aufgabe wird durch eine Luftfeder- und Dämpfereinheit zur Höhenverstellung eines Fahrzeugaufbaus mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Erfindungsgemäß umfaßt eine selbstpumpende, mit Druckluft arbeitende Luftfeder- und Dämpfereinheit zur Höhenverstellung eines Fahrzeugaufbaus relativ zu einer Radaufhängung eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs, die mit einem ersten Anlenkpunkt am Fahrzeugaufbau und mit einem zweiten Anlenkpunkt an der Radaufhängung anlenkbar ist, wenigstens einen, zumindest teilweise durch wenigstens eine bewegliche Wand begrenzten, die beiden Anlenkpunkte federnd gegeneinander abstützenden, mit Druckluft gefüllten Federraum, und einen mit dem Federraum über wenigstens ein Verbindungsventil fluidleitend verbindbaren, mit einem der beiden Anlenkpunkte in Verbindung stehenden Dämpferzylinder, der wenigstens zwei durch zumindest ein durchströmbares Drosselventil fluidleitend verbindbare Arbeitsräume aufweist, die durch einen in dem Dämpferzylinder verschiebbaren, über eine Kolbenstange mit dem anderen der beiden Anlenkpunkte in Verbindung stehenden Arbeitskolben getrennt sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind das Verbindungsventil und das Drosselventil jeweils schaltbare, insbesondere elektrisch schaltbare, Ventile und einer der Arbeitsräume des Dämpferzylinders ist über wenigstens ein schaltbares, insbesondere elektrisch schaltbares, Entlüftungsventil zur Umgebungsatmosphäre entlüftbar. Diese Ausbildung ermöglicht eine Bauraum sparende, kompakte Kombination dreier Funktionen in einer Baueinheit: Höhenverstellung des Fahrzeugaufbaus relativ zur Radaufhängung, Luftfederung und Luftdämpfung.
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So kann die erfindungsgemäße Luftfeder- und Dämpfereinheit beispielsweise bei vollständig geöffnetem Drosselventil und/oder Entlüftungsventil sowie geschlossenem Verbindungsventil als reine Luftfeder betrieben werden. Aus dem durch die bewegliche Wand begrenzten und mit Druckluft gefüllten Federraum, der den am Fahrzeugaufbau angebundenen ersten Anlenkpunkt und den an der Radaufhängung des Fahrzeugs angebundenen zweiten Anlenkpunkt der erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit federnd gegeneinander abstützt, kann aufgrund des geschlossenen Verbindungsventils keine Druckluft in den Dämpferzylinder bzw. in einen seiner Arbeitsräume entweichen und umgekehrt kann ebenso keine Luft aus einem der Arbeitsräume des Dämpferzylinders durch das geschlossene Verbindungsventil in den Federraum gelangen. Eine Dämpferwirkung kann der Dämpferzylinder mit dem in diesem beweg- bzw. verschiebbaren und den Dämpferzylinder in die beiden Arbeitsräume unterteilenden Arbeitskolben aufgrund des geöffneten Drosselventils und/oder des geöffneten Entlüftungsventils, das einen der Arbeitsräume zur Umgebungsatmosphäre entlüftet, nicht entfalten.
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Ein Betrieb der erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit als Luftfeder mit gleichzeitiger Dämpfungswirkung wird erreicht, wenn das Drosselventil wenigstens teilweise derart geöffnet wird, dass Energie der das Drosselventil beim Ein- und Ausfedern aufgrund der durch die Bewegung des Arbeitskolbens im Dämpferzylinder durchströmenden Luft dissipiert wird. Das Verbindungsventil sowie das Entlüftungsventil sind bei dieser Betriebsart der Luftfeder- und Dämpfereinheit geschlossen geschaltet. Die erfindungsgemäße Luftfeder- und Dämpfereinheit kann somit gleichzeitig sowohl Feder- als auch Dämpferkräfte bereitstellen.
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Ein Betrieb als semiaktive, das heißt selbstpumpende, Höhenverstellvorrichtung, bei der die erfindungsgemäße Luftfeder- und Dämpfereinheit neben Federkräften ebenso eine Höhenverstellfunktion bereitstellt, ist erreichbar, indem das Drosselventil geschlossen geschaltet wird und das Verbindungsventil zwischen dem Dämpferzylinder und dem Federraum sowie das Entlüftungsventil zum Entlüften eines der beiden Arbeitsräume des Dämpferzylinders zur Umgebungsatmosphäre abhängig von der augenblicklichen Bewegungsrichtung, das heißt der Ein- oder Ausfederbewegung, der Luftfeder- und Dämpfereinheit wie nachfolgend beschrieben geschaltet werden.
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Zum Erhöhen des Fahrzeugaufbaus relativ zur Radaufhängung des Fahrzeugs, das heißt zum Vergrößern des Abstands zwischen dem am Fahrzeugaufbau angebundenen ersten Anlenkpunkt der Luftfeder- und Dämpfereinheit und dem an der Radaufhängung angebundenen zweiten Anlenkpunkt der Luftfeder- und Dämpfereinheit, wird das Verbindungsventil während der Ausfederbewegung, das heißt wenn sich der Abstand zwischen den beiden Anlenkpunkten vergrößert, geschlossen geschaltet, während das Entlüftungsventil wenigstens teilweise offen geschaltet wird. Folglich wird Luft aus der Umgebungsatmosphäre in den Dämpferzylinder gesaugt, da der Dämpferzylinder mit dem einen und der Arbeitskolben über die Kolbenstange mit dem anderen der beiden Anlenkpunkte verbunden sind und sich der Abstand zwischen diesen beiden Anlenkpunkten beim Ausfedern vergrößert. Während der Einfederbewegung, das heißt wenn sich der Abstand zwischen den beiden Anlenkpunkten verkleinert, wird das Entlüftungsventil geschlossen geschaltet und das Verbindungsventil wenigstens teilweise offen geschaltet, so dass Luft aus dem Dämpferzylinder bzw. einem der beiden Arbeitsräume, der über das Verbindungsventil fluidleitend mit dem Federraum verbindbar ist, in den Federraum gepumpt wird, wodurch sich der Luftdruck im Federraum erhöht und der Fahrzeugaufbau relativ zur Radaufhängung angehoben wird. Somit wird zur Anhebung des Fahrzeugaufbaus relativ zur Radaufhängung des Fahrzeugs im Wesentlichen lediglich die Schwingungsenergie bzw. Bewegungsdynamik der Radaufhängung genutzt. Ein Zuführen externer Energie zur erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit zur Höhenverstellung des Fahrzeugaufbaus ist lediglich zum Schalten der Ventile erforderlich.
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Zum Verringern der Höhe des Fahrzeugaufbaus relativ zur Radaufhängung des Fahrzeugs, das heißt zum Verkleinern des Abstands zwischen dem am Fahrzeugaufbau angebundenen ersten Anlenkpunkt der Luftfeder- und Dämpfereinheit und dem an der Radaufhängung angebundenen zweiten Anlenkpunkt der Luftfeder- und Dämpfereinheit, wird das Verbindungsventil während der Ausfederbewegung, das heißt wenn sich der Abstand zwischen den beiden Anlenkpunkten vergrößert, wenigstens teilweise offen geschaltet, während das Entlüftungsventil geschlossen geschaltet wird. Folglich wird Luft aus dem Federraum in den Dämpferzylinder gesaugt, da der Dämpferzylinder mit dem einen und der Arbeitskolben über die Kolbenstange mit dem anderen der beiden Anlenkpunkte verbunden sind und sich der Abstand zwischen diesen beiden Anlenkpunkten beim Ausfedern vergrößert. Während der Einfederbewegung, das heißt wenn sich der Abstand zwischen den beiden Anlenkpunkten verkleinert, wird das Entlüftungsventil wenigstens teilweise offen geschaltet und das Verbindungsventil geschlossen geschaltet, so dass Luft aus dem Dämpferzylinder bzw. einem der beiden Arbeitsräume, der über das Entlüftungsventil zur Umgebungsatmosphäre entlüftbar ist, in die Umgebungsatmosphäre gepumpt wird. Durch diesen Pumpvorgang verringert sich der Luftdruck im Federraum und der Fahrzeugaufbau senkt sich relativ zur Radaufhängung ab. Somit wird zum Absenken des Fahrzeugaufbaus relativ zur Radaufhängung des Fahrzeugs im Wesentlichen lediglich die Schwingungsenergie bzw. Bewegungsdynamik der Radaufhängung genutzt. Ein Zuführen externer Energie zur erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit zur Höhenverstellung des Fahrzeugaufbaus ist lediglich zum Schalten der Ventile erforderlich.
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Das Schalten des Dämpfer-, Verbindungs- und Entlüftungsventils erfolgt zweckmäßigerweise mittels einer elektronischen Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der gewünschten der zuvor beschriebenen drei Betriebsarten der erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit sowie der augenblicklichen Ein- oder Ausfederbewegung derselben.
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Durch die zuvor beschriebene Kombination der drei Funktionen Luftfederung, Luftdämpfung und Höhenverstellung in einer Baueinheit lassen sich mit der erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit besonders hinsichtlich des beanspruchten Bauraums wesentliche Vorteile erzielen. Außerdem erfordert die semiaktive Höhenverstellung für ihren Betrieb lediglich die Zufuhr geringer, elektrischer Energie zum Schalten der Ventile und arbeitet somit erheblich energiesparender als eine herkömmliche aktive Höhenverstellung, bei der die Druckerhöhung im Federraum beispielsweise durch einen elektrisch betriebenen Kompressor bewirkt wird. Außerdem bietet die Verwendung von Luft anstelle von Hydrauliköl zur Dämpfung der Schwingungsbewegungen des Fahrzeugaufbaus hinsichtlich einer Umweltverträglichkeit wesentliche Vorteile.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die bewegliche Wand als Faltenbalg oder als Rollbalg ausgebildet ist. In letzterem Fall rollt der Rollbalg gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung an einem Außenumfang eines mit einem der beiden Anlenkpunkte in Verbindung stehenden rotationssymmetrischen ersten, beispielsweise als Rollzylinder ausgebildeten, Körper ab. Mit dieser Ausführung läßt sich eine komfortable Federung der erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit erzielen.
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Zur weiteren Verbesserung der Federungseigenschaften der erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ferner vor, dass der Rollbalg an einem Innenumfang eines mit dem anderen Anlenkpunkt in Verbindung stehenden rotationssymmetrischen, hohlen zweiten Körpers wenigstens teilweise abrollt. So kann der zweite Körper beispielsweise als Führungshülse für die beweglich Wand, insbesondere die als Falten- oder Rollbalg ausgebildete bewegliche Wand, gestaltet sein, wobei der erste Körper, zum Beispiel ein Rollzylinder, in besonders Bauraum sparender Weise wenigstens teilweise im Inneren des zweiten Körpers koaxial zu diesem angeordnet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jeweils ein mit den beiden Anlenkpunkten in Verbindung stehender Federteller vorgesehen ist, zwischen denen eine die Luftfeder- und Dämpfereinheit umgebende Schraubenfeder verspannt ist. Somit ist diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit durch eine metallische, zur reinen Luftfeder- und Dämpfereinheit parallel geschaltete Schraubenfeder gekennzeichnet. Die Luftfeder- und Dämpfereinheit gemäß dieser Ausführung bildet folglich ein kompaktes Federbein.
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Eine hinsichtlich einer kompakten Bauform vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das wenigstens eine Drosselventil in dem Arbeitskolben des Dämpferzylinders angeordnet ist.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine teilweise im Querschnitt dargestellte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit, und
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2 eine vergrößerte Querschnittsseitenansicht der in 1 dargestellten Luftfeder- und Dämpfereinheit.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 stellt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 zur Höhenverstellung eines in 1 nicht dargestellten Fahrzeugaufbaus dar. Wie 1 zu entnehmen ist, umfaßt die Vorrichtung 1 eine Schraubenfeder 2, die mehrere Windungen aufweist. Die Windungen beschreiben in an sich bekannter Weise eine Helix bzw. eine Schraubenlinie. Wie aus 1 weiter entnehmbar ist, ist die Schraubenfeder 2 zwischen einem oberen, zum Beispiel mit dem nicht dargestellten Fahrzeugaufbau in Verbindung stehenden aufbauseitigen Federteller 3 und einem unteren, beispielsweise mit der in 1 ebenfalls nicht dargestellten Radaufhängung bzw. einem Radaufhängungsteil derselben in Verbindung stehenden radaufhängungsseitigen Federteller 4 verspannt. In 1 sind ferner ein oberer, aufbauseitiger Anlenkpunkt 5 und ein unterer, radaufhängungsseitiger Anlenkpunkt 6 angedeutet, mit denen die Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 am Fahrzeugaufbau bzw. an der Radaufhängung des in 1 nicht dargestellten Fahrzeugs anlenkbar ist. Die Schraubenfeder 2 dient in an sich bekannter Weise zur federnden Abstützung der relativ zum Fahrzeugaufbau bewegbaren Radaufhängung gegen den Fahrzeugaufbau.
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Innerhalb des durch die Schraubenfeder 2 bzw. die Windungen umschlossenen Volumens ist ein Luftfeder- und Dämpferelement 7 der Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 angeordnet, das in 2 in einer vergrößerten Querschnittsseitenansicht dargestellt ist.
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Wie 2 zu entnehmen ist, umfaßt die dargestellte Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 bzw. das Luftfeder- und Dämpferelement 7 einen mit Druckluft gefüllten Federraum 8, der durch eine bewegliche Wand 9 in Form eines Rollbalgs begrenzt ist. Der Federraum 8 stützt die beiden in 1 dargestellten Anlenkpunkte 5 und 6 zusätzlich zur Schraubenfeder 2 federnd gegeneinander ab.
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Der Federraum 8 ist bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel über zwei Verbindungsventile 10 mit einem Dämpferzylinder 11 fluidleitend verbindbar. Der Dämpferzylinder 11 steht mit dem in 1 gezeigten oberen, das heißt aufbauseitigen Anlenkpunkt 5 bzw. Federteller 3, in Verbindung. Der Dämpferzylinder 11 ist ferner durch einen in dem Dämpferzylinder 11 verschiebbaren Arbeitskolben 12 in einen oberen Arbeitsraum 13 und einen unteren Arbeitsraum 14 getrennt. Insbesondere ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 der obere Arbeitsraum 13 des Dämpferzylinders 11 über die Verbindungsventile 10 mit dem Federraum 8 fluidleitend verbindbar. Die Arbeitsräume 13 und 14 sind bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwei durchströmbare Drosselventile 15 fluidleitend miteinander verbindbar. Die Drosselventile 15 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in dem Arbeitskolben 12 angeordnet. Wie den 1 und 2 entnehmbar ist, steht der Arbeitskolben 12 über eine Kolbenstange 16 mit dem unteren Anlenkpunkt 6 in Verbindung.
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Wie in 2 ferner dargestellt ist, kann der obere Arbeitsraum 13 des Dämpferzylinders 11 über ein Entlüftungsventil 17 zur Umgebungsatmosphäre entlüftet werden.
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Die Verbindungsventile 10, die Drosselventile 15 und das Entlüftungsventil 17 sind jeweils schaltbare, insbesondere elektrisch schaltbare, Ventile. Diese werden mittels einer in den Figuren nicht dargestellten elektronischen Steuereinheit abhängig von der gewünschten Betriebsart der Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 und abhängig von der augenblicklichen Bewegungsrichtung, das heißt der Ein- oder Ausfederbewegung, der Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 wie bereits im allgemeinen Teil dieser Offenbarung beschrieben geschaltet.
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So kann die erfindungsgemäße Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 beispielsweise bei vollständig geöffneten Drosselventilen 15 und/oder vollständig geöffnetem Entlüftungsventil 17 sowie geschlossenen Verbindungsventilen 10 als reine Luftfeder betrieben werden. Aus dem durch die bewegliche Wand 9 begrenzten und mit Druckluft gefüllten Federraum 8, der den am Fahrzeugaufbau angebundenen oberen Anlenkpunkt 5 und den an der Radaufhängung des Fahrzeugs angebundenen unteren Anlenkpunkt 6 der erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 federnd gegeneinander abstützt, kann aufgrund der geschlossenen Verbindungsventile 10 keine Druckluft in den Dämpferzylinder 11 bzw. in den oberen Arbeitsraum 13 entweichen und umgekehrt kann ebenso keine Luft aus dem oberen Arbeitsraum 13 des Dämpferzylinders 11 durch die geschlossenen Verbindungsventile 10 in den Federraum 8 gelangen. Eine Dämpferwirkung kann der Dämpferzylinder 11 mit dem in diesem beweg- bzw. verschiebbaren und den Dämpferzylinder 11 in die beiden Arbeitsräume 13 und 14 unterteilenden Arbeitskolben 12 aufgrund der geöffneten Drosselventile 15 und/oder des geöffneten Entlüftungsventils 17, das den oberen Arbeitsraum 13 zur Umgebungsatmosphäre entlüftet, nicht entfalten.
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Ein Betrieb der erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 als Luftfeder mit gleichzeitiger Dämpfungswirkung wird erreicht, wenn die Drosselventile 15 wenigstens teilweise derart geöffnet werden, dass Energie der die Drosselventile 15 beim Ein- und Ausfedern aufgrund der durch die Bewegung des Arbeitskolbens 12 im Dämpferzylinder 11 durchströmenden Luft dissipiert wird. Die Verbindungsventile 10 sowie das Entlüftungsventil 17 sind bei dieser Betriebsart der Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 geschlossen geschaltet. Die erfindungsgemäße Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 kann somit gleichzeitig sowohl Feder- als auch Dämpferkräfte bereitstellen.
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Ein Betrieb als semiaktive, das heißt selbstpumpende, Höhenverstellvorrichtung, bei der die erfindungsgemäße Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 neben Federkräften ebenso eine Höhenverstellfunktion bereitstellt, ist erreichbar, indem die Drosselventile 15 geschlossen geschaltet werden und die Verbindungsventile 10 zwischen dem Dämpferzylinder 11 und dem Federraum 8 sowie das Entlüftungsventil 17 zum Entlüften des oberen Arbeitsraums 13 des Dämpferzylinders 11 zur Umgebungsatmosphäre abhängig von der augenblicklichen Bewegungsrichtung, das heißt der Ein- oder Ausfederbewegung, der Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 wie nachfolgend beschrieben geschaltet werden.
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Zum Erhöhen des Fahrzeugaufbaus relativ zur Radaufhängung des Fahrzeugs, das heißt zum Vergrößern des Abstands zwischen dem am Fahrzeugaufbau angebundenen ersten Anlenkpunkt 5 der Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 und dem an der Radaufhängung angebundenen zweiten Anlenkpunkt 6 der Luftfeder- und Dämpfereinheit 1, werden die Verbindungsventile 10 während der Ausfederbewegung, das heißt wenn sich der Abstand zwischen den beiden Anlenkpunkten 5 und 6 vergrößert, geschlossen geschaltet, während das Entlüftungsventil 17 wenigstens teilweise offen geschaltet wird. Folglich wird Luft aus der Umgebungsatmosphäre in den Dämpferzylinder 11 bzw. den oberen Arbeitsraum 13 gesaugt, da der Dämpferzylinder 11 mit dem einen und der Arbeitskolben 12 über die Kolbenstange 16 mit dem anderen der beiden Anlenkpunkte 5 bzw. 6 verbunden sind und sich der Abstand zwischen diesen beiden Anlenkpunkten beim Ausfedern vergrößert. Während der Einfederbewegung, das heißt wenn sich der Abstand zwischen den beiden Anlenkpunkten 5 und 6 verkleinert, wird das Entlüftungsventil 17 geschlossen geschaltet und die Verbindungsventile 10 wenigstens teilweise offen geschaltet, so dass Luft aus dem Dämpferzylinder 11 bzw. dem oberen Arbeitsraum 13, der über das Verbindungsventil 10 fluidleitend mit dem Federraum 8 verbindbar ist, in den Federraum 8 gepumpt wird, wodurch sich der Luftdruck im Federraum 8 erhöht und der Fahrzeugaufbau relativ zur Radaufhängung angehoben wird. Somit wird zur Anhebung des Fahrzeugaufbaus relativ zur Radaufhängung des Fahrzeugs im Wesentlichen lediglich die Schwingungsenergie bzw. Bewegungsdynamik der Radaufhängung genutzt. Ein Zuführen externer Energie zur erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 zur Höhenverstellung des Fahrzeugaufbaus ist lediglich zum Schalten der Ventile 10, 15 und 17 erforderlich.
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Zum Verringern der Höhe des Fahrzeugaufbaus relativ zur Radaufhängung des Fahrzeugs, das heißt zum Verkleinern des Abstands zwischen dem am Fahrzeugaufbau angebundenen ersten Anlenkpunkt 5 der Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 und dem an der Radaufhängung angebundenen zweiten Anlenkpunkt 6 der Luftfeder- und Dämpfereinheit 1, werden die Verbindungsventile 10 während der Ausfederbewegung, das heißt wenn sich der Abstand zwischen den beiden Anlenkpunkten 5 und 6 vergrößert, wenigstens teilweise offen geschaltet, während das Entlüftungsventil 17 geschlossen geschaltet wird. Folglich wird Luft aus dem Federraum 8 in den Dämpferzylinder 11 bzw. den oberen Arbeitsraum 13 gesaugt, da der Dämpferzylinder 11 mit dem einen und der Arbeitskolben 12 über die Kolbenstange 16 mit dem anderen der beiden Anlenkpunkte 5 bzw. 6 verbunden sind und sich der Abstand zwischen diesen beiden beim Ausfedern vergrößert. Während der Einfederbewegung, das heißt wenn sich der Abstand zwischen den beiden Anlenkpunkten 5 und 6 verkleinert, wird das Entlüftungsventil 17 wenigstens teilweise offen geschaltet und die Verbindungsventile 10 geschlossen geschaltet, so dass Luft aus dem Dämpferzylinder 11 bzw. dem oberen Arbeitsraum 13, der über das Entlüftungsventil 17 zur Umgebungsatmosphäre entlüftbar ist, in die Umgebungsatmosphäre gepumpt wird. Durch diesen Pumpvorgang verringert sich der Luftdruck im Federraum 8 und der Fahrzeugaufbau senkt sich relativ zur Radaufhängung ab. Somit wird zum Absenken des Fahrzeugaufbaus relativ zur Radaufhängung des Fahrzeugs im Wesentlichen lediglich die Schwingungsenergie bzw. Bewegungsdynamik der Radaufhängung genutzt. Ein Zuführen externer Energie zur erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 zur Höhenverstellung des Fahrzeugaufbaus ist lediglich zum Schalten der Ventile 10, 15 und 17 erforderlich.
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Für einen optimalen Federkomfort der Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 rollt der Rollbalg 9, wie in 2 zu erkennen ist, wenigstens teilweise an einem Außenumfang eines mit dem unteren Anlenkpunkt 6 (zu erkennen in 1) in Verbindung stehenden rotationssymmetrischen ersten Körpers 18 ab. Der Körper 18 ist bei dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel als rotationssymmetrischer Rollzylinder ausgebildet. Ferner ist ein mit dem oberen Anlenkpunkt 5 (zu erkennen in 1) in Verbindung stehender rotationssymmetrischer, hohler zweiter Körper 19, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 als Führungshülse ausgebildet ist, vorgesehen, an dessen Innenumfang der Rollbalg 9 wenigstens teilweise abrollt. Wie 2 zu entnehmen ist, ist die Führungshülse 19 an ihrem oberen Ende mittels einer im Wesentlichen quer zur Längsachse sich erstreckenden Abschlußplatte 20 verschlossen. Über diese Abschlußplatte 20 steht die Führungshülse 19 in Verbindung mit dem oberen Anlenkpunkt 5. Wie 2 außerdem zu entnehmen ist, ist das Entlüftungsventil 17 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Luftfeder- und Dämpfervorrichtung 1 in der Abschlußplatte 20 angeordnet. Zudem ist 2 zu entnehmen, dass der erste Körper 18 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Luftfeder- und Dämpfereinheit 1 in besonders Bauraum sparender Weise wenigstens teilweise im Inneren des zweiten Körpers 19 koaxial zu diesem angeordnet ist.
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Die vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße Luftfeder- und Dämpfereinheit zur Höhenverstellung eines Fahrzeugaufbaus ist nicht auf die hierin offenbarte Ausführungsform beschränkt, sondern umfaßt auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen. Insbesondere ist die Anzahl und die Anordnung der schaltbaren Verbindungs-, Drossel- und Entlüftungsventile nicht auf das hierin beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So könnten die Drosselventile anstatt im Arbeitskolben angeordnet zu sein, beispielsweise ebenso in in der Zylinderwand des Dämpferzylinders vorgesehenen Überströmkanälen angeordnet sein, die den oberen mit dem unteren Arbeitsraum fluidleitend verbinden. Selbstverständlich kann auch nur ein solcher Überströmkanal zur fluidleitenden Verbindung der Arbeitsräume des Dämpferzylinders vorgesehen sein. Ebenso könnte anstelle des oberen Arbeitsraums des Dämpferzylinders der untere Arbeitsraum über wenigstens ein Verbindungsventil mit dem Federraum fluidleitend verbindbar sein. In diesem Fall könnten das wenigstens eine Verbindungsventil, das wenigstens eine Drosselventil und das wenigstens eine Entlüftungsventil zur Höhenverstellung des Fahrzeugaufbaus wie folgt geschaltet werden.
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Um den Fahrzeugaufbau relativ zur Radaufhängung des Fahrzeugs anzuheben, werden bei der Ausfederbewegung der erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit das den unteren Arbeitsraum des Dämpferzylinders mit dem Federraum fluidleitend verbindende Verbindungsventil und das den oberen Arbeitsraum des Dämpferzylinders zur Umgebungsatmosphäre entlüftende Entlüftungsventil wenigstens teilweise offen geschaltet, wohingegen das wenigstens eine, beispielsweise im Arbeitskolben angeordnete Drosselventil geschlossen geschaltet wird. Durch die beim Ausfedern verursachte Bewegung des Arbeitskolbens im Dämpferzylinder vom oberen Arbeitsraum in Richtung zum unteren Arbeitsraum wird einerseits Luft aus der Umgebungsatmosphäre in den oberen Arbeitsraum gesaugt und andererseits die im unteren Arbeitsraum befindliche Luft in den Federraum gepumpt, wodurch der Luftdruck im Federraum ansteigt und der Fahrzeugaufbau relativ zur Radaufhängung des Fahrzeugs angehoben wird. Bei der Einfederbewegung der Luftfeder- und Dämpfereinheit wird wenigstens das Verbindungsventil geschlossen geschaltet und das Drosselventil offen geschaltet, so dass sich der untere Arbeitsraum des Dämpferzylinders erneut mit Luft aus dem oberen Arbeitsraum füllen kann. Bei diesem Vorgang kann das Entlüftungsventil ebenfalls geschlossen geschaltet werden.
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Zum Verringern der Höhe des Fahrzeugaufbaus relativ zur Radaufhängung des Fahrzeugs wird bei der Ausfederbewegung der erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit das Drosselventil offen geschaltet, während das Verbindungsventil geschlossen geschaltet wird. Auf diese Weise kann durch die Verschiebung des Arbeitskolbens im Dämpferzylinder vom oberen Arbeitsraum in Richtung zum unteren Arbeitsraum in dem unteren Arbeitsraum des Dämpferzylinders befindliche Luft in den oberen Arbeitsraum strömen. Das Entlüftungsventil kann in diesem Fall geschlossen geschaltet werden. Bei der Einfederbewegung der Luftfeder- und Dämpfereinheit werden nun das Verbindungsventil und das Entlüftungsventil offen geschaltet und das Drosselventil geschlossen geschaltet. Somit kann einerseits Luft aus dem Federraum in den unteren Arbeitsraum des Dämpferzylinders strömen und andererseits wird die im oberen Arbeitsraum des Dämpferzylinders befindliche Luft in die Umgebungsatmosphäre gepumpt.
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In bevorzugter Ausführung wird die erfindungsgemäße Luftfeder- und Dämpfereinheit in einem Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, zur Höhenverstellung des Fahrzeugaufbaus relativ zur Radaufhängung verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftfeder- und Dämpfereinheit
- 2
- Schraubenfeder
- 3
- Aufbauseitiger Federteller
- 4
- Radaufhängungsseitiger Federteller
- 5
- Aufbauseitiger Anlenkpunkt
- 6
- Radaufhängungsseitiger Anlenkpunkt
- 7
- Luftfeder- und Dämpferelement
- 8
- Federraum
- 9
- Bewegliche Wand, Rollbalg
- 10
- Verbindungsventil
- 11
- Dämpferzylinder
- 12
- Arbeitskolben
- 13
- Oberer Arbeitsraum
- 14
- Unterer Arbeitsraum
- 15
- Drosselventil
- 16
- Kolbenstange
- 17
- Entlüftungsventil
- 18
- Rotationssymmetrischer erster Körper, Rollzylinder
- 19
- Rotationssymmetrischer, hohler zweiter Körper, Führungshülse
- 20
- Abschlußplatte
