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Die Erfindung betrifft eine Rollbalg-Luftfeder gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Kraftfahrzeug mit Rollbalg-Luftfedern.
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Eine Rollbalg-Luftfeder mit einem Abrollkolben, der über einen Luftfederbalg mit einem Oberteil verbunden ist, das eine Trennwand aufweist, die eine von dem Luftfederbalg und dem Abrollkolben begrenzte Hauptluftkammer mit veränderlichem Volumen von einer in dem Oberteil ausgebildeten Zusatzluftkammer mit festem Volumen trennt, wobei die Trennwand eine Luftströmungsöffnung zwischen der Hauptluftkammer und der Zusatzluftkammer enthält und wobei ein Verschlussmechanismus für die Luftströmungsöffnung vorhanden ist, ist aus der
WO 2002/035 113 A2 bekannt. Der Verschlussmechanismus ist ein am Abrollkolben befestigter komprimierbarer Stopfen, der die Luftströmungsöffnung bei großer Einfederung verschließt. Bei geringerer Einfederung ist die Luftströmungsöffnung geöffnet, so dass die Federsteifigkeit der Luftfeder durch die Summe der Volumina der Hauptluftkammer und der Zusatzluftkammer bestimmt wird und somit kleiner ist als bei tiefer Einfederung, wenn nur die Hauptluftkammer wirksam ist. Dadurch wird die Luftfeder ab einem gewissen Einfederweg plötzlich steifer. Der Stopfen ist allerdings verschleißanfällig, und die Federsteifigkeit ist niveauabhängig.
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Eine Rollbalg-Luftfeder mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 ist jeweils aus der
WO 2008/144 511 A1 , der
WO 2005/108 818 A1 , der
EP 0 166 702 A2 und der
DE 60 2004 002 668 T2 bekannt.
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Die
DE 10 2011 003 151 A1 offenbart eine Rollbalg-Luftfeder mit einem Abrollkolben, der zwei axial beabstandete zylindrische Abschnitte mit voneinander verschiedenen Durchmessern aufweist, wobei die Rollfalte des Luftfederbalgs je nach Einfederungsweg auf dem zylindrischen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser oder auf dem zylindrischen Abschnitt mit größerem Durchmesser oder auf einem konischen Übergang dazwischen ausgebildet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Rollbalg-Luftfeder mit verschleißarm und niveauunabhängig umschaltbarer Federsteifigkeit bereitzustellen, die eine besonders vorteilhafte Kombination von niveauunabhängigen und niveauabhängigen Einstellmöglichkeiten bietet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Rollbalg-Luftfeder gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Wie bekannt, ist der Verschlussmechanismus in der Trennwand eingebaut und ist elektrisch zwischen einem geschlossenen und einem geöffneten Zustand umschaltbar, um wahlweise eine Strömungsverbindung zwischen der Hauptluftkammer und der Zusatzluftkammer herzustellen. Ein derartiger Verschlussmechanismus ist besonders zuverlässig und verschleißarm realisierbar, z. B. in Form einer Klappe oder eines Sperrschiebers. Als Antrieb dafür eignen sich insbesondere elektromagnetische Antriebe, wie sie sich seit Jahrzehnten im Kraftfahrzeugbau bewährt haben und heutzutage auch sehr kostengünstig sind. Es kommen aber auch andere elektrische Antriebe in Frage, z. B. elektrisch beheizte Bimetall-Antriebe. Auch elektrostatische oder piezoelektrische Antriebe sind denkbar, z. B. für eine Vielzahl von Mikroklappen, die eine Vielzahl von kleinen Löchern in einer porösen Trennwand verschließen.
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Rollbalg-Luftfedern mit niveauunabhängig veränderbarer Federsteifigkeit sind im Stand der Technik zwar an sich bekannt, z. B. aus der
EP 2 228 241 A1 , doch haben die bekannten Lösungen einen komplizierten Aufbau, was sie verschleißanfällig macht.
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Wie an sich bekannt, weist der Abrollkolben zwei axial beabstandete zylindrische Abschnitte mit voneinander verschiedenen Durchmessern auf, wobei die Rollfalte des Luftfederbalgs bei hohem Federungsniveau, wenn die Luftfeder eine größere Längsausdehnung hat, auf dem zylindrischen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser ausgebildet wird und wobei die Rollfalte des Luftfederbalgs bei tiefem Federungsniveau, wenn die Luftfeder eine kleinere Längsausdehnung hat, auf dem zylindrischen Abschnitt mit größerem Durchmesser ausgebildet wird. Zu diesem Zweck ist der Luftfederbalg an dem zylindrischen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser befestigt.
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Im Gleichgewichtszustand der Luftfeder, welcher durch die darin enthaltene Luftmenge bestimmt wird, die über einen Luftanschluss von außen veränderlich ist, und um diesen Gleichgewichtszustand herum rollt der Luftfederbalg entweder auf dem zylindrischen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser oder auf dem zylindrischen Abschnitt mit größerem Durchmesser ab, wenn die Luftfeder ein- und ausfedert. Der Außenumfang des Luftfederbalgs bleibt in beiden Fällen gleich, da er durch die maximale Dehnung des Luftfederbalgs oder durch einen äußeren Stützzylinder begrenzt wird. Daher verschieben sich die tiefsten Punkte der Rollfalte des Luftfederbalgs radial nach außen, wenn der Luftfederbalg von dem zylindrischen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser auf den zylindrischen Abschnitt mit größerem Durchmesser wechselt. Weil der Abstand der tiefsten Punkte der Rollfalte des Luftfederbalgs von der Mittellinie der Luftfeder den wirksamen Querschnitt einer Rollbalg- Luftfeder und damit die Federsteifigkeit bestimmt, ändert sich somit auch die Federsteifigkeit.
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Dies ermöglicht es, die Federsteifigkeit der Luftfeder auf eine sehr einfache Weise zusätzlich zu verstellen, nämlich durch Niveauveränderung. Abrollkolben mit über ihrer Länge veränderlichem Querschnitt für eine niveauabhängige Federsteifigkeit sind zwar grundsätzlich bekannt, nicht aber in der speziellen Form von zwei zylindrischen Abschnitten mit unterschiedlichen Durchmessern, wobei der Luftfederbalg an dem zylindrischen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser befestigt ist, und nicht in der Kombination mit einer auch niveauunabhängig umschaltbaren Federsteifigkeit.
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Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte Kombination von niveauunabhängigen und niveauabhängigen Einstellmöglichkeiten, die sich besonders für Personenkraftfahrzeuge eignet, weil man mit relativ geringem Aufwand genau vier unterschiedliche Einstellungen bereitstellen kann, die für diesen Anwendungszweck normalerweise völlig ausreichen, so dass der Mehraufwand für noch mehr oder sogar kontinuierliche Einstellmöglichkeiten entfällt.
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Für die genannte Kombination von Einstellmöglichkeiten dimensioniert man die Hauptluftkammer, die Zusatzluftkammer und die zwei axial beabstandeten zylindrischen Abschnitte des Abrollkolbens derart, dass die Luftfeder vier verschiedene Federsteifigkeiten aufweist, je nachdem, ob das tiefe oder das hohe Federungsniveau eingestellt ist und ob der Verschlussmechanismus in dem geschlossenen oder dem geöffneten Zustand ist. Die vier verschiedenen Federungseinstellungen sind dann eine erste Einstellung, wobei das hohe Federungsniveau eingestellt ist und der Verschlussmechanismus in dem geöffneten Zustand ist, eine zweite Einstellung, wobei das hohe Federungsniveau eingestellt ist und der Verschlussmechanismus in dem geschlossenen Zustand ist, eine dritte Einstellung, wobei das tiefe Federungsniveau eingestellt ist und der Verschlussmechanismus in dem geöffneten Zustand ist, und eine vierte Einstellung, wobei das tiefe Federungsniveau eingestellt ist und der Verschlussmechanismus in dem geschlossenen Zustand ist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Abrollkolbens wird die Federsteifigkeit der Luftfeder größer, wenn das Federungsniveau tiefer eingestellt wird, was den Anforderungen an ein Kraftfahrzeug wie z. B. einen PKW gut entspricht, insbesondere im Hinblick auf Fahrkomfort bzw. Handling auf unterschiedlich ebenen und/oder kurvigen Straßen.
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Statt einfach durch Niveauverstellung könnte man die Federsteifigkeit der Luftfeder auch dadurch verstellen, dass man einen Aktuator vorsieht, der die Position des Abrollkolbens bzw. von dessen Mantelfläche relativ zum gefederten Rad ändert. Auf diese Weise wären vier unterschiedliche Einstellmöglichkeiten für ein und dasselbe Federungsniveau möglich, d.h. vier niveauunabhängige Einstellmöglichkeiten.
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Vorzugsweise werden die Federsteifigkeiten in den vier Federungseinstellungen in der Reihenfolge erste, zweite, dritte und vierte Einstellung größer (d.h. die Luftfedern werden zunehmend steifer). Alternativ werden die Federsteifigkeiten in den vier Federungseinstellungen in der Reihenfolge erste, dritte, zweite und vierte Einstellung größer.
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Gemäß der Erfindung werden mindestens zwei Räder eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines PKW, mit einer Rollbalg-Luftfeder wie beansprucht gefedert, und vorzugsweise jedes Rad. Normalerweise wird man alle Luftfedern in der gleichen Federungseinstellung betreiben und in Abhängigkeit vom Straßenzustand und dergleichen gleichzeitig umschalten, doch sind auch temporäre Ausnahmen davon denkbar, z. B. für Kurvenfahrten. Das Umschalten kann automatisch oder auf Wunsch des Fahrers erfolgen.
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Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch eine Rollbalg-Luftfeder mit Doppelvolumen und veränderlichem Abrollkolbenquerschnitt bei hohem Federungsniveau;
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2 einen Längsschnitt durch die Rollbalg-Luftfeder von 1 bei tiefem Federungsniveau; und
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3 einen Graphen der Federkraft der Rollbalg-Luftfeder von 1 und 2 in Abhängigkeit von der Auslenkung aus dem Gleichgewichtszustand.
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Die in 1 und 2 gezeigte Luftfeder 1 für Kraftfahrzeuge enthält ein zylindrisches Oberteil 2, das sich an einem nicht gezeigten Fahrzeugchassis abstützt, einen zylindrischen Abrollkolben 3, nicht gezeigten Radträger abstützt, und einen im Wesentlichen zylindrischen elastomeren Luftfederbalg 4, der das Oberteil 2 mit dem Abrollkolben 3 verbindet. Das Oberteil 2 und der Abrollkolben 3 sind entlang der strichpunktiert eingezeichneten Längs- und Symmetrieachse der Luftfeder 1 aufeinander zu und voneinander weg beweglich. Eine Führung entlang der Längsachse kann durch eine nicht gezeigte Teleskopführung oder durch die Chassiskonstruktion und Radaufhängung gegeben sein.
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Ein oberes Ende des Luftfederbalgs 4 ist mittels eines Spannrings 5 mit dem Oberteil 2 verbunden, und ein unteres Ende des Luftfederbalgs 4 ist mittels eines Spannrings 6 mit dem Abrollkolben 3 verbunden, derart, dass der Luftfederbalg 4 eine Rollfalte 16 ausbildet, die in Richtung der Längsachse der Luftfeder 1 am Abrollkolben 3 abrollt, wenn die Luftfeder 1 ein- und ausfedert. Rings um den Luftfederbalg 4 kann sich ein nicht gezeigter Stützzylinder erstrecken; dies muss jedoch nicht unbedingt der Fall sein, wenn der Luftfederbalg 4 dehnfest genug ist.
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Das Oberteil 2 weist eine Trennwand 7 auf, die eine von dem Luftfederbalg 4 und der Oberseite des Abrollkolbens 3 begrenzte Hauptluftkammer 8 mit veränderlichem Volumen von einer im Oberteil 2 ausgebildeten Zusatzluftkammer 9 mit konstantem Volumen trennt.
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In der Trennwand 7 befindet sich eine elektromagnetisch angetriebene Ventileinheit 10, die das Öffnen und Schließen einer Luftströmungsöffnung 11 zwischen der Hauptluftkammer 8 und der Zusatzluftkammer 9 ermöglicht.
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Wenn die Luftströmungsöffnung 11 groß genug und geöffnet ist, wird die Federsteifigkeit der Luftfeder 1 durch die kombinierten Volumina der Hauptluftkammer 8 und der Zusatzluftkammer 9 bestimmt und ist in diesem Fall kleiner als wenn die Luftströmungsöffnung 11 geschlossen ist. Dies ermöglicht es, die Federsteifigkeit der Luftfeder 1 mittels der Ventileinheit 10 niveauunabhängig zwischen zwei verschiedenen Werten umzuschalten.
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Der Abrollkolben 3 besitzt zwei axial beabstandete zylindrische Abschnitte mit einer Länge von jeweils wenigen Zentimetern und mit voneinander verschiedenen Durchmessern, nämlich einen zum Oberteil 2 proximalen Abschnitt mit Durchmesser A, an dem das untere Ende des Luftfederbalgs 4 mittels des Spannrings 6 befestigt ist, und einen zum Oberteil 2 distalen Abschnitt mit Durchmesser B. Der Durchmesser B ist etliche Millimeter größer als der Durchmesser A. In Axialrichtung ist der Übergang zwischen den zwei zylindrischen Abschnitten des Abrollkolbens 3 sanft gerundet.
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Die Luftfeder 1 enthält auch einen nicht gezeigten Luftanschluss zur Niveaueinstellung mittels der darin enthaltenen Luftmenge.
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1 zeigt die Luftfeder 1 auf einem hohen Federungsniveau, wobei die Rollfalte 16 des Luftfederbalgs 4 auf der Höhe des Abrollkolbenabschnitts mit kleinerem Durchmesser A liegt und darauf abrollt, wenn die Luftfeder 1 über die Länge dieses Abrollkolbenabschnitts ein- und ausfedert. Der im Hinblick auf die Federsteifigkeit wirksame Durchmesser der Luftfeder 1 ist hier der Abstand C zwischen den tiefsten Punkten der Rollfalte 16.
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2 zeigt die Luftfeder 1 auf einem tiefen Federungsniveau, wobei die Rollfalte 16 des Luftfederbalgs 4 auf der Höhe des Abrollkolbenabschnitts mit größerem Durchmesser B liegt und darauf abrollt, wenn die Luftfeder 1 über die Länge dieses Abrollkolbenabschnitts ein- und ausfedert. Der im Hinblick auf die Federsteifigkeit wirksame Durchmesser der Luftfeder 1 ist hier der Abstand D zwischen den tiefsten Punkten der Rollfalte 16. Man erkennt, dass der Abstand D wenige Millimeter größer ist als der der Abstand C, weil die Senke der Rollfalte 16 radial nach außen gewandert ist.
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Daher ist die Federsteifigkeit der Luftfeder 1 größer, wenn sie auf dem in 2 gezeigten tiefen Federungsniveau ist, und kleiner, wenn sie auf dem in 1 gezeigten hohen Federungsniveau ist. Dies ermöglicht es, die Federsteifigkeit der Luftfeder 1 durch Niveauveränderung zwischen zwei verschiedenen Werten umzuschalten.
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Die Möglichkeit des Öffnens und Schließens der Luftströmungsöffnung 11 mittels der Ventileinheit 10 einerseits und die Möglichkeit der Änderung des wirksamen Durchmessers der Luftfeder 1 durch Niveauveränderung andererseits ermöglichen es, durch geeignete Dimensionierung des Zusatzvolumens 9 und des Abrollkolbens 3 in Kombination miteinander vier verschiedene Federsteifigkeiten einzustellen.
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3 zeigt vier beispielhafte Federsteifigkeiten 12, 13, 14 und 15 als Funktion der Federkraft (Ordinate y) von der Auslenkung (Abszisse x) in Bezug auf den Gleichgewichtszustand oder Ruhezustand 17 der Luftfeder 1, der in 3 mit einer punktierten Linie markiert ist. Das heißt, die Abszisse x in 3 zeigt nicht den absoluten Federweg, der sich bei einer Niveauveränderung ändert, sondern die relative Auslenkung.
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Die erste Federsteifigkeit 12 wird eingestellt, indem die Luftfeder 1 auf das in 1 gezeigte hohe Federungsniveau gebracht wird, in dem der kleinere Durchmesser A des Abrollkolbens 3 wirksam ist, und indem das Volumen der Zusatzluftkammer 9 durch Öffnen der Luftströmungsöffnung 11 hinzugeschaltet wird.
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Die zweite Federsteifigkeit 13, die größer als die erste Federsteifigkeit 12 ist, wird eingestellt, indem die Luftfeder 1 das in 1 gezeigte hohe Federungsniveau hat und indem die Zusatzluftkammer 9 durch Schließen der Luftströmungsöffnung 11 von der Hauptluftkammer 8 abgetrennt wird.
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Die dritte Federsteifigkeit 14, die größer als die zweite Federsteifigkeit 13 ist, wird eingestellt, indem die Luftfeder 1 auf das in 2 gezeigte tiefe Federungsniveau gebracht wird, in dem der größere Durchmesser B des Abrollkolbens 3 wirksam ist, und indem das Volumen der Zusatzluftkammer 9 durch Öffnen der Luftströmungsöffnung 11 hinzugeschaltet wird.
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Die vierte Federsteifigkeit 15, die größer als die dritte Federsteifigkeit 14 ist, wird eingestellt, indem die Luftfeder 1 das in 2 gezeigte tiefe Federungsniveau hat und indem die Zusatzluftkammer 9 durch Schließen der Luftströmungsöffnung 11 von der Hauptluftkammer 8 abgetrennt wird.
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In einer Variante ist die dritte Federsteifigkeit 14 kleiner als die zweite Federsteifigkeit 13, aber größer als die erste Federsteifigkeit 12.
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Die einzelnen Federsteifigkeiten bzw. deren Charakteristika können mittels der geometrischen Gestaltung der Luftfeder 1 eingestellt werden. Einstellparameter sind insbesondere die Größe der Volumina der Hauptluftkammer 8 und der Zusatzluftkammer 9 sowie die Form des Abrollkolbens 3.
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Bei einem Kraftfahrzeug, dessen Räder jeweils mit einer Luftfeder 1 gefedert sind, kann deren Steifigkeit je nach Straßenzustand zwischen den Federsteifigkeiten 12 bis 15 umgeschaltet werden. Dies kann auf eine automatisierte Weise oder in einer manuellen Betriebsart mit Hilfe einer Mensch-Maschine-Schnittstelle geschehen. Beim Befahren von unebenen Straßen verbessern niedrigere Federsteifigkeiten (12 und 13) den Fahrkomfort der Fahrzeuginsassen. Beim Befahren von kurvigen Straßen verbessern höhere Federsteifigkeiten (14 und 15) die Handling-Eigenschaften des Kraftfahrzeugs.
