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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luftfeder. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Luftfeder, die in einem Fahrzeug einsetzbar ist.
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Aus dem Stand der Technik sind Luftfedersysteme bekannt. Beispielsweise ist aus der
EP 2 759 733 A1 ein Luftfedersystem bekannt, bei dem eine Luftfeder und eine Druckluftkammer veränderlichen Volumens an eine Kompressoreinheit angeschlossen sind. Die Druckluftkammer der Luftfeder ist mit einem adsorptiven Material versehen.
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Aus der
EP 2 629 990 A1 ist eine Luftfeder mit einer Kammer bekannt, die ein unter Druck stehendes Gas enthält. Um die Federrate anzupassen, befindet sich in der Kammer eine festgelegte Menge eines adsorptiven Materials.
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Der Einsatz von Aktivkohle in einer Luftfeder erhöht die Luftmasse im eingeschlossenen Volumen und ermöglicht damit eine Bauteilauslegung mit geringerem Bauraumbedarf bei vergleichbaren Eigenschaften. Beim Einfedern werden mit abnehmendem Volumen und steigendem Druck mehr Luftmoleküle in der Aktivkohle gebunden, wodurch der Innendruck weniger stark ansteigt. Auf diese Weise ist eine weichere Federrate realisierbar.
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Für sportliche Fahrweise oder als auch Beladungsausgleich ist eine schaltbare Federrate wünschenswert. Die entsprechende Verhärtung der Feder wird derzeit durch ein mechanisches Abkoppeln von Luftvolumen erreicht. Eine weichere Federrate ist nur durch Zuschalten von Volumen mit dem damit verbundenen zusätzlichen Bauraumbedarf zu realisieren.
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Zum Höherstellen des Fahrzeugs für größere Bodenfreiheit oder als Beladungsausgleich wird mehr Luftvolumen in der Luftfeder benötigt. Diese Erhöhung des Luftvolumens wird durch Zuschalten eines Kompressors erreicht. Ein Kompressor verursacht akustische Störgeräusche und erhöht den Energieverbrauch, der durch Abgabe von Luft an die Umgebung zum Verringern der Bodenfreiheit des Fahrzeugs zusätzlich erhöht wird, da hier Energie in Form von Druckluft an die Umgebung abgegeben wird.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Luftfeder für ein Fahrzeug, bereitzustellen, die bei einfacher und kostengünstiger Herstellung und Montage einen energiesparenden Betrieb sowie eine Schaltbarkeit von Federrate der Luftfeder und Fahrzeughöhenstand aufweist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Somit erfolgt die Lösung der Aufgabe durch eine Luftfeder, die ein Adsorptionselement und einen Federkörper mit einem Luftvolumen umfasst. Das Adsorptionselement ist insbesondere außerhalb des Federkörpers und damit außerhalb des Luftvolumens angeordnet. Das Luftvolumen dient als Federelement und umfasst eine vordefinierte Luftmenge. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Adsorptionselement dem Luftvolumen zuschaltbar ist. Ebenso ist vorgesehen, dass das Adsorptionselement von dem Luftvolumen trennbar ist. Durch das Wegschalten des Adsorptionselements ist somit ein Wechsel zur progressiven Federkennung und harter Federrate möglich. Gleichzeitig erlaubt das Adsorptionselement die Bereitstellung eines hohen Zusatzvolumens an Luft, da das Adsorptionselement eingerichtet ist, Luft zu speichern. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Adsorptionselement eine Struktur mit großer Oberfläche aufweist, über die sich mittels Van-der-Waals-Kräfte Luftmoleküle anlagern können. Diese Luftmoleküle werden somit dem umgebenden Luftvolumen entzogen, sodass bei konstantem Druck durch das Adsorptionselement eine größere Luftmenge speicherbar ist, als in einem identischen Volumen ohne Adsorptionselement. Mit steigendem Druck werden mehr Luftmoleküle in dem Adsorptionselement adsorbiert.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Vorteilhafterweise weist die Luftfeder ein Ventil auf. Das Ventil ist insbesondere an dem Adsorptionselement angeordnet. Durch das Ventil ist das Adsorptionselement mit dem Luftvolumen verbindbar. Ebenso ist bevorzugt ermöglicht, dass durch das Ventil das Adsorptionselement von dem Luftvolumen trennbar ist. Durch einfaches Schalten des Ventils ist somit eine Federrate der Luftfeder einstellbar. Es ist ersichtlich, dass dies sehr energiesparend abläuft.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Adsorptionselement eine Heizvorrichtung aufweist. Über die Heizvorrichtung ist insbesondere eine adsorbierbare Luftmenge innerhalb des Adsorptionselementes einstellbar, sodass durch die Heizvorrichtung die gebundene Luftmenge im Adsorptionselement entweder dem Luftvolumen zugeschaltet oder von dem Luftvolumen getrennt wird. Ein Zuschalten wird insbesondere dadurch erreicht, dass das Adsorptionselement erhitzt wird, während ein Wegschalten durch Abkühlen des Adsorptionselements erreicht wird. Durch eine steigende Energiemenge innerhalb des Adsorptionselements aufgrund von Erhitzung durch die Heizvorrichtung verringern sich die Bindungen zwischen der Luft und dem Adsorptionselement. Damit kann weniger Luft gebunden werden.
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Die Heizvorrichtung umfasst bevorzugt zumindest eine Heizplatte und/oder einen Heizdraht. Bevorzugt wird die Aktivkohle selbst als Heizvorrichtung genutzt, wobei Spannung an der Aktivkohle angelegt wird. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Heizvorrichtung einen Mikrowellengenerator und/oder ein Wärmeleitelement. Mit dem Wärmeleitelement ist insbesondere Wärme von einer zusätzlichen Wärmequelle zu der Luftfeder leitbar. Die Wärmequelle kann insbesondere ein Motor eines Fahrzeugs sein.
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Die Luftfeder weist bevorzugt ein Zusatzventil auf, wobei das Zusatzventil vorteilhafterweise an dem Adsorptionselement angeordnet ist. Mit dem Zusatzventil ist bevorzugt eine Verbindung zwischen dem Adsorptionselement und einer Umgebung der Luftfeder herstellbar oder trennbar. Somit ist insbesondere Luft aus der Umgebung der Luftfeder in das Adsorptionselement aufnehmbar, sodass die aufgenommene Luft von dem Adsorptionselement in das Luftvolumen innerhalb des Federkörpers übertragbar ist.
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Besonders vorteilhaft ist das Adsorptionselement derart ausgebildet, dass es ein Zusatzventil und eine Heizvorrichtung umfasst. Auf diese Weise ist eine Kompressorfunktion durch das Adsorptionselement umsetzbar. Dabei wird zunächst das Zusatzventil zur Umgebungsluft geöffnet, um Luft in das Adsorptionselement aufzunehmen. Anschließend wird das Zusatzventil geschlossen und das Adsorptionselement erhitzt. Auf diese Weise wird die Luft aus dem Adsorptionselement freigesetzt und in das Luftvolumen innerhalb des Federkörpers übertragen. Somit steigt der Luftdruck innerhalb des Luftvolumens an. Besonders vorteilhaft ist auf diese Weise ein Ausfahren der Luftfeder realisierbar, wobei lediglich geringe Energie zum Erwärmen des Adsorptionselements durch die Heizvorrichtung benötigt wird. Somit ist Luft in das Luftvolumen einbringbar, wobei dies sehr energiesparend geschieht.
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Vorteilhafterweise ist das Adsorptionselement eingerichtet, Luft innerhalb eines gegebenen Bauteilvolumens zu adsorbieren. Auf diese Weise ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Luftmenge innerhalb dieses Bauteilvolumens ansteigt. Durch die Verwendung des Adsorptionselements ist bevorzugt vorgesehen, dass eine größere Luftmenge bei konstantem Druck innerhalb des Bauteilvolumens speicherbar ist, als in einem Bauteil identischer Größe ohne Adsorptionselement.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass eine Menge von in dem Adsorptionselement adsorbierter Luft bei steigendem Luftdruck ansteigt. Somit ist auch bei ansteigendem Luftdruck innerhalb des Bauteilvolumens eine größere Luftmenge speicherbar, als in einem Bauteil identischer Größe ohne Adsorptionselement.
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Das Adsorptionselement umfasst insbesondere Adsorptionsmaterial aus Aktivkohle. Alternativ oder zusätzlich ist das Adsorptionsmaterial aus Zeolith. In einer weiteren Ausführungsform ist das Adsorptionsmaterial bevorzugt Polyesterwatte und/oder Naturwolle und/oder Steinwolle auf. All diese Materialien weisen den Vorteil auf, dass sich Luft an der Oberfläche der entsprechenden Materialien durch Van-der-Waals-Kräfte adsorbieren lässt. Durch Einbringen dieser Materialien in ein vordefiniertes Volumen entsteht ein Adsorptionsvolumen, wobei innerhalb des Adsorptionsvolumens größere Luftmengen speicherbar sind als in dem ursprünglich vorhandenen Volumen.
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Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass das Adsorptionsvolumen vollständig mit dem Adsorptionsmaterial gefüllt ist. Dabei weist das Adsorptionselement lediglich das Adsorptionsvolumen auf, sodass das gesamte Adsorptionsvolumen des Adsorptionselements vollständig mit dem Adsorptionsmaterial gefüllt ist. Somit ist sichergestellt, dass innerhalb des Adsorptionselements eine maximale Luftmenge absorbierbar und damit der Luftfeder zur Verfügung stellbar ist.
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Das Adsorptionselement ist besonders vorteilhaft ein separates Bauteil. Insbesondere ist das Adsorptionselement an dem das Luftvolumen beinhaltenden Luftfederkörper angeordnet. Dabei weist das Adsorptionselement vorteilhafterweise ein eigenes Gehäuse auf, wobei das Gehäuse des Adsorptionselements durch ein Befestigungsverfahren an den Luftfederkörper gekoppelt ist. Besonders vorteilhaft ist somit das Adsorptionselement von dem Federkörper entfernbar.
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Der Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Berücksichtigung der beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine schematische Abbildung einer Luftfeder gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische Abbildung eines Adsorptionselements einer Luftfeder gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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3 eine schematische Abbildung eines Adsorptionselements einer Luftfeder gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt schematisch eine Luftfeder 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Luftfeder 1 umfasst einen Federkörper 9, in dem ein Luftvolumen 2 vorhanden ist. Das Luftvolumen 2 dient als Federelement für einen Zylinder 10. Auf diese Weise ist eine Luftfederung realisiert.
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Im ersten Ausführungsbeispiel weist die Luftfeder 1 ein Adsorptionselement 3 auf, das über ein Ventil 4 mit dem Luftvolumen 2 verbunden ist. Das Adsorptionselement 3 umfasst ein eigenes Gehäuse, das an den Federkörper 9 angebracht ist. Somit ist insbesondere das Adsorptionselement 3 austauschbar.
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Das Adsorptionselement 3 weist ein Adsorptionsvolumen auf, das von dem Gehäuse des Adsorptionselements 3 umschlossen ist. Das Adsorptionsvolumen ist vorteilhafterweise mit einem Adsorptionsmaterial 6 gefüllt, wobei das Adsorptionsmaterial 6 eine Vielzahl von mikroskopischen Hohlräumen besitzt. Auf diese Weise weist das Adsorptionsmaterial 6 eine große innere Oberfläche bezogen auf das Adsorptionsvolumen auf, sodass sich an dieser großen Oberfläche Luftmoleküle über Van-der-Waals-Kräfte anlagern und somit adsorbiert werden. Damit ist innerhalb des Adsorptionselements 3 eine größere Luftmenge speicherbar als in einem Volumen mit identischer Größe.
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Das Adsorptionselement 3 ist bevorzugt mit einer Aktivkohle und/oder mit Zeolithen und/oder mit Polyesterwatte und/oder mit Naturwolle und/oder Steinwolle gefüllt. Insbesondere ist das Adsorptionsvolumen vollständig mit einem oder mehreren der genannten Materialien gefüllt. Somit ist eine maximale Luftmenge innerhalb des Adsorptionselements 3 adsorbierbar, sodass eine große Luftmenge bei gleichzeitig minimierten Abmessungen des Adsorptionselements 3 innerhalb der Luftfeder 1 zur Verfügung steht.
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Um das Adsorptionselement 3 dem Luftvolumen 2 innerhalb des Federkörpers 9 zuzuschalten, wird das Ventil 4 geöffnet. In diesem Fall erhöht sich die innerhalb des Federkörpers 9 zur Verfügung stehende Luftmenge, die sich aus der Luftmenge innerhalb des Adsorptionsvolumens und der Luftmenge des Luftvolumens 2 zusammensetzt. Durch Öffnen und Schließen des Ventils 4 lassen sich somit zwei verschiedene Federraten der Luftfeder 1 umschalten. Bei geöffnetem Ventil 4 wirkt eine weiche Federrate, bei geschlossenem Ventil 4 wirkt eine harte Federrate. Insbesondere ist somit zwischen einer komfortablen Federung und einer sportlichen Federung wechselbar. Durch die Ansteuerung des Ventils 4 wird lediglich eine geringe Energiemenge zum Umschalten benötigt.
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2 zeigt ein Adsorptionselement 3 einer Luftfeder 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Federkörper 9 und das Luftvolumen 2 der Luftfeder 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind dabei identisch wie in 1. Lediglich das Adsorptionselement 3 ist unterschiedlich. In dem Adsorptionselement 3 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Heizvorrichtung 7 vorhanden, die zumindest eine Heizplatte umfasst. Außerdem ist eine Isolierung 8 vorhanden, die das Adsorptionselement 3 zumindest teilweise umgibt.
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Über die Heizvorrichtung 7 ist das Adsorptionsvolumen des Adsorptionselements 3 aufheizbar. Das Adsorptionsvolumen des Adsorptionselements 3 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist identisch dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Durch das Aufheizen des Adsorptionsvolumens wird eine Energiemenge innerhalb des Adsorptionsvolumens erhöht. Somit verringern sich die Bindungen zwischen der Luft und dem Adsorptionselement 3. Auf diese Weise ist innerhalb des Adsorptionsvolumens weniger Luft gebunden, sodass mehr freie Luftmoleküle an das Luftvolumen 2 abgegeben werden. Das Aufheizen des Adsorptionsvolumens führt daher zu einem Ausfahren der Luftfeder 1. Ein Abschalten der Heizvorrichtung 7 führt im umgekehrten Fall zu einem Einfahren der Luftfeder 1. Durch geringe Energiemengen, die zum Heizen des Adsorptionsvolumens benötigt werden, sind somit verschiedene Höhenniveaus der Luftfeder 1 einstellbar.
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Als Alternative zu den Heizplatten kann die Heizvorrichtung 7 auch einen Mikrowellengenerator oder ein Wärmeleitelement umfassen. Das Wärmeleitelement kann insbesondere Abwärme von Bremsen oder Motor eines Fahrzeugs zu dem Adsorptionsvolumen leiten.
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Besonders vorteilhaft ist das erste Ausführungsbeispiel mit dem zweiten Ausführungsbeispiel kombinierbar. Somit kann nach einem Ausfahren der Luftfeder 1 durch das Erhitzen mittels der Heizvorrichtung 7 das Ventil 4 geschlossen werden. Auf diese Weise ist das Höhenniveau haltbar, während die Heizvorrichtung 7 abschaltbar ist. Durch Öffnen des Ventils 4 kann die sich innerhalb des Federkörpers 9 befindliche Luft von dem Adsorptionselement 3 absorbiert werden. Somit kann unkompliziert und schnell zwischen zwei Einfederzuständen umgeschaltet werden. Durch Öffnen und Schließen des Ventils 4 ohne Veränderung der Temperatur innerhalb des Adsorptionselements 3 können, wie zuvor beschrieben, zwei unterschiedliche Federraten realisiert werden.
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3 zeigt ein Adsorptionselement 3 einer Luftfeder 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wiederum sind Luftvolumen 2, Federkörper 9 und Kolben 10 der Luftfeder 1 identisch wie im ersten Ausführungsbeispiel. Lediglich das Adsorptionselement 3 ist verschieden.
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In dem dritten Ausführungsbeispiel weist das Adsorptionselement 3 neben dem Ventil 4 ein Zusatzventil 5 auf. Außerdem weist das Adsorptionselement 3 eine Heizvorrichtung 7 und eine Isolierung 8 auf. Mit dem Heizelement 7 ist das Adsorptionsvolumen des Adsorptionselements 3 aufheizbar, die Isolierung 8 umgibt das Adsorptionselement 3 zumindest teilweise, um so Wärmeverluste des Adsorptionselement 3 zu vermindern.
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Mit dem Adsorptionselement 3 der Luftfeder 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist eine Kompressorfunktion realisierbar. So ist zunächst das Zusatzventil 5 zu öffnen, sodass Luft in das Adsorptionselement 3 aufgenommen wird. Sobald das Adsorptionselement 3 einen maximalen Luftmengenbetrag adsorbiert hat, wird das Zusatzventil 5 geschlossen. Anschließend wird das Ventil 4 geöffnet, um so das Adsorptionsvolumen mit dem Luftvolumen 2 zu koppeln. Gleichzeitig oder anschließend wird die Heizvorrichtung 7 aktiviert, sodass das Adsorptionsvolumen erhitzt wird. Wie zuvor beschrieben, wird auf diese Weise ein erhöhtes Volumen an Luft freigesetzt, wodurch sich des Luftvolumen 2 innerhalb des Federkörpers 9 erhöht.
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Bei Erreichen eines Abgabemaximums wird das Ventil 4 geschlossen. Ebenso wird das Adsorptionselement 3 durch Abschalten der Heizvorrichtung 7 abgekühlt. Durch Öffnen des Zusatzventils 5 ist das Adsorptionselement 3 erneut mit Umgebungsluft füllbar, sodass der beschriebene Prozess erneut beginnen kann.
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Es ist ersichtlich, dass auf diese Weise sehr einfach eine Kompressorfunktionalität realisiert ist. Dabei wird mit Ausnahme von Energie für das Schalten des Ventils 4 und des Zusatzventils 5 lediglich Energie zum Betreiben der Heizvorrichtung 7 benötigt. Somit ist die Luftfeder 1 sehr energiesparend betreibbar, wobei gleichzeitig Luft aus der Umgebung in das Luftvolumen 2 der Luftfeder gepumpt werden kann.
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In einer Alternative ist die Verwendung von mehreren Zusatzventilen 5 möglich. In einer anderen Alternative ist die Verwendung von mehreren Adsorptionselementen 3 an einem Federkörper 9 möglich, sodass zwischen mehreren Federraten umschaltbar ist, indem eines, zwei oder keines der Ventile 4 geöffnet ist. Schließlich ist in einer weiteren Alternative die Verwendung von einem Adsorptionselement 3 zur Verteilung einer zusätzlichen Luftmenge an mehrere Federkörper 9 möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftfeder
- 2
- Luftvolumen
- 3
- Adsorptionselement
- 4
- Ventil
- 5
- Zusatzventil
- 6
- Adsorptionsmaterial
- 7
- Heizvorrichtung
- 8
- Isolierung
- 9
- Federkörper
- 10
- Kolben
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2759733 A1 [0002]
- EP 2629990 A1 [0003]
