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Die Erfindung betrifft eine Luftfedereinheit für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Luftfedereinheit weist einen hohlen Abrollkolben und einen Rollbalg auf, wobei das Innere des Rollbalgs variabel mit Druckluft füllbar und unter Ausbildung einer Rollfalte an der Außenseite des Abrollkolbens abrollbar ist.
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Eine solche Luftfedereinheit kann als stufenlos variabel arbeitende Luftfedereinheit betrieben werden. Derartige Luftfederungsysteme für Kraftfahrzeuge bieten eine Vielzahl von Funktionalitäten, um die Fahreigenschaften des Fahrzeugs zu verbessern. Dabei werden in solchen Systemen beispielsweise Luftfedern eingesetzt, die einen Rollbalg aufweisen, in den Luft eingeschlossen ist. Dieser Rollbalg ist mit einem Deckel und einem Abrollkolben luftdicht verbunden. Der Rollbalg ist über den Abrollkolben gestülpt und kann unter Druck auf diesem abrollen. Eine solche Luftfeder wird durch einen Kompressor mit Druckluft versorgt. Abhängig von der Beladung des Kraftfahrzeugs wird Luft in den Rollbalg zu- oder abgepumpt, um die Federeigenschaften und auf diese Weise auch die Niveaulage des Fahrzeugs konstant zu halten.
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Eine solche Luftfeder ist beispielsweise aus der
DE 10 2013 203 396 A1 bekannt. Ferner offenbart beispielsweise die
US 8,899,603 B2 eine ähnliche Luftfeder, bei der jedoch zwei Balge vorgesehen sind. Der zugehörige Abrollkolben weist einen ersten zylinderförmigen Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf, in dem der Durchmesser des Abrollkolbens nach unten hin trichterförmig reduziert ist. Der Durchmesser des zylinderförmigen Abschnitts ist jedoch in axialer Richtung gesehen in seinem mittleren Bereich ebenfalls lokal reduziert. Ein erster Hauptrollbalg ist auf übliche Weise luftdicht an der oberen Seite des Abrollkolbens angebracht. Ein zweiter, schlauchförmiger Balg umgibt den Abrollkolben und ist mit seinen offenen Schlauchenden luftdicht an der oberen Seite des Abrollkolbens und am unteren Ende des zylinderförmigen Abschnitts des Abrollkolbens angebracht. So wird ein erstes Volumen V1 zwischen der Außenwand des Abrollkolbens und der Innenseite des schlauchförmigen Balgs gebildet. Durch den ersten Hauptrollbalg wird ein Volumen V2 definiert. Beiden Volumina V1 und V2 kann getrennt voneinander Druckluft zugeführt werden.
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Dabei kann der Hauptrollbalg außen entlang des zweiten Balgs auf dem Abrollkolben abrollen.
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Die
US 9,193,239 B2 offenbart hingegen eine Luftfedervorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Luftfeder der beschriebenen Art, wobei der untere Bereich eines zylinderförmigen Abrollkolbens in einem ebenfalls zylindrischen Lagertopf axial beweglich aufgenommen ist. Der Abrollkolben ist innerhalb dieses Lagertopfes durch eine Schraubenfeder axial beweglich gegenüber dem Lagertopfboden abgestützt. Zudem ist der Abrollkolben durch ein Radiallager an der Lagertopfinnenwand gehalten.
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Aus der
DE 10 2011 003 151 A1 ist eine Luftfeder mit Rollbalg bekannt, deren Abrollkolben aus einer Struktur mit mehreren Abschnitten unterschiedlicher Ausformung gebildet ist. Ein oberer Abschnitt ist dabei zylinderförmig mit einer Wand mit konstanter Wandstärke ausgebildet, während der untere Abschnitt durch einen doppelwandigen Hohlkörper gebildet ist, dessen Innen- und Außendurchmesser in axialer Richtung variiert. Die
US 2015/0210138 A1 beschreibt eine Luftfeder mit einem ähnlich ausgebildeten Abrollkolben.
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Die
WO 2013/007527 A1 beschreibt eine Luftfeder mit einem Abrollkolben, der ebenfalls einen oberen zylinderförmigen Abschnitt aufweist, dessen Durchmesser sich jedoch nach unten hin verjüngt. Aus der
DE 10 2011 086 415 A1 ist eine Luftfeder mit einem Abrollkolben bekannt, dessen Querschnitt in axialer Richtung verschiedene Durchmesser, Wandstärken und Geometrien aufweist. Die
US 8,967,648 B2 offenbart eine kontinuierliche Kraftsteuerung zur Doppelluftfederkonfigurierung.
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Diese Arten von Luftfedereinheiten weisen jedoch eine Vielzahl von Bauteilen auf, die montiert werden müssen, so dass die Luftfedern oftmals aufwendig zu fertigen sind. Ferner sind sie relativ schwer und die Geometrien von einigen Abrollkolben sind sehr komplex.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet der Bereich der Luftfedereinheiten für Kraftfahrzeuge daher noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine relativ leichte Luftfedereinheit bereitzustellen, die möglichst wenige Bauteile aufweist und einfach zu fertigen ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Luftfedereinheit für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen 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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Die erfindungsgemäße Luftfedereinheit weist einen hohlen Abrollkolben und einen Rollbalg auf, wobei das Innere des Rollbalgs variabel mit Druckluft füllbar und unter Ausbildung einer Rollfalte an der Außenseite des Abrollkolbens abrollbar ist. Auf diese Weise kann dem Rollbalg stufenlos variabel Luft zu- und abgeführt werden, um beispielsweise in Abhängigkeit von der Beladung des Kraftfahrzeugs die Federeigenschaften der Luftfeder anzupassen. Die Luftfeder ist dazu zwischen der Karosserie und einem Element einer Radaufhängung montiert.
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Erfindungsgemäß ist das Innere des Abrollkolbens ebenfalls variabel mit Druckluft füllbar, wobei wenigstens eine Seitenwand des Abrollkolbens bei dieser Druckluftbeaufschlagung elastisch verformbar ist. Die elastische Verformung erfolgt dabei in einer Richtung quer zur Längsachse der Luftfedereinheit.
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So kann nicht nur dem Rollbalg, sondern auch dem Abrollkolben stufenlos variabel Luft zu- und abgeführt werden, wodurch dieser ebenfalls zur Anpassung von Federeigenschaften der Luftfedereinheit genutzt werden kann. Verglichen mit anderen stufenlos variabel arbeitenden Luftfedereinheiten ist die erfindungsgemäße Luftfedereinheit dabei weniger komplex aufgebaut. Neben den zwei Elementen Rollbalg und Abrollkolben kann ein ergänzender Luftfederdeckel ausreichend sein, um den Rollbalg im Bereich des Anschlusses zur Karosserie zu verschließen. Das andere Ende des schlauchförmigen Rollbalgs wird durch den Abrollkolben verschlossen. Damit wären lediglich drei Elemente erforderlich, die einfach zu montieren sind. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Rollbalg dann luftdicht zwischen einem Luftfederdeckel und dem Abrollkolben eingespannt.
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Die Geometrie des Abrollkolbens kann einfach ausgeführt sein, um bei Druckbeaufschlagung von innen eine elastische Verformung wenigstens einer Seitenwand verwirklichen zu können. Die einfache Bauweise der Luftfedereinheit ermöglicht geringe Fertigungskosten, geringe Stückkosten und geringe Materialkosten. Ferner ist die erfindungsgemäße Luftfedereinheit wesentlich leichter als bekannte Luftfedereinheiten.
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Um eine elastische Verformung einer Seitenwand des Abrollkolbens zu unterstützen, kann die Wandstärke dieser elastisch verformbaren Seitenwand bereichsweise reduziert sein. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Abrollkolben zylinderförmig durch eine Deckplatte und eine gegenüber liegende Bodenplatte gebildet, die durch eine umlaufende Seitenwand miteinander verbunden sind. Um dem Innern des Abrollkolbens Luft zu- und abführen zu können, kann wenigstens ein pneumatischer Anschluss innerhalb der Bodenplatte des Abrollkolbens vorgesehen sein.
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Die Wandstärke der Seitenwand ist dabei zwischen den Bereichen nahe der Deckplatte und der Bodenplatte, also in einem Mittelbereich zumindest bereichsweise reduziert. Die Wandstärke in den Bereichen nahe der Deckplatte und der Bodenplatte ist somit größer als in einem Abschnitt zwischen diesen Bereichen. Auf diese Weise kann sich die Seitenwand bei einer Druckbeaufschlagung nach außen wölben, wobei der Abrollkolben bei höheren Drücken quasi die Form eines Fasses annimmt. Die Verformung der Seitenwand hängt dabei vom Druckniveau im Innern des Abrollkolbens und der Wanddickenvariation der Seitenwand ab.
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Beispielsweise kann die Seitenwand die geringste Wandstärke x etwa in der Mitte zwischen der Deckplatte und der Bodenplatte des Abrollkolbens aufweisen. Die reduzierte Wandstärke kann jedoch auch etwas außerhalb der Mitte vorgesehen sein. Beträge für die reduzierte Wandstärke können insbesondere zwischen 2 mm und 10 mm liegen, während die maximale Wandstärke in anderen Abschnitten der Seitenwand zwischen 5 mm und 20 mm liegen kann.
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Die bereichsweise Reduzierung der Wandstärke der Seitenwand kann durch eine Verringerung des Außendurchmessers und eine gleichzeitige Vergrößerung des Innendurchmessers des Abrollkolbens in einem gemeinsamen Abschnitt erreicht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch nur der Innendurchmesser des Abrollkolbens in einem Abschnitt erhöht. In dieser Ausführungsform weist die umlaufende Seitenwand dann ohne eine innere Druckbeaufschlagung des Abrollkolbens zwischen der Deckplatte und der Bodenplatte einen konstanten Außendurchmesser auf und ist somit zylindrisch. Der Innendurchmesser zwischen den Bereichen nahe der Deckplatte und der Bodenplatte ist hingegen bereichsweise erhöht, wodurch die Wandstärke in diesem Bereich reduziert ist.
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Vorzugsweise ist die bereichsweise Reduzierung der Wandstärke stufenlos ausgebildet. Es handelt sich somit nicht um eine lokale umlaufende Nut, sondern die Innenfläche der Seitenwand ist insgesamt nach außen gewölbt. Dabei können verschiedene geeignete Wölbungskurven verwendet werden. In einer Ausführungsform der Erfindung verläuft die Innenfläche der Seitenwand von der Deckplatte und der Bodenplatte ausgehend zunächst parallel zur Außenfläche der Seitenwand, bevor die Wölbung nach außen beginnt.
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Der Abrollkolben kann aus einem einzigen Material oder verschiedenen Materialien gefertigt sein. Beispielsweise kann die Seitenwand aus einem anderen Material gefertigt sein als die Deckplatte und die Bodenplatte. Es kann jedoch auch nur ein einziges Material mit verschiedenen Dicken verwendet werden. In einer Ausführungsform der Erfindung kann wenigstens die Seitenwand des Abrollkolbens aus einem Kunststoff gebildet sein. Dieser Kunststoff ist idealer Weise elastisch verformbar. Beispielsweise kann hierzu Polyamid verwendet werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Luftfedereinheit,
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2 einen schematischen Querschnitt durch eine Luftfedereinheit gemäß der 1 mit geringem Druck im Abrollkolben, und
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3 einen schematischen Querschnitt durch eine Luftfedereinheit gemäß der 1 mit höherem Druck im Abrollkolben.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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Die schematische Seitenansicht gemäß der 1 zeigt eine Luftfedereinheit 1 mit einem schlauchförmigen Rollbalg 2 und einem Abrollkolben 3. Diese Luftfedereinheit 1 ist zwischen der Karosserie und einem Element einer Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Das obere Ende der Luftfedereinheit 1 ist beispielsweise fest mit der Karosserie bzw. einem Hilfsrahmen 4 verbunden. Das untere Ende ist dann fest mit einem Element 5 der zugehörigen Radaufhängung verbunden. Bei diesem Element 5 kann es sich beispielsweise um einen Radträger oder einen Querlenker handeln.
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Das obere Ende des Rollbalgs 2 ist an einem oberen Luftfederdeckel 7 angebracht. Der Luftfederdeckel 7 ist dem schematischen Querschnitt der 2 zu entnehmen. Dies erfolgt typischerweise mittels eines Crimprings 6. Das obere Schlauchende des Rollbalgs 2 ist dann zwischen dem Crimpring 6 und dem Luftfederdeckel 7 eingespannt, wobei der Crimpring 6 beispielsweise wie bei der Ausführungsform der 2 außen liegen kann. Der Luftfederdeckel 7 ist wiederum mit der Karosserie bzw. einem Hilfsrahmen verbunden. Unter Crimpen ist im Sinne der Erfindung ein Fügeverfahren zu verstehen, bei dem zwei Komponenten durch plastische Verformung miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Bördeln, Quetschen, Kräuseln oder Falten. Beispielhaft ist eine Crimpverbindung beschrieben. Es liegt selbstverständlich im Sinne der Erfindung andere geeignete Verbindungsarten zu wählen, z.B. eine Klemmverbindung oder anderes.
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Das untere Ende des Rollbalgs 2 ist an dem Abrollkolben 3 angebracht. Dies erfolgt über einen weiteren Crimpring 8. Dieser Crimpring 8 kann wie bei der Ausführungsform der 2 im Innern des Rollbalgs 2 liegen und das untere Schlauchende des Rollbalgs 2 zwischen dem oberen Ende des Abrollkolbens 3 und dem Crimpring 8 einspannen. Dabei wird der Rollbalg 2 zuvor nach innen umgestülpt. So bildet sich im flexiblen Rollbalg 2 eine Rollfalte 21 aus, die an der Außenseite des Abrollkolbens 3 abrollen kann. Auch diesbezüglich ist lediglich beispielhaft eine Crimpverbindung beschrieben. Es liegt selbstverständlich im Sinne der Erfindung andere geeignete Verbindungsarten zu wählen, z.B. eine Klemmverbindung oder anderes.
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Der Druck innerhalb des Rollbalgs 2 wird eingestellt, indem dem umgrenzten Bereich des Balgvolumens 9 Luft zu- und abgeführt wird. Hierzu wird ein pneumatischer Anschluss 10 verwendet. Dieser befindet sich vorzugsweise im Bereich des oberen Luftfederdeckels 7. Die Druckluft kann dabei durch den Luftfederdeckel 7 und auch durch einen Abschnitt der Karosserie bzw. des Hilfsrahmens 4 geleitet werden. Die mit dem Anschluss 10 verbundene Druckluftversorgung beispielsweise mit einem Kompressor ist in den Figuren nicht gezeigt, kann jedoch vom Fachmann auf verschiedene geeignete Arten ausgeführt werden.
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Bei dem Abrollkolben 3 handelt es sich um ein hohles Element. Dieses ist beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial geformt und weist eine obere Deckplatte 31, eine untere Bodenplatte 32 und eine im Wesentlichen zylindrische Seitenwand auf. Dem umgrenzten Raum in Form des Kolbenvolumens kann ebenfalls Luft zu- und abgeführt werden. Dies erfolgt über einen pneumatischen Anschluss 12 für den Abrollkolben. Dieser Anschluss 12 liegt im Bereich der unteren Bodenplatte 32. Die Druckluft kann dabei durch die Bodenplatte 32 und auch durch einen Abschnitt des Radträgers bzw. Lenkers 5 geleitet werden. Die mit dem Anschluss 12 verbundene Druckluftversorgung ist in den Figuren ebenfalls nicht gezeigt, kann jedoch vom Fachmann auf verschiedene geeignete Arten ausgeführt werden.
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Die Deckplatte 31 und die Bodenplatte 32 des Abrollkolbens 3 sind rund und haben vorzugsweise eine konstante Wandstärke. Die zylindrische Seitenwand 33 des Abrollkolbens 3 hat hingegen eine veränderliche Wandstärke. Wenigstens diese Seitenwand ist aus einem Kunststoff gefertigt. Die Bereiche in der Nähe der Deckplatte 31 bzw. der Bodenplatte 32 sind dabei dicker ausgeführt als ein Bereich weiter entfernt von der Deckplatte 31 bzw. der Bodenplatte 32. Beispielsweise kann die Seitenwand 33 in axialer Z-Richtung gesehen etwa in der Mitte des Abrollkolbens 3 verjüngt sein. Die Verjüngung kann jedoch auch näher an der Deckplatte 31 oder der Bodenplatte 32 vorgesehen sein. Die Dicke x in diesem Bereich kann zwischen 2 mm und 10 mm liegen, während die größere Dicke X im Bereich der Deckplatte 31 und der Bodenplatte 32 beispielsweise zwischen 5 mm und 20 mm liegen kann.
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Die Seitenwand 33 des Abrollkolbens 3 kann je nach Druckbeaufschlagung verschiedene Zustände bzw. Formen annehmen, welche im Folgenden mit den Bezugszeichen 33a und 33b beschrieben werden. In 2 ist der Abrollkolben 3 in einem ersten Druckzustand gezeigt, in dem geringer Druck im inneren Kolbenvolumen 11a vorliegt. Die Seitenwand 33 des Abrollkolbens 3 ist in diesem Zustand 33a unverformt, und die Außenseite 34 der Seitenwand 33 ist zylindrisch. Der Außendurchmesser des Abrollkolbens 3 ist somit über seine Länge im Wesentlichen konstant. In 2 ist dieser Zustand der Außenseite 34 mit dem Bezugszeichen 34a bezeichnet.
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3 zeigt den Abrollkolben 3 hingegen in einem Zustand, in dem relativ hoher Druck im nun vergrößerten Kolbenvolumen 11b vorliegt. Die Außenseite 34 der Seitenwand 33 des Abrollkolbens 3 ist in diesem Zustand 33b nicht mehr zylindrisch, sondern sie ist durch den Innendruck nach außen gewölbt. In 3 ist dieser Zustand der Außenseite 34 mit dem Bezugszeichen 34b bezeichnet. Der Außendurchmesser des Abrollkolbens 3 ist somit über seine Länge nicht mehr konstant. Der Abrollkolben 3 hat in diesem Zustand quasi eine Fassform, d. h. die Seitenwand 33 wölbt sich nach außen. Die Seitenwand 33 ist dabei in eine Richtung elastisch nach außen gewölbt, die quer zur Längsachse A der Luftfedereinheit verläuft, d.h. in X-Richtung. Die Deckplatte 31 und die Bodenplatte 32 sind dabei vorzugsweise so ausgeführt, dass diese sich nicht verformen.
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Die Formveränderung der Außenseite 34, also 34a/34b der zylindrischen Seitenwand 33, also 33a/33b ist dabei eine Funktion des Drucks der Luft in dem Volumen 11a/11b innerhalb des Abrollkobens 3 und der Wandstärkenveränderung der zylindrischen Seitenwand 33, also 33a/33b. Die Formveränderung ist also stufenlos zwischen zwei Extremzuständen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftfedereinheit
- 2
- Rollbalg
- 21
- Rollfalte
- 3
- Abrollkolben
- 4
- Karosserie, Hilfsrahmen
- 5
- Radträger, Lenker
- 6
- Crimpring
- 7
- Luftfederdeckel
- 8
- Crimpring
- 9
- Balgvolumen
- 10
- Pneumatischer Anschluss für Rollbalg
- 11a
- Kolbenvolumen im ersten Druckzustand
- 11b
- Kolbenvolumen im zweiten Druckzustand
- 12
- Pneumatischer Anschluss für Abrollkolben
- 31
- Deckplatte
- 32
- Bodenplatte
- 33
- Seitenwand
- 34
- Außenseite
- 33a
- Seitenwand im ersten Druckzustand
- 34a
- Außenseite des Abrollkolbens im ersten Druckzustand
- 33b
- Seitenwand im zweiten Druckzustand
- 34b
- Außenseite des Abrollkolbens im zweiten Druckzustand
- A
- Längsachse der Luftfedereinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013203396 A1 [0003]
- US 8899603 B2 [0003]
- US 9193239 B2 [0005]
- DE 102011003151 A1 [0006]
- US 2015/0210138 A1 [0006]
- WO 2013/007527 A1 [0007]
- DE 102011086415 A1 [0007]
- US 8967648 B2 [0007]
