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Die Erfindung betrifft eine Luftfederung mit mehreren Luftfederelementen zwischen einer gefederten und einer ungefederten Masse, bzw. zwischen einer gefederten Masse und einem Fundament, wobei jedes der Luftfederelemente mit einem Arbeits- oder Federraum versehen ist, welcher im Wesentlichen durch ein Anschlussteil zur gefederten Masse, ein Anschlussteil zur ungefederten Masse oder zum Fundament und einem zwischen oberen und unteren Anschlussteil angeordneten Luftfederbalg aus elastomerem Material gebildet ist. Oft ist dabei das Anschlussteil zur gefederten Masse als Deckel ausgebildet und oben, d.h. oberhalb des Luftfederbalgs angeordnet und weist die Luftanschlüsse und Ventile zum Betrieb auf, während das Anschlussteil zur ungefederten Masse oder zum Fundament sich unten befindet und als Boden des Arbeits- oder Federraums dient.
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Luftfederungen werden nicht nur in Industrieanwendungen benötigt, beispielsweise zur Lagerung von Maschinenfundamenten, sondern in besonderem Maße auch als Fahrwerksfederungen in jedweden Fahrzeugen. So dienen heute zum Beispiel sowohl in Lastkraftwagen (LKW) und Omnibussen als auch in Personenkraftwagen (PKW) Luftfedern als Federungselemente und sorgen für eine sichere Straßenlage und ein komfortables, angenehmes Fahrgefühl.
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Eine Luftfederung in einem LKW dient nicht nur der Schonung empfindlicher Transportgüter, des Fahrzeugaufbaues und der Armaturen durch niedrige Eigenfrequenz, sondern erlaubt auch zum Erhalt einer sicheren Straßenlage das Heben und Senken des Fahrzeugaufbaues entsprechend der Beladung oder auch das Heben und Senken zum Be- und Entladen mittels Zusatzfunktionen in der Regeleinrichtung. Zudem schonen Luftfedern die Straßen durch niedrige Eigenfrequenzen.
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Eine Luftfederung in einem PKW wird oft in Form von Luftfederbeinen aufgebaut und kann je nach Straßenverhältnissen sogar individuell zwischen einem „weichen“ und „harten“ Federungsverhalten angepasst werden. So dienen Federbeine mit Luftfedern heute in Personenkraftwagen als besonders komfortable Federungselemente und sorgen für ein angenehmes Fahrgefühl.
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Bei luftgefederten Fahrwerken kann die Dämpfung mit einem Hydraulikdämpfer erfolgen, welcher bei PKW in Fahrwerken mit Luftfeder-Dämpfer-Systemen oft zentrisch im Federbein angeordnet ist. Die Dämpfung kann aber auch pneumatisch erfolgen, etwa durch Drosselung von Luftströmungen zwischen dem Luftfederinnenraum als Arbeits- und Federraum und einem Ausgleichsraum. Hierzu ist es bekannt, Zusatzvolumina zu verwenden, um die Kennung der Federung zu verändern. Dabei wird bei bestimmten Fahrsituationen über schaltbare Strömungsventile das Zusatzvolumen zu- oder abgeschaltet und damit die Federkennung „weich oder hart“ eingestellt.
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Es ist weiter bekannt, dass ein über eine Drosseleinrichtung an den Luftfederinnenraum angebundenes Zusatzvolumen die im System erzeugte pneumatische Dämpfung vergrößern kann. Natürlich ist hierbei ein gegenüber dem Luftfederinneraum möglichst großes Zusatzvolumen vorteilhaft. Separat angeordnete Zusatzvolumina, wie sie etwa in Form von Kugelspeichern bekannt sind, müssen jedoch als zusätzliche Bauteile im Fahrwerksbereich untergebracht werden und benötigen daher ebenfalls zusätzlichen Bauraum im Radhaus, der oft nicht vorhanden ist, auch bei mittlerweile recht kompakt konstruierten LKW.
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Bei Anwendungen im PKW und den dort üblichen so genannten radführenden Federbeinen, etwa den McPherson Federbeinen, ist der Bauraum schon dadurch eine einschränkende Größe, dass diese Federbeine recht große Bewegungen relativ zur Karosserie durchführen.
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Zudem sind zur Verbindung solcher separater Zusatzvolumina weitere Luftleitungen erforderlich, womit der Montageaufwand erhöht wird. Auch bei Lösungen, bei denen zuschaltbare Zusatzvolumina etwa im Kolben eine LKW-Luftfeder vorgesehen sind, erfordern relativ komplizierte Konstruktionen.
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Eine Luftfederung mit einem zuschaltbaren Volumen ist beispielsweise aus der
DE 197 10 399 C2 bekannt, bei der die Verbindung einer Luftfeder zu einem Zusatzvolumen in Abhängigkeit von dem Druck in der Luftfeder bzw. innerhalb des Zusatzvolumens bei geringen Drücken geöffnet werden kann, jedoch bei hohen Druckdifferenzen eine schlagartige Öffnung zu verhindern ist. Dabei ist zwar grundsätzlich erkennbar, dass jeder Luftfeder ein solches schaltbares Zusatzvolumen zugeordnet ist, jedoch ist dessen genaue konstruktive Anordnung und Auslegung nicht beschrieben.
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Die
DE OS 2 324 979 offenbart ein Fahrwerk mit einer Höhenverstelleinrichtung für überschwere Arbeitsgeräte, bei denen der Achsschenkel in seiner Höhe zum Untergestell pneumatisch oder hydraulisch angehoben oder abgesenkt werden kann. Eine Kombination der Höhenverstelleinrichtung mit einer Luftfederung oder hydropneumatischen Federung ist dort zwar aufgabenhaft angesprochen, jedoch im Einzelnen nicht näher offenbart.
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Die
DE 103 30 198 A1 zeigt ein Federsystem für ein Fahrzeug, bei dem eine Luftfeder-Dämpfer-Einheit mit einem Zusatzvolumen versehen ist, welches zur Änderung der dynamischen Eigenschaften bzw. Federsteifigkeit über eine Membran mit Hilfe einer auf der anderen Seite der Membran befindlichen Flüssigkeit hydraulisch unter Druck gesetzt werden kann. Hier wird also ein Art hydropneumatischer Federung bereitstellt. Die hier gezeigte Art der Luftfederung/Luftdämpfung ist jedoch kompliziert aufgebaut und erfordert viele Bauteile.
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Die
US2014167337 A1 offenbart eine Luftfeder, bei der Volumen eines Abrollkolbens über Drosselquerschnitte an den Luftfederinnenraum angebunden ist, um Federvorgänge zu bedämpfen.
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Für die Erfindung bestand daher die Aufgabe, eine Luftfederung mit pneumatischer Dämpfung bereitzustellen, die auf einfache Weise eine höhere Dämpfungswirkung erzielen kann, als es mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen möglich ist. Die Luffederung soll weiterhin im Hinblick auf das Baumaß, also das so genannte „Packaging“ möglichst wenig Bauraum benötigen, was insbesondere bei der Verwendung in Fahrzeugen wichtig ist, einfach zu montieren sein und möglichst wenige zusätzliche Elemente neben der eigentlichen Federung benötigen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen, insbesondere in der Anwendung bei Fahrzeugen, sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Dabei ist der Arbeits- oder Federraum mindestens eines Luftfederelements über eine Luftleitung mit dem Arbeits- oder Federraum mindestens eines weiteren Luftfederelements so verbunden, das mindestens einer der Arbeits- oder Federräume als Ausgleichsraum für den oder die jeweils anderen Arbeits- oder Federräume dient. Dabei ist die Verbindung so gestaltet, dass der bei einer Relativbewegung zwischen den Luftmassen der Volumina der über eine Luftleitung verbundenen Arbeits- oder Federräume vorhandene bzw. beim Volumenausgleich entstehende Luftstrom/Massenstrom zur Dämpfung der Federbewegung mindestens eines Arbeits- oder Federraums nutzbar ist. Die Dämpfung entsteht vorzugsweise durch Drosselung in der Leitung, entweder durch einen entsprechend ausgebildeten Luftleitungsquerschnitt allein oder mit Hilfe einer feststehenden oder einstellbaren, d.h. steuer- oder regelbaren separaten Drossel oder Blende im Strömungsquerschnitt.
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Selbstverständlich können in der Verbindungsleitung Ventile/Ventilschaltungen und Bypass-Leitungen vorgesehen sein, über die die Dämpfung und die Drosselfunktion in Anpassung auf den jeweiligen Anwendungsfall in beliebiger Weise beeinflusst werden kann.
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Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Luftfederungen besteht natürlich darin, dass eine Luftdämpfung mit einem beliebig großen und je nach Anwendungsfall anpassbaren Ausgleichsvolumen zur Verfügung steht, welches keinerlei zusätzlich Speichergefäße zur Bereitstellung dieses Ausgleichsvolumens erfordert. Dadurch, dass die Luftfedern miteinander verbunden sind und deren Arbeits- oder Federräume wechselseitig als „Ausgleichsvolumina/Ausgleichsgefäße“ zur Verfügung stehen, wird nicht nur der Bauraum für ansonsten erforderliche Ausgleichsgefäße gespart, sondern es vereinfachen sich z.B. auch die Leitungsführung, die Schalteinrichtungen und die Wartung für das gesamte System, was letztlich auch erhebliche Kostenvorteile mit sich bringt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung im Rahmen einer Fahrzeugluftfederung mit mehreren Luftfederelementen an einer oder mehreren Achsen eines Fahrzeugs besteht darin, dass, jedes der Luftfederelementen mit einem Arbeits- oder Federraum versehen ist, welcher durch mindestens einen als Luftfederdeckel ausgebildetes oberes Anschlussteil zur Karosserie des Fahrzeugs, ein unteres mit dem Fahrwerk verbundenes Anschlussteil und einem zwischen Luftfederdeckel und unterem Anschlussteil angeordneten Luftfederbalg aus elastomerem Material gebildet ist. Die Luftleitung zwischen den verbundenen Arbeits- oder Federräumen weist dabei eine Drossel auf, durch die ein zwischen den Volumina der Arbeits- oder Federräume entstehender Luftstrom drosselbar und zur Dämpfung der Federbewegung mindestens eines Arbeits- oder Federraums nutzbar ist.
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Gerade in Fahrzeugen, wie zum Beispiel bei Lastkraftwagen, ist die Einsparung von zusätzlichen gewichtsbelasteten Elementen aus Energiespargründen besonders wichtig. Dadurch, dass kein zusätzlicher Lufttank bzw. kein zusätzliches Ausgleichsgefäß/kein zusätzlicher separater Ausgleichsraum erforderlich wird, vereinfacht sich das gesamte Luftfeder-und Dämpfersystem.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Luftleitung zwischen den verbundenen Arbeits- oder Federräumen eine veränderbare, vorzugsweise steuerbare oder regelbare Drossel aufweist. Es werden also auf einfachste Weise bereits im Fahrzeug/ Trailer vorhandene Tragluftfedern mit einer Luftleitung/einem Schlauch mit integrierter Drossel verbunden. So wird dann jeweils gegen das Luftvolumen der jeweils anderen Luftfeder gedämpft.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung, vorzugsweise bei der Federung des Fahrwerks eines Lastkraftwagens, besteht darin, dass das untere Anschlussteil einen Luftfederkolben aufweist und der Luftfederbalg als Rollbalg ausgebildet ist, der auf der Außenseite des Luftfederkolbens abrollt. Solche Rollbalgluftfedern sind zwar für LKW üblich, jedoch kann in dieser Variante zusätzlich auch noch das Volumen eines geschlossenen, d.h. luftdicht ausgebildeten Kolbens mit Drossel-Bohrung für zusätzliche Dämpfung bzw. zur Vergrößerung des Ausgleichsvolumens genutzt werden, auch in gegenseitiger Verbindung mit dem Kolbenvolumen einer oder mehrerer weiterer Luftfedern im System.
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Damit erreicht man eine weitaus größere und wirksamere Dämpfung als mit der alleinigen Nutzung des Abrollkolbenvolumens als Ausgleichsvolumen für die Dämpfung. Eine so ausgebildete erfindungsgemäße Lösung kann z.B. die Dämpfungsfunktion des im Stand der Technik üblichen Hydraulikdämpfers komplett übernehmen und diese Komponente z.B. für die Achsen eines Trailerfahrwerks ersetzen.
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Hierbei wird ein gegenüber dem einzelnen Luftfederinneraum möglichst großes Zusatzvolumen ermöglicht, nämlich durch das Zuschalten von weiteren Arbeits- oder Federräumen und auch von Kolbenvolumen. Bei derartigen Anordnungen mit einem so maximierten Zusatzvolumen wird die maximale Dämpfung in einem bestimmten Frequenzbereich der Luftfederbewegung erzielt. Werden mehrere Zusatzvolumina / Arbeits- oder Federräume über Drosseleinrichtungen mit einem Luftfederinnenraum / Arbeits- oder Federraum verbunden, kann zudem der Frequenzbereich mit wirksamer Dämpfung vergrößert werden
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Die Dämpfungswirkung der erfindungsgemäßen Luftfederung in Fahrzeugen hängt grundsätzlich von der Relativbewegung der verbundenen Luftfedern ab. Für große Relativbewegungen zwischen den verbundenden Luftfedern bzw. Arbeits- oder Federräumen ergeben sich große Druckdifferenzen an der Drosseleinheit und damit auch große Dämpfungsenergien. Für kleine Relativbewegungen ergeben sich entsprechend kleine Dämpfungsenergien. Dieser Umstand kann im Fahrwerk gezielt dazu genutzt werden, um über eine pneumatische Kopplung bestimmter Luftfedern/ Arbeits- oder Federräume eines Fahrwerks spezifische Bewegungsvorgänge wie Wanken, Tauchen etc. zu bedämpfen.
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Bei einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemäßen Luftfederung als Federung des Fahrwerks eines Schienenfahrzeugs ist das untere Anschlussteil als für eine Schienenfederung typische Luftfederfelge ausgestaltet und somit ohne weiteres als Austauschteil für Schienenfederungen brauchbar. In Schienenfahrwerken in denen an einem Fahrschemel üblicherweise vier Luftfedern angeordnet sind, können durch die so vorhandene räumlich Nähe sehr leicht die erfindungsgemäßen Verbindungen zwischen den Arbeits- oder Federräumen geschaffen werden, so dass mit entsprechender Ventilschaltung jeweils einzelne oder mehrere Arbeits- oder Federräumen als Ausgleichsräume zur Luftdämpfung zur Verfügung stehen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Luftfederbälge zur Verfügung stehen, die als großvolumige Halbbälge oder Mehrfaltenbälge ausgebildet sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung bei Fahrzeuganwendungen besteht darin, dass die Arbeits- oder Federräumen eines oder mehrerer Luftfederelemente an einer „ersten“ Achsen eines Fahrzeugs mit den Arbeits- oder Federräumen () eines oder mehrerer Luftfederelemente an einer anderen „zweiten“ Achsen des Fahrzeugs als Ausgleichsräume verbunden sind.
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Bei solch einer Anwendung an unterschiedlichen Achsen kann beispielsweise die beim Überrollen einer Bodenwelle zunächst beanspruchte Achse bzw. die dort für die Federung vorgesehenen Luftfederelemente mit Hilfe der Arbeitsräume der noch nicht belasteten Luftfederelemente der nächsten Achse bedämpft werden.
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Im Zusammenwirken mit einer weiteren vorteilhaften Ausbildung, bei der die miteinander verbundenen Arbeits- oder Federräumen der Luftfederelemente wechselseitig als Ausgleichsräume vorgesehen sind, kann mit entsprechenden Drosselschaltungen und Sensorik zur Ermittlung der Belastung der jeweiligen Luftfederungen ein jeweils durch die nicht belastete Achse unterstütztes Federungs- und Dämpfungsverhalten eingestellt und optimiert werden.
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Natürlich können auch Arbeits- oder Federräumen der Luftfederelemente einer Achse oder einer Fahrzeugseite wechselseitig als miteinander verbundene Ausgleichsräume vorgesehen sein, etwa um Wankbewegungen eines Fahrzeugs zu dämpfen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Luftleitung gleichzeitig als Befüll- und Entlüftungsleitung für die Luftfederelemente ausgebildet ist. Im Stand der Technik sind bei Luftfederungen von LKWs oft die einzelnen Luftfederelemente über eine gemeinsame Leitung zur Befüllung und Entlüftung mit einem Speicher oder Kompressor verbunden. Werden diese Luftleitungen erfindungsgemäß so ausgebildet, dass sie dämpfbar sind, vorzugsweise mithilfe von schalt- oder steuerbaren Drosseln, so kann die erfindungsgemäße Ausbildung der Luftfederung auf einfachste Weise in bereits bestehende Systeme integriert werden.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Die einzige 1 zeigt prinzipiell eine Luftfederung 1 mit mehreren Luftfederelementen 2 und 3 zwischen einer hier nicht näher dargestellten gefederten und ungefederten Masse, nämlich ausgebildet als Fahrzeugluftfederung zwischen Karosserie (gefederte Masse) und Rädern oder Fahrwerk (ungefederte Masse). Die Luftfederung ist für einen Lastkraftwagen bestimmt. Die Luftfederelemente 2 und 3 sind verschiedenen, hier ebenfalls nicht näher dargestellten Achsen des LKW zugeordnet, nämlich den verschiedenen Achsen eines doppelachsigen LKW-Zugwagens. Das Luftfederelement 2 gehört zur vorlaufenden Hinterachse und das Luftfederelement 3 zur nachlaufenden Hinterachse des Zugwagens.
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Jedes der Luftfederelemente ist mit einem Arbeits- oder Federraum 4, 5 versehen, welcher durch einen als Luftfederdeckel 6, 7 ausgebildetes oberes Anschlussteil zur Karosserie, ein unteres mit dem Fahrwerk verbundenes Anschlussteil 8, 9 mit einem Luftfederkolben 10, 11 und einem zwischen Luftfederdeckel und Luftfederkolben angeordneten Luftfederbalg 12, 13 aus elastomerem Material gebildet ist. Der Luftfederbalg ist dabei als Rollbalg ausgebildet und rollt beim Ein- und Ausfedern auf der Außenseite des Luftfederkolbens ab.
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Der jeweilige Arbeits- oder Federraum 4, 5 der beiden Luftfederelemente ist über eine Luftleitung 14 mit dem jeweils anderen Arbeits- oder Federraum so verbunden ist, das wechselseitig ein Arbeits- oder Federraum als Ausgleichsraum für den jeweils anderen Arbeits- oder Federraum zur Verfügung steht.
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Die Luftleitung 14 zwischen den verbundenen Arbeits- oder Federräumen weist eine Drossel 15 auf, hier eine steuerbare Drossel in Form einer nur symbolisch dargestellten verstellbaren Blende, durch die der beim Ein- und Ausfedern des jeweiligen Luftfederelements zwischen den Volumina der Arbeits- oder Federräume entstehender Luftstrom drosselbar und zur wechselseitigen Dämpfung der Federbewegung des jeweils anderen Luftfederelements nutzbar ist.
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Bezugszeichenliste
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(Teil der Beschreibung)
- 1
- Luftfederung
- 2
- Luftfederelement
- 3
- Luftfederelement
- 4
- Arbeits- oder Federraum
- 5
- Arbeits- oder Federraum
- 6
- Luftfederdeckel, oberes Anschlussteil
- 7
- Luftfederdeckel, oberes Anschlussteil
- 8
- mit dem Fahrwerk verbundenes Anschlussteil
- 9
- mit dem Fahrwerk verbundenes Anschlussteil
- 10
- Luftfederkolben
- 11
- Luftfederkolben
- 12
- Luftfederbalg
- 13
- Luftfederbalg
- 14
- Luftleitung /Verbindungsleitung
- 15
- Drossel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19710399 C2 [0009]
- DE 2324979 [0010]
- DE 10330198 A1 [0011]
- US 2014167337 A1 [0012]
