DE102017216441B3

DE102017216441B3 - Federbein mit einem verstellbaren Federteller

Info

Publication number: DE102017216441B3
Application number: DE102017216441.7A
Authority: DE
Inventors: Norbert Ackermann; Holger Kirchner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-09-15
Filing date: 2017-09-15
Publication date: 2018-12-27
Anticipated expiration: 2037-09-16

Abstract

Federbein, umfassend einen äußeren Zylinder und eine axial verschiebbare Kolbenstange mit einem Kolben, der einen kolbenstangenseitigen und einen kolbenstangenfernen Arbeitsraum voneinander trennt, wobei mindestens ein Arbeitsraum an einen Ausgleichsraum mit einem Gasvolumen angeschlossen ist, wobei der äußere Zylinder einen Ringzylinder trägt, in dem ein Stellkolben eine Verschiebebewegung auf einen Federteller für eine Tragfeder übertragt, wobei eine hydraulische Verbindung zwischen dem Ringzylinder und einem der Arbeitsräume besteht, wobei die hydraulische Verbindung zwischen dem Ringzylinder, dem Ausgleichsraum und einem der Arbeitsräume innerhalb der starren Bauteilverbindung des äußeren Zylinders mit dem Ringzylinder verläuft.

Description

Die Erfindung betriff ein Federbein mit einem verstellbaren Federteller gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus der DE 10 2009 045 051 A1 ist ein Federbein bekannt, das einen verstellbaren Federteller aufweist. Dazu verfügt das Federbein über einen Hydraulikraum, der an ein Hydraulikversorgungssystem angeschlossen ist. Das Hydraulikversorgungssystem umfasst eine erste Anschlussleitung zwischen dem Hydraulikraum und einem Speicher. Eine Pumpe dient zur Befüllung des Hydraulikraums aus dem Speicher. Ein Sperrventil ist der Pumpe parallelgeschaltet und ermöglicht ein Ablassen von Druckmedium aus dem Hydraulikraum.
Eine zweite Anschlussleitung verbindet einen kolbenstangenfernen Arbeitsraum des Federbeins mit dem Speicher und kann in beiden Richtungen durchströmt werden. Bei einer der Belastung angepassten Niveaulage des Federbeins ist das Sperrventil geschlossen. Der Federteller bzw. der Kolben stützt sich dann auf der im Hydraulikraum eingeschlossenen inkompressiblen Flüssigkeitssäule ab. Würde man das Sperrventil öffnen, dann läge zwar eine Reihenschaltung aus einer mechanischen Federung der Schraubenfeder und der hydropneumatischen Feder des Speichers mit seinem Gasraum vor, doch wäre damit stets die tiefste Federtellerposition verbunden. Mit der Pumpe könnte an diesem Betriebsverhalten nichts verändert werden, da bei geöffnetem Sperrventil lediglich ein internes Umpumpen möglich wäre.
Die gattungsbildende DE 10 2014 207 055 A1 beschreibt ein Federbein mit einem verstellbaren Federteller, bei dem eine Pumpe über eine erste Druckmittelleitung mit einem Ringzylinder als Teil des verstellbaren Federtellers und über eine zweite Druckmittelleitung mit einem kolbenstangenfernen Arbeitsraum verbunden ist. Zwischen der Pumpe und einem Vorratsbehälter einerseits und dem Ringzylinder und dem Arbeitsraum andererseits sind vier Schaltventile zum selektiven Befüllen und Ablassen des Ringzylinders und des Arbeitsraums angeordnet. Die beiden Druckmittelleitungen, eine Pumpleitung und eine Abflussleitung sind über einen Kreuzpunkt hydraulisch miteinander verbunden. Dieser Kreuzpunkt befindet sich außerhalt des Ringzylinders und einem äußeren Behälter des Federbeins. Bei geöffneten Schaltventilen 59; 61 und gesperrten Schaltventilen 57; 63 könnte bei voreingestellter Niveaulage eine Reihenschaltung aus Fahrzeugtragfeder und hydropneumatischer Feder erreicht werden, die von einem Speicherelement innerhalb eines Ausgleichsraums des Federbeins gebildet wird. Aufgrund der Drosselwirkungen der Druckmittelleitungen zwischen dem Federbein und dem Kreuzpunkt sowie den Schaltventilen zwischen dem Federbein und dem Kreuzpunkt wäre jedoch die Federrate der hydropneumatischen Feder sehr schwer auf einer definierten Kennlinie einhaltbar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Federbein mit einem verstellbaren Federteller zu realisieren, bei dem eine Reihenschaltung einer mechanischen Feder mit einer hydropneumatischen Feder vorliegt und die aus dem Stand der Technik bekannten Unzulänglichkeiten vermieden werden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der große Vorteil besteht darin, dass keinerlei Schlauchverbindungen notwendig sind, um den Ausgleichsraum mit dem Ringzylinder zu verbinden. Folglich treten auch keine undefinierten elastische Querschnittsveränderungen eines Schlauchs auf noch sind Drosselverluste aufgrund einer Schlauchlänge zu verzeichnen. Hinzukommen Montagevorteile und eine erhöhte Sicherheit gegen Leckagen
Dabei weist der Ringzylinder eine Anschlussöffnung durch den äußeren Zylinder des Federbeins zum Ausgleichsraum innerhalb des Zylinders auf. Diese Anschlussöffnung stellt die kürzest mögliche Verbindung dar, so dass die Verbindung strömungstechnisch die Eigenschaft einer Blende aufweist.
Bei einer Ausführungsform ist das Gasvolumen innerhalb des Ringzylinders angeordnet. Damit sind der Ausgleichsraums und ein Druckraum des Ringzylinders zur Axialverstellung des Federtellers funktional und räumlich vereinigt.
Eine besonders kurze Bauform wird dann erreicht, wenn das Gasvolumen radial zum Stellkolben im Ringzylinder angeordnet ist.
Wenn der Schwerpunkt auf eine radial schlanke Konstruktion gelegt wird, dann ist es sinnvoll, wenn das Gasvolumen axial zum Stellkolben des Ringzylinders angeordnet ist.
Optional kann vorgesehen sein, dass in der hydraulischen Verbindung zwischen einem der Arbeitsräume und dem Ringzylinder ein Drosselventil angeordnet ist. Es ist dann möglich das Druckniveau des Gasvolumens zu reduzieren, ohne dass die Dämpfkraft bei einer Kolbenstangenbewegung auf ein niedrigeres Niveau abgesenkt ist.
In einer weiteren Ausbaustufe ist die hydraulische Verbindung in Abhängigkeit der Hublage von dem Stellkolben in ihrem Querschnitt einstellbar ist. Dazu kann z. B. ein Blockierventil eingesetzt werden.
Alternativ kann der Ringzylinder an einen zweiten Speicher mit Gasvolumen angeschlossen sein, wobei eine Verbindung zwischen dem Ringzylinder und dem zweiten Speicher ansteuerbar.
Anstatt eines separaten Blockierventils kann die Ansteuerung auch über die Position des Stellkolbens im Ringzylinder erfolgen. Der Stellkolben bildet dann einen Teil des Blockierventils.
Gemäß einem vorteilhaften Unteranspruch sind der Ringzylinder und einer der Arbeitsräume an eine gemeinsame hydraulische Pumpe angeschlossen, wobei die Druckmittelversorgung des Arbeitsraums über den Ringzylinder und die hydraulische Verbindung innerhalb der starren Bauteilverbindung erfolgt. Trotz der Befüllung von zwei Teilräumen des Federbeins wird nur eine Druckmittelversorgungsleitung benötigt.
Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigt:

1 Federbein auf Basis eines Einrohrschwingungsdämpfers
2 Federbein auf Basis eines Zweirohrschwingungsdämpfers
3 Gasvolumen innerhalb des Ringzylinders
4 u. 5 Absperrbares Gasvolumen

Die 1 zeigt ein Federbein 1 auf Basis eines Einrohrschwingungsdämpfers. In einem äußeren Zylinder 3 ist eine Kolbenstange 5 mit einem Kolben 7 verschiebbar geführt. Beispielhaft ist der Kolben 7 mit einem verstellbaren Dämpfventil bestückt, wie es beispielsweise aus der DE198 22 448 A1 bekannt ist, so dass auf eine detaillierte Beschreibung des verstellbaren Dämpfventils verzichtet werden kann.
Der Kolben 7 unterteilt den Zylinder 3 in einen kolbenstangenseitigen und einen kolbenstangenfernen Arbeitsraum 9; 11, die beide vollständig mit Druckmedium gefüllt sind. Der kolbenstangenferne Arbeitsraum 11 ist an einen Ausgleichsraum 13 angeschlossen, der ein Hydraulikvolumen 15 und ein Gasvolumen 17 umfasst. Ein verschiebbarer Trennkolben 19 dichtet die beiden Volumina 15; 17 voneinander ab. Zwischen dem kolbenstangenfernen Arbeitsraum 11 und dem Hydraulikvolumen 15 ist ein Drosselventil 21 angeordnet.
Der äußere Zylinder 3 trägt einen Ringzylinder 23, in dem ein Stellkolben 25 eine Verschiebebewegung auf einen Federteller 27 für eine Tragfeder 29 überträgt. Der Ringzylinder 23 ist ebenfalls vollständig mit Druckmedium gefüllt.
Zwischen dem kolbenstangenfernen Arbeitsraum 11, dem Hydraulikvolumen 15 und einem Kompressionsraum 31 im Ringzylinder 23 liegt eine hydraulische Verbindung 33 vor, die von einer starren Bauteilverbindung, nämlich einer Wandung 35 des Ringzylinders 23, die auf einer äußeren Mantelfläche des Zylinders 3 anliegt und einer Wandung 37 des Zylinders 3 gebildet wird. Die hydraulische Verbindung 33 wird von zwei Anschlussöffnungen 39; 41 gebildet, die über eine Sammelnut 43 miteinander verbunden sind, so dass der Ringzylinder 23 ohne besondere Orientierung in Umfangsrichtung am Zylinder 3 befestigt werden kann. Beispielhaft stützt sich der Ringzylinder 23 auf einer Schulter 45 eines Bodens 47 des Zylinders 3 ab.
Des Weiteren umfasst das Federbein eine hydraulische Pumpe 49, die gemeinsam für die Versorgung der Arbeitsräume 9; 11 und des Kompressionsraums 31 als Teil des Ringzylinders 23 eingesetzt wird, wobei die Druckmittelzufuhr wie auch die Druckmittelentnahme aus dem kolbenstangenfernen Arbeitsraum 11 über die hydraulische Verbindung 33 innerhalb der starren Bauteilverbindung zwischen dem Zylinder 3 und dem Ringzylinder 23 erfolgt.
Im montierten Zustand des Federbeins liegt eine Reihenschaltung der mechanischen Tragfeder 29 und der hydropneumatischen Feder, gebildet vom Gasvolumen 17 und dem Hydraulikvolumen 15, vor. Mit zunehmender Vorspannung des Gasvolumens 17 über einen tiefer in den Ringzylinder 23 eingefahrenen Stellkolben 25 oder über eine Zufuhr von Druckmedium aus einem Pumpenspeicher 51 steigt nicht nur die Tragkraft der in Reihe geschalteten Federn 15; 17; 29, sondern auch die Federrate der hydropneumatischen Feder 15; 17, so dass eine mehr oder weniger stark ansteigende Tragkraftkennlinie des Federbeins 1 erreichbar ist.
Die 2 zeigt eine funktional sehr ähnliche Bauform eines Federbeins 1, bei der jedoch der Ausgleichsraum 13 ringförmig zwischen dem äußeren Zylinder 3 und einem inneren Zylinder 53 angeordnet ist. Auch hier kommt ein Drosselventil 21 zwischen dem kolbenstangenfernen Arbeitsraum 11 und dem Ausgleichsraum 13 zur Anwendung. Abweichend stützt sich der Ringzylinder 23 auf einem zum Boden 47 des Zylinders 3 axial beabstandeten Anschlag 55 ab in der Bauform eines Sicherungsrings ab. Das Gasvolumen 17 ist einem Hüllkörper 57 gespeichert, der beispielsweise über ein Füllventil 59 innerhalb einer Kolbenstangenführung 61 befüllbar ist.
Mit der 3 soll beispielhaft verdeutlicht werden, dass das Gasvolumen 17 auch in dem Ringzylinder 23 angeordnet sein kann. In dieser Variante ist das Gasvolumen axial in Reihe zum Stellkolben 25 montiert. Als weitere Variante zur 3 ist das Füllventil 59 radial zum Ringzylinder 23 ausgerichtet.
Das Federbein 1 gemäß der 4 basiert auf der Ausführung nach 3. Zusätzlich verfügt das Federbein 1 über die Funktion, dass die hydraulische Verbindung 33 in Abhängigkeit der Hublage des Stellkolbens 25 in ihrem Querschnitt einstellbar ist. Beispielhaft ist die hydraulische Verbindung teilweise als eine konische Nut 63 in einer Wandung des Ringzylinders ausgeführt. In Richtung eines Bodens 65 des Ringzylinders 23 verfügt die konische Nut 63 über den geringsten Querschnitt. Wenn der Stellkolben 25 tiefer in den Kompressionsraum 31 einfährt, umso kleiner ist der wirksame Querschnitt der hydraulischen Verbindung 33, bzw. umso kleiner ist der Federkraftanteil der hydropneumatischen Federung basierend auf dem Gasvolumen 17 im Ausgleichsraum 13.
Mit der Ausführung eines Federbeins 1 in der 5 soll grundsätzlich offenbart werden, dass auch ein zweites Gasvolumen 75 radial zum Stellkolben 25 angeordnet sein kann. Der Ringzylinder 23 ist in einen inneren Ringzylinder 67 und einen äußeren Ringzylinder 69 unterteilt. In dem inneren Ringzylinder 67 gleitet der Stellkolben 25, während im äußeren Ringzylinder 69 das zweite Gasvolumen 75 platziert ist. Damit bildet der zweite Ringzylinder zusammen mit dem zweiten Gasvolumen und einer Druckmediumfüllung einen zweiten Speicher. Zwischen beiden Ringzylindern 67; 69 besteht eine zweite hydraulische Verbindung 71, die optional durch die Position des Stellkolbens 25 oder durch ein separat schaltbares Ventil 73 in ihrem Durchflussquerschnitt einstellbar ist. In dem einen Fall bildet der Stellkolben 25 mit der hydraulischen Verbindung 71 ein Schieberventil. Dadurch, dass zwischen dem äußeren Zylinder 3 und dem inneren Zylinder ein weiteres Gasvolumen 75 angeordnet ist, das permanent mit dem kolbenstangenfernen Arbeitsraum 11 verbunden ist, kann das Gasvolumen 17 im äußeren Ringzylinder 69 auch vollständig vom inneren Ringzylinder 67 blockiert werden. Dadurch kann man in der Federkraftkennlinie des Federbeins 1 noch eine Kraftstufe einbauen, ohne dass die Kolbenstange 5 oder der Stellkolben 25 blockiert sind.
Bezugszeichenliste

1: Federbein
3: äußerer Zylinder
5: Kolbenstange
7: Kolben
9: kolbenstangenseitiger Arbeitsraum
11: kolbenstangenferner Arbeitsraum
13: Ausgleichsraum
15: Hydraulikvolumen
17: Gasvolumen
19: Trennkolben
21: Drosselventil
23: Ringzylinder
25: Stellkolben
27: Federteller
29: Tragfeder
31: Kompressionsraum
33: hydraulische Verbindung
35: Wandung des Ringzylinders
37: Wandung des äußeren Zylinders
39: Anschlussöffnungen
41: Anschlussöffnungen
43: Sammelnut
45: Schulter
47: Boden
49: Pumpe
51: Pumpenspeicher
53: innerer Zylinder
55: Anschlag
57: Hüllkörper
59: Füllventil
61: Kolbenstangenführung
63: Nut
65: Boden des Ringzylinders
67: innerer Ringzylinder
69: äußerer Ringzylinder
71: zweite hydraulische Verbindung
73: Schaltventil
75: weiteres Gasvolumen

Claims

Federbein (1), umfassend einen äußeren Zylinder (3) und eine axial verschiebbare Kolbenstange (5) mit einem Kolben (7), der einen kolbenstangenseitigen und einen kolbenstangenfernen Arbeitsraum (9, 11) voneinander trennt, wobei mindestens ein Arbeitsraum (11) an einen Ausgleichsraum (13) mit einem Gasvolumen (17) und einem Hydraulikvolumen (15) angeschlossen ist, wobei der äußere Zylinder (3) einen Ringzylinder (23) trägt, in dem ein Stellkolben (25) eine Verschiebebewegung auf einen Federteller (27) für eine Tragfeder (29) überträgt, wobei eine hydraulische Verbindung (21, 33) zwischen dem Ringzylinder (23) und einem der Arbeitsräume (11) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Verbindung (33) zwischen dem Ringzylinder (23) und dem Hydraulikvolumen (15) des Ausgleichsraums (13) innerhalb der starren Bauteilverbindung des äußeren Zylinders (3) mit dem Ringzylinder (23) verläuft.
Federbein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringzylinder (23) eine Anschlussöffnung (41) durch den äußeren Zylinder (3) des Federbeins (1) zum Hydraulikvolumen (15) des Ausgleichsraums (13) innerhalb des Zylinders (3) aufweist.
Federbein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasvolumen (17) innerhalb des Ringzylinders (23) angeordnet ist.
Federbein nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasvolumen (17) radial zum Stellkolben (25) im Ringzylinder (23) angeordnet ist.
Federbein nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasvolumen (17) axial zum Stellkolben (25) des Ringzylinders (23) angeordnet ist.
Federbein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der hydraulischen Verbindung (21, 33) zwischen einem der Arbeitsräume (11) und dem Ringzylinder (23) ein Drosselventil (21) angeordnet ist.
Federbein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Verbindung (33) in Abhängigkeit der Hublage von dem Stellkolben (25) in ihrem Querschnitt einstellbar ist.
Federbein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringzylinder (23) an einen zweiten Speicher (69, 75) mit einem Gasvolumen (75) angeschlossen ist, wobei eine zweite Verbindung (71) zwischen dem Ringzylinder (23) und dem zweiten Speicher (69, 75) ansteuerbar ist.
Federbein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der hydraulischen Verbindung (33) über die Position des Stellkolbens (25) im Ringzylinder (23) erfolgt.
Federbein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringzylinder (23) und einer der Arbeitsräume (9, 11) an eine gemeinsame hydraulische Pumpe (49) angeschlossen sind, wobei die Druckmittelversorgung des Arbeitsraums (9,11) über den Ringzylinder (23) und die hydraulische Verbindung (33) innerhalb der starren Bauteilverbindung erfolgt.