DE10205395A1 - Luftfederbein mit integriertem Luftverdichter - Google Patents

Luftfederbein mit integriertem Luftverdichter

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Abstract

Luftfederbein mit integriertem Luftverdichter. "Integriert" bedeutet, dass der Luftverdichter in einem Gehäuseteil des Luftfederbeins untergebracht ist. Dies ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise. Ein derartiges Luftfederbein stellt somit eine "eigenständige Funktionseinheit" dar, und zwar ohne "externe Zusatzkomponenten".

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftfederbein gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Aus der DE 299 23 576 U1 ist ein Luftfederbein für einen PKW bekannt. Das Luftfederbein stützt die Karosserie gegenüber der Radführung ab und weist einen Luftfederbalg auf, der mit einer Druckluftquelle verbunden ist. Die Druckluftquelle ist fahrzeugseitig, d. h. vom Federbein separiert, angeordnet.
  • Luftfedersysteme sind ferner aus dem Nutzfahrzeugbereich bekannt, wo sie schon seit längerer Zeit serienmäßig eingesetzt werden, insbesondere im Zusammenhang mit Niveauregeleinrichtungen. Desweiteren werden Luftfederbeine vereinzelt auch bei Motorrädern eingesetzt. Im Motorradbereich werden üblicherweise Federbeine mit integrierten Dämpfern eingesetzt.
  • Bei Luftfedersystemen unterscheidet man "teiltragende" und "volltragende" Luftfedersysteme. "Teiltragend" bedeutet, dass zusätzlich eine mechanische Feder, z. B. eine Schraubenfeder vorgesehen ist, was bei "volltragenden" Systemen nicht der Fall ist. Bei Luftfedern ist stets ein "komprimierbares" Gasvolumen vorgesehen, das z. B. durch eine sogenannte "Rollbalgfeder" oder eine "Torusbalgfeder" gebildet ist. Die Federhärte bestimmt sich bei Luftfedern primär aus den momentanen thermodynamischen Zustandsgrößen des eingeschlossenen Gases bzw. der eingeschlossenen Luft.
  • Wie bei der oben genannten DE 299 23 576 U1 weisen Luftfedersysteme üblicherweise einen Luftverdichter auf. Nachteilig hierbei ist, dass der Luftverdichter zusätzlichen Bauraum beansprucht, was eine Anwendung z. B. im Motorradbereich schwierig macht. Ferner sind bei herkömmlichen Systemen zwischen dem Luftverdichter und dem "Luftfedersystem", d. h. dem Federbein, Druckluftleitungen erforderlich, was mit erheblichem Aufwand und Kosten verbunden ist und zu Undichtigkeiten führen kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein "Luftfedersystem", insbesondere ein Luftfederbein zu schaffen, das eine kompakte Bauweise aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Das Grundprinzip der Erfindung besteht in einem Luftfederbein mit integriertem Luftverdichter. "Integriert" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Luftverdichter in einem Gehäuseteil des Luftfederbeins untergebracht ist. Dies ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise. Ein derartiges Luftfederbein stellt somit eine "eigenständige Funktionseinheit" dar und zwar ohne "externe Zusatzkomponenten".
  • Wie jedes herkömmliche Federbein besteht das Luftfederbein von außen gesehen aus zwei in Axialrichtung gegeneinander verschiebbaren "Komponenten", die an der Radaufhängung bzw. an der Karosserie befestigt sind. Im Inneren des Luftfederbeins ist eine durch ein eingeschlossenes Luftvolumen gebildete "Federeinrichtung" und zusätzlich eine Dämpfereinrichtung vorgesehen. Die Federeinrichtung ist durch einen Luftbalg gebildet. Zusätzlich ist in einem ringförmigen Gehäuseteil des Federbeins ein Luftverdichter angeordnet, der den Luftfederbalg mit Druckluft versorgt. Der Luftfederbalg ist vorzugsweise ebenfalls ringförmig. Er erstreckt sich ringförmig in einem anderen Gehäuseteil um das eigentliche Federbein herum.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der "Luftverdichter" eine Vorverdichterstufe und eine Endverdichterstufe auf. Die Vorverdichterstufe kann beispielsweise durch eine Flügelzellenpumpe und die Endverdichterstufe durch eine axiale Kolbenpumpe gebildet sein. Vorverdichtete Luft wird über ein Rückschlagventil in den Druckraum der Endverdichterstufe gepumpt und von dort über ein weiteres Rückschlagventil in den Luftfederbalg. Ferner ist ein Entlüftungsventil zum Entlüften des Luftfederbalgs vorgesehen.
  • Der Antrieb des Luftverdichters bzw. der beiden Verdichterstufen kann durch einen Elektromotor erfolgen, der ebenfalls im Gehäuse des Luftfederbeins angeordnet ist. Der Elektromotor besteht primär aus einem ringförmigen Stator und einem ringförmigen Anker. Der Stator kann beispielsweise durch Permanentmagnete oder durch Elektromagnete gebildet sein. Der drehbare Anker treibt einen Rotor des Vorverdichters an, z. B. einen Rotor einer Flügelzellenpumpe.
  • Ferner ist eine mit dem Anker verbundene ringförmige "Nockenscheibe" vorgesehen. Auf der "Nockenscheibe" sind in Umfangsrichtung verteilt mehrere Nocken angeordnet sind, die mit einem bzw. mehreren federvorgespannten Axialkolben zusammenwirken, die in Umfangsrichtung verteilt im Luftfederbeingehäuse angeordnet sind. Bei einer Drehung des Ankers bzw. der Nockenscheibe werden der bzw. die Axialkolben intermittierend in Axialrichtung bewegt, was zu einer Kompression der in den Zylinderräumen der Axialkolbenpumpe eingeschlossenen Luft führt.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 ein teilweise aufgeschnittenes Luftfederbein .in schematischer Darstellung;
  • Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch das Luftfederbein der Fig. 1 im Bereich des Luftverdichters; und
  • Fig. 3 einen Querschnitt durch die Flügelzellenpumpe des Luftverdichters der Fig. 1 bzw. 2.
  • Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Luftfederbein 1 mit zwei teleskopartig gegeneinander verschiebbaren "Federbeinelementen" 2, 3, an deren Enden jeweils Befestigungsgelenke 4, 5 zur Verbindung mit einer Radaufhängung bzw. einer Karosserie oder einem Rahmen eines Fahrzeugs vorgesehen sind. Das Federbeinelement 2 ist über eine Kolbenstange 6 mit einem Dämpferkolben 7 verbunden, der in einem zentral angeordneten Stoßdämpferzylinder 8 verschieblich ist. In einem oberen ringförmigen Gehäuseteil 9 ist ein hier nur teilweise erkennbarer ringförmiger Federbalg 10 angeordnet, der sich in dem Gehäuseteil 9 um das eigentliche Federbein, d. h. die Kolbenstange 6, herum erstreckt. Der Federbalg 10 stützt sich mit seiner Unterseite an einer Gehäusewand 11 ab und drückt mit seiner Oberseite 12 gegen ein sich ebenfalls ringförmig um das Federbein herum erstreckendes Druckelement 13, das mit dem Federelement 2 bzw. der Kolbenstange 6 verbunden ist.
  • Unterhalb des Gehäuseteils 9, in dem der Federbalg 10 angeordnet ist, ist ein weiterer ringförmiger Gehäuseteil 14 vorgesehen. In diesem sich um das Federelement 3 herum erstreckenden Gehäuseteil 14 ist ein "Luftverdichter 15" angeordnet, der den Luftfederbalg 10 mit Druckluft versorgt.
  • Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, erstreckt sich der ringförmige Gehäuseteil 14 um den Stoßdämpferzylinder 8 herum, von dem hier nur die "rechte" Zylinderwand erkennbar ist. In dem ringförmigen Gehäuseteil 14 ist ein Stator 16 eines Elektromotors angeordnet, der von einem Statorträger 17 gehalten wird. Der Stator 16 kann beispielsweise durch Permanentmagnete oder Elektromagnete gebildet sein. Er ist ebenfalls ringförmig und erstreckt sich um den Stoßdämpferzylinder 8 herum.
  • Ferner ist ein mit dem Stator zusammenwirkender ringförmiger Anker 18 mit einer Magnetspule 19 vorgesehen, die über Schleifkohlen 20 sowie elektrische Anschlüsse 21, 22 mit Strom versorgt wird.
  • Mit dem "unteren" Teil des Ankers ist ein ringförmiger Rotor 23 einer Flügelzellenpumpe verbunden, von der hier nur ein Flügel 24 erkennbar ist. Die Flügelzellenpumpe saugt Luft aus einem Ansaugraum 25 an, verdichtet sie und pumpt die vorverdichtete Luft in einen Vorverdichterraum 33.
  • Der Anker 18 ist über ein Lager 26 in dem Gehäuseteil 14 drehbar um die Längsachse des Federbeins gelagert. Im oberen Bereich des Ankers 18 ist eine hier nur schematisch dargestellte ringförmige "Nockenbahn" vorgesehen, auf der mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Nocken vorgesehen sind. Die Nocken 27 wirken mit einem durch eine Feder 28 vorgespannten Kolbenelement 29 zusammen. Das Kolbenelement 29 weist eine Kolbenstange und einen Kolben 30 auf, der in einem Endverdichterzylinder 31 verschieblich ist. Vorzugsweise sind mehrere solcher "Axialkolben" 29 in Umfangsrichtung verteilt angeordnet. Sie bilden zusammen mit der ringförmigen Nockenbahn eine Axialkolbenpumpe, die hier als Endverdichterstufe fungiert.
  • Der Endverdichterzylinder 31 steht über ein Rückschlagventil 32 mit dem Vorverdichterraum 33 in Druckverbindung. Beim Ausfahren des Kolbenelements 29 kann somit durch die Flügelzellenpumpe vorverdichtete Luft aus dem Vorverdichterraum 33 über das Rückschlagventil 32 in den Endverdichterzylinder 31 eingesaugt werden. Bei einer Drehung des Ankers drücken die Nocken 27 den Kolben 30 intermittierend nach oben, wodurch die im Endverdichterzylinder 31 befindliche Luft komprimiert und über ein Rückschlagventil 34 durch eine Öffnung 35 in den Luftfederbalg 10 gedrückt wird. Der Luftfederbalg 10 weist ferner eine Entlüftungsöffnung 36 auf, die über ein Entlüftungsventil 37 mit der Atmosphäre verbindbar ist. Über das Entlüftungsventil 37 kann somit Luft aus dem Luftbalg 10 abgelassen werden.
  • Vollständigkeitshalber sei noch ein Widerlager 38 erwähnt, welches das Gehäuse 14 in Axialrichtung gegenüber dem Stoßdämpferzylinder 8 abstützt. Zusätzlich können weitere Komponenten, wie z. B. ein Luftfilter bzw. ein Lufttrockner in das Gehäuse 14 integriert werden.
  • Da der "Luftverdichter", d. h. die Flügelzellenpumpe und die Axialkolbenpumpe in das Federbeingehäuse 14 integriert ist, ergibt sich eine sehr kompakte Bauweise.
  • Zusammenfassend ergeben sich folgende Vorteile:
    • - Gewichts- und Bauraumreduzierung gegenüber herkömmlichen Luftfedersystemen
    • - Einfacher technischer Aufbau
    • - Wenig mechanische Bauteile, insbesondere keine externen Druckluftleitungen
    • - Das "System", d. h. der Luftverdichter kann z. B. auch während der Fahrt elektrisch angesteuert werden
    • - Das System ist kurzschlussfest und überlastsicher
    • - Durch eine Wegmessung an der Kolbenstange des Federbeins und eine zusätzliche Steuereinheit ist eine Erweiterung zu einer Niveauregeleinrichtung möglich
    • - Ferner ist eine aktive Fahrwerksregelung, d. h. eine aktive Höhenverstellung des Fahrwerks möglich
  • Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Flügelzellenpumpe der Fig. 2. Die Flügelzellenpumpe besteht aus einem Gehäuse 38, einem exzentrisch darin drehbar angeordneten Rotor 39 mit mehreren in Umfangsrichtung verteilt angeordneten und in Radialrichtung verschieblichen Rotorflügeln 40. Durch die exzentrische Anordnung des Rotors 39 ergibt sich ein Ansaugbereich 41, der mit dem Ansaugraum 25 (Fig. 2) verbunden ist sowie ein Druckbereich 42, der mit dem Vorverdichterraum 33 (Fig. 2) verbunden ist. Der Rotor 39 wird, wie bereits erläutert, durch den Anker 18 angetrieben.

Claims (16)

1. Luftfederbein für Fahrzeuge mit einem Luftbehälter und einer Druckluftquelle, die mit dem Luftbehälter in Fluidverbindung bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftquelle durch einen Luftverdichter (15) gebildet ist, der unmittelbar am Luftfederbein (1) angeordnet ist.
2. Luftfederbein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfederbein (1) ein im wesentliches zylindrisches Gehäuse (14) aufweist und dass der Luftverdichter (15) in dem Gehäuse (14) angeordnet ist.
3. Luftfederbein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (14) ein ringförmiges Gehäuse ist, das sich um ein Axialkräfte übertragendes Element (8) des Federbeins (1) herum erstreckt.
4. Luftfederbein nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentral angeordnetes Dämpferelement (7, 8) vorgesehen ist, das sich in Längsrichtung des Federbeins (1) erstreckt und dass sich das Gehäuse (14) ringförmig um das Dämpferelement (7, 8) herum erstreckt.
5. Luftfederbein nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftverdichter (15) mindestens eine erste Verdichterstufe und eine zweite Verdichterstufe aufweist.
6. Luftfederbein nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftverdichter (15) eine Flügelzellenpumpe (39-42) aufweist.
7. Luftfederbein nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftverdichter (15) eine Axialkolbenpumpe (27-31) aufweist.
8. Luftfederbein nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckausgang (33) der ersten Verdichterstufe über ein Rückschlagventil (32) mit einem Druckeingang (31) der zweiten Verdichterstufe verbunden ist.
9. Luftfederbein nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckausgang der zweiten Verdichterstufe (27-31) über ein Rückschlagventil (34) mit dem Luftbehälter (10) verbunden ist.
10. Luftfederbein nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entlüftungsventil (37) zum Entlüften des Luftbehälters (10) vorgesehen ist.
11. Luftfederbein nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelzellenpumpe (38-42) eine erste Verdichterstufe und die Axialkolbenpumpe (27-31) eine zweite Verdichterstufe bildet.
12. Luftfederbein nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebsvorrichtung (16, 18) für den Luftverdichter (15) vorgesehen ist, die ebenfalls in dem Gehäuse (14) angeordnet ist.
13. Luftfederbein nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektromotor (16, 18) zum Antrieb des Luftverdichters (15) vorgesehen ist, wobei der Elektromotor (16, 18) in dem Gehäuse (14) angeordnet ist.
14. Luftverdichter nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (14) ein ringförmiger Anker (18) und eine ringförmige Statormagnetanordnung (16) vorgesehen ist, wobei der Anker (18) mit einem Rotor (23) der Flügelzellenpumpe verbunden ist.
15. Luftfederbein nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (18) mit einer ringförmigen Nockenscheibe (27) verbunden ist, die mindestens eine sich in Axialrichtung erstreckende nockenartige Erhebung aufweist, die mit einem Kolbenelement (29) der Axialkolbenpumpe zusammenwirkt.
16. Luftfederbein nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Nockenscheibe (27) mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Nocken aufweist.
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