DE10236130C1 - Luftfedervorrichtung - Google Patents

Luftfedervorrichtung

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luftfedervorrichtung, insbesondere für eine luftgefederte Fahrzeugachse, mit einem druckluftbeaufschlagbaren, elastischen Rollbalg, einem Dichtungsteller, welcher einen Durchlass zwischen einem ersten Druckraum im Rollbalg und einem zweiten Druckraum im Abrollkolben öffnet oder verschließt und mit einer im ersten Druckraum angeordneten Zusatzfeder. Des Weiteren ist eine Schaltfeder vorgesehen, die zwischen dem Abrollkolben und dem Dichtungsteller angeordnet ist und den Dichtungsteller in dessen Öffnungsrichtung vorspannt, wobei die Zusatzfeder und die Schaltfeder so aufeinander abgestimmt sind, dass der Dichtungsteller erst ab einem vorbestimmten ersten Einfederhub den Durchlass verschließt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftfedervorrichtung, insbesondere für eine luftgefederte Fahrzeugachse, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Luftfedervorrichtungen dienen im allgemeinen bei Fahrzeugen zur Erhöhung des Fahrkomforts und der Fahrsicherheit.
Aus der DE 43 27 585 C2 ist eine Luftfedervorrichtung der eingangs erwähnten Art bekannt, die mit einem elastomeren, druckbeaufschlagbaren Rollbalg ausgestaltet ist, dessen Enden luftdicht an je einem Anschlussteil befestigt sind, von denen eines als Abrollkolben ausgebildet ist, an dem sich eine Rollfalte des Rollbalges abstützt. Der Abrollkolben ist hierbei hohl ausgebildet und über eine Öffnung mit dem Balginneren verbunden, wodurch eine Zusatzluftkammer entsteht. Ein doppelt wirkendes Verschlussteil, das über eine Feder gesteuert wird, öffnet und verschließt einen Durchlass zwischen dem Balginneren und der Zusatzluftkammer im Abrollkolben, wodurch die Federsteifigkeit der Luftfeder beeinflusst wird. Eine Erhöhung der Federsteifigkeit bei größeren Einfederwegen wird hierbei jedoch nur durch das Abkoppeln der Zusatzluftkammer im Abrollkolben bewirkt.
Aus der DE 41 24 516 A1 ist eine mehrstufige Luftfeder für eine luftgefederte Fahrzeugachse eines Nutzfahrzeuges bekannt. Hierbei wird ein zwischen zwei Druckräumen angeordnetes Luftabsperrventil vorgeschlagen, welches bei einem vorgegebenen Druck gegen die Kraft einer Ventilfeder und/oder bei einem Steuerdruck einer Steuerleitung schließt bzw. bei erhöhtem Steuerdruck öffnet. Eine Erhöhung der Federsteifigkeit im Endanschlagsbereich wird hierbei ebenfalls nur durch das Abkoppeln der Zusatzluftkammer im Abrollkolben bewirkt.
Den bekannten Luftfedervorrichtungen ist gemeinsam, dass der Übergang zwischen den beiden Luftfedersteifigkeiten, bei geöffnetem oder geschlossenem Zusatzluftvolumen, relativ abrupt erfolgt. Dieser harte Übergang kann zu Komforteinbußen sowie zu einer Verschlechterung der Fahreigenschaften führen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Luftfedervorrichtung eingangs erwähnter Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, wobei insbesondere der Übergang zwischen den einzelnen Federsteifigkeiten weicher gestaltet und somit eine Erhöhung des Fahrkomforts und eine Verbesserung der Fahreigenschaften erreicht werden soll.
Dieses Problem wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Schaltfeder vorzusehen, die zwischen einem Abrollkolben und einem Dichtungsteller angeordnet ist und den Dichtungsteller in dessen Öffnungsrichtung vorspannt, und diese mit einer, auf der von der Schaltfeder abgewandten Seite des Dichtungstellers befindlichen Zusatzfeder in Reihe zu schalten. Dabei sind die Zusatzfeder und die Schaltfeder so aufeinander abgestimmt, dass der Dichtungsteller erst ab einem vorbestimmten ersten Einfederhub einen Durchlass, zwischen einem ersten Druckraum im Rollbalg und einem zweiten Druckraum im Abrollkolben, verschließt. Dadurch wird erreicht, dass bei geringen Einfederhüben ein großes Luftvolumen für die Federung zur Verfügung steht, was ein angenehmes und weiches Fahren bewirkt. Bei großen Einfederhüben dagegen verschließt der Dichtungsteller den Durchlass zwischen den oben genannten Druckräumen und erhöht somit situationsgerecht die Federsteifigkeit des Systems, was die Fahrsicherheit erhöht. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass die Zusatzfeder und die Schaltfeder bis zum Abkoppeln des im Abrollkolben eingeschlossenen Volumens zunehmend dem Einfederhub entgegenwirken, wodurch die Zusatzfeder und die Schaltfeder als zusätzliche Federsteifigkeiten wirksam sind. Durch ein sukzessives Aktivieren der einzelnen Federsteifigkeiten erhält man einen mehrstufigen und damit insgesamt weicheren Übergang.
Entsprechend einer besonders günstigen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Zusatzfeder zusätzlich als Dämpfer ausgestaltet ist. Dies bietet den Vorteil, dass die Luftfedervorrichtung im Endbereich des Einfederhubs zusätzlich dämpfende Eigenschaften aufweist und somit einen üblicherweise vorhandenen Stoßdämpfer unterstützt.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zusatzfeder erst ab einem zweiten Einfederhub am jeweiligen Anschlussteil und am Dichtungsteller abstützt, wobei der erste Einfederhub größer als der zweite Einfederhub ist. Dies bedeutet, dass bei geringem Einfederhub zunächst das eingeschlossene Luftvolumen im Rollbalg, im Abroll- und im Stützkörper und nicht die Zusatzfeder zur Federung herangezogen wird. Bei zunehmendem Einfederhub steigt die Federsteifigkeit durch Aktivierung der Zusatzfeder, bis der Einfederhub so groß wird, dass die Kraft in der Zusatzfeder die Kraft in der Schaltfeder übersteigt und der Dichtungsteller den Durchlass zwischen dem ersten und dem zweiten Druckraum verschließt, wodurch das Stützkörper- und das Abrollkolbenvolumen abgetrennt werden und die Federsteifigkeit nochmals ansteigt. Hierdurch bietet sich besonders der Vorteil einer progressiven Federsteifigkeit im Endanschlagsbereich, was sich günstig auf die Fahrsicherheit auswirkt.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus den zugehörigen Figurenbeschreibungen anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmender vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Fig. 1 zeigt schematisch eine dreidimensionale Schnittzeichnung der erfindungsgemäßen Luftfedervorrichtung.
Entsprechend Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Luftfedervorrichtung 1 rotationssymmetrisch bezüglich einer Rotationsachse 25 aufgebaut und weist eine im wesentlichen zylindrische Sektkorken-ähnliche Außenform auf. Von außen sichtbar sind gemäß Fig. 1 ein erstes Anschlussteil 3, ein zweites Anschlussteil 24, das als Abrollkolben 8 ausgebildet ist, und ein dazwischen angebrachter Rollbalg 2. Eines der Anschlussteile, hier das erste Anschlussteil 3 wird über hier nicht gezeigte Elemente an einem Fahrzeugrahmen befestigt, während das andere Anschlussteil 24 bzw. der Abrollkolben 8 an einem beweglichen Teil, z. B. an einem Querlenker, einer ebenfalls nicht gezeigten Fahrzeugachse oder Radaufhängung angebracht ist. Prinzipiell ist aber auch eine umgekehrte Montage der Luftfedervorrichtung denkbar. Die Federwirkung der Luftfedervorrichtung 1 wird erzielt durch eine Stauchung derselben in Richtung der in Fig. 1 eingezeichneten Pfeile längs der Rotationsachse 25.
Die Enden des mit Druckluft beaufschlagbaren, elastischen Rollbalges 2, sind jeweils luftdicht mit einem Dichtwulst 16 auf einem entsprechenden Dichtsitz 15 an dem ersten Anschlussteil 3 und an dem zweiten Anschlussteil 24 angebracht. Der Rollbalg 2 umschließt einen ersten Druckraum 5, der in Federrichtung einerseits durch das erste Anschlussteil 3 und andererseits durch den Abrollkolben 8 begrenzt ist und in den das erste Anschlussteil 3 zentral und koaxial eintaucht. Das erste Anschlussteil 3 weist einen zum Abrollkolben 8 hin konkav gewölbten Boden 14 auf, in den ein zum ersten Anschlussteil 3 hin konvex geformtes Ende einer zentral und koaxial im Druckraum 5 angeordneten Zusatzfeder 4 eingreift. Die Zusatzfeder 4 ist in Fig. 1 als zylinderförmige, hohle Elastomerfeder mit Ringkerben 18 dargestellt, die an ihrem anderen, vom ersten Anschlussteil 3 abgewandten Ende eine ebene, orthogonal zur Rotationsachse 25 verlaufende Aufstandsfläche 17 aufweist, die mit einem parallel zur Aufstandsfläche 17 angeordneten und in den ersten Druckraum 5 hineinreichenden, Dichtungsteller 10 fest verbunden, insbesondere verklebt oder vulkanisiert, ist.
Bei einer in Fig. 1 nicht gezeigten Variante kann die Zusatzfeder 4 auch an dem Anschlussteil 3 und/oder am Dichtungsteller 10 befestigt werden. Desweiteren sind prinzipiell auch andere Ausführungsformen von Federn, wie z. B. Spiral- oder Schraubenfedern als Zusatzfeder 4 denkbar. Der Dichtungsteller 10 ist gemäß Fig. 1 an seiner von der Zusatzfeder 4 abgewandten Seite fest mit einer Schaltfeder 9 verbunden, die sich an ihrem vom Dichtungsteller 10 abgewandten Ende gegen einen Stützkörper 7 abstützt. Dieser Stützkörper 7 ist koaxial zur Rotationsachse 25 im Inneren des Abrollkolbens 8 angeordnet und enthält im Bereich eines dem Dichtungsteller 10 zugewandten Endes einen Stützkörperboden 19. Am Stützkörperboden 19 ist die Schaltfeder 9 abgestützt, wobei sich der Stützkörperboden 19 orthogonal zur Rotationsachse 25 im Stützkörper 7 befindet. Der Dichtungsteller 10 öffnet oder verschließt zumindest in seiner jeweiligen Endstellung einen Durchlass 13 zwischen dem ersten Druckraum 5 im Rollbalg 2 und einem zweiten Druckraum 6 im Abrollkolben 8. Der Dichtungsteller 10 wird durch die Schaltfeder 9 entgegen der Federwirkung der Zusatzfeder 4 bis zu einem Begrenzungsanschlag in seiner Öffnungsrichtung vorgespannt und ermöglicht in dieser Stellung einen Druckausgleich zwischen den zwei oben genannten Druckräumen 5, 6. Der Dichtungsteller 10 weist an seinem äußeren Rand, auf einer dem Abrollkolben 8 zugewandten Unterseite, umfangsgleich einen Dichtungsring 21 auf, welcher mit einer entsprechenden Dichtungsauflage 22 am Abrollkolben 8, beim Verschließen des Durchlasses 13 abdichtend zusammenwirkt. Prinzipiell sind aber auch andere, funktionsgleiche Ventile oder Dichtungen zum Verschließen des Durchlasses 13 denkbar. Beim Verschließen des Durchlasses 13 liegt ein vorbestimmter erster Einfederhub vor.
Der Stützkörper 7 ist zentral und koaxial innerhalb des Abrollkolbens 8 angeordnet und an seinem einen Ende fest mit diesem verbunden. Eine Wandung 20 des Stützkörpers 7 weist mehrere Öffnungen 12 auf, die einen Druckausgleich zwischen einem Stützkörperhohlraum 11 und dem zweiten Druckraum 6 ermöglichen. Bei geöffnetem Dichtungsteller 10 besteht somit eine Verbindung zwischen dem ersten Druckraum 5 über den zweiten Druckraum 6 zum Stützkörperhohlraum 11, was eine geringere Federsteifigkeit aufgrund des größeren Luftvolumens bewirkt.
Der Abrollkolben 8 mit dem zweiten Druckraum 6 reicht topfartig und konzentrisch in den Rollbalg 2 mit dem ersten Druckraum 5 hinein und erlaubt ein Abrollen des Rollbalges 2 an einer Mantelfläche 23 des Abrollkolbens 8 beim Einfedervorgang der Luftfedervorrichtung 1.
Bei einer in Fig. 1 gezeigten Variante ist in einer unbelasteten Ausgangsstellung das erste Anschlussteil 3 in Richtung der Rotationsachse 25 beabstandet von der Zusatzfeder 4 angeordnet. Der Abstand zwischen dem ersten Anschlussteil 3 und der Zusatzfeder 4 entlang der Rotationsachse 25 entspricht dabei der Differenz zwischen dem vorgenannten ersten Einfederhub, bei dem der Dichtungsteller 10 den Durchlass 13 verschließt, und einem zweiten Einfederhub, ab dem die Zusatzfeder 4 komprimiert wird. Beim Einfedervorgang wird zuerst der zweite Einfederhub und bei weiterer Stauchung der Luftfedervorrichtung 1 der erste Einfederhub erreicht.
Wird von einer unbelasteten Ausgangsstellung ausgehend bei einem Einfedervorgang, beispielsweise bei einer Kurvenfahrt oder bei einer bestimmten Last, die Luftfedervorrichtung 1 in Richtung der in Fig. 1 eingezeichneten Pfeile entlang der Rotationsachse 25 gestaucht, so erhöht sich zunächst der Druck innerhalb der kommunizierenden Volumina, also des ersten Druckraums 5, des zweiten Druckraums 6 und des Stützkörperhohlraums 11. Die vom ersten Anschlussteil 3 beabstandet angeordnete Zusatzfeder 4 bleibt bis zum zweiten Einfederhub unbelastet.
Entsprechend einer anderen Ausführungsform wird auch bereits bei geringer Belastung die Zusatzfeder 4 gestaucht, sofern diese auch in der Ausgangsstellung mit dem ersten Anschlussteil 3 in Verbindung steht. Der Dichtungsteller 10 wird durch die Schaltfeder 9 entgegen der Zusatzfeder 4 bis zu einem Begrenzungsanschlag in seiner Öffnungsrichtung vorgespannt und ermöglicht in dieser Stellung einen Druckausgleich zwischen den oben genannten Druckräumen 5, 6 und dem Stützkörperhohlraum 11. Die Federsteifigkeit der Luftfedervorrichtung 1 wird in dieser Stellung durch die Elastizität des Rollbalges 2 und die Größe des zur Verfügung stehenden Kompressionsvolumens 5, 6, 11 sowie der eventuell bereits belasteten Zusatzfeder 4 bestimmt.
Bei einer weiter zunehmenden Belastung wird die Luftfedervorrichtung 1 zunehmend gestaucht, bis die Kraft in der Zusatzfeder 4, die ihr entgegenwirkende Kraft der Schaltfeder 9 übersteigt. Ab diesem Moment bewegt sich der Dichtungsteller 10 in Richtung der Rotationsachse 25 auf den Abrollkolben 8 zu, bis der Dichtungsteller 10 auf die Dichtungsauflage 22 des Abrollkolbens 8 aufliegt und dadurch den Durchlass 13 zwischen den Druckräumen 5 und 6 verschließt. Während dieser Einfederphase ist die Federsteifigkeit durch die kommunizierenden Volumina und die beiden Federn 4,9 bestimmt. Das zur Federung zur Verfügung stehende Luftvolumen beschränkt sich dann ab dem ersten Einfederhub schlagartig auf das des ersten Druckraums 5, wodurch die Federsteifigkeit der Luftfedervorrichtung 1 ansteigt.
Erfindungsgemäß wirkt bei einem weiteren Lastanstieg, d. h. ab einem ersten Einfederhub das Volumen des ersten Druckraums 5, die Elastizität des Rollbalges 2 und die Elastizität der Zusatzfeder 4 auf die Steifigkeit der Luftfedervorrichtung 1. Der zweite Druckraum 6, der Stützkörperhohlraum 11 und die Schaltfeder 9 sind jetzt abgekoppelt und haben keinen Einfluss mehr auf die Federsteifigkeit der Luftfedervorrichtung 1.
Nimmt die Last infolge eines Ausfedervorgangs wieder ab, so öffnet sich ab einem bestimmten Federweg, bei dem die Kraft in der Zusatzfeder 4 kleiner als die Kraft in der Schaltfeder 9 wird, der Dichtungsteller 10 und vergrößert das zur Federung zur Verfügung stehende Luftvolumen schlagartig. Die Federsteifigkeit der Luftfedervorrichtung 1 sinkt.
Durch die Erfindung wird eine Luftfedervorrichtung 1 geschaffen, welche durch eine integrierte Zusatzfeder 4 und eine Schaltfeder 9 über einen Dichtungsteller 10 zusätzliche Luftvolumina 6, 11 zu- oder abschältet, wodurch die Federsteifigkeit der Luftfedervorrichtung 1 optimal den jeweiligen Bedingungen angepasst wird. Im Normalbetrieb weist diese eine weichere Federcharakteristik auf, wogegen bei großen Einfederhüben durch Trennung der zusätzlichen Luftvolumina 6, 11 die Federsteifigkeit erhöht werden kann, was vor allem ein nachteiliges Wankverhalten des Fahrzeugaufbaus vermeidet und somit größere Fahrsicherheit bewirkt.
Das Öffnen und Schließen des Durchlasses 13 durch den Dichtungsteller 10 wird dabei in Abhängigkeit des Einfederhubs durch die Schaltfeder 9 und durch die der Schaltfeder 9 entgegenwirkenden Zusatzfeder 4 bewirkt.

Claims (8)

1. Luftfedervorrichtung (1), insbesondere für eine luftgefederte Fahrzeugachse,
mit einem druckluftbeaufschlagbaren, elastischen Rollbalg (2), dessen Enden jeweils luftdicht an einem ersten Anschlussteil (3) und an einem zweiten Anschlussteil (24) angebracht sind, von denen eines als hohler Abrollkolben (8) ausgebildet ist,
mit einem Dichtungsteller (10), welcher einen Durchlass (13) zwischen einem ersten Druckraum (5) im Rollbalg (2) und einem zweiten Druckraum (6) im Abrollkolben (8) öffnet oder verschließt,
mit einer im ersten Druckraum (5) angeordneten Zusatzfeder (4), die sich zumindest in einem Endbereich des Einfederhubs einerseits an dem dem Abrollkolben (8) gegenüberliegenden Anschlussteil (3) und andererseits am Dichtungsteller (10) in dessen Schließrichtung abstützt,
gekennzeichnet durch
eine Schaltfeder (9), die zwischen dem Abrollkolben (8) und dem Dichtungsteller (10) angeordnet ist und den Dichtungsteller (10) in dessen Öffnungsrichtung vorspannt, wobei die Zusatzfeder (4) und die Schaltfeder (9) so aufeinander abgestimmt sind, dass der Dichtungsteller (10) erst ab einem vorbestimmten ersten Einfederhub den Durchlass (13) verschließt.
2. Luftfedervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zusatzfeder (4) erst ab einem zweiten Einfederhub am jeweiligen Anschlussteil (3, 24) und am Dichtungsteller (10) abstützt, wobei der erste Einfederhub größer als der zweite Einfederhub ist.
3. Luftfedervorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzfeder (4) als Spiralfeder oder als Schraubenfeder oder als elastisch verformbarer Kunststoffkörper ausgebildet ist.
4. Luftfedervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzfeder (4) zusätzlich als Dämpfer ausgestaltet ist.
5. Luftfedervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abrollkolben (8) im zweiten Druckraum (6) einen zylindrischen Stützkörper (7) aufweist, der zur Abstützung der Schaltfeder (9) gegen den hohlen Abrollkolben (8) dient.
6. Luftfedervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung (20) des Stützkörpers (7) Öffnungen (12) aufweist, die einen Innenraum (11) des Stützkörpers (7) mit einem Innenraum (6) des Abrollkolbens (8) verbinden.
7. Luftfedervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzfeder (4) mit ihrem einen Ende am Dichtungsteller (10) und/oder mit ihrem anderen Ende am jeweiligen Anschlussteil (3) befestigt ist.
8. Luftfedervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfeder (9) als Tellerfederpaket ausgebildet ist.
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