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Hydropneumatisches, selbstpumpendes Teleskopfederbein, insbesondere
für Kraftfahrzeuge Die Erfindung bezieht sich auf hydropneumatische, selbstpumpende
Teleskopfederbeine insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem oder mehreren ölgefüllten
Arbeitsräumen, die durch den Druck von Gaspolstern belastet sind, und mit einer
an einer Querwand der Arbeitsräume oder des Arbeitskolbens befestigten Pumpenstange,
die aus einem Ölraum niederen Druckes Öl in einen Pumpenzylinder saugt, in einen
Raum höheren Druckes fördert und Steuerkanten oder Steueröffnungen besitzt, die
hubabhängig mit Steueröffnungen oder Steuerkanten des Pumpenzylinders zusammenarbeiten
und Verbindungen der Arbeitsräume miteinander oder mit dem Pumpenzylinder freigeben
oder schließen.
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Bei bekannten Federbeinen dieser Art, z. B. nach der USA.-Patentschrift
2 436 573, werden Steuerkanten von dem starr mit dem Arbeitskolben verbundenen Mantel
des Pumpenzylinders gebildet. In nachteiliger Weise werden hierbei hohe Anforderungen
an die genaue zentrische Lage der einzelnen Teile zueinander und ihre Schlagfreiheit
gestellt.
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Die Erfindung löst die Aufgabe, ein Federbein zu schaffen, bei dem
keine hohen Anforderungen an die zentrische Lage und die Schlagfreiheit der einzelnen
Teile zueinander gestellt werden müssen und insbesondere fertigungsbedingte Mittigkeitsfehler
sich auf die Höhenregulierung nicht nachteilig auswirken. Die Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte die Pumpenstange eng umfassende, nachgiebig
und zum mindesten in einer Bewegungsrichtung des Federbeins dicht mit dem Pumpenzylinder
verbundene Hülse frei in den Hohlraum des Pumpenzylinders ragt und die Steueröffnungen
oder Steuerkanten aufweist, die mit Steuerkanten oder Steueröffnungen der Pumpenstange
zusammen die Niveauregulierung bewirken. Auf diese Weise kann die Steuerkülse seitlich
und winklig nachgeben und dennoch die Pumpenstange sehr eng umschließen, so daß
Ölverluste durch den Spalt zwischen Pumpenstange und Pumpenzylinder ganz oder nahezu
ganz ausgeschlossen sind.
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Nach der französischen Patentschrift 1261449 ist bei selbstpumpenden
Teleskopfederbeinen eine die Pumpenstange eng umfassende und in einer Bewegungsrichtung
des Federbeins dicht mit dem Pumpenzylinder verbundene Hülse bekannt. Dieses Teleskopfederbein
pumpt überwiegend Luft und fällt damit nur teilweise unter den Oberbegriff der Erfindung.
Die Hülse ragt weder frei in den Hohlraum des Pumpenzylinders, noch weist sie Steueröffnungen
oder Steuerkanten auf, die mit Steuerkanten oder Steueröffnungen der Pumpenstange
zusammen die Niveauregulierung bewirken. Das Federbein nach der französischen Schrift
konnte daher nicht Lehre für die Erfindung sein.
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Die Steuerhülse läßt sich auch so ausbilden, daß in an sich aus der
obengenannten französischen Patentschrift bekannter Weise ein äußerer Kragen derselben
mit einem Ventilsitz am Pumpenzylinder ein Rückschlagventil bildet. Auf diese Weise
kann die Steuerhülse zugleich die Funktion eines Einlaß- oder Auslaßventils der
Pumpe übernehmen, und die Anordnung eines besonderen Ventils kann gespart werden.
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Vorzugsweise ist der Pumpenzylinder ein Teil des hohlen Arbeitskolbens.
Dann ergibt die frei in den Arbeitskolben hineinragende Steuerhülse einen sehr einfachen
Aufbau für Federbeine, bei denen der ölgefüllte Arbeitszylinder durch den Kolben
in zwei Arbeitsräume unterteilt ist, die durch Durchlässe im Kolben miteinander
verbunden sind, und bei denen Ausgleichsräume angeordnet sind, von denen einer,
der das federnde Gaspolster aufnimmt, mit einem Arbeitsraum kommuniziert und ein
anderer als Vorratsbehälter dient, wenn der das federnde Gaspolster aufnehmende
Ausgleichsraum mit dem Arbeitsraum der Kolbenstangenaustrittsseite kommuniziert.
Bei bekannten selbstpumpenden Federbeinen der geschilderten Art ist der das Gaspolster
aufnehmende Ausgleichsraum mit dem Arbeitsraum verbunden, der der Kolbenstangenaustrittsseite
abgewandt ist. Die frei in den hohlen Arbeitskolben hineinragende Steuerhülse ist
auch dann vorteilhaft anzuwenden, wenn nicht nur die eindringende Pumpenstange,
sondern auch die Verdrängung der
von dem Arbeitskolben und der Kolbenstange
gebildeten Ringfläche als Pumpe benutzt wird.
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In den Zeichnungen sind drei Ausführungsbeispiele von Federbeinen
mit Steuerhülse gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt F i a. 1 ein Federbein
mit durchgehenden Arbeitskolben und einer Steuerhülse, die im eingeschobenen Bereich
des Kolbens eine Steueröffnung der Pumpenstange überdeckt, F i g. 2 ein Federbein
mit einem- Stufenarbeitskolben und einer als Ansaugventil dienenden Steuerhülse,
die im ausgezogenen Bereich des Kolbens eine Steueröffnung der Pumpenstange überdeckt,
F i g. 3 ein Federbein mit durch Durchlässe im Arbeitskolben verbundenen Arbeitsräumen
und einer als Auslaßventil dienenden Steuerhülse, wobei im ausgezogenen Bereich
des Kolbens das Ablassen von Öl aus dem Arbeitsraum in den Vorratsraum durch Steueröffnungen
der Pumpenstange erfolgt, F i g. 4 eine Montageuntergruppe des Federbeins der F
i g. 3.
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Das Federbein der F i g. 1 besteht aus dem Arbeitskolben 1 mit Befestigungsstift
2, dem Arbeitszylinder 3 innerhalb des Gehäuses 4, das durch einen Deckel 5 und
einen mit Befestigungsstift 36 versehenen Boden 6 abgeschlossen ist. Das Gehäuse
4 umschließt den ringförmigen Ausgleichsraum 7, der über Drosselbohrungen 12 mit
dem Arbeitsraum 13 des Arbeitszylinders 3 kommuniziert und aus dem Ölraum 8 sowie
- getrennt durch den Trennkolben 10 - aus dem Gasraum 9 besteht. Das Gehäuse 4 enthält
außerdem den zum Teil mit Öl und zum Teil mit Gas gefüllten Vorratsbehälter 11,
der gegenüber dem Arbeitsraum 13 und dem Ausgleichsraum 7 abgedichtet ist. Die hohle
Pumpenstange 20 ist an der Querwand 21 befestigt und taucht mit ihrem einen Ende
22 in den Ölraum des Vorratsbehälters 11 ein. An ihrem anderen Ende trägt sie das
Saugventil 23. Die Steuerhülse 24 ist mittels elastischer Ringe 26 und 27, die einen
Kragen 28 der Steuerhülse 24 halten, nachgiebig und dicht an dem stirnseitigen Ende
25 des Arbeitskolbens 1 befestigt. Die Steueröffnung 30 im Mantel der Pumpenstange
20 ist in der Gezeichneten Stellung gerade von der Steuerkante 31 der Steuerhülse
24 freigegeben, so daß eine Verbindung zwischen dem Arbeitsraum 13 und dem Vorratsbehälter
11 besteht und Öl aus dem Arbeitsraum 13 abgelassen wird. Die dadurch verringerte
Traafähigkeit des Federbeins läßt den Arbeitskolben 1 absinken. bis die Steueröffnung
30 abgeschlossen wird und ein weiteres Ablassen von Öl unterbleibt. Das ir. den
Hohlraum 32 des Arbeitskolbens 1. hineinragende Ende der Steuerhülse 24 ist so lang
ausaeführt, daß bei vollem Absinken des Arbeitskolbens bis zum mechanischen Anschlag
die Steueröffnung 30 überdeckt bleibt. An dem stirnseitigen Ende 25 des Arbeitskolbens
1 ist das Auslaßventii 29 vorgesehen.
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Der Hohlraum 32 des Arbeitskolbens 1 stellt den Pumpenzylinder des
Federbeins dar. Eine durch das ausiauschende Volumen der Pumpenstange 20 bestimmte
Ölmenge wird in den Hohlraum 32 durch das Saugventil 23 aus dem Vorratsbehälter
11 gesaugt und bei umgekehrter Richtung der Pumpenstange 20 aus dem Hohlraum 32
durch das Auslaßventil 29 in den Arbeitsraum 13 gefördert. Der Arbeitskolben 1 ist
durch die Dichtung 14 gegenüber dem Arbeitszylinder 3 und durch die Dichtung 15
gegenüber dem Deckel 5 abgedichtet. Um die Druckbelastung der Dichtung 15
abzumildern, ist eine Öffnung 16 im Arbeitskolben 1 vorgesehen, damit der
Druck im Spalt 17 zwischen Arbeitskolben 1 und Arbeitszylinder 3 sich auf einen
Mittelwert zwischen Pumpeneinlaß- und Pumpenauslaßdruck einstellen kann.
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Während bei dem Federbein der F i g. 1 der Druck im Vorratsbehälter
11 in der Regel geringer ist als der Druck im federnden Gasraum 9, ist bei dem Federbein
der F i g. 2 der Druck im Vorratsbehälter 211 in der Regel größer als der Druck
im Gaspolster 209, das den Arbeitsraum 213 über den Trennkolben 210 und die Drosselbohrung
212 belastet. Die Pumpenstange 220 ist an der Querwand 221 befestigt, durch
die hindurch eine Verbindung 218 mit dem Vorratsbehälter 211 besteht.
Die Steuerhülse 224 besitzt einen Kragen 228, der mit dem stirnseitigen
Ende 225 des als Stufenkolben ausgebildeten Arbeitskolbens 201 als Saugventil
zusammenarbeitet. Das Auslaßventil 223 befindet sich in der hohlen Pumpenstange
220. Die Steueröffnung 230 in der Pumpenstange 220 wird im eingefederten
Bereich des Arbeitskolbens 201 freigegeben und im ausgefederten Bereich von der
Steuerhülse 224 überdeckt bzw. dicht abgeschlossen. Eine eng kalibrierte Öffnung
219 in der Wand des Arbeitszylinders 203 läßt im ganzen Hubbereich Öl aus
dem Vorratsbehälter 211 in den Arbeitsraum 213
treten, so daß der Arbeitskolben
201 ständig das Bestreben hat, aus dem Gehäuse 204 herauszutreten. Im ausgezogenen
Bereich des Arbeitskolbens 201 ist die Pumpe in Tätigkeit, solange die Steueröffnung
230 von der Steuerhülse 224 überdeckt ist, und setzt die Tragfähigkeit des Arbeitskolbens
201 so lange durch Erniedrigung des Druckes im Arbeitsraum 213
infolge
der Förderung von Öl in den Vorratsbehälter 211 herab, bis die Steueröffnung 230
in der gezeichneten Mittellage freigegeben wird und ein weiteres Fördern von Öl
unterbleibt. Die im ausgezogenen Bereich des Arbeitskolbens 201 durch die Pumpe
aus dem Arbeitsraum 213 in den Vorratsbehälter 211
gepumpte Ölmenge ist auch
bei kleinen Pumpbewegungen größer als die durch die kalibrierte Öffnung 219 in den
Arbeitsraum 213 allmählich zurückströmende Ölmenge. Von der kalibrierten Öffnung
219 führt eine Verbindungsleitung 233 unter den Ölspiegel 234 im Vorratsbehälter
211. Beim Aufhören der Pumpbewegungen, z. B. bei Stillstand, erfolgt Druckausgleich
zwischen Vorratsbehälter 211
und Arbeitsraum 213, wodurch die Niveauregelung
aussetzt, da das Federbein seiner größten Länge zustrebt. Damit dieser Vorgang nur
langsam vorgeht und das normale Fahrverhalten nicht stört, muß die kalibrierte Öffnung
219, wie schon angegeben, sehr eng bemessen sein.
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Das in dem Ringraum 235 des als Stufenkolben ausgebildeten Arbeitskolbens
201 bei den Bewe-Qungen des Kolbens veränderliche Ölvolumen wird durch die Verbindung
237 mit dem Hohlraum 232
des Arbeitskolbens 201 ausgetauscht. Beim Ausziehen
des Arbeitskolbens 201 dringt Öl aus dem Ringraum 235 in den Hohlraum 232.
Gleichzeitig tritt die Pumpenstange 220 aus dem Hohlraum 232 aus, so daß als wirksame
Kolbenfläche für das Pumpen die Differenz der Ringfläche des Ringraumes 235 und
der Querschnittsfläche der Pumpenstange 220 in Erscheinung tritt. Wenn die
Ringfläche groß und die Pumpenstangenfläche klein ist, wirkt die Pumpen-
Stange
im wesentlichen nur als Verbindungsleitung des Ringraumes 235 mit dem Vorratsbehälter
211 durch das Auslaßventil 223 hindurch.
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Gemäß F i g. 3 teilt der mit Durchlässen 348 versehene Kolben 338
am Ende der hohlen Kolbenstange 301 den Arbeitszylinder 303 in die Arbeitsräume
313 und 335. Der kolbenstangenseitige Arbeitsraum 335 steht über öffnungen 312 mit
dem Öl des Ausgleichsraumes 308 in Verbindung, das durch das Federkräfte erzeugende
Gaspolster 309 belastet ist, wobei als bewegliche Trennwand eine Membran 310 vorgesehen
ist. Zwischen dem Arbeitsraum 335 und dem Ausgleichsraum 308 sind weitere vorzugsweise
enge Verbindungsquerschnitte 339, 349 vorgesehen, insbesondere um die Bildung von
toten Ölräumen zwischen dem Arbeitszylinder 303 und der Membran 310 zu verhindern.
Ausgleichsraum 308
und Gaspolster 309 sind in dem Ringraum zwischen Arbeitszylinder
303 und Außenrohr 304 angeordnet. Im gleichen Ringraum ist, getrennt durch die Zwischenwand
340, der Vorratsbehälter 311 vorgesehen, der über eine bewegliche Trennwand 334
mit dem Gaspolster 314 in Verbindung steht. Der Druck des Gaspolsters 341 ist vorzugsweise
im Ausgangszustand, bevor eine Pumpwirkung eingesetzt hat, gleich dem Druck des
Gaspolsters 309, so daß im Ausgangszustand die Tragkraft des Federbeins gleich dem
Produkt aus Fläche der Kolbenstange 301 und dem Druck der Gaspolster 309 bzw. 341
ist.
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Die Pumpenstange 320 ist an der Querwand 321 gelenkig befestigt und
von der Steuerhülse 324 eng umschlossen, deren Kragen 328 zusammen mit dem stirnseitigen
Ende 325 der Kolbenstange 301 das Auslaßventil für den Hohlraum 332 des Pumpenzylinders
bildet. Der Hohlraum 332 wird beim Ausziehen der Kolbenstange 301 durch das Ansaugventil
323, die hohle Pumpenstange 320 und die öffnung 312 aus dem Vorratsbehälter 311
gefüllt. Beim Einschieben wird der Hohlraum 332 durch Abheben des Kragens 328 in
den Arbeitsraum 313 entleert. Solange die Steueröffnung 330 der Pumpenstange bei
eingeschobener Kolbenstange geschlossen ist, ist die Pumpe voll wirksam. Im ausgezogenen
Bereich der Kolbenstange 301 ist die Steueröffnung 330 außerhalb der Steuerhülse
324 offen, so daß öl aus dem Arbeitsraum 313 durch die Steueröffnung 330 in den
Vorratsbehälter 311 entweichen kann und die bekannte Höhenregulierung erfolgt. Eine
weitere Steueröffnung 350 unterstützt das Ablassen.
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Die Ausdehnung der membranförmigen Trennwand 334 nach außen ist durch
eine Abstandshülse 342 begrenzt, die zugleich den axialen Druck der Zwischenwand
340 aufnimmt. Die Abstandshülse 342 ist lose im Außenrohr 304 geführt. Wie die F
i g. 4 zeigt, besteht die Möglichkeit, durch einen Füllstutzen 344 das Gaspolster
341 vor der Montage mit Gas von gewünschtem Druck zu füllen, wobei die Trennwand
334 stirnseitig durch die Zwischenwand 340 und durch einen Ring
343 gehalten ist. Auf diese Weise bildet die als Membran ausgebildete Trennwand
334 zusammen mit dem Zylinderrohr für den Arbeitszylinder 303, der Zwischenwand
340, dem Ring 343 und der Abstandshülse 342 eine Baugruppe, die bei
der Montage in das Außenrohr 304 eingesetzt werden kann. Sobald das Federbein bei
der Montage mit Öl gefüllt und verschlossen ist, wird durch eine Öffnung 345 das
Gaspolster 309 gefüllt, bis das Federbein den gewünschten Betriebsdruck hat. Hierbei
befindet sich die Kolbenstange 301 in ganz ausgezogener Stellung, in der sich der
vom Gaspolster 309 auf das Öl übertragene Druck durch die Steueröffnung 330
hindurch in alle Teile des Federbeins fortpflanzen kann.
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Die Pumpenstange kann auch an einer Querwand des Arbeitskolbens befestigt
und der Pumpenzylinder ein mit dem Arbeitszylinder zusammenhängendes Teil sein.
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Die offenen oder ventilbestückten Drosselbohrungen oder Verbindungsquerschnitte
12, 212, 237, 312, 348 zwischen den Arbeits- und Ausgleichsräumen können
so bemessen sein, daß durch Drosselung gewollte Dämpfungsarbeit zusätzlich zu der
Dämpfungsarbeit darstellenden Pumparbeit erzeugt wird. Dabei ist es zweckmäßig,
die Pumparbeit durch Wahl entsprechender Pumpenquerschnitte im wesentlichen für
die Dämpfung des Fahrzeugaufbaus auszulegen, dessen Schwinggeschwindigkeit maximal
etwa 0,6 m/s beträgt, und die Dämpfungsarbeit durch Drosselung so auszulegen, daß
sie bei dieser Schwinggeschwindigkeit gering ist, jedoch bei hohen Geschwindigkeiten,
die für die Achsschwingungen 2 m/s und mehr betragen können, groß wird. Dies ist
z. B. in einfacher Weise mit kurzen offenen Kanälen möglich, deren Geschwindigkeitsabhängigkeit
etwa quadratisch ist. Die Pumparbeit wird in erwünschter Weise mit zunehmender Belastung
größer. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Pumparbeit und damit die Dämpfungsarbeit
durch entsprechende Bemessung und Zahl der Steueröffnungen 30, 230, 330, 350 zu
beeinflussen. Eine weitere Beeinflussung des Dämpfungsverhaltens ist durch die Lage.
Zahl und Größe der zusätzlichen Verbindungsquerschnitte 339, 349 gegeben, die hubabhängig
im ausgezogenen Bereich der Kolbenstange 301 eine Verbindung zwischen den Arbeitsräumen
313 und 335 herstellen, im eingeschobenen Bereich jedoch nicht. Der zum Pumpen benutzte
Ringraum 235 des als Stufenkolbens ausgebildeten Arbeitskolbens 201 kann zusätzlich
eine eng kalibrierte Öffnung 247 in dem Arbeitszylinder 203 zur Beeinflussung des
Pumpendiagramms oder für Entlüftungs- oder ähnliche Zwecke besitzen.