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Kolbenpumpe für hydropneumatische Federungen von Kraftfahrzeugen mit
Niveauregelung Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenpumpe mit zwei unabhängigen
Arbeitsräumen für hydropneumatische Federungen von Kraftfahrzeugen mit Niveauregelung
zur Förderung von Hydraulikflüssigkeit aus einem Niederdruck- in einen Hochdruckraum
von unabhängigen hydraulischen Federelementen, bei denen die Summe der öhnengen
im Niederdruckraum, im Hochdruckraum und in den Verbindungsleitungen konstant ist.
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Bei hydropneumatischen Federungen mit Höhenregelung ist es bekannt,
die Höhenregler mehrerer Federelemente an einen gemeinsamen Druckspeicher und einen
gemeinsamen Vorratsbehälter anzuschließen, wobei der Druckspeicher und der Vorratsbehälter
meist mit einer Pumpe und einem Abschaltventil als ölkreislauf so geschaltet sind,
daß die durch die Regelvorgänge verbrauchte und in Wärme umgesetzte Energie möglichst
klein ist.
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Will man lastabhängige, hydropneumatische Federelemente nach den deutschen
Auslegeschriften 1057 891, 1135 779, bei denen die Summe der ölmengen in
einem Niederdruckarbeitsraum, einem Hochdruckarbeitsraum und in den Verbindungsleitungen
konstant ist, für die Abfederung von Fahrzeugen als unabhängige Federelemente benutzen
und regeln, so muß jedes einzelne Federelement mit einem unabhängigen ölkreislauf
ausgerüstet sein, da die Versorgung mehrerer Federelemente nicht von einer gemeinsamen
Einrichtung erfolgen kann. Mehrere Ölkreisläufe mit mehreren Druckspeichern, Pumpen,
Abschaltventilen auszurüsten, ist aufwendig, und es ist daher einfacher, für jedes
Federelement in gemäß der Auslegeschrift 1135 779 bekannter Weise eine Pumpe
vorzusehen, die dauernd fördert, und den Rückfluß von dem Hochdruckraum in den Niederdruckraum
durch einen Regler zu steuern. Aber auch dann entsteht bei Verwendung bekannter
Pumpen eine sehr aufwendige Regelanlage.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenpumpe mit zwei
voneinander unabhängigen Arbeitsräumen zu schaffen, die betriebssicher arbeitet,
einfach aufgebaut und leicht herzustellen ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß ein in fluchtenden Bohrungen eines Pumpengehäuses beidseitig geführter, schaftförmiger
Pumpenkolben mit seinen beiden Enden in voneinander unabhängigen Arbeitsräumen
Öl ansaugt und verdrängt und mittels in der Mitte seines Schaftes angreifender
Antriebsmittel hin- und herbewegt wird.
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Wenn eine derartige Kolbenpumpe dauernd fördert, d. h. dauernd
Öl vom Niederdruckniveau auf das Hochdruckniveau hebt, so wird dauernd Arbeit
geleistet, die beim Rückströmen des öls durch den Höhenregler vernichtet und in
Wärme umgesetzt wird. Eine nachteilige Erwärmung verringert die Pumpe, die zweckmäßig
in ihrer Förderinenge äußerst knapp bemessen wird, nach einem weiteren Merkmal der
Erfindung dadurch, daß in den übertragungsmitteln elastische Glieder vorgesehen
sind, die bei an sich konstantem Antriebshub den nutzbaren Hub des Pumpenkolbens,
die geleistete Pumpenarbeit und somit die Erwärmung verringern.
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Aus der deutschen Auslegeschrift 1117 412 ist es bekannt, in
den Antriebsmitteln für den Pumpenkolben eines selbstpumpenden hydropneumatischen
Federbeins elastische Mittel zur Druckbegrenzung vorzusehen, die bei konstantem
Antriebshub den nutzbaren Förderhub des Pumpenkolbens mit zunehmendem Förderdruck
stetig verringern, wobei diese Mittel aus einem in einer Richtung durch eine Schraubenfeder
abgefederten Pumpenkolben bestehen. Sobald die Kraft der Schraubenfeder nicht mehr
ausreicht, das Auslaßventil der Pumpe zu öffnen, hört die Bewegung des Pumpenkolbens
ganz auf und wird nur noch die Schraubenfeder gespannt und entspannt. In ähnlicher
Weise bewirken die nach der Erfindung angewendeten elastischen Glieder bei zunehmendem
Förderdruck eine allmähliche und stetige Verringerung des Nutzhubes der Pumpe.
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Wenn bei Regelbeginn der Druck im Niederdruckraum gleich dem im Hochdruckraum
ist, wobei die entsprechende Tragfähigkeit des Federelements gleich der für die
Leerlast benötigten sein kann, so
ist zunächst der nutzbare Hub
des Pumpenkolbens gleich oder nahezu gleich dem des Antriebshubes, und die maximal
mögliche öhnenge wird gefördert, so daß bei Lasterhöhung der Regelvorgang zunächst
mit der höchstmöglichen Geschwindigkeit vor sich geht. Je größer beim Anheben des
durch die Lasterhöhung abgesunkenen Fahrzeugaufbaus der Druckunterschied zwischen.
Hochdruck- und Niederdruckraum wird, um so kleiner wird der nutzbare Hub und in
gewollter Weise um so kleiner die geleistete Arbeit der Pumpe, verglichen mit der
dem vollen Antriebshub entsprechenden Leistung. Für den Ablauf der Regelung ist
dies in keiner Weise von Nachteil, da bei hohem Druckunterschied die Tragfähigkeit
des Federeleinents mit der Fördermenge der Pumpe schneller wächst als bei geringem
Druckunterschied.
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Wenn unter irgendwelchen Betriebszuständen der Förderdruck der Pumpe
immer wieder steigt, so wird die Nutzleistung der Pumpe schließlich Null, wenn der
elastisch aufgenommene Hub gleich dem Antriebshub ist. Dadurch wird zugleich der
maximal mögliche, von der Pumpe erzeugte Druckunterschied zwischen Hochdruck- und
Niederdruckraum begrenzt. Es ist ' möglich, diesen Grenzdruck so zu wählen,
daß die dem Fahrzeug zumutbare Überlast nicht überschritten wird.
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In der Zeichnung zeigt F i g. 1 das Schema einer mit der erfindungsgemäßen
Kolbenpumpe ausgerüsteten Luftfederung, F i g. 2 eine Kolbenpumpe im Schnitt,
die für die Federung nach F i g. 1 verwendbar ist, F i g. 3 das Schema
einer Luftfederung, bei der die Kolbenpumpe nur einem Federelement zugeordnet ist,
F i g. 4 das Schema einer Luftfederung, bei der eine mit zwei Saugventilen
und zwei Auslaßventilen ausgerüstete Förderseite der Kolbenpumpe mit zwei Federelementen
zusammenarbeitet, F i g. 5 eine Kolbenpumpe iin Schnitt mit Absaugung ihres
Kurbelgehäuses, F i g. 6 das Kraft-Weg-Diagramm bei niederem Differenzdruck
zwischen Hochdruck- und Niederdruckraum, F i g. 7 das Kraft-Weg-Diagranun
bei mittlerem Differenzdruck und F i g. 8 das Kraft-Weg-Diagramm bei hohem
Differenzdruck.
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Hydropneumatische Federelemente 101 und 102 sind in bekannter
Weise zwischen gefederten und ungefederten Massen 120 bzw. 121 und 122 eines Fahrzeugs
eingebaut und weisen in nicht gezeichneter Weise Niederdruck- und Hochdruckräume
auf. Von Niederdruckanschlüssen 103 und 104 wird ständig Öl
mittels
einer Kolbenpumpe 107 zu Hochdruckanschlüssen 105 bzw. 106
gefördert, wodurch die Tragfähigkeit der Federelemente steigt und die gefederte
Masse 120 des Aufbaus gehoben wird. Nach Erreichen einer bestimmten Höhenlage strömt
durch nicht gezeichnete Einrichtungen innerhalb der Elemente 101 bzw. 102
Öl vom Hochdruckraum zum Niederdruckraum zurück. Die Kolbenpumpe weist an
einem Ende einen Sauganschluß 111 und einen Druckanschluß 112, am anderen
Ende einen Sauganschluß 114 und einen Druckanschluß 115 auf. Die Kolbenpumpe
ist durch einen Riementrieb 109 angetrieben.
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Im Pumpengehäuse 207 nach F i g. 2 wird ein Schwinghebel
203 mittels Kurbel 201 und Pleuel 202 in schwingende Bewegung versetzt, wobei
der Schwinghebel 203 um den durch ein Gelenklager 204 gebildeten Drehpunkt
schwingt. Etwa in seiner Mitte überträgt der Schwinghebel 203 die schwingende
Bewegung über elastische Glieder auf einen Pumpenkolben 205. Die elastischen
Glieder bestehen aus gegeneinandergespannten kautschukelastischen Ringen
208 und 209, die sich einerseits an dem Schwinghebel 203 und
andererseits an Scheiben 210 und 211 abstützen, die mittels Sprengringen am Pumpenkolben
205 befestigt sind. Der Pumpenkolben 205 ist beiderseits in fluchtenden
Bohrungen 212 und 213 des Pumpengehäuses 207 geführt.
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Durch Dieb lange Führung des Kolbens ist jede Kippgefahr beseitigt.
In einfacher Weise können die Bohrungen 212 und
213 in einem Arbeitsgang
genau bearbeitet werden. Der Pumpenkolben
205 hat einen nur von den Nuten
für die Sprengringe unterbrochenen glatten Schaft, der sich ebenfalls genau bearbeiten
läßt. Dadurch wird eine gute Dichtung zwischen den Bohrungen 212 und
213
und dem Pumpenkolben
205 ermöglicht. Die beiden I<dlbeur enden 214 und
215 des Pumpenkolbens arbeiten unabhängig voneinander in Arbeitsräumen
216 und
217, die über Saugventilkammern 218 bzw.
219 mit Sauganschlüssen
220 bzw. 221 und über Druckventilkammern 222 bzw.
223 mit Druckanschlüssen
224 bzw.
225 in Verbindung stehen.
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Wenn Gefahr besteht, daß von den Sauganschlüssen Gas in die Arbeitsräume
216 oder 217
gelangt, so werden in zweckmäßiger Weise die Druckanschlüsse
224 und 225 an der untersten Stelle angeordnet, damit das durch besonders
vorgesehene Undichtheiten zwischen Druckanschluß und Arbeitsräumen 216 bzw.
217 durchsickernde Öl die Gasblasen im Arbeitsraum auf den Druck des
Hochdruckraums komprimiert und durch die Pumpstöße schließlich ausscheidet.
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Ein Kurbelgehäuse 230 der Kolbenpumpe kann durch Bohrungen
231 nach außen entlüftet sein. Es kann auch nicht entlüftet sein, und es
kann vorgesehen werden, das Kurbelgehäuse 230 über einen Kanal
233 mit der Saugventilkammer 218 zu verbinden, um auf diese Weise
den Druck im Kurbelgehäuse auf den Druck des Niederdruckraums zu beschränken und
die Dichtung einer nach außen geführten Kurbelwelle 232 zu entlasten.
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Nach F i g. 3 ist nur eine Förderseite 316 einer Kolbenpumpe
307 an einen Niederdruckanschluß 303
bzw. einen Hochdruckanschluß
305 eines Federelements 301 angeschlossen, während an der anderen
Förderseite 317 keine äußeren Anschlüsse vorgesehen sind. Durch nicht gezeichnete
Kanäle und Ventile ist die Förderseite 317 der Förderseite 316
parallel
geschaltet, so daß eine doppeltwirkende Kolbenpumpe entsteht.
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Nach F i g. 4 ist eine Förderseite 416 einer Kolbenpumpe 407
mit je zwei Sauganschlüssen 411 und 412 und je zwei Druckanschlüssen 413
und 414 versehen, die jeweils mit den Niederdruck- bzw. Hochdruckanschlüssen der
Federelemente 401 bzw. 402 zusammenarbeiten. Die andere Förderseite 417 der Pumpe
kann ähnlich F i g. 3 nach außen blind sein oder in nicht gezeichneter Weise
ebenfalls Saug- und Druckanschlüsse tragen, die mit anderen nicht gezeichneten Federelementen
zusammenarbeiten. Mit der hydraulischen Schaltung nach F i g. 4 wird erreicht,
daß die Pumpe zuerst aus dem Niederdruckraum
des Federelements
401 oder 402 saugt, in dem jeweils der größere Druck herrscht, und zuerst in den
Hochdruckraum fördert, in dem jeweils der kleinere Druck herrscht. Durch diesen
Effekt, der gemäß der deutschen Auslegesehrift 1209 443 bekannt ist, wird
erreicht, daß immer das Federelement, das am meisten abgeregelt hat, bei dem also
der Druckunterschied zwischen Niederdruck- und Hochdruckraum am kleinsten ist, zuerst
wieder auf die der Geradeausfahrt entsprechenden Drücke gebracht wird, wenn vorher
bei der Kurvenfahrt das Federelement des kurveninneren Rades entsprechend der durch
die Fliehkraft bedingten Entlastung hydraulisch abgeregelt hat.
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Gemäß F i g. 5 erfolgt der Antrieb eines Pumpenkolbens
505 über einen Biegehebel 503 mittels einer durch ein elastisches
Zwischenglied 508 in Längsrichtung elastischen Pleuelstange 502 und
einer Kurbel 501. Der Blegehebel ist im Punkt 504 drehbar gelagert. Die eine
Förderseite 514 des Pumpenkolbens 505 fördert aus einen Sauganschluß
520 zu einem Druckanschluß 524. Die andere Förderseite 515 wird benutzt,
um aus einem Kurbelgehäuse 530
der Kolbenpumpe mittels eines Saugventils
531 und eines Druckventils 532 in die Saugventilkammer 518
auf
der Förderseite 514 des Kolbens zu fördern. Auf diese Weise wird erreicht, daß das
Kurbelgehäuse 530
drucklos bleibt, auch wenn durch Undichtheiten
Öl
zwischen Pumpenkolben 505 und Pumpengehäuse 507 in das Kurbelgehäuse
530 dringt.
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Ein Federelement, z. B. 101 nach F i g. 1 trägt in seinem
Anfangszustand, bei dem im Niederdruckraum und im Hochdruckraum der gleiche Druck
herrscht, eine gewisse Last, die »Grundlast«. Diese Grundlast kann der Belastung
des leeren Fahrzeugs entsprechen. Wenn das Fahrzeug beladen wird und das Federelement
das Fahrzeug hochpumpt, wobei im Niederdruckraum der Druck sinkt und im Hochdruckraum
der Druck steigt, wird der Differenzdruck zwischen beiden Räumen allmählich immer
größer. Der zunehmende Differenzdruck beeinflußt die Zusammendrückung der elastischen
Glieder (Ringe 208
und 209 bzw. Zwischenglied 508), wodurch
der wirksame Hub der Kolbenpumpe verringert wird.
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Die Kraft-Weg-Diagramme des Antriebs und die der Kolbenpumpe sind
in F i g. 6, 7 und 8 dargestellt. In allen Figuren ist der Hub des
Antriebs mit h und der wirksame Hub der Kolbenpumpe mit h' bezeichnet, während h"
der durch den Einfluß des elastischen Gliedes hervorgerufene Verlusthub ist. Die
Hübe sind jeweils als Abszisse und die Kräfte bzw. Drücke als Ordinate aufgetragen.
Jede Figur zeigt unten das Schaubild der Weg-Kraft-Verhältnisse des Sang- und Druckhubes
am Antrieb und darüber das Schaubild derjenigen des Druckhubes am Pumpenkolben.
Der Linienzug 1 bezeichnet die Federkennlinie des elastischen Gliedes. Der
Förderhub der Pumpe setzt jeweils erst ein, wenn durch die Zusammendrückung des
elastischen Gliedes um den Wert h" die erforderliche Kraft zum Bewegen des durch
den Hochdruck belasteten Pumpenkolbens erreicht ist. Von dem Förderbeginn 2 an erfolgt
das Ausschieben von Flüssigkeit bis zum Förderende 3.
Bei der Bewegungsumkehr
des Antriebs erfolgt Kraftabfall auf den Wert 4, wiederum entsprechend der nunmehr
erfolgenden Entspannung des elastischen Gliedes. Es ist deutlich zu erkennen, daß
bei zunehmendem Differenzdruck A p der Verlusthub h" immer größer
wird, der Nutzhub h' immer kleiner, und die aufzuwendende Arbeit steigt nicht in
dem Maß, wie der Differenzdruck steigt. Nach F i g. 8 ist die bei hohem Differenzdruck
zu leistende, schraffiert gezeichnete Arbeit 6 etwa nur ein Viertel der entgegengesetzt
schraffiert gezeichneten Arbeit 7, die erforderlich wäre, wenn der Pumpenhub
gleich dem Antriebshub wäre.
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Infolge der sehr verringerten Arbeitsleistung mit steigendem Differenzdruck
besteht keine Gefahr, daß das Öl in der Kolbenpumpe zu sehr erwärmt wird.
Wenn der Differenzdruck so groß ist, daß der Verlusthub Y' gleich dem Antriebshub
h wird, so wird überhaupt keine Pumpenarbeit geleistet. Hiermit ist ein Sicherheitsventil
gebildet und verhindert, daß der Differenzdruck über ein gewolltes Maß hinaus steigen
kann.