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Hydropneumatische Teleskopfeder für Fahrzeuge Die Erfindung betrifft
eine hydropneumatische Teleskopfeder für Fahrzeuge mit einer Pumpe zum Zurückpumpen
der aufgefangenen Leckflüssigkeit, die einen von einer Feder getragenen Pumpenkolben
und einen Pumpenraum aufweist, wobei der Pumpenraum mittels eines Druckventils mit
einem Druckraum im Inneren der Teleskopfeder und mittels eines Saugventils mit einem
Sammelraum für die Leckflüssigkeit verbunden ist.
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Hydropneumatische Einrichtungen zur Federung von Fahrzeugen erfordern
eine vollkommene Abdichtung der Flüssigkeit und der Luft, die als Füllung derartiger
Einrichtungen verwendet werden. Auch bei der sorgfältigsten Abdichtung des zwischen
zwei gegeneinander verschiebbaren Teilen eingeschlossenen Raumes kann jedoch eine
vollkommene Dichtheit nicht erreicht werden, und folglich muß Flüssigkeit in dem
Federungselement nachgefüllt werden. Zu diesem Zweck werden selbständige Schöpfeinrichtungen
mit Pumpen, Behältern und Regelventilen verwendet. Derartige Federungen mit Schöpfeinrichtungen
sind aber in der Regel ziemlich groß und kompliziert.
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Unter einer Vielzahl von Leckölpumpen in hydraulischen Stoßdämpfern
und von Pumpen in hydropneumatischen Federungselementen mit Niveauregelung ist eine
hydropneumatische Teleskopfeder bekanntgeworden, die sich als vorteilhaft dadurch
erwiesen hat, daß das von der Pumpe geförderte Öl während des Zusammendrückens der
hydropneumatischen Teleskopfeder in einen Druckraum eingepreßt wird, und zwar kurz
vor Ende des Federungshubes, so daß das eingepreßte Drucköl am Ende des Federhubes
eine zusätzliche Versteilerung der Kennlinie mit sich bringt. Neben der Pumpe, die
zentral angeordnet ist, ist noch ein zusätzlicher Speicherraum für unter hohem Druck
stehendes Öl vorhanden, der für die Niveauregelung erforderlich ist, wobei dieser
Speicherraum noch ein zusätzliches Luftpolster aufweist. Durch die zentrale Anordnung
der Pumpe ist es notwendig, die als Federung dienenden Luftspeicher an den Umfang
des Federungselementes zu verlegen. Dadurch werden die äußeren Dimensionen dieses
Federungselementes recht groß (deutsche Auslegeschrift 1117 412).
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Die Versteilerung der Federkennlinie kurz vor dem Ende des Federungshubes
ist aber in Fällen, in denen sehr oft mit besonders starken Durchfederungen zu rechnen
ist, nicht ausreichend. In solchen Fällen wäre eine Versteilerung der Kennlinie
schon in mittleren Bereichen der Federkennlinie erwünscht.
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Die Verwendung von Differentialkolben für Leckölpumpen ist bekannt
(deutsche - Auslegeschriften 1089 282, 1181073). Bei diesen Leckölpumpen findet
ein Nachfüllen von Öl nur dann statt, wenn das Federelement sehr weit auseinandergezogen
ist und wenn der Druck im Leckölraum größer wird als der Druck im Federungsraum.
Derartige Federn lassen sich jedoch als Fahrzeugfedern nicht verwenden.
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Leckölpumpvorrichtungen sind auch bei hydropneumatischen Teleskopstoßdämpfern
in verschiedener Form bekanntgeworden (deutsche Auslegeschriften 1 130 649,
1144 544 und 1159 782). Die hier bekanntgewordenen Bauformen lassen
sich jedoch wegen ihrer besonderen, auf den Verwendungszweck abgestimmten Konstruktion
in hydropneumatischen Teleskopfedern für Fahrzeuge nicht verwenden.
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Gegenstand des deutschen Patents 1202 656 ist eine hydrodynamische
Pumpeinrichtung für Federbeine von Kraftfahrzeugen mit hydraulischer Kraftübertragung,
Niveauregelung, Schwingungsdämpferwirkung und mit einem unter der Spannung einer
Feder stehenden, in die hohle Kolbenstange des hydraulischen Schwingungsdämpfers
ragenden Pumpenkolben der Pumpeinrichtung, bei der der als Differentialkolben ausgebildete
Pumpenkolben frei schwebend nur von der ihn gegen den Druckraum drückenden Feder
getragen mit seiner großen Stirnfläche dem Druckraum und mit seiner kleinen Stirnfläche
dem Pumpenraum zugekehrt zwischen diesen beiden Räumen angeordnet ist. Und zwar
weist der Pumpenkolben in seinem unteren Teil einen Außenflansch auf, dessen Außendurchmesser
nur um weniges kleiner ist als der Außendurchmesser des Kolbens des hydraulischen
Schwingungsdämpfers, während das untere Ende des
Pumpenkolbens unterhalb
des Außenflansches in einen durch ein Ventil einseitig verschlossenen, als Pumpenraum
dienenden Zylinder taucht. Diese hydrodynamische Pumpeinrichtung ist so gebaut,
daß der Pumpenkolben eine Bohrung aufweist, deren Durchmesser sich nach oben zu
bis auf eine enge Drosselstelle verkleinert, und daß die Bohrung eine Verbindung
zwischen dem als Pumpenraum dienenden Zylinder und der Innenbohrung der Kolbenstange
des hydraulischen Schwingungsdämpfers herstellt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine hydropneumatische Teleskopfederung
zu schaffen, bei der das Zurückpumpen von-aufgefangenem Lecköl an einer beliebig
einstellbaren Stelle während des Zusammendrückens der Feder erfolgt, so daß man
eine an einer beliebigen Stelle des Federweges steiler werdende Charakteristik erhält.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der in an
sich bekannter Weise als Differentialkolben ausgebildete Pumpenkolben frei schwebend
nur von der ihn gegen den Druckraum drückenden Feder getragen mit seiner großen
Stirnfläche dem Druckraum und mit seiner kleinen Stirnfläche dem Pumpenraum zugekehrt
zwischen diesen beiden Räumen angeordnet ist.
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Diese hydropneumatische Teleskopfeder ist sehr einfach aufgebaut und
dadurch störunanfällig. Ihr wesentlicher Vorteil liegt darin, daß man durch Wahl
einer entsprechenden den Pumpenkolben tragenden Feder das Zurückpumpen von Lecköl
auf eine beliebige Stelle während des Zusammendrückens des Federelements einstellen
kann, so daß man eine an einer beliebigen Stelle des Federweges steiler werdende
Charakteristik erhält.
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Geschützt ist nur die Gesamtkombination der im Patentanspruch enthaltenen
Merkmale.
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Ein Beispiel des erfindungsgemäßen hydropneumatischen Federelements
soll an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden. In diesen zeigt F i g. 1 den
Längsschnitt durch das erfindungsgemäße hydropneumatische Federelement, dessen unterer
Teil mit der Einrichtung zum selbsttätigen Zurückpumpen der Leckflüssigkeit ausgestattet
ist, F i g. 2 die Kennlinie des in F i g. 1 gezeigten hydropneumatischen Federelements.
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Das erfindungsgemäße Federelement besitzt einen Arbeitszylinder 1,
dessen unterer Teil sich zweimal verjüngt, und zwar in Form der Zylinderteile 18
und 19.
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In dem oberen Teil des Arbeitszylinders 1 ist ein hohler Tauchkolben
2 verschiebbar angeordnet und mit Hilfe einer Dichtung 3 gegen den Arbeitszylinder
1 abgedichtet. An der inneren Stirnwand des Tauchkolbens 2 ist eine mit einem Anschlag
14 versehene Stange 13 befestigt. Auf die Stange 13 ist ein elastischer Beutel 4
aufgesteckt, der mit verdichteter Luft oder mit einem anderen Gas gefüllt ist. Ein
Druckraum A, der von dem oberen Teil des Arbeitszylinders 1, dem Tauchkolben 2 und
dem elastischen Beutel 4 begrenzt ist, enthält die Druckflüssigkeit. In den verengten
Zylinderteilen 18 und 19 des Arbeitszylinders 1 ist ein Differentialkolben 5 verschiebbar
gelagert, der von einer Feder 6 getragen wird. In einer Axialbohrung 17 des Differentialkolbens
5 befindet sich ein Druckventil 9, das mittels einer Feder 10 auf seinen Sitz gedrückt
wird. Unter dem Differentialkolben 5 befindet sich im Zylinderteil 19 des Arbeitszylinders
1 der Pumpenraum C. Der Arbeitszylinder 1 ist mit einem Mantel 7 versehen, der in
seinem unteren Teil einen Sammelraum B bildet. In diesem Raum sammelt sich die Leckflüssigkeit,
die bei der Arbeit des Federelements aus dem Druckraum A über die Dichtung 3 entweicht.
Öffnungen 15 und 16 verbinden den Sammelraum B mit dem Pumpenraum C. In Ruhestellung
des Federelements ist die Öffnung 15 durch ein Saugventil 8 unter Einwirkung einer
Feder 20 geschlossen.
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Ein am unteren Ende des Mantels sitzendes Auge 11 verbindet den Mantel
7 und den Arbeitszylinder 1 mit den ungefederten Massen des Fahrzeuges, d. h. mit
der Achse, während der Tauchkolben 2 über ein an seinem oberen Ende vorgesehenes
Auge 12 mit den gefederten Massen, d. h. mit dem Rahmen des Fahrzeuges verbunden
ist.
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Das erfindungsgemäße Federelement arbeitet wie folgt: 1. Wenn das
Rad des Fahrzeuges über eine Unebenheit fährt, schiebt sich beim Einfedern der Tauchkolben
2 in den Arbeitszylinder 1 hinein. Da die Druckflüssigkeit inkompressibel ist, verkleinert
sich das Volumen des Gases in dem elastischen Beutel 4, und dadurch steigt, nach
einer Polytrope, der Gasdruck und damit auch der Druck der Flüssigkeit in dem Druckraum
A. Dieser Druck wirkt auf die obere, d. h. die größere Fläche des Differentialkolbens
5, wodurch die Feder 6 zusammengedrückt wird. Dadurch verkleinert sich der Pumpenraum
C, so daß darin ein Überdruck entsteht. Dieser Überdruck überwindet die Kraft der
Feder 10 und öffnet das Druckventil 9, so daß die Druckflüssigkeit aus dem Pumpenraum
C in den Druckraum A strömt.
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z. Beim Ausfedern schiebt sich der Tauchkolben 2 wieder aus dem Arbeitszylinder
1 heraus. Dabei vergrößert sich das Gasvolumen in dem elastischen Beutel 4, wodurch
der Gasdruck im Beutel 4 und der Flüssigkeitsdruck im Druckraum A sinken. Dadurch
nimmt auch die auf die obere Fläche des Differentialkolbens 5 wirkende Kraft ab,
bis die Feder 6 den Differentialkolben 5 wieder zu heben beginnt. Damit vergrößert
sich der Pumpenraum C, und durch den entstehenden Unterdruck wird das Saugventil
8 geöffnet. Nun strömt die Leckflüssigkeit durch die öffnungen 15 und 16 aus dem
Sammelraum B in den Pumpenraum C, bis sich die beiden Drücke ausgleichen.
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Der Anfangsdruck des Gases in dem elastischen Beutel 4 wird so gewählt,
daß bei der größten Ausfederung des Federelements kein Unterdruck in dem elastischen
Beutel entsteht. Die Durchmesserstufen des Differentialkolbens 5 und die Steifigkeit
der Feder 6 müssen derart gewählt werden, daß die durch das Druckventil 9 in den
Druckraum A geförderte Flüssigkeitsmenge etwa der Menge der Leckflüssigkeit gleich
ist, die bei einer normalen Arbeitsweise des Federelements über die Dichtung 3 und
über die Dichtung des Differentialkolbens 5 entweicht. Hat sich im Sammelraum B
nur eine geringe Menge an Leckflüssigkeit gesammelt, so wird im Pumpenraum C nur
Luft zusammengedrückt, deren Druck das Druckventil 9 nicht öffnen kann. Damit entspricht
dieser Betriebszustand dem »Leerlauf« der Pumpe.
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Falls sich die Belastung in einem sehr großen
Bereich
ändert, kann beim entlasteten Fahrzeug, also bei kleinen Drücken im Druckraum A
und bei großen Mengen ausgetretener Leckflüssigkeit ein solcher Betriebszustand
vorkommen, daß der Flüssigkeitsdruck zum Verschieben des Differentialkolbens 5 und
damit auch zum Zurückpumpen der Leckflüssigkeit nicht ausreicht. Für einen solchen
Fall ist die axiale Stange 13 vorgesehen, deren unteres Ende in den Anschlag 14
übergeht. Bei einer bestimmten Verkürzung des Federelements legt sich der Anschlag
14 an den Differentialkolben 5 an und drückt ihn nieder. Dadurch wird die Druckflüssigkeit
aus dem Pumpenraum C auf die vorher beschriebene Weise gepumpt mit dem einzigen
Unterschied, daß anstatt der hydraulischen Wirkung eine mechanische Kraft auf den
Differentialkolben 5 ausgeübt wird.
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In der in F i g. 2 gezeigten Kennlinie des erfindungsgemäßen hydropneumatischen
Federelements ist auf der Abszisse X der Federweg und auf der Ordinate Y die Federkraft
aufgetragen. Die vom Gas im elastischen Beutel 4 herrührende Steifigkeit ist durch
die polytropische Kennlinie a ausgedrückt, während die lineare Kennlinie b die Steifigkeit
der Feder 6 ausdrückt und die Kennlinie c die verschobene Polytrope a ist, die sich
nach dem Anlegen des Differentialkolbens 5 an den Boden des Pumpenraumes C ergibt.
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Wird das Federelement zusammengedrückt, steigt zuerst die Kraft polytropisch
von dem Punkt X, welcher der größten ausgezogenen Länge des Federelements entspricht,
bis zu dem Punkt Y, in dem der Druck eine solche Höhe erreicht, daß der Differentialkolben
5 sich zu bewegen anfängt und die Feder 6 niederdrückt. In dieser Phase der Bewegung,
d. h. zwischen den Punkten Y und Z, wirken dann die Feder 6 und der elastische Beutel
4 als zwei in Reihe geschaltete Federn.
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Die resultierende Kennlinie des erfindungsgemäßen hydropneumatischen
Federelements mit dem oben beschriebenen selbsttätigen Zurückpumpen der Leckflüssigkeit
ist beim Einfedern durch die gebrochene Linie X-Y-Z-U gegeben, während sich beim
Ausfedern die Linie U-Z'-Y'-X ergibt. Die schraffierte Fläche L bedeutet die Arbeit,
die zum Umpumpen der Flüssigkeit aus dem Sammelraum B in den Druckraum A geleistet
wird. Für die Federung der Fahrzeuge ist diese Kennlinie sehr vorteilhaft, da sie
in dem Gebiet, in welchem das Federelement am häufigsten arbeitet (in der Umgebung
des Abschnittes Y-Z), eine außerordentlich weiche Federung mit sanftem Auffangen
kleiner Stöße gewährleistet, während in dem Gebiet großer Einfederungen, d. h. beim
überfahren von Hindernissen, die Kraft progressiv und sehr schnell wächst, wodurch
große Stöße auf einem relativ kurzen Federweg und ohne die Gefahr des Anschlagens
der Metallteile aufgefangen werden.