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Die Erfindung bezieht sich auf ein selbstpumpendes, hydropneumatisches
Federbein mit innerer Niveauregelung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem
ölgefüllten, unter dem Druck von Gaspolstern stehenden Arbeitszylinder und einem
in diesem verschiebbaren, Federkräfte übertragenden Arbeitskolben am Ende einer
hohlen Kolbenstange, deren Hohlraum als Pumpenzylinder einer am Arbeitszylinder
befestigten Pumpenstange dient und am Austritt der Pumpenstange mittels einer die
Pumpenstange mit engem Spiel umfassenden federbelasteten Hülse abgedichtet ist,
welche einen Flansch aufweist, der zusammen mit einem Ventilsitz am Pumpenzylinder
ein als Pumpenventil wirkendes Rückschlagventil bildet und außerdem ventilbestückte
Öffnungen besitzt, die gleichfalls Arbeitszylinder und Pumpenzylinder miteinander
verbinden können.
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Ein Federbein der genannten Gattung ist Gegenstand des älteren deutschen
Patents 1505 595. Die im Gattungsbegriff genannte federbelastete Hülse weisen auch
die Gegenstände nach den älteren deutschen Patenten 1254 031 und 1269 904 auf.
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Wenn die federbelastete Hülse als Auslaßventil der Pumpe benutzt wird
und das Öffnen des Ventils beim Eindringen der Pumpenstange in die Kolbenstange
gegen die Reibung der Hülse auf der Pumpenstange erfolgt, steht bei der Bewegungsumkehr
der Pumpenstange, beim Beginn des Saughubes, die Reibung der Hülse auf der Pumpenstange
der Schließbewegung der Hülse entgegen. Während beim Öffnen eines derartigen Auslaßventils
im allgemeinen ein Strömungsdruck des Öls von genügender Höhe vorhanden ist, um
die Reibung zu überwinden, kann in nachteiliger Weise der Schließvorgang des Auslaßventils
durch die Reibung verzögert und behindert werden, da bei der Bewegungsumkehr lediglich
die Kraft der die Hülse belastenden Ventilfeder als Schließkraft zur Verfügung steht.
Die Ventilfeder darf jedoch nur eine kleine Kraft aufweisen, um insbesondere Ventilgeräusche
zu vermeiden.
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Bei den Gegenständen der älteren deutschen Patente 1505 595 und 1254
031 hat die federbelastete Hülse zugleich die Funktion eines Auslaßventils und die
einer Steuerhülse, die hubabhängig eine Öffnung in der Pumpenstange abdeckt oder
freigibt und das Abregeln des Federelementes bei Abnahme der Belastung bewirkt,
wobei die Öffnung in der Pumpenstange mit einem Niederdruckraum in Verbindung gebracht
wird. Die Reibung der Hülse auf der Pumpenstange wird erheblich erhöht, wenn der
Druck des Arbeitszylinders die Hülse dichtend gegen die Steueröffnung drückt. Hierdurch
entsteht in nachteiliger Weise ein Klebeeffekt, der die Schließbewegung der Steuerhülse
behindert und zum Versagen ihrer Ventilfunktion führen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten, durch
die Reibung der federbelasteten Hülse auf der Pumpenstange möglichen Funktionsstörungen
zu vermeiden. Diese Aufgabe wird bei einem Federbein der eingangs genannten Gattung
dadurch gelöst, daß die ventilbestückten Öffnungen im Flansch der Hülse ein Rückschlagventil
in der gleichen Strömungsrichtung bilden, in der der Flansch selbst als Rückschlagventil
wirksam ist, das jedoch bereits bei einer geringeren Druckdifferenz öffnet.
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Vorzugsweise sind die ventilbestückten Öffnungen als Auslaßventil
mit schwacher Federbelastung ausgebildet. So kann vorteilhafterweise die Reibung
zwischen Pumpenstange und Hülse die Bewegungen dieses Auslaßventils nicht beeinflussen,
dessen schwache Federbelastung nur kleine Öffnungskräfte erfordert. Zugleich besteht
der Vorteil, daß in dem ohnehin engen Bereich zwischen Pumpenstange und Kolben nur
wenig Raum für die Unterbringung eines nicht durch Reibung behinderten Auslaßventils
benötigt wird. Wenn der Hub der Ventilscheibe einer ventilbestückten Öffnung durch
entsprechende Anschläge aus Geräuschgründen auf ein geringes Maß beschränkt wird
.und bei großen Kolbengeschwindigkeiten unerwünscht--hohe Strömungswiderstände des
Auslaßventils auftreten, kann die Hülse vorteilhafterweise selbst gegen die Kraft
der starken Feder öffnen und zusätzliche Strömungsquerschnitte freigeben. Es besteht
auch die Möglichkeit, die durch Ventile abgedeckten Öffnungen als Saugventil oder
als ein die Tragkraft des Federelementes begrenzendes überlastventil auszubilden.
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Eine aus der französischen Zusatzpatentschrift 74 313 zum französischen
Patent 1140 919 bekannte Hülse eines hydropneumatischen Federelementes ist
nicht federbelastet und weist keine Öffnungen auf. Diese Schrift konnte. daher nicht
Lehre für die Erfindung sein.
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Eine andere aus der französischen Patentschrift 1261449 bekannte
Hülse weist eine Öffnung auf, die nicht ventilbestückt ist und nicht als Rückschlagventil
wirkt, sondern in Zusammenhang mit der Regelfunktion dieses Federelementes steht,
bei der im wesentlichen Luft in einen Arbeitszylinder gefördert wird. Auch diese
Schrift konnte nicht Lehre für die Erfindung sein.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt F i g. 1 ein Federbein mit einer die Pumpenstange mit engem Spiel
umfassenden Hülse, deren Flansch ventilbestückte öffnungen für eine Strömungsrichtung
aufweist, F i g. 2 ein Federbein, das eine ähnliche Hülse aufweist, die zugleich
als Steuerhülse zusammen mit einer öffnung im Mantel der Pumpenstange eine Regelfunktion
ausübt, F i g. 3 die Hülse der F i g. 1 und ihre Umgebung in. größerem Maßstab,
F i g. 4 die Hülse der F i g. 2 und ihre Umgebung in größerem Maßstab, F i g. 5
eine Hülse, die ventilbestückte Öffnungen für beide Strömungsrichtungen aufweist,
F i g. 6 ein anders geartetes Ventil zur Hülse der F i g. 4.
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In einem ölgefüllten Arbeitszylinder 1 des Federbeins nach
F i g. 1 gleitet ein Arbeitskolben 2 am Ende einer Kolbenstange 3. Der Arbeitszylinder
1 ist auf der einen Seite durch einen Boden 4 und auf der anderen Seite :durch einen
Deckel s abgeschlossen, durch den die Kolbenstange 3 abgedichtet nach außen tritt.
Der Boden 4 ist mittels eines Stiftes 17 am Aufbau des Fahrzeuüs ünd
die Kolbenstange 3 mittels einer Öse 18 an `der Achse des Fahrzeuges in nicht gezeichneter
Weise befestigt. Der Arbeitszylinder 1 ist von einer ringförmigen, zum Teil mit
Öl und zum Teil mit Gas gefüllten Ausgleichskammer umgeben, die durch eine Zwischenwand
6 in eine Hochdruckkammer 7 und eine Niederdruckkammer 8 unterteilt ist. Ein Hochdruckgaspolster
9 der Hochdruckkammer ist von einem Ölraum 10 durch eine Membran 11 getrennt.
In der Niederdruckkammer 8 sind
Öl und ein Niederdruckgaspblster
19 nicht voneinander getrennt. Der ölspiege113 ist gestrichelt angedeutet.
Im völlig abgeregelten, d. h. im nicht hochgepumpten Zustand herrscht in der Niederdruckkammer
8 gleicher Druck wie in der Hochdruckkammer 7, der als Ausgangsdruck bezeichnet
wird. Die Grundlast, die von dem Federbein mindestens getragen wird, ist die der
Kolbenstangenfläche und dem Ausgangsdruck entsprechende Austriebskraft der Kolbenstange.
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Der durch einen endlosen Kolbenring 14 abgedichtete Arbeitskolben
2 unterteilt den Arbeitszylinder 1 in zwei Arbeitsräume, von denen ein stirnseitiger
innerer Arbeitsraum 15 zwischen Arbeitskolben 2
und Boden
4 mit der Hochdruckkammer 7 und ein kolbenstangenseitiger äußerer
Arbeitsraum 16 zwischen Arbeitskolben 2 und Deckel 5 mit der Niederdruckkammer
8 in Verbindung stehen: Im hochgepumpten Zustand ist der Druck in der Hochdruckkammer
7 größer als der in der Niederdruckkammer 8,
ebenso der Druck im inneren
Arbeitsraum 15 größer als im äußeren Arbeitsraum 16. Bei axialer Verschiebung des
Arbeitskolbens 2 wird jeweils ein Gaspolster (Hochdruckgaspolster 9 bzw. Niederdruckgaspolster
19) verdichtet und das andere entspannt. Dabei entstehen in doppeltwirkender Weise
dynamische Federkräfte, die den Arbeitskolben 2 wieder in die ursprüngliche Lage
zurückzutreiben suchen, im inneren Arbeitsraum 15 sind es positive Federkräfte,
im äußeren Arbeitsraum 16 negative.
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Am Boden 4 ist eine Pumpenstange 20 durch ein elastisches
Lager 21 befestigt, die zusammen mit einem vom Hohlraum der Kolbenstange geschaffenen
Pumpenzylinder 22 eine Ölpumpe bildet. Die durch Fahrbahnunebenheiten hervorgerufenen
Bewegungen der Fahrzeugachse und der an ihr befestigten Kolbenstange 3 betätigen
diese Ölpumpe, die ständig Öl, gesteuert durch ein Saugventil 23 und ein
Druckventil 24 aus der Niederdruckkammer 8 in die Hochdruckkammer 7 fördert. Dadurch
wird der Arbeitskolben 2 so lange auswärts geschoben, bis Steueröffnungen 25 im
Arbeitszylinder 1 von dem Kolbenring 14 freigegeben werden und die Abregelfunktion
einsetzt. Mehrere Steueröffnungen sind am Umfang angeordnet, um zu vermeiden, daß
der Arbeitskolben 2 gegen die Steueröffnung gepreßt werden kann und dadurch unerwünschte
Reibungskräfte erzeugt werden. Wenn bei Beladung des Fahrzeugs der Druckunterschied
zwischen Hochdruckkammer 7 und Niederdruckkammer 8 über ein vorbestimmtes Maß steigt,
öffnet ein überlastventi126, das über die hohle Pumpenstange 20 und einen Kanal
27 mit dem Öl der Hochdruckseite in Verbindung steht, gegen die Kraft einer hochgespannten
Feder 28. Nunmehr wird der Pumpenzylinder 22 nicht mehr ausschließlich über das
Saugventil 23, sondern über das überlastventil 26 gefüllt, wodurch die Pumpfunktion
allmählich aussetzt. Der Austritt der Pumpenstange 20 aus denn Pumpenzylinder 22
ist mittels einer die Pumpenstange mit engem Spiel umfassenden Hülse 29 abgedichtet,
derän Einzelheiten im Zusammenhang mit F i g. 3 beschrie_-_ ben werden.
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Das Federelement nach F i g. 2 weist einen ölgefüllten Arbeitszylinder
201 auf, in dem der am Ende einer Kolbenstange 203 sitzende, mit Dämpfungsventilen
ausgerüstete Arbeitskolben 202 gleitet. Der Arbeitszylinder 201 ist auf der
einen Seite durch einen Boden 204 und auf der anderen Seite durch einen Deckel 205
abgeschlossen, durch den die Kolbenstange 203 abgedichtet nach außen tritt. Der
Arbeitszylinder 201 ist von einem zum Teil mit Öl und zum Teil mit Gas gefüllten
Ausgleichsraum umgeben, der durch eine Zwischenwand 206 in eine Hochdruckkammer
207
auf der Seite des Deckels 205 und eine Niederdruckkammer 208 auf
der Seite des Bodens 204 unterteilt ist. Der Arbeitskolben 202 unterteilt
den Arbeitszylinder 201 in einen inneren Arbeitsraum 215 und einen
äußeren Arbeitsraum 216. Diese beiden Arbeitsräume stehen über ventilbestückte Drosselöffnungen
231 und 232 des Arbeitskolbens 202 miteinander und über Kanäle 233 mit der Hochdruckkammer
207 in Verbindung. Bei axialer Verschiebung der Kolbenstange 203 wird ein
Hochdruckgaspolster in der Hochdruckkammer 207 verdichtet. Dadurch entsteht
eine dynamische Federkraft, die die Kolbenstange 203 in die ursprüngliche Lage zurückzutreiben
sucht. Die Niederdruckkammer 208 dient als reiner Vorrats= raum, aus dem
Öl in die Hochdruckkammer gefördert wird.
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Am Boden 204 ist eine mit der Niederdruckkammer 208 über einen
Kanal 227 in Verbindung stehende hohle Pumpenstange 220 befestigt und durch
einen Dichtring 260 zwischen Arbeitszylinder 201 und Niederdruckkammer
208 abgedichtet. Die Pumpenstange 220 bildet zusammen mit einem Hohlraum
der Kolbenstange 203,. d. h. einem Pumpenzylinder 222
eine Ölpumpe,
deren Saugventil 223 am freien Ende der hohlen Pumpenstange 220, deren Druckventil
224 im Bereich einer als Steuerhülse ausgebildeten Hülse 229 angeordnet sind. Die
Abregelfunktion setzt ein, wenn eine Steueröffnung 225 etwa in der Mitte der Pumpenstange
220 von der als Steuerhülse ausgebildeten Hülse 229 bei der Auswärtsbewegung
der Kolbenstange 203 freigegeben wird und dadurch die Hochdruckseite mit
der Niederdruckseite eine offene Verbindung hat. Die Funktion des im Zusammenhang
mit F i g. 1 beschriebenen überlastventils 26 übt ein in einem Kolbenhohlraum 261
angeordnetes ü"berlastventil226 aus. Das überlastventil besteht aus einer oder mehreren
Kugeln 262, die normalerweise Öffnungen 263 in einer Kolbenzwischenwand 264 verschließen,
wobei der Schließdruck durch eine Schraubenfeder 265 erzeugt wird.
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Nach F i g. 3 ist eine Hülse 329 auf einer Pumpenstange
320 mittels einer Spaltdichtung 339 abgedichtet. Die Hülse
329 weist einen Flansch 340 auf, welcher in der Weise gelenkig und
dicht mit einem Arbeitskolben 302 verbunden ist, daß eine starke Feder 342 eine
kugelige Stirnseite 341 des Flansches 340 gegen einen kugelpfannenförmigen Ring
343 und diesen gegen eine ebene Stirnfläche 344 des Arbeitskolbens 302 preßt.
Die ebene Stirnfläche 344 und die kugelige Stirnseite 341 bilden mit dem Ring 343
Berührungsdichtflächen, die eine seitliche und kardanische Bewegung der Hülse 329
ermöglichen, um so Fluchtfehler zwischen Pumpenstange 320 und Arbeitskolben
302 auszugleichen. Eine Ventilscheibe 324 ist durch eine schwache Feder 346 belastet
und steuert nach Art eines Rückschlagventils Öffnungen 345 im Flansch 340,
die im Druckhub einen Pumpenzylinder 322 mit einem Kolbenraum 347 verbinden und
das geförderte Öl in den inneren Arbeitsraum 15 der F i g. 1 treten lassen. Wenn
bei hohen Eintauchgeschwindigkeiten der Pumpenstange 320 in den Pumpenzylinder
322 die Strömungswiderstände der Öffnung 345 oder der Ventilscheibe 324 zu
groß werden,
kann die Hülse 329 gegen den Widerstand der Feder 342
von dem Ring 343 und/oder der Ring 343 von der Stirnfläche 344 abheben und zusätzlich
Öl durchtreten lassen.
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Die F i g. 4 zeigt an ähnlichen Einzelheiten wie F i g. 3 eine Pumpenstange
420, eine Hülse 429 mit einem Flansch 440, einer kugeligen Stirnseite
441 und einem Ring 443, der auf einer Stirnfläche 444 eines zu einem
Arbeitskolben 402 gehörenden Kolbenteils 472 aufliegt. Der Flansch 440 wird über
einen L-förmigen Ring 450 von einer als Tellerfeder ausgebildeten Feder 442 belastet
und gegen den Ring 443 gedrückt. Eine innerhalb des L-förmigen Ringes 450 angeordnete
Ventilscheibe 424 deckt Öffnungen 445 im Flansch 440 ab und
wird durch eine schwache Feder 446 auf einen Ventilsitz 454 gedrückt.
Die Ventilscheibe 424 ist mittels eines Anschlagteils hubbegrenzt, das vorzugsweise
aus einem kautschukelastischen Ring 452 besteht und zugleich die Geräusche der Ventilscheibe
424 dämpft. Das durch die Öffnungen 445 tretende Öl gelangt über Schlitze
449
und Kanäle 448 bzw. über einen Ringspalt 451 in den Arbeitsraum
215 der F i g. 2. Die Pumpenstange 420
weist eine Steueröffnung 425
auf, die von einer Steuerkante 462 der Hülse 429 abgedeckt oder freigegeben
wird und so das Niveau regelt. Die Pumpenstange 420 weist eine geneigte Abflachung
463 auf, die eine geringe Undichtheit darstellt und die Pumpenstöße, insbesondere
beim Pendeln um Niveau mildert.
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In F i g. 5 weist eine Hülse 529 einen besonderen Flansch 540 auf,
der mit in beiden Richtungen wirkenden Plattenventilen ausgerüstet ist. Eine Ventilplatte
524 deckt einem Pumpenzylinder 522 zugewendete Öffnungen
545 des Flansches 540 ab, eine Ventilplatte 524 a dem Pumpenzylinder
522 abgewandte Öffnungen 545 a. Der Flansch 540 kann außerdem zusammen mit
einem Ring 543 und einem kugeligen Ventilsitz 544 eines Arbeitskolbens 502
eine Ventil-, Funktion ausüben. Nach F i g. 5 sind mehrere Ventilkombinationen möglich.
Wenn z. B. die Ventilplatte 524 als Druckventil der Pumpe fungiert, ist die Ventilplatte
524 a als überlastventil verwendbar und der Flansch 540 zusammen mit dem
Ring 543 als weiteres Pumpenauslaßventil. Wenn die Ventilplatte 524 a als
Saugventil der Pumpe fungiert, ist die Ventilplatte 524 als den Pumpenzylinder 522
entleerendes überlastventil verwendbar und der Flansch 540 zusammen mit dem Ring
543 als zusätzliches oder als einziges überlastventil, wenn die Ventilplatte 524
nicht vorgesehen ist. Die Ventilplatte 524 a ist z. B. dann als Saugventil
der Pumpe einsetzbar, wenn entgegengesetzt der Förderrichtung der F i g. 1 und 2
Öl aus den Hochdruckkammern 7 oder 207 in an Stelle der Niederdruckkammern
8 bzw. 208 vorgesehene Druckspeicher gepumpt werden soll, wie es bei
bekannten Federbeinen der Fall ist, deren Grundlast bei Druckgleichheit in beiden
Kammern der maximalen Tragfähigkeit des Elementes entspricht. In F i g. 6 weist
eine Hülse 629 eine Ventilplatte 624 auf, die zwischen einer Stirnfläche 670, von
der Öffnungen 645 in einem Flansch 640 der Hülse 629 ausgehen, und einem Ring
650 eingespannt ist. Eine derartige Ventilausbildung hat sich hinsichtlich
einwandfreier öffnungs- und Schließbewegung sowie hinsichtlich Geräuscharmut als
besonders vorteilhaft erwiesen.