DE19505026C2 - Selbstpumpende Luftfeder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine selbstpumpende Luftfeder, entsprechend dem Ober­ begriff von Patentanspruch 1, 4 und 6.

Aus der DE 38 26 301 A1 ist eine selbstpumpende Luftfeder bekannt, bei der ein von einem Rollbalg gebildeter Federraum mit einem Vorraum verbunden ist, der in Abhängigkeit der Kolbenstangenbewegung innerhalb der Luftfeder über ein Rückschlagventil gefüllt wird. Der Vorraum ist unterhalb einer elastischen La­ gerung an der Karosserie angeordnet und wird von einem weiteren elastischen Balg eingeschlossen. Bei der Kolbenstangenbewegung walkt ein Gummielement der elastischen Lagerung in Axialrichtung, so daß sich der Vorraum ausdehnt und anschließend verkleinert. Für die Funktion ist eine extrem weiche Lagerung der Kolbenstange unabdingbar. Folglich ergeben sich große Elastizitäten zwischen dem Fahrzeugaufbau und einer Fahrzeugachse bzw. einem Fahrzeugrad, wenn die Luftfeder als Federbein ausgeführt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine selbstpumpende Luftfeder zu schaffen, deren Vorraum unabhängig von der Lagerstelle ausgeführt ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Patentansprüche 1, 4 und 6 gelöst.

Für alle Ausführungsformen gilt, daß die zur Lagerung der Luftfeder gehörigen Einzelteile nicht am Pumpvorgang beteiligt sind, so daß die Lagerung insgesamt auf ihre eigentliche Funktion optimiert ausgelegt werden kann, ohne besondere Elastizitäten berücksichtigen zu müssen.

Bei einer ersten Ausführungsform wird der Vorraum durch ein Rohr gebildet, das einen ersten Boden aufweist, der in Wirkverbindung mit der Kolbenstange steht und einen zweiten Boden aufweist, der in Wirkverbindung mit dem Zylinder steht, wobei innerhalb der zumindest teilweise hohlen Kolbenstange eine Strömungsverbindung mit dem Luftvorrat ausgeführt ist, die in den Vorraum mündet, wobei sich der Vorraum bei einer Kolbenstangeneinfahrbewegung verkleinert und der Druckluftüberschuß über ein Rückschlagventil in den Federraum entweicht. Dabei wirkt ein Boden wie ein Kolben und das Rohr mit dem anderen Boden wie ein Kompressionsraum.

Es ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß der zweite Boden von einer kolben­ stangenaustrittsseitigen Stirnfläche des Zylinders gebildet wird. Als weitere Maßnahme für einen einfachen Aufbau der Luftfeder ist als Rückschlagventil zwischen dem Vorraum und dem Federraum ein elastisch aufweitbarer Ring vorgesehen, der eine Überströmöffnung im Rohr abdeckt.

Alternativ ist der Vorraum innerhalb einer hohl ausgeführten Kolbenstange ange­ ordnet, wobei innerhalb der hohlen Kolbenstange ein mit dem Zylinder ver­ bundener Kolben vorgesehen ist, der bei einer Federbewegung eine Relativbewe­ gung zur Kolbenstange ausführt und damit das Volumen des Vorraums bestimmt. Diese Variante ist besonders raumsparend, insbesondere dann, wenn der Vorraum von einer Verlängerung der Strömungsverbindung mit dem beliebigen Luft­ vorrat gebildet wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Lösung wird der Pumpvorgang von einer teil­ elastischen Membran ausgeführt, die die Kolbenstange umschließt und mit dem Zy­ linder in Wirkverbindung steht, wobei die Membran an einem ihrer Begrenzungs­ ränder fest eingespannt ist und mit dem anderen Begrenzungsrand an dem abzu­ dichtenden Bauteil anliegt, und den Vorraum zusammen mit einer Wandung bil­ det, die wirkmäßig dem Teil zugeordnet ist, das den Begrenzungsrand fest ein­ spannt, wobei sich durch die Bewegung des Teiles, an dem der Begrenzungsrand der Membran anliegt und die Festlage des anderen Begrenzungsrandes über eine Schirmbewegung der Membran der Vorraum vergrößert oder verkleinert, so daß sich abwechselnd ein Über- oder Unterdruck im Vorraum einstellt. Die Zahl der Einzelteile, die für den Pumpvorgang benötigt wird, ist vorteilhafterweise sehr klein. Zudem ist eine solche Membran kein allzu kritisches Bauteil und dabei sehr leicht.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Membran oberhalb und unterhalb von einer Wandung eingeschlossen wird, so daß zwei Vorräume ent­ stehen. Unabhängig von der Bewegungsrichtung läuft stets über einen der Vor­ räume ein Pumpvorgang ab, so daß kein Leerhub entsteht. Folglich kann die axiale Ausdehnung des Vorraums im Vergleich zum Stand der Technik verkleinert werden.

Für eine exakte Schirmung der Membran ist die Ebene der Wandung schräg zur Nullage der Membran ausgeführt. Ein undefiniertes Verwalken der Membran ist ausgeschlossen. Des weiteren weist die Wandung eine Absatz auf, dessen Ab­ stand ausgehend von Festeinspannung der Membran geringer ausgeführt ist als die Breite der Membran selbst, so daß ein Freiraum für den beweglichen Begren­ zungsrand vorliegt. Einer Faltung der Membran wird dadurch zusätzlich entgegengewirkt.

Zur Vermeidung von unzulässigen Undichtigkeiten der Membran, insbesondere in der Endlage, ist an dem beweglichen Begrenzungsrand der Membran eine kurven­ förmige Stirnfläche ausgebildet, die bei der Schirmbewegung der Membran an dem sich bewegenden Bauteil abrollt. Die kurvenförmige Stirnfläche weist einen Radius auf, der der Breite der Membran zwischen dem fest eingespannten und dem beweglichen Begrenzungsrand im Bereich der Nullage entspricht.

Gemäß einem vorteilhaften Unteranspruch sind die Vorräume innerhalb eines auf den Zylinder aufgeschobenen Abrollrohres ausgeführt sind. Am Zylinder müssen keine besonderen Maßnahmen getroffen werden. Das Abrollrohr kann beispiels­ weise aus Kunststoff gefertigt sein, so daß sich bei der Fertigung die Membran auf einfachste Art und Weise mit dem Abrollrohr verbinden läßt.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 selbstpumpende Luftfeder mit Störungsverbindung in der Kolbenstange;

Fig. 3 Luftfeder mit Membran als Pumpelement.

Die Fig. 1 zeigt eine Luftfeder 1, wie sie bei einem Kfz an einer Fahrzeugachse oder einem Fahrerhaus zur Anwendung kommen kann. Als wesentliche Einzelteile sind ein Rollbalg 3 und ein Federträger 5 zu nennen. Der Rollbalg 3 bildet einen Federraum 6 und steht einerseits mit einem Zylinder 7 des Federträgers 5 und einer zumindest abschnittsweise hohl ausgeführten Kolbenstange 9 in Wirkver­ bindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Rollbalg 3 zwischen Befesti­ gungsscheiben 11 eingespannt, die auf der Kolbenstange 9 montiert sind. Zum Zylinder besteht eine Verbindung über ein Abrollrohr 13, das in Abhängigkeit der Einfederungslage die Federrate über eine Abrollkontur 15 beeinflussen läßt. Ein Bandspannelement 17 hält den Rollbalg am Abrollrohr. Die gesamte Luftfeder wird über ein Lagerelement 19, das ebenfalls in Wirkverbindung mit der Kolben­ stange steht, an einem Fahrzeug 21 befestigt. Eine weitere Anbindung am Feder­ träger, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist, greift bei­ spielsweise am Zylinder an. Es bietet sich an, wenn der Zylinder Bestandteil eines Schwingungsdämpfers ist.

Die selbstpumpende Luftfeder versorgt sich über eine Strömungsverbindung 23 mit Luft aus der Atmosphäre, wobei die Strömungsverbindung praktisch aus einer Sacklochöffnung innerhalb der Kolbenstange 9 besteht. Am inneren Ende der Strömungsverbindung ist ein Rückschlagventil 25 angeordnet, das in Einström­ richtung öffnet. Dem Rückschlagventil schließen sich radiale Öffnungen 27 an, die die Strömungsverbindung zu einem Vorraum 29 führt.

Der Vorraum 29 wird von einem Rohr 31 gebildet, das endseitig einen ersten Bo­ den 33 aufweist, der wirkmäßig der Kolbenstange 9 zugeordnet ist. Ein zweiter Boden 35 der von einer kolbenstangenaustrittseitigen Stirnfläche des Zylinders 7 gebildet wird, verschließt das Rohr 31, wobei der Vorraum 29 über eine Dich­ tung 37 gegenüber dem Federraum 6 verschlossen ist. In diesem Ausführungs­ beispiel ist der erste Boden mit dem Rohr einstückig ausgeführt, so daß sich bei der Kolbenstangenbewegung das Rohr mit dem ersten Boden auf den zweiten Boden zu bewegt, wobei sich das Volumen des Vorraumes reduziert. Mindestens eine Überströmöffnung 39, die von einem umlaufenden, elastischen Ring 41 auf dem Rohr abgedichtet wird, bildet ein weiteres Rückschlagventil 43, das eben­ falls in Einströmrichtung zum Federraum 6 öffnet.

Bei einer Kolbenstangenbewegung in Ausfahrrichtung vergrößert sich das Volu­ men des Vorraums durch den entsprechend gewachsenen Abstand zwischen dem ersten und zweiten Boden. Es stellt sich gegenüber der Atmosphäre ein Un­ terdruck ein, der zu einer Öffnungsbewegung des Rückschlagventils 25 in der Strömungsverbindung 23 führt. Die Luft aus der Atmosphäre strömt dabei in den Vorraum 29. Bei einer sich anschließenden Einfahrbewegung verkürzt sich der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Boden, das mit einer Kompression des Luftvorrates in dem Vorraum einhergeht. Es stellt sich ein Überdruck ein, der das Rückschlagventil 43 im Rohr 31 öffnet, so daß das Druckniveau im Feder­ raum steigt. Die Federrate der Luftfeder nimmt entsprechend zu, wodurch die Kolbenstange eine Ausfahrbewegung ausführt, bis eine neue, der Beladung ange­ paßte Niveauladung, erreicht ist. Dabei führt der Rollbalg 3 auf dem Abroll­ rohr 13 eine Abwälzbewegung aus, die den Rollbalg eine Ablaßöffnung 45 öffnen oder verschließen läßt. Reduziert sich aus denkbaren Gründen die Belastung der Luftfeder, so fährt die Kolbenstange kurzfristig weiter aus. In diesem Falle hebt der Rollbalg von der Ablaßöffnung 45 ab und es entweicht Druckluft aus dem Federraum, bis eine neue Niveaulage eingenommen ist und der Rollbalg die Ab­ laßöffnung wieder verschließt.

In der Fig. 2 wird nur noch der Unterschied zu Fig. 1 beschrieben. Der liegt in der konstruktiven Ausgestaltung des Vorraums 29. Dieser wird praktisch von der Strömungsverbindung 23 selbst innerhalb der auf ihrer gesamten Länge hohl ausgeführten Kolbenstange 9 gebildet. Am nicht dargestellten Boden des Zylin­ ders ist ein Kolben 47 befestigt, der stets eine Relativbewegung zur Kolbenstan­ ge 9 ausführt und innerhalb der Strömungsverbindung 23 bzw. Vorraum 29 glei­ tet. Der Kolben ist über eine Dichtung 49 zur Wandung der Strömungsverbindung abgedichtet. Es kommt wiederum ein in Einlaßrichtung geöffnetes Rückschlag­ ventil 25 zum Vorraum zur Anwendung. Abweichend zu Fig. 1 sitzt als Rück­ schlagventil 43 der elastische Ring 41 unmittelbar am Austritt der radialen Öff­ nungen 27 der Kolbenstange 9. Durch die Relativbewegung zwischen dem Kol­ ben und der Kolbenstange findet stets eine Ansaug- und Kompressionsbewegung statt, wodurch die Federrate des eingeschlossenen Luftvolumens innerhalb des Federraums in Abhängigkeit der Beladung eine Niveauanpassung der Luftfeder ausführt. Der Anschlagpuffer 51 in den Fig. 1 und 2 ist als Option anzusehen.

In der Variante nach Fig. 3 dient als Pumporgan eine Membran 53, die an ihrem äußeren Begrenzungsrand 55 fest am Abrollrohr 13, das dem Zylinder 7 wirk­ mäßig zugeordnet ist, eingespannt ist und an ihrem inneren Begrenzungsrand 57 an der Kolbenstange 9 anliegt, wobei die Membran die Kolbenstange umschließt. Bei einer Kolbenstangenbewegung wird die Membran synchron mitgeführt, bis sie eine Wandung 59 des Abrollrohres erreicht, die zusammen mit der Membran den Vorraum 29 bildet, wobei sich die Membran schirmt. Der Vorraum 29 ist wieder­ um mit mindestens jeweils einem in Einlaß- und Auslaßrichtung sich öffnenden Rückschlagventil 25/43 über eine Strömungsverbindung 23 mit der Atmosphäre bzw. dem Federraum 7 verbunden. Die Ebene der Wandung 59 des Abrollrohres liegt schräg zur Null-Lage der Membran, so daß die Membran in ihrer Endlage de­ finiert geführt ist. In diesem Zusammenhang ist die Wandung kürzer ausgeführt als die Breite der Membran, so daß ein Freiraum für den inneren Begrenzungs­ rand 57 der Membran zur Verfügung steht. Der innere Begrenzungsrand ist etwas verstärkt ausgeführt, so daß eine Stirnfläche 63 kurvenförmig ausgebildet wer­ den kann. Bei der Mitnahmebewegung der Membran von der Kolbenstange rollt die Stirnfläche an der Kolbenstange ab, wodurch sich praktisch keine Reibung einstellt aber trotzdem eine Dichtwirkung gegeben ist. Zur Steigerung der Wirk­ samkeit ist unterhalb und oberhalb der Membran jeweils eine Wandung 59 vorge­ sehen, so daß zwei Vorräume 29 entstehen, die gegensinnig ihre Kompressi­ onswirkung ausüben, wobei beide Vorräume über eigene Rückschlagventile 25, 43 verfügen.

Bei einer Einfahrbewegung der Kolbenstange 9 wird das Volumen des unteren der Vorräume verringert, so daß sich das zugehörige Rückschlagventil 43 zum Feder­ raum 6 öffnet. Gleichzeitig vergrößert sich das Volumen des oberen Vorraums, indem sich das Rückschlagventil 25 für den Einlaß öffnet. Während der Ausfahr­ bewegung verringert sich das Volumen des oberen Vorraumes und vergrößert sich entsprechend das Volumen des unteren Vorraums. Die Ventile öffnen und schließen sich aufgrund der Druckverhältnisse im Vorraum.

Durch diese Anordnung der Vorräume gibt es keine Leerhübe, so daß auch bei relativ kleinen Einzelvorräumen eine große Pumpleistung erreicht wird. Die Ablaß­ funktion der Luftfeder ist identisch mit den Ausführungen nach den Fig. 1 und 2. Selbstverständlich kann die Membran auch an der Kolbenstange befestigt sein, jedoch bieten sich bei dieser Anordnung konstruktive und herstellungstechnische Vorteile. Sämtliche selbstpumpenden Luftfedern lassen sich auch mit einem außen oder innen liegenden, verstellbaren Dämpfventil kombinieren.

Claims (12)

1. Selbstpumpende Luftfeder für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Rollbalg, der einen Federraum bildet, einen Federträger, der aus einem Zylinder und einer in dem Zylinder axial verschiebbaren Kolbenstange besteht, wobei der Rollbalg in Wirkverbindung mit dem Zylinder und der Kolbenstange steht, einen Vorraum mit mindestens einem Anschluß an den Federraum und mindestens einem Anschluß an beliebigen Luftvorrat, wobei bei einer Kolbenstangen­ bewegung ein Pumpvorgang über den Vorraum in Verbindung mit mindestens einem Rückschlagventil in den Federraum erfolgt und wobei der Vorraum innerhalb des vom Rollbalg und dem Zylinder eingeschlossenen Federraums angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorraum (29) durch ein Rohr (31) gebildet wird, das einen ersten Boden (33) aufweist, der in Wirkverbindung mit der Kolbenstange (9) steht und einen zweiten Boden (35) aufweist, der in Wirkverbindung mit dem Zylinder (7) steht, wobei innerhalb der zumindest teilweise hohlen Kolbenstange (9) eine Strömungsverbindung (23) mit dem Luftvorrat ausgeführt ist, die in den Vorraum (29) mündet, wobei sich der Vorraum (29) bei einer Kolbenstangeneinfahrbewegung verkleinert und der Druckluftüberschuß über ein Rückschlagventil (43) in den Federraum (6) entweicht.

2. Luftfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Boden (35) von einer kolbenstangenaustrittsseitigen Stirnfläche des Zylinders (7) gebildet wird.

3. Luftfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Rückschlag­ ventil (43) zwischen dem Vorraum (29) und dem Federraum (6) ein elastisch aufweitbarer Ring (41) vorgesehen ist, der eine Überströmöffnung (3) im Rohr (31) abdeckt.

4. Selbstpumpende Luftfeder für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Rollbalg, der einen Federraum bildet, einen Federträger, der aus einem Zylinder und einer in dem Zylinder axial verschiebbaren Kolbenstange besteht, wobei der Rollbalg in Wirkverbindung mit dem Zylinder und der Kolbenstange steht, einen Vorraum mit mindestens einem Anschluß an den Federraum und mindestens einem Anschluß an beliebigen Luftvorrat, wobei bei einer Kolbenstangen­ bewegung ein Pumpvorgang über den Vorraum in Verbindung mit mindestens einem Rückschlagventil in den Federraum erfolgt und wobei der Vorraum innerhalb des vom Rollbalg und dem Zylinder eingeschlossenen Federraums angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorraum (29) innerhalb einer hohl ausgeführten Kolbenstange (9) angeordnet ist, wobei innerhalb der hohlen Kolbenstange (9) ein mit dem Zylinder (7) verbundener Kolben (47) vorgesehen ist, der bei einer Federbewegung eine Relativbewegung zur Kolbenstange (9) ausführt und das Volumen des Vorraums (29) bestimmt.

5. Luftfeder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorraum (29) von einer Verlängerung der Strömungsverbindung (23) mit dem beliebigen Luftvorrat gebildet wird.

6. Selbstpumpende Luftfeder für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Rollbalg, der einen Federraum bildet, einen Federträger, der aus einem Zylinder und einer in dem Zylinder axial verschiebbaren Kolbenstange besteht, wobei der Rollbalg in Wirkverbindung mit dem Zylinder und der Kolbenstange steht, einen Vorraum mit mindestens einem Anschluß an den Federraum und mindestens einem Anschluß an beliebigen Luftvorrat, wobei bei einer Kolbenstangen­ bewegung ein Pumpvorgang über den Vorraum in Verbindung mit mindestens einem Rückschlagventil in den Federraum erfolgt und wobei der Vorraum innerhalb des vom Rollbalg und dem Zylinder eingeschlossenen Federraums angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpvorgang von einer teilelastischen Membran (53) ausgeführt wird, die die Kolbenstange (9) umschließt, wobei die Membran (53) an einem ihrer Begrenzungsränder (55) fest eingespannt ist und mit dem anderen Begrenzungsrand (57) an dem abzudichtenden Bauteil anliegt, und den Vorraum (29) zusammen mit einer Wandung (59) bildet, die wirkmäßig dem Teil zugeordnet ist, das den Begrenzungsrand fest einspannt, wobei sich durch die Bewegung des Teiles, an dem der Begrenzungsrand (54) der Membran (53) anliegt, und die Festlage des anderen Begrenzungsrandes (55) über eine Schirmbewegung der Membran (53) der Vorraum (29) vergrößert oder verkleinert, so daß sich abwechselnd ein Über- oder Unterdruck im Vorraum einstellt.

7. Luftfeder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (53) oberhalb und unterhalb von einer Wandung (59) eingeschlossen wird, so daß zwei Vorräume (29) entstehen.

8. Luftfeder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene der Wandung (29) schräg zur Nullage der Membran (53) ausgeführt ist.

9. Luftfeder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (59) einen Absatz aufweist, dessen Abstand ausgehend von Festeinspannung der Membran (53) geringer ausgeführt ist als die Membran (53) selbst, so daß ein Freiraum (61) für den beweglichen Begrenzungsrand (57) vorliegt.

10. Luftfeder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem beweglichen Begrenzungsrand (57) der Membran (53) eine kurvenförmige Stirnfläche (63) ausgebildet ist, die bei der Schirmbewegung der Membran (53) an dem sich bewegenden Bauteil abrollt.

11. Luftfeder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die kurvenförmige Stirnfläche (63) einen Radius aufweist, der der Breite der Membran (53) zwischen dem fest eingespannten und dem beweglichen Begrenzungsrand (55 und 57) im Bereich der Nullage entspricht.

12. Luftfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorraum (29) innerhalb eines auf den Zylinder (7) aufgeschobenen Abrollrohres (13) ausgeführt sind.