DE19801055C1

DE19801055C1 - Hydropneumatische Feder

Info

Publication number: DE19801055C1
Application number: DE19801055A
Authority: DE
Inventors: Ernst-Achim Dr Kunkel
Original assignee: Mannesmann Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1998-01-14
Filing date: 1998-01-14
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2018-01-15
Also published as: FR2773599B1; US6213261B1; FR2773599A1

Description

Die Erfindung betrifft eine hydropneumatische Feder, die vorzugsweise bei Kraftfahr zeugen zwischen einem Fahrzeugaufbau und einem Radführungsteil angeordnet ist und einen flüssigkeitsgefüllten Zylinder aufweist, in welchen eine nach außen abgedichtete Kolbenstange eintaucht, wobei zur federwegabhängigen Änderung der Progressivität der Federkraft ein Arbeitsraum des Zylinders über eine Ventileinrichtung mit einem Fe derspeicher hydraulisch in Verbindung steht, während in einem mittleren Federwegbe reich ein weiterer Federspeicher über eine weitere Ventileinrichtung und einen Bypaß mit dem anderen Federspeicher verbindbar ist.

Eine derartige, mit zwei Federspeichern ausgeführte hydropneumatische Feder ist durch die EP 0 634 298 A1 bekannt. In einem Federzylinder ist eine Kolbenstange in einem großen Abschnitt axial beweglich geführt und nach außen sowie zu einem Arbeitsraum hin abgedichtet. Die mit einer Anschlagscheibe, jedoch ohne Kolben versehene Kolben stange taucht in den Arbeitsraum ein, der über eine Ventileinrichtung mit einem der Federspeicher hydraulisch verbunden ist. Für den mittleren Federwegbereich ist in der Kolbenstange eine Ringnut vorgesehen, die über einen in der Kolbenstange angeordne ten Bypaß mit dem Arbeitsraum verbunden ist, während ein zweiter Federspeicher zwi schen den Abdichtungen in die Kolbenstangenführung mündet. Im mittleren bereich des Federwegs erfolgt über die Ringnut und den Bypaß die hydraulische Verbindung zwischen den beiden Federspeichern und damit eine geringere Progressivität der Feder kraft. Die aufwendige Konstruktion eines derartigen Federzylinders ist mit einem hohen Kostenaufwand der Bauteile und deren Montage behaftet. Insbesondere wird in dem Federbereich, in dem der zweite Federspeicher von der Ringnut abgesperrt ist, durch den Druck des Federspeichers eine Querkraft auf die Kolbenstange ausgeübt, die eine unerwünschte Erhöhung der Reibkraft bei der Axialbewegung der Kolbenstange be wirkt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine hydropneumatische Feder zu schaf fen, die eine im Aufbau einfache wegabhängig wirkende Änderung der Federprogressi vität besitzt, eine hohe Funktionssicherheit bei geringer Reibung aufweist und kosten günstig in der Herstellung und der Montage ist.

Diese Aufgabe wird entsprechend der Erfindung dadurch gelöst, daß der Bypaß zwi schen einem kolbenstangenseitigen Arbeitsraum und einem kolbenstangenfernen Ar beitsraum angeordnet ist und mindestens einen sich in axialer Richtung erstreckenden Kanal aufweist, der von der Außenfläche eines mit der Kolbenstange fest verbundenen Kolbens steuerbar ist, während der erste Federspeicher mit dem kolbenstangenseitigen Arbeitsraum und der zweite Federspeicher mit dem kolbenstangenfernen Arbeitsraum über je eine Ventileinrichtung in ständiger Wirkverbindung steht. Die problemlose Ver bindung der Federspeicher mit den Arbeitsräumen und der wegabhängig steuerbare Bypaß zwischen den Arbeitsräumen ermöglichen auf einfache Weise eine hydropneu matische Feder zu schaffen, deren Gesamtfederweg in mehrere Federwegbereiche mit unterschiedlichen Federraten unterteilt ist, wobei der mittlere Federwegbereich, bei dem die Arbeitsräume und damit auch die Federspeicher durch den Bypaß hydraulisch mit einander verbunden sind, eine flach verlaufende Kraft-Weg-Kennlinie aufweist, während die daran anschließenden Federwegbereiche wesentlich steiler verlaufende Federkennli nien besitzen. Eine gegenüber der EP 0 634 298 A1 hohe Funktionssicherheit mit gerin ger Reibung der zueinander beweglichen Bauteile wird erhalten, da der sich auf der In nenwand des Zylinders abstützende Kolben die zweite Führung für die Kolbenstange bildet und von den Federspeichern in keinem Federwegbereich radiale Kräfte auf die Kolbenstange ausgeübt werden.

Bei einer Ausführungsform mündet erfindungsgemäß der erste Federspeicher über die Ventileinrichtung und eine im Zylinder angeordneten Anschluß direkt in den kolben stangenseitigen Arbeitsraum, während der zweite Federspeicher über die Ventileinrich tung über einen weiteren Anschluß im Zylinder hydraulisch mit dem kolbenstangenfer nen Arbeitsraum verbunden ist. Die Anschlüsse sind dabei vorzugsweise so angeordnet, daß diese vom Kolben nicht überdeckt werden, wozu beispielsweise ein Zuganschlag auf der Kolbenstange vorgesehen ist, so daß die bekannten Anschlußteile verwendet werden können, die auch geringfügig in den jeweiligen Arbeitsraum ragen können. Eine besondere Bearbeitung der Innenfläche des Zylinders ist somit nach dem Anbringen der Anschlüsse nicht mehr erforderlich.

Bei einer vorteilhaften Ausführung ist, wie die Erfindung zeigt, der zweite Federspeicher über die Ventileinrichtung und einen in der Kolbenstange angeordneten Längskanal, der vorzugsweise durch eine rohrförmige Kolbenstange gebildet ist, hydraulisch mit dem kolbenstangenfernen Arbeitsraum verbunden, während der erste Federspeicher über die Ventileinrichtung in den kolbenstangenseitigen Arbeitsraum mündet. Auf diese Weise wird insbesondere beim Einbau der hydropneumatischen Feder mit der Kolbenstange nach oben ein Anschluß des zweiten Federspeichers geschaffen, der nur geringfügige Bewegungen des Anschlußgelenks aufzunehmen hat und dementsprechend einfach ausgeführt werden kann.

Dies trifft auch für eine weitere Konstruktion zu, die entsprechend weiteren erfinderi schen Merkmalen dadurch gebildet ist, daß der zweite Federspeicher über die Ventilein richtung und einen Anschluß im Zylinder in den kolbenstangenfernen Arbeitsraum mündet, während der erste Federspeicher über die Ventileinrichtung und eine in der Kolbenstange angeordnete Längsbohrung, in die eine im Bereich des Kolbens befindli che Queröffnung mündet, hydraulisch mit dem kolbenstangenseitigen Arbeitsraum ver bunden ist.

Eine sehr einfache und kostengünstige Ausführung für den Bypaß wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch geschaffen, daß dieser durch einen in Längs richtung des Zylinders verlaufenden Kanal gebildet ist, der auf seiner gesamten Länge zum Kolben hin offen ausgebildet ist und einen in Achsrichtung unterschiedlichen Quer schnitt aufweist. Dieser Kanal kann erfindungsgemäß durch mehrere im Zylinder einge arbeitete Nuten gebildet werden. Auch kann der Kanal mehrere mit unterschiedlicher Länge versehene Längsnuten aufweisen, die in der gleichen oder unterschiedlichen Po sition innerhalb der Zylinderrohrlänge angeordnet sind.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen hydropneumatischen Fe der im Längsschnitt mit dem zugehörigen Federdiagramm;

Fig. 2 eine schematisch dargestellte Ausführungsform der hydropneumatischen Feder, bei der ein Federspeicher über die Kolbenstange mit dem kolbenstangenfernen Arbeits raum verbunden ist;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der hydropneumatischen Feder in schematischer Darstellung, wobei ein Federspeicher über die hohle Kolbenstange mit dem kolbenstan genseitigen Arbeitsraum verbunden ist.

Die in Fig. 1 gezeigte hydropneumatische Feder ist zwischen einem Fahrzeugaufbau und einem Radführungsteil gelenkig eingebaut und weist einen mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zylinder 1 auf, in dem eine mit einem Kolben 3 fest verbundene Kolbenstange 2 axial beweglich geführt und nach außen abgedichtet ist. Der Innenraum des Zylinders 1 wird durch den Kolben 3 in einen kolbenstangenseitigen Arbeitsraum 4 und einen kolbenstangenfernen Arbeitsraum 5 unterteilt, während ein erster Federspeicher 6 über eine Ventileinrichtung 9 und einen im Zylinder 1 angeordneten Anschluß hydraulisch mit dem kolbenstangenseitigen Arbeitsraum 4 verbunden ist und ein zweiter Federspeicher 7 über eine Ventileinrichtung 10 in den kolbenstangenfernen Arbeitsraum 5 mündet. Jede Ventileinrichtung 9, 10 besitzt eine aus einem Rückschlagventil und üblicherweise einem Dämpfventil bestehende Ventileinheit für das Einströmen der Hydraulikflüssigkeit in den Federspeicher 6, 7 und eine für das Ausströmen der Hydraulikflüssigkeit aus dem Federspeicher 6, 7.

Der Kolben 3 ist im mittleren Federwegbereich, der sog. "Konstruktionslage", einge zeichnet, in welchem ein von einem offenen Kanal 11 gebildeter Bypaß 8 wirksam ist und die Arbeitsräume 4 und 5 hydraulisch miteinander verbindet, so daß Druckgleich heit zwischen diesen Arbeitsräumen 4 und 5 besteht. Auf die Kolbenstange 2 wirkt eine Ausschubkraft, die dem Druck mal der Kolbenstangenquerschnittsfläche entspricht. Wenn die Dämpfkräfte nicht berücksichtigt werden, dann ändert sich in dem gesamten Hubbereich der Kolbenstange, in dem der Bypaß 8 wirksam ist, der Druck in den Ar beitsräumen 4 und 5 sowie in den Federspeichern 6 und 7 entsprechend dem aus dem Zylinder 1 ein- oder ausfahrenden Kolbenstangenvolumen. Dementsprechend wird in dem mittleren Federwegbereich, der sich von der einen "Speicherumschaltung" bis zur anderen "Speicherumschaltung" erstreckt, eine flach verlaufende Kraft-Weg-Kennlinie erhalten.

Wird beim Einfahren der Kolbenstange 2 in den Zylinder 1 vom Kolben 3 der den Bypaß 8 bildende offene Kanal 11 abgesperrt, dann werden die beiden Federspeicher 6 und 7 hydraulisch abgetrennt (Speicherumschaltung), wodurch bei weiterem Eintauchen der Kolbenstange 2 in den Zylinder 1 der Druck im Federspeicher 7 ansteigt und der Druck im Federspeicher 6 abnimmt, wodurch die steile Federkennlinie zwischen dem Zustand "Speicherumschaltung" und dem Zustand "Eingefedert" entsteht.

Beim Ausfahren der Kolbenstange 2 aus dem Zylinder 1 wird ab einem bestimmten Aus fahrweg vom Kolben 3 untere Ende des Kanals 11 erreicht (untere "Speicherumschaltung") und dadurch der Bypaß 8 abgesperrt und das Ende der Druckgleichheit zwischen den Arbeitsräumen 4 und 5 erreicht. Fährt die Kolbenstange 2 und damit auch der Kolben 3 weiter aus, so wirkt auf die gesamte Kolbenquerschnitts fläche der Druck des mit dem Arbeitsraum 5 verbundenen Federspeichers 7. Da die dem kolbenstangenseitigen Arbeitsraum 4 zugekehrte wirksame Kolbenquerschnittsfläche um den Querschnitt der Kolbenstange 2 verkleinert ist, wird auf dieser Seite eine gerin gere Kraft vom Federspeicher 6 auf den Kolben 2 ausgeübt, als auf der anderen Kolben seite, die vom Druck des kolbenstangenfernen Arbeitsraums 5 beaufschlagt ist. Je weiter die mit einem Zuganschlag 15 versehene Kolbenstange 2 aus dem Zylinder 1 ausfährt, um so mehr steigt der Druck im Arbeitsraum 4 und damit auch im Federspeicher 6. An dererseits nimmt der Druck im Arbeitsraum 5 und in dem damit verbundenen Federspei cher 7 ab, so daß die wirksame Ausschubkraft der Kolbenstange 2 abnimmt, bis bei spielsweise durch Anliegen des Zuganschlags 5 auf der inneren Stirnfläche der Kolben stangenführung die Position "Ausgefedert" erreicht ist, wobei dieser Federweg eine wesentlich steilere Kraft-Weg-Kennlinie aufweist, als der Federweg im Bereich des wirk samen Bypaßquerschnitts 8, wie dies das rechts neben der hydropneumatischen Feder eingezeichnete Federdiagramm zeigt.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist mit einer nach oben aus dem Zylinder 1 austreten den Kolbenstange 2 versehen, die einen Längskanal 12 aufweist, der auch den Kolben 3 durchsetzt und in den kolbenstangenfernen Arbeitsraum 5 mündet. Am äußeren Ende der Kolbenstange 2 ist die über die Ventileinrichtung 10 zum Federspeicher 7 führende Anschlußleitung befestigt, so daß eine hydraulische Verbindung zwischen dem Feder speicher 7 und dem kolbenstangenfernen Arbeitsraum 5 entsteht. Der kolbenstangen seitige Arbeitsraum 4 ist im Bereich der Kolbenstangenführung über die Ventileinrich tung 9 hydraulisch mit dem Federspeicher 6 verbunden, während der Kolben 3 den im Zylinder 1 befindlichen und zum Kolben 3 hin offenen Kanal 11 steuert. Die Wirkungs weise dieser Ausführungsform entspricht der nach Fig. 1.

Bei der Ausführung der hydropneumatischen Feder nach Fig. 3 ist der Federspeicher 6 über die Ventileinrichtung 9 mit der Längsbohrung 13 der Kolbenstange 2 und über eine in die Längsbohrung 13 mündende Queröffnung 14 mit dem kolbenstangenseiti gen Arbeitsraum 4 verbunden. Der Federspeicher 7 ist mit der zugehörigen Ventilein richtung 10 an den Arbeitsraum 5 angeschlossen. Auch bei dieser Ausführung ent spricht die Wirkungsweise der nach Fig. 1.

Der in den Fig. 2 und 3 gezeigte Längskanal 12 bzw. die Längsbohrung 13 in der Kolbenstange 2 wird üblicherweise durch eine aus einem Rohr hergestellte Kolbenstan ge gebildet. Auch der bei allen drei Ausführungen vorhandene offene Kanal 11 kann weitgehend variiert werden. So ist es möglich, daß dieser aus einer oder mehreren in den Zylinder eingearbeiteten Längsnuten besteht, ebenso kann der Bypaß durch einen nur in den Endbereichen offenen Kanal gebildet sein. Ferner können die mit einem Trennkolben versehenen Federspeicher 6 und 7 eine mechanische Feder und/oder eine unter Druck stehende Gasfüllung aufweisen. Auch sog. Membranspeicher sind an wendbar, so daß auch hinsichtlich der Speicherausführung eine große Freizügigkeit be steht. Dies gilt ebenso für die Ventileinrichtungen 9 und 10, deren Rückschlagventile mit Dämpfventilen kombiniert sein können, wodurch es auf einfache Weise möglich ist, die erfindungsgemäße hydropneumatische Feder hinsichtlich der Dämpfwirkung an gefor derte Dämpfkräfte anzupassen.

Claims

1. Hydropneumatische Feder, die vorzugsweise bei Kraftfahrzeugen zwischen einem Fahrzeugaufbau und einem Radführungsteil angeordnet ist und einen flüssigkeits gefüllten Zylinder aufweist, in welchen eine nach außen abgedichtete Kolbenstange eintaucht, wobei zur federwegabhängigen Änderung der Progressivität der Feder kraft ein Arbeitsraum des Zylinders über eine erste Ventileinrichtung mit einem Fe derspeicher hydraulisch in Verbindung steht, während in einem mittleren Feder wegbereich ein weiterer Federspeicher über eine weitere Ventileinrichtung und ei nen Bypaß mit dem anderen Federspeicher verbindbar ist, dadurch gekennzeich net, daß der Bypaß (8) zwischen einem kolbenstangenseitigen Arbeitsraum (4) und einem kolbenstangenfernen Arbeitsraum (5) angeordnet ist und mindestens einen sich in axialer Richtung im Zylinder (1) erstreckenden Kanal (11) aufweist, der von der Außenfläche eines mit der Kolbenstange (2) fest verbundenen Kolbens (3) zu- und abschaltbar ist, während der erste Federspeicher (6) mit dem kolbenstangensei tigen Arbeitsraum (4) und der zweite Federspeicher (7) mit dem kolbenstangenfer nen Arbeitsraum (5) über je eine Ventileinrichtung (9, 10) in ständiger Wirkverbin dung steht.

2. Hydropneumatische Feder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Federspeicher (6) über die Ventileinrichtung (9) und einen im Zylinder (1) an geordneten Anschluß direkt in den kolbenstangenseitigen Arbeitsraum (4) mündet, während der zweite Federspeicher (7) über die Ventileinrichtung (10) hydraulisch mit dem kolbenstangenfernen Arbeitsraum (5) verbunden ist.

3. Hydropneumatische Feder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Federspeicher (7) über die Ventileinrichtung (10) und einen in der Kolben stange (2) angeordneten Längskanal (12), der vorzugsweise durch eine rohrförmige Kolbenstange gebildet ist, hydraulisch mit dem kolbenstangenfernen Arbeitsraum (5) verbunden ist, während der erste Federspeicher (6) über die Ventileinrichtung (9) in den kolbenstangenseitigen Arbeitsraum (4) mündet.

4. Hydropneumatische Feder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Federspeicher (7) über die Ventileinrichtung (10) und einen Anschluß im Zy linder (1) in den kolbenstangenfernen Arbeitsraum (5) mündet, während der erste Federspeicher (6) über die Ventileinrichtung (9) und eine in der Kolbenstange (2) angeordnete Längsbohrung (13), in die eine im Bereich des Kolbens (3) befindliche Queröffnung (14) mündet, hydraulisch mit dem kolbenstangenseitigen Arbeitsraum (4) verbunden ist.

5. Hydropneumatische Feder nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der den Bypaß (8) bildende Kanal (11) auf sei ner gesamten axialen Länge zum Kolben (3) hin offen ausgebildet ist und einen in Achsrichtung unterschiedlichen Querschnitt aufweist.

6. Hydropneumatische Feder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (11) durch eine oder mehrere im Zylinder (1) ein gearbeitete Längsnuten gebildet ist.

7. Hydropneumatische Feder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (11) mehrere mit unterschiedlicher axialer Länge versehene Längsnuten aufweist.