DE19801055C1 - Hydropneumatische Feder - Google Patents
Hydropneumatische FederInfo
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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 (7)
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.
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