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Beschreibung zu der Patentanmeldung des Federsystem für Fahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf ein Federsystem für Fahrzeuge mit die Aufbaumasse
abstützenden, hintereinandergeschalteten Federn und einer Blockiervorrichtung zum
Blockieren einer oder einiger der Federn gegenüber der Aufbaumasse, wobei zum Betätigen
der Blockiervorrichtung ein die Schwinggeschwindigkeit der Aufbaumasse messender
Sensor vorgesehen ist, der die Blokkiervorrichtung bei den Wert Null erreichender
Schwinggeschwindigkeit (Umkehrpunkt der Schwingung) löst und sie nach einer halben
Schwingung von zwei Federn, zwischen denen die Blockiervorrichtung angreift, schliesst
(nach Patentanmeldung P 1928 961.3).
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Es ist ein hydropneumatisches Federsystem bekannt, bei dem zwei hintereinanderges
chaltete hydropneumatische Fede relemente verwendet sind. Jedes Federelement besteht
dabei in bekannter Weise aus einem Hydraulikteil mit einem in einem hydraulischen
Zylinder arbeitenden Kolben und einem pneumatischen Teil, der einen mit Gas gefüllten
Speicher aufweist. Die unter dem Druck des Kolbens stehende Hydraulikflüssigkeit
wirkt über eine elastische Membran auf das in dem Speicher befindliche Gas.
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Eine derartige Feder ist normalerweise mit einer Dämpfung versehen,
die bei unzulässig hohen Fahrzeugaufbaubewegungen die Schwingungsenergie in Wärmeenergie
verwandelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Federsystem der eingangs
genannten Art unter Verwendung von Hydropneumatischen Federelementen zu schaffen,
bei dem die durch Fahrbahnunebenheiten
angeregten Aufbauschwingungen
ohne Energievernichtung, d.h. ohne Dämpfung wirksam verringert werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäss der Erfindung vorgesehen, dass
die Hydraulikteile der als hydropneumatische Federelemente ausgebildeten Federn
in hydraulischer Verbindung stehen und dass die Blockiervorrichtung eine in die
hydraulische Verbindung eingeschaltete Ventilkombination zum Sperren bzw. Freigeben
des Flusses bzw. einen in dem Druckraum des Hydraulikteils frei schwimmenden, blockierbaren
Kolben umfasst.
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Durch die genannten Massnahmen lassen sich ohne grossen Zusatzaufwand
unter Vermeidung einer immer eingeschalteten Dämpfung und einer damit verbundenen
Energievernichtung wirksam die Aufbauschwingungen eines Fahrzeugs beim Fahren über
Unebenheiten verringern.
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Bei einer konstruktiven Ausführung der Erfindung ist das abzustützende
Fahrzeugrad an dem einen Ende eines Tragarms gelagert, dessen anderes Ende in der
Mitte einer Schwinge befestigt ist, an deren freien Enden je eine Feder mit ihrem
Hydraulikteil angreift.
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In der Ventilkombination werden beispielsweise vorteilhafterweise
entsperrbare Rückschlagventile mit grossen Querschnitten und kleiner Schliesskörpermasse
verwendet. Der Schliesskörper wird durch ein Druckmittel betätigt. Aufgrund des
einfachen Aufbaus lassen solche Ventile Betriebsdrücke bis zu 1000 atü zu. Die geschilderten
Merkmale führen dazu, dass sich sehr kleine Schaltzeiten ergeben, wie sie zum Erzielen
der von der Erfindung beabsichtigten Wirkung erforderlich sind.
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Die Erfindung sowie vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden
im folgenden anhand schematischer Zeichnungen mehrerer Aus für ungsbeispiele näher
erläutert; Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild für ein Federsystem nach der
Erfindung;
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild mit einem abgewandelten
Federsystem nach der Erfindung; Fig. 3 eine praktische Ausführung des Federsystems
nach der Erfindung; Fig. 4 eine schematische Ausführung der Ventilkombination; Fig.
5 einen Querschnitt durch ein vorteilhafterweise bei der Erfindung verwendetes entsperrbares
Rückschlagventil.
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Das Federsystem nach Figur 1 ist zwischen den Fahrzeugaufbau 1 und
das Rad 2 eines auch auf unebenem Gelände betreibbaren Fahrzeugs eingeschaltet.
Dabei ist ein hydraulischer Zylinder 3 des Federsystems an dem Aufbau angebracht,
während der Kolben 4 des Zylinders 3 an der Radabstützung des Rades 2 angelenkt
ist.
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Der Druckraum 5 des hydraulischen Zylinders steht über Leitungen 6
und 7 in Verbindung mit Flüssigkeitsräumen 8 und 9 von Speichern 10 und 11. Die
Speicher 10 und 11 haben ausserdem noch Gasräume 12 und 13, welche mittels nachgiebigen
Membranen 14 und 15 von den Flüssigkeitsräumen 8 und 9 getrennt sind. Im Druckraum
5 ist eine Ventilkombination 16 vorgesehen, die aus zwei gegensinnig wirkenden,
entsperrbaren und einzeln ansteuerbaren Rückschlagventilen besteht. Die Ventilkombination
16 wird durch einen die Schwinggeschwindigkeit des Aufbaus 1 messenden Sensor betätigt.
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Das Federsystem nach Figur 1 arbeitet wie folgt: im Stillstand des
Fahrzeuges sind beide Rückschlagventile der Ventilkombination 16 entsperrt, d. h.
die Speicherräume 8 und 9 sind hydraulisch miteinander verbunden. Setzt sich das
Fahrzeug in Bewegung, so wird bereits bei einer geringfügigen Auslenkung der Aufbaumasse
1 die Ventilkombination 16 geschlossen, d.h. beide Rückschlagventile werden gesperrt.
Dadurch wirkt nur noch der Speicher 11 als hydropneumatisches Federelement, während
die Federenergie des Speichers 10 mittels der Ventilkombination 16 gespeichert wird.
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Bewegt sich das Fahrzeug über eine unebene Fahrbahn, so wird die Aufbaumasse
1 zu Schwingungen um die statische Ruhelage des Systems angeregt, die durch den
Sensor in Form der Schwinggeschwindigkeit nach Grösse und Richtung erfasst werden.
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Der Sensor entsperrt nun je nach Richtung der Schwinggeschwindigkeit
bei den Wert Null erreichender Schwinggeschwindigkeit eines der Rückschlagventile
der Ventilkombination 16. Nun beginnt die Ölsäule infolge der freiwerdenden Federenergie
des Speichers 10 mit einer Anfangsauslenkung bezogen auf ihre statische Ruhelage
mit Eigenfrequenz in dem Zylinder 5 und den Leitungen 6 und 7 zu schwingen. Nach
einer halben Schwingungsdauer der Ölsäule, zu einem Zeitpunkt also, in dem sich
die Ölsäule in der entgegengesetzten Umkehrlage ihrer Schwingung befindet, wird
durch die nun beginnende Rückströmung des Öls das vorher entsperrte Rückschalgventil
der Ventilkombination 16 durch das Öl selbst geschlossen. Dadurch wird wieder ein
Energiebetrag in Form von Federenergie im Speicher 10 gespeichert, der allerdings
umgekehrte Wirkung (Vorzeichen) wie der vorher gespeicherte Betrag hat. Die Ventilkombination
16 bleibt solange gesperrt, bis der Sensor wieder einen Vorzeichenwechsel der Geschwindigkeit
der Aufbaumasse meldet. Dann beginnt das Schaltspiel durch die Entsperrung des durch
die Geschwindigkeitsrichtung bestimmten Rückschlagventils der Ventilkombination
16 von neuem.
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Das Federsystem nach Figur 1 unterscheidet sich von einer normalen
hydropneumatischen Feder dadurch, dass im Druckraum 5 zwischen den beiden Speichern
10 und 11 eine Ventilkombination 16 vorgesehen ist. Dafür ist eine Dämpfung, die
bei grösseren Aufbauschwingungen beträchtliche Energien vernichtet, vermieden und
trotzdem ermöglicht, dass das mit einer Feder nach Firgur 1 ausgerüstete Fahrzeug
mit beliebiger Geschwindigkeit über Unebenheiten fahren kann, deren Grösse etwa
dem zulässigen Federweg entsprechen, ohne dass die Aufbaumasse dabei zu Schwingungen
mit unzulässig hoher Amplitude aufgeschaukelt wird. Das gilt auch für Schwingungen
im Bereich der Eigenfrequenz der Aufbaumasse.
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Bei der Ausführung nach Figur 2 sind gleiche Teile wie in Figur 1
mit gleichen Bezugszeichen versehen und in Aufbau und Wirkungsweise
nicht
nochmals beschrieben. Im Gegensatz zu der Ausführung nach Figur 1 ist anstelle einer
Ventilkombination im Druckraum ein freischwimmender Kolben 17 vorgesehen. Der freischwimmende
Kolben wird im selben Rythmus wie die Ventilkombination 16 bei der Ausführung nach
Figur 1 mittels einer nicht gezeigten Blockiervorrichtung synchron im Zylinder blockiert
bzw. gelöst.
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In Figur 3 ist eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung
gezeigt. Bei dieser Ausführung ist das in Richtung des Pfeils A durch eine Kraft
beaufschlagte Fahrzeugrad 2 an dem einen Ende eines Tragarms 20 gelagert, dessen
anderes Ende in der Mitte einer Schwinge 21 befestigt ist, die ihrerseits mittels
einer Achse 19 mit dem nicht gezeigten Aufbau verbunden ist. An den freien Enden
der Schwinge 21 sind je ein Kolben 22 bzw. 23 angelenkt. Die Kolben 22 und 23 wirken
in hydraulischen Zylindern 24 bzw. 25. Der Druckraum 26 bzw. 27 jedes Zylinders
steht mit dem Flüssigkeitsraum 28 bzw. 29 je eines Speichers 30 bzw. 31 in Verbindung.
Die Speicher 30 bzw. 31 weisen Gas räumte 32 bzw. 33 auf, die durch die beweglichen
Membranen 34 bzw. 35 von den Flüssigkeitsräumen 28 bzw. 29 druckdicht abgeteilt
sind. Die Druckräume 26 und 27 der beiden Zylinder 25 und 26 sind durch eine Leitung
36 miteinander verbunden. Dadurch und durch die gegenläufige Anordnung der Kolben
22 bzw.
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23 ergibt sich eine hintereinander geschaltete Anordnung der beiden
hydropneumatischen Federelemente.
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Das soweit anhand von Figur 3 beschriebene Federsystem entspricht
einem konventionellen Federsystem. Es ist lediglieh noch durch ein in die die beiden
Flüssigkeitsräume 28 und 29 verbindende Leitung 36 eingeschaltete Ventilkombination
(Fig. 4) 37 ergänzt. Die auch bei dem konventionellen Federsystem vorhandenen beiden
Speicher sind um soviel grösser ausgeführt, dass eine Feder ebenso weich ist wie
beide hintereinander geschalteten Federn des konventionellen Federsystems. Die Ventilkombination
wird bei Aufbauschwingungen des hier nicht dargestellten Aufbaus im gleichen zeitlichen
Rythmus wie die Federsysteme nach den Figuren 1 oder 2 geschaltet.
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Im normalen Fahrzustand fährt das Fahrzeug mit entsnerrten Ven-
riienl ventiiKomDination J(. uie r'eaerttenilile ist iclentiscn mit derjenigen des
konventionellen Federsystems. Allerdings wird die Feder abgesehen von eventuell
auftretenden Drosselerscheinungen in der Verbindungsleitung 36 der beiden Speicher
31 und 30 ungedämpft betrieben.
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Beim Auftreten von Fahrzeugschwingungen werden die Rückschlagventile
der Ventilkombination 37 zur Abtrennung des Speichers 31 im Zeitpunkt der maximalen
Ein- bzw. Ausfederung geschlossen und somit die im Speicher 31 vorhandene Federenergie
gespeichert.
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Die nicht dargestellte Aufbaumasse wird nun von dem noch aktiven Speicher
30 in die statische Sollage zurückbeschleunigt. In dieser Lage ist die Nickwinkelgeschwindigkeit
der Aufbaumasse zu Null geworden. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Rückschlagventil
geöffnet und die vorgespannte Ölmenge des Speichers 31 wird beschleunigt.
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Sie fliesst sehr schnell in den Speicher 30 und spannt diesen vor.
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Beim Zurückschwingen des Öls aus dem Speicher 30 in den Speicher 31
wird das andere Rückschlagventil geschlossen, so dass Speicher 30 aufgeladen bleibt
und Speicher 31 im entladenen Zustand abgesperrt bleibt. Will sich nun die nicht
dargestellte Aufbaumasse, durch ein Fahrbahnhindernis angeregt, nach oben bewegen,
so muss der aktive Speicher 30 wieder entladen werden, damit er der Aufbaubewegung
entgegenwirkt. Zu diesem Zweck wird das andere Rückschlagventil geöffnet und das
Öl des aktiven, gefüllten Speichers 30 strömt in den leeren Speicher 31 und spannt
diesen vor. In dem Augenblick, in dem die Ölmenge wieder in den Speicher 30 zurückfliessen
will, wird das eine Rückschlagventil 37 geschlossen. Der Vorgang wiederholt sich
in umgekehrter Richtung, wenn sich die Fahrzeugmasse nach unten bewegen will.
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Dem Federsystem nach der Erfindung wird also zu geeigneten Zeitpunkten
gespeicherte Energie zugeführt (Öffnen des Ventils) und nach sehr kurzer Zeit (eine
halbe Schwingung der Ölmasse zwischen beiden Speichern) mit umgekehrten Vorzeichen
wieder entzogen.
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In Figur 4 ist schematisch eine Ventilkombination dargestellt, wie
sie bei den Ausführungen nach Figur 1 und Figur 3 vorteilhafterweise verwendet wird.
Es handelt sich um zwei entsperrbare Rückschlagventile 50 und 51, die jeweils nur
eine Durchflussrichtung zulassen. Das Ventil 50 ermöglicht einen Durchfluss von
Anschluss 52 zu Abfluss 53, wenn die Steuerleitung S1 betätigt wird. Rückströmungen
von 53 nach 52 sind nicht möglich, solange die Steuerleitung S2 des Ventils 51 nicht
betätigt wird. Vom Sensor, der die Schwinggeschwindigkeit der Aufbaumasse feststellt,
wird nun je nach Richtung der Geschwindigkeit entweder das Ventil 50 oder das Ventil
51 angesteuert.
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In Figur 5 ist schematisch ein entsperrbares Rückschlagventil dargestellt,
wie es in der Ventilkombination nach Figur 4 vorteilhafterweise für die Ventile
50 und 51 verwendet wird. Dieses Ventil hat einen Einlasskanal 40 und einen Auslasskanal
41. Die beiden vergleichsweise grossen Querschnitt aufweisenden Kanäle 40 und 41
stehen miteinander in geöffnetem Zustand des Ventils über einen Ventilraum 42 in
Verbindung. In diesem Ventilraum 42 befindet sich der Schliesskörper 43 des Ventils,
der eine verhältnismässig kleine Masse hat. Der Ventilkörper 43 wird von dem in
den Druckräumen 5 bzw. 26 und 27 herrschenden Flüssigkeitsdruck im allgemeinen von
den Mündungen der Kanäle 40 und 41 in dem Ventilraum 42 weggedrückt gehalten. Auf
der diesen Mündungen gegenüberliegenden Seite des Ventilraums 42 befindet sich ein
Kanal 44, über den ein hoher Druck auf den Ventilkörper 43 aufgebracht werden kann.
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Unter der Wirkung dieses hohen Druckes legt sich der Ventilkörper
43 in einelasehr kurzen Zeitabschnitt dichtend gegen die Mündung des Kanals 41 im
Druckraum 42 an. Auf diese Weise wird der Fluss zwischen den Kanälen 40 und 41 unterbrochen,
so dass jeweils nur noch ein Speicher arbeitet. Bei Rückströmen des Öls von Kanal
41 nach 40 wird der Ventilkörper 43 aufgrund seiner Geometrie gezwungen, sich ebenfalls
in einer sehr kurzen Zeit dichtend gegen die Mündung des Kanals 40 zu legen, so
dass das Ventil bei Umkehrung der Strömungsrichtung gesperrt wird. Das Ventil nach
Figur 5 kann, wenn es mit einer hinreichenden Schaltgeschwindigkeit arbetet, auch
die Stelle der Ventilkombination nach Figur 4 einnehmen und unmittelbar als "VentiLkombination"
' 16 bzw. 37 in das Federsystem nach Figur 1 bzw. 3 eingebaut werden.
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Der Sensor ist vorteilhaft als fahrzeugfester Wendekreisel ausgebildet,
der die Fahrzeugnickschwingungen fühlt und in dem bereits oben angegebenen zeitlichen
Rythmus das Schnellschaltventil betätigt.