DE3434660A1

DE3434660A1 - Luftfeder

Info

Publication number: DE3434660A1
Application number: DE19843434660
Authority: DE
Inventors: Gerhard 6800 Mannheim Röhner; Willi 6900 Heidelberg Schweikert; Gerd-Heinz Dipl.-Ing. 6948 Wald-Michelbach Ticks
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 1984-09-21
Filing date: 1984-09-21
Publication date: 1986-04-03
Also published as: US4678203A; FR2570784B1; DE3434660C2; FR2570784A1; GB2164725B; GB8523306D0; GB2164725A

Description

Dr. H. Weissenfeld-Richters -" : ■ : :-..:-.·-! iwsbnerweg 2-4

Patentanwältin ■'-' ^:- // ·-" "--" 6240Weinheim/Bergstr.

Ψ Telefon (062 01) 80-8618

Telex 4 65 531

343466Q _{ip# September 1984}

Mo/F

M 335/Deu.

Anmelderin; Firma Carl Freudenberq, Weinheim

Luftfeder

Die Erfindung betrifft eine Luftfeder zur Abstützung eines schwingenden Körpers auf einem Fundament, umfassend einen Federbalg mit variablem Innenraum, der mit Luft des mittleren Druckes PM gefüllt ist, der durch eine ein Einlaßventil enthaltende Speiseleitung mit einem Druckgasreservoir verbunden ist, der ein Auslaßventil aufweist, eine Meßeinrichtung für den Innendruck und eine Verbindung zwischen der Meßeinrichtung und dem Ein- und Auslaßventil, die bei PM übersteigenden Drücken das Auslaßventil und bei PM unterschreitenden Drücken das Einlaßventil öffnet, um eine Kompensation der Druckveränderungen zu erreichen.

Eine Luftfeder der vorgenannten Art ist bekannt. Beispielsweise die DE-AS 12 82 475 nimmt Bezug auf eine Luftfederan-

anlage mit pneumatischer Dämpfung, bei der die eigentliche Luftfeder durch ein doppelt wirkendes Ventil mit einem Ausgleichsraum verbunden ist. Das Ventil wird beim schwingungsverursachten Auftreten von Differenzdrücken zwischen der Luftfeder und dem Ausgleichsraum betätigt, was zu einer gewissen Kompensation des Über- oder Unterdruckes in der Luftfeder führt. Die damit erzielte Dämpfung ist jedoch noch unbefriedigend, weil die der erzwungenen Schwingung entgegenwirkende, gewollte Druckänderung in der Luftfeder nur in sehr engen Grenzen tatsächlich eintritt. Dieser Effekt ist darauf zurückzuführen, daß in dem Ausgleichsraum und in der Gasdruckfeder ein im wesentlichen identischer Mitteldruck herrscht, so daß lediglich von dem Mitteldruck abweichende Druckänderungen ausgeglichen werden können. Diese grundsätzliche Situation ändert sich auch dann nicht, wenn das Ventil mit einer zusätzlichen Dämpfungseinrichtung verbunden ist. Die Isolierwirkung genügt hohen Ansprüchen nur in seltenen Fällen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Luftfeder der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß eine bessere Isolierung von Schwingungen einer hohen Frequenz erzielt wird als mit einer passiven Gasdruckfeder erreichbar sowie eine bessere Dämpfung von Schwingungen im Resonanzbereich als mit den bisher zur Verfugung stehenden Druckänderungen aktiv kompensierender Gasdruckfedern erreichbar. Die Luftfeder soll es darüber hinaus erlauben, die Federungscharakteristik gezielt zu modifizieren, beispielsweise in Anpassung an die vorhersehbaren Besonderheiten, die sich aus einer Verwendung in einen Kraftfahrzeug ergeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäö mit einer Luftfeder der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Meßeinrichtung durch einen elektrischen Sensor gebildet wird, daß das Ein- und das Auslaßventil mit wenigstens einem Hilfsantrieb versehen sind und daß der Hilfsantrieb durch den Sensor betätigbar ist.

Als Sensoren kommen alle üblichen elektrischen Druckaufnehmer oder Druckaufnehmeranordnungen in Betracht, die die einem mittleren Druck überlagerten anregungsbedingten Druckänderungen in einem Bereich von höchstens 0,5 Hz bis mindestens 10 Hz amplituden- und phasenrichtig erfassen können.

Dies sind unter anderem:

- Folien oder Kristalle mit piezoelektrischen Eigenschaften, die auf elastische oder feste Unterlagen montiert und mit Druck beaufschlagt proportionale Ladungsänderungen erfahren bzw. Spannungen induzieren.

- Dehnungsmeßstreifen, auf elastische Unterlagen montiert und als Differenzdruckmesser auf der einen Seite mit dem mittleren Hohlrauminnendruck, auf der anderen Seite mit dem aktuellen Hohlrauminnendruck beaufschlagt, die mit einer Uersorgungsspannung versehen, druckproportionale Spannungsänderungen anzeigen.

- Dehnungsmeßstreifen auf elastischer Unterlage, die auf der einen Seite mit dem aktuellen Hohlrauminnendruck, auf der anderen Seite hingegen mit einem.konstanten Druck oder Vakuum beaufschlagt sind und eine konstante Versorgungsspannung proportional zu dem sich ändernden Druck im Hohlraum in eine entsprechend geänderte Ausgangsspannung zu ändern vermögen.

- Beliebige Drucksensoren mit nachgeschaltetem Hochpaßfilter.

Als Sensor gelangt bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Luftfeder bevorzugt eine Folie mit piezoelektrischen Eigenschaften zur Anwendung, die auf einem flexiblen bz\i/. elastischen Flächengebilde abgestützt ist. Dabei wird insbesondere der Effekt genutzt, daß positive oder negative Druckveränderungen im Innnenraum der Luftfeder zum Aufbau proportionaler Spannungen zwischen der vorderen und der rückwärtigen Deckfläche des piezoelektrischen Sensors führen, die der Richtung der Druckänderung in korrekter Weise zugeordnet sind. Dieser Sensor erfüllt die gestellten Anforderungen in ausgezeichneter Weise und ist kostengünstig verfügbar, weshalb ihm hier der Vorzug gegeben wurde.

Piezoelektrische Materialien mit planparallelen Oberflächen, insbesondere Folien, weisen eine überwiegend kristralline und polarisierte innere Molekularstruktur auf, und in diese Struktur eingeleitete Zug- bzw. Druckkräfte führen zu einer Deformation der Kristallite, und damit zu einer Störung des inneren elektrischen Gleichgewichtes .

Diese Störung kann zwischen den Deckflächen des Flächengebildes in Form eines Spannungsimpulses gemessen werden, wenn man auf die Deckflächen elektrisch leitende Schichten aufbringt, beispielsweise in Gestalt einer Metallbedampfung. Die Richtung des Spannungsimpulses ist abhängig davon, ob eine Zug- oder eine Druckbeanspruchung (Drucksteigerung-Druckabsenkung) auf das Flächengebilde ausgeübt worden ist. Seine Höhe ist abhängig von dem Umfang der eingetretenen Verformung, die Abklingzeit vom Nachlassen der Verformung, von der elektrischen Kapazität des zur Anwendung gelangenden, piezoelektrischen Sensors sowie der Größe des elektrischen Widerstandes der Materialien zwischen den Deckschichten. Druckveränderungen im Innenraum einer Luftfeder von 0,1 Hz bis zu mindestens 20 Hz, die eine Größe von wenigstens 0,01 bar erreichen, können richtig erfaßt werden. Der überwiegende Teil aller in eine Kfz-Federung eingeleiteten Schwingungen wird hiervon erfaßt. Sie lassen sich unter Verwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Luftfeder in einer unvorhergesehenen und bisher nicht erreichten Weise kompensieren.

Für die Betätigung des Hilfsantriebes des Ein- und des Auslaßventils ist zweckmäßigerweise ein Ladungs-Spannungsverstärker vorgesehen. Dieser kann gegebenenfalls auch einen Regler zur modifizierten Betätigung des Hilfsantriebes aufweisen, beispielsweise einen Phasenschieber und/oder einen Amplitudenvervielfältiger.

Zweckmäßigerweise sind derartige Hilfseinrichtungen ebenfalls durch einen Hilfssensor betätigbar, beispielsweise einen Hilfssensor, der einem Niveau-, Geschwindigkeits-, Lenkungs- und/oder Bremskraftmeßgerät zugeordnet ist. Die

Federungscharakteristik der vorgeschlagenen Luftfeder kann hierdurch automatisch an die Erfordernisse bestimmter Betriebszustände eines Kraftfahrzeuges angepaßt werden.

Im Hinblick auf die Erzielung einer guten Ansprechempfindlichkeit hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der Sensor mit piezoelektrischen Eigenschaften aus einer Folie aus Polyvinylidenfluorid oder einem Copolymeren besteht, die zur Betätigung der Hilfsantriebe auf den einander gegenüberliegenden Deckflächen mit elektrisch leitenden Schichten versehen ist. Die Dicke der Folie soll möglichst 5 bis 500 μπι betragen, während die Schichten aus aufgedampftem Aluminium bestehen können.

Der von einer solchen piezoelektrischen Folie erzeugte Spannungsimpuls ist insbesondere abhängig von dem durch die Druckänderung verursachten Verformungsgrad. Es hat sich unter diesem Gesichtspunkt als zweckmäßig erwiesen, wenn die Folie auf der von dem Innenraum der Luftfeder abgewandten Seite an einer Schicht aus nachgiebigem Material anliegt. Die Folie kann in einem solchen Falle auch entlang des Randes gegenüber dem Innenraum abgedichtet sein.

Das Ein- und das Auslaßventil können in einem Ventilblock zusammengefaßt und mit einem gemeinsamen Hilfsantrieb versehen sein. Die Ausführung wird den üblichen technischen Anforderungen gerecht und läßt sich besonders kostengünstig fertigen.

Wesentlich höhere Schaltfrequenzen lassen sich demgegenüber erzielen, wenn das Ein- und das Auslaßventil mit separaten Hilfsantrieben versehen sind. Insbesondere in bezug auf die Erzielung guter Isoliereigenschaften ist eine solche Ausführung von großem Vorteil.

AO

Die Ventile können im einfachsten Falle digital geschaltet sein, was sich jedoch in bezug auf die Erzielung guter Isoliereigenschaften als vi/enig befriedigend erwiesen hat. Proportional verstellbaren Ausführungen wird daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Vorzug gegeben.

Störkräfte, hervorgerufen durch mögliche Änderung der gefederten Masse, des Versorgungsdruckes, bzw/, des Anregefrequenzspektrums, können zu einer Lageänderung der gefederten Masse führen. Langsame statische Abweichungen (z,B. solche einer Frequenz kleiner als 0,1 Hz) vom elektr. eingestellten Höhenniveau der Masse, u/erden von einem elektrischer Wegsensor (z.B. Potentiometer mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilter) erfaßt und durch analoges Verändern der Ein- und Ausgangsquerschnitte oder Öffnungszeiten weitgehend kompensiert. Je nach Einsatzbedingungen kann das vorgegebene Niveau mit einer Abweichung von nicht mehr als + 3 mm gehalten werden.

Die mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Luftfeder erzielbaren Vorteile bestehen vor allem darin, daß diese weitgehend unabhängig von Änderungen des Versorgungsdruckes und der Masse bzw. des Gewichtes des abgestützten Körpers eine gute Isolierung hochfrequenter Schwingungen ebensosicher garantiert wie eine gute Dämpfung niederfrequenter Schwingungen. Die vorgeschlagene Luftfeder eignet sich dadurch ausgezeichnet für die unterschiedlichsten Anwendungen im Fahrzeugbau, beispielsweise in bezug auf die Radfederung oder die Federung von Fahrzeugkabinen und/oder Fahrersitzen.

J*

In.der in der Anlage beigefügten Zeichnung ist eine beispielhafte Ausführung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Luftfeder schematisch dargestellt. Sie wird nachfolgend näher erläutert:

Das Tragteil 1 der dargestellten Luftfeder ist zwischen dem Radlenker und dem Aufbau eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Das Tragteil 1 besteht im wesentlichen aus einem oberseitig geschlossenen, zylindrischen Hohlkörper, der an der Karosserie festgelegt ist sowie aus einem Tauchkörper von ebenfalls zylindrischer Gestalt, der in den Hohkörper eingreift und unterseits an der abzufedernden Achse festgelegt ist. Der Hohlkörper und der Tauchkörper sind in senkrechter Richtung relativ zueinander beweglich und gegeneinander durch eine Rollmembrane abgedichtet. Die senkrechte Relativverlagerung eines der beiden Teile ist dadurch sehr leicht möglich und von keiner nennenswerten Dämpfung begleitet.

Der von dem Hohlkörper, dem Tauchkörper und der Rollmembran umschlossene Hohlraum ist unter Betriebsbedingungen mit Luft oder einem geeigneten anderen Gas oder Gasgemisch gefüllt.

Der Druck der in dem Hohlraum enthaltenen Luft lastet vorderseitig auf einer durch einen Sensor mit piezoelektrischen Eigenschaften gebildeten Me(3einrichtung 2. Diese besteht im wesentlichen aus dem Gehäuse 4 aus nicht leitendem Kunststoff, dessen beide Teile die rückseitig auf der nachgiebigen Schicht 5 abgestützte und mit einer metallischen Oberflächenbedampfung versehene Folie 6 aus Polyvinylidenfluorid umschließen.

Die Folie ist kreisförmig begrenzt und randseitig beiderseits durch kreisringförmi-g gestaltete Ringe 7 abgedeckt, die mit Kontaktstiften 8 versehen sind. Die Kontaktstifte 8 sind durch elektrische Leiter 9, 10 mit den Magnetspulen des kombinierten.Ein-Auslaßventils 3 verbunden, wobei ein zvi/ischengeschalteter Spannungsverstärker 11 eine Anpassung der von der Meßeinrichtung erzeugten Spannungsimpulse an das für eine Betätigung der Magnetspulen erforderliche Niveau bewirkt. Das kombinierte Ein-Auslaßventil 3 ist mit zwei Anschlüssen versehen. Es steht einerseits durch die Leitung 12 mit dem Hohlraum in Verbindung, andererseits durch die Versorgungsleitung 13 mit einem Druckgasreservoir sowie durch die Entlüftungsleitung 14 mit der Atmosphäre. Der Wegaufnehmer 15 ist zwischen den beiden zylindrischen Hohlkörpern vom Tragteil 1 angeordnet und bewirkt eine solche Modifizierung der das Ein-Auslaßventil betätigenden Spannungen, daß sich unabhängig von der Belastung, dem Versorgungsdruck und der Frequenz der eingeleiteten Schwingungen eine gleichbleibende Mittellage des relativ beweglichen Teiles ergibt.

Zur Funktion der Luftfeder ist folgendes auszuführen:

Ausgehend von einem mittleren Druck PM in dem Hohlraum sei angenommen, daß das abgestützte Rad durch Überfahren einer Bodenunebenheit zu einer Einfederung veranlaßt wird. Die Einfederung hat eine Volumenverminderung des Hohlraumes zur Folge und hieraus resultierend einen Druckanstieg in dem Hohlraum.

- 10 -

Al

Die piezoelektrische Folie 6 wird hierdurch in bestimmter Weise verformt und setzt einen Spannungsimpuls frei, der nach Größe und Richtung der Art der Druckveränderung entspricht. Der Spannungsimpuls wird dementsprechend in der erforderlichen Weise verstärkt und zur Betätigung des Auslaßventils benutzt. Überschüssige Druckluft kann hierdurch unter Verminderung des Druckes in dem Hohlraum entweichen, was zugleich eine Rückformung der,piezoelektrischen Folie 6 und somit ein Abklingen des Spannungsimpulses bedingt. Ein Schließen des Auslaßventils ergibt sich als Folge hiervon automatisch.

Kommt es im Gegensatz zu. dem vorstehend beschriebenen Betriebsbeispiel zu einer Ausfederung des abgestützten Rades, dann ist eine Druckverminderung in dem Hohlraum gegenüber dem ursprünglich vorhandenen Mitteldruck die Folge. Die piezoelektrische Folie 6 wird in diesem Falle in entgegengesetzter Richtung verformt. Ein Spannungsimpuls von entgegengesetzter Richtung ist hiervon die Folge. Er bevi/irkt eine Betätigung des Einlaßventils und damit die Nachführung von Druckluft aus dem Reservebehälter in den Hohlraum, bis das ursprünglich erreichte Niveau erreicht ist.

Der Verstärker 11 kann mit einem Regler versehen werden, der es erlaubt, das durch die Druckänderung in dem Hohlraum induzierte Signal der elektrischen Meßeinrichtung zu modifizieren in Abhängigkeit von der Höhenlage eines Kraftfahrzeuges, der gefahrenen Geschwindigkeit, der momentanen Lenkungseinstellung und/oder der momentan wirksamen Beschleunigungs- oder Bremskräfte. Die spezielle Festlegung erfolgt, abgesehen von der Niveauregulierung, zweckmäßig im Fahrversuch und führt dann zu einer spürbaren Verbesserung des Fahrkomforts und der Fahrsicherheit.

- 11 -

Bezuqszeichenliste

1 Tragteil

2 Meßeinrichtung

3 Ein-Auslaßventil

4 Gehäuse

5 nachgiebige Schicht

6 Folie (piezoelektrisch)

7 Ring (leitend)

8 Kontaktstifte

9, 10 Leiter (elektrisch)

11 Spannungsverstärker

12 Leitung

13 Versorgungsleitung

14 Entlüftungsleitung 14 Wegaufnehmer

Claims

-M- Patentansprüche

1. Luftfeder zur Abstützung eines schwingenden Körpers auf einem Fundament, umfassend einen Federbalg mit variablem Innenraum, der mit Luft des mittleren Druckes PM gefüllt ist, der durch eine ein Einlaßventil enthaltende Speiseleitung mit einem Druckgasreservoir verbunden ist, der ein Auslaßventil aufweist, eine Meßeinrichtung für den Innendruck und eine Verbindung zwischen der Meßeinrichtung und dem Ein- und Auslaßventil, die bei PM übersteigenden Drücken das Auslaßventil und bei PM unterschreitenden Drücken das Einlaßventil öffnet, um eine Kompensation von Druckveränderungen zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil in einer Entlüftungsleitung (14) angeordnet ist, die in die Atmosphäre mündet, daß die Meßeinrichtung (2) durch einen elektr. Sensor gebildet wird, daß das Ein- und Auslaßventil (3) mit wenigstens einem Hilfsantrieb versehen ist, und daß der Hilfsantrieb durch den Sensor (2) betätigbar ist.

2. Luftfeder na.ch .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Sensor aus einer Folie oder einem Kristall mit piezoelektrischen Eigenschaften oder einem mit einer Spannungsquelle verbundenen, elastisch abgestützten Dehnungsmeßstreifen besteht.

3. Luftfeder nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor für eine Betätigung des Hilfsantriebes mit einem Ladungs- oder Spannungsverstärker (11) versehen ist.

- 12 -

4. . Luftfeder nach Anspruch 3_} dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsverstärker (11) einen Regler zur modifizierten Betätigung des Hilfsantriebes aufweist.

5. Luftfeder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler zur Modifizierung der Betätigung des Hilfsantriebes mit wenigstens einem Phasenschieber und/oder Amplitudenvervielfältiger versehen ist.

6. Luftfeder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber und/oder der Amplitudenvervielfältiger durch mindestens einen Hilfssensor betätigbar ist.

7. Luftfeder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfssensor einem Niveau-, Geschwindigkeits-, Lenkungs- und/oder Brems- oder Beschleunigungskraftmeßgerät zugeordnet ist.

8. Luftfeder nach Anspruch 1 bis 7_} dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus einer piezoelektrischen Folie (6) aus Polyvinylidenfluorid oder einem Copolymeren besteht, die zur Betätigung des Hilfsantriebes auf den einander gegenüberliegenden Deckflächen mit elektrisch leitenden Schichten (8) versehen ist.

9. Luftfeder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (6) eine Dicke von 10 bis 300 μηη aufweist und daß die Schichten (8) aus aufgedampftem Metall bestehen.

- 13 -

3Α3Λ660

10. Luftfeder nach Anspruch 0 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (6) auf der von dem Innenraum abgesandten Seite an einer Schicht (5) aus nachgiebigem Material anliegt.

11. Luftfeder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (6) entlang des Randes gegenüber dem Innenraum abgedichtet ist.

12. Luftfeder nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein- und Auslaßventil proportional zu den Druckänderungen im Innenraum betätigbar sind.

13. Luftfeder nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein- und Auslaßventil jeweils einen eigenen Hilfsantrieb haben und getrennt betätigbar sind.

- 14 -