DE3436664C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Membran-Luftfeder, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben und aus der DE-PS 27 59 435 (Fig. 2, 3) bzw. den zugehörigen ursprünglichen Unterlagen (Fig. 4, 5) bekannt ist.

Eine solche Luftfeder erzeugt aufgrund der gedrosselten Strömung zwischen den beiden Luftkammern eine schwingungsdämpfende Kraft und ist im Vergleich zu Federn aus Metall oder Kautschuk weich. Die Federhöhe, die Tragfähigkeit und die Federkonstante lassen sich bei der Luftfeder individuell einstellen. Entsprechende Luftfedern wurden daher bei verschiedenen Schwingungssystemen zur Schwingungsisolierung und Schwingungsdämpfung eingesetzt, beispielsweise bei Industriemaschinen, Kraftfahrzeugen, Schienenfahrzeugen u. dgl.

Bei der bekannten Luftfeder sind die beiden mit ihrem inneren Rand an die Kolben angeschlossenen Membranen als Rollmembranen ausgeführt, die mit ihrem äußeren Rand in geringem gegenseitigen Axialabstand angeordnet sind, so daß die Rollmembranen über nahezu ihre ganze Erstreckung an den zugehörigen Gehäusen anliegen und abgestützt sowie von den Gehäusen insgesamt umschlossen sind. Dadurch ist die betriebsmäßige Vergrößerung bzw. Zusammenziehung der Membranen in erheblichem Maße durch die Kolben und die Gehäuse eingeschränkt. Deshalb wird nur eine vergleichsweise kleine Dämpfungskraft zur Verfügung gestellt, weswegen angeregt wird, in die rohrförmige Verbindungsstange zwischen den beiden Kolben einen zusätzlichen hydraulischen Stoßdämpfer einzubauen.

Hinsichtlich der Bemessung der Drosselöffnung, die bei der bekannten Luftfeder vom Ringspalt zwischen der Verbindungsstange und der Trennwand bzw. dem Rand ihrer Durchführungsöffnung gebildet wird, ist nichts ausgesagt. Das gilt umsomehr für die Relation zwischen dem Drosselöffnungsquerschnitt und der axialen Drosselöffnungslänge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Luftfeder so zu verbessern, daß bei einfacher und kompakter Bauweise eine erhöhte Dämpfungskraft erreicht wird, ohne daß die dynamische Federkonstante bei hoher Frequenz und kleiner Vibrationsamplitude stark ansteigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung sind die Membranen mit ihrem Außenumfang am axial äußeren Ende der Gehäuse befestigt. Dementsprechend ist das betriebsmäßige Vergrößern bzw. Zusammenziehen der Membranen ohne wesentliche Einschränkung möglich. Dadurch wird eine vergleichsweise hohe Dämpfungskraft gewährleistet. Gleichzeitig ergibt sich eine einfache und kompakte Bauweise mit im Vergleich zu den Volumina der beiden Luftkammern kurzen Gehäusen. Die Einhaltung der Bemessungsregel, welche die Öffnungsfläche und die axiale Länge der Drosselöffnung zueinander in Beziehung setzt, führt zu dem vorteilhaften Ergebnis, daß die vergleichsweise hohe schwingungsdämpfende Kraft bei gleichzeitig sich nur geringfügig ändernder dynamischer Federkonstanten erreicht wird. Dieses überraschende Ergebnis haben Versuche bestätigt, auf die nachfolgend im Zusammenhang mit Fig. 7 näher eingegangen wird.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Das dort genannte Merkmal der Veränderung der Öffnungsfläche einer Drosselöffnung mittels eines Verstellteils ist bei einem hydraulischen Stoßdämpfer mit einer Flüssigkeitsströmung zwischen zwei Stoßdämpferkammern bereits bekannt (DE-AS 14 55 859).

Wird bei der Membran-Luftfeder die große Luftkammer beispielsweise durch die Übertragung von Schwingungen auf den großen Kolben durch Zusammendrücken verformt und ihr Volumen dadurch verkleinert, bewegt sich der mit dem großen Kolben fest verbundene kleine Kolben um eine Strecke, die dem Weg des großen Kolbens gleich ist, und vergrößert das Volumen der kleinen Luftkammer, derart, daß der Innendruck der großen Luftkammer gegenüber dem eingeschlossenen Innendruck P um ΔP₁₂ zunimmt, wogegen der Innendruck der kleinen Luftkammer um ΔP₁₃ abnimmt; folglich ist der Druckunterschied zwischen den beiden Luftkammern ΔP₁₂+ΔP₁₃. Daher strömt Luft von der großen in die kleine Luftkammer, bis der Druckunterschied verschwindet. Die erfindungsgemäße Luftfeder erzeugt demnach auch bei kleinen Abmessungen eine sehr große schwingungsdämpfende Kraft.

Insbesondere wenn zwischen der Durchführungsöffnung in der Trennwand und der Verbindungsstange ein O-Ring angeordnet ist und den Zwischenraum zwischen beiden luftdicht abschließt, wird das Durchströmen von Luft durch die Lücke in ausreichendem Maße verhindert, wogegen Luft nur durch die Drosselöffnung mit einer bestimmten Öffnungsfläche hindurchströmt, wodurch eine wirkungsvolle Schwingungsdämpfung erreicht werden kann. Wenn andererseits eine Umfangsfläche wenigstens der Verbindungsstange oder der Durchführungsöffnung in der Trennwand mit einem reibungsarmen Belag versehen ist, kann auch bei einer Verkleinerung des Zwischenraumes zwischen Durchführungsöffnung und Verbindungsstange nicht nur die Reibungskraft zwischen der Trennwand und der Verbindungsstange ausreichend klein gehalten werden, um eine sogenannte dynamische Federkonstante zu verringern, sondern es kann auch die durch den Zwischenraum hindurchströmende Luftmenge beträchtlich herabgesetzt werden, um die wirkungsvolle Schwingungsdämpfung durch die Drosselöffnung zu erzeugen.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Drosselöffnung eine Öffnungsfläche S₀ und eine axiale Länge l, welche die Beziehung

erfüllen. Bei dieser Ausführungsform ändert sich die Umfangslänge wenigstens des großen oder des kleinen Kolbens allmählich in Achsenrichtung.

Erfüllt die Drosselöffnung also zusätzlich die Beziehung l/√≦4, kann die Luftströmung durch die Drosselöffnung in vorteilhafter Weise beeinflußt werden, um sowohl eine zufriedenstellend große schwingungsdämpfende Kraft als auch eine ausreichend kleine dynamische Federkonstante zu erzeugen. Wird die Öffnungsfläche der Drosselöffnung innerhalb eines die vorstehend angegebene Beziehung erfüllenden Bereichs stufenweise oder stufenlos und von Hand oder automatisch verändert, können für die schwingungsdämpfende Kraft und die dynamische Federkonstante stets günstigste oder wünschenswerte Werte erreicht werden.

Ändert sich ferner die Umfangslänge vom großen und/oder kleinen Kolben allmählich in Achsenrichtung, kann die Verformungsgestalt der Membran entsprechend dem Kolbenweg geändert werden, wodurch die Tragfähigkeit zweckentsprechend zu geändert und eine veränderbare Luftfeder nach Bedarf mit verschiedenen Merkmalen ausgebildet werden kann. Mit anderen Worten, wenn eine solche Luftfeder bei schwingungserzeugenden Maschinen u. dgl. angewendet wird, können wegen der Weichheit der Luftfeder alle auf sie übertragenen Schwingungen in ausreichendem Maß und wirkungsvoll gedämpft werden.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Membran-Luftfeder,

Fig. 2 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Kolbenverstellgeschwindigkeit und der schwingungsdämpfenden Kraft bei der Luftfeder gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Kolbenverstellgeschwindigkeit und der schwingungsdämpfenden Kraft mit und ohne Dichtung,

Fig. 4 einen vergrößerten Längsschnitt mit einer Darstellung des reibungsarmen Belages auf Verbindungsstange und Wand der Durchführungsöffnung in der Trennwand,

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Berührungsfläche und der dynamischen Federkonstante mit und ohne einen Belag aus Polytetrafluorethylen, insbesondere Teflon,

Fig. 6 eine grafische Darstellung der Änderung der dynamischen Federkonstante entsprechend dem Verhältnis zwischen der Trennwanddicke und dem Stangendurchmesser,

Fig. 7 eine grafische Darstellung der Änderungen der schwingungsdämpfenden Kraft und der dynamischen Federkonstante entsprechend dem Verhältnis zwischen der Öffnungsfläche und der axialen Länge der Drosselstelle,

Fig. 8 und 9 grafische Darstellungen der Änderungen der schwingungsdämpfenden Kraft und der dynamischen Federkonstante bei einer Änderung der Kolbenverstellgeschwindigkeit bzw. der Frequenz, jeweils für verschiedene Drosselöffnungsdurchmesser,

Fig. 10 einen vergrößerten Längsschnitt durch die veränderbare Drosselöffnung,

Fig. 11 und 12 grafische Darstellungen der Änderungen der schwingungsdämpfenden Kraft und der dynamischen Federkonstante bei Verwendung der veränderbaren Drosselöffnung gemäß Fig. 10,

Fig. 13a und 13b je eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform der veränderbaren Drosselöffnung,

Fig. 14 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Membran-Luftfeder,

Fig. 15 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Membran-Luftfeder,

Fig. 16 eine Last-Federweg-Kurve der Luftfeder,

Fig. 17 einen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform der Membran-Luftfeder,

Fig. 18a und 18b je einen Längsschnitt mit einer Darstellung des Verformungszustandes der Luftfeder gemäß Fig. 17,

Fig. 19 einen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform der Membram-Luftfeder,

Fig. 20a und 20b je eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform eines Kolbens,

Bei der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform hat die Luftfeder einen großen Kolben 1, einen kleinen Kolben 2 und eine Verbindungsstange 3, welche die Kolben 1 und 2 gleichachsig miteinander verbindet. Beim gezeigten Beispiel stellt die Verbindungsstange 3 eine direkte Verbindung zwischen den Kolben 1 und 2 her, wobei sie mit einem Ende auf der Oberseite des hohlen großen Kolbens 1 durch Schweißen o. dgl. und mit ihrem anderen Ende an der Oberseite des hohlen kleinen Kolbens 2 mit einer Mutter 4 befestigt ist.

Den Kolben 1 und 2 gegenüber sind zugehörige zylindrische Gehäuse 5 und 6 je von größerem Durchmesser als der zugehörige Kolben 1 bzw. 2 gleichachsig zu den Kolben 1 und 2 angeordnet und an ihren Enden in seitlichem Abstand von den Kolben 1 und 2 an Flanschen 5a und 6a durch Schweißen oder mit nicht dargestellten Bolzen und Muttern fest miteinander verbunden. Die Gehäuse 5 und 6 haben eine gemeinsame Trennwand 7, welche ihre Innenräume in zwei Luftkammern 12 und 13 luftdicht unterteilt.

Die Trennwand 7 hat ein Trennwandhauptteil 8 von zumindest annähernd H-förmiger Querschnittsgestalt, das mittels eines Flansches 8a, der in seiner Längsrichtung etwa in der Mitte angeordnet und zwischen den Flanschen 5a und 6a geklemmt ist, in seiner Stellung festgehalten ist. Zwischen der Außenumfangsfläche des Trennwandhauptteils 8 und der Innenumfangsfläche jedes der Gehäuse 5 und 6 sind zur luftdichten Abdichtung zwischen ihnen mehrere O-Ringe angeordnet. Die Trennwand 7 weist eine Durchführungsöffnung 7a auf, in dem die Verbindungsstange 3 mit ihrem Mittelabschnitt verschiebbar ist. Die zwischen der Durchführungsöffnung 7a und der Verbindungsstange 3 erforderliche luftdichte Abdichtung ist z. B. durch einen zwischen ihnen angeordneten O- Ring 9 hergestellt. Um eine durch die Schiebebewegung der Verbindungsstange 3 hervorgerufene Abnutzung durch Reibung zwischen ihr und der Durchführungsöffnung 7a wirkungsvoll zu verhindern, ist es von Vorteil, wenn wenigstens die Verbindungsstange 3 oder die Durchführungsöffnung 7a einem reibungsarmen Material, wie z. B. Polytetrafluorethylen, insbesondere Teflon (Handelsname), Polyamid, insbesondere Nylon (Handelsname), Keramik o. dgl. beschichtet ist.

Gemäß Fig. 1 sind Membranen 10 und 11 je mit einem Ende an dem dem Mittelabschnitt der Verbindungsstange 3 zugewandten Endabschnitt des zugehörigen Kolbens 1 bzw. 2 und mit dem anderen Ende an dem dem entsprechenden Verbindungsstangenende zugewandten Endabschnitt des zugehörigen Gehäuses 5 bzw. 6 befestigt. Beim gezeigten Beispiel ist jede der Membranen 10 und 11 zum entsprechenden Verbindungsstangenende hin so umgeklappt, daß sie den zugehörigen Kolben 1 bzw. 2 überlappt, und verbindet ihren Kolben 1 bzw. 2 luftdicht mit dem zugehörigen Gehäuse 5 bzw. 6. Die Kolben 1 und 2, die Gehäuse 5 und 6 und die Membranen 10 und 11 bilden somit zusammen mit der gemeinsamen Trennwand 7 eine große Luftkammer 12 bzw. eine kleine Luftkammer 13.

Außerdem stehen die Gehäuse 5 und 6, genauer die Luftkammern 12 und 13, über eine in der Trennwand 7 ausgebildete Drosselöffnung 14 miteinander in Verbindung, um eine notwendige Dämpfwirkung zu erzeugen.

Bei der Membran-Luftfeder mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau werden die Luftkammern 12 und 13 verschlossen, nachdem sie je mit einem bestimmten Innenluftdruck gefüllt worden sind. Sodann wird der große Kolben 1 mit einem Bauteil einer schwingungserzeugenden Maschine, beispielsweise mit einem ungefederten Teil eines Kraftfahrzeuges, verbunden, wogegen von den Gehäusen 5 und 6 wenigstens eines, beim gezeigten Beispiel insbesondere die Flansche 5a und 6a, mit einer Montageunterlage für die schwingungserzeugende Maschine, beispielsweise mit einem gefederten Teil des Kraftfahrzeuges, verbunden wird, wodurch eine Last der Maschine bis zu einem ausreichenden Grad aufgenommen wird und auch Schwingungen in zufriedenstellendem Maße gedämpft werden.

Bei der Luftfeder gemäß Fig. 1 ist ein wirksamer Durchmesser D₁₂ oder eine wirksame Fläche A₁₂ der vom großen Kolben 1, dem großen Gehäuse 5 und der Membran 10 begrenzten großen Luftkammer 12 größer als ein wirksamer Durchmesser D₁₃ oder eine wirksame Fläche A₁₃ der von dem kleinen Kolben 2, dem kleinen Gehäuse 6 und der Membran 11 begrenzten kleinen Luftkammer 13, so daß, wenn in den Luftkammern 12 und 13 ein eingeschlossener Innendruck P herrscht, eine von der Luftfeder aufgenommene Last W in einem statischen Zustand W=P (A₁₂-A₁₃) ist. Durch sorgfältige Wahl der Größe des eingeschlossenen Innendruckes P kann daher eine notwendige Last bis zu einem ausreichenden Grad getragen werden.

Wenn andererseits der große Kolben 1 mit einer Schubkraft vom ungefederten Teil belastet wird und sich, wie in Fig. 1 mit strichpunktierten Linien dargestellt, um einen Weg x nach oben bewegt, wird die große Luftkammer 12 infolge einer solchen Verstellung durch Zusammendrücken verformt und erhöht den Innendruck um ΔP₁₂, so daß der Gesamtinnendruck in der Luftkammer 12 P+ΔP₁₂ ist, wogegen das Volumen der kleinen Luftkammer 13 vergrößert wird, so daß ihr Gesamtinnendruck P-ΔP₁₃ beträgt. Der Druckunterschied zwischen den beiden Luftkammern 12 und 13 ist somit ΔP₁₂+ΔP₁₃, so daß Luft von der großen Luftkammer 12 so lange zur kleinen Luftkammer 13 strömt, bis der Innendruck in jeder der Luftkammern 12 und 13 einen gleichmäßigen Betrag von P+ΔP_m erreicht (darin ΔP₁₃<ΔP_m<ΔP₁₂). Folglich wird die in der Luftfeder strömende Luftmenge genügend groß, und es wird eine wirkungsvolle Schwingungsdämpfung erzeugt.

Wird der große Kolben 1 entgegengesetzt zu der bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform angegebenen Richtung bewegt, so wird durch die umgekehrte Wirkung der Luftkammern 12 und 13 die gleiche schwingungsdämpfende Kraft wie zuvor erzeugt.

In Fig. 2 werden mit Luftfedern gemäß der Erfindung und nach dem Stand der Technik konkret erzielte schwingungsdämpfende Kräfte miteinander verglichen. Ein solcher vergleichender Versuch wurde unter den nachstehenden Bedingungen durchgeführt: Große Luftkammer 12 mit einer wirksamen Fläche A₁₂ von 72 cm² und einem Volumen V₁₂ von 850 cm³; kleine Luftkammer 13 mit eine wirksamen Fläche A₁₃ von 28 cm² und einem Volumen V₁₃ von 590 cm³; herkömmliche Membran-Luftfeder mit einer wirksamen Fläche von 44 cm² (gleich A₁₂-A₁₃) und einem Volumen von 850 cm³ (gleich V₁₂); Hilfsbehälter mit einem Volumen von 2550 cm³; eingeschlossener Innendruck P=6 kg/cm²; Durchmesser der Drosselöffnung 3 mm; Schwingungsamplitude ±20 mm. Wie mit einer durchgezogenen Linie in Fig. 2 dargestellt, ist die schwingungsdämpfende Kraft der Luftfeder gemäß der Erfindung unabhängig von der Kolbenverstellgeschwindigkeit deutlich größer als die der herkömmlichen Luftfeder (strichpunktierte Linie). Mit zunehmender Kolbenverstellgeschwindigkeit wird auch der Unterschied zwischen den schwingungsdämpfenden Kräften der Luftfedern gemäß der Erfindung und nach dem Stand der Technik größer.

Weil bei der Luftfeder gemäß der Erfindung zwischen der Verbindungsstange 3 und der Durchführungsöffnung 7a in der Trennwand 7 der O-Ring 9 angeordnet ist, wird Luft nur durch die Drosselöffnung 14 hindurch verdrängt, die eine bestimmte Öffnungsfläche hat. Mit anderen Worten, eine Luftströmung durch den Zwischenraum zwischen der Verbindungsstange 3 und der Durchführungsöffnung 7a hindurch wird durch den zwischen ihnen angeordneten O-Ring 9 wirkungsvoll verhindert, so daß, wie auch in Fig. 3 erkennbar, das vorstehend beschriebene schwingungsdämpfende Verhalten der Luftfeder nicht beeinträchtigt wird. Wie in Fig. 3 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt, ist die schwingungsdämpfende Kraft der Luftfeder über der Kolbenverstellgeschwindigkeit mit Abdichtung beträchtlich größer als bei einer freien Führung der Verbindungsstange 3 in der Durchführungsöffnung 7a (gestrichelte Kurve in Fig. 3), bei der eine relativ große Luftmenge durch den Zwischenraum zwischen der Verbindungsstange 3 und der Durchführungsöffnung 7a hindurchströmt.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 1 zum Verringern der dynamischen Federkonstante unter Beibehaltung im wesentlichen desselben schwingungsdämpfenden Verhaltens wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel sind die Durchführungsöffnung 7a in der Trennwand 7 und die Außenumfangsfläche 3a der Verbindungsstange 3 je mit einem reibungsarmen Belag 16 bzw. 15 aus einem Material mit kleinem Reibungsbeiwert, wie Polyamid, insbesondere Nylon, Polytetrafluorethylen, insbesondere Teflon, ölhaltigem Kautschuk o. dgl., beschichtet.

Durch diese reibungsarmen Beläge 15 und 16 wird die Reibungskraft zwischen der Verbindungsstange 3 und der Durchführungsöffnung 7a beträchtlich herabgesetzt, so daß der Zwischenraum zwischen ihnen verkleinerbar ist, um die durch den Zwischenraum hindurchströmende Luftmenge in größtmöglichem Maße zu verringern. Die in Fig. 4 dargestellte Luftfeder erzeugt daher nicht nur dank der guten Wirkung der Drosselöffnung 14 die ausreichend große schwingungsdämpfende Kraft, sondern setzt durch die Beschichtung der Verbindungsstange 3 und der Durchführungsöffnung 7a mit den reibungsarmen Belägen 15 und 16 auch die dynamische Federkonstante beträchtlich herab.

Fig. 5 verdeutlicht, wie bei einem Zwischenraum von etwa 0,1 bis 0,3 mm bei einer Änderung der Berührungsfläche zwischen der Verbindungsstange 3 und der Durchführungsöffnung 7a die dynamische Federkonstante durch die reibungsarmen Beläge 15 und 16 herabgesetzt wird. Bei Nichtverwendung der Beläge 15 und 16 (gestrichelte Linie) steigt die dynamische Federkonstante mit größer werdender Berührungsfläche relativ rasch an, wogegen bei Verwendung der Beläge 15 und 16 je aus Polytetrafluorethylen, insbesondere Teflon, die Zunahme der dynamischen Federkonstante sehr viel flacher verläuft. Dies ermöglicht eine wirkungsvolle Dämpfung von Schwingungen hoher Frequenz und kleiner Amplitude.

Auch wenn die Verbindungsstange 3 und die Durchführungsöffnung 7a mit den reibungsarmen Belägen 15 und 16 versehen sind, steigt die dynamische Federkonstante bei einer Vergrößerung der Berührungsfläche zwischen Verbindungsstange 3 und Durchführungsöffnung 7a allmählich an. In Fig. 6 sind tatsächliche Meßergebnisse für die Veränderung der dynamischen Federkonstante dargestellt, wenn die Berührungsfläche durch Ändern des Parameters Trennwanddicke t bei gleichbleibendem Verbindungsstangendurchmesser d geändert wird. Das Diagramm in Fig. 6 macht deutlich, daß Schwingungen hoher Frequenz und kleiner Amplitude wirkungsvoller gedämpft werden können, wenn die Trennwanddicke t in einem Bereich von t/d<1 gewählt wird, in dem die Anstiegskurve der dynamischen Federkonstante relativ flach ist.

Die schwingungsdämpfende Kraft wird neben der strömenden Luftmenge durch die Öffnungsfläche S₀ und die axiale Länge l der Drosselöffnung 14 auch vom Luftdurchsatz beeinflußt. Andererseits hat der Luftdurchsatz eine große Auswirkung auf die Federkonstante der Luftfeder oder die sogenannte dynamische Federkonstante, so daß es von Vorteil ist, wenn die Öffnungsfläche S₀ und die axiale Länge l der Drosselöffnung 14 die Beziehung l/√≦4 erfüllen.

Die durch die Drosselöffnung 14 hindurchströmende Luftmenge läßt sich theoretisch duch die folgende Gleichung darstellen:

worin ΔP ein Druckunterschied ist, d ein Durchmesser der Drosselöffnung 14, γ ein Koeffizient, λ ein Reibungsbeiwert des Loches 7a und ζ ein Verlustfaktor für andere als Reibungsverluste.

Aus der vorstehenden Gleichung ergibt sich, daß sich die strömende Luftmenge und folglich die schwingungsdämpfende Kraft mit zunehmendem l/d oder l/√ verringert, so daß es für die Erzeugung einer großen schwingungsdämpfenden Kraft vorteilhaft ist, l/ auf einen Wert nicht über dem vorgeschriebenen Wert zu beschränken. Außerdem haben Versuche bestätigt, daß bei l/ größer als 4 die schwingungsdämpfende Kraft, wie in Fig. 7 durch eine durchgezogene Linie dargestellt, rasch abnimmt.

In Fig. 7 sind die Ergebnisse eines Tests mit der Luftfeder gemäß der Erfindung bei einer Frequenz von 3 Hz unter denselben Bedingungen wie für Fig. 2 beschrieben dargestellt. Auch bei einer Änderung des Frequenzbetrages zeigen die erzielten Kurven die gleiche Tendenz wie in Fig. 7.

Die mit gestrichelter Linie gezeichnete Kurve in Fig. 7 zeigt, daß sich l/ in hohem Maße auf die dynamische Federkonstante auswirkt. Weil besonders die dynamische Federkonstante Maßstab für die Dämpfwirkung auf Schwingungen hoher Frequenz und kleiner Amplitude ist, werden bei großer dynamischer Federkonstante auf die Luftfeder übertragene Schwingungen ohne wesentliche Dämpfung weitergeleitet, was zu einer Minderung des Fahrkomforts bei dem mit der Luftfeder ausgestatteten Kraftfahrzeug führt. Erfindungsgemäß wird daher der Wert von l/ auf einen Wert nicht über 4 in Übereinstimmung mit der weiter oben genannten Schwingungsdämpfungsleistung begrenzt, wodurch die rasche Zunahme der dynamischen Federkonstante verhindert wird.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Luftfeder ist die Verbindungsstange 3 in der Trennwand 7 verschieblich geführt, so daß angenommen wird, daß die Luftströmung durch einen Zwischenraum zwischen der Verbindungsstange 3 und der Durchführungsöffnung 7a in der Trennwand 7 hindurch entsteht. Damit die weiter oben angegebene Beziehung zwischen dem Durchmesser d (oder der Öffnungsfläche) und der axialen Länge l der Drosselöffnung 14 möglichst erreicht wird, sollte selbstverständlich die Fläche S des Zwischenraums zwischen Verbindungsstange 3 und Durchführungsöffnung 7a genügend kleiner als die Öffnungsfläche S₀ der Drosselöffnung 14 sein. Wenn andererseits der Zwischenraum zwischen Verbindungsstange 3 und Durchführungsöffnung 7a zu klein ist, wird die zwischen ihnen entstehende Reibungskraft größer und mindert die Schwingungsdämpfungsleistung.

Bei Luftfedern gemäß der Erfindung und nach dem Stand der Technik wurde unter denselben Bedingungen wie im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben die schwingungsdämpfende Kraft gemessen, wobei die Größe (oder der Durchmesser) der Drosselöffnung 14 verändert wurde, um die strömende Luftmenge zu vergrößern. Die dabei erzielten Ergebnisse werden in Fig. 8 miteinander verglichen. Darin sind die Schwingungsdämpfungskurven für die Luftfeder gemäß der Erfindung mit durchgezogenen Linien, diejenigen für die herkömmliche Luftfeder mit strichpunktierten Linien gezeichnet.

Gemäß Fig. 8 ist die schwingungsdämpfende Kraft der Luftfeder gemäß der Erfindung bei allen angegebenen Drosselöffnungsdurchmessern (2 mm, 3 mm und 5 mm) beträchtlich größer als die der herkömmlichen Luftfeder. Insbesondere bei einem Durchmesser der Drosselöffnung 14 von 2 mm erzeugt die Luftfeder gemäß der Erfindung eine sehr große schwingungsdämpfende Kraft im Bereich niedriger Kolbenverstellgeschwindigkeiten.

Das Diagramm der Fig. 9 verdeutlicht die Änderung der dynamischen Federkonstante bei Veränderung der Schwingungsfrequenz unter sonst gleichen Bedingungen wie in bezug auf Fig. 2 angegeben. Gemäß Fig. 9 beträgt bei allen angegebenen Drosselöffnungsdurchmessern (2 mm, 3 mm, 5 mm) die mit durchgezogenen Linien dargestellte dynamische Federkonstante der Luftfeder gemäß der Erfindung weniger als die Hälfte derjenigen der herkömmlichen Luftfeder (strichpunktierte Linie). Folglich können die Luftfedern gemäß der Erfindung eine Schwingung von hoher Frequenz und kleiner Amplitude in zufriedenstellender Weise dämpfende Kraft erzeugen.

Außerdem können günstigste oder erforderliche Werte für die schwingungsdämpfende Kraft und die dynamische Federkonstante stets erzielt werden durch Verändern der Öffnungsfläche S₀ der Drosselöffnung 14, unter der Voraussetzung, daß die Öffnungsfläche S₀ und die axiale Länge l der Drosselöffnung 14 die weiter oben genannte Beziehung erfüllen.

Eine Ausführungsform der Drosselöffnung 14, die zu dem vorstehend beschriebenen Zweck eine veränderbare Öffnungsfläche hat, ist in Fig. 10 dargestellt. Beim gezeigten Beispiel ist in der Trennwand 7 ein Durchgangsloch 18 ausgebildet, das eine Öffnungsfläche gleich der größten Öffnungsfläche der Drosselöffnung 14 aufweist. Auf der Trennwand 7 ist ein kreisringförmiges Verstellteil 17 drehbar angeordnet, in welcher mehrere Steuerlöcher 20 von verschiedenen Öffnungsflächen ausgebildet und auf einem bestimmten, dem Durchgangsloch 18 entsprechenden Kreis angeordnet sind.

Die Drehbewegung des Verstellteils 17 kann von außerhalb der Luftfeder mit beliebigen zweckdienlichen Mitteln von Hand oder automatisch betätigbar sein. Bei dem Beispiel einer in einem Kraftfahrzeug verwendeten Luftfeder kann die automatische Drehung des Verstellteils 17 dadurch ausgeführt werden, daß ein oder mehrere Ausgangssignale, die dem Lenkungsausschlagwinkel, der Fahrgeschwindigkeit, der Motordrehzahl sowie der Geschwindigkeit und Beschleunigung von relativen Schwingungen zwischen gefederten und ungefederten Fahrzeugteilen u. dgl. entsprechen, direkt oder indirekt zugeführt werden.

Somit wird die Luftströmung zwischen der großen Luftkammer 12 und der kleinen Luftkammer 13, also die Schwingungsdämpfung, hauptsächlich mit dem durch zweckdienliches Drehen des Verstellteils 17 über dem Durchgangsloch 18 angeordneten Steuerloch 20 oder bei größter Öffnung der Drosselöffnung 14 mit dem Durchgangsloch 18 gesteuert. Folglich können die schwingungsdämpfende Kraft und die dynamische Federkonstante auf geforderte Werte eingestellt werden, wenn durch Drehen des Verstellteils 17 das entsprechende Steuerloch 20 ausgewählt wird.

In Fig. 11 ist die Änderung der schwingungsdämpfenden Kraft bei einer Luftfeder mit einer Drosselöffnung dargestellt, bei welcher die Öffnungsfläche in der vorstehend beschriebenen Weise veränderbar ist. Gemäß Fig. 11 wird bei gleichbleibender Öffnungsfläche (3⌀, 4⌀ oder 5⌀) der Drosselöffnung die schwingungsdämpfende Kraft, wie durch gestrichelte Linien dargestellt, in großem Maße durch die Kolbenverstellgeschwindigkeit beeinflußt, so daß eine Luftfeder gewählt werden muß, die einen gewünschten Drosselöffnungsdurchmesser in Übereinstimmung mit der Kolbenverstellgeschwindigkeit hat. Bei zweckdienlicher Änderung der wirksamen Öffnungsfläche der Drosselöffnung 14 kann dagegen, wie durch eine durchgezogene Linie dargestellt, die notwendige schwingungsdämpfende Kraft ohne große Beeinflussung durch die Kolbenverstellgeschwindigkeit erzielt werden, so daß verschiedene Schwingungen mit ein und derselben Luftfeder wirkungsvoll gedämpft werden können.

Fig. 12 zeigt die Änderung der dynamischen Federkonstante bei Veränderung der wirksamen Öffnungsfläche der Drosselöffnung in der Luftfeder. Aus Fig. 12 ergibt sich, daß die dynamische Federkonstante auch dann genügend herabgesetzt werden kann, wenn die Öffnungsfläche der Drosselöffnung 14 in derselben Weise wie in dem in Fig. 11 dargestellten Fall verändert wird, um die Veränderung der schwingungsdämpfenden Kraft über der Kolbenverstellgeschwindigkeit zu verringern.

Wird daher die wirksame Öffnungsfläche der Drosselfläche 14 in Übereinstimmung mit den Betriebsbedingungen gewählt und erfüllt die Öffnungsfläche S₀ und die axiale Länge l der Drosselstelle 14 die vorgegebene Beziehung, kann eine ausreichend große schwingungsdämpfende Kraft und eine ausreichend kleine dynamische Federkonstante erzeugt und außerdem eine Verringerung der schwingungsdämpfenden Kraft und eine Zunahme der dynamischen Federkonstante wirkungsvoll verhindert werden.

Bei der in Fig. 10 dargestellten Drosselöffnung 14 wird die Öffnungsfläche durch die Wahl eines entsprechenden Steuerloches 20 des Verstellteils 17 verändert, so daß diese Veränderung also stufenweise vorgenommen und dabei der Luftstrom vorübergehend unterbrochen wird; dies kann bei der Schwingungsdämpfung nachteilig sein. Um einen solchen Nachteil zu vermeiden, ist gemäß Fig. 13a und 13b zur Bildung der Drosselöffnung 14 anstelle des kreisringförmigen Verstellteils 17 ein einziges Verstellteil 22 auf der Trennwand 7 an einer dem Durchgangsloch 18 entsprechenden Stelle angeordnet. In diesem Falle ist die Öffnungsweite des Durchgangsloches 18 durch begrenztes Hin- und Herbewegen wie beim gezeigten Beispiel, oder Drehen des Verstellteils 22 veränderbar und kann dadurch kontinuierlich, ohne Unterbrechung des Luftstroms, verändert werden.

Bei der in Fig. 14 dargestellten zweiten Ausführungsform der Luftfeder sind die Kolben 1 und 2 außerhalb der Luftkammern 12 und 13 durch an den Kolben 1 und 2 befestigte Halterungen 24 und 26 und die letztere miteinander verbindende Verbindungsstange 3 miteinander verbunden. Bei dieser Ausführungsform können die durch die Führung der Verbindungsstange 3 im Loch 7a der Trennwand 7 entstehenden Schwierigkeiten, wie z. B. Luftdurchtritt, Reibungskraft u. dgl., ausgeschaltet werden.

Bei der in Fig. 15 dargestellten dritten Ausführungsform der Luftfeder sind die Gehäuse 5 und 6 und die Trennwand 7 als einteiliger Formling ausgebildet und die Klapprichtungen der Membranen 10 und 11 sind einander entgegengesetzt. Weil bei einer solchen Luftfeder ein großer Kolben 1 und ein kleiner Kolben 2 über ihre gesamte Länge eine gleichbleibende Umfangslänge aufweisen, ist die Last-Federweg-Kurve der Luftfeder, wie in Fig. 16 durch eine durchgezogene Linie dargestellt, immer zumindest annähernd gerade, und die Federkennlinie der Luftfeder ändert sich nicht.

Fig. 17 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 15, bei der ein großer Kolben 30 und ein kleiner Kolben 32 bei gleichachsiger Anordnung miteinander verbunden sind. Die Verbindungsstange 3 ist in einem Loch einer Trennwand 7 geführt. Die Kolben 30 und 32 sind von solcher kegelstumpfförmiger Gestalt, daß sich ihr Durchmesser vom an der Verbindungsstange 3 befestigten Kolbenende zum freien Kolbenende hin allmählich verkleinert.

Wenn bei der Luftfeder gemäß Fig. 17 Schwingungen in der mit einem Pfeil A angegebenen Kompressions- bzw. Einfederungsrichtung auf eine große Luftkammer 12 einwirken, kommt eine schwingungsdämpfende Wirkung durch eine Bewegung der Kolben 30 und 32 ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 zustande. Da jedoch die Kolben 30 und 32 eine kegelstumpfförmige Gestalt aufweisen, ändert sich das Verhältnis zwischen dem wirksamen Durchmesser oder der wirksamen Druckaufnahmefläche der großen Luftkammer 12 und demjenigen der kleinen Luftkammer 13 entsprechend den von den Kolben 30 und 32 zurückgelegten Wegen oder entsprechend dem Betrag der Kompressionsverformung gemäß Fig. 18a und 18b, in denen die Stufen der Kompressionsverformung dargestellt sind. Gemäß Fig. 18a und 18b wird das Verhältnis des wirksamen Durchmessers der großen Luftkammer 12 zum wirksamen Durchmesser der kleinen Luftkammer 13 bei zunehmender Kompressionsverformung klein. Somit ändert sich die Tragfähigkeit der Luftfeder entsprechend der Größe der Last.

In Fig. 16 ist mit einer gestrichelten Linie eine Last-Federweg-Kurve der Luftfeder gemäß Fig. 17 dargestellt, die entsprechend dieser Kurve bei einer kleinen Last eine sehr flache Kennlinie hat und ihre Charakteristik bei zunehmender Last verändert.

In Fig. 19 ist eine noch andere Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 15 dargestellt, bei der nur der kleine Kolben 32 eine kegelstumpfförmige Gestalt entsprechend der erwarteten Last-Federweg-Kurve hat. Bei einer solchen Luftfeder ergibt sich die Tragfähigkeit in Übereinstimmung mit der Gestalt des kleinen Kolbens 32.

Um eine gewünschte Tragfähigkeit zu erzeugen, kann auch nur der große Kolben 1 mit einer kegelstumpfförmigen Gestalt entsprechend Fig. 17 ausgebildet sein, bei zumindest einem der Kolben 30 und 32 die Verjüngungsrichtung entgegengesetzt zu der in Fig. 17 dargestellten sein, der Kegelwinkel verschieden oder die Umfangswand des Kolbens gekrümmt sein, oder zumindest einer der Kolben 1 und 2 im Mittelabschnitt eine Durchmesserverkleinerung entsprechend Fig. 20a und 20b aufweisen. Durch die äußere Gestaltung zumindest eines Kolbens kann die Tragfähigkeit der Luftfeder so gewählt werden, daß die Luftfeder die Charakteristik einer weichen und veränderlichen Feder bzw. einer Feder mit flachem und veränderlichem Verlauf der Federkennlinie hat, die Schwingungen innerhalb eines großen Frequenzbereiches ausreichend dämpft.

Claims (7)

1. Membran-Luftfeder mit

• - einem eine Abstützung bildenden großen Kolben (1, 30) und einem kleinen Kolben (2, 32), die durch eine Verbindungsstange (3) fest miteinander verbunden sind,
• - einem großen Gehäuse (5) und einem kleinen Gehäuse (6), die jeweils einen größeren Durchmesser als die gleichachsig mit ihnen angeordneten Kolben (1 bzw. 2, 30 bzw. 32) aufweisen und dem Aufbringen der abzufedernden Belastung eines Vibrationssystems dienen,
• - einer luftdicht an den großen Kolben (1, 30) anschließenden großen Membran (10) und einer luftdicht an den kleinen Kolben (2, 32) anschließenden kleinen Membran (11), welche die Kolben (1, 2, 30, 32) luftdicht mit dem Gehäuse (5 bzw. 6) verbinden, und
• - einer mit den Gehäusen (5 und 6) fest verbundenen gemeinsamen Trennwand (7), die eine vom kleinen Kolben (2, 32), dem kleinen Gehäuse (6) und der kleinen Membran (11) begrenzte kleine Luftkammer (13) von einer vom großen Kolben (1, 30), dem großen Gehäuse (5) und der großen Membran (10) begrenzten großen Luftkammer (12) trennt, eine Durchführungsöffnung (7a) für die Verbindungsstange (3) und eine die Luftkammern (12 und 13) verbindende Drosselöffnung (14) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die beiden Membranen (10 und 11) jeweils an äußeren Endabschnitten der Gehäuse (5 bzw. 6) befestigt sind, und
• - die Drosselöffnung (14) mit ihrer Öffnungsfläche (S₀) und axialen Länge (l) die Bedingung l/≦4 erfüllt.

2. Luftfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein O-Ring (9) zur Abdichtung zwischen der Trennwand (7) und der Verbindungsstange (3) vorgesehen ist.

3. Luftfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstange (3) und/oder die Durchführungsöffnung (7a) mit einem reibungsarmen Belag (15, 16) versehen ist.

4. Luftfeder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der reibungsarme Belag (15, 16) aus einem Material mit kleinem Reibungsbeiwert wie Polytetrafluoräthylen besteht.

5. Luftfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsfläche (S₀) der Drosselöffnung (14) mittels eines Verstellteils (17, 22) veränderbar ist.

6. Luftfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Umfangsfläche des großen Kolbens (30) und/oder des kleinen Kolbens (32) in Achsenrichtung allmählich ändert.