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Pneumatische oder hydropneumatische Federung eines Kraftfahrzeugs
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Die Erfindung bezieht sich auf eine pneumatische oder hydropneumatische
Federung eines Kraftfahrzeuges der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten
Art.
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Für den Fahrkomfort eines Kraftfahrzeuges ist es wünschenswert, wenn
die Fahrzeugfederung vergleichsweise weich ausgelegt ist; für die Fahrstabilität
des Fahrzeuges, z. B. beim Bremsen, Beschleunigen, scharfen Kurvenfahrten oder hohen
Fahrgeschwindigkeiten, ist es dagegen von Vorteil, wenn die Fahrzeugfederung vergleichsweise
hart bemessen ist. Um diesen an sich gegensätzlichen Zielrichtungen Rechnung zu
tragen, wird bei der Bemessung der Fahrzeugfederung im allgemeinen ein Kompromiß
geschlossen und eine mittlere Härte der Federung gewählt.
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Es ist in diesem Zusammenhang auch üblich, bei Einsatz vergleichsweise
weicher Federn zur Erhöhung der Fahrstabilität Stabilisatoren einzusetzen, die jedoch
komfortmindernd sind, oder bei Verwendung vergleichaveise harter Federn Ausgleichsfedern
einzusetzen, die den Komfort verbessern.
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Sowohl zur Erzeugung dieses Stabilisatoreffektes, als auch zur Erzeugung
des Ausgleichsfedereffektes werden dabei häufig die einzelnen Federelemente miteinander
in spezieller Weise verbindende hydraulische Leitungen verwendet.
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Unter anderm ist z. B. aus der DE-OS 20 48 323 eine hydropneumatische
Federung für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der die einzelnen hydropneumatischen Federelemente
über hydraulische Leitungen miteinander in Verbindung stehen, wobei Ausgleichszylinder
mit darin axial verschieblich gelagerten Trennkolben (Verdrängerkolben-Aggregat)
Verwendung finden. Bei dieser bekannten hydropneumatischen Federung sind einerseits
jeweils die oberen und unteren Zylinderräume der beiden hydropneumatischen Federelemente
einer Achse durch hydraulische Verbindungsleitungen über Kreuz miteinander verbunden
und andererseits diese beiden Verbindungsleitungen je mit einer der beiden Zylinderräume
des dieser Achse zugeordneten Ausgleichszylinders (Verdrängerkolben-Aggregat) verbunden.
Durch den je nach Kurvenfahrt wechselweise aus einer externen Druckquelle mit Druck
beaufschlagten Kolben eines Arbeitszylinder/ Kolben-Aggregats werden dabei die Trennkolben
der Ausgleichszylinder beider Achsen bei Kurvenfahrt mehr oder weniger stark aus
ihrer Mittenstellung verschoben, so daß die wirksame Länge der den kurveninneren
Rädern zugeordneten Federelemente im Sinne eines Senkens des Fahrzeugaufbaus verkürzt
und die wirksame Länge der den kurvenäußeren Rädern zugeordneten Federelemente im
Sinne eines Anhebens des Fahrzeugaufbaus verlängert werden. Die Steuerung des Arbeitszylinder/
Kolben-Aggregats und damit die der beiden Ausgleichszylinder erfolgt u. a. mittels
eines im Fahrzeugaufbau angeordneten besonderen Beschleunigungsgebers, der die Querbeschleunigung
des Fahrzeugs erfaßt, oder in Abhängigkeit von der Fahrzeuglenkung. Bei dieser bekannten
Fahrzeugfederung dienen die Ausgleichszylinder und die hydraulischen Verbindungsleitungen
ausschließlich zur Stabilisierung bzw. zur Versteifung der Federung bei Kurvenfahrt.
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Auch aus der DE-OS 24 11 796 ist eine hydropneumatische Federung für
Kraftfahrzeuge bekannt, bei der die einzelnen hydropneumatischen Federelemente miteinander
über hydraulische Leitungen in Verbindung stehen und je ein der Vorderachse bzw.
der Hinterachse zugeordneter Ausgleichszylinder mit einem darin axial verschieblich
gelagerten Trennkolben vorgesehen ist. Auch bei dieser bekannten Anordnung dienen
die den beiden Fahrzeugachsen zugeordneten Ausgleichszylinder und die hydraulischen
Verbindungsleitungen ausschließlich zur Stabilisierung bzw. zur Versteifung der
Federung bei Kurvenfahrt. Auch
bei dieser bekannten Anordnung ist zu diesem Zweck u. a. ein Arbeitszylinder/Kolben-Aggregat
vorgesehen, dessen Kolben über eine Kolbenstange starr mit den Trennkolben der beiden
Ausgleichszylinder verbunden ist und - gesteuert durch einen Fliehkraftsensor -
von einer externen Druckquelle je nach Kurvenrichtung axial entweder in die eine
oder in die andere Richtung verschoben wird, was entsprechende Axialverschiebungen
der beiden Trennkolben zur Folge hat. Dementsprechend wird durch die axiale Verschiebung
der beiden Trennkolben die wirksame Länge der den kurveninneren Rädern zugeordneten
Federelemente im Sinne eines Senkens des Fahrzeugaufbaus verkürzt und die wirksame
Länge der den kurvenäußeren Rädern zugeordneten Federelemente im Sinne eines Anhebens
des Fahrzeugaufbaus verlängert, so daß eine seitliche Neigung des Fahrzeugaufbaus
bei Kurvenfahrt verhindert bzw. sogar eine dazu entgegengerichtete Neigung erzeugt
wird.
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Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine pneumatische oder hydropneumatische Federung eines Kraftfahrzeugs der im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 genannten Art derart weiterzubilden und zu verbessern, daß
sich bei Einsatz von pneumatischen oder hbdropneumatischen Federelementen üblicher
Härte eine Federung ergibt, die einerseits einen hohen Fahrkomfort und andererseits
eine gute Geländegängigkeit gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird also jeweils den pneumatischen oder hydropneumatischen
Federelementen einer Fahrzeugseite ein Ausgleichszylinder mit einem darin befindlichen
Sperrkolben zugeordnet und die Sperrkolben beider Ausgleichszylinder über eine Kolbenstange
starr miteinander verbunden, wobei die einzelnen Federelemente jeweils in der Weise
mit den Teilzylinderräumen der ihnen zugeordneten Ausgleichszylinder in Verbindung
stehen, daß bei einseitigem oder entgegengesetztem Ein- bzw. Ausfedern der Räder
sowohl in Fahrzeuglängs- als auch in Fahrzeugquerrichtung ein Ausgleichseffekt auftritt.
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Erfindungswesentliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen die Figuren 1 und 2 eine schematische Darstellung
der pneumatischen oder hydropneumatischen Federung eines Kraftfahrzeugs in Drauf-
und Seitenansicht.
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Dargestellt sind lediglich die für das Verständnis der Erfindung notwendigen
Einzelheiten.
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Die Vorderräder 10 und 20 sowie die Hinterräder 30 und 40 sind in
an sich bekannter Weise über pneumatische oder hydropneumatische Federelemente 11,
21, 31, 41 gegen den nicht weiter dargestellten Fahrzeugaufbau abgefedert. Im Ausführungsbeispiel
ist an den Vorderrädern 10 und 20 eine pneumatische=Feder und an den Hinterrädern
30, 40 eine hydropneumatische Feder mit dem Hydraulikraum 34 und der dazugehörigen
Gasfeder 33 dargestellt. Es versteht sich, daß üblicherweise jedoch an den Vorder-
sowie an den Hinterrädern Federelemente mit dem gleichen Druckmedium Verwendung
finden, es sei denn, daß es in ganz besonderen Fällen wünschenswert erscheint, an
der einen Achse, z. B. der Hinterachse Luftfedern einzusetzen, die bekanntlich eine
belastungsunabhängige Aufbaueigenfrequenz besitzen und an der anderen Achse, z.
B. der Vorderachse hydropneumatische Federn einzubauen, die im Vergleich zu Luftfedern
üblicherweise einen geringeren Bauraum benötigen.
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Jeweils den Federelementen der einen Fahrzeugseite ist ein Ausgleichszylinder
mit einem darin axial verschieblich gelagerten und den Zylinderraum in zwei Teilräume
unterteilenden Trennkolben zugeordnet.
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Ein den Federelementen 11, 31 zugeordneter erster Ausgleichszylinder
ist mit 50 und der darin axial verschieblich gelagerte und den Zylinderraum in zwei
Teilräume 52, 53 unterteilende erste Trennkolben mit 51 beziffert. Entsprechend
ist den Federelementen 21, 41 ein zweiter Ausgleichszylinder 60 mit einem zweiten
Trennkolben 61 und den beiden
Teilräumen 62, 63 zugeordnet. Die
Trennkolben 51, 61 der beiden Ausgleichszylinder 50, 60 sind über eine Kolbenstange
1 starr miteinander verbunden, so daß die axiale Auslenkung des einen Trennkolbens
zwangsläufig eine entsprechende Auslenkung des anderen Trennkolbens hervorruft-.
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Mit jedem der Teilräume 52, 53 bzw. 62, 63 der beiden Ausgleichszylinder
50, 60 ist über je eine Leitung 12, 22 und 32, 42 eines der Federelemente 11, 21
bzw. 31, 41 verbunden. Die Anordnung ist dabei derart gewählt, daß die Federelemente
der einen Fahrzeugachse, im Ausführungsbeispiel die Federelemente 31, 41, mit den
kolbenstangenseitigen Teilräumen 53, 63 und die Federelemente der anderen Fahrzeugachse,
im Ausführungsbeispiel die Federelemente 11, 21 mit den beiden anderen Teilräumen
52, 62 in Verbindung stehen.
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Durch die über die beiden Ausgleichszylinder 50, 60 mit den starr
miteinander verbundenen Trennkolben 51, 61 bewirkte Kopplung der einzelnen Federelemente
wird sowohl in Fahrzeuglängsrichtung (Vorderrad zum Hinterrad) als auch in Fahrzeugquerrichtung
(linkes Rad zum rechten Rad) ein Ausgleichseffekt erzielt.
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Durch die spezielle Art der Kopplung der einzelnen Feder elemente
tritt dieser Ausgleichsfedereffekt bei allen einseitigen oder wechselseitigen Federwegen
(Ein- oder Ausfedern nur eines Rades oder entgegengesetztes Ein- und Ausfedern beider
Räder einer Fahrzeugachse) auf, nicht aber bei gleichzeitigem gleichsinniges Ein-
bzw. Ausfedern der Räder einer Achse bzw. der Räder einer Fahrzeugseite.
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Das bedeutet, daß übliche - große oder kleine - Fahrbahnunebenheiten,
die sich im Regelfall jeweils als einseitige oder wechselseitige Feaerwege bemerkbar
machen, vergleichsweise weich, also komfortabel abgefedert werden, weil sich diese
Federwege über das Ausgleichssystem auf alle Räder verteilt, die einzelnen Federelemente
also weniger als üblich am Ausgleich der Unebenheiten beteiligt sind und deshalb
weniger Federarbeit zu leisten haben, während bei gleichzeitigem gleichsinnigen
Einfedern entweder der Räder einer Achse oder der Räder einer Fahrzeugseite die
Abfederung grundsätzlich vergleichsweise hart, nämlich mit der üblichen Härte der
Federelemente erfolgt,
was für die Fahrstabilität des Fahrzeuges
von Vorteil ist.
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Wie aus der Figur 1 erkennbar ist, werden die starr miteinander verbundenen
Trennkolben 51, 61 bei allen einseitigen oder entgegengerichteten Federwegen axial
verschoben. Wenn z. B. das rechte Hinterrad 40 einfedert, wird aus seinem Hydraulikraum
34 Druckmedium verdrängt und über die Hydraulikleitung 42 in die kolbenstangenseitige
Teilkammer 63 des zweiten Ausgleichszylinders 60 gedrückt, wodurch der zweite Trennkolben
61 und damit auch der mit ihm verbundene erste Trennkolben 51 axial verschoben wird,
mit der Folge, daß das Volumen der dem diagonal gegenüberliegenden Vorderrad 10
zugeordneten Teilkammer 52 vergrößert und die Volumina der den Rädern 20 und 30
zugeordneten Teilräume 53 bzw. 62 verringert wird, so daß einerseits das linke Vorderrad
10 ebenfalls einfedert, die beiden Räder 20 und 30 dagegen ausfedern. In den Figuren
1 und 2 ist die hierbei durchgeführte Axialverlagerung des Kolbenverbundes 51, 1,
61 mit dem Pfeil R gekennzeichnet und Ein- bzw. Ausfedern der verschiedenen Räder
hierbei mit E bzw. A angedeutet.
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Wie bereits erwähnt, bewirkt der Ausgleich, daß die einzelnen Federelemente
weniger als üblich am Ausgleich der Fahrbahnunebenheiten beteiligt sind und deshalb
weniger Federarbeit zu leisten haben.
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Die noch spürbaren Aufbaustöße sind vergleichsweise gering. Am positivsten
macht sich der Ausgleichseffekt bei entgegengesetzten Federwegen bemerkbar, dann
folgen die einseitigen Federwege. Bei gleichzeitigen Federwegen tritt dagegen kein
Ausgleich auf, weil - wie aus den Figuren 1 und 2 leicht erkennbar - hierbei im
Prinzip keine Axialverschiebung des Kolbenverbundes 51, 1, 61 erfolgen kann, weil
hierbei auf die Kolben entgegengerichtete Hydraulikkräfte einwirken. Es versteht
sich, daß eine Axialverschiebung nur dann nicht auftritt, wenn die entgegengesetzten
Kräfte gleich groß sind. Das ist ohne weiteres dann der Fall, wenn - z. B. beim
Überfahren einer Querrinne -auf beide Vorderräder 10, 20 bzw. beide Hinterräder
30, 40 gleich große Radaufstandskräfte einwirken, da sich diese Kräfte auf gleich
große Kolbenflächen der beiden Trennkolben 51, 61 auswirken.
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Wenn dagegen auf die Räder einer Fahrzeugseite gleich große einfedernde
Radaufstandskräfte wirken, wäre ein solches Kräftegleichgewicht am
relevanten
Trennkolben nicht von vorherein gewährleistet, weil einerseits wegen der Kolbenstange
1 verschieden große Kolbenflächen wirksam wären und andererseits die Federelemente
der Vorder- und Hinterräder üblicherweise unterschiedlich große Kolbenflächen besitzen.
Es ist deshalb zweckmäßig und vorteilhaft, den Durchmesser der die beiden Trennkolben
51, 61 verbindenden Kolbenstange 1 auf die unterschiedlich großen Kolbenflächen
der Federelemente 11, 21 einerseits und 31, 41 andererseits abzustimmen.
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Ein gleichsinniges Ein- bzw. Ausfedern der Räder einer Fahrzeugseite
tritt insbesondere bei Kurvenfahrten auf. Durch die erfindungsgemäßen maßnahme wird
somit insbesondere bei Kurvenfahrten in vorteilhafter Weise eine vergleichsuieise
harte Fahrzeugfederung eingestellt bzw. die für Geradeausfahrt erstrebenswerten
fahrkomforterhöhenden Ausgleichs effekte ausgeschaltet.
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In der Praxis treten bei Kurvenfahrten an den Rädern der gleichen
Fahrzeugseite im allgemeinen jedoch mehr oder weniger unterschiedlich große Kräfte
auf, so daß durch die Ausgleichszylinder-Einheit 50, 60 auch bei Kurvenfahrt noch
ein geuisser, die Federhärte reduzierender Ausgleichseffekt bewirkt werden würde.
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Je nach Fahrzeugauslegung kann es daher von Vorteil sein, in der Ausgleichszylinder-Einheit
eine Federvorrichtung anzuordnen, die Axialverschiebungen des Kolbenverbundes 51,
1, 61 in beiden Richtungen gleich großen Widerstand entgegensetzt. In Fig. 1 ist
in den beiden äußeren Teilräumen 52, 62 je eine als Druckfeder ausgebildete Federvorrichtung
2 angedeutet. Durch diese Federvorrichtung wird der Kolbenverbund 51, 1, 61 zum
einen in eine Mittenlage positioniert und zum anderen kann durch die Bemessung der
Federhärte dieser Federvorrichtungen die Größe des Ausgleichseffektes und damit
auch die Fahrstabilität bei Kurvenfahrten etc. beeinflußt werden.
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Vorteilhafter kann es sein, anstelle solcher Federvorrichtungen oder
zusätzlich dazu in den von den beiden Ausgleichszylindern 50, 60 zu den Federelementen
der einen Fahrzeugachse führenden Leitungen ein- und ausschaltbare Sperrventile
anzuordnen, wie dies in Fig. 1 mit den Sperrventilen 81 und 82 angedeutet ist. Solche
Ventile könnten zusätzlich oder statt dessen mit gleicher Wirkung auch in den Leitungen
32, 42 angeordnet werden.
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Mit Hilfe dieser normalerweise geöffneten Sperrventile 81, 82 wird
es möglich, in besonderen Betriebssituationen, z. B. beim Bremsen, Beschleunigen,
scharfer Kurvenfahrt oder hoher Fahrgeschwindigkeit zwecks Erhöhung der Fahrstabilität
die Federungshärte durch Unterbindung der Ausgleichseffekte zu erhöhen. Ein Sperren
der Sperrventile bewirkt nämlich, daß der Kolbenverbund 51, 1, 61 innerhalb der
Ausgleichszylinder-Einheit 50, 60 "eingesperrt" wird, d. h. sich praktisch axial
nicht mehr verschieben kann. Das Sperren der Sperrventile kann - initiiert durch
geeignete Sensoren oder Betätigungspedale (z. B. Fliehkraft, Beschleunigung, Oeschwindig
keit, Brems- oder Gaspedal) - mittels elektronischer Steuerschaltungen selbsttätig
erfolgen.
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Die erfindungsgemäße pneumatische oder hydropneumatische Fahrzeugfederung
kann in idealer Weise auch mit einer Niveauregulierung kombiniert werden.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine solche Niveauregulierung
durch eine zentrale Druckversorgung 70 angedeutet, die üblicherweise aus einer Pumpe,
einem Speicher und einem Vorratsbehälter besteht und aus der über Leitungen 71 bis
74 mit darin enthaltenen Auf- und Abregelventilen 75 bis 78 den Niveauregelerfordernissen
entsprechend Druckmedium in die einzelnen Federelemente 11, 21, 31 bzw. 41 eingespeist
bzw. von diesen abgelassen wird. Die den einzelnen Fahrzeugrädern zugeordneten Niveauregler,
durch die die Auf- und Abregelventile 75 bis 78 ausgesteuert werden, sind nicht
weiter dargestellt.
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Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen werden bei Verwendung einer in
ihrer Grundabstimmung vergleichsweise harten Federung nicht nur der Fahrkomfort
und die Fahrstabilität erhöht, sondern auch die Torsionsbelastung des Fahrzeuges
verringert, so daß dieses generell auch in besonderer Weise für Geländefahrten geeignet
ist. Besondere Arbeitszylinder/Kolben-Aggregate zur axialen Verschiebung der Trennkolben
oder kreuzweise angeordnete Querverbindungsleitungen zwischen den Stoßdämpfern einer
Fahrzeugachse sind nicht erforderlich, so daß der Aufwand vergleichsweise gering
ist.