DE3622017A1 - Luftfeder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftfeder zur Abstützung eines schwingenden Körpers auf einem Fundament, umfassend einen Federbalg mit luftgefülltem Innenraum, der durch ein Regel­ ventil bedarfsweise durch ein Druckgasreservoir oder der Atmosphäre verbindbar ist, wobei das Regelventil durch einen Stellkolben betätigt ist, der vorderseitig von dem Innendruck des Federbalges und rückseitig durch eine Stell­ feder mit veränderbarer Federkennung belastet ist und eine Kompensation schwingungsbedingter Druckänderungen in dem Federbalg durch zusätzliche Einspeisung oder das Ausblasen von vorgespannter Luft bewirkt.

Eine Luftfeder der vorgenannten Art ist aus der DE-OS 34 34 658 bekannt. Die damit erzielte Rückführung des schwingenden Körpers in seine ursprüngliche Mittellage ist je nach Aus­ bildung des Federbalges noch wenig befriedigend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Luftfeder der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß voll­ kommen unabhängig von der Gestaltung des Federbalges und den Randbedingungen der Benutzung eine verbesserte Rückführung des schwingenden Körpers in seine Mittellage gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Luftfeder der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Stellkolben des Regelventils rückseitig von einer Druckkammer begrenzt und die Stellfeder durch ein in der Druckkammer enthaltenes Gaspolster gebildet ist, daß die Druckkammer durch ein sig­ nalbetätigtes Einlaßventil mit dem Druckgasreservoir und durch ein signalbetätigtes Auslaßventil mit der Atmosphäre verbunden ist und daß ein Wegaufnehmer mit einem Signal­ geber zur Erfassung der Relativverlagerungen des Körpers vorgesehen und signalleitend mit dem Ein- und dem Auslaß­ ventil verbunden ist, um ein Auswandern des Körpers aus der Mittellage zu verhindern.

Die grundsätzliche Funktion des zur Anwendung gelangenden Regelventils, die darin besteht, aus den Schwingungen re­ sultierende Druckveränderungen in dem Federbalg zu kompen­ sieren, wird somit bei der erfindungsgemäßen Ausführung überlagert durch das Anheben bzw. Absenken des Innendruckes in dem Federbalg, wenn Auswanderungsbewegungen des schwin­ genden Körpers aus seiner Mittellage auftreten. Um dabei eine gegenseitige Beeinträchtigung der Funktionen zu ver­ hindern, hat es sich als vorteilhaft bewährt, wenn der Sig­ nalgeber ein Frequenzfilter umfaßt, welches nur für nieder­ frequente Schwingungen durchlässig ist. Der mittlere Druck in der Druckkammer des Druckreglers erfährt dadurch nur dann eine Veränderung, wenn sich eine lange anhaltende Ab­ weichung von der mittleren gegenseitigen Zuordnung des Fun­ damentes in bezug auf den Körper ergibt. Für Anwendungsfälle im Maschinenbau haben sich Frequenzfilter im allgemeinen gut bewährt, die nur für Frequenzen unterhalb 1 Hz durchlässig sind.

Die Druckkammer des Regelventils kann durch eine Leitung mit einer Speicherkammer und einer Saugkammer verbunden sein, wobei die Speicher- und die Saugkammer durch jeweils eine Pufferwand begrenzt sind, wobei beide Pufferwände End­ anschläge für den schwingenden Körper bilden und von diesem unter Erzeugung eines Über- bzw. Unterdruckes in der Lei­ tung gegen Federkraft bewegbar sind und wobei die Puffer­ wand der Speicherkammer den oberen Endanschlag und die Puf­ ferwand der Saugkammer den unteren Endanschlag des Körpers bildet. Als oberer Endanschlag ist im Rahmen der vorliegen­ den Anmeldung immer der Endanschlag bezeichnet, der bei der kleinsten Ausdehnung des Federbalges berührt wird, als un­ terer Endanschlag derjenige, der bei maximaler Ausdehnung des Federbalges berührt wird. Extrembewegungen des schwin­ genden Körpers, die im praktischen Betrieb häufig nur von äußerst kurzer Dauer sind, läßt sich durch diese Ausgestal­ tung besonders wirksam begegnen und eine äußerst schnelle Rückführung des schwingenden Körpers in seine Mittellage erreichen.

Das zur Anwendung gelangende Funktionsprinzip besteht darin, die normale Ansprechgeschwindigkeit des Druckreglers während der Zeitdauer der Berührung der Endanschläge überproportio­ nal zu vergrößern durch eine entsprechende Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Druckes in die Druckkammer und hierdurch vorübergehend den Zustand einer Vergrößerung bzw. Verklei­ nerung der von der Luftfeder zu tragenden, statischen Last zu simulieren. Das grundsätzliche Reglerverhalten wird hier­ durch nicht verändert und nach dem Verlassen des jeweiligen Endanschlages ergibt sich wieder die ursprüngliche Ansprech­ geschwindigkeit.

Die Pufferwände müssen nach dem Verlassen der Endanschläge in ihre Ausgangslage zurückgebracht werden, was unter Ver­ wendung von Federelementen oder eines separaten Antriebes möglich ist. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwie­ sen, wenn zur Erreichung diesen Zweckes die Pufferwand der Saugkammer durch einen Kolben einer Kolben/Zylindereinheit gebildet und durch diesen von einer Federkammer getrennt ist, wobei die Federkammer durch eine Steuerleitung mit dem Innenraum des Federbalges verbunden ist. Die Drücke in der Druckkammer und der zweiten Steuerkammer unterscheiden sich nur unwesentlich und sind in der Saugkammer 13 und der Fe­ derkammer 18 entsprechend. Die die Saugkammer begrenzende Kolbenfläche der Pufferwand 14 ist jedoch in bezug auf die die Federkammer begrenzende Kolbenfläche um den Querschnitt der Kolbenstange reduziert. Bei nichtbetätigtem Endanschlag befindet sich daher der vorgenannte Kolben stets in seiner Ausgangslage. Eine entsprechende Ausbildung ist bei der Speicherkammer entbehrlich. Sie ist durch eine Leitung mit der Druckkammer verbunden und damit stets einem erhöhten Druck ausgesetzt, wodurch sich die die Speicherkammer ab­ schließende Pufferwand bei nichtbetätigtem Endanschlag stets in ihrer Ausgangslage befindet.

In Hinblick auf die Erzielung einer besonders großen An­ sprechgeschwindigkeit hat es sich als vorteilhaft bewährt, wenn die Druckkammer ein Volumen aufweist, das kleiner ist als das Volumen der Speicherkammer oder der Saugkammer. Zweckmäßig sollte der Unterschied so groß wie möglich sein, bereits bei einer Ausführung, bei der die Druckkammer ein Volumen aufweist, das maximal halb so groß ist wie das Vo­ lumen der Speicherkammer oder der Saugkammer, wird eine deutlich vergrößerte Ansprechgeschwindigkeit erreicht. Sie liegt deutlich oberhalb derjenigen, die unter Verwendung elektrisch betätigter Schaltventile erzielbar ist. Dehnun­ gen der Leitung zwischen der Saugkammer und der Speicher­ kammer wirken sich ebenso nachteilig aus wie ein zu großes Volumen der Leitung. Beides sollte vermieden werden.

Die eine Druckerhöhung bzw. Druckabsenkung in der Druck­ kammer des Regelventils bewirkenden Endanschläge sollen möglichst nicht erst beim Auftreten extremer Ausschläge des schwingenden Körpers kurzzeitig berührt werden, son­ dern zweckmäßig schon vorher auf einer größeren Wegstrecke, um so das Auftreten extremer Schwingungsausschläge des Kör­ pers möglichst zu vermeiden. Unter diesem Gesichtspunkt hat es sich als vorteilhaft bewährt, wenn die Endanschläge mit Auflaufschrägen versehen sind. Diese können gegebenenfalls einen progressiv ansteigenden Neigungswinkel haben, um so eine progressive Vergrößerung der Ansprechgeschwindigkeit des Regelventiles beim Auftreten extremer Schwingungsaus­ schläge zu erhalten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der als Anlage bei­ gefügten Zeichnung weiter erläutert:

Das gezeigte Ausführungsbeispiel nimmt Bezug auf die federn­ de Abstützung eines Fahrzeugrahmens auf dem Radlenker eines Kraftfahrzeuges. Der Radlenker bildet insofern im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung das Fundament 2, der Fahrzeug­ rahmen den Körper 1.

Andere Anwendungen, beispielsweise bei der federnden Ab­ stützung eines Fahrersitzes oder -hauses sind ebenfalls möglich. Der Federbalg ist gewöhnlich als Rollbalg ausge­ bildet, kann jedoch auch durch eine Kolben-/Zylinderein­ heit ersetzt sein.

Der zwischen beiden angeordnete Federbalg 3 ist durch eine in beiden Richtungen durchströmbare Steuerleitung 19 mit der ersten Steuerkammer 21 und der zweiten Steuerkammer 22 des Regelventils 4 verbunden, sowie mit der Federkammer 18 des unteren Endanschlages 15. Die erste Steuerkammer 21 wird auf der einen Seite durch den Hilfskolben 23 begrenzt, der durch eine Membran gegenüber der umgebenden Wandung des Regelventils 4 dichtend abgeschlossen ist. Auf der gegen­ überliegenden Seite ist die erste Steuerkammer 21 durch das Arbeitsventil 24 begrenzt. Dieses enthält ein kombiniertes Ein-/Auslaßventil, deren Ventilkegel einerseits durch die Druckfeder 25 und andererseits durch einen Stößel des Hilfs­ kolbens 23 an ihren Sitz angepreßt sind.

Das Einlaßventil 7 ist durch den Druck aus dem Druckgasre­ servoir 17 mit vorgespannter Luft beaufschlagt, das Auslaß­ ventil 8 durch die den Ventilkegel des Arbeitsventils 24 auslaßseitig durchdringende Entlüftungsleitung 26 mit der Atmosphäre verbunden.

Der Hilfskolben 23 begrenzt auf der von der ersten Steuer­ kammer 21 abgewandten Seite die dritte Steuerkammer 27. Die­ se dritte Steuerkammer 27 ist durch eine Drosselleitung 28 mit dem Druckgasreservoir 17 verbunden, wodurch in die drit­ te Steuerkammer 27 ständig Gas eines erhöhten Druckes einge­ speist wird. Der sich daraus ergebende Druck lastet zugleich auf dem Ventilkegel des Entlüftungsventils 31, das durch die vierte Steuerkammer 29 hindurch mit der Entlüftungsleitung 26 verbunden ist.

Der Ventilkegel des Entlüftungsventils 31 ist starr mit dem Steuerkolben 30 und dem Stellkolben 5 verbunden. Er ist durch eine Feder auf seinem Sitz abgestützt und hat eine kleinere pneumatische Wirkfläche als der Stellkolben 5. Der Steuerkolben 30 und der Stellkolben 5 sind durch Ring­ membranen gegenüber der Wandung des Regelventils 4 abge­ dichtet. Sie begrenzen beiderseits die zweite Steuerkammer 22. Der Steuerkolben 5 begrenzt auf der von der zweiten Steuerkammer 22 abgewandten Seite die Druckkammer 6. Die­ se ist durch die Leitung 11 mit der Saugkammer 13 und der Druckkammer 12 des unteren Endanschlages 15 und des oberen Endanschlages 16 verbunden. In die Druckkammer 6 münden außerdem das Einlaßventil 7 und das Auslaßventil 8, die einerseits mit dem Druckgasreservoir 17 und andererseits mit der Entlüftungsleitung 26 verbunden und durch den Sig­ nalgeber 10 elektrisch betätigbar sind. Der Signalgeber 10 ist elektrisch leitend mit dem Wegaufnehmer 9 verbunden und erhält von diesem ein Eingangssignal, das der relati­ ven Zuordnung des Körpers 1 in bezug auf das Fundament 2 direkt proportional ist.

Der Körper 1 ist außerdem mit Endanschlägen 15, 16 versehen, die bei extremen Relativverlagerungen des Fundamentes 2 von einer mit demselben verbundenen Rolle 32 aus der dargestell­ ten Lage nach rechts bewegbar sind und eine Verschiebung der Pufferwand 14 der Saugkammer 13 bzw. der Pufferwand 14 der Speicherkammer 12 bewirken. Durch progressiv ansteigen­ de Auflaufschrägen 20 erfolgt das in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Grad der Relativverlagerung in einem anstei­ genden Maße.

Zur Funktion ist folgendes auszuführen:

In der angenommenen Ausgangssituation ist das System völlig entleert.

Der Wegaufnehmer 9 signalisiert dem Signalgeber 10 eine bleibende Relativverlagerung des Fundamentes 2 nach oben und bewirkt ein Einströmen von vorgespanntem Gas über das Einlaßventil 7 in die Druckkammer 6. Der sich hier ergeben­ de Druckanstieg bewirkt eine linksgerichtete Bewegung des Stellkolbens 5 und zugleich ein Schließen des Entlüftungs­ ventils 31. Die über die Drosselleitung 2 B weiterhin zuge­ führte Luft kannd dadurch nicht entweichen und bewirkt einen Druckanstieg in der dritten Steuerkammer 27. Dieser wirkt auf den Hilfskolben 23, welcher sich nach links be­ wegt und den einlaßseitigen Ventilkegel des Arbeitsventils 24 von seinem Sitz abhebt. Die aus dem Druckgasreservoir 17 zugeführte Luft kann dadurch in den Federbalg einströmen.

Mit fortschreitendem Druckanstieg in dem Federbalg 3 er­ gibt sich eine fortschreitende Auseinanderbewegung des Federkörpers 1 in bezug auf das Fundament 2. Der Wegauf­ nehmer 9 signalisiert bei Erreichen einer mittleren Lage dem Signalgeber 10 das Schließen des Einlaßventils 7, wo­ durch das weitere Einströmen von vorgespanntem Gas in die Druckkammer 6 unterbunden wird. Hohe Einströmgeschwindig­ keiten in die Druckkammer 6 können dazu führen, daß die mittlere Lage vorübergehend überschritten wird, was in einigen Fällen tolerierbar, in anderen jedoch unerwünscht ist. Die Einströmgeschwindigkeit ist in solchen Fällen ab­ zusenken und durch Verkleinerung des Einströmquerschnittes oder durch dosiertes Einbringen kleiner Luftmengen erfolgen kann. Die allmähliche Druckerhöhung in der Druckkammer 6 auf ein der zu tragenden Last entsprechendes Niveau ergibt schließlich ein Kräftegleichgewicht an dem Stellkolben 5, bei dem das Entlüftungsventil 31 geöffnet und der Druck in der dritten Steuerkammer 27 abgesenkt ist. Der Hilfskolben 23 ist relativ nach rechts verlagert, wodurch der Einlaßteil des Arbeitsventils 24 geschlossen und wodurch das weitere Einströmen von vorgespanntem Gas in den Federbalg 3 unter­ bunden ist.

Beim Auftreten einer schwingenden Relativbewegung zwischen dem Körper 1 und dem Fundament 2 ergibt sich eine pulsie­ rende Druckveränderung in der ersten Steuerkammer 21. Die­ se bewirkt eine entsprechende, pulsierende Bewegung des Hilfskolbens 23, was eine die Druckveränderung kompensie­ rende Betätigung des Arbeitsventiles 24 zur Folge hat.

Bei einer Vergrößerung der abzutragenden Last bewirkt der Wegaufnehmer 9 über den Signalgeber 10 die zusätzliche Einspeisung von vorgespanntem Gas in die Druckkammer 6. Das Entlüftungsventil 31 wird hierdurch vorübergehend ge­ schlossen, mit der Folge eines Druckanstieges in dem Fe­ derbalg 3. Die weitere Einspeisung von vorgespannter Luft in den Federbalg 3 wird unterbunden, wenn erneut das Kräfte­ gleichgewicht an Stellkolben 5 erreicht ist.

Bei einer Verminderung der abzutragenden Last bewegt der Wegaufnehmer 9 über den Signalgeber 10 eine Verminderung des Druckes in der Druckkammer 6. Das Entlüftungsventil 31 wird hierdurch geöffnet, mit der Folge einer Druckab­ senkung in der dritten Steuerkammer 27.

Die Folge ist eine rechtsgerichtete Bewegung des Hilfskol­ bens 23, was das Öffnen des in dem Arbeitsventil 24 ent­ haltenen Austrittsventils zur Folge hat und damit eine Ab­ senkung des in dem Federbalg 3 enthaltenen Druckes. Dieser hält an, bis wieder Kräftegleichgewicht an Stellkolben 5 vorhanden ist.

Beim Auftreten einer extremen Einfederung des Fundaments 2 in bezug auf den Körper 1 ergibt sich eine rechtsgerichtete Verlagerung des oberen Endanschlages 16 durch die Rolle 32. Das in der Speicherkammer 12 enthaltene Druckgasvolumen wird dadurch spontan in die Druckkammer 6 verlagert, was eine Druckerhöhung und damit ein Schließen des Entlüftungs­ ventiles 31 und als Folge hiervon ein Öffnen des Einlaßtei­ les des Arbeitsventiles 24 zur Folge hat. Der Druck in dem Federbalg 3 wird dadurch spontan erhöht und bewirkt eine ab­ wärts gerichtete Relativbewegung des Fundamentes 2 und da­ mit eine zunehmende Entfernung von dem oberen Endanschlag 16.

Der in dem Arbeitsraum 6 noch immer herrschende Druck be­ wirkt nach der Entlastung des Endanschlages 16 eine Rück­ stellung der durch einen Kolben gebildeten Pufferwand 14 der Speicherkammer 12.

Bei einer extremen Auseinanderbewegung des Körpers 1 in bezug auf das Fundament 2 ergibt sich eine Betätigung des unteren Endanschlages 15 durch die Rolle 32 und als Folge hiervon eine rechtsgerichtete Verlagerung der durch einen Kolben gebildeten Pufferwand 14 der Saugkammer 13. Diese bewirkt eine spontane Druckabsenkung in der Druckkammer 6 und als Folge hiervon eine rechtsgerichtete Bewegung des Stellkolbens 5. Das Entlüftungsventil 31 wird dadurch ge­ öffnet und bewirkt eine Verminderung des Druckes in der dritten Steuerkammer 27 und als Folge hiervon eine rechts­ gerichtete Bewegung des Hilfskolbens 23 und damit ein Öff­ nen des Auslaßteiles des Arbeitsventiles 24.

Eine spontane Druckabsenkung in dem Federbalg 3 ist hier­ von die Folge und bedingt eine Richtungsumkehr der Relativ­ bewegung zwischen dem Körper 1 und dem Fundament 2. Diese hält solange an, wie der untere Endanschlag 15 noch betä­ tigt ist. Danach setzt wieder das normale Reglerverhalten ein und die Pufferwand 14 wird durch den mit dem Druck in der Druckkammer 6 übereinstimmenden Druck in der Speicher­ kammer 12 in ihre Ausgangsstellung zurückbewegt.

• Bezugszeichenliste  1 Körper
   2 Fundament
   3 Federbalg
   4 Regelventil
   5 Stellkolben
   6 Druckkammer
   7 Einlaßventil
   8 Auslaßventil
   9 Wegaufnehmer
  10 Signalgeber
  11 Leitung
  12 Speicherkammer
  13 Saugkammer
  14 Pufferwand
  15 unterer Endanschlag
  16 oberer Endanschlag
  17 Druckgasreservoir
  18 Federkammer
  19 Steuerleitung
  20 Auflaufschräge
  21 1. Steuerkammer
  22 2. Steuerkammer
  23 Hilfskolben
  24 Arbeitsventil
  25 Druckfeder
  26 Entlüftungsleitung
  27 3. Steuerkammer
  28 Drosselleitung
  29 4. Steuerkammer
  30 Steuerkolben
  31 Entlüftungsventil
  32 Rolle

Claims (7)

1. Luftfeder zur Abstützung eines schwingenden Körpers auf einem Fundament, umfassend einen Federbalg mit luftge­ fülltem Innenraum, der durch ein Regelventil bedarfswei­ se mit einem Druckgasreservoir oder der Atmosphäre ver­ bindbar ist, wobei das Regelventil durch einen Stellkol­ ben betätigt ist, der vorderseitig von dem Innendruck des Federbalges und rückseitig durch eine Stellfeder mit veränderbarer Federkennung belastet ist und eine Kompen­ sation schwingungsbedingter Druckänderungen in dem Feder­ balg durch zusätzliche Einspeisung oder das Ausblasen von vorgespannter Luft bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben rückseitig von einer Druckkammer (6) be­ grenzt und die Stellfeder durch ein in der Druckkammer (6) enthaltenes Gaspolster gebildet ist, daß die Druck­ kammer (6) durch ein signalbetätigtes Einlaßventil (7) mit dem Druckgasreservoir und durch ein signalbetätigtes Auslaßventil (8) mit der Atmosphäre verbunden ist und daß ein Wegaufnehmer (9) mit einem Signalgeber (10) zur Erfassung der Relativverlagerungen des Körpers (1) vor­ gesehen und signalleitend mit dem Ein- und dem Auslaß­ ventil (7, 8) verbunden ist, um ein langsames Auswandern des Körpers (1) aus der Mittellage zu verhindern.

2. Luftfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (6) durch eine Leitung (11) mit einer Speicherkammer (12) und einer Saugkammer (13) verbunden ist, daß die Speicher- und Saugkammer (12, 13) durch je­ weils eine Pufferwand (14) begrenzt sind, daß die Puffer­ wand (14) Endanschläge (15, 16) für den Körper (1) bil­ den und von diesem unter Erzeugung eines Über- bzw. Un­ terdruckes in der Leitung (11) gegen Federkraft bewegbar sind und daß die Pufferwand (14) der Speicherkammer (12) den oberen Endanschlag (16) und die Pufferwand (14) der Saugkammer (13) den unteren Endanschlag (15) des Körpers (1) bildet.

3. Luftfeder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferwand (14) der Saugkammer durch einen Kolben einer Kolben/Zylindereinheit gebildet wird und durch diesen von der Federkammer (18) getrennt ist und daß die Federkammer (18) durch eine Steuerleitung (19) mit dem Innenraum des Federbalges (3) verbunden ist.

4. Luftfeder nach Anspruch 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkamer (6) ein Volumen aufweist, das kleiner ist als das Volumen der Speicherkammer (12) oder der Saugkammer (13).

5. Luftfeder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (6) ein Volumen aufweist, das maximal halb so groß ist wie das Volumen der Speicherkammer (12) oder der Saugkammer (13).

6. Luftfeder nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Endanschläge (15, 16) mit Auflaufschrägen (20) versehen sind.

7. Luftfeder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflaufschrägen (20) einen progressiv ansteigenden Neigungswinkel aufweisen.