DE3622017A1 - Luftfeder - Google Patents
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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.
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