DE3836103A1 - Hydraulische kolben-zylinder-anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Kolben-Zylinder- Anordnung, deren Hubräume mittels Ventilanordnungen mit einer hydraulischen Druckquelle und/oder einem Hydraulik­ reservoir verbindbar sind.

Wenn mit derartigen Kolben-Zylinder-Anordnungen veränderbare Kräfte erzeugt werden müssen, so werden die Hubräume über steuerbare Drosselventile mit der Druckquelle bzw. dem Hydraulikreservoir verbunden. Beispielsweise kann mit einem einfach wirkenden Kolben-Zylinder-Aggregat eine variable Stellkraft im Falle einer bezüglich des abgegebenen Druckes nicht bzw. nur begrenzt steuerbaren Druckquelle nur dadurch erzeugt werden, daß der Hubraum des Kolben-Zylinder-Aggregates über eine erste Drosselstrecke mit der Druckquelle und eine zweite Drosselstrecke mit dem Reservoir verbunden ist. Bei entsprechender Steuerung der Drosselstrecken bzw. -ventile kann dann der Druck im Hubraum stufenlos verändert werden.

Auch bei einem doppeltwirkenden Kolben-Zylinder-Aggregat muß zur Erzeugung einer stufenlos veränderbaren Stellkraft jeweils der eine Hubraum über eine steuerbare Drosselstrecke mit der hydraulischen Druckquelle und der andere Hubraum über eine weitere steuerbare Drosselstrecke mit dem Reservoir verbunden werden.

In beiden Fällen ist grundsätzlich eine hohe Verlustleistung erforderlich, welche durch die Drosselung des Hydraulik­ mediums entsteht. Die Verlustleistung ist dann verhältnis­ mäßig groß, wenn das Kolben-Zylinder-Aggregat kleine Stell­ kräfte bei großen Geschwindigkeiten erzeugt.

Hinzu kommt, daß unter Umständen selbst dann hydraulische Leistung benötigt wird, wenn das Kolben-Zylinder-Aggregat durch äußere Kräfte verstellt wird. In einem derartigen Falle muß nämlich unter Umständen einem sich vergrößernden Hubraum über ein stark gedrosseltes Ventil Hydraulikmedium von der Druckquelle aus zugeführt werden.

Ein besonderer Nachteil dieser bekannten Aggregate liegt noch darin, daß dieselben auf von außen einwirkende Stoß­ belastungen unter Umständen hart reagieren. Die Stoßbelastun­ gen suchen nämlich Kolben und Zylinder relativ zueinander sehr schnell zu verschieben. Dies ist gleichbedeutend damit, daß an den Drosselventilen höhere Druckdifferenzen auftreten, wenn relativ große Mengen hydraulischen Mediums die Drossel­ ventile zu durchströmen suchen. Da jedoch der Drosselwider­ stand der Drosselventile bei größeren Druckdifferenzen und dementsprechend vergrößerten Mengen des durchströmenden hydraulischen Mediums stark ansteigen, erhöht sich entsprechend der Widerstand, den das Kolben-Zylinder-Aggregat einer von außen einwirkenden Stoßbelastung entgegensetzt. Dieser Effekt läßt sich nur sehr begrenzt durch schnell steuerbare Drossel­ ventile vermeiden. Denn in der Regel kann ein Steuereingriff erst nach Auftreten einer Stoßbelastung mit einer gewissen - wenn auch unter Umständen sehr kurzen - Verzögerungszeit vorgenommen werden. Eine "vorausschauende" bzw. der "Stoß­ belastung" zuvorkommende "Steuerung" ist im allgemeinen nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine hydraulische Kolben- Zylinder-Anordnung zu schaffen, deren Stellkraft über einen weiten Bereich veränderbar ist und auch bei von außen auf die Anordnung einwirkenden Stoßbelastungen - ohne zusätz­ lichen Steuereingriff - weitestgehend unverändert bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere, zumindest teilweise parallel schaltbare Hubräume mittels im wesentlichen drosselfreier Umschaltventile unabhängig voneinander mit der Druckquelle oder dem Reservoir verbindbar sind.

Je nachdem, wieviele Hubräume mit der Druckquelle oder dem Reservoir verbunden sind, erzeugt die Kolben-Zylinder- Anordnung unterschiedliche Stellkräfte. Dabei fallen keiner­ lei Drosselverluste an.

Bei von außen einwirkenden Stoßbelastungen bleibt die jeweils eingestellte Stellkraft praktisch unverändert. Im wesentlichen tritt lediglich eine kurzzeitige gering­ fügige Erhöhung der der Stoßbelastung entgegenwirkenden Stellkraft dadurch ein, daß Trägheitskräfte u.dgl. über­ wunden werden müssen, um hydraulisches Medium aus einem oder mehreren der Hubräume zu verdrängen.

Des weiteren ist vorteilhaft, daß die von außen einwirkenden Kräften geleistete Arbeit gespeichert werden kann, indem beispielsweise ein der Druckquelle zugeordneter Druckspeicher bei Verstellung der Kolben-Zylinder-Anordnung durch äußere Kräfte von dem dabei aus einem oder mehreren Hubräumen verdrängten hydraulischen Medium zunehmend gespannt werden kann.

Falls die mit der Kolben-Zylinder-Anordnung erzeugbaren Kräfte sehr feinfühlig, d.h. in sehr kleinen Schritten veränderbar sein sollen, werden gegebenenfalls mehrere parallel schaltbare Hubräume mit vergleichsweise kleinen Kolbenwirkflächen benötigt.

Stattdessen oder zusätzlich kann gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, einen oder mehrere Hubräume - in der Regel denjenigen bzw. diejenigen mit der kleinsten Kolbenwirkfläche - über Drosselventile mit der Druckquelle und/oder dem Reservoir zu verbinden, derart, daß der Druck in diesen Hubräumen stufenlos zwischen dem Druck der Druckquelle und dem Druck des Reservoirs variierbar ist. Bei dieser Anordnung werden zwar begrenzte Drosselverluste in Kauf genommen, jedoch können dadurch die Zahl der parallel schaltbaren Hubräume sowie der damit verbun­ dene Steuerungsaufwand vermindert werden, um einen optimalen Kompromiß hinsichtlich des konstruktiven Aufwandes und der unvermeidlichen Drosselverluste zu erreichen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung ist vorgesehen, die Hubräume zumindest teilweise als konzentrische Ringräume auszubilden, in denen jeweils ein ringförmiger Plunger verschiebbar geführt ist. Auf diese Weise können die bei Druckbeaufschlagung der zugehörigen Hubräume in jeweils gleicher Richtung gedrängten Plunger in konstruktiv einfacher Weise zu einem gemeinsam bewegten Teil zusammengefaßt werden, welches unabhängig von der Zahl der jeweils mit Druck beaufschlagten Hubräume zentrisch zu seiner Bewegungsachse belastet wird.

Falls die Kolben-Zylinder-Anordnung Stellkräfte in einander entgegengesetzten Richtungen erzeugen soll, ist eine Aus­ führungsform bevorzugt, bei der auf einer Seite eines Kolbens ein einziger Hubraum mit großem Querschnitt und auf der anderen Seite des Kolbens mehrere ringförmige Hubräume konzentrisch zueinander angeordnet sind, in die der Kolben mit an ihm angeordneten ringförmigen Plungern hineinragt. Werden die ringförmigen Hubräume mit dem Reservoir und der Hubraum mit großem Querschnitt mit der Druckquelle verbunden, so wird eine große Stellkraft in der einen Richtung erzeugt. Dabei kann die Stellkraft zunehmend verringert werden, indem eine wachsende Zahl der ringförmigen Hubräume ebenfalls mit der Druckquelle verbunden wird. In entgegengesetzter Richtung läßt sich eine große Stellkraft erzielen, indem alle ringförmigen Hubräume parallel mit der Druckquelle und der Hubraum mit großem Querschnitt mit dem Reservoir verbunden werden. Indem eine wachsende Zahl der ringförmigen Räume von der Druckquelle abgekoppelt und ebenfalls mit dem Reservoir verbunden werden, kann die Stellkraft in der anderen Richtung mehr oder weniger weit vermindert werden. Wenn alle Hubräume mit dem Reservoir verbunden sind, so hat die Stellkraft einen verschwindenden Wert.

Die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Anordnung eignet sich in besonders vorteilhafter Weise als Abstütz- und Federaggre­ gat zwischen den Rädern und dem Aufbau von Kraftfahrzeugen. Denn einerseits wird nur eine relativ begrenzte hydraulische Leistung erforderlich; andererseits kann ein weiches Ansprechen der Federung bei Fahrbahnunebenheiten ermöglicht werden, wobei durch schnelle Druckbeaufschlagung zuvor mit dem Reservoir verbundener Hubräume erforderlichenfalls eine stark progres­ sive Steigerung der Abstützkraft möglich ist.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung besonders bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung verwiesen.

Dabei zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt einer ersten Ausführungsform einer hydraulischen Kolben-Zylinder-Anordnung, bei der konzentrisch angeordnete ringförmige Hubräume in einem einzigen Aggregat untergebracht sind,

Fig. 2 einen Axialschnitt einer doppeltwirkenden Kolben- Zylinder-Anordnung und

Fig. 3 einen Axialschnitt einer weiteren doppeltwirkenden Kolben-Zylinder-Anordnung entsprechend der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Kolben-Zylinder-Anordnung besteht im wesentlichen aus einem Zylinderteil 1 und dem Kolbenteil 2, welche im wesentlichen rotationssymmetrisch zur Achse G ausgebildet sind. Innerhalb der zylindrischen Umfangswand 3 des Zylinderteiles 1 sind zwei zylindrische Ringwände 4 und 5 angeordnet, so daß innerhalb des Zylinderteiles 1 zwei Ringräume 6 und 7 sowie ein zentraler Zylinderraum 8 gebildet werden.

Das Kolbenteil 2 besitzt einen zentralen, in den Zylinderraum 8 hineinragenden Plunger 9 sowie zwei ringförmige Plunger 10 und 11, welche in die Ringräume 6 und 7 hineinragen. Zwischen den Plungern 9 bis 11 verbleiben Ringräume 12 und 13, in die die Ringwände 4 und 5 plungerartig hineinragen.

Über den Boden bzw. die Ringwände 4 und 5 des Zylinderteiles 1 durchsetzende Kanäle 6′, 7′, 8′, 12′ und 13′ können die Ringräume 6, 7, 12 und 13 bzw. der Zylinderraum 8 mittels nicht darge­ stellter Umschaltventile weitestgehend drosselfrei unabhängig voneinander mit einer hydraulischen Druckquelle oder einem Hydraulikreservoir verbunden werden. Dementsprechend sucht sich das Kolbenteil 2 relativ zum Zylinderteil 1 mit um so größerer Kraft nach links zu bewegen, je mehr der genannten Räume 6 bis 8 sowie 12 und 13 mit der hydraulischen Druck­ quelle verbunden sind.

Die in Fig. 2 dargestellte Kolben-Zylinder-Anordnung unter­ scheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß die Anordnung doppeltwirkend ausgebildet ist. Dabei sind das Zylinderteil 1 und das Kolbenteil 2 jeweils im wesentlichen symmetrisch zu einer mittleren Radialebene ausgebildet.

Am Kolbenteil 2 ist ein seitlicher Fortsatz 14, welcher einen in der Umfangswand 3 des Zylinderteiles 1 angeordneten Schlitz 15 durchsetzt und mit nicht dargestellten Getriebe­ elementen gekuppelt werden kann, auf die der Kolbenhub übertragen werden soll. Wenn alle Räume 6 bis 8 sowie 12 und 13 auf der rechten Seite des Kolbenteiles 2 mit der hydraulischen Druckquelle verbunden und die entsprechenden Räume auf der linken Seite des Kolbenteiles 2 an das Hyraulik­ reservoir angeschlossen sind, so wird das Kolbenteil 2 in Fig. 2 mit einer Maximalkraft nach links gedrängt. Falls die Räume 6 bis 8 sowie 12 und 13 auf der rechten Seite nur teilweise mit der Druckquelle kommunizieren, so wird nur eine entsprechende Teilkraft erzeugt. Gegebenenfalls lassen sich Zwischenwerte der Stellkraft erzeugen, indem Räume mit unterschiedlichen Querschnitten auf der rechten und linken Seite des Kolbenteiles 2 gleichzeitig mit der Druckquelle verbunden und alle übrigen Räume an das Hydraulikreservoir angeschlossen werden.

Auch die in Fig. 3 dargestellte Kolben-Zylinder-Anordnung ist doppeltwirkend ausgebildet. Innerhalb des Zylinderteiles 1 ist dabei in herkömmlicher Weise auf der linken Seite des Kolbenteiles 2 ein die Kolbenstange 16 umschließender Ringraum 17 angeordnet, welcher über eine nicht dargestellte Leitung dauernd mit einer hydraulischen Druckquelle in Verbindung steht oder über ein nicht dargestelltes Umschaltventil im wesentlichen drosselfrei entweder mit der hydraulischen Druckquelle oder einem Hydraulikreservoir kommuniziert.

Die rechte Stirnseite des Kolbenteiles 2 ist in prinzipiell gleicher Weise wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Kolbenteil 2 ausgebildet. Entsprechendes gilt auch für den rechten Boden des Zylinderteiles 1 sowie die daran angeordneten Ringwände 4 und 5. Somit werden auf der rechten Seite des Kolbenteiles 2 wiederum die Räume 6 bis 8 sowie 12 und 13 gebildet, die unabhängig voneinander über nicht dargestellte Umschaltventile, jeweils im wesentlichen drosselfrei, mit dem Hydraulikreservoir oder der hydraulischen Druckquelle verbunden werden können. Insgesamt können bis zu 64 verschiedene Stellkräfte eingestellt werden, wenn alle Kombinationsmöglichkeiten, die zwischen Zylinderteil 1 und Kolbenteil 2 gebildeten Räume mit der hydraulischen Druck­ quelle oder dem Reservoir zu verbinden, genutzt werden.

Die zwischen Zylinderteil 1 und Kolbenteil 2 gebildeten Räume können jeweils durch Dichtungen abgeschlossen sein, welche zwischen den Ringwänden des Zylinderteiles 1 und den Plungern des Kolbenteiles 2 angeordnet sind.

Gegebenenfalls ist es jedoch auch möglich, auf Dichtungen zu verzichten und die genannten Ringwände und Plunger sehr genau aneinander anzupassen, derart, daß eine Abdichtung der genannten Räume allein durch Dichtspalte zwischen den Ringwänden des Zylinderteiles 1 und den Plungern des Kolbenteiles 2 erfolgt. Bei hinreichend großer Überlappung der Ringwände und Plunger können die auftretenden Leckströme vernachlässigt werden.

Die zylinderteilseitigen Ringwände und die kolbenseitigen Plunger müssen sehr genau ineinander fluchten. Um gleichwohl mit relativ großen Fertigungstoleranzen arbeiten zu können, kann es deshalb vorteilhaft sein, wenn die Ringwände und/oder die Plunger am Boden des Zylinderteiles 1 bzw. am Kolbenteil 2 elastisch gehaltert sind, z.B. mittels O-Ringe.

Die Zahl der möglichen Kraftstufen, welche sich mit den Kolben-Zylinder-Anordnungen einstellen lassen, steigt mit der Anzahl der zwischen dem Zylinderteil 1 und dem Kolbenteil 2 gebildeten Druck- bzw. Hubräumen. Um gegebenenfalls den konstruktiven Aufwand für die Kolben-Zylinder-Anordnungen zu begrenzen, kann es vorteilhaft sein, die Kolben-Zylinder- Anordnung mit einer Druckquelle zu kombinieren, welche ständig hydraulisches Medium mit zwei unterschiedlichen Versorgungsdrucken liefern kann. In diesem Falle müssen die Umschaltventile, welche die Druck- bzw. Hubräume mit der Druckquelle bzw. dem Hydraulikreservoir verbinden, eine zusätzliche Schaltstellung aufweisen, so daß wahlweise von dem Hochdruckzweig der Druckquelle auf den Zweig mit geringerem Druck sowie das Hydraulikreservoir umgeschaltet werden kann. Auf diese Weise läßt sich die Zahl der einstell­ baren Kraftstufen der Kolben-Zylinder-Anordnung ganz erheblich erhöhen.

Falls die mit der Kolben-Zylinder-Anordnung einstellbaren Stellkräfte sehr feinstufig unterteilbar sein sollen, kann es notwendig sein, zwischen Zylinderteil 1 und Kolbenteil 2 Druck- bzw. Hubräume mit sehr geringem Querschnitt anzuord­ nen. Wenn diese Räume dann als Ringräume ausgebildet werden, ergibt sich unter Umständen ein sehr geringer Abstand zwischen der Innen- und der Außenumfangswand. In solchen Fällen kann es unter konstruktiven Gesichtspunkten vorteilhaft sein, anstelle eines einzigen Ringraumes, z.B. anstelle des Ring­ raumes 7 in Fig. 1, mehrere Bohrungen mit untereinander gleichen Abständen auf einer Kreislinie bezüglich der Achse G im Zylinderteil 1 (oder im Kolbenteil 2) anzuordnen, in die dann das Kolbenteil 2 (oder das Zylinderteil 1) mit stößel­ artigen Plungern hineinragt.

Gegebenenfalls kann auch einer oder mehrere der Druck- bzw. Hubräume in herkömmlicher Weise über steuerbare Drosselventile mit der Druckquelle sowie dem Hydraulikreservoir verbindbar sein, um in diesen Druck- bzw. Hubräumen einen stufenlosen veränderbaren Druck einstellen zu können. Auf diese Weise kann durch entsprechende Schaltung der übrigen Druck- bzw. Hubräume eine "Grobeinstellung" der Stellkräfte und durch eine Steuerung der Drosselventile des einen Druck- bzw. Hubraumes eine Feineinstellung derselben vorgenommen werden.

Die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Anordnung eignet sich in besonders vorteilhafter Weise als Abstütz- und Feder­ aggregat für Kraftfahrzeuge.

Dabei liegt ein besonderer Vorzug darin, daß die jeweils eingestellte Abstützkraft praktisch nur davon abhängig ist, welche Hubräume jeweils mit der Druckquelle kommunizieren. Dagegen haben Relativbewegungen zwischen Kolben- und Zylinder­ teil der Kolben-Zylinder-Anordnung auf die jeweilige Stellkraft nur einen vernachlässigbaren Einfluß. Dadurch kann die Steuerung bzw. Regelung des Federungsverhaltens eines entsprechenden Fahrzeuges wesentlich vereinfacht werden. Insbesondere können gesonderte Kraftmesser, die die jeweils zwischen Radaufhängung und Fahrzeugaufbau wirksamen Kräfte wiedergeben, bzw. Differenz­ druckmesser, mit denen die die Kolben-Zylinder-Anordnung in Ausschieberichtung oder in Einschieberichtung beaufschlagenden Druckkräfte gemessen werden können, erübrigt werden.

Des weiteren ist vorteilhaft, daß vergleichsweise wenig Energie benötigt wird.

Da praktisch nur geringe Drosselverluste entstehen, wird nur die für die Bewegungsaufgabe wirklich notwendige Leistung umgesetzt.

Außerdem wird der Leistungsbedarf noch dadurch vermindert, daß durch äußere Kräfte erzeugte Bewegungen der Kolben- Zylinder-Anordnung dazu ausgenutzt werden können, Hydraulik­ medium zum Druckspeicher zu pumpen, d.h. die von äußeren Kräften geleistete Arbeit kann gespeichert werden.

Schließlich ermöglichen die erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder- Anordnungen eine außerordentlich komfortable Federung. Bei plötzlichen Stoßbelastungen entstehen nämlich keine (bzw. keine nennenswerten) Drosselwiderstände, welche einer Verdrängung von hydraulischem Medium aus den Hubräumen der Kolben-Zylin­ der-Anordnung oder einer Zuführung von hydraulischem Medium in die Hubräume entgegenwirken würden. Eine mit den erfindungs­ gemäßen Kolben-Zylinder-Anordnungen realisierte Federung besitzt also ein weiches Ansprechverhalten. Dabei können die jeweils von den Kolben-Zylinder-Anordnungen erzeugten Abstütz- bzw. Stellkräfte durch Betätigung der Umschaltventile, welche die Hubräume unabhängig voneinander mit der hydraulischen Druckquelle oder dem Hydraulikreservoir verbinden, außeror­ dentlich schnell verändert und dementsprechend den jeweiligen Gegebenheiten angepaßt werden.

Claims (10)

1. Hydraulische Kolben-Zylinder-Anordnung, deren Hubräume mittels Ventilanordnungen mit einer hydraulischen Druckquelle und/oder einem Hydraulikreservoir verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zumindest teilweise parallel schaltbare Hubräume (6, 7, 8, 12, 13) mittels im wesentlichen drossel­ freier Umschaltventile unabhängig voneinander mit der Druckquelle oder dem Hydraulikreservoir verbindbar sind.

2. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens ein Hubraum über Drosselventile mit Druckquelle sowie Hydraulikreservoir verbindbar ist, derart, daß der Druck in diesem Hubraum stufenlos zwischen dem Druck der Druckquelle und dem Druck des Reservoirs variierbar ist.

3. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Hubraum­ paar angeordnet ist, in dessen Hubräumen der Kolben (2) in einander entgegengesetzten Richtungen beaufschlagbar ist.

4. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die wirksamen Kolbenflächen in den Hubräumen des Hubraumpaares etwa im Verhältnis 1 : 2 stehen.

5. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubräume (6, 7, 8, 12, 13) zumindest teilweise als konzentrische Ringräume ausgebildet sind, in denen jeweils ein ringförmiger Plunger od.dgl. verschiebbar geführt ist.

6. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf einer Seite des Kolbens (2) ein einziger Hubraum (17) mit großem Querschnitt und auf der anderen Seite des Kolbens (2) mehrere ringförmige Hubräume (6, 7, 8, 12, 13) konzentrisch zueinander angeordnet sind, in die der Kolben (2) mit an ihm angeordneten ringförmigen Plungern hineinragt.

7. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Plunger und/oder die Wandungen der ringförmigen Hubräume bildende Rohrstücke relativ zueinander winkelbeweglich gehaltert sind.

8. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubräume durch Dichtspalte zwischen den Plungern und den Wandungen der Hubräume abgeschlossen sind.

9. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubräume zumindest teilweise durch ringförmig im Zylinderteil (1) angeordnete Bohrungen gebildet werden, in die das Kolbenteil (2) mit entsprechend ringförmig angeordneten Plungerstangen hineinragt.

10. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Verwendung als Feder- bzw. Abstützaggregat zwischen dem Aufbau und den Achsen (Rädern) eines Fahrzeuges.