DE4008831A1

DE4008831A1 - Hydropneumatisches federungssystem

Info

Publication number: DE4008831A1
Application number: DE19904008831
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Dr Runkel
Original assignee: Hemscheidt Hermann Maschinenfabrik GmbH and Co
Current assignee: Hemscheidt Fahrwerktechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1990-03-20
Filing date: 1990-03-20
Publication date: 1991-09-26
Anticipated expiration: 2010-03-21
Also published as: DE4008831C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydropneumatisches Federungssystem insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit minde stens einer über ein Hydraulikmedium gegen mindestens einen ein kompressibles Medium enthaltenden Federspeicher wirkenden Kolbenzylindereinheit mit einem in einem Zylinder beweglich geführten, zwei gegensinnig volumenveränderliche Druckräume, und zwar insbesondere einen Zylinderraum und einen gegenüber liegenden Ringraum, abteilenden Kolben.

Derartige Federungssysteme sind in zahlreichen Veröffentli chungen beschrieben; es seien hier lediglich beispielsweise die DE-OS 34 27 843, DE-OS 28 53 589 und DE-OS 36 13 677 ge nannt. Bei allen diesen Systemen werden bei Bewegungen einer zu federnden Masse, beispielsweise eines Fahrzeugrades oder einer Fahrzeugachse, ein Kolben und ein Zylinder einer Kolben zylindereinheit relativ zueinander bewegt, wodurch ein hydrau lisches Medium in Strömung versetzt wird, welches auf minde stens einen eine "Kompressionsfeder" bildenden Federspeicher wirkt. Der Federspeicher besteht üblicherweise aus einem Speicherraum zur Aufnahme des verdrängten Hydraulikmediums so wie einem mit einem kompressiblen Medium, insbesondere Gas, gefüllten Federkammer, die über ein Trennelement, insbesondere über einen schwimmend geführten Trennkolben, von dem Speicher raum getrennt ist. Beim Einfedern strömt ein bestimmtes Volu men des Hydraulikmediums in den Speicherraum, wodurch der Trennkolben in Richtung der Federkammer verschoben wird und sich deren Volumen verringert. Durch diese Komprimierung wird ein Anstieg des Druckes des kompressiblen Mediums - im folgen den vereinfacht "pneumatischer Druck" genannt - und damit eine Federwirkung in der Federkammer hervorgerufen, wobei dieser erhöhte Druck über das Hydraulikmedium wieder zum Ausfedern auf die Kolbenzylindereinheit wirkt.

Bei den gattungsgemäßen Federungssystemen ist nun einerseits problematisch, daß der pneumatische Druck bzw. die Federkraft des kompressiblen Mediums in dem Federspeicher bzw. in der Federkammer über den Kolbenhub der Kolbenzylindereinheit nicht konstant ist, sondern bei der Einfederung zu- und beim Aus federn abnimmt, da innerhalb der Federkammer das Produkt Druck mal Volumen stets konstant ist. Da in Fahrzeug-Federungssyste men aber eine über den Federweg möglichst konstante Feder kraft, zumindest aber eine möglichst flache Federkennlinie erwünscht ist, führt dies dazu, daß das Gesamtvolumen der Federkammer sehr groß gewählt werden muß, um über den Federweg nur verhältnismäßig geringe Druckänderungen hervorzurufen. Bei großen Belastungsverhältnissen der Kolbenzylindereinheit zwischen Leerlast und Vollast von beispielsweise 1 : 10 würde dies aber bedeuten, daß das kompressible Medium in der Feder kammer auf 1/10 zusammengedrückt werden müßte und hierdurch der erforderliche Verschiebeweg des Trennkolbens sehr groß würde. Da zudem die Tragkraft des Federspeichers für die größtmögliche Belastung der Kolbenzylindereinheit ausgelegt werden muß, muß entweder der pneumatische Druck innerhalb des Federspeichers oder aber die wirksam beaufschlagte, zusammen mit dem hydraulischen Druck für die Tragkraft maßgebende Fläche des Kolbens der Kolbenzylindereinheit sehr groß aus gelegt werden, wobei nachteiligerweise ein hoher Druck zu Abdichtungsproblemen und eine große Kolbenfläche zu einer nachteilig großen Bauform der Kolbenzylindereinheit führt.

Bei bekannten Systemen der gattungsgemäßen Art ist ferner die Tragkraft der Kolbenzylindereinheit gleich dem Produkt pneuma tischer Druck des kompressiblen Mediums in der Federkammer mal beaufschlagte Druckfläche des Trennkolbens bzw. Druck des hy draulischen Mediums mal beaufschlagte Druckfläche des Kolbens der Kolbenzylindereinheit, wobei im Falle der bekannten Syste me der pneumatische Druck gleich dem hydraulischen Druck ist. Bei den bekannten Systemen wurde nun aus Sicherheitsgründen eine hohe Tragkraft insbesondere durch eine große Druckfläche von Trennkolben bzw. Kolben erzielt, woraus aber nachteiliger weise wiederum eine große Bauform (Querschnitt) der Komponen ten resultiert. Wird demgegenüber anstelle der Druckfläche der Druck entsprechend gesteigert, führt dies zu dem Nachteil, daß das Gesamtvolumen der Federkammer außerordentlich groß sein müßte, um eine möglichst flache Federkennlinie zu errei chen, d. h. damit das gesamte Belastungsverhältnis der Kolben zylindereinheit mit möglichst geringer Druck- bzw. Volumenän derung von der Federkammer aufgenommen werden kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein hydropneu matisches Federungssystem der gattungsgemäßen Art zu schaffen, welches sich durch konstruktiv einfache und kompakte Bauform seiner Komponenten sowie durch optimale Federungseigenschaften auszeichnet, die vorzugsweise auch leicht an bestimmte Anwen dungsfälle anpaßbar sein sollen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die beiden Druckräume der Kolbenzylindereinheit hydraulisch voneinander getrennt und mit jeweils einem separaten Federspeicher verbun den sind. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn einer der beiden Druckräume mit seinem verbundenen Federspeicher einen geschlossenen, volumengesteuerten Hydraulik-Kreislauf bildet, während der jeweils andere Druckraum mit seinem verbundenen Federspeicher einen lastgesteuerten Hydraulik-Kreislauf bil det, der insbesondere über eine Nivellierventil-Anordnung wahlweise mit einer Druckleitung oder einer Tankleitung eines Hydrauliksystems verbindbar ist.

Durch die Erfindung ist es möglich, durch geeignete Wahl der Höhe des jeweiligen pneumatischen Vorspanndruckes der kompres siblen Medien in den einzelnen Federspeichern den Kolben der Kolbenzylindereinheit auf seinen beiden Kolbenflächen mit praktisch beliebigen, vorzugsweise unterschiedlichen, hydrau lischen Drücken zu beaufschlagen. Hierbei entstehen zwei gegensinnige Kolbenkräfte F₁ und F₂ jeweils aus dem Produkt hydraulischer Druck mal von diesem beaufschlagte Kolbenfläche. Erfindungsgemäß ergibt sich somit die Tragkraft F der Kolben zylindereinheit aus der Differenz dieser beiden gegensinnigen Kolbenkräfte; es gilt die Gleichung F=F₁-F₂.

Da nun die beiden Druckräume der Kolbenzylindereinheit bei den Federungsbewegungen gegensinnig volumenveränderlich sind, wir ken auch die beiden Federspeicher gegenläufig, d. h. wenn in dem einen Federspeicher das kompressible Medium komprimiert wird (pneumatischer Druck steigt), wird in dem anderen Feder speicher das kompressible Medium entspannt (pneumatischer Druck sinkt). Dadurch läßt sich für den dynamischen Federungs betrieb eine Federkennlinie derart einstellen, daß einerseits zwar ein hoher Federungskomfort erreicht werden kann, sich andererseits aber sogar bei geeigneter Auslegung bzw. Wahl der Systemgrößen vorteilhafterweise eine Dämpfung der Hydraulik strömung erübrigen kann. Dies liegt daran, daß sich die beiden Kolbenkräfte F₁ und F₂ jeweils derart ändern, daß der Kolben praktisch automatisch vor Erreichen seiner Endlagen "abgebremst" wird.

Zudem ist durch die gegenläufig wirkenden Federspeicher das erfindungsgemäße System vorteilhafterweise außerordentlich temperaturunempfindlich, da sich ja bei Temperaturänderungen in beiden Federspeichern der pneumatische Vorspanndruck im zu mindest annähernd gleichen Verhältnis ändert, so daß sich diese Änderungen praktisch von selbst kompensieren.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn zumindest der Federspeicher des volumengesteuerten Kreislaufs als Kolbenspeicher mit einem in einem Zylindergehäuse schwimmend geführten Trennkolben aus gebildet ist, wobei der Trennkolben einen hydraulisch mit dem jeweiligen Druckraum der Kolbenzylindereinheit verbundenen Speicherraum von einer mit dem kompressiblen Medium gefüllten Federkammer trennt. Dabei erfolgt dann erfindungsgemäß bei Änderung der statischen Last eine Nivellierung der Kolbenzy lindereinheit auf ein Soll-Niveau anhand der zu dem jeweiligen Niveau proportionalen Stellung des Trennkolbens des volumen gesteuerten Federspeichers. Dies ist insbesondere dann von besonderem Vorteil, wenn die Federungsbewegungen der Kolben zylindereinheit über das Hydraulikmedium mit einer insbesonde re negativen Weg-Übersetzung, d. h. mit einer Untersetzung von beispielsweise 2 : 1 bis 10 : 1, insbesondere ca. 5 : 1, auf den Trennkolben übertragen werden. Hierdurch reicht nämlich aufgrund des geringen Hubs des Trennkolbens zum Erfassen der Trennkolben-Stellung ein sehr kleiner und damit preiswerter Weggeber aus. Bei der bevorzugten Ausbildung der Federspeicher als gesonderte, von der Kolbenzylindereinheit unabhängige Kom ponenten ist zudem von Vorteil, daß der Weggeber zusammen mit dem Federspeicher in einem vor äußeren Einflüssen, wie Ver schmutzung, Temperaturänderungen und dergleichen, geschützten Bereich z. B. eines Kraftfahrzeugs untergebracht sein kann. Eine Steuereinrichtung steuert nun erfindungsgemäß anhand der Ausgangssignale des die Trennkolben-Stellung erfassenden Weg gebers die Nivellierventil-Anordnung derart an, daß durch Zu führen oder Ablassen von Hydraulikmedium in den oder aus dem lastgesteuerten Kreislauf die Kolbenzylindereinheit auf ein vorbestimmtes Sollniveau eingestellt wird. Bei Erreichen dieses Sollniveaus steht auch der Trennkolben des volumenge steuerten Federspeichers seinerseits wieder in seiner Soll stellung, so daß folglich aufgrund der erfindungsgemäßen Nivellierung im statischen Zustand einerseits der Druck inner halb des volumengesteuerten Kreislaufs und daher andererseits auch die eine der beiden Kolbenkräfte, nämlich F₂, stets kon stant sind - vorausgesetzt natürlich, daß der zugehörige pneu matische Vorspanndruck ebenfalls konstant bleibt. Demgegen über ändert sich nun aber bei unterschiedlichen Lasten der im nivellierten Zustand innerhalb des lastgesteuerten Kreislaufs herrschende Druck und damit auch die Kolbenkraft F₁. Die Folge hiervon ist nun, daß vorteilhafterweise das Lastverhältnis des die Last aufnehmenden Federspeichers des lastgesteuerten Kreislaufs gegenüber dem Lastverhältnis der Kolbenzylinderein heit wesentlich reduziert werden kann. Dies wird durch folgen des Zahlenbeispiel deutlich. Hierbei bedeuten:

F=Last bzw. Tragkraft der Kolbenzylindereinheit
F₁=durch den hydraulischen Druck des lastgesteuer ten Kreislaufs erzeugte Kolbenkraft
F₂=durch den hydraulischen Druck des volumen gesteuerten Kreislaufs erzeugte, im statischen Zustand konstante Kolbenkraft.

Fall A:
F=60 kN, F₂=15 kN
F₁=F+F₂ (da F=F₁-F₂)
F₁=75 kN

Fall B:
F=10 kN, F₂=15 kN
F₁=F+F₂
F₁=25 kN

Hieraus folgt ein Lastverhältnis der Kolbenzylindereinheit von 60/10=6, während das Lastverhältnis des lasttragenden Feder speichers lediglich 75/25=3 beträgt.

Durch die Erfindung ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß auch der sogenannte Stoßgrad, d. h. das Verhältnis p_max/p_stat zwischen dem maximalen Druck im eingefederten Zustand und dem Druck in der statischen Lage, mit einem stetigen Verlauf über das gesamte Lastverhältnis nahezu konstant ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sowie erzielbare Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Anhand der Zeichnung soll im folgenden die Erfindung beispiel haft näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Federungssystems mit einer Kolbenzylindereinheit und zwei externen Federspeichern in stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt-Darstellungen,

Fig. 2 eine Ansicht analog zu Fig. 1 einer zweiten Ausfüh rungsform der Erfindung,

Fig. 3 ein Hydraulik-Schaltbild eines erfindungsgemäßen Federungssystems für ein vierachsiges Kraftfahrzeug, d. h. mit acht Kolbenzylindereinheiten mit hydrauli scher Dämpfung,

Fig. 4 ein Hydraulikschaltbild analog zu Fig. 3, jedoch ohne Dämpfung und

Fig. 5 ein Hydraulik-Schaltbild des erfindungsgemäßen Fede rungssystems ebenfalls für ein vierachsiges Fahrzeug in einer zu Fig. 3 und 4 alternativen Beschaltung.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. gleichwirkende Teile und Komponenten stets mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Wie sich zunächst aus den Fig. 1 und 2 jeweils ergibt, besteht das erfindungsgemäße Federungssystem zumindest aus einer hy draulischen Kolbenzylindereinheit 2 und zwei mit dieser zusam menwirkenden, insbesondere pneumatischen Federspeichern 4, 6, die in den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unab hängig, d. h. räumlich getrennt von der Kolbenzylindereinheit 2 angeordnet und über jeweils eine hydraulische Leitungsver bindung 8, 10 angeschlossen sind.

Die Kolbenzylindereinheit 2 besteht aus einem Zylinder 12, in dem ein Kolben 14 axialbeweglich geführt ist. Der Kolben 14 ist mechanisch mit einer Kolbenstange 16 verbunden, die gegen den Zylinder 12 über eine Umfangsdichtung 18 abgedichtet nach außen geführt ist. An ihrem freien, nach außen geführten Ende besitzt die Kolbenstange 16 ein Anschlußstück 20, und auch der Zylinder 12 weist an seinem gegenüberliegenden, geschlossenen Ende ein Anschlußstück 22 auf. Vorzugsweise ist das Anschluß stück 20 der Kolbenstange 16 an einer "gefederten Masse", bei spielsweise einem Fahrzeugrahmen, befestigbar, während das An schlußstück 22 des Zylinders 12 mit einer "ungefederten Masse", insbesondere einem nur strichpunktiert angedeuteten Fahrzeugrad 24, verbindbar ist.

Der Kolben 14 ist über mindestens eine Umfangsdichtung 26 gegen die Innenwandung des Zylinders 12 abgedichtet und teilt hierdurch zwei gegensinnig volumenveränderliche Druckräume voneinander ab, nämlich einen der Kolbenstange 16 gegenüber liegenden Zylinderraum 28 von einem die Kolbenstange 16 um schließenden Ringraum 30. Die Kolbenzylindereinheit 2 besitzt im nach außen geführten Endbereich der Kolbenstange 16 einer seits einen ersten Anschluß 32, der über einen axialen Kanal 34 der Kolbenstange 16 in den Zylinderraum 28 mündet, sowie andererseits einen zweiten Anschluß 36, der ebenfalls über einen axialen Kanal 38 der Kolbenstange 16 in den Ringraum 30 mündet. An den Anschlüssen 32 und 36 sind über die Leitungs verbindungen 10, 8 die Federspeicher 6, 4 angeschlossen.

Aufgrund der beschriebenen Ausgestaltung der Kolbenzylinder einheit 2 besitzt der Kolben 14 zwei gegenüberliegende, wirk sam druckbeaufschlagte Kolbenflächen, und zwar eine dem Zylinderraum 28 zugekehrte Kolben-Stirnfläche 40 sowie eine gegenüber der Stirnfläche 40 flächenmäßig kleinere, dem Ring raum zugekehrte Kolben-Ringfläche 42.

In den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist jeder der beiden Federspeicher 4, 6 als Kolbenspeicher mit einem in einem Zylindergehäuse 44 schwimmend geführten Trenn kolben 46 ausgebildet. Der Trennkolben 46 trennt innerhalb des Zylindergehäuses 44 einen hydraulisch mit dem jeweiligen Druckraum 28, 30 der Kolbenzylindereinheit 2 verbundenen Spei cherraum 48 von einer mit dem kompressiblen Medium gefüllten Federkammer 50. Als kompressibles Medium wird vorzugsweise ein Gas eingesetzt, jedoch kann insbesondere für hohe "pneu matische" Drücke auch z. B. Silikon oder dergleichen Medium verwendet werden. Der verwendete Begriff "pneumatisch" be schränkt die Erfindung somit nicht auf Gase.

Erfindungsgemäß sind nun die kompressiblen Medien in den Federkammern 50 der beiden Federspeicher 4, 6 jeweils mit einem pneumatischen Vorspanndruck p₁ und p₂ derart beauf schlagt, daß in den beiden Druckräumen 28 und 30 der Kolben zylindereinheit vorzugsweise unterschiedliche hydraulische Drücke p₃ und p₄ herrschen. In jedem Fall ergeben sich aber zwei gegensinnig auf den Kolben 14 wirkende, unterschiedlich große Kolbenkräfte F₁ und F₂ durch Beaufschlagung der Kolben flächen 40, 42 mit dem jeweiligen hydraulischen Druck P₃ bzw. P₄. Hierbei ist F₁=Stirnfläche 40 mal Druck p₄ (Fig. 1) bzw. p₃ (Fig. 2) sowie F₂=Ringfläche 42 mal Druck p₃ (Fig. 1) bzw. p₄ (Fig. 2). Die gesamte Tragkraft F der Kolbenzylinderein heit 2 ergibt sich aus der Differenz F=F₁-F₂.

In der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach Fig. 1 bildet der Ringraum 30 mit seinem verbundenen Federspeicher 4 einen geschlossenen, rein volumengesteuerten Hydraulik-Kreislauf A, während der Zylinderraum 28 mit seinem verbundenen Federspei cher 6 einen lastgesteuerten Hydraulik-Kreislauf B bildet. Dieser lastgesteuerte Kreislauf B ist vorzugsweise über eine Nivellierventil-Anordnung 52 wahlweise mit einer Druckleitung P oder einer Tankleitung T eines Hydrauliksystems verbindbar. Dabei kann der volumengesteuerte Federspeicher 4 kleiner als der lastgesteuerte Federspeicher 6 ausgebildet sein. Die Aus führung nach Fig. 1 eignet sich insbesondere für Anwendungs fälle, in denen die Last der Kolbenzylindereinheit variabel, d. h. nicht konstant ist. Die Federspeicher arbeiten hierbei mit geringen Drücken bei verhältnismäßig kleinen Volumina der kompressiblen Medien.

Demgegenüber eignet sich die Ausführung nach Fig. 2 insbeson dere für Anwendungsfälle, bei denen die Last konstant ist. Hierbei ist dann der volumengesteuerte Federspeicher 4 mit dem Zylinderraum 28 verbunden, während der lastgesteuerte Feder speicher 6 mit dem Ringraum 30 sowie auch mit der Nivellier ventil-Anordnung 52 verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform können besonders kleine Speichervolumina vorgesehen werden, jedoch werden hierbei die Drücke entsprechend höher als bei dem System nach Fig. 1.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist in der Leitungsver bindung 10 zwischen dem Federspeicher 6 des lastgesteuerten Hydraulik-Kreislaufs B und dem mit der Nivellierventil-Anord nung 52 verbundenen Druckraum (in Fig. 1 Zylinderraum 28 und in Fig. 2 Ringraum 30) ein Blockierventil 54 angeordnet. Dar über hinaus kann es für bestimmte Anwendungsfälle vorteilhaft sein, wenn in dieser Leitungsverbindung 10 auch ein insbeson dere lastabhängig einstellbares Dämpfungsventil 56 angeordnet ist (nur in Fig. 3 dargestellt).

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Trennkolben 46 mindestens eines der beiden Federspei cher, vorzugsweise jedoch - wie dargestellt - jedes der beiden Federspeicher 4, 6, als Druckwandler mit zwei unterschiedlich großen, wirksamen Druckflächen 58, 60 ausgebildet. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die der Federkammer 50 zuge kehrte, von dem Vorspanndruck p₁ bzw. p₂ beaufschlagte, erste Druckfläche 58 größer als die gegenüberliegende, von dem hydraulischen Druck p₃ bzw. p₄ beaufschlagte, zweite Druckflä che 60 ist. Hierdurch ist erfindungsgemäß der Vorspanndruck p₁ bzw. p₂ jeweils kleiner als der hydraulische Druck p₃ bzw. p₄. Es sei in diesem Zusammenhang bemerkt, daß unter dem Be griff "wirksame Druckfläche" jeweils die von dem pneumatischen bzw. hydraulischen Druck beaufschlagte und dabei für die Ent stehung einer in Bewegungsrichtung des Trennkolbens 46 wirken den Verschiebungskraft maßgebende Oberfläche des Trennkolbens zu verstehen ist. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme kann vorteilhafterweise jeweils der Trennkolben 46 mit einer ver einfachten "Öldichtung" anstelle der bisher erforderlichen, aus mindestens drei bis fünf Einzeldichtungen bestehenden "Gasdichtung" ausgestattet werden, da dem Druck des kompres siblen Mediums, insbesondere Druckluft, der höhere Druck des Hydraulikmediums entgegensteht. Dies trägt zu der angestreb ten, kompakten Bauform bei, da der Trennkolben 46 mit nur einer Umfangsdichtung und daher mit wesentlich kürzerer, axia ler Länge ausgebildet werden kann. Dabei braucht diese Um fangsdichtung vorteilhafterweise auch nur für den Differenz druck zwischen dem pneumatischen und dem hydraulischen Druck ausgelegt zu sein. Weiterhin ist hierbei von Vorteil, daß aufgrund des höheren hydraulischen Druckes der Kolbenzylinder einheit die Druckfläche, d. h. die Stirnfläche 40 des die Last aufnehmenden Kolbens 14 kleiner und damit die Kolbenzylinder einheit 2 selbst ebenfalls kompakter ausgebildet werden kann. Obwohl nun der Trennkolben 46 jeweils von beiden Seiten her mit unterschiedlichen Drücken p₁, p₃ bzw. p₂, p₄ beaufschlagt wird, wird er dennoch von beiden Seiten her mit einer gleichen Kraft beaufschlagt, wobei die Kraft jeweils gleich dem Produkt Druck mal beaufschlagte Druckfläche ist (Prinzip einer "Druck waage"). Ferner ist noch von Vorteil, daß durch die erfin dungsgemäße Ausgestaltung die Reibungskraft des Trennkolbens 46 jeweils wesentlich reduziert wird. Da der pneumatische Druck geringer als der hydraulische Druck ist, wird die Um fangsdichtung des jeweiligen Trennkolbens 46 auch nur mit dem Differenzdruck beaufschlagt und hat daher eine entsprechend geringe Reibung. Dies ist insbesondere für dynamische Vorgänge vorteilhaft und trägt zu optimalen Federungseigenschaften bei.

Um die beschriebene Flächendifferenz der Trennkolben 46 zu gewährleisten, sind diese erfindungsgemäß jeweils mit einer Trennkolbenstange 62 verbunden, die sich durch den Speicher raum 48 hindurch sowie über eine Umfangsdichtung 64 abgedich tet aus dem Zylindergehäuse 44 nach außen erstreckt. Somit weist der Speicherraum 48 einen gegenüber dem Innenquerschnitt der Federkammer 50 bzw. des Zylindergehäuses 44 reduzierten, ringförmigen, zu der Trennkolbenstange 62 konzentrischen Quer schnitt auf. Über eine Variation des Verhältnisses zwischen dem Innenquerschnitt der Federkammer 50 und dem Querschnitt des Speicherraumes 48, d. h. über eine Variation des Verhält nisses zwischen den wirksam druckbeaufschlagten Druckflächen 58 und 60, läßt sich hierbei erfindungsgemäß auch das Druck verhältnis p₁ : p₃ bzw. p₂ : p₄ bestimmen.

Erfindungsgemäß werden nun weiterhin die Federungsbewegungen der Kolbenzylindereinheit 2, d. h. die Bewegungen des Kolbens 14 in dem Zylinder 12, über das Hydraulikmedium insbesondere mit einer Weg-Untersetzung (negative Übersetzung) auf den je weiligen Trennkolben 46 übertragen. Dies bedeutet, daß ein bestimmter Hub des Kolbens 14 einen nur geringeren Hub des je weiligen Trennkolbens 46 verursacht. Konstruktiv wird dies er findungsgemäß dadurch erreicht, daß die bei den Kolbenbewegun gen für das Volumen des verdrängten Hydraulikmediums maßgeben den Querschnittsflächen des Zylinderraums 28 und des Ringraums 30 jeweils kleiner als die Querschnittsflächen der mit diesen verbundenen Speicherräume 48 der Federspeicher 4 bzw. 6 sind. Da das aus der Kolbenzylindereinheit 2 verdrängte Volumen gleich Kolbenweg mal Querschnittsfläche des Zylinderraums 28 bzw. des Ringraums 30 und das von dem jeweiligen Speicherraum 48 aufgenommene Volumen gleich Querschnittsfläche des Spei cherraums 48 mal Verschiebeweg des Trennkolbens 46 ist, folgt hieraus, daß der Trennkolben 46 jeweils einen geringeren Weg als der Kolben 14 macht. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine sehr flache Federkennlinie der Federspeicher 4, 6 reali siert. Es liegt jedoch ebenfalls im Rahmen der Erfindung, eine positive Übersetzung oder ein Übersetzungsverhältnis 1 : 1 zu wählen, um die Federkennlinie auf den jeweiligen An wendungsfall abzustimmen.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des volumenge steuerten Federspeichers 4 als Druckwandler mit nach außen geführter Trennkolbenstange 62 ist es vorteilhafterweise mög lich, die Nivellierventil-Anordnung 52 zum Einstellen der Niveaulage der Kolbenzylindereinheit 2 von einem jeweiligen Ist-Niveau auf ein vorbestimmtes Soll-Niveau in Abhängigkeit von der zu dem jeweiligen Ist-Niveau proportionalen Stellung des Trennkolbens 46 des volumengesteuerten Federspeichers 4 anzusteuern. Hierzu ist die Trennkolbenstange 62 mit einem Weggeber 66 verbunden, wobei anhand der Ausgangssignale dieses Weggebers 66 die Nivellierventil-Anordnung über eine Steuer einheit 68 (in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet) angesteuert wird. Diese Ausgestaltung ist vor allem insofern von beson derem Vorteil, als ja durch die oben beschriebene Weg-Unter setzung der Trennkolben 46 einen im Vergleich zu den Fede rungsbewegungen der Kolbenzylindereinheit 2 sehr viel gerin geren Hub besitzt, so daß folglich auch ein kleiner, kompakter und damit sehr preisgünstiger Weggeber 66 verwendet werden kann. Im Vergleich zu einem unmittelbar im Bereich der Kolben zylindereinheit 2 angeordneten Weggeber reduzieren sich die Kosten für den Weggeber 66 gemäß der vorliegenden Erfindung auf etwa 1/10.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt zumindest zeitweise, vorzugsweise jedoch ständig, eine Überwachung auf Leckagen des Hydraulikmediums und/oder des kompressiblen Mediums. Dies ist durch die beschriebene, erfindungsgemäße Ausgestaltung des volumengesteuerten Federspeichers 4 sehr leicht realisierbar, indem in einer Steuereinheit, beispiels weise der oben bereits erwähnten Steuereinheit 68 (Fig. 1), ein maximal möglicher, von den Endlagen der Kolbenzylinderein heit 2 bestimmter Bewegungsbereich des Trennkolbens 46 des volumengesteuerten Federspeichers 4 durch zwei Soll-Grenzwerte festgelegt und die jeweilige Ist-Stellung des Trennkolbens 46 über den Weggeber 66 überwacht wird, wobei eine Fehlermeldung erzeugt wird, wenn die Ist-Stellung außerhalb des von den Soll-Grenzwerten bestimmten Bewegungsbereichs des Trennkolbens 46 liegt. Eine derartige Stellung des Trennkolbens 46 außer halb dieses Grenzwertbereiches ist nämlich nur möglich, wenn an irgendeiner Stelle des Systems eine Leckage auftritt und Medium austritt.

Das erfindungsgemäße Federungssystem eröffnet nun ferner die Möglichkeit, die die Tragkraft F bestimmenden Kolbenkräfte F₁ und F₂ im statischen und/oder dynamischen Betrieb zu ändern, indem lediglich die pneumatischen Vorspanndrücke p₁, p₂ ver ändert zu werden brauchen. Hierzu ist die Federkammer 50 mindestens eines der beiden Federspeicher 4, 6, im dargestell ten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beispielhaft nur des Federspeichers des volumengesteuerten Federspeichers 4, über einen Anschluß 70 und eine Druckleitung 72 mit einer Druck- Einstelleinrichtung 74 verbunden, bei der es sich beispiels weise um eine pneumatische Druckquelle und ein entsprechendes Schaltventil handeln kann. Erfindungsgemäß ist somit eine ein fache Anpassung des Systems an verschiedene Betriebszustände möglich (Einstellung von Lastverhältnissen, Stoßgrad usw.).

In den Fig. 3 bis 5 sind nun Anwendungsbeispiele des erfin dungsgemäßen Federungssystems für ein mehrachsiges, hier vier achsiges Fahrzeug dargestellt. Hierbei sind erfindungsgemäß jeweils zwei Kolbenzylindereinheiten 2 paarweise hydraulisch zusammengeschaltet. Insbesondere die beiden Ringräume 30 sind mit demselben, volumengesteuerten Federspeicher 4 verbunden, während die Zylinderräume 28 mit jeweils einem eigenen, last gesteuerten Federspeicher 6 verbunden sind. Dabei sind in den dargestellten Ausführungsbeispielen die zusammengeschalteten Kolbenzylindereinheiten 2 jeweils auf der gleichen Fahrzeug seite - bezogen auf die in Fahrtrichtung angeordnete Fahrzeug- Mittelachse - angeordnet und mit jeweils einem Rad einer Fahr zeug-Doppelachse verbunden. Hierbei wirkt sich die erfindungs gemäße Ausgestaltung insofern vorteilhaft aus, als eine auto matische Roll- bzw. Kippstabilisierung des Fahrzeugs erreicht wird. Normalerweise neigt sich ein Fahrzeug bei Kurvenfahrten entgegen der Kurvenrichtung nach außen. In einer Linkskurve neigt sich das Fahrzeug nach rechts und in einer Rechtskurve nach links. Durch die Erfindung wird dieser Erscheinung prak tisch automatisch entgegengewirkt, da beim Einfedern der Kol benzylindereinheiten 2 die Tragkraft F progressiv ansteigt. Dies liegt daran, daß die Kraft F₁ größer und die Kraft F₂ kleiner wird. Auf der gegenüberliegenden Fahrzeugseite, die normalerweise entlastet würde, ist dies durch die Erfindung gerade umgekehrt, so daß insgesamt ein automatischer Ausgleich der Kipp-bzw. Rollerscheinung erreicht wird. Eine analoge Wirkung wird aber vorteilhafterweise auch beim Bremsen und Beschleunigen erreicht.

Wie oben bereits erwähnt, ist in Fig. 3 eine Ausführung mit lastabhängig verstellbaren Dämpfungsventilen 56 dargestellt, die jedoch aufgrund der Erfindung bei geeigneter Wahl der Systemgrößen auch entfallen können, wie dies in Fig. 4 und 5 erkennbar ist.

In den Ausführungen nach Fig. 3 und 4 ist jedes Rad, d. h. jede Kolbenzylindereinheit 2, gesondert für sich absenkbar und an hebbar, wozu das jeweilige Blockierventil 54 in Sperrstellung geschaltet und Hydraulikmedium über die Nivellierventil-Anord nung 52 zugeführt oder abgelassen wird. Demgegenüber ist bei der Ausführung nach Fig. 5 jedes zusammengeschaltete Paar der Kolbenzylindereinheiten 5 mit nur einer gemeinsamen Nivellier ventil-Anordnung 52 ausgestattet, so daß hier einerseits das Nivellieren sowie andererseits auch das Anheben und Absenken jeweils gemeinsam erfolgt. Hierdurch vereinfacht sich die hydraulische Schaltung für solche Anwendungsfälle, in denen das Anheben und Absenken einzelner Räder bzw. Kolbenzylinder anordnungen 2 nicht gefordert wird.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, werden durch die vorliegende Erfindung gegenüber dem Stand der Technik wesent liche Vorteile erzielt. An dieser Stelle sei noch hervorgeho ben, daß im Gegensatz zum Stand der Technik, wobei nur der Querschnitt der Kolbenstange für die Tragkraft der Kolbenzy lindereinheit maßgebend war, nunmehr erfindungsgemäß die Trag kraft nahezu von der gesamten Kolben-Stirnfläche 40 bestimmt wird, da ja die entgegengesetzt wirkende Kraft F₂ sehr klein gehalten werden kann, und zwar durch die kleine Kolben-Ring fläche 42 in Verbindung mit einem kleinen Druck. Hierdurch kann die gesamte Kolbenzylindereinheit 2 sehr kompakt mit geringem Querschnitt ausgebildet werden, wobei zusätzlich von Vorteil ist, daß sich das gesamte Volumen des Hydraulikmediums im System verringern läßt.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebe nen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Mittel. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf die Verwendung der beschriebenen und dargestellten Kolbenzylindereinheiten 2 beschränkt. Viel mehr können beispielsweise auch solche Kolbenzylindereinheiten eingesetzt werden, die zwei ringförmig ausgebildete Zylinder räume besitzen (sogenannte "Innenrohrzylinder", wie z. B. in der DE-OS 38 39 446 beschrieben). Dabei kann auch zumindest einer der Federspeicher innerhalb der Kolbenzylindereinheit integriert angeordnet sein. Ferner können auch andere Feder speicher-Bauarten verwendet werden.

Claims

1. Hydropneumatisches Federungssystem insbesondere für Kraftfahrzeuge,
mit mindestens einer über ein Hydraulikmedium gegen mindestens einen ein kompressibles Medium enthaltenden Federspeicher wirkenden Kolbenzylindereinheit mit einem in einem Zylinder beweglich geführten, zwei gegensinnig volumenveränderliche Druckräume, und zwar insbesondere einen Zylinderraum und einen gegenüber liegenden Ringraum, abteilenden Kolben,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Druckräume (28, 30) hydraulisch voneinander getrennt und mit jeweils einem separaten Federspeicher (4, 6) verbunden sind.

2. Federungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kompressiblen Medien in den beiden Federspeichern (4, 6) jeweils mit einem pneumatischen Vorspanndruck (p₁, p₂) derart beaufschlagt sind, daß in den beiden Druck räumen (28, 30) unterschiedliche hydraulische Drücke (p₃, p₄) herrschen.

3. Federungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (14) der Kolbenzylindereinheit (2) zwei gegen überliegende, wirksam druckbeaufschlagte Kolbenflä chen, und zwar eine von dem Druck (p₄) in dem lastauf nehmenden Zylinderraum (28) beaufschlagte Kolben- Stirnfläche (40) sowie eine gegenüber der Stirnfläche (40) flächenmäßig kleinere, von dem Druck (p₃) in dem Ringraum (30) beaufschlagte Kolben-Ringfläche (42) aufweist, und daß durch Beaufschlagung der Kolbenflä chen (40, 42) mit dem jeweiligen hydraulischen Druck (p₃/p₄) zwei gegensinnig auf den Kolben (14) wirkende Kräfte (F₁, F₂) entstehen, aus deren Differenz (F₁-F₂) sich die Tragkraft (F) der Kolbenzylindereinheit (2) ergibt.

4. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Druckräume (28, 30) mit seinem ver bundenen Federspeicher (4/6) einen geschlossenen, volumengesteuerten Hydraulik-Kreislauf (A) bildet, während der jeweils andere Druckraum (30, 28) mit seinem verbundenen Federspeicher (6/4) einen insbe sondere über eine Nivellierventil-Anordnung (52) wahl weise mit einer Druckleitung (P) oder einer Tanklei tung (T) eines Hydrauliksystems verbindbaren, lastge steuerten Hydraulik-Kreislauf (B) bildet.

5. Federungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Leitungsverbindung (10) zwischen dem Federspei cher (6) des lastgesteuerten Hydraulik-Kreislaufs (B) und dem mit der Nivellierventil-Anordnung (52) verbun denen Druckraum (28/30) ein Blockierventil (54) und/ oder ein insbesondere lastabhängig einstellbares Dämp fungsventil (56) angeordnet sind/ist.

6. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor zugsweise jeder der beiden Federspeicher (4, 6) als Kolbenspeicher mit einem in einem Zylindergehäuse (44) schwimmend geführten Trennkolben (46) ausgebildet ist, wobei der Trennkolben (46) einen hydraulisch mit dem jeweiligen Druckraum (28, 30) der Kolbenzylinderein heit (2) verbundenen Speicherraum (48) von einer mit dem kompressiblen Medium gefüllten Federkammer (50) trennt.

7. Federungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkolben (46) vorzugsweise jedes der beiden Feder speicher (4, 6) als Druckwandler mit zwei unterschied lich großen, wirksamen Druckflächen (58, 60) ausgebil det ist, wobei vorzugsweise die der Federkammer (50) zugekehrte, von dem Vorspanndruck (p₁ bzw. p₂) beauf schlagte, erste Druckfläche (58) größer als die gegen überliegende, von dem hydraulischen Druck (p₃ bzw. p₄) beaufschlagte, zweite Druckfläche (60) ist, so daß der Vorspanndruck (p₁ bzw. p₂) kleiner als der hydraulische Druck (p₃ bzw. p₄) ist.

8. Federungssystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkolben (46) mit einer derart axial durch den Speicherraum (48) hindurch sowie abgedichtet aus dem Zylindergehäuse (44) nach außen geführten Trennkolben stange (62) verbunden ist, daß der Speicherraum (48) einen gegenüber der Federkammer (50) reduzierten, ringförmigen Querschnitt aufweist.

9. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Federungsbewegungen der Kolbenzylindereinheit (2) über das Hydraulikmedium mit einer insbesondere negativen Weg-Übersetzung auf den Trennkolben (46) vorzugsweise jedes der beiden Federspeicher (4, 6) übertragen wer den.

10. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nivellierventil-Anordnung (52) zum Einstellen der Niveaulage der Kolbenzylindereinheit (2) von einem jeweiligen Istniveau auf ein vorbestimmtes Sollniveau in Abhängigkeit von der zu dem jeweiligen Istniveau proportionalen Stellung des Trennkolbens (46) des volumengesteuerten Federspeichers (4) angesteuert wird.

11. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennkolbenstange (62) des volumengesteuerten Feder speichers (4) mit einem Weggeber (66) verbunden ist, und daß die Nivellierventil-Anordnung (52) anhand der Ausgangssignale des Weggebers (66) über eine Steuer einheit (68) angesteuert wird.

12. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Leckage- Überwachung auf Leckagen des Hydraulikmediums und/oder des kompressiblen Mediums.

13. Federungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Steuereinheit (68) ein maximal möglicher, von den Endlagen der Kolbenzylindereinheit (2) bestimmter Bewegungsbereich des Trennkolbens (46) des volumenge steuerten Federspeichers (4) durch zwei Soll-Grenz werte festgelegt und die jeweilige Ist-Stellung des Trennkolbens (46) überwacht wird, wobei ein Signal erzeugt wird, wenn die Ist-Stellung außerhalb des von den Soll-Grenzwerten bestimmten Bewegungsbereichs liegt.

14. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprü che 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der pneumatische Vorspanndruck (p₁ und/oder p₂) mindestens eines der beiden Federspeicher (4, 6) mittels einer Druck-Einstelleinrichtung (74) im statischen und/oder dynamischen Betrieb veränderbar ist.

15. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Fahrzeug jeweils zwei Kolbenzylindereinheiten (2) paarweise hydraulisch zusammengeschaltet sind, wobei insbesondere die Ringräume (30) mit dem selben volumengesteuerten Federspeicher (4) und die Zylin derräume (28) mit jeweils einem eigenen, lastgesteuer ten Federspeicher (6) verbunden sind.

16. Federungssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengeschalteten Kolbenzylindereinheiten (2) auf der gleichen Fahrzeugseite angeordnet und mit jeweils einem Rad einer Fahrzeug-Doppelachse verbunden sind.

17. Federungssystem nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengeschalteten Kolbenzylindereinheiten (2) unab hängig voneinander über jeweils eine Nivellierventil- Anordnung (52) oder zusammen über eine gemeinsame Nivellierventil-Anordnung (52) nivellierbar und/oder anhebbar und absenkbar sind.