DE4116399A1 - Kolbenzylindereinheit fuer hohe querkraefte - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenzylinderein­ heit, insbesondere zur Verwendung als Federbein in hydro­ pneumatischen Fahrzeug-Federungssystemen, mit einem in einem Zylinder beweglich geführten und mit einer aus dem Zylinder nach außen führenden Kolbenstange verbundenen Kolben, der innerhalb des Zylinders auf der der Kolbenstange abgekehrten Seite einen volumenveränderlichen, mit Hydraulikmedium ge­ füllten Zylinderraum abteilt, wobei der Zylinder einen in den Zylinderraum mündenden Anschluß insbesondere für einen hydropneumatischen Federspeicher aufweist.

Derartige Kolbenzylindereinheiten sind lange bekannt und in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben. In Fahrzeugen werden sie zu Federungszwecken üblicherweise zwischen dem Fahrzeugrahmen und in Schwinglagern geführten Achsteilen an­ geordnet, um so den Rahmen gegen die Bewegungen der Achs­ teile und der mit diesen verbundenen Räder abzufedern. In hydropneumatischen Systemen wirkt hierbei ein Hydraulikme­ dium gegen ein kompressibles Medium, was in bekannter Weise eine elastische Federwirkung hervorruft. Über die Räder entstehende Querkräfte werden hierbei von den in speziellen Lagern geführten Achs- oder Schwingenteilen aufgenommen, so daß hierbei die Kolbenzylindereinheiten nur oder fast nur axialen Belastungen ausgesetzt sind, was keine nennenswerte Probleme aufwirft.

Nun ist es aber für manche Anwendungsfälle erwünscht, Räder ohne Schwingenlagerungen oder dergleichen Führungsteile un­ mittelbar ausschließlich an den Kolbenzylindereinheiten auf­ zuhängen, wobei dann der Zylinder starr am Fahrzeugrahmen befestigt wird und alle Querkräfte, die durch Beschleunigen, Abbremsen, Kurvenfahrt sowie durch Fahrbahnunebenheiten be­ dingte Stoßbelastungen auftreten, aufnehmen muß. Damit der Zylinder diese teilweise sehr hohen Belastungen schadlos aushalten kann, muß er mit sehr großer Wandstärke ausgebil­ det werden, was aber zu einem großen Gewicht führt. Die Wand­ stärke kann aber bekanntlich bei gleicher Stabilität redu­ ziert werden, wenn der Gesamtdurchmesser vergrößert wird. Dies führt aber nachteiligerweise auch zu einem großen In­ nenvolumen und damit zu einem großen Volumen des im Zylinder enthaltenen Hydraulikmediums, so daß bei den Federungsbewe­ gungen auch jeweils sehr große Volumina ΔV in Strömung ver­ setzt, d. h. beim Einfedern aus dem Zylinder verdrängt und beim Ausfedern wieder zurück in den Zylinder "gepumpt", werden. Diese großen Volumina führen insbesondere in hydro­ pneumatischen Systemen, bei denen das Medium zwischen dem Zylinder und mindestens einem hydropneumatischen Feder­ speicher hin- und herströmt, zu Problemen, da einerseits aufgrund der teilweise sehr schnellen Hubbewegungen der Kol­ benzylindereinheit eine hohe Dämpfung (innere Reibung) in den Leitungsverbindungen und damit eine unzulässig hohe Erwärmung des Hydraulikmediums auftritt, und da andererseits der oder die Federspeicher sehr großvolumig und folglich aufwendig und teuer ausgebildet sein muß/müssen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die be­ schriebenen Probleme zu beseitigen und hierzu eine Kolben­ zylindereinheit zu schaffen, bei der trotz großen Gesamt­ durchmessers und großer Stabilität gegen Querkräfte bei den Hubbewegungen des Kolbens nur relativ geringe Volumina des Hydraulikmediums in Strömung versetzt werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Kolben­ stange hohl mit einer zylindrischen Innenkammer ausgebildet ist, daß innerhalb der Innenkammer der Kolbenstange ein Tauchkolben geführt und gegen die Kolbenstangen-Innenwandung abgedichtet ist, und daß der Tauchkolben über ein sich axial durch eine Kolbenöffnung und den Zylinderraum erstreckendes Verbindungselement starr mit dem der Kolbenstange abgekehr­ ten, geschlossenen Zylinderende verbunden ist.

Aufgrund des starr, d. h. in axialer Richtung unbeweglich, mit dem Zylinder verbundenen Tauchkolbens wird erfindungsge­ mäß bei den Hubbewegungen des Kolbens nur noch ein Volumen in Strömung versetzt, welches sich aus dem Produkt aus dem Kolbenhub und der Differenz Querschnittsfläche A_K des Kolbens abzüglich Querschnittsfläche A_T des Tauchkolbens ergibt, d. h. es gilt die Gleichung ΔV = Δs·(A_K-A_T).

Es kann somit durch bestimmte Auslegung (Querschnitt des Tauchkolbens und der Innenkammer relativ zu dem Gesamtquer­ schnitt des Zylinders und des Kolbens) eine wesentliche Reduzierung des jeweils in Strömung versetzten Volumens ΔV erreicht werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfin­ dung weist das Verbindungselement einen Außenquerschnitt auf, der geringer als der Innenquerschnitt der Innenkammer der Kolbenstange ist, so daß ein Teil der Innenkammer eine das Verbindungselement umschließende, über die bzw. minde­ stens eine axiale Kolbenöffnung mit dem Zylinderraum in Verbindung stehende Hydraulikkammer bildet. Vorzugsweise besitzt hierbei der Kolben eine einzige, zentrische Kolbenöffnung mit einem den Innenquerschnitt der Innenkammer ent­ sprechenden Querschnitt. Hierbei ist zwar in dem Zylinder ein relativ großes Gesamtvolumen des Hydraulikmediums ent­ halten, dennoch wird vorteilhafterweise jeweils nur das geringe Volumen ΔV = Δs·(A_K-A_T) in Strömung versetzt; das übrige Volumen verbleibt stets im Zylinder, es wird beim Einfedern von der sich hierbei vergrößernden Innenkammer aufgenommen. Das große Gesamtvolumen kann vorteilhaft sein, und zwar zur Kühlung bzw. zur Vermeidung einer übermäßigen Erwärmung.

Alternativ zu dieser bevorzugten Ausführung wäre es aller­ dings ebenfalls möglich, den Tauchkolben und das Verbin­ dungselement einheitlich mit dem der Innenkammer im wesent­ lichen entsprechenden Querschnitt auszubilden. In diesem Fall ergäbe sich der Zylinderraum als Ringkammer mit einem dem Innendurchmesser des Zylinders entsprechenden Außen­ durchmesser und einem dem Innendurchmesser der Innenkammer bzw. dem Außendurchmesser des Verbindungselementes ent­ sprechenden Innendurchmesser.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung enthalten.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiels soll im folgenden die Erfindung näher erläutert werden.

Dabei zeigt die einzige Zeichnungsfigur einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Kolbenzylindereinheit mit zu­ sätzlicher Darstellung von externen Federspeichern (eben­ falls im Axialschnitt) sowie einer Einrichtung zur Nivel­ lierung.

Eine erfindungsgemäße Kolbenzylindereinheit 1 besteht aus einem Zylinder 2 mit einem geschlossenen Zylinderende 2a und einem offenen Zylinderende 2b sowie aus einem in dem Zylin­ der 2 beweglich geführten Kolben 4. Der Kolben 4 ist mit einer Kolbenstange 6 verbunden, die abgedichtet aus dem offenen Ende 2b des Zylinders 2 nach außen geführt ist. Der Kolben 4 ist über eine Umfangsdichtung 8 gegen die Innen­ wandung des Zylinders 2 abgedichtet, so daß auf der der Kolbenstange 6 abgekehrten Seite des Kolbens 4 ein bei den Hubbewegungen des Kolbens 4 volumenveränderlicher Zylinder­ raum 10 gebildet ist.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die Kolbenstan­ ge 6 einen geringeren Durchmesser als der Kolben 4, so daß auf der dem Zylinderraum 10 abgekehrten Seite des Kolbens 4 ein über den Kolben 4 bzw. die Umfangsdichtung 8 von dem Zylinderraum 10 getrennter Ringraum 12 gebildet ist.

Der Zylinder 2 besitzt einen insbesondere im Bereich des geschlossenen Zylinderendes 2a angeordneten, in den Zylin­ derraum 10 mündenden Anschluß 14, an den über eine Leitungs­ verbindung 15 insbesondere ein hydropneumatischer Federspei­ cher 16 anschließbar ist. In der Zeichnung ist zudem bei­ spielhaft dargestellt, daß an dem Anschluß 14 auch eine hydraulische Nivellierventilanordnung 18 angeschlossen werden kann, über die der Zylinderraum 10 wahlweise mit einer hydraulischen Druckleitung P oder einer Tankleitung T eines Hydrauliksystems verbindbar ist. Über die Nivellier­ ventilanordnung 18 kann das Niveau der Kolbenzylindereinheit 1 im statischen Zustand eingestellt werden. In der Leitungs­ verbindung 15 zwischen dem Zylinder 2 bzw. dem Anschluß 14 und dem Federspeicher 16 kann ein Dämpfungsventil 20 und/ oder ein Absperrventil (Blockierventil) 22 angeordnet sein.

Zweckmäßigerweise besitzt auch der Ringraum 12 einen An­ schluß 24, der im Bereich des offenen Zylinderendes 2b ange­ ordnet ist. Es gibt dabei mehrere Möglichkeiten zur Nutzung des Ringraums 12. Erstens kann der Ringraum 12 ebenfalls mit Hydraulikmedium gefüllt sein. Dabei kann an dem Anschluß 24 unabhängig von dem erstgenannten Federspeicher 16 ein sepa­ rater Federspeicher 26 angeschlossen sein, oder der Anschluß 24 ist über die gestrichelt eingezeichnete Leitungsverbin­ dung 28 ebenfalls mit dem erstgenannten Federspeicher 16 verbunden. Zweitens könnte der Ringraum 12 aber auch "unge­ nutzt" lediglich mit Luft gefüllt und dabei über eine Lüf­ tungsöffnung, z. B. den Anschluß 24, mit der Außenatmosphäre verbunden sein.

Das offene Zylinderende 2b ist von einem radial nach innen weisenden Ringkragen gebildet, der in einer Innenringnut eine Umfangsdichtung 30 zur dichtenden Anlage an der Kolben­ stange 6 besitzt.

Erfindungsgemäß ist nun die Kolbenstange 6 hohl mit einer zylindrischen Innenkammer 32 ausgebildet, in der ein Tauch­ kolben 34 geführt und gegen die Kolbenstangen-Innenwandung über eine Umfangsdichtung 36 abgedichtet ist. Dieser Tauch­ kolben 34 ist des weiteren erfindungsgemäß über ein sich axial durch eine Kolbenöffnung 38 sowie durch den Zylinder­ raum 10 erstreckendes Verbindungselement 40 starr, d. h. in axialer Richtung relativ zum Zylinder ortsfest, mit dem der Kolbenstange 6 abgekehrten, geschlossenen Zylinderende 2a verbunden. Das Verbindungselement 40 besitzt vorzugsweise einen Außendurchmesser, der geringer als der Innendurch­ messer der Innenkammer 32 der Kolbenstange 6 ist, so daß ein Teil der Innenkammer 32 eine das Verbindungselement 40 um­ schließende, über die Kolbenöffnung 38 mit dem Zylinderraum 10 in Verbindung stehende Hydraulikkammer 42 bildet. Wie dargestellt, ist es dabei vorteilhaft, wenn die Kolbenöff­ nung 38 den gleichen Innendurchmesser besitzt wie die Innen­ kammer 32 bzw. die Hydraulikkammer 42.

Der Tauchkolben 34 teilt des weiteren innerhalb der Innen­ kammer 32 auf der dem Verbindungselement 40 abgekehrten, d. h. dem freien Ende der Kolbenstange 6 zugekehrten Seite eine Teilkammer 44 ab, d. h. der Tauchkolben 34 trennt über die Umfangsdichtung 36 die Hydraulikkammer 42 von der Teil­ kammer 44. Die sich bei den Hubbewegungen ebenfalls im Volumen verändernde Teilkammer 44 ist vorzugsweise mit einem Schutzgas gefüllt. Hierzu eignet sich insbesondere ein Edel­ gas, welches dann vorzugsweise unter einem Vorspanndruck von etwa 5 bis 10 bar steht. Alternativ hierzu ist es allerdings ebenfalls möglich, die Teilkammer 44 lediglich über eine nicht dargestellte Lüftungsöffnung mit der Außenatmosphäre zu verbinden. Vor allem für den erstgenannten Fall, in dem die Teilkammer 44 ein unter Druck stehendes Gas enthält, ist es zweckmäßig, wenn die erfindungsgemäße Kolbenzylinderein­ heit 1 einen in die Teilkammer 44 mündenden Füllanschluß 46 aufweist, der dann vorzugsweise im Bereich des geschlossenen Zylinderendes 2a angeordnet ist und über mindestens einen durch das Verbindungselement 40 sowie den Tauchkolben 34 verlaufenden Kanal 48 in die Teilkammer 44 mündet. Das Ver­ bindungselement 40 ist in diesem Fall zweckmäßigerweise als Rohrstück ausgebildet, welches im dargestellten Ausführungs­ beispiel sowohl mit dem geschlossenen Zylinderende 2a als auch mit dem Tauchkolben 34 verschweißt ist. Es liegen je­ doch auch andere Verbindungsarten im Bereich der Erfindung.

Der Tauchkolben 34 ist in axialer Richtung gesehen etwa im Bereich des offenen Zylinderendes 2b angeordnet, wodurch der gesamte Hub des Kolbens 4 innerhalb des Zylinders 2 möglich ist. Das Verbindungselement 40 besitzt hierzu natürlich eine entsprechende, axiale Länge. Ferner weist der Tauch­ kolben 34 auf seiner dem Verbindungselement 40 abgekehrten, der Teilkammer 44 zugekehrten Seite eine axiale Vertiefung 50 auf, die erfindungsgemäß auch im Endanschlag ein Mindest- Restvolumen für das in der Teilkammer 44 enthaltene Medium gewährleistet, so daß eine unzulässig hohe Druckzunahme in der Teilkammer 44 vermieden wird.

Die erfindungsgemäße Kolbenzylindereinheit 1 kann aufgrund ihrer vorteilhaften Ausgestaltung bei geringem Strömungsvo­ lumen ΔV mit sehr großem Gesamtdurchmesser ausgebildet wer­ den, so daß sie in der Lage ist, außerordentlich hohe Quer­ kräfte aufzunehmen. Hierzu ist es zudem vorteilhaft, wenn der Kolben 4, der Tauchkolben 34 und das die Kolbenstange 6 umschließende Zylinderende 2b außer den Umfangsdichtungen 8, 36, 30 jeweils mindestens einen Führungsring 52 aufweisen, wobei diese Führungsringe zur Aufnahme von radialen Kräften bzw. Querkräften dienen. Dabei sind die Führungsringe 52 jeweils auf der dem Hydraulikmedium zugekehrten Seite der jeweiligen Umfangsdichtung 8, 30, 36 angeordnet, wodurch sie von dem Hydraulikmedium geschmiert werden.

Die erfindungsgemäße Kolbenzylindereinheit 1 eignet sich insbesondere als Federbein zur Einzelradaufhängung in Kraft­ fahrzeugen. Hierzu wird der Zylinder 2 über geeignete Ver­ bindungsmittel starr mit einem Fahrzeugrahmen verbunden, während die Kolbenstange 6 mit einem Fahrzeugrad verbunden wird.

Der Vollständigkeit halber sollen im folgenden einige wich­ tige Maße einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Kolbenzylindereinheit 1 angegeben werden. Der Zylin­ der 2 besitzt einen Außendurchmesser von 180 bis 260 mm und dabei eine Wandstärke von 5 bis 20 mm. Die Kolbenstange 6 besitzt einen Außendurchmesser von 160 bis 200 mm sowie eine Wandstärke von 5 bis 10 mm. Der Ringraum 12 besitzt einen Radius von 5 bis 10 mm.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebe­ ne Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen.

Claims (12)

1. Kolbenzylindereinheit, insbesondere zur Verwendung als Federbein in hydropneumatischen Fahrzeug-Federungs­ systemen, mit einem in einem Zylinder beweglich geführ­ ten und mit einer aus dem Zylinder nach außen führenden Kolbenstange verbundenen Kolben, der innerhalb des Zy­ linders auf der der Kolbenstange abgekehrten Seite einen volumenveränderlichen, mit Hydraulikmedium ge­ füllten Zylinderraum abteilt, wobei der Zylinder einen in den Zylinderraum mündenden Anschluß insbesondere für einen hydropneumatischen Federspeicher aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (6) hohl mit einer zylindrischen Innen­ kammer (32) ausgebildet ist, daß innerhalb der Innen­ kammer (32) der Kolbenstange (6) ein Tauchkolben (34) geführt und gegen die Kolbenstangen-Innenwandung abge­ dichtet ist, und daß der Tauchkolben (34) über ein sich axial durch eine Kolbenöffnung (38) und den Zylinder­ raum (10) erstreckendes Verbindungselement (40) starr mit dem der Kolbenstange (6) abgekehrten, geschlosse­ nen Zylinderende (2a) verbunden ist.

2. Kolbenzylindereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (40) einen Außenquerschnitt auf­ weist, der geringer als der Innenquerschnitt der Innen­ kammer (32) der Kolbenstange (6) ist, so daß ein Teil der Innenkammer (32) eine das Verbindungselement (40) umschließende, über die bzw. mindestens eine axiale Kolbenöffnung (38) mit dem Zylinderraum (10) in Ver­ bindung stehende Hydraulikkammer (42) bildet.

3. Kolbenzylindereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkolben (34) innerhalb der Innenkammer (32) auf der dem Verbindungselement (40) abgekehrten und dem freien Ende der Kolbenstange (6) zugekehrten Seite eine Teil­ kammer (44) abteilt, die vorzugsweise mit einem Schutz­ gas gefüllt oder über eine Lüftungsöffnung mit der Atmosphäre verbunden ist.

4. Kolbenzylindereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Teilkammer (44) enthaltene Schutzgas ein vor­ zugsweise unter einem Druck von etwa 5 bis 10 bar stehendes Edelgas ist.

5. Kolbenzylindereinheit nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen in die Teilkammer (44) mündenden Füllanschluß (46), der vor­ zugsweise im Bereich des geschlossenen Zylinderendes (2a) angeordnet ist und über mindestens einen durch das Verbindungselement (40) und den Tauchkolben (34) ver­ laufenden Kanal (48) in die Teilkammer (44) mündet.

6. Kolbenzylindereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkolben (34) in axialer Richtung gesehen etwa im Bereich des dem geschlossenen Zylinderende (2a) gegen­ überliegenden, die Kolbenstange (6) umschließenden Zylinderendes (2b) angeordnet ist.

7. Kolbenzylindereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkolben (34) auf seiner dem Verbindungselement (40) abgekehrten Seite eine axiale Vertiefung (50) aufweist.

8. Kolbenzylindereinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (4) innerhalb des Zylinders (2) den Zylinderraum (10) von einem die Kolbenstange (6) umschließenden Ringraum (12) trennt.

9. Kolbenzylindereinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (12) mit Hydraulikmedium gefüllt ist, wobei der Zylinder (23) vorzugsweise einen in den Ringraum (12) mündenden Anschluß (24) für den/einen insbesondere hydropneumatischen Federspeicher (16, 26) aufweist.

10. Kolbenzylindereinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (12) Luft enthält und über eine Lüftungsöff­ nung mit der Atmosphäre verbunden ist.

11. Kolbenzylindereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (4), der Tauchkolben (34) und/oder das die Kol­ benstange (6) umschließende Zylinderende (2b) jeweils außer einer Umfangsdichtung (8, 36, 30) mindestens einen Führungsring (52) zur Aufnahme von Querkräften aufweisen/aufweist.

12. Kolbenzylindereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (2) starr mit einem Fahrzeugrahmen und die Kolbenstange (6) mit einem Fahrzeugrad verbindbar sind.