DE4117455A1 - Hydropneumatisches federungssystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydropneumatisches Federungssystem insbesondere zur Radabstützung bei Kraft­ fahrzeugen, mit mindestens einem aus einem Zylinder und einem in diesem zum Ein- und Ausfedern beweglich geführten, von einem Hydraulikmedium, insbesondere einem Öl, beauf­ schlagten Kolben bestehenden Federbein, wobei das Hydraulik­ medium beim Ein- und Ausfedern über eine hydraulische Ver­ bindung zwischen dem Federbein und mindestens einem hydro­ pneumatischen, ein kompressibles Medium enthaltenden Feder­ speicher hin- und herströmt, wobei der Federspeicher durch Kompression des kompressiblen Mediums einen hydraulischen Druck erzeugt, der in dem Federbein durch die Beaufschlagung des Kolbens eine Federkraft bewirkt.

Bei derartigen Federungssystemen wird durch die Ein- und Ausfederungsbewegungen des Kolbens das in dem Federbein ent­ haltene Hydraulikmedium in Strömung versetzt. Beim Einfedern wird ein bestimmtes Volumen des Hydraulikmediums von dem Kolben aus dem Zylinder des Federbeins in mindestens einen Federspeicher verdrängt, wodurch sich das Volumen des in dem Federspeicher enhaltenen kompressiblen Mediums verringert.

Durch diese Komprimierung wird ein Druckanstieg und damit eine Federwirkung hervorgerufen, die bei einem nachfolgenden Ausfedern eine Rückströmung des Hydraulikmediums aus dem Federspeicher in das Federbein bewirkt.

Bei den bekannten, gattungsgemäßen Federungssystemen ist nun aber nachteilig, daß beim Einfedern die Federkraft überpro­ portional ansteigt, denn hierdurch wird das Federbein beim Ausfedern sehr stark beschleunigt. In Fahrzeugen führt die­ ses Verhalten insofern zu Problemen, als beispielsweise in Fällen, in denen mit einem Rad eine Unebenheit, d. h. eine Erhebung, überfahren wird, das Rad nach der Erhebung sehr schnell nach unten bewegt wird, d. h. es schlägt auf die Fahrbahn zurück. Dies ist insbesondere bei schweren Last­ kraftwagen zu beobachten, die hierdurch auf den Fahrbahnen Schäden verursachen, indem durch das ständige Überfahren der Unebenheiten durch viele Fahrzeuge nacheinander regelrechte Schlagloch-Serien entstehen. Ferner ist das beschriebene Verhalten insbesondere auch bei Kurvenfahrten nachteilig, da hierbei jeweils die auf der Kurvenaußenseite angeordneten Federbeine - bedingt durch die auftretende Fliehkraft - ein­ federn und auf der Kurveninnenseite ausfedern, wobei die ausfedernden Federbeine aufgrund der pneumatisch erzeugten Federkraft das Fahrzeug noch weiter zur Außenseite hinüber­ drücken und so nachteiligerweise das Fahrzeug noch weiter neigen, als es allein durch die Fliehkraft erfolgen würde.

Nun ist es zwar ebenfalls bekannt, die beim Ausfedern auf­ tretende Hydraulikströmung mittels geeigneter Dämpfungsven­ tile zu drosseln. Allerdings bringt dies noch keine zufrie­ denstellende Lösung der angesprochenen Probleme.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein hydropneumatisches Federungssystem der gattungsgemäßen Art so zu verbessern, daß die beschriebenen Probleme auf besonders einfache und wirkungsvolle Weise vermieden werden können.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß beim Aus­ federn des Federbeins die Verbindung zu dem Federspeicher alternierend gesperrt und geöffnet wird. Dies bedeutet, daß bei Auftreten einer Ausfederungsbewegung des Federbeins der Federspeicher zunächst einmal von dem Federbein "abgekop­ pelt" wird, so daß kein Hydraulikmedium mehr aus dem Feder­ speicher in das Federbein nachströmen kann. In dem Feder­ bein ist dann ein bestimmtes Volumen des Hydraulikmediums eingeschlossen (gekammert), in welchem im ersten Moment noch der gleiche Druck wie im Federspeicher herrscht, wobei die­ ser Druck durch Beaufschlagung des Kolbens eine bestimmte Federkraft bzw. Tragkraft erzeugt. Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß aufgrund einer geringfügigen Kom­ pressibilität des Hydraulikmediums trotz dessen Kammerung in dem Federbein eine geringfügige weitergehende Ausfederungs­ bewegung des Federbeins möglich ist, und daß hierdurch eine "Entspannung" des gekammerten Hydraulikmediums, d. h. ein rapider Druckabfall, auftritt, wodurch auch die Federkraft ebenso rapide abfällt. Das für die meisten Anwendungsfälle schädliche schnelle Nachschieben des Federbeins in Ausfede­ rungsrichtung wird so wirksam verhindert. Es erfolgt nun erfindungsgemäß im weiteren Verlauf des Ausfederns ein ge­ steuertes, dosiertes, sukzessives "Nachlassen" von Hydrau­ likmedium aus dem Federspeicher in das Federbein hinein, in­ dem die Verbindung zum Federspeicher ständig alternierend wieder hergestellt und wieder abgesperrt wird, bis die Aus­ federungsbewegung ganz beendet ist. Hierdurch wird eine sehr schonende Ausfederung erreicht, während der erfindungs­ gemäß die als Kennlinie dargestellte Federkraft einen "zackenartigen", aus abfallenden und ansteigenden Flanken bestehenden Verlauf besitzt und dabei vorteilhafterweise mit ihrem Wert stets "unterhalb" einer "normalen" Federkennlinie eines nicht-erfindungsgemäßen Systems liegt.

Durch die Erfindung tritt somit bei abgesperrter, unterbro­ chener Verbindung zwischen dem Federbein und dem Federspei­ cher ein Zustand auf, in dem der innerhalb des Federbeins herrschende hydraulische Druck abfällt und daher kleiner wird als der zur gleichen Zeit in dem Federspeicher herr­ schende hydraulische Druck, da letzterer nämlich durch die Vorspannung bzw. Komprimierung des kompressiblen Mediums auf dem jeweiligen Wert aufrechterhalten wird. Es tritt folglich eine Druckdifferenz zwischen den Drücken des Federbeins und des Federspeichers auf.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfin­ dung wird nun diese Druckdifferenz dazu verwendet, um hier­ mit praktisch selbsttätig das alternierende Sperren und Öff­ nen der Verbindung zwischen Federbein und zugehörigem Feder­ speicher zu steuern. Hierzu ist erfindungsgemäß in der Ver­ bindung ein Ausfederungsventil angeordnet, welches derart ausgebildet ist, daß es selbsttätig bei Druckgleichgewicht bzw. schon bei einer nur noch geringen Druckdifferenz schließt (sperrt) und bei zunehmender Druckdifferenz bei Erreichen eines insbesondere voreinstellbaren Differenzbe­ trages öffnet. Erfindungsgemäß wird hierdurch praktisch eine "Selbstunterbrechung" geschaffen, wobei im geschlossenen Zu­ stand des Ausfederungsventils jeweils der hydraulische Druck des Federbeins aufgrund der Kompressibilität des Hydraulik­ mediums abfällt, bis die vorbestimmte Druckdifferenz er­ reicht ist. Dann öffnet das Ventil, so daß ein Druckaus­ gleich über das geöffnete Ventil erfolgen kann, bis nur noch eine geringe, vorbestimmte Druckdifferenz oder sogar ein Druckgleichgewicht vorhanden ist und das Ventil hierdurch wieder schließt. In diesem Zustand sinkt der hydraulische Druck innerhalb des Federbeins wieder ab, und der beschrie­ bene Vorgang wiederholt sich solange, bis die Ausfederungs­ bewegung beendet ist.

Erfindungsgemäß besitzt das Ausfederungsventil ein Ventil­ element,welches in seiner Schließrichtung mit einer Schließ­ kraft und in seiner Öffnungsrichtung mit einer Öffnungskraft beaufschlagt ist. Die Öffnungskraft wird durch Beaufschla­ gung einer ersten Druckfläche des Ventilelementes mit dem hydraulischen Druck des Federspeichers erzeugt, und die Schließkraft ergibt sich zumindest durch Beaufschlagung einer zweiten Druckfläche des Ventilelementes mit dem hy­ draulischen Druck des Federbeins. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn sich die Schließkraft aus einer durch den hydraulischen Druck des Federbeins erzeugten Kraftkomponente sowie einer mittels einer Vorspanneinrichtung erzeugten, federelastischen Vorspannkraft zusammensetzt. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, die Höhe der Vorspannkraft mit­ tels einer hydraulischen Verstelleinrichtung zu variieren, wozu die Verstelleinrichtung einen derart mit einem Steuer­ druck beaufschlagbaren Stößel aufweist, daß eine Erhöhung des Steuerdruckes eine Erhöhung der Vorspannkraft bewirkt. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für die bevorzugte Ver­ wendung des Federungssystems für Kraftfahrzeuge von Vorteil, wenn nämlich als Steuerdruck der hydraulische Druck eines in einem Fahrzeug insbesondere auf der dem Federbein gegen­ überliegenden Fahrzeugseite angeordneten, weiteren Feder­ beins verwendet wird. Hierbei tritt nämlich der vorteilhaf­ te Effekt auf, daß eine automatische Stabilisierung des Fahrzeugs gegen Wankbewegungen (Neigen um die Fahrzeuglängs­ achse) erreicht wird. Fährt beispielsweise das Fahrzeug durch eine Linkskurve, so federn - fliehkraftbedingt - die auf der Kurvenaußenseite liegenden, also in diesem Fall die rechten, Federbeine ein, und die auf der Kurveninnenseite liegenden, linken Federbeine federn aus. Das Einfedern der rechten Federbeine verursacht einen Anstieg ihres hydrauli­ schen Druckes und damit auch des die Ausfederungsventile der linken Federbeine beaufschlagenden Steuerdruckes. Die Aus­ federungsventile öffnen hierdurch - bedingt durch die eben­ falls ansteigende Vorspannkraft der Ventilelemente - erst bei einer größeren Druckdifferenz, d. h. es wird auf der Kurveninnenseite ein noch stärkerer Abfall der Federkraft bzw. der Abstützkraft verursacht. Beim Wanken eines Fahr­ zeugs fällt folglich die Federkraft jedes ausfedernden Federbeins wesentlich steiler ab als bei "normalen" Fede­ rungsbewegungen. Durch diesen sehr starken Abfall der Feder- bzw. Abstützkraft der ausfedernden Federbeine wird vorteil­ hafterweise einer Neigung des Fahrzeugs in Fliehkraftrich­ tung entgegengewirkt.

Das erfindungsgemäße Federungssystem zeichnet sich somit durch eine insbesondere druckdifferenzgesteuerte, nur in Ausfederungsrichtung wirkende "Dämpfung" aus, wobei sich diese "Dämpfung" in der bevorzugten Ausführungsform der Höhe der jeweils beim Einfedern in das Federbein eingeleiteten Energie selbsttätig anpaßt, und wobei die gespeicherte Ener­ gie während des Ausfederns erfindungsgemäß wieder derart dosiert abgebaut wird, daß das Federbein zwar zügig wieder ausfedert, jedoch ein "Rückschlageffekt" vermieden wird. Dabei hat vorteilhafterweise die erfindungsgemäße Stabili­ sierung keinerlei negativen Einfluß auf die Federungscharak­ teristik, so daß sogar geländegängige Fahrzeuge mit dem erfindungsgemäßen System ausgerüstet werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie in der folgenden Beschrei­ bung enthalten.

Anhand der Zeichnung soll im folgenden die Erfindung bei­ spielhaft näher erläutert werden. Dabei zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Federungssystems mit zwei auf gegenüberliegenden Seiten einer Fahrzeugachse zugeordneten Feder­ beinen sowie mit zugehörigen Federspeichern und Dämpfungsventilen, wobei die Einzelkomponenten jeweils in prinzipiellen, stark vereinfachten Längsschnitten dargestellt sind,

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 vergrößerte Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines im Zu­ sammenhang mit dem erfindungsgemäßen Federungs­ systems verwendeten Dämpfungsventils,

Fig. 3 ein Kennlinien-Diagramm für eine Einzelradfede­ rung, wobei das Federbein - ausgehend von einer statischen Lage - zunächst einfedert und dann wieder ausfedert,

Fig. 4 ein Kennliniendiagramm ebenfalls für eine Einzel­ radfederung, wobei das Federbein - ausgehend von der statischen Lage - zuerst ausfedert und dann wieder einfedert,

Fig. 5 ein Diagramm analog zu Fig. 3, jedoch für eine Parallelfederung, wobei zwei hinsichtlich der Dämpfungssteuerung zusammenwirkende Federbeine gemeinsam (parallel) federn, und

Fig. 6 ein Diagramm analog zu Fig. 4, jedoch für eine Parallelfederung wie in Fig. 5.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Federungssystems ist jedem Rad einer Fahr­ zeugachse ein hydraulisches Federbein 2, 4 zugeordnet. Jedes Federbein 2, 4 besteht aus einem Zylinder 6 und einem in diesem zum Einfedern und Ausfedern beweglich geführten Kol­ ben 8, der mit einer abgedichtet aus dem Zylinder 6 nach außen führenden Kolbenstange 10 verbunden ist. Die Feder­ beine 2, 4 werden in bekannter Weise mit dem Zylinder 6 einerseits und der Kolbenstange 10 andererseits zwischen einer ungefederten Masse (Fahrzeugrad/-achse) und einer gefederten Masse (Fahrzeugrahmen/-aufbau) angeordnet. Vor­ zugsweise teilt der Kolben 8 jeweils innerhalb des Zylinders 6 einen "lastaufnehmenden" Zylinderraum 12 von einem die Kolbenstange 10 umschließenden Ringraum 14 ab. Jeder Zylin­ derraum 12 enthält ein Hydraulikmedium und ist über eine hydraulische Verbindung 16 bzw. 18 mit einem hydropneumati­ schen Federspeicher 20 bzw. 22 verbunden. In der darge­ stellten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist auch jeweils der Ringraum 14 jedes Federbeins 2, 4 mit Hydraulik­ medium gefüllt und unabhängig von dem Zylinderraum 12 hy­ draulisch mit einem separaten Federspeicher 24 bzw. 26 ver­ bunden.

Erfindungsgemäß wird nun während des Ausfederns jedes Feder­ beins 2, 4 die Verbindung 16 bzw. 18 zwischen dem Zylinder­ raum 12 und dem zugehörigen Federspeicher 20 bzw. 22 alter­ nierend gesperrt und geöffnet. Dabei ist es besonders vor­ teilhaft, das Sperren und Öffnen der Verbindung 16/18 selbsttätig einerseits durch den jeweils in dem Zylinder­ raum 12 des Federbeins 2/4 herrschenden hydraulischen Druck p₁ sowie andererseits durch den jeweils in dem Federspeicher 20/22 herrschenden hydraulischen Druck p₂ bzw. durch eine zwischen diesen Drücken auftretende Druckdifferenz zu steuern.

Hierzu ist jeweils in der Verbindung 16 bzw. 18 zwischen dem Zylinderraum 12 des Federbeins 2 bzw. 4 und dem zugehörigen Federspeicher 20 bzw. 22 ein spezielles Dämpfungsventil 30 bzw. 32 angeordnet.

Anhand der Fig. 2 soll nun zunächst der Aufbau einer bevor­ zugten Ausführungsform dieses Dämpfungsventils 30/32 näher erläutert werden. Das Dämpfungsventil 30/32 besitzt ein Ventilgehäuse 34 mit einer ersten Druckkammer 36 und einer zweiten Druckkammer 38. In die erste Druckkammer 36 mündet ein Federbein-Anschluß 40 und in die zweite Druckkammer 38 ein Federspeicher-Anschluß 42. Wie sich auch aus Fig. 1 er­ gibt, sind an den Anschlüssen 40, 42 die Verbindungen 16/18 angeschlossen. In die erste Druckkammer 36 kann des weiteren ein Füll- und Entlüftungsanschluß 44 münden, der aber im Betriebszustand z. B. durch eine Verschlußschraube 46 (Fig. 1) verschlossen ist.

Zwischen der mit dem jeweiligen Federbein 2/4 verbundenen, ersten Druckkammer 36 und der mit dem zugehörigen Federspei­ cher 20/22 verbundenen, zweiten Druckkammer 38 sind nun einerseits ein Ausfederungsventil 50 und andererseits ein schaltungstechnisch zu diesem parallel geschaltetes Einfede­ rungsventil 52 angeordnet. Wie im folgenden noch genauer erläutert werden wird, öffnet das Ausfederungsventil 50 unter bestimmten Voraussetzungen bei einer beim Ausfedern auftretenden Strömung des Hydraulikmediums (Strömung aus dem Federspeicher in Richtung des Federbeins) und schließt bei einer umgekehrten, beim Einfedern auftretenden Strömung. Das Einfederungsventil 52 ist als Platten-Rückschlagventil der­ art ausgebildet, daß es eine beim Einfedern des Federbeins 2/4 auftretende Strömung des Hydraulikmediums, d. h. eine Strömung aus dem Federbein 2/4 in den zugehörigen Federspei­ cher 20/22, im wesentlichen ungedrosselt durchläßt und bei einer umgekehrten Strömungsrichtung druckdicht schließt. Hierzu weist das Einfederungsventil 52 ein plattenförmiges, mit einer relativ geringen, federelastischen Vorspannkraft in Schließrichtung beaufschlagtes Ventilelement 54 auf, welches mindestens eine die erste Druckkammer 36 mit der zweiten Druckkammer 38 verbindende Öffnung 56 abdeckt.

Das Ausfederungsventil 50 besitzt ebenfalls ein plattenarti­ ges Ventilelement 58, welches mit einem äußeren Randbereich einer seiner beiden Oberflächen dichtend mit einer Ventil­ sitzfläche 60 des Ventilgehäuses 34 zusammenwirkt, so daß es in seiner Schließlage eine Strömungspassage zwischen der ersten Druckkammer 36 und der zweiten Druckkammer 38 ver­ schließt, wobei das Ventilelement 58 von der Seite der er­ sten Druckkammer 36 her an der Ventilsitzfläche 60 anliegt. Erfindungsgemäß ist das Ventilelement 58 des Ausfederungs­ ventils 50 in Schließrichtung, d. h. von der Seite der ersten Druckkammer 36 her, mit einer Schließkraft beaufschlagt und in der entgegengesetzten Öffnungsrichtung mit einer Öff­ nungskraft, wobei die Öffnungskraft durch Beaufschlagung einer ersten, der zweiten Druckkammer 38 zugekehrten Druck­ fläche 62 des Ventilelementes 58 mit dem hydraulischen Druck p₂ des Federspeichers 20/22 erzeugt wird, und wobei die Schließkraft zumindest teilweise durch Beaufschlagung einer zweiten, der ersten Druckkammer 36 zugekehrten Druckfläche 64 des Ventilelementes 58 mit dem hydraulischen Druck p₁ des Federbein 2/4 erzeugt wird. Da in der in Fig. 2 dargestell­ ten Schließlage das Ventilelement 58 mit einem äußeren Flächenbereich seiner der zweiten Druckkammer 38 zugekehrten Fläche dichtend auf der Ventilsitzfläche 62 aufliegt, ist erfindungsgemäß die erste Druckfläche 62 des Ventilelementes 58 kleiner als die gegenüberliegende, zweite Druckfläche 64. Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die Schließ­ kraft zusätzlich zu der durch den hydraulischen Druck p₁ des Federbeins 2/4 erzeugten Kraftkomponente noch durch eine federelastische Vorspannkraft vergrößert ist, wobei diese Vorspannkraft zweckmäßigerweise mittels einer in dem Ventil­ gehäuse 34 integriert angeordneten Vorspanneinrichtung 66 insbesondere mit variabler Höhe erzeugt wird.

Die Vorspanneinrichtung 66 besitzt einen beweglich geführten Stößel 68, der über ein Druckstück 70 eine vorzugsweise als Tellerfeder bzw. Tellerfeder-Paket ausgebildete Druckfeder 72 beaufschlagt, die ihrerseits das Ventilelement 58 beauf­ schlagt. Hierzu besitzt das Ventilelement 58 einen umfäng­ lichen, sich in Richtung der ersten Druckkammer 36 erstrec­ kenden Ringsteg 74, auf dem sich die Druckfeder 72 mit ihrem äußeren Flächenbereich elastisch abstützt. Der Stößel 68 ist nun einerseits mechanisch von einer Einstellschraube 76 beaufschlagt, mittels der vorteilhafterweise ein konstanter Minimalwert für die Vorspannkraft eingestellt werden kann. Zweckmäßigerweise besitzt die Einstellschraube 76 zur Siche­ rung gegen ungewolltes Verstellen eine Klemmschraube 78. Vorzugsweise ist der Stößel 68 nun andererseits auch mit einem hydraulischen Steuerdruck p_St beaufschlagbar, über den die Höhe der Vorspannkraft und damit auch die Höhe der Schließkraft insgesamt vorteilhafterweise variabel ist. Der Stößel 68 besitzt hierzu einen Druckkolbenabschnitt 80, der in einer Steuerdruckkammer 82 des Ventilgehäuses 34 geführt ist. In diese Steuerdruckkammer 82 mündet ein Steuerdruck- Anschluß 84. Erfindungsgemäß ist somit eine hydraulische Verstelleinrichtung 86 gebildet, wobei der Stößel 68 bzw. dessen Druckkolbenabschnitt 80 auf der dem Ventilelement 58 und der Druckfeder 72 abgekehrten Seite von dem Steuerdruck p_St beaufschlagt ist, so daß erfindungsgemäß eine Erhöhung des Steuerdruckes p_St auch eine Erhöhung der Vorspannkraft bewirkt. Dabei wird vorzugsweise - wie aus Fig. 1 ersicht­ lich ist - als Steuerdruck p_St der hydraulische Druck p₁ ver­ wendet, der jeweils in dem in einem Fahrzeug auf der gegen­ überliegenden Seite angeordneten Federbein herrscht. Im Falle der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird folg­ lich das Dämpfungsventil 30 des Federbeins 2 über eine ge­ strichelt eingezeichnete Steuerleitung 88 von dem als Steu­ erdruck verwendeten Druck p₁ des gegenüberliegenden Feder­ beins 4 angesteuert, und das Dämpfungsventil 32 des Feder­ beins 4 wird über eine Steuerleitung 90 mit dem Druck p₁ des gegenüberliegenden Federbeins 2 angesteuert. Der Zweck und die Wirkungsweise dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden im folgenden noch erläutert werden.

In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform des Dämp­ fungsventils 30/32 ist das Einfederungsventil 52 im Bereich des Ventilelementes 58 des Ausfederungsventils 50 angeord­ net, wozu die von dem Ventilelement 54 abgedeckte(n) Öff­ nung(en) 56 in dem Ventilelement 58 gebildet sind und dem­ zufolge das Ventilelement 54 parallel zu dem Ventilelement 58 liegt. Dabei besitzt der Ringsteg 74 des Ventilelementes 58 mindestens eine, vorzugsweise mehrere radiale Öffnungen 92, durch die gewährleistet ist, daß das Hydraulikmedium beim Einfedern aus der ersten Druckkammer 36 über das Einfe­ derungsventil 50 in die zweite Druckkammer 38 gelangen kann.

Wie nun weiterhin in Fig. 1 zu erkennen ist, weist jedes Federbein 2, 4 vorteilhafterweise eine beim Einfedern wirk­ same, hydraulische Endlagendämpfung 94 auf. Hierzu mündet ein im nach außen geführten Endbereich der Kolbenstange 10 angeordneter Anschluß für die Verbindung 16/18 über einen axial durch die Kolbenstange 10 und den Kolben 8 verlaufen­ den Kanal in den Zylinderraum 12. Am gegenüberliegenden, geschlossenen Zylinderende ist ein in axialer Richtung in den Zylinderraum 12 ragender Steuerstift angeordnet, der einen in Richtung seines freien Endes abnehmenden Quer­ schnitt besitzt. Dieser Steuerstift taucht beim Einfedern in den Kanal des Kolbens und der Kolbenstange ein, wodurch sich ein wegabhängig verändernder Strömungsquerschnitt er­ gibt, der in Richtung der Einfederungsendlage bis auf einen Minimalwert abnimmt. Hierdurch wird die Einfederungsbewe­ gung durch hydraulische Dämpfung langsam und schonend "ab­ gebremst".

Vorzugsweise ist jeder Federspeicher 20, 22; 24, 26 als Kolben-Druckwandler mit einem schwimmend geführten, zwei unterschiedlich große Druckflächen aufweisenden Trennkolben 96 ausgebildet. Der Trennkolben 96 trennt jeweils einen mit dem Federbein 2/4 hydraulisch verbundenen Speicherraum 98 von einer das kompressible Medium enthaltenden Federkammer 100. Um die unterschiedlich großen Druckflächen des Trenn­ kolbens 96 zu erreichen, ist dieser auf der Seite des Speicherraums 98 mit einer sich durch diesen hindurch und abgedichtet aus dem Federspeicher nach außen geführten Trennkolbenstange 102 verbunden. Durch diese Ausgestaltung als Druckwandler ist jeweils der pneumatische Vorspanndruck des kompressiblen Mediums geringer als der hydraulische Druck innerhalb des Speicherraums 98.

Im folgenden sollen nun anhand der Fig. 1 und der in den Fig. 3 bis 6 dargestellten Federkennlinien die Funktion und vorteilhafte Wirkungen der Erfindung, und zwar insbesondere der in Fig. 1 dargestellten, speziellen Ausführungsform, erläutert werden.

1. Einzelradfederung

Hierbei federt beispielsweise nur das in Fig. 1 links dar­ gestellte Federbein 2 zunächst ein und dann wieder aus, während das gegenüberliegende Federbein 4 in seiner stati­ schen Lage verbleibt. Beim Einfedern verdrängt der Kolben 8 aus dem Zylinderraum 12 ein bestimmtes Volumen des Hy­ draulikmediums über das Dämpfungsventil 30 in den Feder­ speicher 20. Hierzu öffnet das Einfederungsventil 52 prak­ tisch ohne Strömungswiderstand, so daß beim Einfedern eine praktisch ungedämpfte Strömung auftritt. Allerdings wird in der bevorzugten Ausführungsform, wobei der Ringraum 14 mit dem separaten Federspeicher 24 verbunden ist, der Kolben 8 langsam abgebremst, da beim Einfedern der Druck in dem Zylinderraum 12 ansteigt und in dem Ringraum 14 durch dessen Volumenvergrößerung abfällt, so daß sich insgesamt eine Zu­ nahme der in Abstützrichtung wirkenden Tragkraft des Feder­ beins 2 ergibt. Weiterhin wirkt beim Einfedern auch die oben beschriebene hydraulische Endlagendämpfung 94, so daß das Federbein 2 auch bei hoher Einfederungsgeschwindigkeit sanft in seine Endlage fährt.

Beim nachfolgenden Ausfedern hat nun erfindungsgemäß das Dämpfungsventil 30 bzw. das hierbei wirkende Ausfederungs­ ventil 50 eine wesentliche Bedeutung. Ist beispielsweise das Federbein 2 ganz eingefedert, während das gegenüberlie­ gende Federbein 4 in seiner statischen Lage steht, so ist die hydraulische Verstelleinrichtung 86 des Dämpfungsventils 30 mit dem der statischen Lage zugeordneten hydraulischen Druck p₁ beaufschlagt, der im Zylinderraum 12 des gegenüber­ liegenden Federbeins 4 herrscht. Über den Stößel 68 wird somit abhängig von diesem Steuerdruck eine in Schließrich­ tung wirkende Vorspannkraft auf das Ventilelement 58 ausge­ übt. Zusätzlich zu dieser Vorspannkraft wirkt auf das Ven­ tilelement 58 noch die Kraftkomponente, die durch den hy­ draulischen Druck p₁ des Zylinderraums 12 des Federbeins 2 hervorgerufen wird. Die Summe dieser Kraftkomponente und der Vorspannkraft ergibt die Schließkraft, mit der das Ventilelement 58 gegen die Ventilsitzfläche 60 gepreßt wird. Der Schließkraft wirkt die durch den Druck p₂ des Federspei­ chers 20 hervorgerufene Öffnungskraft entgegen. Es ist aber darauf hinzuweisen, daß auch ohne die beschriebene Vorspann­ kraft auch dann das Ventilelement 58 in seiner Schließlage gehalten wird, wenn die hydraulischen Drücke p₁ und p₂ gleich sind, und zwar aufgrund der oben beschriebenen Flächendiffe­ renz zwischen den beiden Druckflächen 62 und 64 des Ventil­ elementes 58. Da folglich das Ausfederungsventil 50 bei Beginn des Ausfederns jedenfalls geschlossen ist, kann kein Hydraulikmedium aus dem Federspeicher 20 in das Federbein 2 zurückfließen. Der innerhalb des Zylinderraums 12 des Feder­ beins 2 herrschende Druck p₁ versucht dennoch, das Federbein 2 auszufedern. Aufgrund einer geringen Kompressibilität des Hydraulikmediums ist ein geringfügiges Ausfedern auch tat­ sächlich möglich, wobei ein rapider Abfall des Druckes p₁ auftritt. Ist der Druck p₁ soweit abgefallen, daß hierdurch die resultierende Schließkraft kleiner als die entgegenge­ setzte Öffnungskraft wird, so wird das Ausfederungsventil 50 durch die Beaufschlagung des Ventilelementes 58 mit dem Druck p₂ geöffnet. Erst ab diesem Moment kann Hydraulik­ medium aus dem Federspeicher 20 über das Ausfederungsventil 50 in den Zylinderraum 12 des Federbeins 2 fließen. Hier­ durch fällt nun aber der Druck p₂ im Federspeicher 20 ab, und der Druck p₁ im Zylinderraum 12 des Federbeins 2 steigt wie­ der an. Dies hat dann zur Folge, daß die Schließkraft wieder größer als die Öffnungskraft wird und das Ausfederungsventil 50 somit wieder schließt. Dieser beschriebene Vorgang wie­ derholt sich alternierend solange, bis die Ausfederungsbewe­ gung beendet ist. Dieser bisher beschriebene Vorgang ist in Fig. 3 durch eine entsprechende Federkennlinie veranschau­ licht. In Fig. 4 ist eine Federkennlinie dargestellt für den Fall, daß aus der statischen Lage heraus das Federbein zunächst ausfedert und nachfolgend wieder einfedert. Auch hier ist erkennbar, daß die erfindungsgemäße "Selbstunter­ brechung" nur in Ausfederungsrichtung wirkt.

2. Parallelfederung

Bei einer Parallelfederung einer Achse, d. h. bei gleichzei­ tiger und gleichmäßiger Federung von zwei gegenüberliegenden Federbeinen 2, 4, läuft grundsätzlich der gleiche, wie oben beschriebene Vorgang ab. Unterschiedlich ist hierbei ledig­ lich, daß bei einer Parallelfederung die Steuerdrücke p_St je­ weils ansteigen, so daß auch jeweils die Schließkräfte der Ausfederungsventile 50 ansteigen. Die Ausfederungsventile 50 öffnen hierdurch jeweils erst bei einem noch stärkeren Druckabfall des Druckes p₁, wie dies in den Fig. 5 und 6 gut zu erkennen ist. Dieser bei Parallelfederung größere Druck­ abfall ist insofern positiv, als bei einer Parallelfederung mehr Energie in den Fahrzeugaufbau eingeleitet wird. Das Fahrzeug wird somit in Ausfederungsrichtung mehr bzw. stär­ ker gedämpft, so daß ein Aufschaukeln des Fahrzeugaufbaus effektiver unterdrückt wird. Besonders vorteilhaft ist dies beim Überfahren von Schlaglochserien.

3. Überfahren eines Schlagloches

Hierbei federt das betreffende Federbein 2/4 zunächst aus (Fig. 4 und 6), da das Rad aus seiner statischen Lage heraus die Tendenz hat, in das Schlagloch "hineinzufallen". Auch hier hat die Erfindung die vorteilhafte Wirkung, daß dieses schnelle Ausfedern wirksam verhindert wird. Bis zu einer bestimmten Länge des jeweiligen Schlagloches kann sogar er­ reicht werden, daß das Rad über das Schlagloch "hinweg­ fliegt", d. h. das Federbein federt gar nicht so weit aus, wie es normalerweise bei dem entsprechendem Schlagloch er­ folgen würde. Hierdurch muß das Federbein auch nur gering­ fügig wieder einfedern. Es wird somit der schädliche "Rück­ schlageffekt" wirksam vermieden.

4. Seitliches Wanken

Ein seitliches Wanken, d. h. ein Neigen des Fahrzeugs um seine Längsachse, tritt insbesondere bei Kurvenfahrten auf.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung bewirkt nun vorteilhaf­ terweise eine sehr effektive Stabilisierung gegen derartige Wankbewegungen.

Beispielsweise federt in einer Rechtskurve - fliehkraftbe­ dingt - das linke Federbein 2 ein und das rechte Federbein 4 aus. Der Druck p₁ des linken Federbeins 2 steigt entspre­ chend an, und zwar dadurch, daß Hydraulikmedium in den Federspeicher 20 verdrängt wird, wodurch sich das Volumen des kompressiblen Mediums in der Federkammer 100 verringert und der Druck ansteigt. Der ansteigende hydraulische Druck p₁ wirkt als Steuerdruck p_St in dem gegenüberliegenden Dämpfungsventil 32, so daß in der oben beschriebenen Weise der Ausfederungsbewegung des gegenüberliegenden Federbeins 4 entgegengewirkt wird. Beim Wanken eines Fahrzeugs fällt demzufolge die Federkraft des jeweils ausfedernden Feder­ beins wesentlich steiler ab, als bei einem "normalen" Fede­ rungsvorgang. Durch diesen - bedingt durch den steigenden Steuerdruck p_St - sehr starken Abfall der Federkraft des aus­ federnden Federbeins neigt sich das Fahrzeug nur noch un­ wesentlich in Fliehkraftrichtung. Dies kann wie folgt näher erklärt werden.

Beim Durchfahren einer Kurve neigt sich das Fahrzeug in Fliehkraftrichtung. Unterstützt wird diese Neigung normaler­ weise durch das auf der Kurveninnenseite angeordnete, aus­ federnde Federbein, da die Stützkraft des Federbeins im Drehsinn der Fliehkraft wirkt. Es gilt folgendes Gesetz:
Fliehkraft mal Hebelarm plus Federkraft des Federbeins auf der Kurveninnenseite mal entsprechendem Hebelarm minus Federkraft des Federbeins auf der Kurvenaußen­ seite mal entsprechendem Hebelarm = Null.

Da nun erfindungsgemäß die Federkraft des Federbeins auf der Kurveninnenseite auf weniger als 1/10 mm Federweg bereits wesentlich abfällt, unterstützt dieses Federbein kaum noch die durch die Fliehkraft hervorgerufene Drehung des Fahr­ zeugaufbaus. Im Extremfall wird die Federkraft des inneren Federbeins derart klein, daß auf nur wenigen Zehntel Grad Drehung des Aufbaus das Moment Fliehkraft mal entsprechendem Hebelarm minus Federkraftabfall des Federbeins mal entspre­ chendem Hebelarm gleich Null wird.

Der wesentliche Gedanke bei dieser erfindungsgemäßen Stabi­ lisierung ist folglich, daß das jeweils ausfedernde Feder­ bein einen extremen Federkraftabfall erfährt. Dieser Abfall der Federkraft ist je nach Dimensionierung des Dämpfungs­ ventils 30/32 beispielsweise 30- bis 60fach höher als bei einer normalen Ausfederung.

Eine weitere positive Eigenschaft der Erfindung liegt darin, daß durch die das Ausfederungsventil 50 beaufschlagende Vor­ spannkraft das Ausfederungsventil 50 geschlossen ist, wo­ durch in der statischen Lage der Druck p₂ jeweils höher als der Druck p₁ ist. Hierdurch muß zuerst im Zylinderraum 12 ein Druck aufgebaut werden, ehe das Ausfederungsventil 50 öffnet. Im Zylinderraum 12 des einfedernden Federbein wirkt hierdurch nach einem sehr kleinen Einfederungsweg ein wesentlich höherer Druck als in der statischen Lage. Hier­ durch sinkt auch dieses Federbein nicht so weit ein.

Erfindungsgemäß ist für die beschriebene Stabilisierung auch der Ladezustand des Fahrzeugs ausschlaggebend. Denn eine Erhöhung der Ladung bewirkt auch eine Zunahme der hydrauli­ schen Drücke p₁ und damit auch der Steuerdrücke p_St.

Es ist folglich ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, daß sich die Dämpfung jeweils der beim Einfedern gespeicherten Energie anpaßt, wobei dann die gespeicherte Energie dosiert so abgebaut wird, daß die Federbeine zwar zügig wieder aus­ einanderfahren, jedoch ein Rückschlageffekt vermieden wird.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebe­ ne, bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern um­ faßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Aus­ führungen. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, daß alter­ nativ zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführung, bei der die einer Achse zugeordneten Federbeine hinsichtlich ihrer An­ steuerung zusammengeschaltet sind, bei Fahrzeugen mit mehr als zwei Achsen die Verstellung der Dämpfungsventile von zwei hintereinanderliegenden Achsen auch "über Kreuz" er­ folgen kann. Ebenfalls ist es denkbar, bei einem zweiachsi­ gen, vierrädrigen Fahrzeug die Verstellung der Dämpfungsven­ tile "über Kreuz" durchzuführen.

Claims (14)

1. Hydropneumatisches Federungssystem insbesondere zur Radabstützung bei Kraftfahrzeugen, mit mindestens einem aus einem Zylinder und einem in diesem zum Ein- und Ausfedern beweglich geführten, von einem Hydraulikme­ dium, insbesondere einem Öl, beaufschlagten Kolben be­ stehenden Federbein, wobei das Hydraulikmedium beim Ein- und Ausfedern über eine hydraulische Verbindung zwischen dem Federbein und mindestens einem hydropneu­ matischen, ein kompressibles Medium enthaltenden Feder­ speicher hin- und herströmt, wobei der Federspeicher durch Kompression des kompressiblen Mediums einen hydraulischen Druck erzeugt, der in dem Federbein durch die Beaufschlagung des Kolbens eine Federkraft bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß wäh­ rend des Ausfederns des Federbeins (2/4) die Verbindung (16/18) zu dem Federspeicher (20/22) alternierend ge­ sperrt und geöffnet wird.

2. Federungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Ausfederns des Federbeins (2/4) in diesem und in dem Federspeicher (20/22) zwei zumindest zeit­ weise voneinander abweichende hydraulische Drücke (p₁, p₂) herrschen, wobei das Sperren und Öffnen der Verbin­ dung (16/18) zwischen dem Federbein (2/4) und dem Federspeicher (20/22) vorzugsweise selbsttätig durch die jeweiligen, in dem Federbein (2/4) und dem Feder­ speicher (20/22) herrschenden hydraulischen Drücken (p₁, p₂) bzw. durch eine zwischen diesen auftretende Druckdifferenz gesteuert wird.

3. Federungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Druckgleichgewicht oder bei einem bestimmten, geringen Betrag einer Druckdifferenz die Verbindung (16/18) zwischen dem Federbein (2/4) und dem Federspeicher (20/22) gesperrt und bei zunehmender Druckdifferenz bei Erreichen eines insbesondere variablen Betrages der Druckdifferenz geöffnet wird.

4. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung (16/18) zwischen der Kolbenzylinderein­ heit (2/4) und dem Federspeicher (20/22) ein Ausfede­ rungsventil (50) angeordnet ist, welches ein in Schließ­ richtung mit einer Schließkraft und in Öffnungsrich­ tung mit einer Öffnungskraft beaufschlagtes Ventilele­ ment (58) aufweist, wobei die Öffnungskraft durch Be­ aufschlagung einer ersten Druckfläche (62) des Ventil­ elementes (58) mit dem hydraulischen Druck (p₂) des Federspeichers (20/22) erzeugt wird, und wobei die Schließkraft zumindest teilweise durch Beaufschlagung einer zweiten Druckfläche (64) des Ventilelementes (58) mit dem hydraulischen Druck (p₁) des Federbeins (2/4) erzeugt wird.

5. Federungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Druckfläche (62) des Ventilelementes (58) flä­ chenmäßig kleiner als die zweite Druckfläche (64) ist.

6. Federungssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schließkraft aus einer durch den hydraulischen Druck (p₁) des Federbeins (2/4) erzeugten Kraftkompo­ nente und einer mittels einer Vorspanneinrichtung (66) erzeugten Vorspannkraft zusammensetzt.

7. Federungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannkraft einen konstanten Minimalwert besitzt, der vorzugsweise mechanisch voreinstellbar ist.

8. Federungssystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Vorspannkraft mittels einer hydraulischen Ver­ stelleinrichtung (86) variabel ist, wobei die Verstell­ einrichtung (86) einen derart mit einem Steuerdruck (p_St) beaufschlagbaren Stößel (68) aufweist, daß eine Erhöhung des Steuerdrucks (p_St) eine Erhöhung der Vor­ spannkraft bewirkt.

9. Federungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerdruck (p_St) der hydraulische Druck (p₁) eines in einem Fahrzeug insbesondere auf der dem Federbein (2/4) gegenüberliegenden Fahrzeugseite angeordneten, weiteren Federbeins (4/2) verwendet wird.

10. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung (16/18) zwischen dem Federbein (2/4) und dem Federspeicher (20/22) ein Einfederungsventil (52) angeordnet ist, welches derart als Rückschlagventil ausgebildet ist, daß es eine beim Einfedern auftretende Strömung des Hydraulikmediums im wesentlichen ungedros­ selt durchläßt und bei einer umgekehrten Strömungsrich­ tung druckdicht schließt.

11. Federungssystem nach Anspruch 10 und einem oder mehre­ ren der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausfederungsventil (50) und das Einfederungsventil (52) in einem gemeinsamen Ventilgehäuse (34) eines Dämp­ fungsventils (30/32) integriert angeordnet sind.

12. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (8) des Federbeins (2, 4) innerhalb des Zylin­ ders (6) einen lasttragenden, über die Verbindung (16, 18) mit dem Federspeicher (20, 22) verbundenen Zylinder­ raum (12) von einem eine Kolbenstange (10) umschließen­ den Ringraum (14) trennt, wobei der mit Hydraulikmedium gefüllte Ringraum (14) vorzugsweise hydraulisch unab­ hängig von dem Zylinderraum (12) mit einem separaten Federspeicher (24, 26) verbunden ist.

13. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Federbein (2/4) eine beim Einfedern wirksame, hydrau­ lische Endlagendämpfung (94) aufweist.

14. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Federspeicher (20, 22; 24, 26) als Kolben- Druckwandler mit einem schwimmend geführten, zwei unterschiedlich große Druckflächen aufweisenden Trenn­ kolben (96) ausgebildet ist, wobei der Trennkolben (96) einen mit dem Federbein (2/4) hydraulisch verbundenen Speicherraum (98) von einer das kompressible Medium enthaltenden Federkammer (100) trennt.