DE4221126A1 - Hydropneumatisches Federungssystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydropneumatisches Federungssystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit min­ destens einem aus einem Zylinder und einem Kolben bestehenden Federbein, welches über ein Hydraulikmedium gegen min­ destens einen ein kompressibles Medium enthaltenden, hydro­ pneumatischen Federspeicher wirkt, wobei durch Beaufschlagung einer Druckfläche des Kolbens mit einem von einem pneumatischen Druck des Federspeichers bewirkten, hydraulischen Druck eine lasttragende Abstützkraft erzeugt wird, und wobei eine der Abstützkraft entgegenwirkende Gegenkraft erzeugt wird, so daß eine resultierende Tragkraft des Federbeins sich aus der Differenz Abstützkraft minus Gegen­ kraft ergibt.

Ein derartiges Federungssystem ist beispielsweise aus der DE-OS 40 08 831 bekannt. Hierbei teilt der Kolben des Federbeins aufgrund einer Kolbendichtung innerhalb des Zylinders zwei Druckräume voneinander ab, und zwar einer­ seits einen eine Kolbenstange umschließenden Ringraum und andererseits einen der Kolbenstange gegenüberliegenden, "lasttragenden" Zylinderraum, wobei diese beiden Druckräume hydraulisch voneinander unabhängig mit jeweils einem sepa­ raten Federspeicher verbunden sind. Der eine Federspeicher bewirkt innerhalb des Zylinderraums einen ersten hydraulischen Druck, der durch Beaufschlagung der entsprechenden Druckfläche des Kolbens die Abstützkraft erzeugt, und durch den anderen Federspeicher werden der Ringraum und die diesem zugekehrte Druckfläche des Kolbens mit einem zweiten hydraulischen Druck beaufschlagt, wodurch die Gegenkraft entsteht. Bei diesem bekannten Federungssystem sind die vorhandenen zwei Federspeicher insofern von Nachteil, als ja ein Federspeicher aufgrund seiner konstruktiven Ausge­ staltung (insbesondere aufgrund der erforderlichen Abdich­ tungen) ein relativ teures Bauteil ist. Zudem können Ab­ dichtungsprobleme im Bereich der Kolbendichtung des Feder­ beins auftreten, weil diese von beiden Seiten her mit den jeweiligen hydraulischen Drücken beaufschlagt wird, wobei diese beiden Drücke üblicherweise geringfügig verschieden sind, so daß die Dichtung nur gegen einen geringen Diffe­ renzdruck abdichten muß. Eine Kolbendichtung benötigt nun aber eigentlich eine einseitige Druckbeaufschlagung mit einer bestimmten Mindesthöhe, um zuverlässig abdichten zu können. Aus diesem Grund können innerhalb des Federbeins des bekannten Federungssystems Leckagen derart auftreten, daß Hydraulikmedium über die Kolbendichtung vom Zylinder­ raum in den Ringraum oder umgekehrt übertritt, was dann aber eine unerwünschte Veränderung der Federcharakteristik zur Folge hat.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Federungssystem der gattungsgemäßen Art konstruktiv und hinsichtlich des finanziellen Aufwandes für seine Kom­ ponenten zu vereinfachen und so zu verbessern, daß durch Beseitigung der geschilderten Abdichtungsprobleme die Federcharakteristik praktisch konstant gehalten werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zur Erzeu­ gung der Gegenkraft eine mechanische Feder vorgesehen ist. Hierdurch erübrigt es sich vorteilhafterweise, den Ringraum des Federbeins zur Erzeugung der Gegenkraft gezielt mit einem hydraulischen Druck zu beaufschlagen. Daher kann der Ringraum entweder hydraulisch mit dem Zylinderraum verbunden sein, wodurch in den beiden Druckräumen des Federbeins ein Druckgleichgewicht herrscht und bereits hierdurch Leckagen über die Kolbendichtungen sicher vermieden werden, oder der Ringraum kann sogar drucklos, d. h. über eine Lüf­ tungsöffnung des Zylinders mit der Atmosphäre verbunden sein, wobei in diesem Fall die Kolbendichtung nur einseitig mit einem derartig hohen Druck beaufschlagt ist, daß sie hierdurch eine ausreichende Abdichtung bewirkt. Sollte es hierbei aber dennoch zu Leckagen über die Kolbendichtung kommen, so wäre dies vorteilhafterweise nahezu unschädlich für die Federcharakteristik, denn einerseits ist aufgrund der Erfindung die Gegenkraft sehr leicht absolut konstant zu halten, und auch die Abstützkraft, die zwar grundsätz­ lich bei einer Leckage über die Kolbendichtung absinken würde, kann durch einfache Mittel konstant gehalten werden, indem beispielsweise Hydraulikmedium über eine Nivellier­ einrichtung nachgeführt wird. Das über die Kolbendichtung in den drucklosen Ringraum gelangende Hydraulikmedium kann einfach zu einem Hydrauliktank geleitet werden.

Die Erfindung führt zudem zu dem ganz wesentlichen Vorteil, daß eine mechanische Feder sehr viel billiger ist als ein hydropneumatischer Federspeicher, so daß die Wirtschaft­ lichkeit des Federungssystems durch die Erfindung ganz wesentlich verbessert wird.

Durch die Erfindung können somit mit erheblich reduziertem Aufwand die Vorteile des hydropneumatischen Federungs­ systems der gattungsgemäßen Art weiterhin genutzt werden. So könen durch eine insbesondere lastabhängige Nivellierung, d. h. durch Zuführen oder Entnahme von Hydraulik­ medium, das Fahrzeugniveau und damit auch die zur Verfügung stehenden Federwege praktisch konstant gehalten werden. Dies bedeutet, daß praktisch eine lastunabhängige Federung zu erreichen ist. Ferner kann das von dem "lasttragenden" Federspeicher aufzunehmende Lastverhältnis durch die der Abstützkraft entgegenwirkende Gegenkraft reduziert werden, was vorteilhafterweise zu einer sehr geringen Baugröße dieses lasttragenden Federspeichers führt. Dies soll im folgenden anhand eines einfachen Zahlenbeispiels erläutert werden.

Ist bei einem "einfachen" hydropneumatischen Federungssystem, bei dem ausschließlich ein lasttragender Feder­ speicher vorgesehen ist, die von diesem aufzunehmende Leer­ last z. B. 6 kN und die Maximallast z. B. 60 kN, so ergibt sich hieraus ein Lastverhältnis von 1 : 10. Um hierbei die Federcharakteristik über den gesamten Lastbereich zumindest annähernd konstant halten zu können, muß der Federspeicher mit sehr großem Gasvolumen ausgebildet werden, was zu einer nachteilig großen Baugröße, insbesondere einer großen Bau­ länge, und - im Falle eines Kolbenspeichers - zu langen Wegen des Trennkolbens führt. Denn dadurch, daß bei der hydropneumatischen Federung der Druck des Systems durch Vergrößerung oder Verkleinerung des Gasvolumens angepaßt wird, ändert sich das Kompressionsverhältnis im Gasvolumen. Hierdurch ändert sich die Federsteifigkeit der hydropneu­ matischen Federung überproportional mit der Laständerung, und zwar ändert sich bei einem einfachen hydropneumatischen System die Federsteifigkeit im Quadrat der Laständerung. Diese Probleme können nun durch Erzeugung der als "künstliche Last" der Abstützkraft entgegenwirkenden Gegenkraft minimiert werden. Wird z. B. bei dem genannten Lastverhältnis von 6 kN zu 60 kN eine in Lastrichtung wirkende Gegen­ kraft (Zusatzlast) von 10 kN erzeugt, so ergibt sich hieraus ein Lastverhältnis von 16 kN zu 70 kN und somit ein Verhältnis von nur noch 1 : etwa 4,4, was zu einer Reduzierung der Baugröße des lasttragenden Federspeichers bzw. des notwendigen Gasvolumens führt.

Vorzugsweise ist die mechanische Feder als Zugfeder ausge­ bildet, die dabei zwischen dem Zylinder und einem Ende der mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange angeordnet ist, und zwar derart, daß die von der Zugfeder erzeugte Gegenkraft in Einfederungsrichtung des Federbeins wirkt, d. h. als "künstliche Last" die Tendenz hat, das Federbein "zusammen­ zuziehen".

Als Alternative zu einer Zugfeder ist es allerdings grund­ sätzlich auch möglich, eine mechanische Druckfeder zur Erzeugung der Gegenkraft zu verwenden, die dann z. B. inner­ halb des Ringraumes des Federbeins zwischen dem Kolben und dem Zylinder angeordnet sein kann, so daß sie den Kolben in Lastrichtung als "künstliche Zusatzlast" gegen die Abstütz­ kraft beaufschlagt.

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

Anhand von in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungs­ beispielen des erfindungsgemäßen Federungssystems soll im folgenden die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfin­ dungsgemäßen Federungssystems in einer ersten Ausführungsform und

Fig. 2 eine Darstellung analog zu Fig. 1, jedoch in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

In den beiden Zeichnungsfiguren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, so daß jede eventuell nur einmal vorkommende Beschreibung eines Teils analog auch für die jeweils andere Zeichnungsfigur gilt, in denen dieses Teil mit der entsprechenden Bezugsziffer eben­ falls zu erkennen ist.

Ein erfindungsgemäßes Federungssystem besteht aus mindestens einem hydraulischen Federbein 2, welches seinerseits aus einem Zylinder 4 und einem darin axialbeweglich geführten Kolben 6 besteht, wobei der Kolben 6 mit einer aus dem Zylinder 4 nach außen geführten Kolbenstange 8 verbunden ist. Das Federbein 2 ist zwischen einer gefederten Masse und einer ungefederten Masse angeordnet; in den dargestellten Ausführungsbeispielen ist das freie Ende der Kolben­ stange 8 mit der gefederten Masse, z. B. mit einem Fahrzeug­ rahmen 10, verbunden, während das gegenüberliegende Ende des Zylinders 4 mit der ungefederten Masse, insbesondere einem Fahrzeugrad 12 bzw. einer Achse verbunden ist. Der Kolben 6 ist mit einer Kolbendichtung 14 ausgestattet, wo­ durch innerhalb des Zylinders 4 zwei Räume voneinander ab­ geteilt sind, und zwar einerseits ein die Kolbenstange 8 umschließender Ringraum 16 und andererseits ein auf der gegenüberliegenden Kolbenseite angeordneter Zylinderraum 18.

Der Zylinderraum 18 ist mit einem Hydraulikmedium gefüllt und hydraulisch mit einem hydropneumatischen Federspeicher 20 verbunden. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist dieser Federspeicher 20 als separates, von dem Feder­ bein 2 räumlich getrenntes Bauteil sowie vorzugsweise als Kolbenspeicher ausgebildet, wobei innerhalb eines Zylinder­ gehäuses 22 ein Trennkolben 24 frei beweglich, "schwimmend" geführt ist. Der Trennkolben 24 teilt innerhalb des Zylin­ dergehäuses 22 einen mit Hydraulikmedium gefüllten und hydraulisch mit dem Zylinderraum 18 des Federbeins 2 ver­ bundenen Speicherraum 26 von einer mit einem kompressiblen, pneumatischen Medium gefüllten Federkammer 28 ab. Das kom­ pressible Medium innerhalb der Federkammer 28 steht unter einem pneumatischen Druck p₁, so daß über die Beaufschlagung des Trennkolbens 24 in dem Speicherraum 26 ein hydraulischer Druck p₂ herrscht, der dann entsprechend auch inner­ halb des Zylinderraums 18 des Federbeins 2 wirkt und dort eine Druckfläche A des Kolbens 6 beaufschlagt. Hierdurch wird gemäß der Gleichung F=p · A eine Abstützkraft F₁ erzeugt, die zur Abstützung der gefederten Masse deren Gewichtskraft entgegenwirkt.

Bei dem erfindungsgemäßen hydropneumatischen Federungssystem wird nun des weiteren auch eine der Abstützkraft F₁ entgegenwirkende Gegenkraft F₂ erzeugt, die eine "künst­ liche Zusatzlast" darstellt, wodurch - wie oben bereits erläutert wurde - das von dem Federspeicher 20 aufzunehmende Lastverhältnis reduziert wird. Dabei ergibt sich eine resultierende Tragkraft F des Federbeins 2 aus der Diffe­ renz Abstützkraft minus Gegenkraft; es gilt die Beziehung F=F₁-F₂.

Erfindungsgemäß ist nun zur Erzeugung der Gegenkraft F₂ eine mechanische Feder 30 vorgesehen. Vorzugsweise ist diese mechanische Feder 30 - wie in den Zeichnungsfiguren symbol­ haft dargestellt - als Zugfeder 32 ausgebildet, die derart zwischen dem Zylinder 4 und dem freien Ende der Kolbenstange 8 angeordnet ist, daß die von der Zugfeder 32 erzeugte Gegenkraft F₂ als "künstliche Last" die Tendenz hat, das Federbein 2 einzufedern ("zusammenzuziehen"). In den dar­ gestellten Beispielen ist die Zugfeder 32 zwischen dem Fahrzeugrahmen 20 einerseits und dem Rad 12 bzw. der Fahr­ zeugachse andererseits unter einer bestimmten Vorspannung angeordnet.

Die Feder 30 bzw. 32 kann hierbei durch eine beliebige Federart gebildet sein, wie insbesondere eine Schraubenfeder, eine Blattfeder oder eine Drehstabfeder. Als Material für die Feder 30 bzw. 32 eignet sich Stahl, vorteilhafter­ weise aber auch - aufgrund von relativ geringen Federkräften, die beispielsweise im Bereich von etwa 600 kg liegen - ein insbesondere faserverstärkter Kunststoff, was den er­ heblichen Vorteil mit sich bringt, daß die Feder ein sehr geringes Gewicht aufweist.

Die Feder 30 wird erfindungsgemäß in Abhängigkeit von der jeweils gewünschten Kennlinie der resultierenden Tragkraft F ausgelegt und kann hierzu eine lineare, progressive oder degressive Kennlinie besitzen. Zudem kann es vorteilhaft sein, die Gegenkraft F₂ variieren zu können, was über eine die Vorspannung der mechanischen Feder 30 verändernde, mechanische Verstelleinrichtung realisiert werden kann. Allerdings ist diese vorteilhafte Möglichkeit in den Zeich­ nungen nicht veranschaulicht.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist der Ringraum 16 des Federbeins 2 über eine Lüftungsöffnung 34 des Zylinders 4 mit der Außenatmosphäre verbunden und somit praktisch drucklos (Atmosphärendruck). Durch diese Ausgestaltung ist zur Erzeugung der Abstützkraft F₁ die gesamte, dem Zylinder­ raum 18 zugekehrte Fläche A des Kolbens 6 maßgebend. Hier­ durch kann das Federbein 2 auch für große Lasten sehr kom­ pakt gehalten werden. Diese Ausführung eignet sich daher insbesondere für Lastkraftwagen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist der Ringraum 16 über eine Leitungsverbindung 36 hydraulisch mit dem Zylin­ derraum 18 verbunden, so daß auch hier der hydraulische Druck p₂ herrscht. Daher ergibt sich die zur Erzeugung der Abstützkraft F₁ maßgebende Druckfläche A aus der Differenz der beiden gegenüberliegenden Kolbenflächen A₁-A₂. Die Druckfläche A entspricht somit dem Querschnitt der Kolben­ stange 8.

Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, daß die Auswahl der geeigneten Federart für die mechanische Feder 30 bzw. die Zugfeder 32 im wesentlichen von dem Federweg bzw. dem Federhub des Federbeins 2 bestimmt wird. Für große Federwege von beispielsweise etwa 300 mm eignet sich besonders eine Drehstabfeder mit geeigneter Ausgestaltung der Verbindungspunkte (Hebel).

Ferner kann durch Auswahl einer geeigneten Federart und durch eine bestimmte Anordnung und Befestigung der Feder 30 in einem Fahrzeug vorteilhafterweise erreicht werden, daß die Feder 30 zusätzlich zu ihrer Funktion, die Gegenkraft F₂ zu erzeugen, auch eine mechanische Führung des Rades 12 bzw. der Fahrzeugachse bewirkt. Dies ist im Vergleich zu dem bekannten System der gattungsgemäßen Art ein weiterer wesentlicher Vorteil, weil dort zur Rad- bzw. Achsenführung zusätzliche, finanzielle recht aufwendige Maßnahmen getroffen werden mußten, wie z. B. Verwendung eines speziellen, zur Aufnahme hoher Querkräfte geeigneten Federbeins. Der­ artige Führungsmaßnahmen sind nun aufgrund der erfindungs­ gemäßen Ausgestaltung entbehrlich, was zu einer weiteren Reduzierung des finanziellen Aufwandes für die Komponenten des Federungssystems führt.

Im folgenden sollen nun noch einige vorteilhafte Ausgestal­ tungsmerkmale des erfindungsgemäßen Federungssystems er­ läutert werden.

Es ist vorteilhaft, wenn in der hydraulischen Verbindung zwischen dem Federbein 2 und dem Federspeicher 20 ein ins­ besondere lastabhängig steuer- bzw. regelbares Dämpfungs­ ventil 38 angeordnet ist. Des weiteren kann mit Vorteil in dieser hydraulischen Verbindung auch ein Absperrventil 40 angeordnet sein, mit dem der Federspeicher 20 von dem Federbein 2 "abgekoppelt" werden kann, d. h. es kann hier­ durch eine Blockierung der Federungsbewegungen des Feder­ beins 2 erreicht werden.

Das Federbein 2 bzw. dessen Zylinderraum 18 ist zudem vor­ teilhafterweise mit einer hydraulischen Nivelliereinrich­ tung 42 verbunden, die aus zwei Schaltventilen 44, 46 be­ steht, die eingangsseitig mit einer Druckleitung P einer­ seits und einer Tankleitung T andererseits sowie ausgangs­ seitig mit dem Zylinderraum 18 verbunden sind, so daß letzterer wahlweise mit der Druckleitung P oder der Tank­ leitung T verbunden werden kann. Hierdurch kann durch Zuführen oder Entnahme von Hydraulikmedium das Niveau des Federbeins 2 eingestellt werden. Diese Niveaueinstellung kann vorteilhafterweise auch automatisch bewirkt werden, und zwar durch geeignete Niveausensoren, die die jeweilige Hubstellung des Federbeins 2 - beispielsweise durch eine Distanzmessung zwischen Achse und Rahmen - erfassen.

Der Federspeicher 20 ist bevorzugt als Druckwandler derart ausgebildet, daß der pneumatische Druck p₁ stets geringer als der hydraulische Druck p₂ ist. Dies wird dadurch er­ reicht, daß der Trennkolben 24 mit einer durch den Spei­ cherraum 26 nach außen geführten Trennkolbenstange 48 ver­ bunden ist, wodurch die dem Speicherraum 26 zugekehrte Fläche des Trennkolbens 24 kleiner als die gegenüberliegende, federkammerseitige Fläche. Aufgrund dieses Flächen­ unterschiedes sind dann auch der pneumatische und der hydraulische Druck jeweils unterschiedlich groß, wobei aber die entgegengesetzten Trennkolbenkräfte als Produkt des jeweiligen Druckes mal der jeweiligen Fläche gleich groß sind.

Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung des Federspeichers 20 ergibt sich aufgrund der Trennkolbenstange 28 die Möglich­ keit, diese mit einem Wegmeßsystem 50 zu verbinden, wodurch über die lastabhängige Stellung des Trennkolbens 24 die je­ weilige Last bestimmt werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen.

Claims (8)

1. Hydropneumatisches Federungssystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit mindestens einem aus einem Zylinder (4) und einem Kolben (6) bestehenden Federbein (2), welches über ein Hydraulikmedium gegen mindestens einen ein kompressibles Medium enthaltenden, hydropneumatischen Federspeicher (20) wirkt, wobei durch Beaufschlagung einer Druckfläche (A) des Kolbens (6) mit einem von einem pneumatischen Druck (p₁) des Federspeichers (20) bewirkten hydraulischen Druck (p₂) eine lasttragende Abstützkraft (F₁) erzeugt wird, und wobei eine der Abstützung (F₁) entgegenwirkende Gegenkraft (F₂) erzeugt wird, so daß eine resultierende Tragkraft (F) des Federbeins (2) sich aus der Differenz Abstützkraft (F₁) minus Gegenkraft (F₂) ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Gegenkraft (F₂) eine mechanische Feder (30) vorgesehen ist.

2. Federungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Feder (30) als Zugfeder (32) ausgebildet ist, die zwischen dem Zylinder (4) und einem Ende einer mit dem Kolben (6) verbundenen Kolbenstange (8) angeordnet ist.

3. Federungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Feder (30) als Schraubenfeder, Blattfeder oder Drehstabfeder ausgebildet ist.

4. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Feder (30) aus Stahl oder einem insbeson­ dere faserverstärkten Kunststoff besteht.

5. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Feder (30) in Abhängigkeit von der ge­ wünschten Kennlinie der resultierenden Tragkraft (F) eine lineare, progressive oder degressive Kennlinie aufweist.

6. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkraft (F₂) über eine die Vorspannung der mechanischen Feder (30) verändernde, mechanischen Verstellein­ richtung variabel ist.

7. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Druck (p₂) in einem der Kolbenstange (8) abgekehrten Zylinderraum (18) wirkt, wobei ein gegen­ überliegender, die Kolbenstange (8) umschließender Ringraum (16) entweder hydraulisch mit dem Zylinder­ raum (18) oder über eine Lüftungsöffnung (34) mit der Atmosphäre verbunden ist.

8. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Feder (30) derart ausgebildet und angeordnet ist, daß sie eine mechanische Führungsfunktion für eine Fahrzeugachse bzw. ein Fahrzeugrad (12) besitzt.