DE4234217A1 - Hydropneumatisches Federungssystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydropneumatisches Federungssystem insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit min­ destens einem hydraulischen Federbein, welches bei seinen Federungsbewegungen über ein Hydraulikmedium gegen minde­ stens einen hydropneumatischen Kolbenspeicher wirkt, der einen einen Hydraulik-Speicherraum von einer ein kompressi­ bles Medium, insbesondere ein Gas, enthaltenden Federkammer trennenden Trennkolben aufweist, wobei auf den Trennkolben einerseits vom Speicherraum her ein hydraulischer Druck und andererseits von der Federkammer her ein pneumatischer Druck wirken.

Bei derartigen hydropneumatisches Federungssystemen wird durch die Federungsbewegungen des Federbeins, d. h. durch Bewegungen eines Kolbens innerhalb eines Zylinders, ein Hydraulikmedium in Strömung versetzt. Beim Einfedern des Federbeins strömt ein bestimmtes Volumen des Hydraulikme­ diums in den Speicherraum eines hydropneumatischen Spei­ chers, wodurch sich das Volumen eines darin enthaltenen kompressiblen Mediums, üblicherweise eines Gases, ver­ ringert. Durch diese Komprimierung wird ein Druckanstieg und damit eine elastische Federwirkung hervorgerufen, die nachfolgend eine Rückströmung des Hydraulikmediums zum Ausfedern des Federbeins bewirkt. In einer statischen Lage des Federbeins bewirkt der pneumatische Druck über das Hydraulikmedium innerhalb des Federbeins eine Tragkraft zur Abstützung der jeweiligen Last.

Der wesentliche Vorteil von hydropneumatischen Federungs­ systemen besteht darin, daß auch bei sich ändernden Last­ verhältnissen (Verhältnis zwischen Leerlast und Vollast des Federbeins) nahezu gleichbleibende Federungseigenschaften erreicht werden können, indem durch eine hydraulische Nivellierung, d. h. durch Zuführen oder Entnehmen von Hydraulikmedium, das Fahrzeugniveau und damit auch die zur Verfügung stehenden Federwege praktisch konstant gehalten werden können. Dies bedeutet, daß praktisch eine lastunab­ hängige Federung zu erreichen ist. Daher sind derartige Systeme vor allem für Lastkraftwagen geeignet, bei denen ja in der Regel ein großes Lastverhältnis auftritt.

Allerdings ist hierbei von Nachteil, daß für ein großes Lastverhältnis das kompressible Medium ein sehr großes Gesamtvolumen haben muß, damit von der Federkammer bzw. dem darin befindlichen Medium bei - aus Komfortgründen - mög­ lichst flacher, "weicher" Kennlinie das gesamte Belastungs­ verhältnis des Federbeins mit möglichst geringer Druck­ änderung (Volumenänderung des kompressiblem Mediums) auf­ genommen werden kann. Dies führt zu einer sehr großen Bau­ größe des Federspeichers mit langen Verschiebewegen des Trennkolbens, was in einem Fahrzeug Einbauprobleme ver­ ursachen kann und natürlich auch zu hohen Kosten für den Speicher führt.

Bei einem aus der DE 39 36 034 A1 bekannten Federungssystem der eingangs beschriebenen Art ist zur Beseitigung dieser Probleme und Nachteile einerseits vorgesehen, den Kolben­ speicher als Druckwandler derart auszubilden, daß der pneu­ matische Druck des kompressiblen Mediums in der Federkammer stets kleiner als der hydraulische Druck innerhalb des Speicherraums und damit auch innerhalb des Federbeins ist. Andererseits soll gemäß einer Weiterbildung die Bewegung des Kolbens im Zylinder des Federbeins über das verdrängte Hydraulikmedium mit einem bestimmten Weg-Über- bzw. Unter­ setzungsverhältnis auf den Trennkolben übertragen werden (hydraulische Übersetzung).

Ein weiteres hydropneumatisches Federungssystem ist aus der DE 40 08 831 AI bekannt. Hierbei teilt der Kolben des Federbeins über seine Kolbendichtung innerhalb des Zylin­ ders zwei Druckräume voneinander ab, und zwar einerseits einen eine Kolbenstange umschließenden Ringraum und ande­ rerseits einen der Kolbenstange gegenüberliegenden, "last­ tragenden" Zylinderraum, wobei diese beiden Druckräume hydraulisch voneinander unabhängig mit jeweils einem separaten Federspeicher verbunden sind. Der eine Feder­ speicher bewirkt innerhalb des Zylinderraums einen ersten hydraulischen Druck, der durch Beaufschlagung der ent­ sprechenden Druckfläche des Kolbens eine Abstützkraft (Tragkraft) erzeugt, und durch den anderen Federspeicher werden der Ringraum und die diesem zugekehrte Druckfläche des Kolbens mit einem zweiten hydraulischen Druck beauf­ schlagt, wodurch eine der Abstützkraft entgegenwirkende Gegenkraft entsteht. Bei diesem bekannten Federungssystem wird durch diese als "künstliche Last" wirkende Gegenkraft das von dem "lasttragenden" Federspeicher aufzunehmende Lastverhältnis reduziert, indem die Gegenkraft stets zu der jeweils tatsächlich vorhandenen Last hinzukommt. Beispiels­ weise ergibt sich ohne diese Gegenkraft bei einer Leerlast von z. B. 6 kN und einer Vollast von z. B. 60 kN ein Last­ verhältnis von 1 : 10. Wird hierbei aber eine in Lastrich­ tung wirkende Gegenkraft von z. B. 10 kN erzeugt, so resul­ tiert hieraus ein Lastverhältnis von 16 kN : 70 kN = 1 : ca. 4,4. Hierdurch kann nun zwar eine Reduzierung der Bau­ größe des lasttragenden Speichers bzw. dessen notwendigen Gasvolumens erreicht werden, allerdings stellt es einen gewissen Nachteil dar, daß insgesamt (pro Federbein) zwei Federspeicher erforderlich sind, da ja ein Federspeicher aufgrund seiner konstruktiven Ausgestaltung, insbesondere aufgrund der erforderlichen Abdichtungen, ein relativ teures Bauteil ist. Darüber hinaus können aber auch 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 Federungssystem 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. Ferner führt aber die Erzeugung der Gegen­ kraft im Bereich des Federbeins noch zu dem unschönen Nebeneffekt, daß im Falle einer Nivellierung, wobei z. B. bei einer Lasterhöhung das Federbein durch Zuführen von Hydraulikmedium wieder in ein statisches Soll-Niveau (in der Regel etwa die Mittelstellung seines Hubs) gebracht wird, die Gegenkraft jeweils ansteigt, da ein Anheben des Niveaus stets mit einer Volumenreduzierung des Federbein- Ringraumes und demzufolge auch mit einem Druckanstieg in dem zugehörigen Speicher verbunden ist. Daher muß eine den hydraulischen Druck erzeugende Einrichtung, üblicherweise eine Pumpe, übermäßig leistungsfähig sein; in Lastkraftwa­ gen kann hierdurch eine Pumpenleistung von über 200 bar, z. B. 230 bis 250 bar, erforderlich werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Federungssystem der gattungsgemäßen Art konstruktiv und hinsichtlich des finanziellen Aufwandes für seine Komponen­ ten zu vereinfachen und dabei aber auch so zu verbessern, daß stets eine gleichbleibend optimale Federcharakteristik erreicht werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zusätzlich zu den aus dem hydraulischen Druck und dem pneumatischen Druck durch Beaufschlagung des Trennkolbens resultierenden Kräften auf den Trennkolben des Kolbenspeichers mindestens eine Zusatz-Federkraft wirkt. Mit dieser Zusatz-Federkraft wird folglich das Volumen des kompressiblen Mediums - zu­ sätzlich zu den "normalen", last- und federungsbedingten Volumenänderungen - derart beeinflußt, daß sich sein Gesamtvolumen vorteilhafterweise verringern kann. Dies liegt daran, daß sich durch die Erfindung für den Kolben­ speicher bzw. dessen Federkammer aufgrund der Zusatz- Federkraft ein anderes, sich von dem Lastverhältnis des Federbeins unterscheidendes Lastverhältnis (bzw. ein Kom­ pressions- und Druckverhältnis, welches von den "normalen", ohne Zusatz-Federkraft vorhandenen Verhältnissen abweicht) einstellt, wobei dieses "Speicher-Lastverhältnis" gegenüber dem Lastverhältnis des Federbeins vorteilhafterweise wesentlich geringer ist. Dies führt dazu, daß der Speicher insgesamt kleiner und kompakter und mit kürzerem Hub des Trennkolbens ausgebildet werden kann.

Es erübrigt sich somit eine aus obigen Gründen nachteilige Erzeugung einer Gegenkraft im Bereich des Federbeins. Beim Nivellieren braucht eine Pumpe lediglich den der tatsäch­ lichen Last entsprechenden Druck zu erzeugen, so daß eine Pumpenleistung von maximal 200 bar jedenfalls ausreicht.

Durch die Erfindung ist somit auch nur noch ein Speicher pro Federbein erforderlich. Dies ist insofern von Vorteil, als in den beiden Druckräumen des Federbeins jeweils der gleiche hydraulische Druck herrscht, so daß die oben be­ schriebenen Abdichtungsprobleme vermieden werden. Alterna­ tiv hierzu ist es allerdings ebenfalls möglich, den Ring­ raum über eine Lüftungsöffnung mit der Atmosphäre zu ver­ binden, so daß in diesem Fall aber ebenfalls die Abdich­ tungsprobleme beseitigt werden, weil die Kolbendichtung in der Lage ist, einen hohen Differenzdruck abzudichten.

In einer ersten möglichen Ausführungsform der Erfindung be­ aufschlagt die Zusatz-Federkraft den Trennkolben in Rich­ tung der Federkammer, d. h. in Richtung der "hydraulischen Kraft", und zwar insbesondere derart, daß die Zusatz-Feder­ kraft bei einer geringen Last des Federbeins und dement­ sprechend geringem hydraulischen Druck größer ist als bei einer höheren Last und entsprechend höherem hydraulischen Druck. Dies bedeutet, daß erfindungsgemäß durch die Zusatz- Federkraft das kompressible Medium "künstlich", d. h. zu­ sätzlich zur normalen Last, weitergehend komprimiert (ge­ spannt) wird, wobei diese "künstliche Komprimierung" bei geringer Belastung des Federbeins relativ höher als bei hoher Belastung ist.

In einer zweiten Ausführungsform beaufschlagt die Zusatz- Federkraft den Trennkolben in Richtung des Speicherraumes, d. h. in Richtung der "pneumatischen Kraft", und zwar ins­ besondere derart, daß die Zusatz-Federkraft bei einer ge­ ringen Last des Federbeins und dementsprechend geringem hydraulischen Druck kleiner ist, als bei einer höheren Last und entsprechend höherem Druck. Hierbei handelt es sich folglich um eine "künstliche Entspannung" (Expansion) des kompressiblen Mediums im Vergleich zu den Verhältnissen bei "normaler Last", wobei diese "künstliche Entspannung" bei großer Last des Federbeins relativ höher als bei kleiner Last ist.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfin­ dung ist nun allerdings der Trennkolben in beiden Rich­ tungen mit jeweils einer Zusatz-Federkraft beaufschlagt, so daß sich eine resultierende Zusatz-Federkraft aus der Summe (Differenz) dieser beiden gegensinnigen Federkräfte ergibt, und zwar insbesondere derart, daß durch die Zusatz-Feder­ kraft bei hoher Last des Federbeins der dieser Last an sich entsprechende pneumatische Druck reduziert und bei niedri­ ger Last der dieser an sich entsprechende pneumatische Druck erhöht werden. Durch diese bevorzugte Maßnahme wird eine besonders effektive Reduzierung des für das jeweilige Lastverhältnis des Federbeins erforderlichen Volumens des kompressiblen Mediums erreicht. Dies soll an dieser Stelle an einem einfachen Zahlenbeispiel deutlich gemacht werden.

Beispielsweise beträgt bei gegebenen Last- und Auslegungs­ verhältnissen eines Federungssystems ohne die erfindungs­ gemäßen Maßnahmen der Druck in der Federkammer im beladenen Zustand des Federbeins 150 bar bei einem Volumen von 1000 cm³ und im leeren Zustand 40 bar. Aus dem Druck­ verhältnis 150 bar : 40 bar ergibt sich ein Faktor von 3,75, mit dem das Volumen im beladenen Zustand ("Lastvolu­ men") multipliziert werden muß, um das Volumen im leeren Zustand ("Leervolumen") zu erhalten; somit ergibt sich hieraus, daß im Leerzustand ein Leervolumen von 1000 cm³·3,75 = 3750 cm³ erforderlich ist.

Im Gegensatz dazu ergibt sich nun mit der erfindungsgemäßen Zusatz-Federkraft einerseits eine Reduzierung des "belade­ nen Druckes" auf z. B. 100 bar sowie andererseits eine Er­ höhung des "Leerdruckes" auf z. B. 60 bar, woraus sich ein Verhältnisfaktor von 100 : 60 = 1,667 ergibt. Daraus folgt - bei dem genannten "Lastvolumen" von 1000 cm³ - eine Re­ duzierung des "Leervolumens" auf nur noch 1000 cm³·1,667 = 1667 cm³. Das für das Lastverhältnis des Federbeins er­ forderliche Volumen des kompressiblen Mediums kann somit durch die Erfindung wesentlich reduziert werden, im genann­ ten Beispiel um mehr als 50%.

Durch die erfindungsgemäße Reduzierung des Gasvolumens im Leerzustand wird zudem erreicht, daß die Federkonstante im Leerzustand größer wird, so daß vorteilhafterweise auch die Eigenfrequenz des Systems im beladenen und leeren Zustand praktisch gleich bleibt. Demgegenüber ergibt sich bei großem "Leer-Gasvolumen", wie es bei bekannten Systemen zu­ meist vorhanden war, aufgrund einer kleinen Federkonstante stets eine große Differenz in der Eigenfrequenz zwischen beladenem und leerem Zustand.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Beeinflussung der Druckver­ hältnisse innerhalb des Kolbenspeichers durch die Zusatz- Federkraft kann nun zwar - in Abhängigkeit von der jeweili­ gen Auslegung der Systemgrößen (insbesondere der Auslegung der (resultierenden) Zusatz-Federkraft-Kennlinie) - der Fall eintreten, daß ab einer bestimmten Last der pneuma­ tische Druck größer als der hydraulische Druck wird. In diesem Fall ist der Trennkolben mit einer speziellen "Gas­ dichtung" auszustatten. Natürlich kann die Auslegung auch derart vorgenommen werden, daß der pneumatische Druck stets kleiner oder maximal gleich dem hydraulischen Druck ist, so daß dann eine einfachere "Öldichtung" für den Trennkolben ausreichend ist.

Die erfindungsgemäße Zusatz-Federkraft kann auf viele ver­ schiedene Arten erzeugt werden, so z. B. mit mechanischen Druck- und/oder Zugfedern oder mit hydropneumatischen Federn (Speichern). Einige vorteilhafte Möglichkeiten sind konkret in der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert.

Im übrigen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestal­ tungsmerkmale in den Unteransprüchen enthalten.

Anhand von mehreren in der beiliegenden Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung nun noch näher erläutert werden. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemä­ ßen Federungssystems in vereinfachten, prinzi­ piellen Schnittansichten seiner Komponenten, d. h. insbesondere eines Federbeins und eines Kolben­ speichers,

Fig. 2 eine Ansicht analog zu Fig. 1 in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 eine weitere Darstellung analog zu Fig. 1 einer dritten Ausführungsform,

Fig. 4 die wesentlichen Teile bzw. Komponenten einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Federungssystems,

Fig. 5 den Kolbenspeicher in einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines Federungs­ systems.

In den verschiedenen Zeichnungsfiguren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so daß jede eventuell nur einmal vorkommende Beschreibung eines Teils analog auch für die jeweils anderen Zeichnungsfiguren gilt, in denen dieses Teil mit dem entsprechenden Bezugszeichen ebenfalls zu erkennen ist.

Ein erfindungsgemäßes Federungssystem besteht als Hauptkom­ ponenten aus mindestens einem hydraulischen Federbein 2 und einem mit diesem über eine hydraulische Verbindung 4 verbundenen, hydropneumatischen Kolbenspeicher 6.

Das Federbein 2 besteht seinerseits aus einem Zylinder 8, einem darin beweglich geführten Kolben 10 und einer mit dem Kolben 10 verbundenen, aus dem Zylinder 8 nach außen ge­ führten Kolbenstange 12, wobei der Kolben 10 innerhalb des Zylinders 8 einen "lasttragenden", d. h. unter einem lastab­ hängigen, hydraulischen Druck p_h stehenden Zylinderraum 14 von einem die Kolbenstange 12 umschließenden Ringraum 16 abteilt. Das Federbein 2 wird in einem Fahrzeug zur Rad- 18 oder einem bestimmten Achsteil und das gegenüberliegende Ende des Zylinders 8 mit einem Fahrzeugrahmen verbunden werden. Ein "umgekehrter" Einbau ist natürlich ebenfalls möglich.

Der Kolbenspeicher 6 ist vorzugsweise räumlich unabhängig von dem Federbein 2 ausgebildet und angeordnet und besteht aus einem Speicherzylinder 20, in dem ein Trennkolben 22 "schwimmend", d. h. frei beweglich geführt ist. Der Trenn­ kolben 22 teilt innerhalb des Speicherzylinders 20 einen über die hydraulische Verbindung 4 mit dem Federbein 2 verbundenen Hydraulik-Speicherraum 24 von einer mit einem kompressiblen Medium, insbesondere mit Gas, gefüllten Federkammer 26 ab.

Der lastabhängige hydraulische Druck p_h innerhalb des Zylinderraums 14 des Federbeins 2 wirkt über die hydrau­ lische Verbindung 4 auch in dem Speicherraum 24 des Kolben­ speichers 6. Durch eine entsprechende Verschiebung des Trennkolbens 22 und eine Komprimierung des kompressiblen Mediums in der Federkammer 26 stellt sich dort ein pneu­ matischer Druck p_p ein. Somit wird der Trennkolben 22 auf seiner dem Speicherraum 24 zugekehrten Seite mit dem hydraulischen Druck p_h beaufschlagt, wodurch aufgrund der Beziehung F = p·A eine "hydraulische Kraft" F_h erzeugt wird, die die Tendenz hat, den Trennkolben 22 in Richtung der Federkammer 26 zu verschieben. Dem wirkt allerdings eine "pneumatische Kraft" F_p entgegen, die durch Beauf­ schlagung der gegenüberliegenden Druckfläche des Trenn­ kolbens 22 mit dem pneumatischen Druck p_p entsteht.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß der Trennkolben 22 - zusätzlich zu den hydraulischen und pneumatischen Drücken p_h, p_p und den daraus resultierenden Kräften F_h und F_p - mit einer Zusatz-Federkraft F_F beaufschlagt ist. Hierfür gibt es nun mehrere Möglichkeiten, die im folgenden anhand der einzelnen Zeichnungsfiguren beispielhaft erläutert werden sollen.

Gemäß Fig. 1 wird der Trennkolben 22 mit einer Zusatz- Federkraft F_F beaufschlagt, die beispielsweise als eine erste, in Richtung der Federkammer 26 wirkende Federkraft F_F1 (in Fig. 1 mit einem voll eingezeichneten Pfeil ver­ anschaulicht) von einem mechanischen Federelement 28 er­ zeugt wird, welches hier als Schraubendruckfeder ausge­ bildet und innerhalb des Speicherraumes 24 angeordnet ist. Alternativ könnte hierzu jedoch auch eine Zugfeder in der Federkammer 26 angeordnet sein (nicht dargestellt). Hier­ durch wird nun erfindungsgemäß erreicht, daß die Zusatz- Federkraft F_F = F_F1 - aufgrund der Federkennlinie des Federelementes 28 - bei einer geringen Last des Federbeins 2, wenn nämlich aufgrund der entsprechend geringen hydrau­ lischen und pneumatischen Drücke p_h und p_p der Trennkolben 22 in einer in Richtung eines speicherraumseitigen Endan­ schlages verschobenen Stellung steht (kleines Volumen des Speicherraums 24 und größeres Volumen der Federkammer 26), größer ist als bei einer höheren Last, wenn nämlich auf­ grund der höheren Drücke p_h und p_p der Trennkolben 22 mehr in Richtung der Federkammer 26 verschoben ist. Dabei gilt aber jeweils die Gleichung F_p = F_h + F_F.

In Fig. 1 ist ferner als mögliche Alternative veranschau­ licht, daß die Zusatz-Federkraft F_F auch als eine zweite Federkraft F_F2 (durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet) den Trennkolben 22 in Richtung des Speicherraums 24 beauf­ schlagen kann. Dies kann erreicht werden, indem z. B. das im Speicherraum 24 angeordnete Federelement 28 als Zugfeder ausgebildet ist, oder indem in der Federkammer 26 eine Druckfeder angeordnet wird (nicht dargestellt). Bei dieser Ausführung wird dann eine zur obigen Wirkung "umgekehrte" Wirkung erreicht, d. h. die Zusatz-Federkraft F_F = F₂ ist bei einer geringen Last des Federbeins 2 und dementsprechend geringen Drücken p_h, p_p kleiner als bei einer höheren Last und entsprechend höheren Drücken p_h, p_p. Hierbei gilt die Gleichung F_h = F_p + F_F bzw. F_p = F_h - F_F.

Bei der in Fig. 2 veranschaulichten Ausführungsform wird der Trennkolben 22 sowohl mit der ersten Federkraft F_F1 als auch mit der entgegengesetzten zweiten Federkraft FF₂ beauf­ schlagt, so daß sich die resultierende Zusatz-Federkraft F_F aus der Differenz F_F = F_F1 - FF₂ ergibt. Je nach Höhe der einzelnen Federkräfte F_F1 und FF₂ ergibt sich hieraus eine Beaufschlagung des Trennkolbens 22 in Richtung des Spei­ cherraums 24 oder in Richtung der Federkammer 26, und zwar ist es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft, wenn die Federkraft-Kennlinien derart abgestimmt sind, daß durch die resultierende Zusatz-Federkraft F_F bei hoher Last des Feder­ beins 2 der dieser Last an sich entsprechende pneumatische Druck p_p reduziert wird (Kraft F_F2 überwiegt), während bei niedriger Last der dieser an sich entsprechende Druck p_p erhöht wird (Kraft F_F1 überwiegt). Die Wirkungsweise dieser Maßnahme wurde oben bereits eingehend erläutert, so daß an dieser Stelle auf die Beschreibungseinleitung verwiesen werden kann.

Wie sich nun ferner aus Fig. 2 ergibt, wird bei dieser Aus­ führung der Trennkolben 22 mittelbar über eine mit diesem verbundene Trennkolbenstange 30 beaufschlagt, wobei diese Trennkolbenstange 30 durch den Speicherraum 24 hindurch abgedichtet aus dem Speicherzylinder 20 geführt ist. An ihrem freien Ende ist die Trennkolbenstange 30 mit einem Kraftübertragungselement 32 verbunden, welches einerseits von einem ersten - funktionell dem Federelement 28 gemäß Fig. 1 entsprechenden und daher auch mit der gleichen Bezugsziffer bezeichneten - Federelement 28 sowie anderer­ seits in die entgegengesetzte Richtung von einem zweiten Federelement 34 beaufschlagt ist. Im dargestellten Bei­ spiel sind beide Federelemente 28 und 34 als Schrauben­ druckfedern ausgebildet, sie können jedoch durchaus auch durch funktionell entsprechende Zugfedern ersetzt werden. Ferner sind auch Kombinationen von Druck- und Zugfedern möglich.

In den Fig. 3, 4 und 5 sind nun Ausführungen veranschau­ licht, bei denen ein über die Trennkolbenstange 30 auf den Trennkolben 22 wirkendes Federelement 36 von einer Zylin­ derkolbeneinheit 38 gebildet ist. Diese Zylinderkolben­ einheit 38 besitzt mindestens einen Druckraum 40 bzw. 42, in dem ein elastischer Vorspanndruck p_v1 bzw. p_v2 herrscht, so daß durch Beaufschlagung eines Kolbens 44 die entspre­ chende Federkraft F_F bzw. F_F1, F_F2 erzeugt wird.

Im Falle der Fig. 3 ist der Druckraum 40 auf der dem Trenn­ kolben 22 abgekehrten Seite des Kolbens 44 angeordnet und mit dem Druck p_v1 beaufschlagt, so daß diese Ausführung funktionell insofern der Fig. 1 entspricht, als hier eben­ falls die Zusatz-Federkraft F_F als die erste Federkraft F_F1 erzeugt wird, die den Trennkolben 22 in Richtung der Feder­ kammer 26 beaufschlagt.

In der Ausführung nach Fig. 4 ist der Druckraum 42 auf der dem Trennkolben 22 zugekehrten Seite des Kolbens 44 an­ geordnet und mit dem Druck p_v2 beaufschlagt, so daß hier die Zusatz-Federkraft F_F = F_F2 den Trennkolben 22 in Richtung des Speicherraums 24 beaufschlagt.

Dabei ist in beiden Ausführungen gemäß Fig. 3 und 4 der je­ weilige Druckraum 40, 42 unmittelbar mit einem kompressi­ blen Medium gefüllt, so daß die Druckräume 40, 42 jeweils pneumatische Federkammern bilden.

Die Ausführungen nach Fig. 3 und 4 können natürlich auch so miteinander kombiniert werden, daß eine der Fig. 2 funktio­ nell entsprechende Ausführungsform entsteht, wobei die Zylinderkolbeneinheit 38 gleichzeitig beide Druckräume 40 und 42 aufweist.

Diese Ausführung ist in Fig. 5 veranschaulicht, wobei hier allerdings die Druckräume 40 und 42 nicht selbst mit einem pneumatischen Medium gefüllt sind, sondern vielmehr mit einem hydraulischen Medium, wobei jeder Druckraum 40, 42 mit einem hydropneumatischen Speicher 46, 48 verbunden ist.

Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, wenn die Höhe der jeweils wirksamen Zusatz-Federkraft F_F (F_F1, F_F2) über Einstellmittel veränderbar ist. Dies kann beispielsweise bei der in Fig. 2 veranschaulichten, mechanischen Ausfüh­ rung durch Veränderung der Vorspannung mindestens eines der Federelemente 28 und/oder 34 z. B. über mechanische Ein­ stellelemente 50 und/oder 51 erreicht werden. Bei den Aus­ führungsformen der Fig. 3 bis 5 ist dann jeweils mindestens einer der elastischen Vorspanndrücke p_v1 und/oder p_v2 über geeignete Druck-Einstellmittel variabel. Es kann hierdurch vorteilhafterweise eine Einstellung der Kennlinie der je­ weils wirksamen Zusatz-Federkraft F_F vorgenommen werden.

Im folgenden sollen nun noch einige Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Federungssystems erläutert werden.

Bei den Ausführungsformen der Fig. 1, 2 und 4 ist der Ringraum 16 des Federbeins 2 hydraulisch mit dem Zylinder­ raum 14 verbunden, so daß auch hier der hydraulische Druck p_h herrscht. Daher ergibt sich eine zur Erzeugung der Tragkraft maßgebliche Druckfläche des Kolbens 10 aus der Differenz der beiden gegenüberliegenden Kolbenflächen; die wirksame Druckfläche entspricht somit dem Querschnitt der Kolbenstange 12. Im Falle der Fig. 1 und 2 ist für diese hydraulische Verbindung vorgesehen, daß der Kolben 10 Durchgangspassagen 52 aufweist, über die das Hydraulik­ medium zwischen den Räumen 14 und 16 hin- und herströmen kann. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, kann alternativ hierzu der Ringraum 16 auch über eine externe Verbindung 54 mit dem Zylinderraum 14 verbunden sein. Bei diesen Aus­ führungen erübrigt sich dann eigentlich auch eine Kolben­ dichtung für den Kolben 10.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist demgegenüber der Ringraum 16 des Federbeins 2 über eine Lüftungsöffnung 56 des Zylinders 8 mit der Außenatmosphäre verbunden, so daß diese Kolbenseite praktisch drucklos ist (Atmosphären­ druck). Durch diese Ausgestaltung ist zur Erzeugung der Tragkraft die gesamte, dem Zylinderraum 14 zugekehrte Fläche des Kolbens 10 maßgebend. Hierdurch kann das Feder­ bein 2 auch für große Lasten sehr kompakt gehalten werden. Diese Ausführung eignet sich daher insbesondere für Last­ kraftwagen.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Hydraulikströmung zwischen dem Federbein 2 und dem Kolbenspeicher 6 insbeson­ dere beim Ausfedern des Federbeins 2 gedämpft wird. Hierzu ist zweckmäßigerweise in der hydraulischen Verbindung 4 zwischen dem Federbein 2 und dem Kolbenspeicher 6 ein ins­ besondere lastabhängig steuer- bzw. regelbares Dämpfungs­ ventil 58 angeordnet. Des weiteren könnte mit Vorteil in dieser hydraulischen Verbindung 4 auch ein - hier aller­ dings nicht dargestelltes - Absperrventil angeordnet sein, mit dem der Speicher 6 von dem Federbein 2 "abgekoppelt" werden könnte, wodurch eine Blockierung der Federungsbe­ wegungen des Federbeins 2 erreicht werden kann.

Das Federbein 2 bzw. dessen Zylinderraum 14 ist zudem vor­ teilhafterweise mit einer hydraulischen Nivelliereinrich­ tung 60 verbunden, die in den dargestellten Beispielen aus zwei Schaltventilen 62, 64 besteht, die eingangsseitig mit einer Druckleitung P einerseits und einer Tankleitung T andererseits sowie ausgangsseitig mit dem Zylinderraum 14 verbunden sind, so daß letzterer wahlweise mit der Druck­ leitung P oder der Tankleitung T verbunden werden kann. Hierdurch kann durch Zuführen oder Entnehmen von Hydrau­ likmedium das Niveau des Federbeins 2 eingestellt werden. Diese Niveaueinstellung kann vorteilhafterweise auch auto­ matisch bewirkt werden, und zwar durch geeignete Niveau­ sensoren, die die jeweilige Hubstellung des Federbeins 2 - beispielsweise durch eine Distanzmessung zwischen Achse und Rahmen - erfassen.

Der Vollständigkeit halber ist noch zu erwähnen, daß der Kolbenspeicher 6 aufgrund der mit dem Trennkolben 22 ver­ bundenen Trennkolbenstange 40 grundsätzlich als Druckwand­ ler derart ausgebildet ist, daß der pneumatische Druck p_p "normalerweise" stets geringer als der hydraulische Druck p_h ist. Dieser Druckunterschied wird nun allerdings durch die erfindungsgemäße Beaufschlagung des Trennkolbens 22 mit der Zusatz-Federkraft F_F jeweils beeinflußt. Dies kann - je nach Auslegung der Zusatz-Federkraft-Kennlinie - dazu füh­ ren, daß ab einem bestimmten Lastzustand der pneumatische Druck geringfügig größer als der hydraulische Druck wird. Allerdings kann dies durch geeignete Auslegung auch ohne weiteres vermieden werden.

Abschließend soll nun noch eine vorteilhafte Weiterbildung des Kolbenspeichers 6 erläutert werden. Hierbei handelt es sich darum, daß der Trennkolben 22 auf der Seite des Spei­ cherraumes 24 ein Verschlußelement 66 aufweist, welches in einer in Richtung eines speicherraumseitigen Endanschlages 68 verschobenen Absperrstellung des Trennkolbens 22 einen in den Speicherraum 24 mündenden Hydraulik-Anschluß 70 der­ art verschließt, daß ein von einem Restvolumen des Spei­ cherraumes 24 gebildeter, abgeschlossener, vollständig mit dem Hydraulikmedium gefüllter Druckraum (in den Zeichnungs­ figuren nicht bezeichnet) gebildet wird. Dabei ist das Ver­ schlußelement 66 derart federelastisch ausgebildet bzw. der­ art federelastisch relativ zu dem Trennkolben 22 beweglich angeordnet, daß der Trennkolben 22 gegen eine Federkraft über die Absperrstellung hinaus in Richtung des Endanschla­ ges 68 zumindest noch geringfügig beweglich ist. Diese Ausgestaltung hat den Zweck, in allen möglichen Betriebs­ zuständen stets eine hermetische Abdichtung der Federkammer gegen ein Entweichen des kompressiblen Mediums zu gewähr­ leisten. Zu derartigen Undichtigkeiten könnte es insbeson­ dere dann kommen, wenn der Speicherraum im wesentlichen drucklos ist und der Trennkolben hierdurch aufgrund des pneumatischen Druckes in der Federkammer an dem speicher­ raumseitigen Endanschlag zur Anlage kommt (Ausfederungs­ endlage). Dies ist z. B. der Fall, wenn bei der Herstellung des Kolbenspeichers mit noch nicht unter hydraulischem Druck stehendem Speicherraum die Federkammer schon mit einem bestimmten pneumatischen Vorspanndruck gefüllt wird. Ferner tritt dieser kritische Zustand auf, wenn das Feder­ bein 2 ganz entlastet wird. In allen diesen Fällen ist dann der pneumatische Druck sehr viel größer als der Druck innerhalb des Speicherraums, weshalb das kompressible Medium über die Trennkolbendichtung und den Speicherraum entweichen könnte. Durch das vorzugsweise vorhandene Ver­ schlußelement 66 stützt sich nun der Trennkolben 22 in der Absperrstellung, d. h. bereits vor Erreichen des mechani­ schen, speicherraumseitigen Endanschlages 68, auf dem in dem gebildeten Druckraum eingeschlossenen, hydraulischen Medium (Hydraulikpolster) ab, so daß sich aufgrund der in dieser Stellung noch möglichen Axialbewegung des Trennkol­ bens 22 durch dessen Beaufschlagung mit dem pneumatischen Druck stets automatisch auch ein entsprechender Gegendruck auf der Seite des Speicher- bzw. Druckraums einstellt. Dieser Gegendruck paßt sich zudem auch vorteilhafterweise automatisch an, wenn sich der pneumatische Druck beispiels­ weise temperaturbedingt ändern sollte. Auf diese Weise wird die Trennkolbendichtung stets von beiden Seiten her mit aneinander angepaßten Drücken beaufschlagt, so daß sie praktisch nie nur gegen den vollen pneumatischen Druck abzudichten braucht. Nähere konstruktive Einzelheiten bezüglich des Verschlußelementes 66 sind in dem DE-GM 90 12 936 enthalten, auf welches an dieser Stelle in vollem Umfang Bezug genommen wird.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschrie­ benen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Insbesondere können zur Erzeugung der Zusatz-Federkraft auch beliebige andere geeignete Federelemente verwendet werden, und es können auch Kombinationen unterschiedlicher Federelemente vorgesehen sein.

Die Erfindung ist im übrigen auch nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale defi­ niert sein. Dies bedeutet, daß grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern ist der An­ spruch 1 lediglich als ein erster Formulierungsversuch für die Erfindung zu verstehen.

So betrifft die Erfindung auch ein Federungssystem, wie es in Fig. 6 veranschaulicht ist, und bei dem es sich nicht um ein hydropneumatisches Federungssystem handelt, sondern vielmehr um ein hydraulisch-mechanisches Federungssystem, da ein Kolben-Federspeicher 6a verwendet wird, der in seiner Federkammer 26a kein pneumatisches Medium enthält, sondern hier ist der Speicherkolben 22a mit einer der hydraulischen Kraft F_h entgegenwirkenden Federkraft F beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel wird dies durch ein mechanisches Federelement 80 erreicht, welches hier als Druckfeder ausgebildet und innerhalb der Federkammer 26a des Federspeichers 6a angeordnet ist, wobei die Federkammer 26a über eine Lüftungsöffnung mit der Außenatmosphäre ver­ bunden ist, so daß hier Atmosphärendruck herrscht. Alter­ nativ hierzu ist es jedoch ebenfalls möglich, für die genannte Funktion der Erzeugung der Federkraft F ein Zug­ federelement z. B. im Speicherraum 24 anzuordnen.

Die Federcharakteristik des Federelementes 80 ist an die jeweilige Auslegung der Systemkomponenten derart angepaßt, daß stets gewährleistet werden kann, daß die Federkraft F mit entgegengesetzter Richtung in der Größenordnung der durch den sich lastabhängig einstellenden hydraulischen Druck bedingten hydraulischen Kraft liegt. Dies führt dazu, daß bei einer Auslegung des Speichers 6a mit kleiner vom hydraulischen Druck beaufschlagter Kolbenfläche - und dementsprechend (zur Aufnahme des jeweils verdrängten Hydraulikmediums) großem Kolbenhub - das Federelement 80 eine geringe Steifigkeit aufweist ("schwache Feder"), während bei Auslegung mit größerer Kolbenfläche - und dementsprechend kleinerem Kolbenhub - eine größere Feder­ steifigkeit vorgesehen ist ("starke Feder").

Der wesentliche Vorteil dieser Ausführung liegt darin, daß bei Leer- und Vollast des Federbeins 2 praktisch eine gleich gute Federcharakteristik und damit stets ein optima­ les Fahrverhalten erreicht werden kann. Abdichtungsprobleme im Bereich des Speichers können praktisch nicht mehr auf­ treten, da die Dichtung des Speicherkolbens 22a ausschließ­ lich den hydraulischen Druck abzudichten braucht.

Claims (14)

1. Hydropneumatisches Federungssystem insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit mindestens einem hydraulischen Federbein (2), welches bei seinen Federungsbewegungen über ein Hydraulikmedium gegen mindestens einen hydro­ pneumatischen Kolbenspeicher (6) wirkt, der einen einen Hydraulik-Speicherraum (24) von einer ein kom­ pressibles Medium, insbesondere ein Gas, enthaltenden Federkammer (26) trennenden Trennkolben (22) aufweist, wobei auf den Trennkolben (22) einerseits vom Spei­ cherraum (24) her ein hydraulischer Druck (p_h) und andererseits von der Federkammer (26) her ein pneuma­ tischer Druck (p_p) wirken, dadurch gekennzeichnet, daß zu­ sätzlich zu den aus dem hydraulischen Druck (p_h) und dem pneumatischen Druck (p_p) durch Beaufschlagung des Trennkolbens (22) resultierenden Kräften (F_h, F_p) auf den Trennkolben (22) des Kolbenspeichers (6) minde­ stens eine Zusatz-Federkraft (F_F; F_F1, F_F2) wirkt.

2. Federungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatz-Federkraft (F_F, F_F1) den Trennkolben (22) in Richtung der aus dem hydraulischen Druck resultieren­ den hydraulischen Kraft (F_h) beaufschlagt, und zwar insbesondere derart, daß die Zusatz-Federkraft bei einem geringen hydraulischen Druck (p_h) größer ist als bei einem höheren hydraulischen Druck (p_h).

3. Federungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatz-Federkraft (F₂, F_F2) den Trennkolben (22) in Richtung der aus dem pneumatischen Druck resultieren­ den pneumatischen Kraft (F_p) beaufschlagt, und zwar insbesondere derart, daß die Zusatz-Federkraft bei einem geringen hydraulischen Druck (p_h) kleiner ist als bei einem höheren hydraulischen Druck (p_h).

4. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkolben (22) einerseits in Richtung der hydrauli­ schen Kraft (F_h) mit einer ersten Zusatz-Federkraft (F_F1) und andererseits in Richtung der pneumatischen Kraft (F_p) mit einer zweiten Zusatz-Federkraft (F_F2) beaufschlagt ist, wobei sich eine resultierende Zusatz-Federkraft (F_F) aus diesen beiden gegensinnigen Federkräften insbesondere derart ergibt, daß durch die resultierende Zusatz-Federkraft (F_F) bei hohem hydrau­ lischen Druck (P_h) der sich aus diesem an sich ergeben­ de pneumatische Druck (p_p) reduziert und bei niedrigem hydraulischen Druck (P_h) der sich aus diesem an sich ergebende pneumatische Druck (p_p) erhöht werden.

5. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatz-Federkraft (F_F; F_F1, F_F2) durch mindestens ein insbesondere mechanisches Federelement (28) erzeugt wird, welches als Druck- oder Zugfeder ausgebildet und dabei vorzugsweise im Speicherraum (24) oder in der Federkammer (26) des Kolbenspeichers (6) den Trenn­ kolben (22) beaufschlagend angeordnet ist.

6. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkolben (22) des Kolbenspeichers (6) mit einer durch den Speicherraum (24) hindurch nach außen ge­ führten Trennkolbenstange (30) verbunden ist, wobei die Zusatz-Federkraft (F_F, F_F1, F_F2) durch mindestens ein als Druck- und/oder Zugfeder über die Trennkolben­ stange (30) auf den Trennkolben (22) wirkendes Feder­ element (28, 34) erzeugt wird.

7. Federungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das auf die Trennkolbenstange (30) wirkende Federelement (36) von einer Zylinderkolbeneinheit (38) gebildet ist, die mindestens einen Druckraum (40, 42) besitzt, in dem ein einen Kolben (44) beaufschlagender elasti­ scher Vorspanndruck (p_v1, p_v2) herrscht.

8. Federungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der/ jeder Druckraum (40, 42) der Zylinderkolbeneinheit (38) mit einem unter dem elastischen Vorspanndruck (p_v1, p_v2) stehenden, kompressiblen Medium, insbesondere einem Gas, gefüllt ist.

9. Federungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der/ jeder Druckraum (40, 42) der Zylinderkolbeneinheit (38) mit Hydraulikmedium gefüllt sowie hydraulisch mit einem hydropneumatischen, den Vorspanndruck (p_v1, p_v2) erzeugenden Speicher (46, 48) verbunden ist.

10. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der jeweils wirksamen Zusatz-Federkraft (F₁; F_F1; F_F2) über Einstellmittel veränderbar ist.

11. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Federbein (2) einen hydraulisch mit dem Kolbenspeicher (6) verbundenen Zylinderraum (14) sowie einen von die­ sem über einen Kolben (10) abgeteilten, eine Kolben­ stange (12) umschließenden Ringraum (16) aufweist, wo­ bei der Ringraum (16) entweder hydraulisch mit dem Zylinderraum (14) oder über eine Lüftungsöffnung (56) mit der Atmosphäre verbunden ist.

12. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in einer hydraulischen Verbindung (4) zwischen dem Feder­ bein (2) und dem Kolbenspeicher (6) ein insbesondere lastabhängig einstellbares Dämpfungsventil (58) ange­ ordnet ist.

13. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Federbein (2) über eine Nivelliereinrichtung (60) wahlweise mit einer hydraulischen Druckleitung (P) oder einer Tank-Rücklaufleitung (T) verbindbar ist.

14. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkolben (22) auf der Seite des Speicherraumes (24) ein Verschlußelement (66) aufweist, welches in einer in Richtung eines speicherraumseitigen Endanschlages (68) verschobenen Absperrstellung des Trennkolbens (22) einen in den Speicherraum (24) mündenden Hydrau­ lik-Anschluß (70) derart verschließt, daß ein ein Restvolumen des Speicherraumes (24) aufweisender, ab­ geschlossener, vollständig mit dem hydraulischen Medium gefüllter Druckraum gebildet ist, wobei das Verschlußelement (66) derart federelastisch ausgebil­ det ist, daß der Trennkolben (22) gegen eine Feder­ kraft über die Absperrstellung hinaus in Richtung des Endanschlages (68) beweglich ist.