DE9002419U1

DE9002419U1 - Hydropneumatischer Kolbenspeicher

Info

Publication number: DE9002419U1
Application number: DE9002419U
Authority: DE
Original assignee: Hermann Hemscheidt Maschinenfabrik & Co 5600 Wuppertal De GmbH
Current assignee: Hermann Hemscheidt Maschinenfabrik & Co 5600 Wuppertal De GmbH
Priority date: 1989-10-28
Filing date: 1990-03-02
Publication date: 1990-11-22
Anticipated expiration: 2000-03-03

Description

5658/+II/ÖW

Hennann Hemscheidt Maschinenfabrik GmbH & Co. Bemberg 97-102. 5600 Wuppertal 1

Hyriropneumatischer Kolbenspeicher

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydropneumatischen Kolbenspeicher, insbesondere für Kfz-Federungs.eysteme, mit einem schwimmend geführten Trennkolben, der einen Speicherraum für ein hydraulisches Medium von einer mit einem kompressiblen Medium gefüllten Federkammer trennt.

Hydropneumatisch^ Speicher haben die Aufgabe, hydraulische Energie zu speichern und sie bei Bedarf wieder abzugeben. Hierzu wird über ein hydraulisches Medium ein kompressibles Medium, insbesondere Gas, komprimiert, so daß der Druck des kompressiblen Mediums ansteigt. Dieser erhöhte Druck dient dann wieder zur Rückverdrängung des hydraulischen Mediums. Hydropneumatisch^ Speicher werden beispielsweise zur Deckung eines kurzzeitigen großen Flüssigkeitsbedarfs, zur Stoß- und Schwingungsdärnpfung, zur Aufreehterhaltung eines Druckes bei Pumpenausfall, zum Ausgleich von Leckverlusten oder zur Druck- und Volumenänderung in geschlossenen Systemen verwendet. Es sind hierbei verschiedene Speicher-Bauarten bekannt.

So kann beispielsweise das hydraulische Medium ohne Trennwand insbesondere gegen ein Gas wirken. Bei derartigen Speichern ohne Trennwand ist von Vorte _, daß keine Reibungskraft vorhanden und daher die Hysterese klein ist. Das Gas wird jedoch mit zunehmender Betriebsdauer von der Druckflüssigkeit absorbiert. Es dringt unter ungünstigen Arbeitsbedingungen in ds-s Hydrauliksystem ein und erfordert daher exne besondere Wartung.

Demgegenüber sind hydropneuraaxische Speicher mit Trennwand bekannt, wobei die Trennwand als Blase, Membran oder als Kolben ausgebildet sein kann. *■

Bei Blasen- sowie Membranspeichern ist von Nachteil, daß diese im Laufe der Zeit Gas verlieren, da das Gas durch die Blase bzw. die Membran diffundiert. Das Gas muß daher in gewissen Zeitabständen nachgefüllt werden. Weiterhin muß ein Blasenoder Membranspeicher größer dimensioniert werden, als dies für das jeweilige System eigentlich erforderlich wäre. Die Begründung hierfür ist, daß bei derartigen Speichern das Volumen der Federkammer bzw. kompressiblen Mediums bis auf Null komprimiert werden kann, so daß der Druck gegen unendlich ansteigt, was jedoch zur Zerstörung des Speichers führt, Daher muß der Speicher so groß ausgelegt werden, daß innerhalb des jeweiligen Systems niemals so viel Hydraulikmedium in den Speicherraum verdrängt werden kann, dafl dieses "Überkomprimieren" erfolgen kann. Ferner sind Membranen und Blasen stets starken Verformungen und damit verbunden großen Materialbeanspruchungen ausgesetzt, so daß ihre Lebensdauer nur gering ist.

Viele der angesprochenen Nachteile und Probleme werden bei hydropneumatischen Kolbenspeichern der gattungsgemäßen Art vermieden. Derartige Kolbenspeicher kommen beispielsweise in

hydropneumatischen Federungssystemen zum Einsatz, wie sie z.B. in der DE-OS 38 39 446 cder der DE-OS 36 13 677 beschrieben sind. Bei allen diesen Systemen werden bei Bewegungen einer zu federnden Masse, beispielsweise eines Fahrzeugrades oder einer Fahrzeugachse, ein Kolben und ein Zylinder einer Kolbenzylindereinheit relativ zueinander bewegt, wodurch ein hydraulisches Medium in Strömung versetzt wird, welches auf den eine "Kompressionsfeder" bildenden Federspeicher wirkt. Beim Einfedern strömt ein bestimmtes Volumen des Hydraulikmediums in den Speicherraum, wodurch der Trennkolben in Richtung der Federkammer verschoben wird und sich deren Volumen verringert. Durch diese Komprimierung wird ein Anstieg des Druckes des kompressiblen Mediums - im folgenden vereinfacht "pneumatischer Druck" genannt - und damit eine Federwirkung in der Federkammer hervorgerufen, wobei der erhöhte Druck über das Hydraulikmedium wieder zum Ausfedern auf die Kolbenzylindereinheit wirkt. Bei den aus den genannten Veröffentlichungen bekannten Federungssystemen ist jedoch der Kolbenspeicher jeweils in eine ein "Federbein" bildende Kolbenzylindereinheit integriert, wodurch diese relativ großvolumig wird, was aus Gründen des erhöhten Platzbedarfs nachteilig sein kann. Ferner ist von Nachteil, daß eine strömungsbedingte Erwärmung des Hydraulikmediums in der Kolbenzylindereinheit sich auf das kompressible Medium übertragen kann, wodurch der pneumatische Druck und damit die Federungseigenschaften verändert werden.

Ein Kolbenspeicher hat nun gegenüber einem Blasen- bzw.
Membranspeicher wesentliche Vorteile. Zum einen ist er über einen sehr langen Zeitraum hinweg praktisch absolut gasdicht. Weiterhin kann er wesentlich kleiner dimensioniert werden, da auf einfache Weise ein Reserveraum vorgesehen sein kann, so daß die Federkammer auch in der Einfederungs-Endlage ..des Trennkolbens noch ein bestimmtes Mindest-Restvolumen für das kompressible Medium aufweist. Hierdurch wird vermieden, daß

das Volumen der Federkammer bis auf Null komprimiert werden kann. Durch Bestimmung des Volumens des Reserveraums kann somit gewährleistet werden, daß ein bestimmter maximaler Druck nicht überschritten wird. Bei den bekannten Kolbenspeichern ist jedoch von Nachteil, daß hohe Anforderungen an die Abdichtung des Trennkolbens zwischen der Federkammer und dem Speicherraum gestellt werden, da hier eine Gasdichtigkeit gewährleistet sein muß. Gasdichtungen sind jedoch wesentlich aufwendiger als Flüssigkeitsdichtungen, d.h. üblicherweise sind mehrere Umfangsdichtungen erforderlich. Dabei muß zudem die Innenfläche des den Trennkolben aufnehmenden Zylinders sehr sorgfältig bearbeitet sein, um die Dichtigkeit zu gewährleisten. Die vorgesehenen Dichtungen des Trennkolbens führen zu einer erhöhten Reibungskraft, so daß auch eine größere Verschiebekraft für den Trennkolben erforderlich ist als es der pneumatische Druck normalerweise erforderlich machen würde. Beim Ausfedern (Verschiebung des Trennkolbens in Richtung des Speicherraums) wirkt dann die Reibungskraft dem pneumatischen Druck entgegen. Diese Reibungskraft macht: sich damit besonders bei dynamischen Vorgängen negativ bemerkbar. Die Dichtungsreibung ist zum einen abhängig vom Druck und zum anderen auch von der Bewegungsgeschwindigkeit. Bei hohem Druck ist die Dichtungsreibung entsprechend hoch. In Ruhelage des Trennkolbens ist die Dichtungsreibung aber wesentlich größer als bei einer Bewegung. Der Unterschied zwischen der Ruhereibung (Haftreibung) und der Bewegungsreibung (Gleitreibung) macht sich im Betrieb besonders negativ bemerkbar. Wird im Ruhezustand des Trennkolbens Hydraulikmedium in den Speicherraum gedrückt, so erfolgt ein Druckaufbau solange, bis die Ruhereibung der Trennkolben-Dichtungen überwunden ist. Danach fährt der Trennkolben schlagartig los ("Losbrechmoment"), und der hydraulische Druck fällt schlagartig um den entsprechenden Betrag zwischen Ruhereibung und Bewegungsreibung ab. Beispielsweise in Fahrzeug-Federungssysteiiien macht sich dieser

t · &igr; I · »

Effekt bei Bewegungen, d.h. bei Federungsbewegungen, als Kraftstöße auf das "Federbein" bemerkbar. Bei oszillierenden Bewegungen des Trennkolbens tritt noch zusätzlich folgender Effekt auf. Bei Bewegung des Trennkolbens in Ausfederungsrichtung wirkt die Reibungskraft der Trennkolben-Dichtungen dem pneumatischen Druck entgegen, d.h. der hydraulische Druck ist entsprechend der Reibungskraft geringer. Kommt der Trennkolben zum Stillstand, wird die Dichtungsreibung entsprechend größer. Um den Trennkolben nun zurückzuschieben, muß sich ein entsprechender Druck aufbauen. Für ein "Federbein" hat dies zur Folge, daß bei Stillstand des Trennkolbens die Ausfederkraft wesentlich geringer als die Einfederkraft ist. Diese Kraftdifferenz ist abhängig vom Druck innerhalb des jeweiligen Systems.

Bei hydropneumatischen Federungssystemen ist die Tragkraft der Kolbenzylindereinheit gleich dem Produkt Druck des kompressiblen Mediums in der Federkammer mal von diesem pneumatischen Druck beaufschlagte Druckfläche des Trennkolbens bzw. Druck des hydraulischen Mediums mal von diesem hydraulischen Druck beaufschlagte Druckfläche des Kolbens der Kolbenzylindereinheit, wobei im Falle der bekannten Systeme der pneumatische Druck gleich dem hydraulischen Druck ist. Bei den bekannten Systemen wurde nun aus Sicherheitsgründen eine hohe Tragkraft insbesondere durch eine große Druckfläche von Trennkolben bzw. Kolben erzielt, woraus aber nachteiligerweise auch eine größe Bauform (Querschnitt) der Kolbenzylindereinheit resultiert, &mgr;&ggr;&Lgr; zwar insbesondere dann, wenn der Kolbenspeicher mit Federkammer, Trennkolben und Speicherraum in die Kolbenzylindereinheit integriert ist, wie dies bei den aus den oben genannten Veröffentlichungen bekannten Systemen der Fall ist. Insbesondere in Kraftfahrzeug-Federungssystemen ist dies jedoch von Nachteil, da im Bereich der zu federnden Räder oder Achsen oft nur wenig Platz zur Verfügung steht. Üblicherweise wird daher

anstelle der Druckfläche der Druck entsprechend gesteigerr. Da aber zudem aus Gründen des Federungskomforts auch eine möglichst flache, d.h. weiche Federkennlinie erwünscht ist, müßte hierbei auch das Gesamtvolumen der Federkammer sehr groß sein, damit die Federkammer das gesamte Belastungsverhältnis mit möglichst geringer Druckänderung (Volumenänderung) über den Verschiebeweg des Trennkolbens hinweg "aufnehmen" kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen hydropneumatisehen Kolbenspeicher der gattungsgemäßen Art so zu verbessern, daß er bei konstruktiv einfacher und kompakter Ausgestaltung optimale Federungseigenschaften gewährleistet .

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Trennkolben als Druckwandler mit zwei unterschiedlich großen, wirksamen Druckflächen ausgebildet ist. Hierbei ist unter dem Begriff "wirksame Druckfläche" jeweils die von dem pneumatischen bzw. dem hydraulischen Druck beaufschlagte und dabei für die Entstehung einer in Bewegungsrichtung des Trennkoibens wirkenden Verschiebungskraft maßgebende Oberfläche des Trenn kolbens zu verstehen. Vorzugsweise ist die der Federkanuner zugekehrte, von dem pneumatischen Druck beaufschlagte, erste Druckfläche größer als die gegenüberliegende, von dem hydraulischen Druck beaufschlagte, zweite Druckfläche, so daL s^rindungsgemäß der pneumatische Druck kleiner als der hydraulische Druck ist.

Durch die Erfindung kann vorteilhafterweise der Trennkolben mit einer vereinfachten "Öldichtung" anstelle der bisher erforderlichen, aus mindestens drei bis fünf Einzeldichtungen bestehenden "Gasdichtung" ausgestattet werden, da dem Druck des kompressiblen Mediums, insbesondere Druckluft, der höhere Druck des Hydraulikmediums entgegensteht. Dies trägt zu der angestrebten, kompakten Baufonrs bei, da der Trennkolben mit

nur einer Umfangsdichtung und daher mit wesentlich kürzerer, axialer Länge ausgebildet werden kann. Dabei braucht diese Dichtung vorteilhafterweise auch nur für den Differenzdruck zwischen dem pneumatischen und dem hydraulischen Druck ausgelegt zu sein.

Wird der erfindungsgemäße Kolbenspeicher in einem Kfz-Federungssystem eingesetzt;, so isc hierbei von Vorteil, daß aufgrund des höheren hydraulischen Druckes der Kolbenzylindereinheit die Druckfläche des die Last aufnehmenden Kolbens kleiner und damit die Kolbenzylindereinheit selbst ebenfalls kompakter ausgebildet werden kann.

Obwohl der Trennkolben von beiden Seiten her mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt wird, wird er dennoch von beiden Seiten her mit einer gleichen Kraft beaufschlagt, wobei die Kraft jeweils gleich dem Produkt Druck mal beaufschlagte Druckfläche ist (Prinzip einer "Druckwaage").

Durch die Erfindung wird die Reibungskraft des Trennkolbens wesentlich reduziert. Da der pneumatische Druck geringer als der hydraulische Druck ist, wird die Dichtung des Trennkolbens auch nur mit dem Differenzdruck beaufschlagt und hat daher eine entsprechend geringe Reibung. Dies ist besonders vorteilhaft bei dynamischen Vorgängen und trägt zu den angestrebten, optimalen Federungseigenschaften bei.

Der erfindungsgemäße Kolbenspeicher ist vorzugsweise als gesondertes Bauteil mit einem eigenen, abgeschlossenen Zylinder ausgebildet, in dem der Trennkolben geführt ist und den Speicherraum von der Federkammer trennt. Dabei besitzt der Zylinder einen in die Federkammer mündenden FUllanschluß *5owie einen in den Speicherraum mündenden Anschluß für eine externe Leitungsverbindung, über die der Kolbenspeicher in das jewei

llge Hydrauliksystem geschaltet werden kann. Im Falle von Federungssystemen ist hierbei von Vorteil, daß das "Federbein" selbst noch kompakter ausgebildet sein kann. Weiterhin kann der erfindungsgemäße Kolbenspeicher vorreilhafterweXse an beliebigen Stellen, beispielsweise an einem Fahrzeugrahmen, angeordnet werden, wo genügend Platz zur Verfügung steht, und wc ?r auch gegen mechanische Einwirkungen gesenk ;t ist. Zudem kann der Kolbenspeicher auch gegen äußere Temperatureinflüsse, wie Sonneneinstrahlung., geschützt werden, die unter Umständen einen negativen Einfluß auf die Federcharakteristik hätten. Auch eine Übertragung der in dem Federbein entstehenden Reibungswärme auf den Kolbenspeicher ist vorteilhafterweise i,_ nahezu ausgeschlossen.

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

% Anhand mehrerer, in der Zeichnung dargestellter Ausführungs- % beipiele soll die Erfindung im folgenden näher erläutert , werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine erste AusfUhrungsform eines erfindungsgemäßen ;_t Kolbenspeichers in vereinfachter 'i'eil-Längsschnitt- ■->' Darstellung, &iacgr;

Fig. 2 eine Ansicht analog zu Fig. 1 einer zweiten, weiter- $ gebildeten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine vergrößerte Detailansicht in Richtung des ■ Pfeils III in Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht analog zu Fig. 1 bzw. Fig. 2 einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine vierte Ausführungsform der Erfindung wiederum in Teil-Längsschnitt-Darstellung,

Fig. 6 eine Ansicht analog zu Fig, 5 ©.ix^i: weiteren Äus- fülirungsform des erfindungsgemäB-: * KolberispeiciUsi s,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführung des ar finau:; jagen·* Ren Kolbcispeichers mit einem integr _ arten Dämr-'ungsventil,

Fig. 8 einen Querschnitt 1-ä.rts der Linie VIII-VIII in Fig. 7 und

Fig. 9 eine Schnittdarstellung einer stark vereinfachten Ausführung eines Dämpfungsventils zur Erläuterung der prinzipiellen Wirkungsweise.

In den verschiedenen Fig-jren der Zeichnung sind gleiche bzw. gleichwirkende Teile und Komponente stets mit den gleichen

! Bezugsziffern bezeichnet.

■ Wie sich zunächst aus Fig. 1 ergibt, besitzt ein erfindungs-

gemäßer Kolbenspeicher 2 einen Zylinder 4, in dem ein Trennkolben 6 schwimmend, d.h. freibeweglich, geführt ist. Dieser Trennkolben 6 trennt innerhalb des Zylinders 4 eine mit einem kompressiblen Medium gefüllte Federkammer 8 von einem Speicherraum 10, der zur Aufnahme eines nicht kompressiblen, hydraulischen Mediums dient. Innerhalb der Federkammer 8 herrscht ein pneumatischer Druck P₁ und in dem Speicherraum 10 ein hydraulischer Druck p₂. Als kompressibles Medium kann ein Gas, insbesondere Druckluft, oder auch beispielsweise Silikon oder dergleichen kompressiblea Medium mit gegenüber Gas höherer

Dichte verwendet werden. Demzufolge beschränkt sich der Bejriff "pneumatischer" Druck im Sinne der vorliegenden Erfindung keineswegs nur auf G&sü.

Der Kolbenspeicher 2 besitzt einerseits einen in die Federkammer 8 mündenden Füllanschluß 12, der mit einem Verschlußelement, insbesondere einem Ventil 14, ausgestattet ist, sowie andererseits einen in den Speicherraum 10 mündendan Anschluß 16 für eine externa Leitungsverbindung 18. Der Trennkolben 6
ist über eine Umfangsdichtung 20 gegen die Innenwandung des Zylinders 4 abgedichtet.

Hierbei ist nun der Speicherraum 10 über den Anschluß 16 und die Leitungsverbindung 13 beispielsweise mit einer nicht dargestellten Kolbenzylindereinheit verbindbar. Bei Federungsbewegungen dieser Kolbenzylindereinheit strömt ein entsprechendes Volumen des hydraulischen Mediums zwischen der Kolbenzylindereinheit und dem Speicherraum 10 des erfindur.gsgemäßen Kolbenspeichers 2 hin- und her. Hierdurch erfolgt in an sich bekannter Weise auch eine Verschiebung des Trennkolbens 6 gegen die pneumatische Federwirkung des in der Federkammer 8 enthaltenen Mediums. Dabei beaufschlagt das kompressible Medium den Trennkolben 6 von der Seite der Federkammer 8 her mit dem pneumatischen Druck P₁, während das Hydraulikmedium in dem Speicherraum 10 mit dem Druck p₂ gegen den Trennkolben 6 wirkt.

Erfindungsgemäß ist nun der pneumatische Druck P₁ kleiner, und zwar zumindest geringfügig kleiner, als der hydraulische Druck P₂. Hierzu ist der Trennkolben 6 erfindungsgemäß als Druckwandler mit zwei unterschiedlich großen Druckflächen 22 und 24 ausgebildet. Die der Federkammer 8 zugekehrte, von dem pneumatischen Druck P₁ beaufschlagte, erste Druckfläche ?2 ist dabei erfindungsgemäß größer als die gegenüberliegende, von

dem hydraulischen Druck p₂ beaufschlagte, zweite Druckfläche 24. Um diese Flächendifferenz zu gewährleisten, ist der Trennkolben 6 erfindungsgemäß mit einer Trennkolbenstange 26 verbunden, die sich durch den Speicherraum 10 hindurch sowie über eine Umfangsdichtung 27 abgedichtet aus dem Zylinder 4 nach außen erstreckt. Somit weist der Speicherraum 10 einen gegenüber dem Innenquerschnitt der Federkammer 8 bzw. des Zylinders 4 reduzierten, ringförmigen, zu der Trennkolbenstange 26 konzentrischer. Querschnitt auf. Über eine Variation des Verhältnisses zwischen dem Innenquerschnitt des Zylinders 4 und dem Querschnitt der Trennkolbenstange 26, d.h. über eine Variation des Verhältnisses zwischen den wirksam druckbeaufschlagten Druckflächen 22 und 24, läßt sich hierbei erfindungsgemäß auch das Druckverhältnis P₁ : p₂ verändern.

Erfindungsgemäß arbeitet der als Druckwandler ausgebildete Trennkolben 6 nach dem Prinzip einer "Druckwaage", wobei stets ein Gleichgewicht zwischen zwei gegeneinander wirkenden Kräften besteht, die als Produkt aus der jeweiligen Druckfläche 22, 24 und dem jeweiligen Druck P₁, p₂ stets gleich sind. Es gilt die Gleichung

^F = Pl * ^A22 = P₂ ' ^A24'

wobei A₂₂ die Oberfläche der Druckfläche 22 und A_2H diejenige der Druckfläche 24 bedeuten.

Wie weiterhin in Fig. 1 dargestellt ist, kann in der externen Leitungsverbindung 18 ein insbesondere lastabhängig einstellbares Dämpfungsventil 28 angeordnet sein. Dieses Dämpfungsventil 28 besitzt ein Verstellglied 30, welches über ein Schaltventil 32 mit dem jeweils anstehenden, hydraulischen Druck p₂ beaufschlagbar ist. Das Dämpfungsventil 28 kann jedoch erfindungsgemäß auch in den Kolbenspeicher 2 integriert sein, was

■&igr;"! - 12 - ,;

im folgenden unter Bezug auf die Fig. 7 bis 9 noch beschrieben werden wird.

In einer in Fig. 2 und 3 veranschaulichten Weiterbildung der Erfindung ist der Kolbenspeicher 2 mit einer hydraulischen Endlagen-Stoßdämpfung für den Trennkclben 6 (hydraulische Bremse) ausgestattet, die hier insbesondere in Ausfederungsrichtung, d.h. in Entspann-Richtung der pneumatischen Feder, '' wirkt. Der Trennkolben 6 weist auf der Seite des Speicherraumes 10 einen axialen, konzentrischen Ringsteg 34 derart auf, daß zwischen diesem Ringsteg 34 und der Innenwandung des Zylinders 4 ein geringer Ringspalt 36 gebildet ist. Der Ringsteg 34 umschließt die Trennkolbenstange 26 konzentrisch mit Abstand. Ferner ist der in den Speicherraum 10 mündende An-Schluß 16 im dem Trennkolben 6 axial abgekehrten Endbereich der Umfangswandung des Zylinders 4 angeordnet und besitzt hierbei eine innere Mündungsöffnung 38, die gemäß Fig. 3 eine sich in dem Trennkolben 6 axial abgekehrter Richtung insbesondere birnen-form lcr verlünaende Flächenform besitzt. Hierdurcn ist erfindungsgemäß zwischen dem Anschluß 16 und dem Speicherraum 10 ein Drosselkanal mit einem sich in Abhängigkeit von der Trennkolbenbewegung ändernden Strömungsquerschnitt gebildet. Dieser Drosselkanal wird in Ausfederungsrichtung kleiner und in Einfederungsrichtung entsprechend größer. Dabei ist es wesentlich, daß der Drosselkanal in der Ausfederungs-Endlage des Trennkolbens 6, in der der Ringsteg 34 auf einem radial nach innen weisenden, die Umfangsdichtung 27 haltenden Zylinder-Endsteg 40 aufliegt, noch einen bestimmten Mindest-Strömungsquerschnitt aufweist, damit der Druck p₂ die Druckfläche 24 zum Einfedern des Trennkolbens 6 beaufschlagen kann. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn der Ringsteg 34 des Trennkolbens 6 radiale Druchströmöffnungen 42 beispielsweise in Form von Ausnehmungen oder Löchern aufweist.

Zusätzlich zu dieser hydraulischen Endlagen-Stoßdämpfung in Ausfederungsrichtung kann der erfindungsgemäße Kolbenspeicher 2 auch mit einer entsprechenden Endlagen-Stoßdämpfung in Einf ederungsrichtung ausgestattet sein, die dann auf der Seite der Feuerkammer 8 angeordnet und als pneumatische Dämpfung

däj.yc3tSxxt /

Erfindungsgemäß ist nun weiterhin die Federkammer 8 derart mit mindestens einem Reserveraum 46 (Fig. 1, 2, 4 und 7) bzw- 48 (Fig. 5, 6 und 7) verbunden, daß in der Einfederungs-Endlage des Trennkolbens 6, d.h. wenn dieser nach maximaler Verschiebung in Richtung der Federkammer 8 an einem mechanischen Anschlag 50 zur Anlage kommt, noch ein bestimmtes Mindest-Restvolumen V_reB für das kompressible Medium vorhanden ist. Hierdurch wird vorteilhafterweise vermieden, daß das kompressible Medium in der Federkammer 8 zu stark (bis auf Null) komprimiert wird, wodurch der Druck P₁ unzulässig hoch ansteigen würde und der Speicher platzen könnte. Die Größe bzw. das Volunsen V des Reserveraunis 46 bzw^ 48 ist somit maßgebend für den maximalen Druck p_m(Ut, der darüber hinaus aber auch von dem Druck p_aUB ( "Leer lauf druck") in der ganz ausgefederten Lage des Trennkolbens 6 sowie von dem dazugehörigen Maximalvolumen V_Bax = Volumen V_Fk der Federkammer 8 plus V_res abhängig ist. Aufgrund der Gesetzmäßigkeit &rgr; · V= konst. gilt:

Pau. · (V_n, + &ngr;«.)*= p_max - V_r£

P-« = Paus ' ("

V.V +

res

Der Einfluß der Größe des Reserveraums 46 bzw. 48 auf den maximal möglichen Druck p_Bax soll an folgendem Zahlenbeispiel verdeutlicht werden, wobei ein von der Art des kompressiblen Mediums und dem jeweiligen Betriebszustand abhängiger Faktor (30 unberücksichtigt bleiben soll. Es sei p_aus gleich 20 bar und V_Fk gleich 1.000 cm³; damit ergibt sich

a) bei V_r&ldquor; = 100 cm³

__. . 1000 + 100 p_BM = 20 bar · jgg

p&ldquor;.. = 220 bar.

b) bei V_r&ldquor; = 300 cm³

__ . !&Ogr;&Rgr;&Ogr; + 300 &Rgr;»« = ^{20 bar} * 3ÖÖ

P... = 86,7 bar

Das Volun.an V_reil des Reserveraums 46 bzw. 48 bestimmt daher aber auch das für die Federkennlinie maßgebende, sogenannte Stoßverhältnis P_BM/p_aue, so daß durch Volumen-Auslegung des Reserveraums 46, 48 die Federcharakteristik festgelegt werden kann.

In den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 ist nun erfindungsjjomHfl &Lgr;&eegr;&tgr;· D<=»ooT--tra-i- = ,im &Dgr;A f ronnVnl hnncoi -H ft annDnrdnpt <·&Pgr;^ mit konstantem, einmal durch entsprechende Berechnung bestimmten Volumen V_re. von einer sich axial durch den Trennkolben 6 hindurch in die Trennkolbenstange 26 erstreckenden Vertiefung 52 gebildet.

In der Ausführung nach Fig. 7 setzt sich der Reserveraum aus dem trennkolbenseitigen Reserveraum 46 sowie einem diesem gegenüberliegenden, zylinderseitigen Reserveraum 48 zusammen. Dabei besitzt dieser Reserveraum 46, 48 ebenfalls ein konstantes Volumen V_ree. Der trennkolbenseitige Reserveraum 46 ist von einer sich axial in den Trennkolbe.: 6 erstreckenden Vertiefung 52 gebildet und der gegenüberliegende Reserveraum 48 von r.iner sich auf der dem Trennkolben 6 gegenüberliegenden Seite an die Federkammer 8 anschließenden Zylinderkammer 54.

Gemäß Fig. 4 ist demgegenüber die Trennkolbenstange 26 zur Bildung des Reserveraums 46 hohl, insbesondere hohlzylindrisch, ausgebildet, und der Reserveraum 46 ist über mindestens eine axiale Passage 56 des Trennkolbens 6 mit der Federkammer 8 verbunden.

In den in Fig. 4, 5 und 6 dargestellten, besonders vorteilhaften Aus führungs formen der Erfindung ist nun vorgesehen, daß das Volumen des trennkolbenseitigen Reserveraums 46 bzw. das Volumen des dem Trennkolben 6 gegenüberliegenden, zylinderseitigen Reserveraums 48 über Stellmittel 60 von außen veränderbar ist. Dies bedeutet, daß erfindungsgomäß durch Variation des Volumens V_n, des Reserveraums 46 und/oder 48 der Stoßgrad Pmi/P.u. ^un<* damit die Federcharakteristik verändert werden kann, und zwar vorteilhafterweise von außen ohne Demontage des Kolbenspeichers 2.

Im Falle der Ausführungsform nach Fig. 4 weisen die Stellmittel 60 einen Steuerkolben 62 auf, der innerhalb der hohlzylindrischen Trennkolbenstange 26 axial verschiebbar geführt ist. Der Steuerkolben 62 ist dabei erfindungsgemäß entweder mechanisch oder mittels eines Druckmediums, insbesondere hydraulisch, verstellbar. Bei der Ausführung nach Fig. 4 ist eine mechanische Verstellung vorgesehen. Hierzu ist der Steuerkolben 62 auf seiner dem Trennkolben 6 abgekehrten Seite mit einer Gewindespindel 64 verbunden, die eich durch ein Innengewinde am Ende der Trennkolbenstange 26 nach außen erstreckt. Hierdurch erfolgt bei Drehung der Gewindespindel 64 eine axiale Verstellung des Steuerkolbens 62 in Doppelpfeilrichtung 66. Auf der dem Trennkolben 6 abgekehrten Seite des Steuerkölbens 62 ist ein die Gewindespindel 64 umschließender Ringraum 68 gebildet, der über mindestens eine Lüftungsöffnung 7C mit atmosphärischem Druck verbunden ist. Aus diesem Grund ist der Steuerkolben 62 über eine als Gasdichtung ausgebildete Um-

J	fangsdichtung	72	- 16 -	der	hohlzylindrischen
V	Kolbenstange	26	gegen die Innenwandung
			abgedichtet.

Gemäß Fig. 5 und 6 weisen die Stellmittel 60 einen innerhalb der ZyJ.indsrkaxnmer 54 verstellbar geführten Steuerkolben 74 auf. Im Falle der Fig. 5 ist dieser Steuerkolben 74 analog zur Ausführung nach Fig. 4 mechanisch verstellbar wozu er auf seiner dem Trennkolben 6 abgekehrten Seite mit einer Gewinde- i spindel 76 verbunden ist, die sich durch ein Innengewinde des " Zylinders 4 nach außen erstreckt. Die Gewindespindel 76 ist mit einem nur schematisch dargestellten Rotationsantrieb 78 aus einem Motor 80 und einem Getriebe 82 verbunden. Auch hier ist wiederum ein innerhalb der Zylinderkammer 54 die Gewindespindel 76 umschließender Ringraum 84 über mindestens eine Lüftungsöffnung 86 mit der Außenatmosphäre verbunden, so daß der Steuerkolben 74 ebenfalls mit einer hier aus zwei Umfangsdichtungen 72 bestehenden Gasdichtung ausgestattet ist.

Die Ausführungsform nach Fig. 6 entspricht im wesentlichen derjenigen nach Fig. 5, wobei allerdings hier eine hydraulische Verstellung des Steuerkolbens 74 vorgesehen ist. Hierzu |j mündet in einen auf der dem Trennkolben 6 abgekehrten Seite | des Steuerkolbens 74 angeordneten Druckraum 88 ein Anschluß § 90, der über eine Leitungsverbindung 92 sowie über ein Schalt- | ventil 94 wahlweise mit einer Druckleitung P oder einer Tank-Rücklaufleitung T eines Hydrauliksystems verbunden werden kann. Hierbei wird der hydraulische Druck von einer Pumpe 96 ' erzeugt und vorzugsweise in einem zusätzlichen Speicher 98 ge- | speichert, so daß stets ein ausreichender hydraulischer Druck '& zur Verfügung steht. Dabei ist erfindungsgemäß auch der Steu- | erkolben 74 als Druckwandler ausgebildet, so dc^R der hydrauli= *^s sehe Steuerdruck p₃ größer als der pneumatische Druck P₁ ist. Hierdurch kann der Steuerkolben 74 vorteilhafterweise mit einer vereinfachten, als "Öldichtung" ausgebildeten Umfangs-

dichtung 100 ausgestattet werden. Analog zu dem Trennkoiben 6 wird dieser Druckunterschied im Bereich des Steuerkolbens 74 dadurch erreicht, daß der Steuerkolben 74 auf seiner der Federkammer B abgekehrten Seite mit einer Steuerkolbenstange 102 verbunden ist, die über eine Umfangsdichtung 104 abgedichtet aus den·. Zylinder 4 bzw. der Zylinderkammer 54 nsch außen.

geführt ist.

In allen darg^s?- llten A:.sführungsbeispielen, in denen eine

j . &lgr; verstellung des Volumens &ldquor;, des Reserveraums vorgesehen ist, ist es zudem besonders ve. &khgr; Lailhaf t., wenn der Steuerkolben 62 bzw, . 4 auf seiner der Feuerkammer 8 zugekehrten Seite eine Vertiefung 1Ö6 aufweist, die &±z^i bei einer Verstellung des Steu^rkolbens 62 bzw. 74 in Richtung der Federkammer 8 gegen einen mechanischen Endanschlag 107 stets noch ein Mindest-Restvolumen für das kompressible Medium gewährleistet.

Wie beispielhaft in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, können/ kann der Trennkolben 6 und/oder der Steuerkolben 74 mit (jeweils) einem die Kolbenstellung erfassenden Weggeber 108, 110 verbunden sein. Hierdurch läßt sich über einen mit dem Weggeber 108, 110 verbundenen Rechner 112 im dynamischen Betrieb \ { , das Volumen V_rea des Reserveraums 48 an bestimmte Verhältnisse anpassen. Dabei läßt die erfaßte Stellung des Trennkolbens 6 eine Aussage über die Belastung bzw. den Fede-

: rungszustand zu. Anhand der Stellung des Steuerkolbens 74

j läßt sich das Verhältnis V_B&ldquor;/V_re. bzw. ?.&ldquor;/?,&ldquor;&ldquor; d.h. der

J Stoßgrad bzw. die Federcharakteristik einstellen und über-

■ wachen. Hierzu werden die Stellmittel 60 von dem Rechner

&ggr; 112 angesteuert, d.h. im Falle der Fig. 5 steuert der Rech-

; ner 112 den Motor 80 des Rotationsantriebes 78, und im Falle der Fig. 6 wird durch den Rechner 112 das Schaltventil 94 in eine seiner beiden Durchlaßstellungen geschaltet.

Wie oben bereits erwähnt, ist der erfindungsgemäße Kolbenspeicher 2 in der Ausführungsform nach Fig. 7 und 8 mit einem integrierten, zwischen. 3en> Speicherraum 10 und dessen Anschluß 16 angeordneten, insbesondere hinsichtlich der Dämpfungswirkung verstellbaren Dämpfungsventil 28 ausgestattet. Das Dämpfungsventil 28 besitzt eine erste Ventilkammer 120, in die der Anschluß 16 mündet, sowie eine zweite Ventilkammer 122, die über einen nur in Fig. ? gestrichelt dargestellten Kanal 124 mit dem Speicherraum 10 verbunden ist. Das Dämpfungsventil 28 besteht hierbei vorzugsweise aus zwei einzelnen Drosselventilen 124 und 126, und zwar einem Einfederungs-Drosselventil 124 zum Dämpfen der Einfederungs-Strömung in den Speicherraum 10 hinein sowie einem Ausfederungs-Drosselventil 126 zum Dämpfen der Ausfederungs-Strömung aus dem Speicherraum 10 heraus. Die beiden Ventilkammern 120 und 122 sind über eine Trennwand 128 voneinander getrennt, wobei sich durch diese Trennwand 128 hindurch für jedes Drosselventil 124 bzw. 126 mindestens ein Drosselkanal 130 erstreckt. Die Drosselkanäle 130 sind dabei zur Dämpf ungseinstellur.g jeweils mit einem Ventilelement ausgestattet.

Wie nun in Fig. 9 vereinfacht dargestellt ist, ist jedes Ventilelement als den Drosselkanal 130, im dargestellten Beispiel jeden von mehreren Drosselkanälen 130, an seiner Austrittsmündung 132 für das hydraulische Medium zumindest teilweise abdeckendes, einend?£ eingespanntes Blattfederelement 134 ausgebildet. Dabei erfolat die Dämpfungseineinstellung durch Variation der freien Blattlänge bzw. der Einspannlänge 1 des Blattfederelementes 134. Hierzu ist zweckmäßigerweise jeweils ein längs des Blattfederelementes 134 über dieses hinweg derart beweglich geführtes Andr'uckelement 136 vorgesehen (siehe den Doppelpfeil 138 in Fig.

9), daß das Blattfederelement 134 zwischen der Trennwand 128 und dem Andruckelement 136 mit der variablen Länge 1 eingespannt ist. Hierdurch ändert sich auch die Federkraft F des Blattfederelementes 134, die zum öffnen der Drosselkanäle 130 durch Verbiegen des Blattfederelementes 134 in eine in Fig. 9 gestrichelt eingezeichnete Lage von dem durch die Drosselkanäle 130 strömenden Medium aufzubringen ist. Es läßt sich hierdurch sehr feinfühlig sowie vorzugsweise stufenlos die Dämpfungs- bzw. Drosselwirkung durch

/ Variation des offenen Strömungsquerschnittes verändern. Dabei läßt sich das Andruckelement 136 vorzugsweise auch über die Drosselkanäle 130 bewegen, so daß diese auch gänzlich verschlossen werden können. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt jedes Drosselventil 124, 126 mehrere parallele, auf einem Kreisbogen verteilt angeordnete Drosselkanäle 130, die von jeweils einem ringscheibenförmigen, radial geschlitzten Blattfederelement 134 abgedeckt sind. Das jeweilige Andruckelement 136 ist fingerartig, radial von einer drehbaren Welle abstehend ausgebildet, so daß es sich bei Drehung der Welle über das jeweilige Blattfederelement 134 hinweg auf einer Kreisbahn bewegt. Nähere Einzelheiten zu der Ausgestaltung des Dämpfungsventils 28 sind

( in der älteren Anmeldung P 39 25 520.4 der Anmelderin enthalten, auf die an dieser Stelle in vollem Umfange Bezug genommen wird.

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

Claims

5658/+II/bu Hermann Hemscheidt Maschinenfabrik GmbH & Co. j Dnrnhorn 07-IfJ^ Hfinf» Wiinnortal 1 |ij Ansprüche

1. Hydropneumatischer Kolbenspeicher, insbesondere für Kfz-Federungssysterne, mit einem schwimmend geführten Trennkolben, der einen Speicherraum für ein hydraulisches Medium von einer mit einem kompressiblen Medium gefüllten Federkammer trennt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkolben (6) als Druckwandler mit zwei unterschiedlicii großen, wirksamen Druckflächen (22, 24) ausgebildet ist.

2. Kolbenspeicher nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die der Federkammer (8) zugekehrte, von einem pneumatischen Druck (P₁) beaufschlagte, erste Druckfläche (22) größer | als die gegenüberliegende, von einem hydraulischen Druck § (P₂) beaufschlagte, zweite Druckfläche (24) ist, so daß | der pneumatische Druck (p_x) kleiner als der hydraulische | Druck (P₂) ist.

3. Kolbenspeicher nach Anspruch 1 oder 2, |

dadurch gekennzeichnet, daß der | in einem Zylinder (4) geführte Trennkolben ( 6) mit einer | derart axial durch den Speicherraum (10) hindurch und |

• · &bgr; ·

abgedichtet aus dem Zylinder (4) nach außen geführten Trennkolbenstange (26) verbunden ist, daß der Speicherraum (10) einen gegenüber dem Innenquerschnitt der Federkanuner (8) reduzierten, ringförmigen Querschnitt aufweist.

4. Kolbenspeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,

, dadurch gekennzeichnet, daß in den

Speicherraum (10) mindestens ein Anschluß (16) für eine Leitungsverbindung (18) mündet.

5. Kolbenspeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Federkammer (8) mindestens einen mit einem Verschlußelement, insbesondere einem Ventil (14), ausgestatteten Füllanschluß (12) aufweist.

6. Kolbenspeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,

( dadurch gekennzeichnet, daß der

Trennkolben (6) mit einer hydraulischen und/oder einer pneumatischen Endlagen-Stoßdämpfung ausgestattet ist.

7. Kolbenspeicher nach Anspruch 6,

k dadurch gekennzeichnet, daß für

&rgr; die hydraulische, in Ausfederungsrichtung wirkende End-

lagen-Stoßdämpfung zwischen dem Speicherraum (10) und seinem Anschluß (16) ein Drosselkanal mit einem sich in Abhängigkeit von der Trennkolbenbewegung ändernden Strö-

mungsquerschnitt gebildet ist.

8. Kolbenspeicher nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkolben (6) auf fceiner dem Speicherraum (10) zugekehrten Seite einen sich axial erstreckenden, die Trennkolbenstange (26) konzentrisch mit Abstand umschließenden Ringsteg (34) derart aufweist, daß zwischen diesem Kingsteg (34) und der Innenwandung des Zylinders (4) ein geringer Ringspalt (36) gebildet ist, wobei der in den Speicherraum (10) mündende Anschluß (16) im dem Trennkolben (6) axial abgekehrten Endbereich der Umf angswan<?.ung des Zylinders (4) angeordnet ist und eine innere Mündungs<3ffnung (38) aufweist, die eine sich in dem Trennkolben (6) axial abgekehrter Richtung insbesondere birnenförmig verjüngende Flächenform besitzt.

9. Kolbenspeicher nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselkanal in der Ausfederungs-Endj.age des Trennkolbsns (6) nöCii einen bestinuuten Kindest—Ströisurigsgusrschnitt aufweist, wozu insbesondere der Ringsteg (34) des Trennkolbens (6) radiale Durchst_ömöffnungen (42) aufweist.

10. Kolbenspeicher nach einem oder mehre er . der Ansprüche &khgr; bis 9,

dadurch gekennzeichnet, daß die Federkammer (8) derart mit mindestens einem Reserveraum (46, 48) verbunden ist, daß in der Einfederungs-Endlage des Trennkolbens (6) noch ein bestimmtes Mindest-Restvolumen für das kompressible Medium vorhanden ist.

11. Kolbenspeicher nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet. daß der

Reserveraum (46) von einer sich axial in den Trennkolben (6) oder durch den Trennkolben (6) hindurch in die Trennkolbenstange (26) erstreckenden Vertiefung (52) gebildet ist.

12. Kolbenspeicher nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß die Trennkolbenstange (26) zur Bildung des Reserveraums (46) hohl, insbesondere hohlzylindrisch, ausgebildet und der Reserveraum (46) über mindestens eine Passage (56) des Trennkolbens (6) mit der Federkammer (8) verbunden ist.

13. Kolbenspeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, daß der Reserveraum (48) von einer sich auf der dem Trennkolben (6) gegenüberliegenden Seite an die Federkammer (8) anschließenden ZyIInderkammer (54) gebildet ist.

14. Kolbenspeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, daß das ( Volumen des trennkolbenseitigen Reserveraums (46) und/

oder das Volumen des dem Trennkolben (6) gegenüberliegenden, zylinderseitigen Reserveraums (48) über Stellmittel (60) von außen veränderbar sind/ist.

15. Kolbenspeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14,

dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmittel (60) einen innerhalb der hohlzylindrischen Trennkolbenstange (26) axial verstellbar geführten Steuerkolben (62) und/oder einen innerhalb der Zylinderkammer (54) verstellbar geführten Steuerkolben (74) aufweisen.

16. Kolbenspeicher nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmittel (60) mechanisch oder über ein Druckmedium, insbesondere hydraulisch, betätigbar sind.

17. Kolbenspeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16,

dadurcn gekennzeichnet, daß der Trennkolben (6) und/oder der Steuerkolben (74) mit einem t die Kolbenstellung erfassenden Weggeber (108, 110) ver

bunden sind/ist.

18. Kolbenspeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17,

gekennzeichnet durch ein integriertes, zwischen dem Speicherraum (10) und dessen Anschluß (16) angeordnetes, insbesondere verstellbares Dämpfungsventil (28).

19. Kolbenspeicher nach Anspruch 18, 'k dadurch gekennzeichnet, daß das \ Dämpfungsventil (28) mindestens ein Drosselventil, vorzugsweise zwei bezüglich der Strömungsrichtung des hydraulischen Mediums gegensinnig gerichtete Drosselventile '*' (124, 126), aufweist, wobei jedes Drosselventil (124,

126) mindestens einen zur Dämpfungseinstellung mit einem Ventilelement ausgestatteten Drosselkanal (130) aufweist, wobei das Ventilelement jedes Dämpfungsventils (124, 126) I als den Drosselkanal (130) an seiner AustrittsmUndung | (132) für das hydraulische Medium zumindest teilweise ab- fl deckendes, einendig eingespanntes Blattf rderelement (134) ll ausgebildet ist, und wobei die Dämpfungseinstellung durch Variation der freien Bla'tlänge (1) des Blattfoderelementes (134) erfolgt.

• ■ * ·

20. Kolbenspeicher nach Anspruch 19,

dadurch gekennzeichnet, daß die Slattlänge (1) des jeweiligen Blattfederelementes (134) zwischen einem maximalen Wert und, bezogen auf den Drosselkarial (130), einer Länge, gleich Null stufenlos veränderbar ist.