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Die Erfindung betrifft eine Aufhängung eines Fahrzeugrades
an einem Fahrzeugaufbau mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1.
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Über
eine solche Radaufhängung
ist ein Fahrzeugrad mit dem Fahrzeugaufbau gekoppelt, wobei die
Radaufhängung
eine gefederte und regelmäßig auch
gedämpfte
Abstützung
des Fahrzeugrads am Fahrzeugaufbau bewirkt und/oder die Kinematik
des Fahrzeugrades bzw. der Rotationsachse des Fahrzeugrades festlegt.
Die Radkinematik bzw. Achskinematik umfasst insbesondere die Spur
und den Sturz des Rades. In eine solche Radaufhängung kann außerdem eine
Niveauregulierung integriert sein, mit deren Hilfe der (vertikale)
Abstand zwischen Fahrzeugrad und Fahrzeugaufbau einstellbar ist.
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Eine derartige Aufhängung umfasst üblicherweise
ein Federbein oder ist als solches ausgebildet. Ein solches Federbein
enthält
ein Federelement. Außerdem
kann in ein Federbein ein Dämpfungselement
oder eine Dämpfereinheit
integriert sein. Des weiteren ist es möglich, ein Niveauregulierungsstellglied
in ein Federbein zu integrieren.
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Während
bei einer passiven Federung die Federungskennlinie der Radaufhängung konstant
ist, kann bei einer aktiven Federung die Federungskennlinie an den
jeweiligen Fahrzustand dynamisch angepasst werden. Durch eine aktive
Federung kann das Fahrverhalten des Fahrzeugs positiv beeinflusst
und die Fahrzeugsicherheit erhöht
werden. Des weiteren ist es möglich,
die Kinematik, insbesondere den Abstand zwischen Fahrzeugrad und
Fahrzeugaufhängung
dynamisch in Abhängigkeit
des jeweiligen Fahrzustandes zu variieren, um auch hierdurch die
fahrdynamischen Eigenschaften des Fahrzeugs zu verbessern. Ein Fahrzeugfahrwerk,
das mit einer derartigen verstellbaren Federung und/oder mit einer
solchen verstellbaren Kinematik ausgestattet ist, wird auch als „aktives
Fahrwerk" bezeichnet.
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Aus der
DE 195 47 535 C2 ist ein
selbstpumpendes, hydropneumatisches Federbein mit innerer Niveauregelung
bekannt, das einen Arbeitszylinder und eine Kolbenpumpe aufweist.
Der Arbeitszylinder trägt
an einer Kolbenstange einen Kolben, der den Arbeitszylinder in zwei
Arbeitsräume
unterteilt. Der Arbeitszylinder ist koaxial von einer Niederdruckkammer
und einer Hochdruckkammer umgeben. In der Niederdruckkammer sind
Gas und flüssiges
Dämpfungsmittel
untergebracht, während
die Hochdruckkammer das flüssige
Dämpfungsmittel
gegenüber dem
Gasvolumen durch eine Membran trennt. Zwischen dem oberen Arbeitsraum
des Arbeitszylinders und der Hochdruckkammer ist über ein
Halteelement eine Pumpenstange gehalten, wobei das Halteelement
gleichzeitig ein Ventil fixiert. Die Kolbenstange des Arbeitszylinders
ist hohl ausgebildet, wobei dieser Hohlraum einen Pumpenzylinder
darstellt, in den die Pumpenstange eintauchen kann.
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Aus der
DE 201 07 329 U1 ist eine
Positioniervorrichtung bekannt, die mit mehreren Linearaktuartoren
arbeitet, die jeweils aus einem schlauchförmigen Kontraktionselement
gebildet sind. Ein derartiges Kontraktionselement besitzt eine von
einer Hülle umhüllte fluidische
Druckkammer. Die Hülle
ist so ausgebildet, dass eine Druckerhöhung in der Druckkammer die
Hülle radial
weitet und axial verkürzt. Beispielsweise
besteht die Hülle
aus einem fluidisch dichtem, flexiblen Schlauch, der mit zugfesten
Fasern rautenförmig
umspinnt ist. Die dabei entstehende, dreidimensionale Gitterstruktur
wird bei einer Druckerhöhung
in der Druckkammer in Umfangsrichtung verformt, wobei die gewünschte Zugkraft
in Axialrichtung entsteht.
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Aus der gattungsbildenden
DE 690 14 488 T2 ist
eine weitere Radaufhängung
bekannt, die ein Federelement, ein Dämpferelement und einen elektromechnischen
Linearaktuator aufweist, der zweckmäßig als elektrischer Linearmotor
ausgebildet ist.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit
dem Problem, für
eine Radaufhängung
der eingangs genannten Art eine besonders vorteilhafte Ausführungsform
anzugeben.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch
eine Aufhängung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken,
ein Federelement und/oder einen Linearaktuator der Radaufhängung durch
ein schlauchförmiges
Kontraktionselement der oben genannten Art auszubilden. Ein besonderer
Vorteil dieser Anwendungsform wird im geringen Gewicht des schlauchförmigen Kontraktionselements
gesehen, wodurch sich am Fahrzeug eine erhebliche Gewichtseinsparung
realisieren lässt.
Des weiteren kann mit relativ geringen Drücken und geringen Volumenströmen eine
relativ hohe Dynamik bei vergleichsweise hohen Stellkräften erzielt
werden. Insbesondere ist dadurch die Realisierung einer aktiven
Federung mit einem gasförmingen
Medium möglich.
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Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
kann eine Kraftumlenkeinrichtung vorgesehen sein, welche die zwischen
Fahrzeugrad und Fahrzeugaufbau auftretenden Druckkräfte in Zugkräfte umwandelt,
wobei sich das Kontraktionselement über die Kraftumlenkeinrichtung
am Fahrzeugrad und am Fahrzeugaufbau abstützt. Mit Hilfe einer derartigen
Kraftumlenkeinrichtung ist es möglich,
einen Linearaktuator, der an sich nur Zugkräfte erzeugen kann, bzw. ein
Federelement, das an sich nur in Zugrichtung die gewünschte Federungseigenschaft besitzt,
in einer Radaufhängung
zu verwenden, in der sich das Fahrzeugrad über Druckkräfte am Fahrzeugaufbau abstützt.
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Mit Hilfe dieser Kraftumlenkeinrichtung
ist es somit möglich,
das Kontraktionselement als Zugfederelement bzw. als Zuglinearaktuator
in der Radaufhängung
zu verwenden.
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Eine derartige Kraftumlenkeinrichtung
kann eine Hebelanordnung aufweisen, die sich einerseits am Fahrzeugrad
und andererseits am Fahrzeugaufbau abstützt, wobei das Kontraktionselement
einenends am Fahrzeugaufbau und anderenends an der Hebelanordnung,
insbesondere über
einen am Fahrzeugaufbau abgestützten
Wippenhebel, angreift. Durch diese Hebelanordnung können die
zur Verfügung
stehenden Zugkräfte
relativ einfach in die gewünschten
Druckkräfte
umgelenkt werden, wobei es außerdem
möglich
ist, für
das jeweils verwendete Kontraktionselement eine geeignete Anordnung
am Fahrzeugaufbau, die beispielsweise vom zur Verfügung stehenden
Einbauraum abhängt,
darzustellen. Beispielsweise kann das Kontraktionselement vertikal
oder horizontal, in Fahrzeuglängsrichtung
oder quer dazu angeordnet sein.
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Bei einer besonderen Ausführungsform
kann die Kraftumlenkeinrichtung zwei in der Einfederrichtung des
Fahrzeugrads gegenüber
dem Fahrzeugaufbau ineinander verschiebbar ausgebildete Tragelemente
aufweisen. Das eine Tragelement ist mit seinem festen Ende am Fahrzeugrad
festgelegt, während
das andere Tragelement mit seinem festen Ende am Fahrzeugaufbau
festgelegt ist. Das Kontraktionselement ist koaxial zu den Tragelementen angeordnet
und greift einenends am freien Ende des einen Tragelements und anderenends
am freien Ende des anderen Tragelements an. Mit Hilfe der so ausgebildeten
Kraftumlenkeinrichtung wird für
das Kontraktionselement, das an sich nur Zugkräfte aufnehmen bzw. erzeugen
kann, dieselbe Einbaulage erreicht, die zum Beispiel eine herkömmliche
Schraubendruckfeder bei einem herkömmlichen Federbein besitzt.
Durch die Tragelemente erfolgt eine direkte Kraftübertragung
zwischen Fahrzeugrad und Fahrzeugaufbau einerseits und Kontraktionselement
andererseits, wobei lediglich die Wirkungsrichtung der Kräfte umgekehrt
wird. Durch diese Bauweise kann die Leistungsfähigkeit des Kontraktionselement
optimal ausgenutzt werden.
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Das sich zwischen den freien Enden
der Tragelemente axial abstützende
Kontraktionselement kann beispielsweise als Federelement verwendet werden.
Bei einer besonders einfachen Ausführungsform, kann die Druckkammer
des Kontraktionselements mit einem gasförmigen Fluid gefüllt sein.
Hierbei können
Federkennlinien realisiert werden, die denjenigen einer Stahl-Schraubendruckfeder ähnlich sind.
Durch den Anschluss der Druckkammer an eine Drucksteuereinrichtung
kann die Kennlinie der so gebildeten Federung verändert, insbesondere
dynamisch angepasst werden. Des weiteren kann dadurch eine Niveauregulierung
dargestellt werden. Sofern ein hydraulisches Fluid verwendet wird,
ist im Hydraulikkreis ein Federspeicher zum Volumenausgleich erforderlich.
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Bei einer Weiterbildung kann eines
der beiden Tragelemente eine Schraubendruckfeder aufweisen, über die
sich die Enden dieses Tragelements aneinander abstützen. Bei
dieser Ausführungsform kann
eine funktionale Trennung durchgeführt werden, derart, dass das
Kontraktionselement ausschließlich
als Linealaktuator betrieben wird, während die Schraubendruckfeder
im wesentlichen allein die Federungswirkung erzielt. Ebenso sind
Kombinationen möglich,
bei denen sowohl die Schraubendruckfeder als auch das Kontraktionselement
eine Federungswirkung entfalten.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann
das Kontraktionselement ringförmig
ausgebildet sein und eine Außenhülle sowie
eine konzentrisch dazu angeordnete Innenhülle aufweisen, wobei die Außenhülle die
Druckkammer radial außen
und die Innenhülle
die Druckkammer radial innen umhüllt, wobei
die beiden Hüllen
so ausgebildet sind, dass eine Druckerhöhung in der Druckkammer beide
Hüllen
axial verkürzt
sowie die Außenhülle radial
nach außen
und die Innenhülle
radial nach innen weitet. Bei dieser Ausführungsform ist die Druckkammer
somit als torusförmige
Ringkammer ausgebildet. Hierdurch können relativ große Zugkräfte bei
relativ kleinen Volumenänderungen
in der Druckkammer realisiert werden.
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Bei einer Weiterbildung kann dieses
ringförmige
Kontraktionselement zentral einen axialen Durchgang enthalten, der
von der Innenhülle
umhüllt ist.
Bei dieser Ausführungsform
kann dann eine Dämpfereinheit
durch diesen Durchgang koaxial durchgeführt sein, die sich einenends
am Fahrzeugrad und anderenends am Fahrzeugaufbau abstützt. Somit
ergibt sich eine besonders kompakte Bauform.
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Bei einer anderen Weiterbildung kann
der zentrale, von der Innenhülle
umhüllte,
axiale Durchgang mit der Druckkammer des Kontraktionselements kommunizieren.
Insbesondere kann dann zwischen dem Druckkammer des ringförmigen Kontraktionselements
und dem innenliegenden Durchgang ein Strömungsdämpfungsglied angeordnet sein.
Des weiteren ist es möglich,
die Druckkammer des ringförmigen
Kontraktionselement indirekt über
den innenliegenden Durchgang mit einer Druckquelle oder mit einem
Druckerzeuger zu verbinden. Diese Maßnahmen vereinfachen den Aufbau
der gesamten Anordnung. Bei dieser Ausführungsform kann ein Gasvolumen
im Durchgang oder in der Druckkammer des Kontraktionselements angeordnet
sein, das einen Volumenausgleich ermöglicht.
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Bei einer Weiterbildung kann im Durchgang ein
weiteres Kontraktionselement koaxial angeordnet sein, wobei dann
der Druckkammer des inneren Kontraktionselements mit einem Gas befüllt ist,
während der
Durchgang und die Druckkammer des äußeren Kontraktionselements
mit Hydraulikmittel befüllt
sind. Bei dieser Bauweise bildet das innere Kontraktionselement
einen Gasspeicher, der hermetisch gegenüber dem ihn umgebenden Hydraulikmittel
abgedichtet ist.
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Entsprechend einer besonderen Weiterbildung
kann in der Druckkammer des Kontraktionselements wenigstens ein
inneres Kontraktionselement angeordnet sein, wobei die Druckkammer
des inneren Kontraktionselements mit Hydraulikmittel befüllt ist,
während
die Druckkammer des äußeren Kontraktionselements
mit Gas oder mit Gas und Hydraulikmittel befüllt ist. Bei dieser Ausführungsform
dient das wenigstens eine innere Kontraktionselement ausschließlich als
Zug-Linearaktuator, während
das äußere Kontraktionselement
als Volumenausgleich, als passive Federung und insbesondere auch
zur Niveauregulierung dient. Bei dieser Ausführungsform sind die zur Erzielung
einer axialen Verstellbewegung des inneren Kontraktionselements
erforderlichen Volumenströme
relativ gering, so dass der so realisierte Linearaktuator mit hoher
Dynamik betrieben werden kann.
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Sofern das als Zugfederelement verwendete Kontraktionselement
mit Hydraulikmittel betrieben wird, muss ein Federspeicher als Volumenausgleich mit
der Druckkammer kommunizieren. Ein derartiger Federspeicher enthält bei einer
vorteilhaften Ausführungsform
wenigstens ein Kontraktionselement der oben beschriebenen Art, wobei
die Druckkammer dieses Kontraktionselements mit einem Hydraulikmittel
befüllt
ist und über
einen entsprechenden Anschluss an einen Hydraulikkreis anschließbar ist,
in dem der Federspeicher den erforderlichen Volumenausgleich gewährleisten
soll. Das Kontraktionselement greift einenends an einem Sockel und
anderenends an einem Federteller an, wobei koaxial zum Kontraktionselement
eine Schraubendruckfeder angeordnet ist, die sich einenends am Sockel
und anderenends am Federteller abstützt. Mit Hilfe dieser Schraubendruckfeder
kann eine der Kontraktion des Kontraktionselements entgegenwirkende
Federkraft auf das Kontraktionselement eingeleitet werden. Eine
Druckzunahme in der Druckkammer führt zu einer Längenverkürzung der
Hülle,
der die Schraubendruckfeder entgegenwirkt, wodurch sich die gewünschte Federungswirkung
des Federspeichers einstellt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und
aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend
genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur
in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen
Längsschnitt
durch ein Federbein nach der Erfindung bei einer ersten Ausführungsform,
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2 einen
Querschnitt durch das Federbein gemäß 1 entsprechend den Schnittlinien II,
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3 einen
Längsschnitt
wie in 1, jedoch einer
zweiten Ausführungform,
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4 einen
Längsschnitt
wie in 1, jedoch einer
dritten Ausführungsform,
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5 einen
Längsschnitt
wie in 4, jedoch einer
alternativen Ausführungsform,
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6 einen
Längsschnitt
wie in 1, jedoch einer
weiteren Ausführungsform,
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7 einen
Querschnitt entsprechend den Schnittlinien VII durch ein Kontraktionselement
der Ausführungsform
gemäß 6,
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8 einen
Längsschnitt
durch eine besondere Ausführungsform
mit in Reihe angeordneten Kontraktionselementen,
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9 einen
Längsschnitt
wie in 1, jedoch einer
weiteren Ausführungsform,
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10 einen
Längsschnitt
wie in 9, jedoch einer
anderen Ausführungsform,
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11 einen
Längsschnitt
wie in 1, jedoch bei
einer zusätzlichen
Ausführungsform,
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12 eine
vergrößerte Darstellung
eines Details XII aus 11,
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13 einen
Längsschnitt
wie in 1, jedoch bei
einer weiteren Ausführungsform,
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14 eine
stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer Radaufhängung nach
der Erfindung in einer Seitenansicht,
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15 eine
stark vereinfachte Draufsicht auf eine Radaufhängung nach der Erfindung, jedoch
bei einer anderen Ausführungsform,
und
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16 einen
Längsschnitt
durch einen Federspeicher nach der Erfindung.
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In den Figuren beziehen sich gleiche
Referenzzeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche
Merkmale.
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Entsprechend 1 kann eine Radaufhängung 1 nach der Erfindung
ein Federbein 2 aufweisen, das sich mit einem unteren Lager 3 an
einem nicht gezeigten Fahrzeugrad und mit einem oberen Lager 4 an
einem nicht gezeigten Fahrzeugaufbau abstützt. Das Federbein 2 dient
zur federnden und gegebenenfalls dämpfenden Abstützung des
Fahrzeugaufbaus am Fahrzeugrad. Eine umgekehrte Einbaulage ist ebenfalls
möglich.
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Beim gezeigten Federbein 2 sind
die beiden Lager 3 und 4 über eine Kraftumlenkeinrichtung 5 miteinander
gekoppelt, die zwei Tragelemente, nämlich ein erstes Tragelement 6 und
ein zweites Tragelement 7, aufweist, die in einer durch
einen Pfeil symbolisierten Einfederrichtung 8, in der das
Fahrzeugrad gegenüber
dem Fahrzeugaufbau einfedert, ineinander verschiebbar ausgebildet
sind. Im vorliegenden Fall bilden die beiden Tragelemente 6 und 7 axial
ineinander verschiebbare Käfige,
nämlich
einen durch das erste Tragelement 6 gebildeten Innenkäfig und
einen durch das zweite Tragelement 7 gebildeten Außenkäfig. Entsprechend 2 durchsetzen sich die beiden
Käfige
(Tragelemente 6 und 7) in radialer Richtung, indem
Querstege 9 des äußeren Käfigs bzw.
des äußeren Tragelements 7 durch
axiale Öffnungen 10 im
inneren Käfig
bzw. im inneren Tragteil 6 in das Innere des inneren Tragteils 6 hineinragen
und dort ein freies Ende 11 des äußeren Tragteils 7 positionieren.
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Das untere Lager 3 ist an
einem festen Ende 12 des ersten Tragteils 6 ausgebildet,
wodurch das erste Tragteil 6 am Fahrzeugrad festgelegt
ist. Im Unterschied dazu ist das obere Lager 4 an einem
festen Ende 13 des zweiten Tragelements 7 ausgebildet, wodurch
dieses am Fahrzeugaufbau festgelegt ist. Das erste Tragteil 6 ragt
mit einem freien Ende 14 in das zweite Tragteil 7 hinein.
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Erfindungsgemäß besitzt die Radaufhängung 1 bzw.
hier das Federbein 2 ein schlauchförmiges Kontraktionselement 15,
das einenends, hier oben, am freien Ende 14 des ersten Tragelements 6 angreift
und anderenends, hier unten, am freien Ende 11 des zweiten
Tragelements 7 angreift. Dieses Kontraktionselement besitzt
eine Hülle 16,
die beispielsweise durch einen fluidisch dichten, flexiblen Schlauch
gebildet ist, der innen und/oder außen mit einer speziell gewobenen
oder gesponnenen Gewebeschicht versehen ist. Die Hülle 16 bildet
in ihrem Inneren eine umhüllte
Druckkammer 17 aus. Die Hülle 16 bzw. ihre Gewebeschicht
ist so ausgebildet bzw. gewoben, dass eine Druckerhöhung in
dieser Druckkammer 17 die Hülle 16 radial weitet
und dabei axial verkürzt.
Das bedeutet, dass durch eine Druckerhöhung in der Druckkammer 17 die
axiale Länge
des Kontraktionselements 15 verkürzt werden kann. In entsprechender
Weise hat dies auch zur Folge, dass eine an den Enden des Kontraktionselements 15 angreifende
Zugkraft in der Druckkammer 17 zu einer Druckerhöhung führt.
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Die Kraftumkehreinrichtung 5 bewirkt,
dass Druckkräfte,
die zwischen Fahrzeugrad und Fahrzeugaufbau wirken und über die
Lager 3 und 4 in die Tragelemente 6 und 7 eingeleitet
werden, die freien Enden 11 und 14 der Tragteile 6 und 7 voneinander zu
entfernen suchen. Das bedeutet, dass das an diesen freien Enden 11 und 14 angreifende
Kontraktionselement 15 mit Zugkräften beaufschlagt wird.
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Über
einen Fluidanschluss 18 kann die Druckkammer 17 mit
einem Fluid, also mit einem Gas und/oder mit einem Hydraulikmittel,
befüllt
werdend, wobei in der Druckkammer 17 ein gewünschter
Druck einstellbar ist. Bei einer Befüllung mit Gas bewirkt ein Einfedern
des Federbeins eine Längung
des Kontraktionselements 15. Aufgrund der speziellen Ausgestaltung
der Hülle 16 wird
durch diese axiale Streckung der Hülle 16 deren Durchmesser
reduziert, wobei das Gesamtvolumen der Druckkammer 17 abnimmt,
mit der Folge, dass der Druck in der Druckkammer 17 ansteigt.
Dementsprechend wirkt das Kontraktionselement 15 der Einfederbewegung
entgegen, so dass hier das Kontraktionselement 15 wie ein
Zugfederelement wirkt. Es hat sich gezeigt, dass das Kontraktionselement 15 beim
Einfedern eine ähnliche
Charakteristik zeigt wie eine Schraubenfeder aus Stahl. Beim Ausfedern
des Federbeins 2 kann sich das Kontraktionselement 15 kontrahieren, wobei
der Druck in der Druckkammer 17 wieder abnimmt.
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Bei einer Befüllung der Druckkammers 17 mit
einem hydraulischen Fluid muss die Druckkammer 17 mit einem
Federspeicher gekoppelt werden, der einerseits den Volumenausgleich
ermöglicht
und andererseits die Federungsfunktion übernimmt. Das Kontraktionselement 15 dient
dann als Wandler, der eine Relativverstellung zwischen den beiden
Tragelementen 6 und 7 in eine Druckänderung
im Hydrauliksystem umwandelt, wobei diese Druckänderung vom an das Hydrauliksystem
angeschlossenen Federspeicher abgefedert wird.
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Bei der Ausführungsform gemäß 3 ist der Fluidanschluss 18 über eine
Fluidleitung 19 mit einem hydraulischen oder pneumatischen
Druckerzeuger oder Druckspeicher 20 verbunden, der beispielsweise
durch eine Hydraulikmittelpumpe oder durch einen Gaskompressor gebildet
sein kann. Ebenso ist es möglich
eine Motor-Pumpen-Einheit oder einen elektromagnetischen Linear-
oder Rotationssteller vorzusehen.
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Während
das Federbein 2 der Ausführungsform gemäß 1 eine passive Federung
realisiert, kann bei der in 3 gezeigten
Ausführungsform eine
aktive Federung realisiert werden, indem über eine entsprechende Betätigung des
Druckerzeugers 20 der Druck in der Druckkammer 17 in
Abhängigkeit des
aktuellen Fahrzustands des Fahrzeugs variiert wird. Beispielsweise
kann dadurch eine Wankstabilisierung und/oder eine Nickstabilisierung
des Fahrzeugs realisiert werden.
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Bei dieser Ausführungsform wirkt das Kontraktionselement 15 wie
ein Linearaktuator.
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Des weiteren ist es bei der in 3 gezeigten Ausführungsform
möglich,
durch eine entsprechende Betätigung des
Druckerzeugers 20 die Länge des
Kontraktionselements 15 zu verändern, beispielsweise um dadurch
eine Niveauregulierung zu realisieren. Die vorteilhaften Eigenschaften
des Kontraktionselements 15 ermöglichen dabei die Durchführung von
Stellbewegungen bereits bei relativ kleinen Volumenströmen bzw.
Druckänderungen.
Insbesondere ist es dadurch möglich,
eine aktive Federung pneumatisch zu realisieren. Sofern ein hydraulisches Fluid
verwendet wird, muss wieder ein Federspeicher an das Hydrauliksystem
angeschlossen werden.
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Bei der Ausführungsform gemäß 4 ist im Unterschied zu
den vorgenannten Ausführungsformen
das erste, innere Tragelement 6 mit dem oberen Lager 4 verbunden,
während
das zweite, äußere Tragelement 7 mit
dem unteren Lager 3 verbunden ist. Bei dieser besonderen
Ausführungsform
weist das äußere Tragelement 7 eine
Schraubendruckfeder 21 auf, die sich zwischen dem am unteren
Lager 3 festgelegten festen Ende 13 und dem freien
Ende 11 des zweiten Tragelements 7 abstützt. Diese
Schraubendruckfeder 21 dient hierbei als herkömmliches
Federelement zur Erzielung der Federungswirkung des Federbeins 2.
Sofern das Kontraktionselement 15 mit einem im wesentlichen
inkompressiblen Fluid betrieben wird, wird die Federfunktion dieses
Federbeins 2 im wesentlichen ausschließlich von der Schraubendruckfeder 21 dargestellt.
Sofern allerdings das Kontraktionselement 15 mit einem
kompressiblen Fluid betrieben wird, wirkt auch dieses als Federelement, so
dass sich die Gesamtfederungswirkung durch die gezeigte Reihenschaltung
der beiden Federelemente, nämlich
Kontraktionselement 15 und Schraubendruckfeder 21,
ergibt.
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Grundsätzlich kann jedoch bei der
hier gezeigten Ausführungsform
eine funktionale Trennung zwischen der Federungswirkung der Schraubendruckfeder 21 und
einer Verstellfunktion durch das als Linearaktuator wirkende Kontraktionselement 15 erreicht
werden.
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Bei der Ausführungsform gemäß 5 ist im Unterschied zum
Ausführungsbeispiel
der 4 das innere, erste
Tragelement 6 am unteren Lager 3 festgelegt, während das äußere, zweite
Tragelement 7 am oberen Lager 4 festgelegt ist.
Des weiteren wird in diesem Ausführungsbeispiel
illustriert, dass der Fluidanschluss 18 auch an einer anderen
Stelle angebracht sein kann, als dies in den vorangegangenen Beispielen
gezeigt ist.
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Entsprechend 6 kann das Kontraktionselement 15 bei
einer besonderen Ausführungsform ringförmig ausgestaltet
sein, wobei die Hülle 16 eine radial
außen
liegende Außenhülle 16 bildet.
Zusätzlich
zu dieser Außenhülle 16 ist
eine konzentrisch dazu angeordnete Innenhülle 22 vorgesehen,
wobei die beiden Hüllen 16 und 22 die
nunmehr ringförmig ausgestaltete
Druckkammer 17 radial außen und radial innen umhüllen. Die
Druckkammer 17 ist dadurch torusförmig ausgebildet. Durch eine
spezielle Ausbildung der Außenhülle 16 und
der Innenhülle 22 kann auch
hier erreicht werden, dass eine Druckerhöhung in der Druckkammer 17 mit
einer axialen Verkürzung der
beiden Hüllen 16 und 22 einhergeht,
bei der sich die Außenhülle 16 radial
nach außen
und die Innenhülle 22 radial
nach innen weitet.
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In 7 ist
ein Querschnitt des so gebildeten Kontraktionselements 15 dargestellt.
Um eine definierte Verformung der Innenhülle 22 gewährleisten zu
können,
können
an der radial innenliegenden Seite Verstärkungselemente 23 angebracht
sein.
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Bei der in 6 wiedergegebenen Ausführungsform
sind Außenhülle 16 und
Innenhülle 22 des Kontraktionselements 15 so
dimensioniert, dass sich konzentrisch im Inneren des Kontraktionselements 15 ein
von der Innenhülle 22 umhüllter axialer
Durchgang 24 ausbildet. Gemäß 6 kann durch diesen Durchgang 24 eine
Dämpfereinheit 25 des
Federbeins 2 hindurchgesteckt sein. Diese Dämpfereinheit 25 besitzt
einen Zylinder 26, in dem ein Kolben 27 axial
verstellbar gelagert ist. Dieser Kolben 27 sitzt auf eine
Kolbenstange 28, die hier am unteren Lager 3 festgelegt
ist, während
der Zylinder 26 am oberen Lager 4 festgelegt ist.
Dementsprechend ist die Kolbenstange 28 fest mit dem inneren,
ersten Tragteil 6 verbunden und das äußere, zweite Tragteil 7 ist
fest mit dem Zylinder 26 gekoppelt. Diese Dämpfereinheit 25 arbeitet
in herkömmlicher
Weise und kann die Relativbewegungen zwischen den beiden Lagern 3 und 4 und
somit die Relativbewegungen zwischen Fahrzeugrad und Fahrzeugaufbau
dämpfen.
Durch die Integration dieser Dämpfereinheit 25 in
das Federbein 2 ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau.
Um die Dämpfereinheit 25 im
wesentlichen geradlinig durch das Dämpferbein 2 hindurchführen zu
können, sind
die freien Enden 11 und 14 der Tragelemente 6 und 7 mit
entsprechenden zentralen Öffnungen 30 bzw. 31 versehen.
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Sofern das Kontraktionselement 15 hydraulisch
betrieben wird, muss das Hydrauliksystem einen Federspeicher 29 aufweisen.
Im vorliegenden Fall ist ein solcher Federspeicher 29 an
die Fluidleitung 19 angeschlossen, wodurch der Federspeicher 29 mit
der Druckkammer 17 des Kontraktionselements 15 kommuniziert.
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Wie aus 8 hervorgeht, können mehrere Kontraktionselemente 15 nach
Art einer Reihenschaltung miteinander verbunden sein um eine gewünschte Kennlinie
oder Charakteristik für
die so gebildete Kontraktionsanordnung zu erreichen. Ebenso ist
es zusätzlich
oder alternativ möglich,
mehrere Kontraktionselemente 15 parallel anzuordnen.
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Entsprechend 9 ist bei einer anderen Ausführungsform
der radial innen im Kontraktionselement 15 angeordnete,
von der Innenhülle 22 außen umhüllte Durchgang 24 fluidisch
dicht ausgebildet und über
einen inneren Verbindungskanal 32 mit der Druckkammer 17 des
Kontraktionselements 15 verbunden. In diesem Verbindungskanal 32 ist
ein Strömungsdämpfungsglied 33 angeordnet,
das den Fluidaustausch zwischen dem Durchgang 24 und der Druckkammer 17 drosselt.
Bei der hier gezeigten speziellen Ausführungsform ist im Durchgang 24 ein weiteres
Kontraktionselement 34 angeordnet, das fluidisch abgedichtet
ist und sich koaxial im Durchgang 24 erstreckt. Auch dieses
innere Kontraktionselement 34 besitzt eine Hülle 35,
die eine Druckkammer 36 umhüllt. Bei der Ausführungsform
gemäß 9 ist die Druckkammer 36 des
inneren Kontraktionselements 34 mit Gas befüllt und
dient somit als Federspeicher. Im Unterschied dazu ist das gesamte Volumen
des übrigen
Durchgangs 24 und der Druckkammers 17 des äußeren, ringförmigen Kontraktionselements 15 mit
einem Hydraulikmittel befüllt.
Die Federungseigenschaft dieser Anordnung aus Kontraktionselementen 15 und 34 wird
durch das innere Kontraktionselement 34 ermöglicht,
das als Federspeicher dient. Im Unterschied dazu wird die Aktuatorfunktion
der Anordnung (15, 34) im wesentlichen vom ringförmigen, äußeren Kontraktionselement 15 realisiert.
Die Druckbeaufschlagung der Druckkammer 17 des äußeren Kontraktionselements 15 erfolgt dabei
indirekt über
den Durchgang 24 und somit über das Strömungsdämpfungsglied 33. Durch
diese Maßnahme
kann die wirksame Dämpfungskraft
genutzt werden, um dynamische Stellkräfte zu erzeugen; die Stelldynamik
dieser Anordnung (15, 34) wird dadurch verbessert.
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Bei der Ausführungsform gemäß 10 ist ein Gasvolumen 37 in
das kommunizierende System aus Druckkammer 17 des Kontraktionselements 15 und
Durchgang 24 eingebettet. Bei der hier gezeigten Ausführungsform
befindet sich dieses Gasvolumen 37 in der Druckkammer 17 des
Kontraktionselements 15. Bei einer anderen Ausführungsform
kann dieses Gasvolumen 37 auch im Durchgang 24 untergebracht
sein. Das übrige
Volumen von Druckkammer 17 und Durchgang 24 ist
mit einem Hydraulikmittel befüllt.
Bei der Variante mit außenliegendem
Gasvolumen 37 können
sich Vorteile hinsichtlich der thermischen Belastung im Betriebsfall
des Federbeins 2 ergeben. Um ein Aufschäumen des Hydraulikmittels zu vermeiden,
kann das Gasvolumen 37 gekapselt sein.
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Bei der Ausführungsform entsprechend 11 ist im Inneren des Kontraktionselements 15, also
in dessen Druckkammer 17, wenigstens ein weiteres Kontraktionselement 38 angeordnet.
Im vorliegenden Fall sind in der Druckkammer 17 des außenliegenden
Kontraktionselements 15 drei weitere, innenliegende Kontraktionselemente 38 angeordnet. Jedes
dieser inneren Kontraktionselemente 38 besitzt in der bereits
geschilderten Weise eine Hülle 39, die
jeweils eine Druckkammer 40 des jeweiligen Kontraktionselements 38 umhüllt. Die
inneren Kontraktionselemente 38 sind jeweils mit einem
Hydraulikmittel befüllt
und dienen als parallel geschaltete Linearaktuatoren, mit deren
Hilfe eine aktive Federung realisierbar ist. Im Unterschied dazu
dient das außenliegende
Kontraktionselement 15 im wesentlichen als Federelement,
wobei die Druckkammer 17 des äußeren Kontraktionselements 15 mit
Gas oder mit Gas und Hydraulikmittel befüllt ist. Das äußere Kontraktionselement 15 kann
zum Aufbringen einer statischen Grundlast verwendet werden, um beispielsweise eine
Niveauregulierung darzustellen. Es ist klar, dass die Federungseigenschaft
dieser Gesamtanordnung auch von der Federungswirkung der inneren
Kontraktionselemente 38 abhängt die ihrerseits durch den
Federspeicher 29 ermöglicht
wird.
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Von besonderem Vorteil ist bei dieser
Anordnung, dass die inneren Kontraktionselemente 38 – je nach
Vorkontraktion des äußeren Kontraktionselements 15 – aus einer
nullprozentigen Kontraktion heraus betrieben werden können, wobei
die Stellbewegung mit maximaler Kraft beginnt und dabei einen relativ
geringen Volumenstrom benötigt.
Mit zunehmendem Stellweg nimmt die Stellkraft insbesondere linear
bis auf Null ab, während
der erforderliche Volumenstrom quadratisch zunimmt.
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Bei der hier gezeigten besonderen
Ausführungsform
sind die Druckkammern 40 der inneren Kontraktionselemente 38 über ein
Differenzdruckventil 41 mit der Druckkammer 17 des äußeren Kontraktionselements 15 gekoppelt.
Dieses Differenzdruckventil 41 ermöglicht es, den Druck in der
Druckkammer 17 des äußeren Kontraktionselements 15 auf
einen konstanten, voreingestellten Wert, z.B. 10 bar, einzustellen.
Die Druckkammern 40 der inneren Kontraktionselemente 38 können so
mit höheren Drücken betrieben
werden, z.B. von etwa 10 bis 20 bar.
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Wird bei gleichem Ausgangsdruck,
z.B. 10 bar, der Druck in der Druckkammer 17 des äußeren Kontraktionselements 15 abgesenkt,
so beginnt eine Kontraktionsbewegung der inneren Kontraktionselemente 38 in
Folge erhöhter
Kraftwirkung bei zunehmendem relativem Druck in den Druckkammern 40 der
inneren Kontraktionselemente 38. Die für eine Kontraktionsbewegung
erforderlichen Volumenströme
sind bei dieser Ausführungsform
sehr gering.
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Bei der Ausführungsform gemäß 13 ist das erste Tragelement 6 in
Form einer Stange ausgebildet, die an ihrem festen Ende 12 das
untere Lager 3 trägt
und an ihrem freien Ende 14 nach Art eines Kolbens ausgebildet
ist. Das zweite Tragelement 7 ist bei dieser Variante als
zylindrisches Rohr ausgebildet, in das sich das stangenförmige Tragelement 6 hineinerstreckt.
Zu diesem Zweck durchdringt das stangenförmige Tragelement 6 das
freie Ende 11 des rohrförmigen
Tragelements 7 in einer Öffnung 42. Bei dieser
speziellen Ausführungsform
sind mehrere Kontraktionselemente 15 vorgesehen, die koaxial zum
stangenförmigen
Tragelement 6 im Inneren des rohrförmigen Tragelements 7 untergebracht
sind. Diese Kontraktionselemente 15 wirken somit parallel.
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Während
bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die Kontraktionselemente 15 jeweils
in einem mehr oder weniger konventionell in der Aufhängung 1 angeordneten
Federbein 2 untergebracht sind, zeigt 14 eine spezielle Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Radaufhängung 1,
bei der das Kontraktionselement 15 auf unkonventionelle
Weise angeordnet ist. Gemäß 14 ist ein Fahrzeugrad 43 wieder über die
Umlenkeinrichtung 5 an einem nur symbolisch dargestellten Fahrzeugaufbau 44 abgestützt. Die
Kraftumlenkeinrichtung 5 ist hier durch eine Hebelanordnung 45 gebildet,
die einen Wippenhebel 46 aufweist. Dabei ist ein Wippenlager 47 des
Wippenhebels 46 am Fahrzeugaufbau 44 festgelegt. Über diesen
Wippenhebel 46 greift das Kontraktionselement 15 an
der Hebelanordnung 45 an, wobei das Kontraktionselement 15 mit
seinem anderen Ende ebenfalls am Fahrzeugaufbau 44 festgelegt
ist. Dieser Wippenhebel 46 stützt sich dabei einenends am
Kontraktionselement 15 und anderenends über die anderen Komponenten der
Hebelanordnung 45 am Fahrzeugrad 43 ab.
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Durch die Hebelanordnung 45 werden Druckkräfte, die
zwischen dem Fahrzeugrad 43 und dem Fahrzeugaufbau 44 wirken,
in Zugkräfte
am Kontraktionselement 15 umgelenkt. In 14 ist ein Bewegungsbeispiel dargestellt,
das einer Einfederungsbewegung des Fahrzeugrades 43 entsprechend
dem Pfeil 8 entspricht. Eine Radachse 48 wird dabei
in Pfeilrichtung angehoben. Über
die Hebelanordnung 45 wird der Wippenhebel 46 dann
im Uhrzeigersinn gedreht, wodurch entsprechend einem Pfeil 49 eine
Zugkraft am Kontraktionselement 15 angreift. Grundsätzlich kann
auch hier dieses Kontraktionselement 15 nach Art einer
passiven Feder oder nach Art einer aktiven Feder konfiguriert werden,
wobei durchaus Kombinationen der vorstehend beschriebenen Merkmale
möglich
sind.
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Gemäß 14 kann demnach das Kontraktionselement 15,
das als Federelement und/oder als Linearaktuator betrieben werden
kann, horizontal ausgerichtet am Fahrzeug angeordnet werden, wobei
sich das Kontraktionselement 15 beispielsweise in Fahrzeuglängsrichtung
erstrecken kann; ebenso ist eine Anordnung quer zur Fahrzeuglängsrichtung möglich. Es
ist klar, dass auch beliebige andere Neigungen realisierbar sind.
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Bei der Ausführungsform gemäß 15 ist das Kontraktionselement 15 so
in die Radaufhängung 1 integriert,
dass das Kontraktionselement 15 einen längenverstellbaren Lenker, insbesondere Längslenker,
dieser Radaufhängung 1 bildet.
Mit Hilfe eines derartigen, längenverstellbaren
Längslenkers
kann z.B. ein Spurwinkel α und/oder
ein Schräglaufwinkel δ des Fahrzeugrads 43 in
einer gewünschten
Weise eingestellt werden. Das Kontraktionselement 15 wirkt
hierbei als reiner Linearaktuator, der vorzugsweise hydraulisch
betrieben wird. Über
den Hydraulikdruck in der Druckkammer 17 des Kontraktionselements 15 kann
der Spurwinkel α bzw.
der Schräglaufwinkel δ relativ
genau eingestellt werden. Mit Hilfe des Kontraktionselements 15 kann
somit die Kinematik des Fahrzeugrads 43 gezielt verstellt
werden, so dass mit der gezeigten Radaufhängung 1 ein aktives
Fahrwerk realisierbar ist. Der Aufbau der Radaufhängung 1 sollte
dabei so gewählt
werden, dass das als Längslenker
verwendete Kontraktionselement 15 lediglich in Zugrichtung
entsprechend einem Doppelpfeil 50 beansprucht wird.
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Entsprechend 16 kann eine besondere Ausführungsform
eines Federspeichers 29, wie er z.B. in 6 und 11 verwendet
wird, ebenfalls ein Kontraktionselement 51 der zuvor beschriebenen
Art enthalten, das eine Hülle 52 besitzt,
die eine Druckkammer 53 umhüllt. Das Kontraktionselement 51 ist dabei
an einem in 16 links
dargestellten Ende 54 in einem Sockel 55 verankert. Über einen
Hydraulikanschluss 56 kann die Druckkammer 53 dieses
Kontraktionselements 51 an ein Hydrauliksystem 57 angeschlossen
werden, dessen Hydraulikvolumen mit Hilfe des Federspeichers 29 gefederte
Volumenänderungen
durchführen
können
soll. Beispielsweise kann dieses Hydrauliksystem 57 die
Druckkammer 17 des Kontraktionselements 15 umfassen.
Mit seinem anderen, in 16 rechts
dargestellten Ende 58 ist das Kontraktionselement 51 über eine
Hülse 59 in einem
Federteller 60 verankert. Der Federteller 60 ist in
axialer Richtung entlang der Hülse 59 über ein
Gewinde 61 verstellbar. Der Federspeicher 29 enthält außerdem eine
Schraubendruckfeder 62, die koaxial zum Kontraktionselement 51 angeordnet
ist und sich in axialer Richtung einerseits am Sockel 55 und
andererseits am Federteller 60 abstützt. Des weiteren ist ein Gehäuse 63 vorgesehen,
das mit einem Gewinde 64 auf den Sockel 55 aufschraubbar
ist und die beweglichen Komponenten des Federspeichers 29 schützend umhüllt.
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Im Unterschied zu herkömmlichen
Federspeichern besitzt der hier gezeigte erfindungsgemäße Federspeicher 29 kein
komprimierbares Gasvolumen; die Federwirkung wird über die
Schraubendruckfeder 62 erreicht. Wird das Hydraulikmedium über den
Hydraulikanschluss 56 in die Druckkammer 53 des
Kontraktionselements 51 hineingepresst, steigt der Druck
in der Druckkammer 53, wodurch sich die Hülle 52 radial
nach außen
weitet und dabei gleichzeitig axial verkürzt. Dieser axialen Längenverkürzung wirkt
die Schraubendruckfeder 62 entgegen, die dabei zusammengedrückt wird.
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Mit zunehmendem Volumen in der Druckkammer 53 nimmt
die von der Hülle 52 übertragbare Zugkraft
zusammen mit der Verkürzung
ab, so dass auch die Gegenkraft der Schraubendruckfeder 62 nicht
linear ansteigt. Dementsprechend besitzt der hier gezeigte Federspeicher 29 eine
degressive Kraft-Volumen-Kennlinie
bzw. Kraft-Weg-Kennlinie.
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Die Vorspannung des Federspeichers 29 kann
durch eine axiale Positionierung des Federtellers 60 entlang
der Hülse 59 erfolgen.
Von besonderem Vorteil ist bei diesem Federspeicher 29 außerdem,
dass abgesehen von fluidischer Reibung keine Reibungsverluste auftreten,
da insbesondere der Federteller 60 nicht am Gehäuse 63 geführt werden muss.
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Für
eine besondere Ausführungsform
kann das Gehäuse 63 als
Druckgehäuse
ausgebildet sein, wobei dann die Verbindung (Gewinde 64)
mit dem Sockel 55 in entsprechender Weise druckdicht gestaltet
ist. Durch eine Beaufschlagung eines Innenraums 65 des
Gehäuses 63,
in dem die beweglichen Elemente, nämlich die Schraubendruckfeder 62 und das
Kontraktionselement 51, des Federspeichers 29 untergebracht
sind, können
insgesamt höhere
Drücke
gefahren werden, das heißt
der Federspeicher 29 kann auf einem entsprechend erhöhten Druckniveau
betrieben werden.
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Wie bereits weiter oben erwähnt, arbeitet
der erfindungsgemäß vorgeschlagene
Federspeicher 29 gasfrei. Dementsprechend ist die Kennlinie
bzw. die Funktion dieses Federspeichers 29 relativ unabhängig von
der Temperatur im Hydraulikmittel. Während bei einem herkömmlichen,
mit einem Gasvolumen arbeitenden Federspeicher der Druck im Gasvolumen stark
temperaturabhängig
ist, verändert
sich das Volumen im Hydraulikmittel aufgrund von Temperaturschwankungen
vergleichsweise wenig, so dass der erfindungsgemäße Federspeicher 29 hinsichtlich
seiner Funktion quasi temperaturunabhängig ist. Die Federkennlinie
des Federspeichers 29 wird im wesentlichen durch die Auswahl
der verwendeten Schraubendruckfeder und deren Vorspannung bestimmt.
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Wenn ein derartiger Federspeicher 29 mit
einer aktiven oder passiven hydraulischen Federung, insbesondere
entsprechend den 1 bis 8 und 11 bis 15,
kombiniert wird, ergibt sich ebenfalls ein Federungssystem, das
ohne Gasvolumen auskommt und somit keine oder nur eine vergleichbar
geringe Temperatuabhängigkeit
besitzt. Ein derartiges Federungssystem arbeitet demnach in allen
auftretenden Temperaturbereichen nahezu gleich, wodurch sich die
Fahrzeugsicherheit erhöht.