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Lastabhängiges hydropneumatisches Federelement, insbesondere für Kraftfahrzeuge
Gegenstand der Erfindung ist ein lastabhängiges hydropneumatisches Federelement,
insbesondere für Kraftfahrzeuge, bei dem ein am Ende einer Kolbenstange sitzender
öldichter Arbeitskolben einen Hydraulikzylinder in einen kolbenstangenseitigen äußeren
Arbeitsraum und einen auf der anderen Seite des Kolbens liegenden inneren Arbeitsraum
unterteilt und beide Arbeitsräume mit je einem hochgespannten Gaspolster in Verbindung
stehen.
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Der Flüssigkeitsdruck im inneren Arbeitsraum übt auf die Kolbenstange
eine Druckkraft gleich dem Produkt aus Druck und Kolbenfläche aus, der Druck im
äußeren Arbeitsraum eine Zugkraft gleich dem Produkt aus Druck und Kolbenfläche
abzüglich der Kolbenstangenfläche und der Außendruck eine Zugkraft gleich dem Produkt
aus atmosphärischem Druck und Kolbenstangenfläche. Die nach außen wirkende Federkraft
bzw. Tragkraft des Federelementes ist gleich der Differenz von Druck- und Zugkraft
der Kolbenstange.
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Bei bekannten Federelementen dieser Art steht jeder Arbeitsraum über
Leitungen mit je einer Stahlflasche in Verbindung, die teilweise mit C51 und teilweise
mit Luft oder Gas von hohem Druck gefüllt sind. Die lastabhängige Regelung ist in
der Weise vorgesehen, daß der Druck in den Stahlflaschen durch Einlassen bzw. Ablassen
von Öl geändert wird. Da die Zunahme der Tragkraft sowohl durch Zunahme des Druckes
im inneren Arbeitsraum wie auch durch Abnahme desselben im äußeren Arbeitsraum,
also durch die Änderung von zwei Regelgrößen möglich ist, besteht der Nachteil,
daß für die Regelung ein großer Aufwand an Regeleinrichtungen und Leitungen erforderlich
ist. Bei der bekannten Anlage sind für jede Stahlflasche eine Ölpumpe und ein Ölbehälter
vorhanden, für die Regelung selbst aber keine Mittel angegeben.
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Das Federelement gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
bei Zunahme der Belastung durch eine Pumpe Öl vom äußeren in den inneren Arbeitsraum
gefördert und bei Abnahme der Belastung durch eine Verbindungsleitung Öl vom inneren
in den äußeren Arbeitsraum abgelassen wird, wobei die Summe der Ölmengen in den
beiden Arbeitsräumen sowie den Verbindungsleitungen konstant ist. Auf diese Weise
wird der Aufwand für die Regelung erheblich herabgesetzt, da nur noch eine Regelgröße
vorhanden ist, nämlich die von dem einen in den anderen Arbeitsraum strömende Ölmenge.
Die Regelung derselben kann in einfacher Weise durch einen für Luftfederungen bekannten
Füllungsregler erfolgen.. Auch kann eine Regelung Anwendung finden, bei der die
Pumpe dauernd Öl vom äußeren in den inneren Arbeitsraum fördert und eine dem inneren
Arbeitsraum zugewandte Steuerkante des Arbeitskolben die an dem Innenmantel des
Arbeitszylinders gelegene Mündung der Verbindungsleitung für die Strömung von dem
inneren in den äußeren Arbeitsraum überdeckt bzw. freigibt. Dadurch wird im ersten
Falle durch Zunahme der Ölmenge im inneren Arbeitsraum der Druck erhöht, im zweiten
Fall erniedrigt, in dem mehr Öl in den äußeren Arbeitsraum überströmt, als die Pumpe
fördert. Ein Vorteil der Erfindung ist, daß zu gleicher der Druck im äußeren Arbeitsraum
erniedrigt bzw. erhöht wird, wodurch die Änderung der Tragkraft noch schneller erfolgt,
als wenn der Druck nur in einem Arbeitsraum geändert würde.
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Besonders vorteilhaft ist die Erfindung, wenn die Pumpe als Kolbenpumpe
ausgebildet und ihre Betätigung von gegeneinander bewegten Teilen des Federelementes
vorgenommen wird. Die Pumpe kann im Innern des Federelementes eingebaut sein, indem
beispielsweise der Innenmantel der hohl ausgebildeten Kolbenstange als Pumpenzylinder
dient. Hierdurch wird der Aufwand für die lastabhängige Regelung noch mehr herabgesetzt.
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Die Zeichnung zeigt drei Ausführungsbeispiele der Erfindung, und zwar
Abb. 1 ein Federelement mit Regelung durch einen besonderen Füllungsregler, Abb.
2 ein Federelement, bei dem die Pumpe und die Verbindungsleitung im Innern untergebracht
sind, und
Abb. 3 ein Federelement der Abb. 2, bei dem die Verbindungsleitung
des inneren mit dem äußeren Ar-;eitsraum nach außen verlegt ist.
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Der Kolben 1 sitzt an der Kolbenstange 2, dessen Ende 2 a an der Fahrzeugachse
befestigt ist, während ler Arbeitszylinder 3 mittels des Befestigungsendes 3 a am
Fahrzeugaufbau befestigt ist. Der äußere Arbeitsraum 4a steht über Kanäle 6 und
7 mit dem Ölolumen 8 in Verbindung, auf dem der Druck des furch die -Membran 9 vom
Öl getrennten Gaspolsters 1O ruht. Der innere Arbeitsraum 4i ist über die freie
Oberfläche 11 direkt durch das Gaspolster 12 belastet. W'eitere konstruktive Einzelheiten
sind die Dichtringe 13 und 14 der Kolbenstange bzw. des Kolbens sowie die die Schwingungsdämpfung
bewirkenden Ventile 15 und 16. Von den Arbeitsräumen 4a und 4i führen die Leitungen
17 und 18 zu den Anschlüssen 19 und 20 des Füllungsreglers 21 mit der Betätigungsstange
22, dessen Ende 23 von der Fahrzeugtchse in bekannter Weise betätigt wird. Von der
Leitung 17 zweigt die Leitung 24 ab, durch die Öl von der Pumpe 25 angesaugt und
weiter über einen Druckbehälter 26 in die Leitung 27 zu dem Anschluß 28 des Füllungsreglers
21 geführt wird. Bei unveränderter Belastung stehen die Anschlüsse 19, 20 und 28
des Füllungsreglers nicht miteinander in Verbindung, so daß sich die Ölmenge in
:- den Arbeitsräumen 4a und 4i nicht ändert. Dabei kann das von der zweckdauernd
laufenden Ölpumpe 25 geförderte Öl mittels des Überdruckventils 29 von der Leitung
27 in die Leitung 24 zurückfließen. Wenn die Belastung steigt, werden die Anschlüsse
20 und 28 in bekannter Weise miteinander in Verbindung gebracht, so daß durch die
Ölpumpe 25 und/oder aus dem Druckbehälter 26 Öl durch die Leitung 27 in die Leitung
18 gedrückt und die Ölmenge im inneren Arbeitsraum 4 i erhöht wird; was eine Kompression
des Gaspolsters 12 zur Folge hat. Zur gleichen Zeit er-Folgt eine Expansion des
Gaspolsters 10 und eine Druckerniedrigung im äußeren Arbeitsraum 4a, da die Ölpumpe
25 über die Leitung 24 Öl aus dem äußeren Arbeitsraum 4 a saugt. Bei Abnahme der
Belastung werden die Anschlüsse 19 -und 20 durch den Füllungsregler miteinander
in Verbindung gebracht, und Öl kann in umgekehrter Richtung aus dem inneren Arbeitsraum
4i über die Leitungen 18 und 17 in den äußeren Arbeitsraum 4a strömen. Hierdurch
erfolgt eine Expansion des Gaspolsters 12 und Kompression des Gaspolsters 10. Zum
Füllen der Gaspolster dienen die Anschlüsse 30 und 30a. ,.
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Nach Abb. 2 werde die Kräfte des Kolbens 31 über die Kolbenstange
32, das Gaspolstergehäuse 33 und das Befestigungsende 34 auf , den Aufbau übertragen,
während sich der Arbeitszylinder 35 über den Boden 36 und das Befestigungsende 37
an der Fahrzeugachse abstützt. Der Innenmantel 38 der hohlen Kolbenstange 32 dient
als Arbeitszylinder des Pumpen-Ringkolbens 39, der mittels- der Pumpenkolbenstange
40 vorzugsweise durch ein Gelenk 41 mit dem Boden 36 verbunden ist. Weitere. instruktive
Einzelheiten sind der Abschlußdeckel 42, die Kolben- bzw. Stangendichtungen 43,
44, 45 : und 46 sowie die Pumpenventile 61 und 63. Der äußere Arbeitsraum 47a -ist
mit freier Oberfläche durch das ,Gaspolster 48 unmittelbar belastet. Auf dem inneren
Arbeitsraum 47i ruht der Druck -des Gaspolsters 49, -wobei die hohle Arbeitskolbenstange
32 und die hohle Pumpenkolbenstange 40 sowie Öffnungen 50 in der letzteren die Verbindung
herstellen. Der Ventilboden 51 ist in der Kolbenstange 32 eingebaut und bewirkt
mit den Ventilen 52 und 53 bekannter Art die Schwingungsdämpfung des Federelementes.
Der in seiner Mittelstellung gezeichnete Arbeitskolben 31 steuert die Öffnung 54,
die über den Ringraum 55, der von dem Außenrohr 56 und dem Außenmantel des Arbeitszylinders
35 gebildet wird, sowie die Öffnungen 57 des Zylinders 35 mit dem äußeren Arbeitsraum
47a in Verbindung steht. Die Wirkung der Öffnung 54 kann durch weitere Öffnungen
54 a verstärkt werden, wenn der Kolben sich aus seiner Mittellage nach oben bewegt.
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Die Lastabhängigkeit des Federelementes sei an einem Zahlenbeispiel
erklärt, bei dem die Kolbenfläche des inneren Arbeitsraumes 100 cm2, die Ringkolbenfläche
des äußeren Arbeitsraumes 50 cm2 sowie die Kolbenstangenfläche auch 50 cm2 betragen.
In der Ausgangsstellung sei der Druck in beiden Gaspolstern 48 und 49 gleich, z.
B. 10 kg/cm2, und das Volumen des Gaspolsters 49 betrage 1000 cm3, während das Gaspolster
48 ein Volumen von 500 cm3 einnähme. Zu dieser Ausgangsstellung gehören die Ölspiegel
58i und 58a. Die Tragkraft des Federelementes ist jetzt 450 kg und ergibt sich aus
100 ₧ 10 = 1000 kg Druckkraft abzüglich 50 ₧ 10 = 500 kg und 50 ₧
1 = 50 kg Zugkraft. Ist die Belastung größer als 450 kg, so wird der Kolben 31 so
weit eingedrückt und das Gaspolster 49 komprimiert bzw. das Gaspolster 48 expandiert,
bis die neue Belastung getragen wird. Falls die hierfür erforderlichen Flüssigkeitsdrücke
nicht erreicht werden, kann der Kolben 31 auf einem elastischen Gummipolster 60
aufsitzen, das die Federung unterstützt. In diesem Zustand ist die Öffnung 54 vom
inneren Arbeitsraum abgeschaltet; und der Pumpenkolben 39 fördert Öl, indem er die
von den Fahrbahnunebenheiten hervorgerufenen Schwingungen des Federelementes mitmacht.
Hierbei wird durch das Saugventil 61 Öl aus dem äußeren Arbeitsraum 47a in den Pumpenarbeitsraum
62 angesaugt, durch das Druckventil 63 in den inneren Arbeitsraum 47i gefördert,
und das Federelement wird auseinandergedrückt, bis die Mittelstellung wieder erreicht
ist. Der Ölspiegel 58i steige auf die Höhe 64i, der Ölspiegel 58 a sinke auf die
Höhe 64 a. Im obigen Zahlenbeispiel werde hierbei das Gaspolster 49 auf 500 cm3
komprimiert und das Gaspolster 48 auf 1000 cm3 expandiert. Wenn dieser Vorgang isothermisch
verläuft, steigt der Druck des Gaspolsters 49 bzw. des inneren Arbeitsraumes 47i
auf 20 kg/cm2, während er im Gaspolster 48 bzw. äußeren Arbeitsraum 47 a auf 5 kg/cm2
fällt. Hieraus ergibt sich eine Druckkraft im Kolben von 100 ₧ 20=2000 kg,
eine Zugkraft von 50₧5=2501,g und 50 ₧ 1=50 kg, woraus als Differenz
1700 kg Tragkraft folgen. Das Beispiel zeigt, daß eine ganz erhebliche Änderung
der Tragkraft des Federelementes möglich ist. Zweckmäßigerweise wird das Federelement
so bemessen, daß die kleinste von ihm geforderte Tragkraft größer ist als die bei
Druckgleichheit in beiden Arbeitsräumen, damit mit Sicherheit alle Belastungsänderungen-
erfaßtwerden können, wobei auch die dynamischen Laständerungen, z. B: in der Kurve,
inbegriffen sind.
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.- Die mit dem Federelement erreichte Kennlinie ist davon abhängig,
wie groß die Kolbenflächen sich und wieviel Luft `in- den Gaspolstern enthalten
ist. Wenn durch irgendwelche Umstände beim Arbeiten des Federelementes auch Luft
vom inneren. in den äußeren Arbeitsraum oder umgekehrt gelangt, so ist dafür Sorge.
getragen; da;ß der- Ölspiegel in einem-:der Arbeitsräume nicht,-zu hoch steigen
kann, was eirrBlöke kieren,de- Fed'erting_zür Folge:baben könnte. Dits-ist
dadurch
erreicht, daß beim Steigen des Ölspiegels im äußeren Arbeitsraum, z. B. auf die
Höhe 66a, und bei gleichzeitigem Sinken im inneren Arbeitsraum auf die Höhe 66 i
Luft durch die engen Öffnungen 68 und 69 der Pumpenkolbenstange 40 und der Kolbenstange
32 hindurch oder bei noch weiterem Sinken des Ölspiegels auch durch die Öffnung
70 der Pumpenkolbenstange 40 hindurch in den äußeren Arbeitsraum übertreten kann.
Die Querschnitte 68, 69 und 70 sind so klein bemessen, daß sie die Pumpenwirkung
der Ölpumpe nicht beeinflussen. In umgekehrter Weise kann Luft durch die Öffnungen
69 und 68 aus dem äußeren in den inneren Arbeitsraum treten, wenn der Ölspiegel
des äußeren Arbeitsraumes auf die Höhe 71 a fällt und im inneren Arbeitsraum
auf die Höhe 71 i steigt.
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Nach Abb. 3 entspricht das Federelement im wesentlichen dem der Abb.
2. Zur Übertragung der Kräfte auf den Aufbau dient das Gummikissen 80, das sich
über den Deckel 82 des Schutzrohres 83 an der Kolbenstange 84 abstützt. Von der
Steueröffnung 87 des inneren Arbeitsraumes 85 führt die Verbindungsleitung 86 in
den äußeren Arbeitsraum 88. In der Verbindungsleitung 86 ist vorzugsweise ein Absperrorgan
89 eingebaut, das z. B. beim Stillstand des Fahrzeuges geschlossen ist, damit die
lastabhängige Regelung ausgeschaltet werden kann.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeichneten Beispiele beschränkt,
insbesondere können zwischen den Arbeitsräumen und den Gaspolstern freie Oberflächen
oder Trennwände bekannter Art vorgesehen sein. Die Förderrichtung der Pumpe kann
umschaltbar sein, und bei Zunahme der Belastung kann Öl von dem äußeren in den inneren
Arbeitsraum, bei Abnahme der Belastung von dem inneren in den äußeren gefördert
werden. In der obigen Beschreibung ist angenommen, daß das Gewicht des Fahrzeuges
durch Druckkräfte des Federelementes aufgenommen wird. Für den Fall, daß Zugkräfte
des Federelementes das Gewicht tragen sollen, kann die Strömung zwischen den beiden
Arbeitsräumen in umgekehrter Richtung erfolgen, wobei dann der Druck im äußeren
Arbeitsraum größer ist als der im inneren. Die Öffnungen 54 können auch in der Kolbenstange
32 angeordnet und von der Oberkante des Pumpenkolbens 39 gesteuert werden. Für die
Erzeugung der Dämpfungskräfte sind nach den Abbildungen Drosselventile bekannter
Art vorgesehen. Die Dämpfung kann auch zusätzlich oder ausschließlich durch die
Kräfte des Pumpenkolbens 39 erzeugt werden, durch den genauso Arbeit verrichtet
wird wie bei der Durchströmung von Dämpfungsventilen. Da die Kräfte des Pumpenkolbens
mit zunehmender Belastung, d. h. zunehmendem Druckunterschied zwischen äußerem und
innerem Arbeitsraum, ansteigen, steigt auch die durch den Pumpenkolben erzeugte
Dämpfungsarbeit. Auf diese Weise ist eine lastabhängige Dämpfung möglich, was als
weiterer Vorteil der Erfindung zu werten ist.