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Pneumatische Abfederungsvorrichtung Die vorliegende Erfindung betrifft
eine pneumatische Abfederungsvorrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge. Bei solchen
Luftfederungen hat man bereits vorgeschlagen, einen an beiden Enden druckdicht geschlossenen
Zylinder, an dessen einem Ende eine Druckluftquelle angeschlossen ist, und einen
in dem Zylinder geführten Steuerkolben zu verwenden, die beide derart zwischen die
abzufedernden Teile eingeschaltet sind, daß der Zylinder mit einem Teil und die
Kolbenstange mit dem anderen der beiden abzufedernden Teile fest verbunden ist,
wobei in der Zylinderwand axial versetzt zueinander zwei Luftdurchtrittsöffnungen
vorgesehen sind, von denen die dem Drucklufteintritt am nächsten liegende etwa in
Höhe der Steuerkante des in seiner Betriebs-Mittelstellung befindlichen Kolbens
und die andere in der Nähe des vom Drucklufteintritt abgelegenen Zylinderendes angeordnet
ist. Dabei sollten die Luftdurchtrittsöffnungen eine Verbindung mit der Atmosphäre
herstellen bzw. mündeten in einer gemeinsamen Kammer, die bereits mit der Atmosphäre
in offener Verbindung steht, wobei das Luftpolster, gegen welches sich der Kolben
bewegt, ständig durch die von der Druckluftquelle nachströmende Luft aufgefüllt
wird. Man beabsichtigte, solche Einrichtungen für KraNahrzeuge mit starker, wechselnder
Belastung zu verwenden, um eine von der Belastung unabhängige Abfederung zu erreichen
und die Bodenhöhe des Fahrzeuges in stets gleicher Mittellage zu halten. Der Nachteil
solcher Einrichtungen liegt in dem laufenden großen Luftbedarf, weil beim Spiel
des Kolbens der Luftaustritt aus dem Zylinder fortgesetzt freigegeben und die im
Zylinder enthaltene Druckluft hierbei ins Freie abgeblasen wird und immer wieder
zu ersetzen ist. Außerdem sind im Fahrbetrieb Federung und Dämpfung relativ schlecht,
weil der Kolben immer wieder gegen ein hartes Luftpolster arbeiten muß.
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Durch die Erfindung werden diese Mängel behoben. Der laufende Druckluftbedarf
ist auf ein Mininium herabgenündert, die Schwingungen werden schnell gedämpft und
der Gleichgewichtszustand des Federungssystems nach jedem Ausschlag schnellstens
wiederhergestellt, so daß es möglich ist, die bisher zusätzlich zur Federung in
Fahrzeugen noch benötigten Stoßdämpfer völlig fortfallen zu lassen. Dies wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß die beiden Luftdurchtrittsöffnungen in der Zylinderwandung
durch eine gegenüber der Atmosphäre abgeschlossene #berströmleitung verbunden sind,
in der sich ein Organ, z. B. ein Rückschlagventil, befindet, welches einen plötzlichen
Druckausgleich zwischen den beiden vom Kolben im Zylinder abgeteilten Zylinderkaminem
verhindert und so die Dämpfung der Kolbenbewegung, insbesondere bei einer plötzlichen
Entlastung der Einrichtung, sicherstellt.
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Bei einer durch Entlastung oder einen Druckanstieg in dem an die Druckluftquelle
direkt angeschlossenen Zylinderraum bewirkten Kolbenbewegung in den Bereich zwischen
die beiden Durchtrittsöffnungen hinein erfolgt ein Druckausgleich zwischen den beiden
durch den Kolben voneinander getrennten Zylinderkammem über die Durchtrittsöffnungen
und die sie verbindende Überströmleitung.
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Wenn die erfindungsgemäße Abfederungsvorrichtung bei Fahrzeugen über
jedem Rad angewendet wird, läßt sich eine bessere Kurvenstabilität erreichen, weil
der Wagenkasten durch die einzelnen Abfederungsvorrichtungen in seiner Horizontallage
sicher gehalten wird. Andererseits bleibt auch die Fahrzeughöhe immer gleich. Bei
schnellen Kurvenfahrten, wenn die Zentrifugalkraft stärker wirksam wird, ist das
Fahrzeug bestrebt, sich nach dem Kurveninnem zu neigen. Andererseits wird die Horizontallage
völlig automatisch in kürzester Zeit wiederhergestellt.
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Vorzugsweise ist im Abdeckungsbereich des in seiner Betriebs-Mittelstellung
befindlichen. Kolbens in der Zylinderwand eine in die Atmosphäre führende zusätzliche
Luftdurchtrittsöffnung axial in Richtung auf das dem Drucklufteintrittsende abgekehrte
Zy-
linderende hin so weit gegenüber der dem Drucklufteintrittsende
zu gelegenen Luftdurchtrittsöffnung der überströmleitung versetzt angeordnet, daß
die beiden Luftdurchtrittsöffnungen noch um eine axiale Dichtungsstrecke voneinander
getrennt sind.
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Hierdurch wird ein schnellerer übergang der Abfederungsvorrichtung
aus der Ruhelage in die Betriebsstellung erreicht und dadurch, daß die in die Atmosphäre
führende Luftdurchtrittsöffnung in einer rundherumlaufenden Nut der Zylinderinnenwand
vorgesehen ist, ein unmittelbarer Druckausgleich zwischen den beiden Zylinderkammern
über etwa zwischen Kolben und Zylinderinnenwand vorhandene Undichtigkeiten verhindert.
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Außerdem ermöglicht diese zusätzliche öffnung eine rasche und selbsttätige
Rückkehr des Kolbens in seine richtige mittlere Arbeitslage bei jeder Änderung des
Belastungszustandes.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung wiedergegeben,
und zwar zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Federungseinrichtung,
wobei sich die Teile in der Außerbetrieb-bzw. Ausgangsstellung befinden, Fig. 2
eine ähnliche Schnittdarstellung, in der sich der Kolben oberhalb seiner normalen
Arbeitsstellung befindet, Fig. 3 und 4 Schnittdarstellungen der Einrichtung,
wenn sich der Kolben in verschiedenen Betriebsstellungen befindet, und Fig.
5 eine Schnittdarstellung der Vorrichtung, wenn der Kolben z. B. bei plötzlicher
Entlastung über seine normale Arbeitslage hinausgelaufen ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem
an beiden Enden druckdicht geschlossenen Zylinder 1, in dem ein auf der Kolbenstange
3 sitzender Kolben 2 gleitet. Im Zylinderboden ist eine mit einer Stopfbüchse
5 versehene Kolbenstangenführung 4 vorgesehen. Die Kolbenstange ist fest
an einem der beiden Teile, die gegeneinander abzufedern sind, angebracht, während
der Zylinder 1 starr mit dem anderen Teil verbunden ist.
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Für die dichte Führung des Kolbens sorg gen Kolbenringe 2 a und zum
anderen die Stopfbuchse 5. Die Versorgung mit Druckluft erfolgt durch eine
außerhalb befindliche Druckluftquelle durch den Anschluß 7 über ein Rückschlagventil
6. In der Zylinderwandung sind Luftdurchtrittsöffnungen 10 und
11
vorgesehen, die untereinander durch eine gegenüber der Atmosphäre abgeschlossene
überströraleitung 8,
in der ein Rückschlagventil 9 sitzt, verbunden
sind. Zum anderen befindet sich in der Zylinderwand eine ins Freie führende öffnung
13 zwischen den beiden Öffnungen 10 und 11 in einem solchen
Abstand von der Öffnung 10, der kleiner ist als die Höhe des Kolbens, so
daß beide noch durch eine axiale Dichtungsstrecke voneinander getrennt sind. In
Höhe dieser öffnung hat die innere Wand des Zylinders eine ringförmige Nut 12.
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Im Außerbetriebszustand befindet sich der Kolben in der Stellung gemäß
Fig. 1. Durch das Ventil 6
wird Druckluft in die obere Zylinderkammer
A eingeführt. Bei Auffüllung der Zylinderkammer mit Druckluft erreicht der
Kolben 2 allmählich die Stellung gemäß Fig. 2. Dabei kann die, Luft aus der unteren
Zylinderkammer B durch die öffnung 13 entweichen.
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Da dem Kolben zunächst kein nennenswerter Druck in der Kammer B gegenübersteht,
bewegt er sich weiter und überstreicht die Öffnung 13, diese dabei verschließend
(Fig. 3), bis schließlich auch die Öffnung 10 freigegeben wird (Fig.
4). Die Kammer B ist nun nicht mehr mit der Atmosphäre verbunden, wohl aber mit
der Kammer A durch die überströmleitung 8. Die Luft strömt in der
Stellung nach Fig. 4 frei von Kammer A in die Kammer B, und es baut sich
in dieser ein Gegendruck auf, bis Druckausgleich erreicht ist. Es erfolgt schließlich
eine Rückbewegung des Kolbens 2, bis die Öffnung 10 wieder abgedeckt, aber
die Öffnung 13 noch immer verschlossen ist (Fig. 3). In dieser Betriebs-Mittelstellung
werden etwaige Luftverluste infolge von Undichtigkeiten durch Zuführen von Luft
aus der Kammer A in die Kammer B kompensiert. Jede Bewegung des Kolbens,
die das Volumen der Kammer B verringert, gibt die öffnung 10 teilweise frei.
Die Luft, die etwa von der Kammer A zur Kammer B - oder umgekehrt
- zwischen den Kölbenringen und dem Zylinder hindurchströmt, wird über die
Nut 12 durch die Auslaßöffnung 13 ins Freie abgeführt.
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Jede plötzliche oder langsame Be- oder Entlastung der Einrichtung
ergibt eine Verschiebung des Kolbens im Zylinder und wird durch die damit verbundene
Kompression der Luft entweder in der Kammer A oder B gefedert oder gedämpft.
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Der Druck in der oberen Zylinderkammer A muß so groß sein,
daß der auf jede Federung entfallende Anteil des Fahrzeuggewichtes aufgehoben wird
und es darüber hinaus noch möglich ist, Fahrbahnstöße, überlastungen und Zuladungen
aufzunehmen. Die Druckluftquelle läßt sich auf diesen Druck einstellen und sorgt
immer dafür, daß die Zylinderkammer A
mit der zugehörigen Luftmenge unter
dem eingestellten Druck versorgt ist. Die untere Zylinderkammer B steht unter einem
geringeren Druck, und zwar entspricht der Druck in dieser Kammer der Druckdifferenz
zwischen dem in der Zylinderkammer A durch die Druckluftquelle, eingeregelten
Druck und dem Druck, der tatsächlich notwendig ist, um die ruhende Last auszugleichen.
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Ist die Abfederungsvorrichtung in ein Fahrzeug eingebaut, so erhält
beim Fahren über Fahrbahnunebenheiten der Kolben 2 aus seiner Betriebs-Mittelstellung
(Fig. 3) heraus plötzliche Stoßimpulse nach oben. Diese wirken sich infolge
der Trägheit der großen Masse des Wagenkörpers erst mit einer geringen Phasenverschiebung
unter Kompression des Luftvolumens in der oberen Zylinderkammer A als Hubbewegung
auf den Zylinderkörper 1 aus, der mit der Karrosserie bzw. dem Fahrgestell
verbunden ist. Mit der Kompression der Luft in der Zylinderkammer A geht
ein entstandener Druckabfall in der unteren Zylinderkammer B einher.
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Der zwischen den beiden Zylinderkammern bestehende Druckunterschied
wird bei der durch den Radstoß verursachten anfänglichen Relativverschiebung des
Kolbens 2 im Zylinder 1 nach oben vergrößert, wobei die obere Öffnung
10 der Überströmleitung 8 zunächst verschlossen bleibt, weil sich
der Kolben 2 nur wenig aus der in Fig. 3 gezeigten Stellung weiter nach oben
in Richtung auf den Zylinderdeckel hin verschiebt.
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Weil, wie oben gesagt, der Druck in der Zylinderkammer A höher
ist, als zum Ausgleich der ruhenden Last erforderlich ist, ist dieser Betriebsdruck
der Abfederungsvorrichtung in der Lage, die in Fig. 3 dargestellte Schwingungsruhestellung
des Systems zu erhalten.
Ist der aufgefangene Stoß so groß, daß
bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 2 die Luftaustrittsöffnung 13 kurzzeitig
freigegeben wird (Fig. 2), so wird hierdurch plötzlich die untere Zylinderkammer
B entlüftet; der Druck entweicht, und es erfolgt eine sehr starke Dämpfung des Stoßes
und eine Rückbewegung des Kolbens 2 bis in die Schwingungsruhestellung (Fig.
3). Das Schwingungsgleichgewicht des Systems wird auf diese Weise schnellstens
wiederhergestellt.
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Ähnlich günstige Verhältnisse ergeben sich auch, wenn der Kolben bei
einer plötzlichen Entlastung wieder nach unten läuft, beispielsweise wenn das Fahrzeugrad
eine Fahrbahnerhöhung überfahren hat oder in ein Schlagloch eintritt. Dadurch, daß
bei der Rückbewegung des Kolbens nach unten die öffnung 10 wieder freigegeben
wird (Fig. 4), kann sich der Betriebsluftdruck im oberen Zylinderraum sofort auf
die untere Zylinderkammer B ausdehnen und hier eine Dämpfungswirkung auf den Kolben
bzw. den Zylinder ausüben. Die Überströmleitung 8 zwischen den öffnungen
10 und 11 ergibt den Vorteil der schnelleren Wiederherstellung des
Gleichgewichtszustandes zwischen Kolben 2 und Zylinder 1. Durch das in der
Leitung 8 eingesetzte Rückschlagventil 9
wird die Dämpfungswirkung
noch verstärkt.
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Die Öffnung 13 in der Zylinderwandung hat die Aufgabe, die
Druckverhältnisse in den Kammern A
und B dem jeweiligen Belastungszustand
des Fahrzeuges anzupassen. Sie sorgt dafür, daß der Kolben 2 bei jeder Zuladung
oder Endbelastung des Fahrzeuge-s immer die in Fig. 3 angezeigte Mittellage
einimmt, in der das Schwingungsgleichgewicht erreicht ist. Bei vollständig entlastetem
Fahrzeug kann der Kolben die Stellung gemäß Fig. 4 erreichen, so daß über die freigegebene
öffnung 10 und die Leitung 8
in der unteren Zylinderkammer B ein so
hoher Druck aufgebaut ist, daß der Zylinder wieder in die Stellung gemäß Fig.
3 gegenüber dem Kolben heruntergedrückt wird.
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Die gezeigte Einrichtung ist lediglich ein Ausführungsbeispiel. Sie
kann als Abfederungseinrichtung für die verschiedensten Zwecke Verwendung
finden, insbesondere für Fahrzeuge, und zwar unabhängig davon, ob es sich um Schienen-
oder schienenlose Fahrzeuge handelt.