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Hydropneumatische Federungseinheit Die Erfindung betrifft eine hydropneumatische
Federungseinheit, insbesondere für Fahrzeuge, bestehend aus einem Hydraulikzylinder
mit Verdrängerstange und Stoßdämpferkolben, der jenseits des Kolbens mit einem koaxial
den Hydraulikzylinder umgebenden Arbeitsraum in Verbindung steht, wobei der Arbeitsraum
mittels einer verschiebbaren Dichtung in einen Hydraulikraum und einen druckgleichen
Gasraum unterteilt ist.
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Derartige hydropneumatische Federungseinheiten, im Fahrzeugbau auch
"Federbeine" genannt, weisen üblicherweise beim Ein- und Rückfedern unterschiedliche
Federungscharakteristiken auf, die dem besonderen Schwingungsverhalten des Fahrzeugs
Rechnung tragen. Diese Federungscharakteristiken verlaufen jedoch stets kontinuierlich,
da die eingebauten Drosselöffnungen oder Ventile auf der gesamten Hublänge der Federungseinheit
wirksam sind.
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Gerade im Fahrzeugbau ist jedoch auch mit solch heftigen StöBen zu
rechnen, daß die Feder vollkommen zusammengedrückt wird, was zu ihrer Zerstörung
bzw. zu Schäden am Fahrzeug führen kann. Es ist daher noch innerhalb der Hublänge
der Feder eine weitere Dämpfungseinheit, im allgemeinen eine Gummifeder, parallel
zu dem Federbein vorgesehen, die sprunghaft die Gesamtfederkraft erhöht und solch
harte Stöße, die zu einem Durchschlagen der Feder führen würden, auffängt.
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Das Anbringen derartiger Gummifedern erfordert zusätzliche Konstruktionsteile,
die auch in der Lage sein müssen, die auftretenden großen Kräfte aufzunehmen. Die
dadurch erforderliche massive Ausbildung dieser Teile bringt nicht nur konstruktive
Schwierigkeiten mit sich, sondern verteuert auch die Fahrzeugfederung. Es wurde
daher auch bereits schon vorgeschlagen, zentral durchbohrte Gummifedern auf der
Kolbenstange der Federungseinheit anzuordnen, die ebenfalls ein vollständiges Zusammendrücken
der Federn verhindern. Bei dieser Anbringungsart werden zwar die zusätzlichen Konstruktionsteile
eingespart, jedoch wird die gesamte Federungseinheit so lang, daß sie insbesondere
im Personenwagenbau kaum noch einzusetzen ist.
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Es ist auch bekannt geworden, Stoßdämpfer so auszubilden, daß sich
die der Einfederung entgegenwirkende Kraft im letzten Teil des Hubes sprunghaft
erhöht. Erreicht wird dies dadurch, daß in dem mit einer zentralen Bohrung versehenen
Stoßdämpferkolben ein federnder Bolzen angebracht ist, der über die gewünschte Hublänge
mit verstärkter Gegenwirkung über den Stoßdämpferkolben hinausragt. Beim Erreichen
dieser Stellung greift der Bolzen in ein Bodenventil ein und verschließt dies so
weit, daß der Durchtrittsquerschnitt zu dem umgebenden Arbeitsraum stark verkleinert
wird0 Da der Bolzen beim
weiteren Niedergehen des Stoßdämpferkolbens
federnd zurückweichen kann, bleibt über diese gesamte Hublänge das Bodenventil geschlossen,
damit also auch die sprunghaft erhöhte Kraft zum Niederdrücken des Stoßdämpfers.
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Zusätzliche äußere Konstruktionselemente werden zwar damit vermieden,
jedoch ist die Mechanikdieser Feder verhältnismäßig aufwendig und auch, durch die
kleinen Durchströmquerschnitte und damit der Möglichkeit des Zusetzens bedingt,
störanfällig.
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Diese Nachteile sollen bei der erfindungsgemäßen Federungseinheit
vermieden werden. Aufgabe ist es daher, eine hydropneumatische Federungseinheit
zu schaffen, die eine pneumatische Feder mit einem hydraulischen StoBdämpfer in
einem Gehäuse vereinigt, bei der die Federkraft in einem bestimmbaren Restteil der
Hublänge zum Vermeiden des "Durchschlagens" der Feder sprunghaft ansteigen soll.
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Die Federungseinheit soll außerdem vollkommen wartungsfrei und zuverlässig
über ihre gesamte Standzeit arbeiten und außerdem wirtschaftlich herstellbar sein.
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Ausgehend von einer hydropneumatischen stoßdämpfenden Federungseinheit
insbesondere für Fahrzeuge bestehend aus einem Hydraulikzylinder mit Verdrängerstange
und Stoßdämpferkolben, der jenseits des Kolbens mit einem koaxial den Hydraulikzylinder
umgebenden Arbeitsraum in Verbindung steht, wobei der Arbeitsraum mittels einer
verschiebbaren Dichtung in einen Hydraulikraum und einen druckgleichen Gasraum unterteilt
ist, wird dies nach der Erfindung durch einen auf der Verdrängerstange bzw. dem
Stoßdämpferkolben angebrachten, bei der Einfederung in einen, fußseitig ebenfalls
mit dem Arbeitsraum in Verbindung stehenden abdichtenden Zylinderraum eintauchenden
Verdrängerkolben erreicht.
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Nicht mehr also wie bei den bekannten Konstruktionen durch Abschließen
eines Ventils bzw. Verändern des Durchtrittsquerschnittes zum Arbeitsraum wird die
sprunghafte Erhöhung der Federkraft erreicht, sondern durch eine mit dem Hub sprunghaft
anwachsende Erhöhung des durch die gleichbleibenden Durchtrittsquerschnitte hindurchzupressenden
Hydrauliköles. Dadurch entfallen die Schwierigkeiten, die durch das Zusetzen zu
enger Durchtrittsquerscbnitte hervorgerufen werden können. Gleichzeitig entfallen
jedoch auch aufwendige Ventilanordnungen, so daß bereits dadurch eine wesentlich
billigere Herstellung der erfindungsgemäßen Federungseinheit möglich ist.
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Ber Verdrängerkolben wird außerdem einfach auf die Verdrängerstange
bzw. den Stoßdämpferkolben aufgesetzt, benötigt also keine zusätzliche federnde
Führung, wie der das Bodenventil abschließende Bolzen bei den bekannten Stoßdämpfern.
Auch dies kommt wieder der Funktionssicherheit und der billigen Herstellung der
Federungseinheit nach der Erfindung zugute.
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Beim Einfedern (Niederdruck) der erfindungsgemäßen Federungseinheit
erfolgt das Uberströmen des verdrängten Hydrauliköles sowohl durch die Verbindung
des Hydraulikzylinders als auch die des Zylinderraumes mit dem Arbeitsraum. Taucht
der Verdrängerkolben jedoch in den Zylinderraum ein,so kann das weiterhin im Hydraulikzylinder
durch das Eindringen der Kolbenstange verdrängte Hydrauliköl nur noch durch die
Verbindung des Hydraulikzylinders mit dem Arbeitsraum in den Arbeitsraum eintreten,
da der Verdrängerkolben den Zylinderraum gegen das Innere des Hydraulikzylinders
abgedichtet hat. Gleichzeitig wird jedoch durch den Verdrängerkolben über die Verbindung
des Zylinderraums mit dem Arbeitsraum zusätzlich Öl
in den Arbeitsraum
verdrängt, so daß wesentlich hohere Drücke zum Zusammenpressen der Feder notwendig
sind. Damit ist die gewünschte Federungscharakteristik auf einfachste und wirtschaftlichste
Weise erreicht, wobei zusätzlich noch Sorge dafür getragen ist, daß die erfindungsgemäße
Feder über ihre gesamte Standzeit wartungsfrei und zuverlässig arbeitet.
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Eine sehr einfache Fertigung der erfindungsgemäß Federungseinheit
wird dadurch erreicht, daß der Zylinderraum ein endständiger Teil des Hydraulikzylinders
ist, der durch einen den Verdrängerkolben beim Eintauchen umfassenden Dichtring
vom Hydraulikzylinder getrennt ist und daß am Fußende des Zylinlerraumes sowie oberhalb
des Dichtringes Verbindungsbohrungen zum Arbeitsraum vorgesehen sind. Als zusätzliche
Elemente werden bei dieser Federungseinheit also lediglich der Verdrängerkolben
und der diesen Kolben umfassende Dichtring benötigt Soll der Ver@@@ngerkolben einen
geringeren Durchmesser erhalten, empfiehlt es sich, fußseitig eine Zylinderbüchse
einzufügen, die mit Abstand von der Zylinder-Innenwandung angeordnet oder auch an
diese angelegt sein kann. Zur Vereinfachung beim Herstellen der Federungseinheit
wird man zweckmäßigerweise auf der Zylinderbüchse eine Außenschulter vorsehen, auf
der sich der Hydraulikzylinder abstützen kann. Der Vorteil der Gesamtkonstruktion
ist ja auch der, daß kaum Ansprüche an die Fertigungsgenauigkeit gestellt werden,
da Ventile oder sonstige feingliedrige Bauteile nicht mehr zur Anwendung kommen.
So ist es auch nicht notwendig, die Zylinderbüchse mit dem Hydraulikzylinder zu
verbinden, da das Fixieren der einzelnen Teile durch das äußere umschließende Rohr
und die stirnseitigen Abschlüsse erfolgt. Diese einfache Fertigungsmöglichkeit wirkt
sich selbstverständlich sehr auf den Preis der erfindungsgemäßen Federungseinheit
aus.
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Vorteilhafterweise werden die Durchtrittsquerschnitte der Verbindungen
vom Hydraulikzylinder und vom Zylinderraum zum Arbeitsraum dem jeweils verdrängten
Ölvolumen beim Einfedern bei eingetauchtem Verdrängerkolben angepaßt. Selbstverständlich
ist es auch möglich, beispielsweise die Verbindungen de Zylinderraumes zum-Arbeitsraum
entsprechend kleiner zu halten, so daß diese Verbindungen nach dem Eintauchen des
Verdrängerkolbens in den Zylinderraum als Drossel wirken und zusätzlich die Federungscharakteristik
verändern.
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Um ein weiches Einsetzen der erhöhten Einfederungskaft zu erzielen,
kann der Verdrängerkolben an seiner Spitze oder auch über seine gesamte Länge leicht
konusförmig ausgebildet sein. Die volle Federkraft wird bei einer solchen Ausbildung
erst dann erreicht, wen der Verdrängerkolben mit seinem zylindrischen Teil von dem
im Zylinderraum vorgesehenen Dichtring umfaßt wird.
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Selbstverständlich ist es auch noch möglich, im Verdrängerkolben ein
bei der Einfederung geschlossenes Rückschlagventil vorzusehen, um die Gesamtcharakteristik
der erfindungsgemäßen Federungseinheit zusätzlich zu verändern.
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Auf der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt
und zwar zeigen: Fig. 1 die Federungseinheit im Längsschnitt, Fig. 2 einen Querschnitt
nach der Schnittlinie II-II der Figur 1.
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Ein Hydraulikzylinder 1 ist koaxial von einem äußeren Rohr 2 umgeben.
Der sich dazwischen ergebende Arbeitsraum ist durch Rollmembrane 23, 33, in einen
Gasraum 4 und einen Hydraulikraum 5 unterteilt. Der Hydraulikraum 5 steht mit dem
Hydraulikzylinder 1 über Bohrungen 6 in
Verbindung. In dem Hydraulikzylinder
1 ist fußseitig eine@ Zylinderbüchse 7 eingefügt, die ebenfalls Bohrungen 8 zum
Hydraulikraum 5 aufweist. Der Hydraulikzylinder 1 wie auch das äußere Rohr 2 werden
stirnseitig verschlossen durch Abschlußstücke 9, 10. Das Abschlußstück 10 führt
die Kolbenstange (Verdrängerstange) 11, an der ein Stoßdämpferkolben 12 angebracht
ist. Auf dem Stoßdämpferkolben 12 angeordnet ist ein Verdrängerkolben 13, der sich
an seiner Spitze konusförmig (14) verjüngt. Der Gasraum 4 wird über ein Ventil 15
mit komprimiertem Gas gefüllt.
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Beim Einfedern (Niederdruck) verdrängt die Verdrängerstange 11 Hydrauliköl,
das durch die Bohrungen 6 und 8 in den Hydraulikraum 5 abfließen und las Gaspolster
im Gasraum 4 über die Rollmembrane 23, 33 zusammenpressen kann. Taucht der Verdrängerkolben
13 mit seiner konusartig verjüngten Spitze 14 in die Zylinderbüchse 7, an deren
Vorderkante ein Dichtring 16 angeordnet ist, ein, so werden allmählich die in der
Zylinderbüchse 8 angebrachten Bohrungen gegen den Durchtritt des- Hydrauliköls aus
dem Hydraulikzylinder 1 abgesperrt. Gleichzeitig verdrängt der Verdrängerkolben
13 Hydrauliköl aus der Zylinderbüchse 7 durch die Bphrungen 8 in den Hydraulikraum
5, so daß nunmehr nicht nur pro Wegeinheit Hydrauliköl durch die Verdrängerstange
11, sondern auch durch den Verdrängerkolben 13 in den Arbeitsraum gefördert wird.
Die erhöhte Fördermenge preßt selbstverständlich wesentlich stärker das Gaspolster
im Gasraum 4 zusammen, so daß auch eine entsprechend größere Kraft zum Einfedern
notwendig ist. Durch die konische Verjüngung 14 des Verdrängerkolbens 13 ist dieser
Übergang gleitend, da erst nach einer nach und nach erfolgenden Verringerung des
kreisförmigen
Spaltes zwischen dem Dichtring 16 und der konischen
Verjüngung 14 die vollkommene Abdichtung bei dem zylinderförmigen Teil des Verdrängerkolbens
13 erreicht wird.