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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Federungseinrichtung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 zur eine Last tragenden und federnden Rad-Abstützung in
einem Kraftfahrzeug.
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Eine
derartige Federungseinrichtung ist beispielsweise durch die
EP 0 425 885 B1 bekannt
(Ausführungen
ab
5). Dabei handelt es sich um ein hydropneumatisches
Federungssystem, wobei der Zylinderraum und der Ringraum des Federzylinders mit
jeweils einem hydropneumatischen Federspeicher verbunden sind, so
dass jeweils ein pneumatischer Druck mittelbar über ein hydraulisches Medium beidseitig
auf den Kolben des Federzylinders wirkt. Dadurch entstehen zwei
gegensinnig auf den Kolben wirkende Kräfte, aus deren Differenz sich
eine Tragkraft zur Abstützung
der Last ergibt.
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Das
bekannte Federungssystem hat sich in der Praxis gut bewährt. Pneumatische
Federungen sind aber stets mit dem Nachteil behaftet, dass Temperaturänderungen
einen recht starken Einfluss auf den Druck eines pneumatischen Federmediums
haben, so dass sich die Trag- und Federeigenschaften ebenfalls temperaturabhängig ändern. Dies
gilt auch für
das Fahrzeug-Niveau im statischen Zustand. Bei dem Federungssystem
gemäß
EP 0 425 885 B1 wird dieser
Temperatureinfluss zwar etwas verringert, weil zwei Drücke gegensinnig
auf den Kolben des Federzylinders wirken. Dennoch besteht noch ein
Verbesserungsbedarf.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Federungseinrichtung
der genannten Art so zu verbessern, dass die Gebrauchseigenschaften
praktisch unabhängig
von Temperaturschwankungen sind. Dies gilt vor allem für eine statische
Niveaulage des Federzylinders, damit das jeweilige Fahrzeug-Niveau
bei unterschiedlichen Temperaturen praktisch konstant bleibt.
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Erfindungsgemäß wird dies
durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale
sind in den abhängigen
Ansprüchen
enthalten.
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Demnach
ist erfindungsgemäß zunächst konstruktiv
vorgesehen, dass auf der Kolbenstange ein zusätzlicher Ringkolben angeordnet
ist, der in einem sich an den Ringraum des Zylinders anschließenden,
im Querschnitt erweiterten Zusatzzylinder geführt ist, wobei der Ringkolben
auf seiner von dem Kolben wegweisenden Seite eines in dem Zusatzzylinder
gebildeten Zusatz-Ringraums mit einem Gegendruck eines elastisch
kompressiblen, insbesondere pneumatischen Gegenfedermediums beaufschlagt
ist. Hierdurch ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit, die jeweils druckbeaufschlagten
Flächen
einerseits des Kolbens auf der Seite des Zylinderraums und andererseits
des Ringkolbens auf der Seite des Zusatz-Ringraums derart – insbesondere
gleich groß – auszulegen,
dass temperaturbedingte Druckänderungen
praktisch keine Verschiebung des Kolbens aus der statischen Lage
bewirken können.
Hierzu ist weiterhin vorgesehen, dass die Relativbewegung des Ringkolbens
in Richtung zu dem Kolben hin einerseits durch einen inneren Anschlag
der Kolbenstange und andererseits durch einen äußeren Anschlag im Zusatzzylinder
begrenzt ist. Erfindungsgemäß ist dabei
eine von der Last abhängige
Auslegung der entgegengesetzt wirkenden Drücke und der jeweiligen von
diesen Drücken
beaufschlagten Flächen
des Kolbens und des Zusatzkolbens derart vorgesehen, dass in einem
statischen, mit der Last beaufschlagten Zustand des Federzylinders
der Zwischenkolben sich in Anlage sowohl am inneren Anschlag als
auch am äußeren Anschlag
befindet. Dadurch ist eine durch den Kolben und den Ringkolben gebildete
Kolbenanordnung in der statischen Lage zwischen den gegensinnig
wirkenden Drücken "eingespannt". Temperaturbedingte
Erhöhungen
der Drücke
heben sich dabei vorteilhafterweise auf. Bei einem dynamischen Einfedern
aus der statischen Lage wird nur der Kolben in dem Zylinder gegen
den Arbeitsdruck bewegt, während
der Ringkkolben in seiner Anschlagstellung im Zusatzzylinder stehen bleibt,
so dass der Gegendruck keine auf den Kolben wirkende Gegenkraft
erzeugt. Die Kolbenstange verschiebt sich zusammen mit dem Kolben
relativ zu dem Ringkolben. Im Falle eines dynamischen Ausfederns
aus der statischen Lage heraus wird der Ringkolben über den
inneren Anschlag von der Kolbenstange gegen den Gegendruck mitgenommen.
Dadurch wird durch Kompression des Gegenfedermediums die Gegenkraft
auf den Ringkkolben und über die
Kolbenstange auch auf den Kolben größer, was zu einer Dämpfungswirkung
in Ausfederungsrichtung führt.
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Anhand
von in der Zeichnung veranschaulichten, bevorzugten Ausführungsbeispielen
soll die Erfindung genauer erläutert
werden. Dabei zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Federungseinrichtung
in Axialschnittdarstellung der Komponenten, und zwar in einer statischen
Lage,
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2 eine
Darstellung analog zu 1 in einer zweiten Ausführung mit
zusätzlicher
Dämpfungseinrichtung,
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3 die
Federungseinrichtung gemäß 2 in
einem aus der statischen Lage heraus eingefederten Zustand und
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4 die
Federungseinrichtung gemäß 2 in
einem aus der statischen Lage heraus ausgefederten Zustand.
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In
den verschiedenen Figuren der Zeichnungen sind gleiche bzw. sich
funktionell entsprechende Teile und Komponenten stets mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Eine
erfindungsgemäße Federungseinrchtung 1 besteht
aus (mindestens) einem Federzylinder 2, der seinerseits
teleskopartig aus einem Zylinder 4 und einem darin linear
verschiebbar geführten
Kolben 6 mit einer Kolbenstange 8 besteht. Die
Kolbenstange 8 ist einseitig umfangsgemäß abgedichtet aus dem Zylinder 4 nach
außen
geführt.
Der Federzylinder 2 ist zur direkten Anordnung zwischen
einer ungefederten Masse (Fahrzeugrad bzw. Achse) und einer gefederten
Masse (Fahrzeugrahmen bzw. Karosserieaufbau) vorgesehen. Dazu weisen
der Zylinder 4 und die Kolbenstange 8 an ihren
gegenüberliegenden,
voneinander entfernten Enden geeignete Verbindungselemente 10 auf.
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Der
Kolben 6 liegt über
(mindestens) eine Umfangsdichtung an der Innenfläche des Zylinders 4 an.
Dadurch trennt der Kolben 6 innerhalb des Zylinders 4 einen
zylindrischen Arbeitsraum 12 von einem die Kolbenstange 8 umschließenden Ringraum 14. Auf
der Seite des Arbeitsraumes 12 wirkt der Kolben 6 mit
seiner diesem zugewandten Arbeitsfläche A1 zur Erzeugung einer
die jeweilige Last tragenden Tragfederkraft F gegen einen Arbeitsdruck
pA eines elastisch kompressiblen, insbesondere
pneumatischen Federmediums FM (beispielsweise Stickstoff).
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Erfindungsgemäß ist auf
der Kolbenstange 8 in einem bestimmten axialen Abstand
von dem Kolben 6 ein zusätzlicher Ringkolben 16 angeordnet,
der in einem sich an den Ringraum 14 des Zylinders 4 anschließenden,
im Querschnitt erweiterten Zusatzzylinder 18 geführt ist.
Dabei ist der Ringkkolben 16 auf seiner von dem Kolben 6 wegweisenden
und einem in dem Zusatzzylinder 18 gebildeten Zusatz-Ringraum 20 zugewandten
Seite mit einem Gegendruck pG eines elastisch
kompressiblen, insbesondere ebenfalls pneumatischen Gegenfedermediums
GM beaufschlagt. Der Gegendruck pG wirkt
somit auf eine Gegenfläche
A2 des Ringkolbens 16. Dabei sind die Arbeitsfläche A1 des
Kolbens 6 und die Gegenfläche A2 des Ringkkolbens 16 mit
zumindest annähernd
gleicher Flächengröße ausgebildet (A1
= A2).
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Der
Ringkolben 16 ist einerseits innerhalb des Zusatzzylinders 18 über eine äußere Umfangsdichtung 22 abgedichtet
und axial verschiebbar geführt
und andererseits auf der Kolbenstange 8 über eine
innere Umfangsdichtung 24 abgedichtet und axial relativ
zur Kolbenstange 8 verschiebbar geführt. Die Umfangsdichtungen 22, 24 bestehen
bevorzugt jeweils aus mindestens zwei Dichtringen. Die axiale Relativbewegung
des Ringkolbens 16 ist in Richtung zu dem Kolben 6 hin
einerseits durch einen inneren Anschlag 26 der Kolbenstange 8 und
andererseits durch einen äußeren Anschlag 28 im
Zusatzzylinder 18 begrenzt. Der innere Anschlag 26 ist
durch eine radiale Ringstufe der Kolbenstange 8 gebildet, über die
sich ausgehend von dem Kolben 6 der Durchmesser der Kolbenstange 8 verringert.
Der äußere Anschlag 28 ist
durch eine radiale Ringstufe am Übergang
zwischen dem Zylinder 4 und dem Zusatzzylinder 18 gebildet,
wobei durch diese Ringstufe sich der Durchmesser des Zusatzzylinders 18 gegenüber dem
Zylinder 4 vergrößert.
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Erfindungsgemäß ist hierbei
eine von der jeweiligen Last abhängige
Auslegung des Arbeitsdruckes pA, des Gegendruckes
pG sowie der jeweiligen von diesen Drücken beaufschlagten
Flächen
A1 und A2 des Kolbens 6 und des Ringkolbens 16 derart
vorgesehen, dass in einem – jeweils
in 1 und 2 dargestellten – statischen,
mit der Last beaufschlagten Zustand des Federzylinders 2 der
Ringkolben 16 sich in Anlage sowohl am inneren Anschlag 26 der Kolbenstange 8 als
auch am äußeren Anschlag 28 des
Zusatzzylinders 18 befindet. Der Ringkolben 16 ist
somit von dem Kolben 6 in axialer Richtung definiert beabstandet,
so dass der Kolben 6 zusammen mit dem Ringkolben 16 eine
Kolbenanordnung bildet, die in der statischen Lage zwischen dem
Arbeitsdruck pA und dem Gegendruck pG "eingespannt" ist. Hierdurch wird
eine sehr effektive Temperatur-Kompensation erreicht, indem bei
einer Temperaturerhöhung
die dadurch ansteigenden Drücke
sich gegenseitig kompensieren; die hierdurch entstehenden Zusatzkräfte heben
sich durch die gleichen Flächen
A1 = A2 gegenseitig auf.
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Wenn
gemäß 3 der
Federzylinder 2 aus der statischen Lage heraus dynamisch
einfedert, wird über
die Kolbenstange 8 nur der Kolben 6 in dem Zylinder 4 gegen
den Arbeitsdruck pA bewegt. Der Ringkolben 16 bleibt
durch den äußeren Anschlag 28 im
Zusatzzylinder 18 stehen, und der innere Anschlag 26 der
Kolbenstange 8 hebt sich vom Ringkolben 16 ab.
Beim Einfedern wirkt auf den Kolben 6 somit nur die eigentliche
Tragfederkraft F = pA·A1.
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In 4 ist
ein dynamisches Ausfedern aus der statischen Lage heraus dargestellt.
Dabei bewegt sich der Kolben 6 gemeinsam mit dem Ringkolben 16 in
Ausfederungsrichtung, weil die Kolbenstange 8 mit dem inneren
Anschlag 26 den Ringkolben 16 mitnimmt. Der Ringkolben 16 hebt
sich somit vom äußeren Anschlag 28 ab.
Bei dieser Bewegung wirkt der Ringkolben 16 somit gegen
den Gegendruck pG. Daher wirkt beim Ausfedern
eine resultierende Kraft Fres = pa·A1 – pG·A2.
Da A1 = A2 = A ist, folgt Fres = A (pA – pG). Dadurch wird eine Dämpfungswirkung erreicht, wobei
durch die jeweilige Volumenänderung
der Arbeitsdruck sinkt und der Gegendruck steigt.
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Bei
den dargestellten, bevorzugten Ausführungen ist der Arbeitsraum 12 des
Zylinders 4 unmittelbar mit dem kompressiblen Federmedium
FM gefüllt.
Vorzugsweise ist dabei der Arbeitsraum 12 über eine
Leitung 30 mit einem externen Speicher 32 verbunden,
wobei der Arbeitsraum 12 ein erstes Volumen K1.1 des Federmediums
FM und der Speicher 32 ein zweites Volumen K1.2 des Federmediums
FM enthalten. Ferner ist bevorzugt auch der Zusatz-Ringraum 20 des
Zusatzzylinders 18 unmittelbar mit dem kompressiblen Gegenfedermedium
GM gefüllt. Auch
hier ist bevorzugt der Zusatz-Ringraum 20 über eine
Leitung 34 mit einem externen Zusatzspeicher 36 verbunden.
Der Zusatz-Ringraum 20 enthält ein erstes Volumen K2.1
und der Zusatzspeicher 36 ein zweites Volumen K2.2 des
Gegenfedermediums GM.
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Alternativ
zu dieser bevorzugten Ausführung ist
auch jeweils eine mittelbare Druckbeaufschlagung über ein
hydraulisches Medium möglich
(hydropneumatische Ausführung).
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In
der ersten Ausführung
gemäß 1 ist der
Ringraum 14 zwischen dem Kolben 6 und dem Ringkolben 16 belüftet, d.
h. mit der Atmosphäre
verbunden und dadurch grundsätzlich
funktionslos.
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In
der zweiten Ausführung
gemäß 2 bis 4 ist
der Ringraum 14 zwischen dem Kolben 6 und dem
Ringkolben 16 Bestandteil einer hydraulischen Dämpfungseinrichtung 38.
Dazu ist der Ringraum 14 mit einem hydraulischen Dämpfungsmedium
DM gefüllt
und über
eine Leitung 40 und ein Dämpfungsventil 42 mit
einem externen Speicher 44 verbunden. Anhand der 3 und 4 läßt sich nachvollziehen,
dass es bei dynamischen Federungsbewegungen zu Volumenänderungen
des Ringraums 14 kommt, so dass jeweils Hydraulikmedium über das
Dämpfungsventil 42 strömt. Durch
geeignete Auslegung des Dämpfungsventils 42 können unterschiedliche
Dämpfungskräfte beim
Ein- und Ausfedern erreicht werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden
Ausführungen.
Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im Anspruch
1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch
jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller
insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet,
dass grundsätzlich
praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen bzw. durch
mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal
ersetzt werden kann. Insofern ist der Anspruch 1 lediglich als ein
erster Formulierungsversuch für
eine Erfindung zu verstehen.