DE2836662B1 - Luftfeder,insbesondere fuer Kraftfahrzeuge - Google Patents

Luftfeder,insbesondere fuer Kraftfahrzeuge

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Description

Die Erfindung betrifft eine Luftfeder, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit geschlossenem Federvolumen, und mit zwei unterschiedlich großen, entgegengesetzt druckbeaufschlagten, voneinander abgewandten wirksamen und in ihrer Größe zueinander federwegabhängig veränderlichen Federflächen, die koaxial gegeneinander abgestützt sind und von denen die kleinere Federfläche über dem Einfederweg abnimmt, wobei das Federvolumen durch zwei eine gemeinsame Kammer begrenzende Rollbälge gebildet ist, deren voneinander abgewandte wirksame Federflächen auf miteinander
ίο verbundenen Federkolben abgestützt sind, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen und von denen zumindest der kleinere Federkolben eine sich über dem Einfederweg verringernde Rollbalgstützfläche aufweist, und wobei die Federkraft einerseits über die Federkolben und andererseits über einen den Rollbalgwänden zugeordneten Tragkörper zu übertragen ist.
Eine Luftfeder dieser Ausgestaltung ist Gegenstand der älteren deutschen Patentanmeldung P 27 50 667.8-12, bei der die Aufgabe zur Lösung anstand, eine solche Feder so auszugestalten, daß sich bei einfachem und gedrungenem Federaufbau durch möglichst geringe Volumenveränderungen und entsprechend geringe dynamische Verhärtung ein weiches und verzögerungsfrei ansprechendes Federsystem ergibt, das sich gegen beide Federendlagen progressiv verhärtet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein solches Federsystem im Hinblick darauf weiterzubilden, daß es Belastungsschwankungen um die Nennlage innerhalb gewisser Belastungsgrenzen im wesentlichen unter Beibehalt seiner Nennlage aufzunehmen geeignet ist.
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die beiden Federkolben derart elastisch gegeneinander verspannt sind, daß ihr axialer Abstand in Abhängigkeit vom Federkammerdruck begrenzt veränderbar ist. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung führt zu Änderungen der wirksamen Federflächen in Abhängigkeit vom Arbeitsdruck im Luftfederelement, und in der Folge davon zu einer Zunahme bzw. Abnahme der wirksamen Federfläche des größeren, tragenden Federkolbens gegenüber der wirksamen Federfläche des kleineren Federkolbens, so daß Belastungsschwankungen um die Nennlage im wesentlichen unter Beibehaltung der Nennlage abgefangen werden können. Die erfindungsgemäße Luftfeder arbeitet damit um die Nennlage innerhalb gewisser Belastungsgrenzen selbsttätig niveaustabilisierend, so daß, was im Hinblick auf statische, bzw. quasistatische Belastungsänderungen erwünscht ist, die vorgegebene Nennlage weitgehend erhalten bleibt. Dies ist beispielsweise im Hinblick auf Bewegungen um die Rollachse bei Kurvenfahrt sowie auch im Hinblick auf die Vermeidung oder Verringerung des Bremsnickens und Anfahrttauchens erwünscht. Zusätzlich lassen sich hierdurch auch Niveauschwankungen durch statische Belastungsänderungen bzw. Schrägstellung des Fahrzeugaufbaus auf geneigter Fahrbahnebene bis zu einem gewissen Grade ausgleichen. Das erfindungsgemäße Federungssystem kann insbesondere auch in Verbindung mit der herkömmlichen Niveauregelung für Luftfederungen mit Vorteil eingesetzt werden, da nunmehr für das Ansprechen der zusätzlichen, äußeren Niveauregelung weitere Ansprechgrenzen vorgesehen werden können, ohne daß sich dadurch unerwünscht große Schwankungen in der Niveaulage für das Fahrzeug ergeben.
Im Hinblick auf die angestrebte selbsttätige Niveaustabilisierung innerhalb gewisser Belastungsgrenzen um die Nennlage kann es von Vorteil sein, die üblicherweise
sich über dem Einfederweg des kleinen Federkolbens gleichmäßig verlaufend gestaltete Rollbalgstützfläche des kleinen Federkolbens so auszugestalten, daß sich im Bereich des Verstellweges des kleinen Federkolbens gegenüber dem großen Federkolben eine stärkere Änderung der wirksamen Federfläche des kleinen Federkolbens ergibt, und zwar in dem Sinne, daß mit zunehmender Entfernung des kleinen Federkolbens vom großen Federkolben dessen wirksame Federfläche stärker verringert wird, und umgekehrt.
In Ausgestaltung der Erfindung können die Federkolben bevorzugt über zumindest ein Federelement elastisch miteinander verspannt sein, wobei dieses Federelement im Rahmen der Erfindung als Zugfeder oder Druckfeder ausgebildet sein kann. Weiter erweist sich für das Federelement eine zu den Federkolben koaxiale Anordnung als zweckmäßig. Konstruktiv ist es insbesondere von Vorteil, das Federelement, und zwar als Zug- oder Druckfeder, innerhalb des großen Federkolbens anzuordnen.
Die erreichte, selbsttätige Niveaustabilisierung ist in ihrer Arbeitsweise prinzipiell frequenzunabhängig, was im Hinblick auf einen möglichst hohen Fahrkomfort nachteilig sein kann. Insoweit wirkt sich nämlich eine solche Ausgestaltung bei hochfrequenten Schwingungen in einer gewissen Federverhärtung aus. Um dem zu begegnen, erweist es sich als zweckmäßig, eine frequenzabhängige Arbeitsweise der Niveaustabilisierung zu erreichen, und es wird hierzu vorgesehen, dem Federelement ein Dämpfungsmittel, und zwar insbesondere ein auf dem Prinzip der Fluiddämpfung beruhendes Dämpfungsmittel zuzuordnen. Dieses bewirkt dann, daß die angestrebte Niveauregulierung zwar bei statischen bzw. quasistatischen Belastungsänderungen voll wirksam wird, dagegen bei hochfrequenten Schwingungen, also beispielsweise Fahrbahnstößen nicht zum Tragen kommt.
Das Dämpfungsmittel wird konstruktiv mit Vorteil dem kleinen oder großen Federkolben zugeordnet, wobei der kleine Federkolben beispielsweise mit einer Zusatzmasse als Tilger wirkt.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung, die im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert wird, ergeben sich aus den Ansprüchen. Es zeigt
F i g. 1 eine schematisierte Schnittdarstellung durch eine Luftfeder in erfindungsgemäßer Ausgestaltung,
F i g. 2 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung, wobei ein zusätzliches Dämpfungsmittel vorgesehen ist und
F i g. 3 und 4 weitere, der F i g. 2 entsprechende Darstellungen mit abgewandelten Dämpfungsmitteln.
Die in F i g. 1 dargestellte Luftfeder ist insgesamt mit 1 bezeichnet und umfaßt zwei Rollbälge 2,3, von denen im Ausführungsbeispiel der Rollbalg 2 eine kleinere wirksame Federfläche als der Rollbalg 3 aufweist. Die beiden Rollbälge 2, 3 begrenzen eine gemeinsame Kammer 4, die das Federvolumen beinhaltet. Jeder der Rollbälge 2, 3 ist auf einem napfförmigen, und mit seinem Boden gegen den Rollbalg gerichteten Federkolben 5,6 stirnseitig abgestützt und es sind die beiden napfförmigen Federkolben 5, 6 der Rollbälge 2, 3 im Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 durch einen zentralen Zuganker 7 verbunden, der sich durch die Kammer 4 erstreckt und der gegenüber einem der Federkolben, hier dem größeren, den Tragfederkolben bildenden Federkolben 6 elastisch über ein Federelement 8 abgestützt ist.
Außenseitig sind die Rollbälge 2, 3 von einem insgesamt mit 9 bezeichneten Mantel umschlossen, der im Bereich zwischen den Federkolben 5,6 einen Ring 10 umfaßt, der sich in Richtung auf die kleinere der wirksamen Federflächen, also in Richtung auf den napfförmigen Federkolben 5 verjüngt. An den konischen Ring 10 schließen beidseitig Hülsen 11,12 an, die ebenso wie der Ring 10 konzentrisch zum Zuganker liegen, so daß sich ein insgesamt rotationssymmetrischer Aufbau der Luftfeder ergibt. Die Hülsen 11, 12 weisen im dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen Zylinderform auf, können aber auch hiervon abweichend z. B. kegelförmig gestaltet sein.
Von den Federkolben verjüngt sich im dargestellten Ausführungsbeispiel der kleinere Federkolben 5 gegen seinen Boden, während der größere Federkolben 6 im wesentlichen eine zylindrische Mantelfläche aufweist. Es liegt somit eine Luftfeder vor, die in ihrem grundsätzlichen Aufbau und in ihrer grundsätzlichen Wirkungsweise jener entspricht, die in der deutschen Patentanmeldung P 27 60 667.8-12 geschildert ist.
Die Hülse 11 des Mantels 9 ist in dem in Fig. 1 geschilderten Ausführungsbeispiel nach oben, d. h. über den kleinen Federkolben 5 hinaus verlängert und bildet mit einer entsprechenden Abdeckung 13 eine glockenförmige Schutzhaube 14, an der als Bestandteil des Mantels der eine der Federabstützpunkte, insbesondere der obere Federabstützpunkt vorgesehen sein kann. Der untere Federabstützpunkt ist dann zweckmäßigerweise dem unteren Federkolben 6 zugeordnet Diese Details sind in der Zeichnung nicht näher dargestellt.
Geht man nun davon aus, daß bei einer Luftfeder der hier geschilderten Art, bei der der Zuganker fest mit dem oberen und dem unteren Federkolben 5 und 6 verbunden ist, bei Federbewegungen nur geringe Volumenveränderungen eintreten, was durch entsprechende Gestaltung bzw. Führung der Rollbalgschleifen zu erreichen ist, so haben derartige Luftfedern eine entsprechend geringe dynamische Verhärtung und ermöglichen ein weiches und verzögerungsfreies Ansprechen, und zwar mit progressiver Verhärtung gegen beide Federendlagen.
Über diese Grundfunktion hinaus ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung dadurch, daß der Zuganker 7 gegenüber einem der Federkolben 5, 6 innerhalb vorgegebener Grenzen elastisch nachgiebig abgestützt ist, in bezug auf gewisse Belastungsschwankungen um die Nennlage eine selbsttätige Niveauregulierung erreichbar, durch die die Nennlage trotz gewisser Belastungsschwankungen im wesentlichen beibehalten werden kann. Dies wird dadurch erreicht, daß jede Einfederung zunächst einen gewissen Druckanstieg im System bewirkt, also den Druck in der Kammer 4 erhöht, mit der Folge, daß der kleine Federkolben 5 gegenüber dem mit der unteren Abstützung fest verbundenen großen, unteren Federkolben 6 in Abhängigkeit von der Elastizität des Federelementes 8 nach oben ausweichen kann. Eine solche Ausweichbewegung führt aber dazu, daß die wirksame Federfläche des kleinen Federkolbens 5 sich verkleinert, so daß die Differenz zwischen den wirksamen Federflächen von unterem und oberem Federkolben bzw. Rollbalg größer wird und eine entsprechend größere Tragkraft zur Verfügung steht. Entsprechend dieser größeren Tragkraft kann im wesentlichen unter Beibehaltung der der Nennlage entsprechenden Ausgangslage eine höhere Last abgestützt werden.
Der Ausfahrweg des Federkolbens 5 gegenüber dem Federkolben 6 ist durch den elastischen Verformungsweg des Federelementes 8 begrenzt und wird im Hinblick darauf ausgelegt, welche Veränderungen in der Differenz der wirksamen Federflächen im Hinblick auf die. gewünschte selbsttätige Niveauregulierung erreicht werden sollen. Über die Härte des Federelementes 8 läßt sich dabei zugleich die Ansprechcharakteristik einstellen, wobei im Regelfall eine möglichst weiche Ansprechcharakteristik angestrebt wird, um bei geringen Druckunterschiedeh große Wege zu erzielen und so um die Nennlage innerhalb gewisser Belastungsgrenzen eine möglichst stabile Niveaulage zu gewährleisten. In Umkehrung des vorgeschilderten Vorganges wird beim Ausfedern und entsprechender Verminderung des Druckes der kleine Federkolben 5 gegen den großen Federkolben 6 herabgezogen, mit der Folge, daß sich die Differenz der wirksamen Flächen verkleinert und die Tragkraft der Feder abnimmt. Entsprechend wird der Ausfederbewegung entgegengewirkt.
Das anhand der F i g. 1 geschilderte System wirkt, von der Trägheit der hier als Federelement vorgesehenen Druckfeder abgesehen, praktisch frequenzunabhängig — entsprechend dem eingangs geschilderten, vorgeschlagenen System — und spricht somit gleichermaßen bei hochfrequenten wie bei niederfrequenten Federbewegungen an. Im Hinblick auf Fahrzeuge kann ein solches Verhalten speziell unter Komfortgesichtspunkten unerwünscht sein, da es auch bei hochfrequenten Federbewegungen eine Verhärtung der Feder bewirkt, die zu einer verstärkten Stoßempfindlichkeit führt.
Um dem zu begegnen, kann dem Federelement ein Dämpfungsmittel zugeordnet sein, durch das frequenzabhängig die druckabhängige Bewegung der Federkolben gegeneinander zu dämpfen ist.
Eine diesbezüglich besonders einfache Lösung besteht darin, dem kleinen Federkolben eine verhältnismäßig große Masse zu geben, so daß allein über diese Masse eine gewisse dynamische Dämpfung erreicht wird. Diese kann, bezogen auf das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 noch dadurch verbessert werden, daß die glockenförmige Schutzhaube 14 bis auf eine oder mehrere Drosselöffnungen geschlossen ausgeführt wird, so daß die Verstellbewegungen des Federkolbens 5 gedämpft sind. Weitere Ausgestaltungen der Dämpfungsmöglichkeiten sind in den F i g. 2 bis 4 dargestellt, und zwar bei einem Luftfederelement, das ansonsten jenem in Fi g. 1 entspricht, weswegen in der nachfolgenden Beschreibung auch noch lediglich auf diese die Dämpfung betreffenden Details eingegangen wird.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 ist als Dämpfungsmittel ein Gasdämpfer vorgesehen, wobei der Dämpferraum mit dem Kammervolumen in Verbindung steht und teilweise dem Federvolumen zugehört. Im einzelnen ist die Gestaltung derart, daß der Federkolben 6 mit seinem Mantel eine Führungsfläche für einen Kolben 15 bildet, der mit dem Zuganker verbunden ist und gegenüber dem das Federelement 8 abgestützt ist. Im Kolben 15 sind Drosselbohrungen 16 vorgesehen, über die der durch den Federkolben 6 gebildete Dämpferraum unterteilt ist.
Schlagartige Druckerhöhungen in der Kammer 4, beispielsweise unter dem Einfluß von Stoßen haben bei diesem System zur Folge, daß der Federkolben 5 entsprechend der Druckbeaufschlagung des Dämpferkolbens 15 zunächst etwas nach unten gezogen wird, und zwar so weit, bis sich in dem wesentlich kleineren, unteren Dämpferraum 17 ein entsprechender Gegendruck aufgebaut hat. Insgesamt gesehen bleibt bei dieser Lösung bei stoßartigen Druckschwankungen der obere Federkolben 5 also im wesentlichen in seiner Lage, oder er wird sogar etwas nach unten versetzt. Beides wirkt
Ό sich positiv auf den Fahrkomfort aus, da keine Federverhärtung eintritt, die bei ausfahrendem oberen Federkolben 5, also bei Tragkrafterhöhung eintritt.
Bei stehenbleibendem Kolben bleibt vielmehr die Federcharakteristik als solche erhalten, während das Herabziehen des oberen Federkolbens 5 sogar eine gewisse Erweichung der Feder bedeutet. Entsprechende Wirkungen treten auch bei einem Druckabfall in der Kammer 4, also bei einem Ausfedern ein. Es bleibt also auch dort bei schlagartigen Stoßen die Federcharakteristik entweder unverändert erhalten oder wird, falls der obere Federkolben 5 etwas ausgefahren wird, etwas verhärtet, so daß der Ausfederbewegung entgegengewirkt wird und eine gewisse dynamische Stabilisierung erreicht wird.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.3 findet ein Gasdämpfer Verwendung, der nunmehr vom eigentlichen Federvolumen abgetrennt ist und in sich geschlossen im Federkolben 6 angeordnet ist. Auch hier ist der Zuganker mit 7 und der Dämpferkolben mit 15 bezeichnet. Weiter sind auch hier wiederum Drosselbohrungen 16 vorgesehen. Auf dem Dämpferkolben 15 stützt sich wiederum das Federelement 8 ab, das andererseits gegen den den Dämpferkolbenmantel bildenden Federkolben 6 abgestützt ist. Bei 17 ist eine Füllöffnung für den hier geschlossen ausgeführten Dämpfer vorgesehen.
Insbesondere bei einer derartigen Ausführungsform erweist es sich als zweckmäßig, wenn der Zuganker nicht starr ausgebildet ist, sondern vielmehr in sich eine gewisse Nachgiebigkeit quer zur Achserstreckung aufweist, was beispielsweise dadurch erreichbar ist, daß ein Teil des Zugankers durch ein winkelbewegliches Glied gebildet ist.
Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 4 ist ein auf hydraulischer Basis arbeitendes Dämpfungsmittel vorgesehen, das im Federkolben 6 angeordnet ist. Mit dem Zuganker 7 ist wiederum ein Dämpferkolben 15 verbunden, der Drosselöffnungen 16 aufweist. Auf dem Dämpferkolben 15 stützt sich wiederum das Federelement 8 ab. Im Hinblick auf den bei einem Hydrauliksystem mit inkompressiblem Dämpfermedium erforderlichen Volumenausgleich liegt der Dämpferkolben bei dieser Ausführungsform innerhalb eines Innenmantels 18, der gegenüber der Umfangswandung des Federkolbens 6 einen Ringraum 19 als Ausgleichsvolumen abgrenzt. Die Verbindung zum Ringraum 19 erfolgt über Querbohrungen 20, die Drosselbohrungen bilden. Die hydraulische Dämpfung bietet gegenüber der pneumatischen Dämpfung den Vorteil höherer Wirksamkeit und macht es insbesondere möglich, bei hohen Frequenzen noch besser abzudämpfen, eine Möglichkeit, die insbesondere auch für Motorlager u. dgl. von Interesse sein kann.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Luftfeder, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit geschlossenem Federvolumen und zwei unterschiedlich großen, entgegengesetzt druckbeaufschlagten, voneinander abgewandten wirksamen und in ihrer Größe zueinander federwegabhängig veränderlichen Federflächen, die koaxial gegeneinander abgestützt sind und von denen die kleinere Federfläche über dem Einfederweg abnimmt, wobei das Federvolumen durch zwei eine gemeinsame Kammer begrenzende Rollbälge gebildet ist, deren voneinander abgewandte wirksame Federflächen auf miteinander verbundenen Federkolben abgestützt sind, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen und von denen zumindest der kleinere Federkolben eine sich über dem Einfederweg verengende Rollbalgstützfläche aufweist, und wobei die Federkraft einerseits über die Federkolben und andererseits über einen den Rollbalgwänden zugeordneten Tragkörper zu übertragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Federkolben (5, 6) derart elastisch miteinander verspannt sind, daß ihr axialer Abstand in Abhängigkeit vom Federkammerdruck begrenzt veränderbar ist.
2. Luftfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkolben (5, 6) über zumindest ein Federelement (8) elastisch miteinander verspannt sind.
3. Luftfeder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (8) eine Zugfeder ist.
4. Luftfeder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (8) eine Druckfeder ist.
5. Luftfeder nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (8) koaxial zu den Federkolben (5,6) angeordnet ist.
6. Luftfeder nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (8) innerhalb des großen Federkolbens (6) angeordnet ist.
7. Luftfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Federelement (8) ein Dämpfungsmittel zugeordnet ist.
8. Luftfeder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmittel in dem das Federelement (8) aufnehmenden großen Federkolben (6) angeordnet ist.
9. Luftfeder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmittel dem kleinen Federkolben zugeordnet ist.
10. Luftfeder nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmittel auf dem Prinzip der Fluiddämpfung beruht.
11. Luftfeder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmittel durch eine Tilgermasse gebildet ist.
12. Luftfeder nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Tilgermasse dem kleinen Federkolben zugeordnet ist.
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