DE3245880C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hydromechanisches Feder­ element gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei dem bekannten Federelement (DE-GM 68 11 630), von dem die Erfindung ausgeht, wirkt die abzustützende Last über Tellerfedern auf einen Kolben, der hydraulisch abgestützt ist. Beim Einfedern verdrängt der Kolben unter dem durch die Tellerfedern übertragenen Schub Öl aus der Druck­ kammer, während beim Ausfedern der in der Kammer herr­ schende Druck den Kolben nach unten drückt, der seinen Schub über die Tellerfedern übeträgt. Somit führt beim Verschieben des Kolbens auch die Feder eine Federbewegung aus.

Ferner ist bekannt (DE-AS 10 90 034), als Dämpfungsglied einen in einem Zylinder verschiebbaren Hohlkolben vorzu­ sehen, der von einem Schwingarm betätigt wird, wobei der Hohlkolben beidseitig Ventile aufweist, über die der Zu- bzw. Abfluß aus den mit Dämpfungsöl gefüllten Arbeits­ kammern steuerbar ist. Die bekannte Anordnung weist somit abgesehen von den Ventilen und der völlig unterschied­ lichen Wirkungsweise formal einen dem Gegenstand der Erfindundg ähnlichen Aufbau auf.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Federelement mit einem günstigen Federverhalten zu schaffen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merk­ male gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Federelement ist die statische Grundlast des Fahrzeuges, also das Fahrzeuggewicht, das anteilig auf den Schwingarm wirkt, vom hydraulischen Druck abgestützt, wähend die durch Kraftänderungen her­ vorgerufenen Bewegungen des Schwingarms entgegen der Kraft der vorgespannten Feder erfolgen. Die Feder wird also erst wirksam, wenn am Schwingarm Kraftänderungen auftreten, die größer sind als die Vorspannung der Feder. Bei vergleichsweise geringen Kraftänderungen, die am Schwingarm auftreten, bleibt das Federelement steif, und der Schwingarm kann nicht verschwenken. Eine solche Federkennlinie ist vorteilhaft, weil das Ein- und Aus­ federn des Schwingarms erst bei Überschreiten einer vorbestimmten Kraftänderungsgröße erfolgen soll, wenn also die Federvorspannung überwunden wird. Damit wird ein stabiles Federungsverhalten erzielt.

Das hydromechanische Federelement weist einen geringen Platzbedarf auf und ist um Abstützen und Abfedern hoher Fahrzeuggewichte besonders geeignet.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der der hydraulischen Abstützung des anteiligen Fahrzeuggewichts dienende Druckraum an einen hydraulischen Speicher ange­ schlossen, in den die beim Einfedern aus dem Druckraum verdrängte hydraulische Flüssigkeit einströmt und aus dem beim Ausfedern die Flüssigkeit wieder in den Druckraum nachfließt. Erfindungsgemäß sind ferner die Druckräume aller Federelemente eines Fahrzeuges miteinander verbun­ den und an einem gemeinsamen hydraulischen Speicher an­ geschlossen. Dies hat den Vorteil, daß der hydraulische Speicher sehr klein sein kann, da beim Befahren von Bodenunebenheiten die einzelnen Räder teilweise einfedern und teilweise ausfedern. Es kann somit die von den ein­ federnden Elementen verdrängte Flüssigkeit in die Druck­ räume der ausfedernden Federelemente übertreten und der hydraulische Speicher hat nur das sich allenfalls er­ gebende Differenzvolumen der verdrängten Flüssigkeit aufzunehmen. Im Idealfall hätte der Speicher Nullvolumen.

Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, die Ausgangslage des Kolbens, die er beim Abstützen des reinen Fahrzeug­ gewichtes einnimmt, zu verändern, indem ein Anschlag oder beide Anschläge, auf denen sich der Kolben über die Federn abstützt, hydraulisch einstellbar sind. Damit ist die Bodenfreiheit des Fahrzeuges regulierbar. Der Schwingarm kann angehoben oder abgesenkt werden. Die Ver­ stellung kann stetig oder stufenweise über geeignete Ventile vorgenommen werden, welche die Druckräume der als Kolben ausgebildeten Anschläge mit dem Drucknetz verbin­ den.

Erfindungsgemäß läßt sich auch der Zylinderraum auf der dem zur Abstützung des Fahrzeuggewichtes dienenden Druck­ raum gegenüberliegenden Seite mit hydaulischem Druck beaufschlagen. Auch bei dieser Maßnahme läßt sich die Ausgangsstellung des Schwingarms verändern. Außerdem kann damit auch die Federvorspannung hydraulisch verän­ dert werden. In vorteilhafter Weise läßt sich somit die Federkennlinie anpassen.

Insgesamt läßt sich eine weiche Federkennung bei sehr großen Hüben des Schwingarms erzielen, wobei aber im Nennlastbereich, also im mittleren Teil der Federkenn­ linie die Abfederung unempfindlich ist. Erst oberhalb der Vorspannung setzt der Federbereich ein.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nach­ stehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Federele­ ments, teilweise im Schnitt;

Fig. 2 eine Darstellung der Kennlinie des Federele­ ments nach Anspruch 1;

Fig. 3 ein Federelement mit verstellbarem Anschlag und

Fig. 4 ein Federelement mit zwei verstellbaren An­ schlägen.

In Fig. 1 ist ein Schwingarm 10 bei 11 in einem nicht dargestellten Fahrzeugrahmen schwenkbar gelagert. Am freien Ende des Schwingarms ist ein ebenfalls nicht dargestelltes Rad eines Fahrzeuges drehbar gelagert. Mit dem Schwingarm 10 ist ein Leitarm 12 fest verbunden, der mit einem Gleitzapfen 13 in einem Mitnehmer 14 geführt ist, der an einem Kolben 16 eines hydraulischen Zylin­ ders 18 befestigt ist. Dabei weist das Gehäuse 19 des hydraulischen Zylinders eine seitliche Öffnung 20 auf.

Das Gehäuse 19 des Zylinders 18 ist beidseitig mit Stirn­ wänden 21 und 22 verschlossen, in welche als Anschläge dienende Bolzen 23 und 24 eingeschraubt sind.

Der Kolben 16 ist ein Hohlkolben, der aus einer Kolben­ hülse 26 und stirnseitigen Böden 27 und 28 besteht, die in der Kolbenhülse durch Ringe 29 gehalten sind. In­ nerhalb der Kolbenhülse 26 sind zwei Federn 30 und 31 angeordnet, deren Enden sich an Federtellern 32 und 33 ab­ stützen. In Bohrungen der Kolbenböden 27 und 28 sind Zapfen 34 bzw. 35 verschiebbar, die einerseits in Anlage mit je einem Federteller 32 bzw. 33 und andererseits in Anlage mit einem der verstellbaren Anschläge 23 bzw. 24 sind.

Die Abstützung des anteiligen Fahrzeuggewichtes über ein am Schwingarm 10 befestigtes Rad am Boden liefert eine Kraft F ₀ welche den Leitarm 12 um die Lagerung bei 11 im Uhr­ zeigersinn zu schwenken sucht. Zur Abstützung dieser statischen Last wird der Druckraum 40 des Zylinders an ein im einzelnen nicht dargestelltes Drucknetz 41 an­ geschlossen, das beispielsweise einen Druck von 200 bar liefert. In der zum Drucknetz 41 führenden Leitung 42 ist außerdem eine einstellbare Dämpfungsdrossel 43 und ein hydraulischer Speicher 44 vorgesehen. Der dem Druck­ raum 40 gegenüberliegende Zylinderraum 46 ist über eine Leitung 47 an den Tank angeschlossen, ist also druckent­ lastet.

In Fig. 2 ist die sich mit dem Federelement gemäß Fig. 1 ergebende Federkennlinie mit dem Bezugszeichen 50 be­ zeichnet. In der dargestellen Ausgangslage, die einer mittleren Höhe des Schwingarmes 10 entspricht, ist der Druck im Druckraum 40 so hoch, daß das auf den Schwing­ arm 10 wirkende Fahrzeuggewicht hydraulisch abgestützt ist. Die dabei auf den Schwingarm wirkende Kraft ist mit F₀ bezeichnet. Treten nun am Schwingarm Kraftänderungen auf, die den Schwingarm zu schwenken suchen, so wird eine Ein- bzw. Ausfederbewegung des Kolbens 16 erst er­ folgen, wenn die Vorspannkaft der mit Vorspannung in den Kolben eingebauten Federn 30 und 31 überwunden ist. Solange die Kraftänderungen unterhalb des Vorspannwertes der Federn bleiben, kann sich der Schwingarm nicht ver­ schwenken. Dieser Abschnitt der Federkennlinie ist in Fig. 2 mit 51 bezeichnet. Die Höhe des Abschnittes 51 entspricht dem Vorspannwert der Federn 30 und 31.

Erst nach Überschreiten der Federvorspannung kann sich der Kolben 16 verschieben, und dabei werden die Federn 30 und 31 zusammengedrückt. Beim Ausfedern, wenn der Schwingarm 10 im Gegenuhrzeigersinn schwenkt, werden die Federn 30 und 31 bei einer Verschiebung des Kolbens 16 nach links zusammengedrückt, wobei der linke Federteller 32 über den Zapfen 34 am Anschlag 23 gehalten ist. Beim Einfedern und der damit verbundenen Bewegung des Kol­ bens 16 nach rechts werden die Federn vom Kolbenboden 27 gegen den über den Zapfen 35 am Anschlag 24 gehaltenen Federteller 33 gedrückt.

Gleichzeitig wird beim Einfedern hydraulische Flüssig­ keit aus dem Druckraum 40 in den Speicher 44 verdrängt, während beim Ausfedern die Flüssigkeit aus dem Speicher 44 wieder in den Druckraum 40 nachfließt. Es ergibt sich somit die in Fig. 2 dargestellte Federkennlinie mit einem unempfindlichen Mittelbereich, an den sich beid­ seits ein Federbereich mit weichem Verhalten anschließt. Der Kolbenhub bzw. der Weg des Schwingarms 10 ist mit s bezeichnet.

In Fig. 3 ist eine abgeänderte Ausführungsform des Feder­ elementes dargestellt, wobei gleiche Bauteile mit glei­ chen, nur mit einer vorgestellten 1 versehenen Bezugs­ zeichen versehen sind.

In Fig. 3 ist der linke Anschlag für den Kolben als An­ schlagkolben 160 ausgebildet, der in einer Bohrung der Zylinderstirnwand 121 verschiebbar ist und einen Druckraum 161 aufweist, der über ein einstellbares Druckreduzier­ ventil 162 mit dem Drucknetz 141 verbunden ist. Solange der Druck im Drucknetz 141 größer als der Druck im Raum 161 ist, ist das Druckreduzierventil 162 geöffnet. Er­ reicht der Druck im Druckraum 161 den am Druckreduzierventil 162 einge­ stellten Wert, so schließt das Ventil. Dieser eingestell­ te Druck im Druckraum 161 wird konstant gehalten. Steigt nämlich der Druck durch Krafteinwirkung auf den Anschlag­ kolben 160, so öffnet das Druckreduzierventil 162, und Flüssigkeit fließt in das Drucknetz zurück. In der Verbindungsleitung 163 kann eine Dämpfungsdrossel 164 vorgesehen sein.

Das Druckreduzierventil 162 ist zum Anheben des in Fig. 3 nicht dargestellten Schwingarms vorgesehen. Durch Druck­ entlastung des Raums 161 kann der Anschlagkolben 160 aus­ gehend von der in Fig. 3 dargestellten Mittellage nach links verschoben werden. Durch den Druck im Druckraum 140 folgt der Kolben 116 nach und wird in der durch den Anschlagkolben 160 vorgegebenen Stellung erhalten, die bei dem in Fig. 1 dargestellten Schwingarm 10 einer an­ gehobenen Lage des Fahrzeugs entspricht. Auf diese Weise kann das Fahrzeug angehoben werden und damit eine größ­ ere Bodenfreiheit erhalten. In Fig. 2 ist diese Ver­ schiebung der Kennlinie mit 52 bezeichnet. Ist der Schwingarm in der maximalen gehobenen Lage, so ist na­ turgemäß die Schwingbewegung beim Ausfedern begrenzt.

Aus Fig. 3 ist weiter ersichtlich, daß auch der Druck­ raum 146, welcher dem Druckraum 140 gegenüberliegt, über eine Leitung 169 und ein Druckreduzierventil 170 an das Drucknetz 141 angeschlossen ist. Wird über das Ventil 170 der Zylinderraum 146 mit Druck beaufschlagt, so wird der Kolben 116 nach rechts verschoben, und es ge­ langt damit das Fahrzeug über den Schwingarm in eine ab­ gesenkte Stellung, für welche die in Fig. 2 bezeichnete Kennlinie 54 gilt. Bei der nach rechts gerichteten Bewegung des Kolbens 116 werden auch die Federn 130 und 131 zusammen­ gedrückt, so daß sich eine erhöhte Vorspannung dieser Federn ergibt. Im Fahrbetrieb simuliert das Absenken des Kol­ bens 116 aus der Mittelstellung ein erhöhtes Fahrzeugge­ wicht, das durch einen erhöhten Druck im Druckraum 140 abgestützt werden muß. Bei diesem erhöhten Gewicht ist es sinnvoll, wenn der unempfindliche Bereich der Federkenn­ linie durch Erhöhung der Federvorspanung vergrößert wird. Dies ist in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 55 angedeutet.

Die in der Verbindungsleitung 163 vorgesehene Dämpfungsdrossel 164 ist im Vorlauf und auch im Rücklauf wirksam, so daß sich bei Kraft­ einwirkung auf den Anschlagkolben 160 eine Anschlagsdämp­ fung ergibt. Mit der in der Rücklaufleitung 165 vorge­ sehenen Drossel 166 läßt sich eine zusätzliche Dämpfung des Anschlagkolbens 160 erzielen, wenn bei Übersteigen des Drucks im Druckraum 161 Flüssigkeit in das Drucknetz 141 zurückfließt.

In dem in Fig. 4 dargestellten abgeänderten Ausführungs­ beispiel, bei dem gleiche Bauteile mit gleichen, jedoch mit einer vorgestellten 2 versehenen Bezugszeichen be­ zeichnet sind, ist auch der rechte, an den Druckraum 240 angrenzende Anschlag hydraulisch verstellbar. Der An­ schlag ist als Stufenkolben 280 ausgebildet und teilt einen Druckraum 281 ab, der über eine Leitung 282 und ein Rückschlagventil 283 mit dem Drucknetz 241 sowie über ein elektrisch ansteuerbares Druckbegrenzungsventil 284 eben­ falls mit dem Drucknetz 241 verbunden ist. Über das Rückschlagventil 283 ist die Kammer 281 mit dem im Druck­ netz 241 herrschenden Druck beaufschlagt. Über ein Mehrwege­ ventil 290 ist der Druckraum 261 des Anschlagkolbens 260 mit dem Drucknetz 241 verbindbar. Ist das Mehrwege­ ventil 290 in der dargestellten Stellung, die der Normal­ stellung entspricht, so ist auch der Anschlagkolben 260 mit dem im Drucknetz 241 herrschenden Druck beaufschlagt. Die Differenzfläche des Stufenkolbens 280 ist geringer als die Querschnittsfläche des Anschlagkolbens 260, so daß die von dem Anschlagkolben 260 und dem Stufenkolben 280 aus­ geübten Kräfte den Kolben 216 in der dargestellten Normal­ lage, also in mittlerer Höhe des nicht dargestellten Schwingarms halten. Soll der Kolben nach links verschoben und damit das Fahrzeug angehoben werden, so wird über das Mehrwegeventil 290 die Kammer 261 mit dem Tank verbunden.

Soll dagegen der Kolben 216 nach rechts verschoben und das Fahrzeug abgesenkt werden, so bleibt das Mehrwege­ ventil 290 in der dargestellten Normalstellung, und es wird das Mehrwegeventil 292 umgeschaltet, so daß die Verbindung des Druckraums 246 mit dem Tank abgesperrt und der Zylinderraum 246 mit dem Drucknetz 241 verbunden wird. Da die auf den Kolben 216 im Zylinderraum 246 durch den Druck ausgeübte Kraft größer ist als die auf den Stufenkolben 280 wirken­ de Gegenkraft durch den Druck im Raum 281, wird der Kol­ ben 216 nach rechts verschoben, ohne daß die Federn 230, 231 zusammengedrückt werden, ohne daß also die Vorspannung vergrößert wird.

Um zu vermeiden, daß bei starkem Ein- oder Ausfedern der Anschlagkolben 260 bzw. der Stufenkolben 280 durchschlägt und in Berührung mit dem Zylinderdeckel gerät, ist je ein Druckbegrenzungsventil 284 bzw. 294 vorgesehen, das auf einen entsprechend hohen Druckwert eingestellt wird, so daß sich der Druck in der Kammer 261 bzw. 281 stark erhöhen kann, ohne daß der über die Federn 230 und 231 auf die Kolben 260 bzw. 280 wirkende Kol­ ben 216 diese Kolben verschieben könnte. Die Einstellung der Druckbegrenzungsventile 284 bzw. 294 er­ folgt durch Ansteuerung von im Zylinder eingebauten Weg­ sensoren 295 und 296, welche die jeweilige Endstellung des Kolbens 216 erfassen.

Solange die Wegsensoren 295 und 296 nicht ansprechen, sind die Druckbegrenzungsventile 284 und 294 auf einen geringeren Wert eingestellt, so daß sich eine normale Dämpfung für den Anschlagkolben 260 bzw. den Stufenkolben 280 ergibt.

Claims (19)

1. Hydromechanisches Federelement für Schwingarme von Rad- und Kettenfahrzeugen, bei dem die Radlast über eine Feder gegen einen Kolben hydraulisch abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (30, 31; 130, 131; 230, 231) vorgespannt ist, so daß sie erst bei Überschreiten der Vorspannung durch auf den Schwingarm (10) wirkende Kraftänderungen eine Feder­ bewegung des Schwingarmes zuläßt.

2. Federelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (16; 116; 216) als Hohlkolben mit beweglichen, gegen Druck abgedichteten und gegen Bewegung nach außen gehaltenen Kolbenböden (27 bzw. 28; 127 bzw. 128; 227 bzw. 228) ausgebildet ist und in dem Hohl­ kolben wenigstens eine vorgespannte Feder (30 bzw. 31; 130 bzw. 131; 230 bzw. 231) angeordnet ist, deren Enden an Federtellern (32; 33) abgestützt sind, die einer­ seits an den Kolbenböden anliegen und andererseits mit zylinderseitigen Anschlägen (23 und 24; 160; 260) zusammenwirken.

3. Federelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder beide Kolbenböden (27 bzw. 28; 127 bzw. 128; 227 bzw. 228) druckbeaufschlagt sind.

4. Federelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druckraum (40, 140, 240) an einen Ausgleichsraum (Speicher 44) angeschlossen ist.

5. Federelement nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckräume (40; 140; 240) aller Federelemente eines Fahrzeuges miteinander verbunden und an einen Ausgleichsraum (Speicher 44 bzw. 144 bzw. 244) angeschlossen sind.

6. Federelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgleichsraum ein hydraulischer Speicher (44; 144; 244) ist.

7. Federelement nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Kolbens (116; 216) der dem Druckraum (140; 240) des Kolbens gegen­ überliegende Anschlag als Anschlagkolben (160; 260) ausgebildet und hydraulisch einstellbar ist.

8. Federelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (261) des Anschlagkolbens (260) über ein Mehrwegeventil (290) mit dem Drucknetz oder dem drucklosen Tank verbunden ist.

9. Federelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (261) des Anschlagkolbens (260) mit einem Druckbegrenzungsventil (294) abgesichert ist.

10. Federelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (161) des Anschlagkolbens (160) über ein Druckreduzierventil (162) mit dem Drucknetz verbunden ist.

11. Federelement nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Kolbens (116; 216) der dem Druckraum (140; 240) des Kolbens gegen­ überliegende Zylinderraum (146; 246) druckbeaufschlagt ist.

12. Federelement nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zylinderraum (246) über ein Mehrwegeventil (292) mit dem Drucknetz oder Tank dem drucklosen verbunden ist.

13. Federelement nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zylinderraum (146) über ein Druckminderventil (170) mit dem Drucknetz ver­ bunden ist.

14. Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ein­ stellung des Kolbens (216) der in den Druckraum (240) des Kolbens mündende Anschlag (280) hydraulisch ein­ stellbar ist.

15. Federelement nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Anschlagkolben (280) als Stufenkolben ausgebildet ist.

16. Federelement nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (281) des Anschlagkolbens (280) mit dem Drucknetz verbunden und mit einem Druckbegrenzungsventil (284) abgesichert ist.

17. Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hydraulikzylinder Wegsensoren (295; 296) eingebaut sind, von denen die mit den Druckräumen (261; 281) der An­ schlagkolben (260; 280) verbundenen Ventile (284; 294) ansteuerbar sind.

18. Federelement nach Anspruch 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ventile Druckbe­ grenzungsventile (284; 294) sind.

19. Federelement nach Anspruch 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das an den Druckraum (261) des Anschlagkolbens (260) angeschlossene Druckreduzier­ ventil (294) parallel zu dem Mehrwegeventil (290) liegt.