DE4221126C2 - Hydropneumatisches Federungssystem - Google Patents
Hydropneumatisches FederungssystemInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydropneumatisches
Federungssystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit min
destens einem aus einem Zylinder und einem Kolben bestehenden
Federbein, welches über ein Hydraulikmedium gegen min
destens einen ein kompressibles Medium enthaltenden, hydro
pneumatischen Federspeicher wirkt.
Aus der DE 40 08 831 A1 ist ein hydropneumatisches Fede
rungssystem bekannt, bei dem der Kolben des Federbeins auf
grund einer Kolbendichtung innerhalb des Zylinders zwei
Druckräume voneinander abteilt, und zwar einerseits einen
eine Kolbenstange umschließenden Ringraum und andererseits
einen der Kolbenstange gegenüberliegenden, "lasttragenden"
Zylinderraum, wobei diese beiden Druckräume hydraulisch
voneinander unabhängig mit jeweils einem separaten Feder
speicher verbunden sind. Der eine Federspeicher bewirkt
innerhalb des Zylinderraums einen ersten hydraulischen
Druck, der durch Beaufschlagung der entsprechenden Druck
fläche des Kolbens eine lasttragende Abstützkraft erzeugt,
und durch den anderen Federspeicher werden der Ringraum und
die diesem zugekehrte Druckfläche des Kolbens mit einem
zweiten hydraulischen Druck beaufschlagt, wodurch eine der
Abstützkraft entgegenwirkende Gegenkraft entsteht, so daß
eine resultierende Tragkraft des Federbeins sich aus der
Diifferenz Abstützkraft minus Gegenkraft ergibt. Bei diesem
bekannten Federungssystem sind die vorhandenen zwei Feder
speicher insofern von Nachteil, als ja ein Federspeicher
aufgrund seiner konstruktiven Ausgestaltung (insbesondere
aufgrund der erforderlichen Abdichtungen) ein relativ
teures Bauteil ist. Zudem wurde erkannt, daß Abdichtungs
probleme im Bereich der Kolbendichtung des Federbeins auf
treten können, weil diese von beiden Seiten her mit den
jeweiligen hydraulischen Drücken beaufschlagt wird, wobei
diese beiden Drücke üblicherweise geringfügig verschieden
sind, so daß die Dichtung nur gegen einen geringen Diffe
renzdruck abdichten muß. Eine Kolbendichtung benötigt nun
aber eigentlich eine einseitige Druckbeaufschlagung mit
einer bestimmten Mindesthöhe, um zuverlässig abdichten zu
können. Aus diesem Grund können innerhalb des Federbeins
des bekannten Federungssystems Leckagen derart auftreten,
daß Hydraulikmedium über die Kolbendichtung vom Zylinder
raum in den Ringraum oder umgekehrt übertritt, was dann
aber eine unerwünschte Veränderung der Federcharakteristik
zur Folge hat.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ein Federungssystem der beschriebenen Art konstruktiv
und hinsichtlich des finanziellen Aufwandes für seine Kom
ponenten zu vereinfachen und so zu verbessern, daß durch
Beseitigung der geschilderten Abdichtungsprobleme die
Federcharakteristik praktisch konstant gehalten werden
kann.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patent
anspruches 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale
der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
Erfindungsgemäß wird somit einer der beiden Federspeicher
durch eine mechanische Feder ersetzt, und zwar ist erfin
dungsgemäß speziell zur Erzeugung der Gegenkraft eine
mechanische Feder vorgesehen, während aber ganz bewußt und
gezielt die Abstützkraft erfindungsgemäß weiterhin durch
einen hydropneumatischen Federspeicher erzeugt wird. Die
Vorteile einer hydropneumatischen Federung bleiben daher
grundsätzlich erhalten. Es erübrigt sich aber vorteil
hafterweise, den Ringraum des Federbeins zur Erzeugung der
Gegenkraft ebenfalls mit einem hydraulischen Druck zu be
aufschlagen. Daher kann der Ringraum entweder hydraulisch
mit dem Zylinderraum verbunden sein, wodurch in den beiden
Druckräumen des Federbeins ein Druckgleichgewicht herrscht
und bereits hierdurch Leckagen über die Kolbendichtungen
sicher vermieden werden, oder der Ringraum kann sogar
drucklos, d. h. über eine Lüftungsöffnung des Zylinders mit
der Atmosphäre verbunden sein, wobei in diesem Fall die
Kolbendichtung nur einseitig mit einem derartig hohen Druck
beaufschlagt ist, daß sie hierdurch eine ausreichende
Abdichtung bewirkt. Sollte es hierbei aber dennoch zu Lecka
gen über die Kolbendichtung kommen, so wäre dies vorteil
hafterweise nahezu unschädlich für die Federcharakteristik,
denn einerseits ist aufgrund der Erfindung die Gegenkraft
sehr leicht absolut konstant zu halten, und auch die Ab
stützkraft, die zwar grundsätzlich bei einer Leckage über
die Kolbendichtung absinken würde, kann durch einfache
Mittel konstant gehalten werden, indem beispielsweise
Hydraulikmedium über eine Nivelliereinrichtung nachgeführt
wird. Das über die Kolbendichtung in den drucklosen Ring
raum gelangende Hydraulikmedium kann einfach zu einem
Hydrauliktank geleitet werden.
Die Erfindung führt zudem zu dem ganz wesentlichen Vorteil,
daß eine mechanische Feder sehr viel billiger ist als ein
hydropneumatischer Federspeicher, so daß die Wirtschaft
lichkeit des Federungssystems durch die Erfindung ganz
wesentlich verbessert wird.
Durch die Erfindung (spezielle "Auswahlerfindung") können
somit - bei erheblich reduziertem Aufwand - die Vorteile
des hydropneumatischen Federungssystems der eingangs be
schriebenen, bekannten Art weiterhin genutzt werden. So
können durch eine insbesondere lastabhängige Nivellierung,
d. h. durch Zuführen oder Entnahme von Hydraulikmedium, das
Fahrzeugniveau und damit auch die zur Verfügung stehenden
Federwege praktisch konstant gehalten werden. Dies bedeu
tet, daß praktisch eine lastunabhängige Federung zu errei
chen ist. Ferner kann das von dem "lasttragenden" Feder
speicher aufzunehmende Lastverhältnis durch die der Ab
stützkraft entgegenwirkende Gegenkraft reduziert werden,
was vorteilhafterweise zu einer sehr geringen Baugröße
dieses lasttragenden Federspeichers führt. Dies soll im
folgenden anhand eines einfachen Zahlenbeispiels erläutert
werden.
Ist bei einem "einfachen" hydropneumatischen Federungssy
stem, bei dem ausschließlich ein lasttragender Federspei
cher vorgesehen ist, die von diesem aufzunehmende Leerlast
z. B. 6 kN und die Maximallast z. B. 60 kN, so ergibt sich
hieraus ein Lastverhältnis von 1 : 10. Um hierbei die
Federcharakteristik über den gesamten Lastbereich zumindest
annähernd konstant halten zu können, muß der Federspeicher
mit sehr großem Gasvolumen ausgebildet werden, was zu einer
nachteilig großen Baugröße, insbesondere einer großen Bau
länge, und - im Falle eines Kolbenspeichers - zu langen
Wegen des Trennkolbens führt. Denn dadurch, daß bei der
hydropneumatischen Federung der Druck des Systems durch
Vergrößerung oder Verkleinerung des Gasvolumens angepaßt
wird, ändert sich das Kompressionsverhältnis im Gasvolumen.
Hierdurch ändert sich die Federsteifigkeit der hydropneu
matischen Federung überproportional mit der Laständerung,
und zwar ändert sich bei einem einfachen hydropneumatischen
System die Federsteifigkeit im Quadrat der Laständerung.
Diese Probleme können nun durch Erzeugung der als "künstliche
Last" der Abstützkraft entgegenwirkenden Gegenkraft
minimiert werden. Wird z. B. bei dem genannten Lastverhältnis
von 6 kN zu 60 kN eine in Lastrichtung wirkende Gegen
kraft (Zusatzlast) von 10 kN erzeugt, so ergibt sich
hieraus ein Lastverhältnis von 16 kN zu 70 kN und somit ein
Verhältnis von nur noch 1 zu etwa 4,4, was zu einer Reduzierung
der Baugröße des lasttragenden Federspeichers bzw. des
notwendigen Gasvolumens führt.
Vorzugsweise ist die mechanische Feder als Zugfeder ausge
bildet, die dabei zwischen dem Zylinder und einem Ende der
mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange angeordnet ist, und
zwar derart, daß die von der Zugfeder erzeugte Gegenkraft
in Einfederungsrichtung des Federbeins wirkt, d. h. als
"künstliche Last" die Tendenz hat, das Federbein "zusammen
zuziehen".
Als Alternative zu einer Zugfeder ist es allerdings grund
sätzlich auch möglich, eine mechanische Druckfeder zur
Erzeugung der Gegenkraft zu verwenden, die dann z. B. inner
halb des Ringraumes des Federbeins zwischen dem Kolben und
dem Zylinder angeordnet sein kann, so daß sie den Kolben in
Lastrichtung als "künstliche Zusatzlast" gegen die Abstütz
kraft beaufschlagt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung
sind in Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschrei
bung enthalten.
Anhand von in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungs
beispielen des erfindungsgemäßen Federungssystems soll im
folgenden die Erfindung näher erläutert werden. Dabei
zeigt
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfin
dungsgemäßen Federungssystems in einer ersten
Ausführungsform und
Fig. 2 eine Darstellung analog zu Fig. 1, jedoch in
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
In den beiden Zeichnungsfiguren sind gleiche Teile stets
mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, so daß jede
eventuell nur einmal vorkommende Beschreibung eines Teils
analog auch für die jeweils andere Zeichnungsfigur gilt, in
denen dieses Teil mit der entsprechenden Bezugsziffer eben
falls zu erkennen ist.
Ein erfindungsgemäßes Federungssystem besteht aus mindestens
einem hydraulischen Federbein 2, welches seinerseits
aus einem Zylinder 4 und einem darin axialbeweglich geführten
Kolben 6 besteht, wobei der Kolben 6 mit einer aus dem
Zylinder 4 nach außen geführten Kolbenstange 8 verbunden
ist. Das Federbein 2 ist zwischen einer gefederten Masse
und einer ungefederten Masse angeordnet; in den dargestellten
Ausführungsbeispielen ist das freie Ende der Kolben
stange 8 mit der gefederten Masse, z. B. mit einem Fahrzeug
rahmen 10, verbunden, während das gegenüberliegende Ende
des Zylinders 4 mit der ungefederten Masse, insbesondere
einem Fahrzeugrad 12 bzw. einer Achse verbunden ist. Der
Kolben 6 ist mit einer Kolbendichtung 14 ausgestattet, wo
durch innerhalb des Zylinders 4 zwei Räume voneinander ab
geteilt sind, und zwar einerseits ein die Kolbenstange 8
umschließender Ringraum 16 und andererseits ein auf der
gegenüberliegenden Kolbenseite angeordneter Zylinderraum
18.
Der Zylinderraum 18 ist mit einem Hydraulikmedium gefüllt
und hydraulisch mit einem hydropneumatischen Federspeicher
20 verbunden. In den dargestellten Ausführungsbeispielen
ist dieser Federspeicher 20 als separates, von dem Feder
bein 2 räumlich getrenntes Bauteil sowie vorzugsweise als
Kolbenspeicher ausgebildet, wobei innerhalb eines Zylinder
gehäuses 22 ein Trennkolben 24 frei beweglich, "schwimmend"
geführt ist. Der Trennkolben 24 teilt innerhalb des Zylin
dergehäuses 22 einen mit Hydraulikmedium gefüllten und
hydraulisch mit dem Zylinderraum 18 des Federbeins 2 ver
bundenen Speicherraum 26 von einer mit einem kompressiblen,
pneumatischen Medium gefüllten Federkammer 28 ab. Das kom
pressible Medium innerhalb der Federkammer 28 steht unter
einem pneumatischen Druck p₁, so daß über die Beaufschlagung
des Trennkolbens 24 in dem Speicherraum 26 ein hydraulischer
Druck p₂ herrscht, der dann entsprechend auch inner
halb des Zylinderraums 18 des Federbeins 2 wirkt und dort
eine Druckfläche A des Kolbens 6 beaufschlagt. Hierdurch
wird gemäß der Gleichung F=p · A eine Abstützkraft F₁
erzeugt, die zur Abstützung der gefederten Masse deren
Gewichtskraft entgegenwirkt.
Bei dem erfindungsgemäßen hydropneumatischen Federungssystem
wird nun des weiteren auch eine der Abstützkraft F₁
entgegenwirkende Gegenkraft F₂ erzeugt, die eine "künst
liche Zusatzlast" darstellt, wodurch - wie oben bereits
erläutert wurde - das von dem Federspeicher 20 aufzunehmende
Lastverhältnis reduziert wird. Dabei ergibt sich eine
resultierende Tragkraft F des Federbeins 2 aus der Diffe
renz Abstützkraft minus Gegenkraft; es gilt die Beziehung
F=F₁-F₂.
Erfindungsgemäß ist nun zur Erzeugung der Gegenkraft F₂ eine
mechanische Feder 30 vorgesehen. Vorzugsweise ist diese
mechanische Feder 30 - wie in den Zeichnungsfiguren symbol
haft dargestellt - als Zugfeder 32 ausgebildet, die derart
zwischen dem Zylinder 4 und dem freien Ende der Kolbenstange
8 angeordnet ist, daß die von der Zugfeder 32 erzeugte
Gegenkraft F₂ als "künstliche Last" die Tendenz hat, das
Federbein 2 einzufedern ("zusammenzuziehen"). In den dar
gestellten Beispielen ist die Zugfeder 32 zwischen dem
Fahrzeugrahmen 20 einerseits und dem Rad 12 bzw. der Fahr
zeugachse andererseits unter einer bestimmten Vorspannung
angeordnet.
Die Feder 30 bzw. 32 kann hierbei durch eine beliebige
Federart gebildet sein, wie insbesondere eine Schraubenfeder,
eine Blattfeder oder eine Drehstabfeder. Als Material
für die Feder 30 bzw. 32 eignet sich Stahl, vorteilhafter
weise aber auch - aufgrund von relativ geringen Federkräften,
die beispielsweise im Bereich von etwa 600 kg liegen -
ein insbesondere faserverstärkter Kunststoff, was den er
heblichen Vorteil mit sich bringt, daß die Feder ein sehr
geringes Gewicht aufweist.
Die Feder 30 wird erfindungsgemäß in Abhängigkeit von der
jeweils gewünschten Kennlinie der resultierenden Tragkraft
F ausgelegt und kann hierzu eine lineare, progressive oder
degressive Kennlinie besitzen. Zudem kann es vorteilhaft
sein, die Gegenkraft F₂ variieren zu können, was über eine
die Vorspannung der mechanischen Feder 30 verändernde,
mechanische Verstelleinrichtung realisiert werden kann.
Allerdings ist diese vorteilhafte Möglichkeit in den Zeich
nungen nicht veranschaulicht.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist der Ringraum 16 des
Federbeins 2 über eine Lüftungsöffnung 34 des Zylinders 4
mit der Außenatmosphäre verbunden und somit praktisch
drucklos (Atmosphärendruck). Durch diese Ausgestaltung ist
zur Erzeugung der Abstützkraft F₁ die gesamte, dem Zylinder
raum 18 zugekehrte Fläche A des Kolbens 6 maßgebend. Hier
durch kann das Federbein 2 auch für große Lasten sehr kom
pakt gehalten werden. Diese Ausführung eignet sich daher
insbesondere für Lastkraftwagen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist der Ringraum 16
über eine Leitungsverbindung 36 hydraulisch mit dem Zylin
derraum 18 verbunden, so daß auch hier der hydraulische
Druck p₂ herrscht. Daher ergibt sich die zur Erzeugung der
Abstützkraft F₁ maßgebende Druckfläche A aus der Differenz
der beiden gegenüberliegenden Kolbenflächen A₁-A₂. Die
Druckfläche A entspricht somit dem Querschnitt der Kolben
stange 8.
Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, daß die
Auswahl der geeigneten Federart für die mechanische Feder
30 bzw. die Zugfeder 32 im wesentlichen von dem Federweg
bzw. dem Federhub des Federbeins 2 bestimmt wird. Für
große Federwege von beispielsweise etwa 300 mm eignet sich
besonders eine Drehstabfeder mit geeigneter Ausgestaltung
der Verbindungspunkte (Hebel).
Ferner kann durch Auswahl einer geeigneten Federart und
durch eine bestimmte Anordnung und Befestigung der Feder 30
in einem Fahrzeug vorteilhafterweise erreicht werden, daß
die Feder 30 zusätzlich zu ihrer Funktion, die Gegenkraft
F₂ zu erzeugen, auch eine mechanische Führung des Rades 12
bzw. der Fahrzeugachse bewirkt. Dies ist im Vergleich zu
dem bekannten System der gattungsgemäßen Art ein weiterer
wesentlicher Vorteil, weil dort zur Rad- bzw. Achsenführung
zusätzliche, finanziell recht aufwendige Maßnahmen getroffen
werden mußten, wie z. B. Verwendung eines speziellen,
zur Aufnahme hoher Querkräfte geeigneten Federbeins. Der
artige Führungsmaßnahmen sind nun aufgrund der erfindungs
gemäßen Ausgestaltung entbehrlich, was zu einer weiteren
Reduzierung des finanziellen Aufwandes für die Komponenten
des Federungssystems führt.
Im folgenden sollen nun noch einige vorteilhafte Ausgestal
tungsmerkmale des erfindungsgemäßen Federungssystems er
läutert werden.
Es ist vorteilhaft, wenn in der hydraulischen Verbindung
zwischen dem Federbein 2 und dem Federspeicher 20 ein ins
besondere lastabhängig steuer- bzw. regelbares Dämpfungs
ventil 38 angeordnet ist. Des weiteren kann mit Vorteil in
dieser hydraulischen Verbindung auch ein Absperrventil 40
angeordnet sein, mit dem der Federspeicher 20 von dem
Federbein 2 "abgekoppelt" werden kann, d. h. es kann hier
durch eine Blockierung der Federungsbewegungen des Feder
beins 2 erreicht werden.
Das Federbein 2 bzw. dessen Zylinderraum 18 ist zudem vor
teilhafterweise mit einer hydraulischen Nivelliereinrich
tung 42 verbunden, die aus zwei Schaltventilen 44, 46 be
steht, die eingangsseitig mit einer Druckleitung P einer
seits und einer Tankleitung T andererseits sowie ausgangs
seitig mit dem Zylinderraum 18 verbunden sind, so daß
letzterer wahlweise mit der Druckleitung P oder der Tank
leitung T verbunden werden kann. Hierdurch kann durch
Zuführen oder Entnahme von Hydraulikmedium das Niveau des
Federbeins 2 eingestellt werden. Diese Niveaueinstellung
kann vorteilhafterweise auch automatisch bewirkt werden,
und zwar durch geeignete Niveausensoren, die die jeweilige
Hubstellung des Federbeins 2 - beispielsweise durch eine
Distanzmessung zwischen Achse und Rahmen - erfassen.
Der Federspeicher 20 ist bevorzugt als Druckwandler derart
ausgebildet, daß der pneumatische Druck p₁ stets geringer
als der hydraulische Druck p₂ ist. Dies wird dadurch er
reicht, daß der Trennkolben 24 mit einer durch den Spei
cherraum 26 nach außen geführten Trennkolbenstange 48 ver
bunden ist, wodurch die dem Speicherraum 26 zugekehrte
Fläche des Trennkolbens 24 kleiner als die gegenüberliegende,
federkammerseitige Fläche. Aufgrund dieses Flächen
unterschiedes sind dann auch der pneumatische und der
hydraulische Druck jeweils unterschiedlich groß, wobei aber
die entgegengesetzten Trennkolbenkräfte als Produkt des
jeweiligen Druckes mal der jeweiligen Fläche gleich groß
sind.
Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung des Federspeichers 20
ergibt sich aufgrund der Trennkolbenstange 28 die Möglich
keit, diese mit einem Wegmeßsystem 50 zu verbinden, wodurch
über die lastabhängige Stellung des Trennkolbens 24 die je
weilige Last bestimmt werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt auch
alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen.
Claims (8)
1. Hydropneumatisches Federungssystem, insbesondere für Kraft
fahrzeuge, mit mindestens einem aus einem Zylinder (4) und
einem Kolben (6) bestehenden Federbein (2), welches über
ein Hydraulikmedium derart gegen einen ein kompressibles
Medium enthaltenden, hydropneumatischen Federspeicher (20)
wirkt, daß durch Beaufschlagung einer Druckfläche (A) des Kolbens
(6) mit einem von einem pneumatischen Druck (p₁) des
Federspeichers (20) bewirkten hydraulischen Druck (p₂) eine
lasttragende Abstützkraft (F₁) erzeugt wird, wobei eine der
Abstützkraft (F₁) entgegenwirkende Gegenkraft (F₂) erzeugt
wird, so daß eine resultierende Tragkraft (F) des Feder
beins (2) sich aus der Differenz Abstützkraft (F₁) minus
Gegenkraft (F₂) ergibt, und wobei zur Erzeugung der Gegen
kraft (F₂) eine mechanische Feder (30) vorgesehen ist.
2. Federungssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
mechanische Feder (30) als Zugfeder (32) ausgebildet
ist, die zwischen dem Zylinder (4) und einem Ende
einer mit dem Kolben (6) verbundenen Kolbenstange (8)
angeordnet ist.
3. Federungssystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die
mechanische Feder (30) als Schraubenfeder, Blattfeder
oder Drehstabfeder ausgebildet ist.
4. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die
mechanische Feder (30) aus Stahl oder einem insbeson
dere faserverstärkten Kunststoff besteht.
5. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die
mechanische Feder (30) in Abhängigkeit von der ge
wünschten Kennlinie der resultierenden Tragkraft (F)
eine lineare, progressive oder degressive Kennlinie
aufweist.
6. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Gegenkraft (F₂) über eine die Vorspannung der mechanischen
Feder (30) verändernde, mechanische Verstellein
richtung variabel ist.
7. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der
hydraulische Druck (p₂) in einem der Kolbenstange (8)
abgekehrten Zylinderraum (18) wirkt, wobei ein gegen
überliegender, die Kolbenstange (8) umschließender
Ringraum (16) entweder hydraulisch mit dem Zylinder
raum (18) oder über eine Lüftungsöffnung (34) mit der
Atmosphäre verbunden ist.
8. Federungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die
mechanische Feder (30) derart ausgebildet und angeordnet
ist, daß sie eine mechanische Führungsfunktion für
eine Fahrzeugachse bzw. ein Fahrzeugrad (12) besitzt.
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DE19924221126 Expired - Lifetime DE4221126C2 (de) | 1992-06-26 | 1992-06-26 | Hydropneumatisches Federungssystem |
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