DE4223783A1 - Hydropneumatisches Federungssystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydropneumatisches Federungssystem insbesondere für Lastkraftwagen, mit min­ destens einem hydraulischen Federbein, welches gegen min­ destens zwei hydraulisch parallel geschaltete, hydropneuma­ tische Federspeicher wirkt, wobei die Federspeicher in unterschiedlichen Druckbereichen wirksam sind.

Bei hydropneumatischen Federungssystemen der "einfachsten" Art, wobei ein Federbein gegen einen Federspeicher wirkt, ist es ein bekanntes Problem, daß bei großen Lastverhält­ nissen zwischen einer Leerlast und einer Vollast des jeweiligen Fahrzeuges bzw. des entsprechenden Federbeins der jeweils erforderliche Federspeicher ein sehr großes Volumen aufweisen muß. Insbesondere bei der Antriebsachse eines Sattelschlepper-Zugfahrzeuges muß die Federung für ein besonders großes Lastverhältnis ausgelegt sein, denn es muß sichergestellt sein, daß das Zugfahrzeug sowohl mit einem Sattel-Auflieger, und zwar unter Berücksichtigung des Lastverhältnisses des Aufliegers (leerer bis voll beladener Auflieger), als auch ganz ohne Auflieger mit einigermaßen komfortabler Federung fahren kann. Beträgt beispielsweise die Leerlast ohne Auflieger 4000 N (entspricht etwa 0,4 t) und die Vollast mit dem beladenen Auflieger 60 000 N (etwa 6 t), so führt dies zu einem Lastverhältnis von 60 000 4000 = 15 : 1. Soll ein derart hohes Lastverhältnis von einem einzigen hydropneumatischen Federspeicher aufgenommen werden, so würde dies zu einer außerordentlich großen Bau­ größe des Federspeichers führen, weil große Volumenänderun­ gen des pneumatischen Mediums notwendig sind.

Nun ist aus der DE-OS 39 34 385 ein Federungssystem der eingangs genannten, gattungsgemäßen Art bekannt, bei dem das Federbein gegen zwei parallele, für unterschiedliche Druckbereiche - und damit auch unterschiedliche Lastberei­ che - ausgelegte Federspeicher wirkt. Hierdurch braucht jeder einzelne Federspeicher nur noch für ein geringeres Lastverhältnis (geringerer Druckbereich) ausgelegt zu sein. Da sich hierbei aber die Druckbereiche überlappen, entsteht als Federkennlinie (Kraft in Abhängigkeit von dem Feder­ bein-Hub) nachteiligerweise keine stetige Kurve, sondern eine sogenannte "Sprungfunktion", was bedeutet, daß während der Federungsbewegungen des Federbeins die Federcharakteri­ stik jeweils in einer bestimmten Hubstellung, in der eine bestimmte Kraft vorhanden ist, abrupt "umgeschaltet" wird, so daß das Fahrzeug auch sehr abrupt - und für den Fahrer auch absolut nicht vorhersehbar - seine Fahreigenschaften ändert.

Ähnliche Federungssysteme mit den gleichen Nachteilen sind auch in der US-PS 3 077 345 und der US-PS 4 798 398 be­ schrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Federungssystem so zu verbessern, daß es unter allen möglichen Belastungen optimale Federungs- und Fahreigenschaften gewährleistet. Dabei soll das Fede­ rungssystem insbesondere für eine Anwendung z. B. in Sattel­ schlepper-Zugfahrzeugen oder Fahrzeugen zur Aufnahme von Containern geeignet sein.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Feder­ speicher derart dimensioniert sind, daß ihre unterschiedli­ chen Druckbereiche überlappungsfrei voneinander beabstandet sind. Dies bedeutet, daß zwischen einem "oberen" Ende der Federkennlinie des für einen "unteren" Druckbereich ausge­ legten Federspeichers und einem "unteren" Ende der Feder­ kennlinie des für einen "oberen" Druckbereich ausgelegten Federspeichers ein klar definierter Federkraft-Abstand ("echte Federkraft-Lücke") vorhanden ist.

Damit eignet sich das erfindungsgemäße Federungssystem vor allem für eine Anwendung bei Auflieger-Fahrzeugen, z. B. Sattelschlepper-Zugfahrzeugen oder Fahrzeugen zur Aufnahme von Containern, wobei einer der Federspeicher ausschließ­ lich für den unteren Druckbereich, d. h. nur für die Last des leeren Zugfahrzeugs ohne den Sattel-Auflieger ausgelegt ist, während der andere Federspeicher für eine Belastung mit aufliegendem Sattelauflieger, und zwar für den gesamten Lastbereich von leerem bis voll beladenem Auflieger, aus­ gelegt ist. Aufgrund des erfindungsgemäß vorgesehenen Ab­ standes der Druckbereiche bzw. der Federkennlinien der bei­ den Federspeicher kommt es während der Hubbewegungen des Federbeins vorteilhafterweise zu keinerlei gegenseitiger Beeinflussung der Federspeicher; dies bedeutet, daß in jedem Belastungsfall eine absolut stetige Federkennlinie über den gesamten Hubbereich des Federbeins gewährleistet ist.

Bezogen auf das eingangs angeführte Zahlenbeispiel wäre der eine Federspeicher für eine statische Last von 4000 N (ca. 0,4 t) auszulegen; hierfür reicht ein sehr kleiner und da­ her preiswert zu realisierender Federspeicher. Der andere Federspeicher wäre dann für das Lastverhältnis mit Auflie­ ger auszulegen; beträgt z. B. die Leerlast mit Auflieger 10 000 N (ca. 1 t) und die Vollast 60 000 N (ca. 6 t), so ergibt sich hieraus ein Lastverhältnis von 60 000 : 10 000, folglich ein Verhältnis von lediglich 6 : 1, weshalb auch dieser Federspeicher noch relativ kompakt und preiswert ausgeführt werden kann.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn in dem unteren Druck­ bereich der für den oberen Druckbereich ausgelegte Feder­ speicher in einem hydraulikseitigen Endanschlag steht und somit funktionslos ist, während in dem oberen Druckbereich der für den unteren Druckbereich ausgelegte Federspeicher in einem pneumatikseitigen Endanschlag steht. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine selbsttätige "Umschaltung" zwischen den beabstandeten Federkennlinien erreicht, wenn der Auflieger auf das Zugfahrzeug aufgelegt bzw. von diesem abgehoben wird.

In den Unteransprüchen sind zudem noch weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung enthalten.

Anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten, bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels soll im folgenden die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein stark vereinfachtes, schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Federungssystems mit teilweise im Axialschnitt dargestellten Komponen­ ten in einem ersten Betriebszustand,

Fig. 2 einen Ausschnitt des Federungssystems nach Fig. 1 in einem zweiten Betriebszustand und

Fig. 3 ein Federkennlinien-Diagramm des erfindungsgemä­ ßen Federungssystems.

Gemäß Fig. 1 besteht ein erfindungsgemäßes Federungssystem aus mindestens einem hydraulischen Federbein 2; üblicher­ weise ist jedem Rad einer Fahrzeugachse ein Federbein 2 zugeordnet. Das Federbein 2 besteht seinerseits aus einem Zylinder 4 und einem darin axialbeweglich geführten Kolben 6, wobei der Kolben 6 mit einer abgedichtet aus dem Zylin­ der 4 nach außen geführten Kolbenstange 8 verbunden ist. Das Federbein 2 ist zwischen einer gefederten Masse und einer ungefederten Masse angeordnet; im dargestellten Bei­ spiel ist das freie Ende der Kolbenstange 8 mit der gefe­ derten Masse, z. B. einem Fahrzeugrahmen 10, verbunden, während das gegenüberliegende Ende des Zylinders 4 mit der ungefederten Masse, insbesondere einem gestrichelt ange­ deuteten Fahrzeugrad 12 bzw. einer Achse verbunden ist. Der Kolben 6 ist mit einer Kolbendichtung 14 ausgestattet, wodurch innerhalb des Zylinders 4 zwei Räume voneinander abgeteilt sind, und zwar einerseits ein die Kolbenstange 8 umschließender Ringraum 16 und andererseits ein auf der gegenüberliegenden Kolbenseite angeordneter Zylinderraum 18.

Zumindest der Zylinderraum 18 des Federbeins 2 ist mit einem Hydraulikmedium gefüllt und hydraulisch mit zwei parallel geschalteten Federspeichern 20 und 22 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder dieser Federspeicher 20, 22 als separates, von dem Federbein 2 räumlich getrenntes Bauteil sowie vorzugsweise als Kolben­ speicher ausgebildet, wobei innerhalb eines Zylinders 24 ein Trennkolben 26 frei beweglich, d. h. "schwimmend", geführt ist. Der Trennkolben 26 teilt innerhalb des Zylin­ ders 24 einen mit Hydraulikmedium gefüllten und hydraulisch mit dem Federbein 2 verbundenen Speicherraum 28 von einer mit einem kompressiblen, pneumatischen Medium gefüllten Federkammer 30 ab.

Das kompressible Medium innerhalb der Federkammer 30 des ersten Federspeichers 20 steht unter einem ersten pneuma­ tischen Druck p_p1, so daß über die Beaufschlagung des Trennkolbens 26 in dem Speicherraum 28 dieses ersten Federspeichers 20 ein erster hydraulischer Druck p_h1 ent­ steht. In dem zweiten Federspeicher 22 steht das in der Federkammer 30 enthaltene Pneumatikmedium demgegenüber unter einem zweiten pneumatischen Druck p_p2, der über den Trennkolben 26 einen zweiten hydraulischen Druck p_h2 be­ wirkt. Innerhalb des Federbeins 2 wirkt dann entweder der erste hydraulische Druck p_h1 und/oder der zweite hydrauli­ sche Druck p_h2 durch Beaufschlagung des Kolbens 6 mit diesem Druck wird dann gemäß der Gleichung F = p·A eine Tragkraft erzeugt, die zur Abstützung der gefederten Masse deren Gewichtskraft entgegenwirkt.

Erfindungsgemäß sind nun die beiden Federspeicher 20 und 22 - insbesondere hinsichtlich der pneumatischen Drücke p_p1 und p_p2 sowie des jeweiligen Volumens der Federkammer 30 und des Bewegungsbereichs des Trennkolbens 26 - derart dimensio­ niert, daß sie in unterschiedlichen, überlappungsfrei von­ einander beabstandeten Druckbereichen wirksam sind. Dies bedeutet, daß die Kraft F in einem "unteren" Kräftebereich ausschließlich von dem ersten Federspeicher 20 erzeugt wird, während die Kraft F in einem "oberen" und von dem unteren Kräftebereich über eine "Lücke" beabstandeten Kräftebereich in der Hauptsache von dem zweiten Federspei­ cher 22 erzeugt wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in einem für den unteren Kräftebereich maßge­ blichen Druckbereich der für einen oberen Druckbereich und damit für den oberen Kräftebereich ausgelegte, zweite Federspeicher 22 in einem hydraulikseitigen Endanschlag steht und somit funktionslos ist. Dieser Betriebszustand ist in Fig. 1 dargestellt. In dem oberen Kräfte- bzw. Druckbereich steht dann der für den unteren Kräfte- bzw. Druckbereich ausgelegte, erste Federspeicher 20 in einem pneumatikseitigen Endanschlag, was in Fig. 2 dargestellt ist.

In Fig. 3 ist die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Fede­ rungssystems anhand entsprechender Federkennlinien gut zu erkennen. Wie üblich ist auf der Abszisse der Hub s des Federbeins 2 bzw. des Kolbens 6 aufgetragen, wobei ein Hubbereich zwischen einer ausgefederten Endlage s_aus und einer eingefederten Endlage s_ein von z. B. 300 mm vorhanden ist. Etwa mittig zwischen diesen Endlagen ist eine stati­ sche Stellung s_stat eingezeichnet. Auf der Ordinate ist die Kraft F in N aufgetragen, wobei darauf hinzuweisen ist, daß die Maßstäbe im unteren und oberen Kräftebereich jeweils unterschiedlich sind. In einem unteren Kräftebereich von etwa 3000-5000 N wird durch den ersten Federspeicher 20 eine Leerlast-Kennlinie 32 erzeugt. Entsprechend dieser Kennlinie 32 bewegt sich bei einer Belastung des Federbeins 2 in diesem Kräftebereich ausschließlich der Trennkolben 26 des ersten Federspeichers 20; siehe den Doppelpfeil 34 in Fig. 1. Der Trennkolben 26 des zweiten Federspeichers 22 wird durch den Druck des pneumatischen Mediums in der Federkammer 30 in Pfeilrichtung 36 an einem hydraulikseiti­ gen Endanschlag gehalten. Auch dies ist in Fig. 1 gut erkennbar. Es wirkt innerhalb des Federbeins 2 demzufolge nur der erste hydraulische Druck p_h1 des ersten Feder­ speichers 20.

Wie sich des weiteren aus Fig. 3 ergibt, besitzt das erfin­ dungsgemäße Federungssystem in einem oberen Kräftebereich - hier beispielsweise ab etwa 10 000 N - unterschiedliche Federkennlinien, die von den Bewegungen des Trennkolbens des zweiten Federspeichers 22 bewirkt werden. Hierzu ist darauf hinzuweisen, daß für jede beliebige Last innerhalb dieses oberen Last- bzw. Kräftebereichs durch eine weiter unten noch genauer beschriebene Nivellierventileinrichtung die statische Lage s_stat des Federbeins 2 stets konstant gehalten werden kann. Es ergibt sich dadurch ein schraf­ fiert dargestelltes Kennlinienfeld 40. In diesem Lastbe­ reich ist während der Federungsbewegungen des Federbeins 2 ausschließlich der zweite Federspeicher 22 in Funktion, was in Fig. 2 durch den Doppelpfeil 42 veranschaulicht wird. Aufgrund des in diesem Betriebszustand herrschenden, höhe­ ren Druckniveaus wird der Trennkolben 26 des ersten Feder­ speichers 20 in Pfeilrichtung 44 an einem pneumatikseitigen Endanschlag gehalten; hierbei besitzt der Trennkolben 26 vorteilhafterweise aber eine der Federkammer 30 zugekehrte Vertiefung, wodurch stets ein Mindestrestvolumen der Feder­ kammer 30 zur Aufnahme des pneumatischen Mediums vorhanden ist. Entsprechendes gilt übrigens auch für den zweiten Federspeicher 22.

Aus Fig. 3 wird nun auch noch der wesentliche Gedanke der vorliegenden Erfindung deutlich, daß nämlich der untere und der obere Lastbereich bzw. Druckbereich über eine Lücke voneinander beabstandet sind. Dies bedeutet, daß der obere, in der Einfederungsendlage s_ein liegende Endpunkt der Leer­ last-Kennlinie 32 auf einer Kraft F liegt, die jedenfalls geringer ist als die niedrigste, in der Ausfederungsendlage s_aus vorhandene Kraft des Kennlinienfeldes 40.

Im folgenden sollen noch einige vorteilhafte Weiterbildun­ gen der Erfindung erläutert werden.

Gemäß Fig. 1 kann der Ringraum 16 des Federbeins 2 über eine Lüftungsöffnung 46 des Zylinders 4 mit der Außenatmo­ sphäre verbunden und somit praktisch drucklos sein (Atmo­ sphärendruck). Durch diese Ausgestaltung ist zur Erzeugung der Kraft F die gesamte, dem Zylinderraum 18 zugekehrte Fläche des Kolbens 6 maßgebend. Hierdurch kann das Feder­ bein 2 auch für große Lasten sehr kompakt gehalten werden. Diese Ausführung eignet sich daher insbesondere für Last­ kraftwagen.

Alternativ hierzu ist es jedoch ebenfalls möglich, den Ringraum 16 über eine in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnete Verbindung 48 hydraulisch mit dem Zylinderraum 18 zu ver­ binden. Da dann im Ringraum 16 der gleiche hydraulische Druck herrscht wie im Zylinderraum 18, ergibt sich die zur Erzeugung der Kraft F maßgebende Druckfläche des Kolbens aus der Differenz der beiden gegenüberliegenden Kolben­ flächen; die Druckfläche entspricht somit dem Querschnitt der Kolbenstange 8.

Da für das erfindungsgemäße Federungssystem die Endanschlä­ ge der Federspeicher 20, 22 von besonderer Bedeutung sind, ist es hierzu vorteilhaft, diese Endanschläge mit nicht dargestellten Mitteln zur pneumatischen bzw. hydraulischen Endlagendämpfung auszustatten. Dies kann beispielsweise durch Drosselöffnungen erreicht werden, deren Strömungs­ querschnitt in Abhängigkeit von der Stellung des Trenn­ kolbens 26 jeweils variabel ist, d. h. sich in Richtung des jeweiligen Endanschlags bis auf einen Mindestquerschnitt reduziert.

Vorzugsweise ist jeder der Federspeicher 20, 22 als Druck­ wandler derart ausgebildet, daß jeweils der pneumatische Druck geringer als der zugehörige hydraulische Druck ist. Hierdurch läßt sich das pneumatische Medium gegen den stets höheren hydraulischen Druck sehr gut und einfach abdichten. Konstruktiv wird dies realisiert, indem der Trennkolben 26 mit einer durch den Speicherraum 28 abgedichtet nach außen geführten Trennkolbenstange 50 verbunden ist. Es ergeben sich hierdurch zwei unterschiedlich große Druckflächen des Trennkolbens 26, wodurch aufgrund der Beziehung F = p·A sich der genannte Druckunterschied zwischen pneumatischem und hydraulischen Druck ergibt.

Zudem führt diese Ausgestaltung zu dem weiteren Vorteil, daß die Trennkolbenstangen 50 jeweils mit ihrem freien Ende auf ein die Stellung des jeweiligen Trennkolbens 26 erfas­ sendes Wegmeß-System 52 wirken können. Hierdurch kann auf sehr einfache Weise eine Lastmessung realisiert werden.

Mit dem Federbein 2 ist ferner vorzugsweise eine Nivellier­ ventileinrichtung 54 hydraulisch verbunden, und zwar der­ art, daß das Federbein 2 zum Einstellen seines statischen Niveaus wahlweise mit einer Druckleitung P oder einer Tank- Rücklaufleitung T verbindbar ist. Hierdurch kann durch Zu­ führen oder Entnehmen eines bestimmten Volumens des Hydrau­ likmediums die statische Lage s_stat eingestellt werden, und zwar insbesondere für den in Fig. 2 veranschaulichten Betriebszustand, da hierbei die Last variabel ist, während sie im Betriebszustand nach Fig. 1 praktisch konstant ist.

Zudem ist es noch vorteilhaft, wenn in der Verbindung zwischen dem Federbein 2 und den beiden Federspeichern 20, 22 ein insbesondere lastabhängig verstellbares Dämpfungs­ ventil 56 und/oder ein als Absperrventil ausgebildetes Blockierventil 58 angeordnet sind. Dabei kann mit dem Blockierventil 58 das Federbein 2 hydraulisch blockiert werden, weil in einer Absperrstellung kein Medium mehr aus dem Federbein 2 in die Federspeicher verdrängt werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschrie­ bene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen.

Claims (8)

1. Hydropneumatisches Federungssystem insbesondere für Lastkraftwagen, mit mindestens einem hydraulischen Federbein (2), welches gegen mindestens zwei hydrau­ lisch parallel geschaltete, hydropneumatische Feder­ speicher (20, 22) wirkt, wobei die Federspeicher (20, 22) in unterschiedlichen Druckbereichen wirksam sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Federspeicher (20, 22) derart dimensioniert sind, daß ihre unterschiedlichen Druckbereiche überlappungsfrei voneinander beabstandet sind.

2. Federungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem unteren Druckbereich der für einen oberen Druck­ bereich ausgelegte Federspeicher (22) in einem hydrau­ likseitigen Endanschlag steht, und daß in dem oberen Druckbereich der für den unteren Druckbereich ausge­ legte Federspeicher (20) in einem pneumatikseitigen Endanschlag steht.

3. Federungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endanschläge mit Mitteln zur pneumatischen bzw. hydraulischen Endlagendämpfung ausgestattet sind.

4. Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor­ zugsweise jeder der Federspeicher (20, 22) als Kolben­ speicher mit einem schwimmend in einem Zylinder (24) geführten, einen hydraulischen Speicherraum (28) von einer ein pneumatisches, kompressibles Medium enthal­ tenden Federkammer (30) trennenden Trennkolben (26) ausgebildet ist.

5. Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor­ zugsweise jeder der Federspeicher (20, 22) als Druck­ wandler derart ausgebildet ist, daß jeweils der pneu­ matische Druck (p_p1/p_p2) geringer als der zugehörige hydraulische Druck (p_h1/p_h2) ist.

6. Federungssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkolben (26) vorzugsweise jedes der Federspeicher (20, 22) mit einer durch den Speicherraum (28) hin­ durch und abgedichtet nach außen geführten Trenn­ kolbenstange (50) verbunden ist.

7. Federungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennkolbenstange (50) vorzugsweise jedes der Feder­ speicher (20, 22) mit ihrem freien Ende auf ein die Stellung des Trennkolbens (26) erfassendes Wegmeß- System (52) wirkt.

8. Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine hydrau­ lisch derart mit dem Federbein (2) verbundene Nivel­ lierventileinrichtung (54), daß das Federbein (2) zum Einstellen seines statischen Niveaus wahlweise mit einer Druckleitung (P) oder einer Tank-Rücklaufleitung (T) verbindbar ist.