DE4238790C2 - Luftfederaggregat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Luftfederaggregat mit einer bei Federhüben ihr Volumen verändernden Hauptkammer, z. B. Luft­ federbalg, die zur Veränderung der Progressivität der Feder­ kräfte des Luftfederaggregates mit einer ein im wesentlichen konstantes Volumen aufweisenden Zusatzkammer über ein Ventil verbindbar oder gegenüber dieser Kammer absperrbar ist.

Luftfederaggregate werden an Kraftfahrzeugen, insbesondere auch an Lastkraftwagen, dann eingesetzt, wenn ein besonders hoher Komfort gewährleistet werden und gegebenenfalls darüber hinaus auch ermöglicht werden soll, den Bodenabstand des Fahrzeuges in Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen zu ändern. Die Veränderung des Bodenabstandes erfolgt üblicher­ weise dadurch, daß in das Luftfederaggregat zusätzliche Luft eingebracht bzw. aus dem Federaggregat Luft abgeführt wird. Die Luftzuführung bzw. -abführung wird üblicherweise auch zur Veränderung der Progressivität der Federkräfte eingesetzt, indem beispielsweise bei starken Einfederungshüben der Luft­ druck im Federaggregat erhöht und bei übermäßigen Ausfederungs­ hüben abgesenkt wird.

Dabei muß allerdings in Kauf genommen werden, daß beim Fahr­ betrieb relativ viel Energie benötigt wird.

Um diesen Energieaufwand nach Möglichkeit gering zu halten, ist es grundsätzlich bekannt, in der eingangs angegebenen Weise eine bei Federhüben ihr Volumen verändernde Haupt­ kammer des Luftfederaggregates mit einer ein im wesentlichen konstantes Volumen aufweisenden Zusatzkammer zu kombinieren und die Verbindung beider Kammern mittels eines Ventils zu steuern. Die gegenüber der Hauptkammer absperrbare Zusatz­ kammer bietet die Möglichkeit, das federwirksame Luftvolumen zu verändern. Wenn das genannte Ventil zwischen Haupt- und Zusatzkammer seine geöffnete Endlage einnimmt, steht ein großes Gesamtvolumen zur Verfügung, welches sich bei Fede­ rungshüben des Luftfederaggregates nur relativ wenig ändert, da die Volumenänderung im Vergleich zur Größe des Gesamt­ volumens nur ein relativ geringes Maß hat. Dies bedeutet, daß sich der Luftdruck bei geöffnetem Ventil während der Fede­ rungshübe nur relativ mäßig ändert und das Luftfederaggregat eine Federkennung mit relativ geringer Progressivität auf­ weist. Damit wird ein besonders komfortabler Fahrbetrieb er­ möglicht. Bei Bedarf - beispielsweise wenn ein Einfederungs­ hub einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet - kann die Zusatzkammer gegenüber der Hauptkammer schnell abgesperrt werden, so daß nur noch das Luftvolumen in der Hauptkammer federwirksam wird. Dies ist gleichbedeutend damit, daß das Verhältnis zwischen den bei Federungshüben auftretenden Ver­ änderungen des federwirksamen Luftvolumens und dem Gesamt­ volumen in der Hauptkammer einen relativ großen Wert erreicht und das Luftfederaggregat dementsprechend mit deutlich ver­ stärkter Progressivität arbeitet, d. h. mit zunehmendem Ein­ federungshub wird eine deutlich zunehmende Abstützkraft des Federaggregates erreicht.

Darüber hinaus kann die Federkennung bei geschlossenem Ventil durch Zu- bzw. Abführung vergleichsweise geringer Luftmengen in bzw. aus der Hauptkammer vergleichsweise stark verändert werden. Entsprechende Luftfederaggregate werden beispielsweise in den folgenden Druckschriften beschrieben: JP 61-180034 A, DE 40 18 712 A1, DE 34 44 577 A1, DE-AS 10 81 780, DE-AS 11 44 127, DE-OS 15 30 632 und EP 01 66 702 A1.

Nach der zuletzt genannten, gattungsbildenden Druckschrift kann das Ventil entweder als einfaches Umschaltventil oder als steuerbares Drosselventil ausgebildet sein. Im ersteren Falle ist nur ein vergleichsweise schnelles Umschalten zwischen dem voll­ ständig geöffneten und dem vollständig geschlossenem Zustand möglich. Im letzteren Falle läßt sich der Luftdurchsatz des Ventils steuern.

Bei einer gedrosselten Öffnungsstellung des Ventils ist jedoch zu berücksichtigen, daß der Einfluß der Zusatzkammer auf die Progressivität der Federkennung sehr gering werden kann, weil sich die bei Federungshüben in der Hauptkammer auftretenden dynamischen Druckänderungen praktisch nicht mehr auf die Zusatzkammer fortpflanzen können. Vielmehr wird die Zusatzkammer dynamisch von der Hauptkammer bei gedrosseltem Verbindungsweg "abgekoppelt".

Aus der US 48 44 428 ist ein Luftfederaggregat bekannt, bei dem eine Haupt- und eine Zusatzkammer ständig über eine gedrosselte Leitung verbunden sind und zwischen den beiden Kammern ein verschiebbarer Kolben angeordnet ist, dessen Verstellung jeweils eine Vergrößerung des Volumens der einen Kammer und gleichzeitig eine Verkleinerung des Volumens der anderen Kammer bewirkt. Auch auf diese Weise läßt sich eine Veränderung der Progressivität der Feder­ kennung erreichen.

Im Hinblick auf einen guten Federungskomfort ist es wünschenswert, den Verbindungsweg zwischen Haupt- und Zusatzkammer asymmetrisch steuern zu können, derart, daß einerseits ein schnelles Schließen dieses Weges und andererseits ein verzögertes Öffnen ermöglicht werden. Durch ein schnelles Schließen läßt sich die Federung bei Bedarf ohne nennenswerten Leistungsaufwand stoßfrei ver­ härten, da sich einerseits das federwirksame Luftvolumen schnell ändert und andererseits allein durch die Schließung des Verbindungsweges keine Druckänderung in der Hauptkammer auftritt. Durch die verzögerte Öffnung des Verbindungsweges wird berücksichtigt, daß bei geschlossenem Verbindungsweg zwischen Haupt- und Zusatzkammer - je nach Federungshub - relativ große Druckdifferenzen auftreten können, die bei plötzlicher drosselfreier Öffnung des Verbindungsweges stoßartige Kräfte verursachen können.

Für eine derartige Steuerung des Verbindungsweges wurden bisher keine konstruktiv einfachen Möglichkeiten aufge­ zeigt.

Zwar zeigt die DE 35 44 474 C2 ein Ventil, bei dem die den Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit vom Ventilhub wiedergebende Kennlinie einen ausgeprägt geknickten Verlauf hat, derart, daß beim Verlassen der Schließlage mit zunehmendem Öffnungshub ein zunächst nur geringer und geringfügig zunehmender Öffnungsquerschnitt freigegeben wird, welcher sich erst nach der Öffnungsphase stark ver­ größert. Jedoch ist die Steuerung eines Ventils, welches in der Verbindung zwischen Haupt- und Zusatzkammer eines Luftfederaggregates der eingangs angegebenen Art einge­ setzt werden soll, schwierig, und zwar unabhängig von der Ventilkonstruktion. Dies beruht darauf, daß bei geschlos­ senem Ventil aufgrund von Federungshüben sehr stark wech­ selnde Druckdifferenzen zwischen Haupt- und Zusatzkammer auftreten können. Damit kann aber das Öffnungsverhalten des Ventils entsprechend starken Schwankungen unterliegen.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, das Betriebsverhalten eines Luftfederaggregates der eingangs angegebenen Art durch neue Maßnahmen zur Steuerung der Verbindung zwischen Haupt- und Zusatzkammer zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ventil einen vom Druck der Hauptkammer in Schließrichtung und vom Druck der Zusatzkammer in Öffnungsrichtung beauf­ schlagten Ventilkörper sowie einen mit dem Ventilkörper über eine Stange verbundenen Kolben mit einer vom Druck der Zusatzkammer beaufschlagten Wirkfläche und mit einer von einem steuerbaren pneumatischen Druck beaufschlagbaren anderen Wirkfläche besitzt und die vom Druck der Zusatzkammer beauf­ schlagte eine Wirkfläche des Kolbens größer als der vom Druck der Zusatzkammer beaufschlagte Querschnitt des Ventilkörpers ist.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird erreicht, daß der Druck der Zusatzkammer immer eine Schließkraft auf das Ventil ausübt, und zwar unabhängig davon, ob der Druck der Hauptkammer höher oder niedriger als Druck der Zusatz­ kammer ist.

Damit haben die stark wechselnden Betriebszustände des Luftfederaggregates und insbesondere die stark schwankenden Druckdifferenzen zwischen Haupt- und Zusatzkammer auch bei Anordnung eines sitzgesteuerten Ventils nur noch völlig untergeordnete Bedeutung für dessen Öffnungsverhalten.

Dies bietet die Möglichkeit, zur Steuerung des Ventils einfachste konstruktive Maßnahmen heranzuziehen.

Hierbei ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß eine Steuerkammer auf der vom steuerbaren pneumatischen Druck beaufschlagbaren Seite des Kolbens mit einer pneumatischen Druckquelle über einen gedrosselten Weg und mit einem Luftauslaß über einen unge­ drosselten Weg verbindbar ist.

Der ungedrosselte Luftauslaß ermöglicht ein schnelles Schließen des Ventils. Die gedrosselte Verbindung zwischen Steuerkammer und Druckquelle läßt einerseits bei geschlos­ senem Ventil eine schnelle Druckerhöhung in der Steuerkammer zu, weil sich deren Volumen nicht ändert, solange sich das Ventil noch in Schließlage befindet. Sobald sich dann bei weiter ansteigendem Steuerdruck das Ventil zu öffnen be­ ginnt, wird für eine weitere Druckerhöhung in der Steuer­ kammer vergleichsweise viel pneumatisches Medium benötigt, weil sich nunmehr das Volumen der Steuerkammer analog dem Öffnungshub des Ventils vergrößert. Hier verhindert nun die Drossel eine schnelle Zuführung größerer Mengen pneu­ matischen Mediums, so daß der Öffnungshub des Ventils nur verzögert bzw. mit geringer Geschwindigkeit erfolgen kann.

Dieses Betriebsverhalten des Ventils ergibt sich zwangs­ läufig, und zwar ohne jede Regelung des Druckes in der Steuer­ kammer. Vielmehr genügt es, die Steuerkammer zum Schließen des Ventils ungedrosselt mit dem Luftauslaß und zum lang­ samen Öffnen des Ventils gedrosselt mit der pneumatischen Druckquelle zu verbinden.

Außerdem kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, die Steuerung des Ventils fluidisch, insbesondere pneumatisch, vorzunehmen, und zwar derart, daß zur Steuerung des Ventils ein fluidisches Verdrängeraggregat dient, welches zum Öffnen des Ventils mit Fluiddruck beaufschlagt bzw. zum Schließen des Ventils vom Fluiddruck entlastet wird, wobei die Druckbeaufschlagung über eine gedrosselte und die Druckentlastung über eine ungedrosselte Leitung erfolgt. Auf diese Weise wird der Öffnungshub des Ventils verlangsamt. Gleichwohl bleibt ein schnelles Schließen möglich.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche verwiesen.

Es folgt die Erläuterung vorteilhafter Ausführungsbeispiele, die in der Zeichnung dargestellt sind.

Dabei zeigt.

Fig. 1 ein schematisiertes Schnittbild eines erfindungs­ gemäßen Luftfederaggregates,

Fig. 2 ein schematisiertes Schnittbild eines pneumatisch gesteuerten Ventils für die Verbindung zwischen Haupt- und Zusatzkammer,

Fig. 3 ein Schnittbild der Dichtflächen von Sitz und Ventilkörper des vorgenannten Ventils und

Fig. 4 eine schaltplanartige Darstellung der Steuerung des vorgenannten Ventils.

Gemäß Fig. 1 ist zwischen einer gefederten Masse 1, welche bei einem Fahrzeug durch den Fahrzeugaufbau gebildet wird, und einer ungefederten Masse 2, welche im Falle eines Fahr­ zeuges durch Rad- bzw. Achsführungselemente u. dgl. gebildet wird, ein Luftfederaggregat 3 angeordnet, welches im wesentlichen in grundsätzlich bekannter Weise aus einem an der gefederten Masse 1 angeordneten Federbalg 4 sowie einem darin einschiebbaren Rollkolben 5 besteht, welcher an der ungefederten Masse 2 angeordnet ist.

Bei Federungshüben ändert sich das Volumen des Federbalges 4, so daß sich der Luftdruck im Federbalg 4 bei Einfederungs­ hüben erhöht und bei Ausfederungshüben erniedrigt.

Über ein nicht dargestelltes Steuerventil kann Druckluft aus einer nicht dargestellten Druckquelle, beispielsweise aus einem Kompressor, in den Federbalg 4 eingeleitet bzw. nach außen abgeführt werden. Auf diese Weise läßt sich eine zusätzliche Druckerhöhung bzw. Druckabsenkung im Federbalg 4 erreichen.

Der Innenraum des Federbalges 4 bildet eine volumenveränderliche Hauptkammer des Federaggregates 3 und läßt sich über ein Ventil 6, welches im voll geöffneten Zustand einen großen Strömungsquer­ schnitt freigibt, mit einer Zusatzkammer 7 verbinden, die ein im wesentlichen konstantes Volumen aufweist und in Hohlräumen des Rollkolbens 5 bzw. damit kommunizierenden Hohlräumen der ungefederten Masse 2 untergebracht ist.

Durch ein weiteres gleichartiges Ventil 8 kann gegebenenfalls noch eine weitere Zusatzkammer 9 zugeschaltet werden.

Wenn beide Ventile 6 und 8 geöffnet sind, steht ein großes federwirksames Luftvolumen zur Verfügung, wobei das Gesamt­ volumen bei Federungshüben nur relativ wenig verändert wird. Dementsprechend sind auch die von den Federungshüben verur­ sachten Druckänderungen der im Federbalg 4 und in den Zusatz­ kammern 7 und 9 eingeschlossenen Luft relativ gering, d. h. das Luftfederaggregat 3 arbeitet mit geringer Progressivität. Je nachdem, ob nur das Ventil 8 oder das Ventil 6 geschlossen wird, kann das federwirksame Luftvolumen mehr oder weniger stark verkleinert werden, mit der Folge, daß die durch Fede­ rungshübe verursachten Änderungen des federwirksamen Luft­ volumens im Vergleich zum gesamten federwirksamen Luftvolumen entsprechend groß sind und das Luftfederaggregat mit stärkerer Progressivität arbeitet.

In Fig. 2 ist nun das Ventil 6 schematisiert dargestellt.

Gemäß Fig. 2 steuert das Ventil 6 eine Öffnung 10 mit großem Querschnitt in einer Wand zwischen dem Innenraum F des Feder­ balges 4 und dem Innenraum K des im Rollkolben 5 unterge­ brachten Teiles der Zusatzkammer 7.

Dazu besitzt das Ventil 6 einen tellerförmigen Ventilkörper 11, welcher im dargestellten Schließzustand auf einem am Rand der Öffnung 10 angeordneten Ventilsitz 12 aufliegt.

Mittels einer in einer Führung 13 gleitverschiebbar geführten Stange 14 ist der Ventilkörper 11 mit einem tellerartigen Kolben verbunden, welcher in einem entsprechenden Zylinder gleitverschiebbar geführt ist und auf seiner dem Ventilkörper 11 zugewandten Seite vom Druck p_K in der Zusatzkammer 7 und auf seiner vom Ventilkörper 11 abgewandten Seite von einem Steuerdruck p_S in einer Steuerkammer 17 beaufschlagt wird.

Die dem Ventilkörper 11 zugewandte Wirkfläche des Kolbens 15 ist größer als die dem Kolben 15 zugewandte Stirnseite des Ventilkörpers 11, welche im geschlossenen Zustand des Ven­ tiles 6 vom Druck p_K in der Zusatzkammer beaufschlagt wird. Somit bewirkt der Druck p_K immer eine Kraft in Schließrichtung des Ventilkörpers 11.

Die andere Seite des Ventilkörpers 11 wird vom Druck p_F im Innenraum des Federbalges 4 beaufschlagt. Dieser Druck p_F ist bei vollständig geöffnetem Ventil 6 praktisch gleich groß wie der Druck p_K.

Wenn der Steuerdruck p_S in der Steuerkammer 17 einen hin­ reichend großen Wert hat, werden Kolben 15 und Ventil­ körper 11 aus der in Fig. 2 dargestellten Lage angehoben, so daß das Ventil 6 öffnet. Unterschreitet der Druck in der Steuerkammer 17 um ein hinreichendes Maß den Druck p_K in der Zusatzkammer 7 bzw. den Druck p_F im Federbalg 4, so schließt das Ventil 6.

Zur Steuerung des Druckes in der Steuerkammer 17 dient die in Fig. 4 dargestellte Steuerschaltung. Je nach Schalt­ stellung eines Umschaltventiles 18 ist die Steuerkammer 17 mit einer pneumatischen Druckquelle bzw. einem Kompressor 19 oder - wie in Fig. 4 dargestellt ist - mit einem Luftauslaß 20 verbunden. Zwischen Umschaltventil 18 und Steuerkammer 17 sind eine Drossel 21 und ein Rückschlagventil 22 parallel zueinander angeordnet, welches vom Druck in der Steuerkammer 17 geöffnet wird, sobald das Umschaltventil 18 in die dargestellte Lage gebracht wird. Damit kann die Steuerkammer 17 praktisch drosselfrei vom pneumatischen Druck entlastet werden, sobald das Umschaltventil 18 in die dargestellte Lage gebracht wird. Wenn dagegen das Umschaltventil 18 in seine andere Lage ge­ schaltet wird, schließt das Rückschlagventil 22, und die Druckluft von der Druckquelle 19 kann nur über die Drossel 21 in die Steuerkammer 17 einströmen. Dementsprechend erfolgt der Druckaufbau in der Steuerkammer 17 verzögert.

Dementsprechend wird mit der in Fig. 4 dargestellten Anordnung erreicht, daß das Ventil 6 beim Umschalten des Umschaltven­ tiles 18 in seine nicht dargestellte Lage relativ langsam öffnet, jedoch beim Umschalten des Umschaltventiles 18 in die dargestellte Lage schnell schließen kann.

Auf diese Weise wird einerseits ein schnelles Schließen und andererseits ein verzögertes Öffnen des Ventils 6 mit einer Voröffnungsphase erreicht, in der vom Ventil­ körper 11 nur ein allenfalls geringer Öffnungsquerschnitt freigegeben wird, so daß zwischen der Zusatzkammer 7 und der Hauptkammer 4 zunächst nur eine gedrosselte Verbindung freigegeben wird und ein langsamer Druckausgleich zwischen diesen beiden Kammern ermöglicht wird.

Die Steuerung des Umschaltventiles 18 überprüft sich ständig auf korrekte Funktion. Sollte eine Fehlfunktion festgestellt werden, so wird das Umschaltventil 18 von seiner Energieversorgung, beispielsweise einer elektrischen Stromquelle, abgetrennt, so daß es von einer Rückstellfeder od. dgl. zwangsläufig in die dargestellte Lage gebracht wird, in der die Steuerkammer 17 praktisch drucklos bleibt. Damit nimmt das Ventil 6 zwangsläufig seine Schließstellung ein, so daß in derartigen Fällen nur das Luftvolumen im Federbalg 4 federwirksam ist und das Federaggregat 3 mit entsprechend großer Progressivität arbeitet. Damit ist in jedem Falle ein sicheres Betriebsverhalten des Luftfederaggregates 3 - wenn auch bei vermindertem Komfort - gewährleistet.

Gemäß Fig. 3 können der Ventilkörper 11 und der Ventilsitz 12 des Ventils 6 einander in Schließlage dieses Ventils 6 axial überlappende Dichtringe 23 bzw. 24 besitzen, welche derart ausgebildet sind, daß bei beginnendem Öffnungshub des Ventilkörpers 11 zunächst nur ein sehr enger Spalt mit ausgeprägter Drosselwirkung geöffnet wird. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß beim Öffnen des Ventils 6 nur ein verzögerter Druckausgleich zwischen den Innenräumen F und K ermöglicht wird.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel ist der Dichtring 23, welcher als Teil des Ventilsitzes 12 angeordnet ist, als Metallring ausgebildet, der mit einem Tragteil verschraubt ist. Der Dichtring 24 am Ventilkörper 11 besteht aus einem Elastomer-Material und ist in eine Nut des Ventilkörpers 11 eingelegt. Zur Halterung bzw. Fixierung des Dichtringes 24 dienen eine Ringscheibe 25 sowie ein Sicherungsring 26. Um zu vermeiden, daß vom Dichtring 24 innerhalb der ihn auf­ nehmenden Nut im Ventilkörper 11 Luft eingeschlossen wird, die dann den Dichtring 24 an einem korrekten Sitz in der Nut hindern könnte, sind im Ventilkörper 11 zur Entlüftung der genannten Nut mehrere kleine Bohrungen 27 angeordnet.

Claims (5)

1. Luftfederaggregat mit einer bei Federhüben ihr Volumen verändernden Hauptkammer (F), z. B. Luftfederbalg, die zur Veränderung der Progressivität der Federkräfte des Luftfeder­ aggregates mit einer ein im wesentlichen konstantes Volumen aufweisenden Zusatzkammer (K) über ein Ventil (6) verbindbar oder gegenüber dieser Zusatzkammer absperrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (6) einen vom Druck der Hauptkammer (F) in Schließrichtung und vom Druck der Zusatzkammer (K) in Öffnungsrichtung beaufschlagten Ventilkörper (11) sowie einen mit dem Ventilkörper über eine Stange (14) verbundenen Kolben (15) mit einer vom Druck der Zusatzkammer (K) beaufschlagten Wirkfläche und mit einer von einem steuerbaren pneumatischen Druck (p_S) beaufschlagbaren anderen Wirkfläche besitzt und die vom Druck der Zusatzkammer (K) beaufschlagte Wirkfläche des Kolbens (15) größer als der vom Druck der Zusatzkammer (K) beaufschlagte Querschnitt des Ventilkörpers (11) ist.

2. Luftfederaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (6) zu pulsweisem Öffnen ansteuerbar ist.

3. Luftfederaggregat nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (6) als Sitzventil ausgebildet ist und am Sitz (12) sowie am Ventilkörper (11) einander eng überlappende Dichtflächen oder Dichtringe (23 und 24) angeordnet sind, welche bei beginnendem Öffnungshub zunächst nur einen Drosselspalt freigeben.

4. Luftfederaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (15) eine Steuerkammer (17) gegenüber der Zusatzkammer (K) absperrt und der Druck (p_S) in der Steuer­ kammer (17) dadurch steuerbar ist, daß die Steuerkammer (17) zur Druckbeaufschlagung über eine gedrosselte Leitung (21) mit einer Druckquelle (19) und zur Druckentlastung über eine ungedrosselte Leitung (22) mit einem Auslaß (20) verbindbar ist.

5. Luftfederaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkammer (K) im Kolben (5) eines Luftfeder­ balges (4) oder in mit dem Kolben (5) verbindbaren oder kommunizierenden Hohlräumen angeordnet ist.