DE4406650C2 - Fluidisches Federungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein fluidisches Federungssystem mit mindestens zwei voneinander entfernten, fluidisch verbindbaren Federaggregaten zur Abstützung einer gefederten Masse, wobei jedes Federaggregat eine erste Druckkammer mit größerem wirksamen Querschnitt bzw. größerer effek­ tiver Wirkung und eine zweite Druckkammer mit kleinerem wirksamen Querschnitt bzw. kleinerer effektiver Wirkung aufweist und sich bei Federhüben jedes Federaggregates das Volumen der ersten Druckkammer in der einen Richtung und das Volumen der anderen Druckkammer in entgegenge­ setzter Richtung ändert, und daß die erste Druckkammer jedes Federaggregates mit der zweiten Druckkammer eines anderen Federaggregates verbunden ist.

Ein entsprechendes hydropneumatisches Federungssystem ist aus der DE 40 04 202 A1 bekannt. Dieses insbesondere zum Einbau in Kraftfahrzeuge vorgesehene System ermöglicht einen Kippausgleich. Dazu besteht aus mindestens einer, auf jeweils einer Seite einer Kippbewegungsachse ange­ ordneten Kolben-Zylindereinheit mit jeweils einem in einem Zylinder beweglich geführten Kolben, wobei der Kolben beidseitig mit einem Hydraulikmedium beaufschlagt wird und seine beaufschlagten Kolbenflächen aus einer Kolben-Stirnfläche und einer gegenüber dieser flächen­ mäßig kleineren, auf der anderen Kolbenseite liegenden Kolben-Ringfläche bestehen und die die Kolben-Stirnflächen beaufschlagenden Hydraulik-Druckräume jeder Kolben-Zylinder­ einheit den die Kolben-Ringflächen beaufschlagenden Hydraulik-Druckräumen der anderen Kolben-Zylindereinheit hydraulisch verbunden sind, wobei die hydraulisch mitein­ ander verbundenen Druckräume jeweils an einen mit einem kompressiblen Medium gefüllten Federspeicher angeschlossen sind.

Dieses bekannte Federungssystem ermöglicht bei Kraftfahr­ zeugen einerseits eine komfortable Abfederung reiner Hub­ bewegungen des Fahrzeugaufbaus. Andererseits kann Wankbe­ wegungen bzw. Nickbewegungen des Fahrzeugaufbaus verstärkt entgegengewirkt werden. Damit können gesonderte mechanische Stabilisatoren erübrigt werden.

Eine derartige Konstruktion ist nicht ohne weiteres auf rein pneumatische Federungssysteme übertragbar, weil die pneumatischen Drücke in pneumatischen Federungssystemen ganz erheblich niedriger als die hydraulischen Drücke in hydropneumatischen Systemen sind. Dies ist gleich­ bedeutend damit, daß die zur Federung benötigten volumen­ veränderlichen Pneumatikkammern pneumatischer Federungs­ systeme vergleichsweise groß sein müssen. Damit kann die aus der DE 40 04 204 A1 bekannte Konstruktion in der Praxis nicht bei pneumatischen Systemen eingesetzt werden.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, für ein nach dem eingangs angegebenen Prinzip arbeitendes Federungssystem eine neue Konstruktion zu schaffen, welche in besonderer Weise für pneumatischen Betrieb geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedes Federaggregat einer die gefederte Masse abstützenden Schwinge zugeordnet ist, an der die Druckkammern separat voneinander derart angeordnet sind, daß die Druck­ kräfte beider Druckkammern die Schwinge in einander entgegengesetzten Richtungen zu schwenken suchen.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die bei luftgefederten Achsen an Kraftfahrzeugen, insbesondere an Nutzfahrzeugen, regelmäßig vorgesehenen Schwingen zur Rad- bzw. Achsführung derart auszubilden, daß jeweils zwei pneumatische Druckkammern separat voneinander in der ange­ gebenen Weise angeordnet werden können. Damit wird in vertikaler Richtung nur der übliche, an Fahrzeugen regel­ mäßig vorhandene Raum benötigt. Lediglich in horizontaler Richtung wird ein gewisser zusätzlicher Unterbringungs­ raum erforderlich, der jedoch zumindest an Nutzfahrzeugen im Bereich der Achsen regelmäßig zur Verfügung steht.

Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion werden die an der ersten Druckkammer jedes Federaggregates wirksamen Be­ lastungen zu einem vorgegebenen Anteil zu einer zusätz­ lichen Belastung der ersten Druckkammer eines anderen Federaggregates herangezogen. Falls die beiden in dieser Weise gekoppelten Federaggregate in gleicher Weise - gleichgerichtet - belastet werden, bewirken die Drücke in den zweiten Druckkammern lediglich eine Verminderung der Federrate der Federaggregate, d. h. die Federaggregate arbeiten vergleichsweise weich, weil die mittels der ersten Druckkammern erzeugten Druckkräfte teilweise durch die Druckkräfte der zweiten Druckkammern kompensiert werden.

Wenn dagegen die Federaggregate ungleichförmig belastet werden, und insbesondere wenn die Federaggregate zueinander entgegengerichtete Federhübe ausführen - einerseits Ein­ federhub, andererseits Ausfederhub -, so tritt in der zweiten Druckkammer des in Einfederrichtung bewegten Federaggregates ein gegenüber dem Druck in der ersten Druckkammer dieses Aggregates stark verminderter Druck auf, während bei dem sich in Ausfederrichtung bewegenden Feder­ aggregat in der zweiten Druckkammer im Vergleich zum Druck in der ersten Druckkammer ein sehr hoher Druck vorliegt, der dieses Aggregat in Einfederrichtung zu drängen sucht.

Führt also die gefederte Masse eine Rotationsbewegung derart aus, daß zwei miteinander gekoppelte Federaggregate in entgegengesetzten Richtungen verstellt werden, so wirkt die Federung dieser Rotationsbewegung mit hoher Federrate entgegen. Führt dagegen die gefederte Masse eine rein translatorische Bewegung aus, bei der die miteinander gekoppelten Federaggregate gleichgerichtet und (angenähert) weggleich verstellt werden, so arbeiten die Federaggregate vergleichsweise weich.

Die Erfindung läßt sich sowohl bei pneumatischen als auch bei hydropneumatischen Federungssystemen verwirklichen.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche verwiesen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele erläutert, die auch in der Zeichnung dargestellt sind.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer Fahrzeugachse, in Fahrzeuglängsrichtung gesehen, mit Luftfederung,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform für eine luft­ gefederte Fahrzeugachse in Achsansicht, wobei lediglich ein Federaggregat dargestellt ist,

Fig. 3 eine Darstellung entsprechend der Fig. 2 einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 4 eine schaltplanartige Darstellung eines gefederten Fahrerhauses eines Lastkraftwagens mit erfindungs­ gemäß ausgebildeter Federung und

Fig. 5 eine zur Fig. 1 analoge Darstellung eines hydropneumatischen Federungs­ systemes.

Gemäß Fig. 1 ist die Achse 1 eines nicht näher dargestellten Fahrzeuges gegenüber dem Fahrzeugaufbau bzw. Chassis 2 mittels Luftfederaggregate 3 und 4 federnd abgestützt.

Jedes der Luftfederaggregate 3 und 4 besitzt eine erste durch Balg 5 und Kolben 6 gebildete Druckkammer 3′ bzw. 4′, welche jeweils so angeordnet und ausgebildet ist, daß das Volumen dieser ersten Druckkammer 3′ bzw. 4′ bei Einfederungshüben der Achse 1 vermindert wird.

Insofern sind die Luftfederaggregate 3 und 4 also herkömmlich aufgebaut und angeordnet.

Am Chassis 2 ist ein chassisfestes Wider­ lageraggregat 7 angeordnet, welches im wesentlichen durch eine unter der Achse 1 angeordnete Traverse 7′ gebildet wird. Die Luftfederaggregate 3 und 4 besitzen nun zwischen der Traverse 7′ und der Achse 1 angeordnete zweite Druckkammern 3′′ bzw. 4′′, welche wiederum jeweils durch Balg 8 und Kolben 9 gebildet werden.

Der wirksame Querschnitt der zweiten Druckkammern 3′′ und 4′′ ist geringer als der wirksame Querschnitt der ersten Druck­ kammern 3′ und 4′.

Die erste Druckkammer 3′ des Luftfederaggregates 3 ist über einen weitestgehend drosselfreien Kanal 10 mit der zweiten Druckkammer 4′′ des zweiten Luftfederaggregates 4 verbunden. In entsprechender Weise kommuniziert die erste Druckkammer 4′ des Luftfederaggregates 4 mit der zweiten Druckkammer 3′′ des Luftfederaggregates 3 über einen Kanal 11.

Die dargestellte Anordnung funktioniert wie folgt:
Die Gesamtabstützkraft jedes Federaggregates 3 bzw. 4 ergibt sich als Differenz der von seinen Druckkammern 3′ und 3′′ bzw. 4′ und 4′′ erzeugten Kräfte, da der Druck in der jeweiligen ersten Druckkammer 3′ bzw. 4′ die Achse 1 in Ausfederrichtung zu drängen sucht, während der Druck in der jeweiligen zweiten Druckkammer 3′′ bzw. 4′′ einen Einfederhub der Achse 1 zu bewirken sucht. Führt die Achse 1 eine rein translatorische Vertikalbewegung aus, so ist die Federrate proportional zu

(A′ - A′′)²/(V′ + V′′),

hierbei ist K eine durch die Bemessung der Aggregate 3 und 4 vorgegebene Konstante; A′ und A′′ sind die wirk­ samen Querschnitte der ersten bzw. zweiten Druckkammern 3′ und 4′ bzw. 3′′ und 4′′; V′ und V′′ sind die Volumina der ersten bzw. zweiten Druckkammern 3′ und 4′ bzw. 3′′ und 4′′. Insgesamt ergibt sich eine relativ weiche Federcharakteristik, da nur die Differenz der Quer­ schnitte der ersten und zweiten Druckkammer 3′, 4′ und 3′′, 4′′ abstützwirksam wird. Führt dagegen die Achse 1 relativ zum Chassis 2 eine rein rotatorische Bewegung gegenüber einer quer zur Achse 1 durch die Achsmitte in Fahrzeuglängsrichtung verlaufenden virtuellen Schwenk­ achse Q aus, so ist die Federrate proportional zu

(A′ + A′′)²/(V′ + V′′).

Gegenüber solchen ratatorischen Bewegungen wirken also die Federaggregate 3 und 4 mit einer sehr hohen Steifig­ keit. Wenn nämlich bei einer solchen rotatorischen Bewegung beispielsweise das Federaggregat 3 in Einfeder­ richtung und das Federaggregat 4 in Ausfederrichtung verstellt werden, so haben die Druckkammern 3′ und 4′′ einen hohen Druck, während die Druckkammern 3′′ und 4′ geringen Druck aufweisen. Im Ergebnis wird also der gesamte wirksame Querschnitt aller Druckkammern zur Erzeugung eines der vorgenannten rotatorischen Bewegung der Achse entgegengesetzten Drehmomentes wirksam.

Durch Bemessung des Verhältnisses der Querschnitte zwischen den ersten und zweiten Druckkammern 3′, 4′ und 3′′, 4′′ kann dabei das Verhältnis der Federraten für trans­ latorische und rotatorische Bewegungen weitestgehend beliebig eingestellt werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung mit dem Widerlager­ aggregat 7 bzw. der Traverse 7′ kann aus räumlichen Gründen nicht bei allen Fahrzeugen verwirklicht werden.

Jedoch kann die Achse 1 in der Regel - ähnlich wie bei herkömmlichen luftgefederten Fahrzeugen - an ihren rad­ seitigen Enden jeweils gemäß Fig. 2 mittels einer Längs­ schwinge 12 gehaltert und geführt werden, welche an einem chassisseitigen Schwenklager 13 gehaltert ist.

Gemäß Fig. 2 bildet die Längsschwinge 12 einen bezüglich des Schwenklagers 13 doppelarmigen Hebel, wobei zwischen dem die Achse 1 halternden Hebelarm und dem Chassis 2 die erste Druckkammer 3′ des Federaggregates 3 angeordnet ist, während die zweite Druckkammer 3′′ zwischen dem anderen Hebelarm und dem Chassis 2 wirksam ist. In entsprechender Weise ist auf der anderen Fahrzeugseite das in Fig. 2 nicht dargestellte Federaggregat 4 angeordnet.

Bei einem Einfederhub der Achse 1 wird also das Volumen der Druckkammer 3′ vermindert, während sich das Volumen der Druckkammer 3′′ vergrößert. Bei einem Ausfederhub der Achse 1 verändern sich die beiden Volumina in jeweils entgegenge­ setzter Richtung. Wenn nunmehr in zur Fig. 1 analoger Weise die Druckkammern 3′ und 4′′ sowie 3′′ und 4′ miteinander im wesentlichen drosselfrei verbunden sind, so ergibt sich das zuvor anhand der Fig. 1 erläuterte Betriebsverhalten.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 können gegebenenfalls auch die wirksamen Längen der den Druckkammern 3′ und 3′′ zugeordneten Hebelarme der Längsschwinge 12 unterschied­ lich bemessen sein. Wenn beispielsweise der der Druckkammer 3′′ zugeordnete Hebelarm kürzer ist als der der Druckkammer 3′ zugeordnete Hebelarm, können beide Druckkammern 3′ und 3′′ auch gleich große Querschnitte aufweisen, da durch die unterschiedlichen Hebellängen eine Kraftübersetzung ein­ tritt und die von den Druckkammern 3′ und 3′′ erzeugten Kräfte entsprechend unterschiedliche Drehmomente auf die Längsschwinge 12 ausüben. Somit erhalten die Druckkammer 3′ und 3′′ entsprechend unterschiedliche effektive Wirkungen.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung bildet die Längs­ schwinge 12 einen einarmigen Hebel.

Abweichend von der in Fig. 3 dargestellten Anordnung können die Druckkammern 3′ und 3′′ auch in Fahrzeugquer­ richtung nebeneinander - statt wie dargestellt in Fahrzeug­ längsrichtung hintereinander - angeordnet sein.

Das in Fig. 4 nur schematisch in Draufsicht dargestellte Fahrerhaus 14 ist gegenüber dem nicht näher dargestellten Chassis 2 mittels insgesamt vier Luftfederaggregate 3, 4, 15 und 16 abgestützt. Um die Möglichkeit zu bieten, das Fahrer­ haus 14 sowohl gegenüber Wankbewegungen (Drehung um eine Längsachse) als auch bei Nickbewegungen (Drehung um eine Querachse) gegenüber dem Chassis 2 mit hoher Federrate zu stabilisieren, sind die ersten Druckkammern 3′, 4′, 15′ und 16′ der im Geviert angeordneten Luftfederaggregate 3, 4, 15 und 16 jeweils mit der zweiten Druckkammer 3′′, 4′′, 15′′ bzw. 16′′ des diagonal gegenüberliegenden Federaggre­ gates verbunden. Beispielsweise kommuniziert also die Druck­ kammer 3′ mit der Druckkammer 16′′.

Die Erfindung ist nicht auf pneumatische Federungssysteme beschränkt. Vielmehr können hydropneumatische Federungs­ systeme in analoger Weise aufgebaut sein, wie anhand der Fig. 5 erläutert wird. Dort ist die Achse 1 gegenüber einem Chassis 2 eines Fahrzeuges jeweils mittels doppelt­ wirkender hydraulischer Kolben-Zylinder-Aggregate 17 und 18 abgestützt, die jeweils eine oberhalb des Kolbens im Zylinder verbleibende erste hydraulische Druckkammer 17′ bzw. 18′ mit großem wirksamen Kolbenquerschnitt sowie eine unterhalb des Kolbens im Zylinder verbleibende zweite Druckkammer 17′′ bzw. 18′′ mit durch die hier angebrachte Kolbenstange vermindertem wirksamen Querschnitt aufweisen. Die ersten Druckkammern 17′ und 18′ kommunizieren jeweils mit pneumatischen Federspeichern 19 bzw. 20. Im übrigen ist jede der ersten Druckkammern 17′ und 18′ über im wesentlichen drosselfreie Leitungen 21 und 22 mit der zweiten Druckkammer 18′′ bzw. 17′′ des jeweils anderen Kolben-Zylinder-Aggregates 18 bzw. 17 verbunden. Insgesamt ergibt sich damit das anhand der Fig. 1 erläuterte Betriebs­ verhalten.

Abweichend von der Darstellung der Fig. 5 können anstelle der pneumatischen Federspeicher 19 und 20 grundsätzlich beliebige, beispielsweise auch mechanische Federspeicher angeordnet sein.

Claims (6)

1. Fluidisches Federungssystem mit mindestens zwei vonein­ ander entfernten, fluidisch verbindbaren Federaggregaten zur Abstützung einer gefederten Masse, wobei jedes Feder­ aggregat eine erste Druckkammer mit größerem wirksamen Querschnitt bzw. größerer effektiver Wirkung und eine zweite Druckkammer mit kleinerem wirksamen Querschnitt bzw. kleinerer effektiver Wirkung aufweist und sich bei Federhüben jedes Federaggregates das Volumen der ersten Druckkammer in der einen Richtung und das Volumen der anderen Druckkammer in entgegengesetzter Richtung ändert, und daß die erste Druckkammer jedes Federaggregates mit der zweiten Druckkammer eines der anderen Federaggregate verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Federaggregat einer die gefederte Masse abstützenden Schwinge (12) zugeordnet ist, an der die Druckkammern (3′, 3′′) separat voneinander derart ange­ ordnet sind, daß die Druckkräfte beider Druckkammern die Schwinge (12) in einander entgegengesetzten Rich­ tungen zu schwenken suchen.

2. Federungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinge (12) als doppelarmiger Hebel ausge­ bildet ist, wobei die jeweils erste Druckkammer (3′) zwischen der gefederten Masse und dem einen Hebelarm und die zweite Druckkammer (3′′) zwischen der gefederten Masse und dem anderen Hebelarm wirksam ist.

3. Federungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Federaggregat einer Schwinge (12) zuge­ ordnet ist, welche als einarmiger Hebel ausgebildet ist, wobei die erste Druckkammer zwischen der Schwinge (12) und der gefederten Masse auf der in Schwenkrichtung der Schwinge (12) einen Seite derselben und die zweite Druck­ kammer zwischen einem mit der gefederten Masse fest verbundenen Widerlager und der anderen Seite der Schwinge (12) wirksam ist.

4. Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Druckkammer eines Federaggregates an der Schwinge (12) mit unterschiedlich langem Hebelarm angreifen, derart, daß ein vorgegebenes Verhältnis der effektiven Wirkungen durch Kraftübersetzung eintritt.

5. Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt vier Federaggregate in Form eines Gevierts angeordnet sind, und daß die erste Druckkammer jedes Federaggregates jeweils min der zweiten Druckkammer des diagonal gegenüberliegenden Federaggregates ver­ bunden ist.

6. Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß pneumatische Federaggregate vorgesehen sind.