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Hydropneumatische Abfederung für Fahrzeuge od. dgl. Die Erfindung
bezieht sich auf eine hydropneumatische Abfederung für Fahrzeuge od. dgl., die aus
einem Arbeitszylinder und einem darin verschiebbaren Kolben besteht, der über im
Zylinder befindliche Arbeitsflüssigkeit unter der Wirkung eines ebenfalls im Arbeitszylinder
eingeschlossenen, die Fahrzeuglast tragenden Druckgases steht, wobei der Arbeitszylinder
mit einer Einlaß- und einer durch den Kolben gesteuerten Auslaßöffnung für die Arbeitsflüssigkeit
versehen ist, um auf diese Weise durch Zu- oder Ableiten von Arbeitsflüssigkeit
den Kolben in einer mittleren, von der Fahrzeuglast uniabhängigen Arbeitslage zu
halten.
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Bei den bekannten hydropneumatischen Abfederungen obiger Art steuert
der Arbeitskolben lediglich die Auslaßöffnung für die Arbeitsflüssigkeit. Demzufolge
muß im normalen Betriebszustand der Abfederung ein ständiger Flüssigkeitsumlauf
im Arbeitszylinder sowie in der Zu- und Abflußleitung aufrechterhalten werden. Hierzu
dient eine zwischen die F lüssigkeitsab- und -zuleitung geschaltete Förderpumpe.
Nachteilig ist dabei ferner, daß der Arbeitskolben ausschließlich zum Übertragen
der Fahrzeuglast dient, da bei der vorbekannten Abfederung eine Dämpfungswirkung
allein durch Drosseln des Flüssigkeitsumlaufes in dem vorerwähnten Leitungssystem
hervorgerufen wird. Darüber hinaus kann bei der bekannten Abfederung auch keine
proportionale bzw. gleichmäßige Dämpfungswirkung auftreten, da beim Überfahren der
Flüssigkeitsauslaßöffnung durch den Kolben eine sprunghafte Änderung der Dämpfungscharakteristik
auftritt.
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Die hydropneumatische Abfederung nach der Erfindung weist die obigen
Mängel nicht auf. Ausgehend von der eingangs erwähnten hydropneumatischen Abfederung
besteht die Erfindung darin, daß der Kolben als beidseitig von Arbeitsflüssigkeit
umgebener und mit Drosselöffnungen versehener Dämpfungskolben ausgebildet ist, der
in seiner mittleren Arbeitsstellung sowohl die Einlaß- als auch die Auslaßöffnung
für die Arbeitsflüssigkeit abdeckt, wobei die Auslaßöffnung dem Druckgasraum des
Arbeitszylinders zugewandt und die Einlaßöffnung ihm abgewandt angeordnet ist. Auf
diese Weise kommt man zu einer hydropneumatischen Abfederung, bei der der im Arbeitszylinder
befindliche, unter der Wirkung des eingeschlossenen Druckgases stehende Kolben nicht
allein nur zum Übertragen der Fahrzeuglast, sondern zugleich auch als Dämpfungselement
dient und darüber hinaus in seiner mittleren Arbeitstellung sicherer gehalten wird
als im Falle der vorbekannten Einrichtung. Da der Kolben nicht allein nur die Auslaßöffnung,
sondern zugleich auch die Einlaßöffnung steuert, werden in der mittleren, also normalen
Arbeitsstellung des Kolbens beide Öffnungen abgedeckt, so daß ein ständiger Flüssigkeitsumlauf
nicht aufrechterhalten zu werden braucht. Schließlich besitzt die hydropneumatische
Abfederung nach der Erfindung auch eine wesentlich gleichmäßigere Dämpfungscharakteristik,
da bei ihr der Kolben selber zusammen mit der ihn beidseitig umgebenden Arbeitsflüssigkeit
die Dämpfung bewirkt, während das Flüssigkeitszu- und -ableitungssystem davon unbeeinflußt
wird.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Kolben an seinem
Umfang vorzugsweise glatt ausgebildet derart, daß in an sich bekannter Weise eine
kontinuierliche, wenn auch geringfügige Strömung der Flüssigkeit entsteht, die vom
Spiel des Kolbens im Arbeitszylinder, von der Größe der Ein- und Auslaßöffnung so.,vie
von der Viskosität der Arbeitsflüssigkeit abhängt, wobei der Kolben dann notwendigerweise
eine Ausgleichstellung einnimmt, in der er beide Öffnungen abdeckt.
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Schließlich ist es von Vorteil, wenn die Ein- und Auslaßöffnungen
für die Arbeitsflüssigkeit in Düsenkörpern vorgesehen sind, die in im Arbeitszylinder
befindlichen, mit der Zu- bzw. Ableitung für die Arbeitsflüssigkeit in Verbindung
stehenden, radial verlaufenden Bohrungen derart beweglich gelagert sind, daß sie
entweder durch den Flüssigkeitsdruck oder durch eine Feder gegen die Wand des Kolbens
gedrückt werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Dabei zeigt Fig.1 eine schematische Gesamtansicht der Vorrichtung
in axialem Längschnitt und Fig. 2 eine Ansicht der Eintrittsöffnung im Zylinder
für die Flüssigkeit in vergrößertem Maßstabe.
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Die Abfederung besteht aus einem Zylinder 1, dessen oberer Teil das
Druckgaspolster 2 bildet, welches durch eine Zwischenwand 3 abgegrenzt ist, die
sich frei im Zylinder verschieben läßt, wobei eine geeignete Dichtung, wie beispielsweise
der Ring 4, aus Gummi od. dgl. vorgesehen ist, um die Verbindung zwischen Gas und
Flüssigkeit zu verhindern.
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Der Oberteil des Zylinders trägt eine Befestigungsvorrichtung, wie
beispielsweise den Ring 23, zum Zwecke der Befestigung an einer geeigneten Stelle
des Fahrzeuggestells sowie gegebenenfalls ein Ventil 5 zum Einfüllen des Gases.
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Ein Anschlag 6 ist vorgesehen, um einerseits den Hub der Wand 3 und
andererseits den Hub des Kolbens zu begrenzen.
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Im Zylinder ist ein am äußersten Ende einer zylindrischen Stange 8
befestigter Kolben 7 verschiebbar, welcher eine Dichtung durchquert und an der Radachse
oder an einem fest mit dieser verbundenen Teil angreift. Die Querschnittsfläche
S der Stange 8 sowie der zu wählende Druck P in der Kammer 2 errechnen sich bekanntlich
in Abhängigkeit von der Belastung F aus folgender Gleichung F=P₧S. Die Zylinderwände
weisen außerdem zwei Öffnungen 10 und 11 auf, von denen die Öffnung 10 für den Eintritt
der Flüssigkeit unter Druck dient, während die andere Öffnung 11 für den Austritt
der Flüssigkeit bestimmt ist. Die Zufuhr der Flüssigkeit unter Druck erfolgt mittels
der Leitung 9 beispielsweise von einem Hochdruckbehälter aus, dem die Flüssigkeit
durch eine vom Fahrzeugmotor angetriebene Pumpe zugeführt wird. Zur Vereinfachung
der Zeichnung sind Behälter und Pumpe nicht dargestellt.
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In dem Falle, wo eine Dichtung nicht vorhanden ist, wird das Spiel
zwischen Kolben 7 und Zylinder 1 so gering wie möglich gewählt, beispielsweise etwa
0,10 mm; auch die Öffnungen 10 und 11 sind sehr klein und haben beispielsweise etwa
0,5 mm Durchmesser, um die dem System unter Druck zuzuführende Ölmenge so stark
wie möglich zu beschränken. Aus demselben Grunde soll das verwendete Öl eine beträchtliche
Viskosität besitzen, beispielsweise etwa 1 Poise bei 15° C.
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Andererseits kann man bei einer normalen Belastung von 300 kg eine
Kolbenstange von 15 cm2 Querschnittsfläche wählen und einen Druck von 20 kg/cm2
in der Kammer 2 anwenden, der 30 kg/cm2 erreichen wird, sobald die Belastung auf
450 kg steigt. Unter diesen Umständen kann der Flüssigkeitsdruck in der mit 10 bezeichneten
Eintrittsöffnung etwa 40 kg/cm2 betragen.
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Die Austrittsöffnung 11 mündet in einen Behälter, aus welchem die
Förderpumpe die Flüssigkeit in den Druckbehälter zurückführt. Die Flüssigkeit führt
also einen geschlossenen Kreislauf aus.
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Die beiden Öffnungen 10 und 11 haben voneinander einen Abstand d,
der geringer ist als die Kolbenhöhe h, so daß der überstehende Kolbenrand bei Mittelstellung
des Kolbens beträgt. Aus Gründen der Flüssigkeitseinsparung ist es vorteilhaft,
diesen Rand nicht zu klein zu halten. Für einen Kolben von einer Höhe von 110 mm
wird man ihn mit etwa 15 mm oder mehr bemessen.
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Wird der Kolben glatt ausgebildet, so kann die Dichtung am Ausgang
der Öffnung 10 in der Weise ausgebildet werden, daß die Öffnung mit einer Düse gemäß
Fig. 2 versehen wird. Diese Düse besteht aus einem zylindrischen Stück 13 mit der
Bohrung 10, welches im Sitz 14 gleiten kann. Dieses Stück 13 ist an dem dem Zylinder
1 zugewendeten Ende 15 konisch ausgebildet oder abgerundet, wobei es die Oberfläche
des Kolbens 7 berührt, während es in der Zylinderwand durch den Vorsprung 16 in
der Zylinderwand abgestützt ist. Der hohe Druck der zugeführten Flüssigkeit sorgt
für eine innige Berührung des abgerundeten Teiles 15 mit dem Kolben 7. Eine gleicherweise
ausgebildete Vorrichtung kann an der Austrittsöffnung 11 angeordnet werden.
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Quer durch den Kolben 7 hindurch verlaufen Bohrungen 17, um den Durchgang
der Flüssigkeit von der einen Seite des Zylinders zur anderen zu ermöglichen.
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Man kann auch dem Kolben an seinem oberen und unteren Rand je eine
Abrundung 18 geben, um die innige Berührung des Kolbens mit der Fläche 15 der Düsen
zu verbessern.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: Wenn sich das Fahrzeuggestell
beispielsweise unter der Wirkung einer Überlastung oder der Zentrifugalwirkung in
einer Kurve gegenüber der Radachse eindrückt, so drückt sich auch der Kolben 7 im
Zylinder 1 ein, bis er die Öffnung 10 freigibt. Die Flüssigkeit strömt alsdann unter
hohem Druck durch diese Öffnung unterhalb des Kolbens hindurch in den Zylinder ein,
und der Druck steigt auf beiden Seiten des Kolbens, die durch die Bohrungen 17 miteinander
in Verbindung stehen, wodurch das gasförmige Medium verdichtet wird, während die
Druckerhöhung den Kolben in seine Ursprungstellung zurückführt, wodurch wieder ein
Ausgleich geschaffen wird. Wenn dagegen das Fahrzeuggestell sich von der Radachse
entfernt, so bewegt sich der Kolben in umgekehrter Richtung, gibt die Öffnung 11
frei und ruft die umgekehrte Wirkung hervor. Die Flüssigkeit fließt dabei durch
die Öffnung 12 hindurch in einen Behälter, welchem es durch die Förderpumpe entnommen
wird.
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In der Ausgleichstellung des Kolbens sind Eintritts-und Austrittsöffnung
gleichzeitig verdeckt. Im Falle eines Zusammendrückens des Fahrgestells ist die
Zutrittsöffnung frei und die Austrittsöffnung verdeckt. Dehnt sich dagegen das Fahrgestell
aus, so ist die Austrittsöffnung frei und die Zutrittsöffnung verdeckt. Mindestens
eine der beiden Öffnungen ist also immer verdeckt, einerlei, welche Stellung der
Kolben einnimmt.
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Der Kolben kann dadurch ergänzt werden, daß die Verbindungskanäle
17 mit Ventilen od. dgl. ausgestattet und weitere Kanäle vorgesehen werden, um dadurch
besondere Stoßdämpfwirkungen zu erzielen. Auf diese Weise vereint die Vorrichtung
gleichzeitig die pneumatische Federwirkung durch die Kammer 2, die Korrekturwirkung
bei Belastungsänderungen und die hydraulische Dämpfungswirkung.
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Die Art der Ausbildung der Gaskammer 2, die nur ein Ausführungsbeispiel
darstellt, könnte auch durch jede andere gleichwirkende Bauart ersetzt werden. So
könnte sie durch einen gegebenenfalls zylindrischen, starren Behälter mit einem
vom Arbeitszylinderdurchmesser verschiedenen Durchmesser gebildet werden, wobei
die Trennung der beiden Medien nicht nur durch einen dichten Kolben, sondern auch
durch eine
Membran oder eine nachgiebige Tasche erfolgen könnte.
Diese ganze Kammer könnte auch vom Arbeitszylinder losgelöst und an irgendeiner
günstigen Stelle des Fahrzeuges untergebracht werden, vorausgesetzt, daß sie dann
durch eine Ölleitung mit der Arbeitskammer verbunden wird.
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Die Erfindung schließt gleichzeitig Abänderungen ein, wonach die Zufuhr
nicht durch die Zylinderwand, sondern durch das Kolbeninnere oder durch ein zylindrisches
Mittelstück erfolgt, welches am Zylinder befestigt ist und im Innern des Kolbens
gleitet.