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Luftfederanordnung mit integriertem Steuerventil

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luftfederanordnung mit mindestens einem

integrierten Steuerventil zur Beaufschlagung einer zwischen einem Außenrohr, einem

Abrollrohr und einem dazwischen angeordneten Luftfederbalg gebildeten Druckkammer, wobei das Steuerventil zur Niveaueinstellung mit mehreren Schaltpositionen über ebenfalls integrierte mechanische Betätigungsmittel in Abhängigkeit des Luftfederhubs ansteuerbar ist.

Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die Fahrzeugtechnik. Im Bereich des Fahrwerks von Nutzfahrzeugen kommen beispielsweise Schwingungsdämpfer zum Einsatz, die ein meist hydraulisches Dämpfungselement und eine hiermit

zusammenwirkende Luftfederanordnung umfassen. Im Sinne einer integrierten Bauweise weist das Dämpfungselement üblicherweise ein Behälterrohr auf, welches mit einem

Abrollrohr der Luftfeder verbunden ist, wobei das Abrollrohr über einen als Rollbalg wirkenden Luftfederbalg mit einem konzentrisch und relativ zum Abrollrohr axial beweglich angeordneten Außenrohr verbunden ist. Der Luftfederbalg, das Abrollrohr sowie das

Außenrohr begrenzen eine unter Luftdruck zur Federung stehende Druckkammer.

Mit derartigen Schwingungsdämpfern ist beispielsweise die Aufhängung eines Fahrerhauses auf einem Fahrwerk eines Nutzfahrzeuges ausgestattet, um die von der Straße über die Radaufhängung in das Fahrwerk eingeleiteten Schwingungen vom Fahrerhaus weitgehend fern zu halten.

LK: Aus der DE 44 09 252 geht eine Luftfederanordnung für ein Nutzfahrzeug hervor, bei der innenliegend ein Steuerventil zum Zu- und Abführen von Druckluft angeordnet ist, welches über ebenfalls innerhalb angeordnete mechanische Betätigungsmittel je nach Höhenniveau ansteuerbar ist. Gewöhnlich wird der Druckkammer der Luftfederanordnung Druckluft zugeführt, wenn die Luftfeder auf Mindesthöhenniveau abfällt, um die

Federungseigenschaften wieder herzustellen. Eine Entlüftung der Druckkammer erfolgt dagegen, wenn das Höhenniveau der Luftfederanordnung reduziert werden soll.

Zu diesem Zweck besteht das Steuerventil bei diesem Stand der Technik aus zwei

Einzelventilen, von denen eines am Außenrohr und eines am relativ zum Außenrohr beweglichen Abrollrohr angeordnet ist. Die Betätigungsmittel bestehen aus einer halbstarren Regelstange, über welche die beiden Einzelventile derart wechselseitig betätigt werden, dass das eine Einzelventil geschlossen ist, wenn das andere Einzelventil öffnet. Allerdings erscheinen die Betätigungsmittel wegen der recht großen Längserstreckung sowie der recht vielen einzelnen Bauteile recht aufwendig.

Aus der DE 102 00 553 Cl geht eine andere Luftfederanordnung hervor, bei welcher auf ein einziges Steuerventil zurückgegriffen wird, das neben einem Be- und Entlüften der innenliegenden Druckkammer auch eine mittlere Abschlussstellung realisiert. Das

Steuerventil wird über ebenfalls integrierte Betätigungsmittel angesteuert, welche an einem der beiden relativ zueinander beweglichen Luftfederbaugruppen Außenrohr und Abrollrohr angreifen. Die Betätigungsmittel weisen hier eine Baulänge auf, die kürzer ist als die

Hublänge der Luftfederanordnung. Ein Steuerelement ist von einer Feder gegen eine der zueinander beweglichen Luftfederbaugruppen vorgespannt, wobei das Steuerelement relativ zu den Luftfederbaugruppen schwimmend gelagert ist. Eine zweite Feder, deren Kraftrichtung gegen die erste Feder wirksam ist, bestimmt insoweit die Stellung des Steuerelementes mit. Auch in diesem Fall besitzen die Betätigungsmittel des Steuerventils zur Niveauregulierung einen recht langen Arbeitsbereich.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Luftfederanordnung zu schaffen, deren Steuerventil sich mit robusten und kompaktbauenden mechanischen Betätigungsmittel präzise aktivieren lässt.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer Luftfederanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die

nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die mechanischen Betätigungsmittel des mindestens einen Steuerventils eine seitens des Außenrohres oder Abrollrohres stirnseitig befestigte Druckfeder umfassen, welche vorzugsweise einen zentralen hydraulischen

Dämpfungskörper koaxial umgibt, wobei das Ende dieser Druckfeder mit einem

Betätigungsstößels eines axial gegenüberliegend am Abrollrohr bzw. Außenrohr

angeordneten Steuerventil zusammenwirkt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass der durch die innere Druckkammer der Luftfederanordnung zur Verfügung stehende Bauraum genutzt wird, um die mechanischen Betätigungsmittel hierin unterzubringen. Das erfindungsgemäße Steuerventil muss im Vergleich zum Arbeitsbereich nur in einem kurzen Bereich betätigt werden. Ansonsten ist das Steuerventil geschlossen oder geöffnet für die Be- bzw. Entlüftung. Mit anderen Worten konzentriert sich die erfindungsgemäße Lösung darauf, eine Druckfeder am Außenrohr oder am Abrollrohr zu fixieren und im gegenüberliegenden Bauteil, also dem Abrollrohr bzw. Außenrohr, das Steuerventil anzuordnen. Vorzugsweise sollte das Steuerventil als ein 3/3-Wegenventil ausgebildet sein und über die Schaltpositionen Entlüftung, Abschlussstellung sowie Belüftung verfügen, um die

Druckluftbeaufschlagung innerhalb der Druckkammer der Luftfederanordnung präzise zu regulieren. Durch ein 3/3-Wegeventil können diese Schaltfunktionen kompaktbauend ausgeführt werden.

Das Steuerventil nimmt vorzugsweise dann die Schaltposition Entlüftung ein, wenn die Druckfeder in der ausgefahrenen Stellung des Luftfederhubs den Betätigungsstößel des Steuerventils nicht berührt. Dagegen nimmt das Steuerventil vorzugsweise dann die

Schaltposition Belüftung ein, wenn die Druckfeder in der eingefahrenen Stellung des Luftfederhubs den Betätigungsstößel des Schaltventils vollständig eingedrückt hat. Hierdurch können besonders präzise Umschaltungen realisiert werden. Die Positionen zwischen den beiden vorgenannten Schaltstellungen wird dann der abgeschlossenen Schaltposition zugeordnet, bei welcher weder eine Be- noch Entlüftung stattfindet. Zusätzlich können noch Durchgangsdrosselungen für eine gewünschte Durchflusscharakteristik beim Be- und/oder Entlüften realisiert werden.

Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die

Druckfeder durch Vorspannmittel in einem vorgespannten Zustand gehalten wird. Dabei sollte die Vorspannung so stark bemessen sein, dass die Druckfeder eine Betätigung des Steuerventils mit der Berührung des Betätigungsstößels auslöst, um einen noch präzisen Schaltvorgang zu realisieren. Der mit der Vorspannung erzielte Vorteil besteht darin, dass die Länge sowie die Kraftcharakteristik der Druckfeder hierdurch nicht mehr die Genauigkeit der Nullpunktposition der Betätigungsmittel des Steuerventils beeinträchtigen kann. Insbesondere Fertigungstoleranzen bei der Druckfeder können hierdurch kompensiert werden. Die

Vorspannmittel sind so konstruiert, dass die Ausfederung der Druckfeder zwar limitiert ist, aber die Einfederung dennoch möglich ist. Die Druckfeder sollte soweit vorgespannt werden, dass der Betätigungsstößel gleich nach der Berührung bewegt wird und die Vorspannmittel erst dann eingeschoben werden, wenn das Steuerventil in die andere Schaltstellung voll umgeschaltet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sollten die Vorspannmittel aus einem koaxial am Außenrohr bzw. Abrollrohr angeformten Rohroberteil mit teleskopartig relativ hierzu bewegbarem Rohrunterteil bestehen, auf welches sich die Druckfeder endseitig abstützt.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung kann das

Steuerventil anstelle des 3/3-Wegeventils auch aus zwei getrennten 2/2-Wegeventilen bestehen. Hierbei sollte über das eine 2/2-Wegeventil die Belüftung und über das andere 2/2- Wegeventil die Entlüftung der Druckkammer erfolgen. Dabei können die beiden 2/2- Wegeventile mit einem Höhenunterschied t zueinander in Axialrichtung gesehen innerhalb der Luftfederanordnung angeordnet werden, um einen Totweg zwischen der Schaltstellung Belüftung und Entlüftung zu realisieren, so dass die definierte Schaltstellung des Steuerventils sichergestellt sind.

Gemäß einer die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Betätigungsstößel des 2/2-Wegeventils der Belüftung oder/und der Entlüftung mindestens einen vorzugsweise als Ausnehmung gestalteten Strömungskanal aufweist, welcher eine Drosselstelle für die Beaufschlagung der Druckkammer bildet, um durch diese einfache fertigungstechnische Maßnahme eine gewünschte Durchflusscharakteristik einzustellen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, derartige Strömungskanäle in einem Ventilteller oder im Ventilgehäuse auszubilden.

Gemäß einer anderen die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Betätigungsstößel des 2/2-Wegeventils der Entlüftung aus einem verschiebbaren Druckstück mit Ausgleichsfeder gebildet ist, da die mit der vorgespannten Druckfeder

zusammenwirkenden Vorspannmittel nur dann nachlassen, wenn das Entlüftungsventil voll gesperrt ist. Hierdurch wird eine Beschädigung der Betätigungsmittel des Steuerventils vermieden.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der mechanischen Betätigungsmittel wird vorgeschlagen, dass hier als 3/3-Wegeventil ausgebildete Steuerventil nicht drückend sondern mit einer Zugvorrichtung zu betätigen. Die Zugvorrichtung weist ein die Druckfeder umgebendes Gehäuse mit einer Stufenbohrung auf, in welchem eine Zugstange stirnseitig herausragend angeordnet ist, welche mit der innenliegenden Druckkammer zusammenwirkt. Die Zugstange kann bei einer solchen Zugvorrichtung praktisch ohne Widerstand in das Gehäuse eingedrückt werden und dann soweit herausgezogen werden, bis das innenliegend tellerförmige Ende der Zugstange stirnseitig auf die Druckfeder aufschlägt. Im weiteren Verlauf wirkt die Federkraft der vorzugsweise vorgespannten Druckfeder. Die Vorspannung kann dabei so groß sein, dass die Zugvorrichtung das Steuerventil ohne weitere Ausfederung umschalten kann. Wenn das Steuerventil umgeschaltet ist, wird die Zugvorrichtung durch die Deformation der vorgespannten Druckfeder nachlassen.

Weitere, die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Luftfederanordnung mit mechanischen

Betätigungsmitteln in einer ersten Ausführungsform,

Figur 2 einen Längsschnitt durch eine Luftfederanordnung mit mechanischen

Betätigungsmitteln in einer zweiten Ausführungsform,

Figur 3 einen Längsschnitt durch eine Luftfederanordnung mit mechanischen

Betätigungsmitteln in einer dritten Ausführungsform, Figur 4 einen Detailschnitt im Bereich des Steuerventils zur Belüftung aus Figur 3,

Figur 5 einen Detailschnitt im Bereich des Steuerventils zur Entlüftung aus Figur 3, und

Figur 6 einen Längsschnitt durch alternative Betätigungsmittel für ein Steuerventil.

Die Luftfederanordnung nach Figur 1 besteht im Wesentlichen aus einem Außenrohr 1 mit einer oberen Befestigungsöse 2, welchem ein Abrollrohr 3 mit zugeordneter unterer

Befestigungsöse 4 gegenüberliegt. Die Befestigtungsöse 4 ist hier Bestandteil eines hydraulischen Stoßdämpfers 5, welcher koaxial von dem Außenrohr 1 und dem Abrollrohr 3 umgeben ist. Zwischen dem Außenrohr 1 und dem Abrollrohr 3 verläuft ein Luftfederbalg aus einem Elastomermaterial, der sich an der Außenoberfläche des Abrollrohres 3 je nach Luftfederhub abrollt. Von dem Außenrohr 1, dem Abrollrohr 3 sowie dem Luftfederbalg 6 wird eine Druckkammer 7 gebildet, die mit Druckluft beaufschlagt die Luftfederfunktion der Luftfederanordnung erfüllt. Zur Druckbeaufschlagung der Druckkammer 7 ist ein

innenliegendes Steuerventil 8 vorgesehen, welches hier als 3/3-Wegeventil ausgebildet ist und über die Schaltpositionen Entlüftung, Abschluss sowie Belüftung verfügt.

Das integrierte Steuerventil 8 wird in Abhängigkeit des Luftfederhubs von ebenfalls integrierten mechanischen Betätigungsmitteln aktiviert, welche aus einem dem Steuerventil 8 zugeordneten Betätigungsstößel 9 sowie einem gegenüberliegend seitens des Außenrohres 3 fixierten Druckfeder 10 bestehen.

Bei dieser Anordnung nimmt das Steuerventil 8 die hier ersichtliche Schaltposition Entlüftung dann einnimmt, wenn die Druckfeder 10 in ihrer ausgefahrenen entspannten Stellung den Betätigungsstößel 9 des Steuerventils 8 gerade nicht berührt. Zur Gewährleistung eines sicheren mechanischen Kontakts zwischen dem distalen Ende der Druckfeder 10 und des Betätigungsstößels 9 ist zwischen beiden Bauteilen eine Kontaktscheibe 11 vorgesehen, die seitens der Druckfeder 10 befestigt ist.

Das Steuerventil 8 gelangt in die Schaltposition Belüftung, wenn die Druckfeder 10 in der eingefahrenen Stellung entlang des Luftfederhubs den Betätigungsstößel 9 des Steuerventils 8 vollständig eingedrückt hat. Das Steuerventil 8 nimmt in dem Hubbereich s zwischen der ausgefahrenen und der eingefahrenen Stellung des Luftfederhubs die abgeschlossene

Schaltposition ein, welcher der Mittelposition des Steuerventils 8 entspricht.

Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform einer Luftfederanordnung sind

Vorspannmittel für die auf den Betätigungsstößel 9 einwirkenden Druckfeder 10 vorgesehen. Die Vorspannmittel bestehen aus einem koaxial am Außenrohr 1 angeformten Rohroberteil 12, welches gemeinsam mit einem Rohrunterteil 13 eine Teleskopanordnung bildet. Am distalen Ende des Rohrunterteils 13 ist ein nach radial innen ausgerichteter Absatz zur endseitigen Abstützung der innenliegend angeordneten Druckfeder 10 vorgesehen. Die durch diese Vorspannmittel bewirkte Vorspannung ist so stark bemessen, dass die Druckfeder 10 eine Betätigung des Steuerventils 8 mit der Berührung des Betätigungsstößels 9 auslöst. Insoweit können fertigungsbedingte Toleranzen von Federparametern kompensiert werden.

Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform der Luftfederanordnung wird anstelle eines 3/3-Wegeventils für das Steuerventil auf zwei getrennte 2/2-Wegeventile 8a und 8b zurückgegriffen, welche beide am Abrollrohr 3 angeordnet sind. Während das eine 2/2- Wegeventil 8a exklusiv der Belüftung der Druckkammer 7 dient, ist das andere 2/2- Wegeventil 8b exklusiv zur Entlüftung der Druckkammer 7 vorgesehen. Beide 2/2- Wegeventile 8a und 8b sind dabei mit einem Höhenunterschied t relativ zueinander angeordnet, um einen der abschlossenen Schaltstellung entsprechenden Totweg zwischen der Schaltstellung Belüftung und Entlüftung zu realisieren. Den beiden Steuerventilen 8a und 8b ist je ein Betätigungsstößel 9a bzw. 9b zugeordnet.

Wie in der Figur 4 für das 2/2-Wegeventil 8a der Belüftung veranschaulicht, ist im

zugeordneten Betätigungsstößel 9a mindestens ein Strömungskanal 14 ausgebildet, welcher für den Belüftungsweg aus der Druckmittelversorgung (nicht dargestellt) in der Druckkammer 7 eine Drosselstelle bildet, welche gemäß den gewünschten Durchflusscharakteristik der Luftfederanordnung bemessen ist.

Die Belüftung erfolgt ausgehend von einem Speisedruckanschluss S des 2/2-Wegeventils 8a über einen Ventilsitz 15 zur Druckkammer 7. Eine Rückstellfeder 16 hält den Ventilsitz 15 in der geschlossenen Stellung, falls der Betätigungsstößel 9a nicht durch die Druckfeder 10 betätigt wird.

Bei der in Figur 5 dargestellten Detailansicht des 2/2-Wegeventils 8b der Entlüftung ist der Betätigungsstößel 9b aus einem in Ventilbetätigungsrichtung verschiebbaren Druckstück 17 mit sich hieran anschließender Ausgleichsfeder 18 gebildet. Zur Entlüftung strömt das Druckmittel aus der Luftfederanordnung über den Ventilsitz 19 aus der Entlüftungsöffnung R an die Atmosphäre. Es ist auch vorgesehen, mindestens ein Strömungskanal auszubilden (in der Darstellung im Gehäuse ausgebildet), um für den Entlüftungsweg aus der Druckkammer 7 an die Atmosphäre eine Drosselung zu bilden.

Gemäß Figur 6 sind die Betätigungsmittel für das hier als 3/3-Wegeventil ausgeführte Steuerventil 8 nach Art einer Zugvorrichtung ausgebildet. Die Zugvorrichtung ist seitens des Außenrohrs 1 angelenkt und besteht im Wesentlichen aus einem eine abgestufte

Innenbohrung enthaltenen Gehäuse 19, welches die Druckfeder 10 enthält, die in Folge der abgestuften Bohrung vorgespannt ist. Die vorgespannte Druckfeder 10 wirkt mit einer Zugstange 20 zusammen, welche mit ihrem distalen Ende das Steuerventil 8 betätigt. Hierbei ist eine Schaltkraft zu überwinden, welche durch eine Ventilfeder 21 ausgeübt wird, die zwischen dem Steuerventil 8 und dem - hier nur schematisch dargestellten - Abrollrohr 3 angeordnet ist.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist beispielsweise auch möglich, dass Steuerventil seitens des Außenrohres 1 zu positionieren und die hiermit zusammenwirkende Druckfeder 10 auf Seiten des Abrollrohres 3 zu befestigen.

Bezugszeichenliste

1 Außenrohr

obere Befestigungsöse

3 Abrollrohr

untere Befestigungsöse

5 Stoßdämpfer

6 Luftfederbalg

7 Druckkammer

8 Steuerventil

9 Betätigungstößel

10 Druckfeder

11 Kontaktscheibe

12 Rohroberteil

13 Rohrunterteil

14 Strömungskanal

15 Ventilsitz

16 Rückstellfeder

17 Druckstück

18 Ausgleichsfeder

19 Gehäuse

20 Zugstange

21 Ventilfeder s Hubbereich

t Höhenunterschied

S Speisedruckanschluss

R Entlüftungsöffnung