Continental Aktiengesellschaft

Beschreibung

Luftfeder- und Dämpfereinheit

Die Erfindung betrifft eine Luftfeder- und Dämpfereinheit für Fahrzeuge, welche mindestens zwei mit Druckluft gefüllte Arbeitsräume aufweist, bei der mindestens ein Arbeitsraum mindestens teilweise durch bewegliche Wände in Form von Rollbälgen begrenzt wird, die Rollbälge unter Bildung einer Rollfalte mindestens teilweise auf den Konturen rotationssymmetrischer Körper abrollen und bei der die Arbeitsräume untereinander über Strömungskanäle verbunden sind, welche mit durchströmbaren Drosselventilen versehen sind, die einen den Querschnitt des Strömungskanals mit einer Schließkraft verändernden Drosselkörper aufweisen.

Die DE 43 34 007 C2 offenbart eine pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit mit einem doppelt wirkenden Verdrängerkolben, bei welchem die verbindenden überströmkanäle mit Ventil-Federscheiben / Ventilfederplättchen versehen sind, die einen Ringspalt überdecken und sich an ihrem Innen- und Außenrand an ringförmigen Anlageflächen anlegen. Innerhalb des Kolbens ist Ringspule so angeordnet, dass der Kolben einen Elektromagneten darstellt, dessen magnetische Pole durch die ringförmigen Anlageflächen gebildet werden. Je nach Stärke des angelegten elektrischen Gleichstromes werden dann die Innenrandzone oder die Außenrandzone der Ventil-Federscheiben an die jeweiligen Anlageflächen angezogen und somit die Federwirkung verstärkt. Der Gleichstrom wird dabei im Sinne einer niederfrequenten Spannung alternierend gesteuert, was aufgrund der alternierend auftretenden Bypassströmungen im Ventilanlagebereich zu einem weichen Ansprechverhalten. Bei einem Stromausfall wird sich jedoch bei einem solchen System eine weiche Kennung einstellen, was im Hinblick auf den Fahrzustand nachteilig ist.

Der Gegenstand der DE 10 2004 060 778 Al betrifft eine Feder-Dämpfereinheit mit mehreren Dämpfer- und Federräumen, die untereinander verbunden sind und in den dazu dienenden Verbindungskanälen überströmdrosseln, d.h. Drosselventile aufweisen, die so angeordnet und ausgebildet sind, dass nur eine Strömungsrichtung im Gesamtsystem existiert. Dadurch wird eine Umkehrung der Beschleunigung der Gasvolumina vermieden und die dadurch möglichen Resonanzschwingungen reduziert. Zur Verstärkung der Drosselwirkung ist mindestens eines der Drosselventile als Magnetventil ausgebildet, wobei ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, welches auf die Drosselscheibe des Magnetventiles wirkt und die Federwirkung der Drosselscheibe bzw. deren Anlagekraft und damit deren Drosselwirkung verstärkt. Bei einem Stromausfall fällt das System damit nachteiligerweise in die „weiche" Feder- bzw. Drosselkennung zurück, was, wie bereits dargestellt, im Hinblick auf den Fahrzustand nachteilig ist.

Die DE 100 09 527 C2 offenbart ein verstellbares Drosselventil mit zwischen zwei Pneumatikkammern angeordneten federbelasteten Drosselscheiben. Im Ausführungsbeispiel sind dies zwar federnde Ventilscheiben / Ventilfederplättchen, umfasst sind vom Schutzumfang aber auch Drosselscheiben, die unter Belastung einer Schraubenfeder stehen. Der Schließkraft der Drosselscheiben wird eine über die Spule eines Elektromagneten erzeugte Magnetkraft entgegengerichtet und dadurch die Schließkraft reduziert und der Drossel(scheibe) somit eine weichere Kennung aufgezwungen. Bei Stromausfall ist zwar hier eine Rückfallposition in eine harte Kennung erreichbar, die Einstellbarkeit bzw. Variabilität oder Bandbreite der Schließkraft in beiden Richtungen, d.h. in die „weichere Kennung" und in die „härtere Kennung" ist jedoch hier nicht ausreichend ausgeprägt.

Für die Erfindung bestand also die Aufgabe, eine Luftfeder-Dämpfungseinheit bereitzustellen, die in konstruktiv einfacher Weise eine breitbandige Einstellbarkeit der Schließkraft in eine weichere und eine härtere Kennung erlaubt und gleichzeitig eine Rückfallposition bei Stromausfall bereitstellt, die automatisch zu einer für einen stabilen Fahrzustand ausreichenden harten Kennung führt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.

Erfindungsgemäß weist mindestens ein Drosselventil mindestens zwei unterschiedlich einstellbare und / oder regelbare Magnete auf, durch die der Drosselkörper in seiner

Schließkraft beeinflussbar ist. Durch eine solche Anordnung eröffnet sich ein wesentlich breiteres Feld an Einstellmöglichkeiten als mit den bisherigen Ausführungen aus dem Stand der Technik, bei denen Magnetventile maximal einen Magneten aufweisen und somit in der Regel auch nur Magnetkräfte auf die Drosselkörper aufbringen können, die in lediglich einer Richtung mehr oder weniger stark wirken. Mit der erfindungsgemäßen Ausführung ist es dagegen möglich, durch unterschiedliche Anordnung und Ausprägung bzw. Regelung der Magnete eine weitaus differenziertere Ausbildung der Magnetkraft in verschiedenen Richtungen zu erreichen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass der Drosselkörper in Richtung der Schließkraft federbelastet ist. Damit ergibt sich eine mechanische „Grundhärte" der Kennung, die durch die federbelastete Anlage des Drosselkörpers an seine Dichtkante vorgegeben ist. üblicherweise werden entweder durch im Ventilgehäuse abgestützte Schraubenfedern belastete Ventilkörper oder aber die bekannten (Feder-) Scheibenventile als Drosselkörper verwendet, die z.B. an ihrem Innenumfang fest gespannt sind und an ihrem Außenumfang federnd an einer ringförmigen Dichtkante anliegen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass mindestens einer der mindestens zwei unterschiedlich einstellbaren und / oder regelbaren Magnete den Drosselkörper in Richtung der Schließkraft belastet. Damit lässt sich die Schließkraft auf einfache Weise verstärken, insbesondere dann, wenn die Belastung durch die Magnetkraft eines Elektromagneten erfolgt, der je nach Fahrzustand zugeschaltet werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die durch die Magnete erzeugten Magnetkräfte dieselbe Wirkrichtung aufweisen. Hierdurch erreicht man ein Maximum an Schließkraft, die die mechanische und durch Federwirkung erzeugt

Schließkraft der Drosselkörper um ein vielfaches erhöhen kann. Versuche haben gezeigt, dass beispielsweise mit einer solchen Ausbildung die dynamische Federsteifϊgkeit von Gasfederdämpfern (Luftfeder- und Dämpfereinheiten) um den Faktor 4 erhöht werden kann. Damit lässt sich beispielsweise kostengünstig und auf sehr einfache Art eine hoch wirksame Wankabstützung (Anti-Rolling) oder Nickabstützung für Fahrzeuge realisieren, was insbesondere bei schnellen und stark beladenen Kleintransportern eine wesentliche Sicherheitsmaßnahme darstellen kann.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die durch die Magnete erzeugten Magnetkräfte entgegen gesetzte Wirkrichtungen aufweisen. Damit kann das Magnetfeld bzw. die Magnetkraft eines schaltbaren Magneten zur Kompensation eines anderen Magnetfeldes genutzt werden, was in geeigneter Anordnung z. B. zu Einstellung einer weichen Dämpfung genutzt werden kann. Eine solche Anordnung besteht dann darin, dass die Magnetkraft eines die Schließkraft des Drosselkörpers unterstützenden Magneten durch die Magnetkraft eines zweiten Magneten kompensiert wird.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass das Drosselventil mindestens einen Permanentmagneten und mindestens einen regelbaren Elektromagneten aufweist. Dadurch ergeben sich eine sehr einfache Bauweise und gleichermaßen eine einfache Regelmöglichkeit. Wird zum Beispiel mittels eines Permanentmagneten Schließkraft des Drosselkörpers zusätzlich zu seine mechanischen Federwirkung unterstützt, so kann einerseits die sich damit ergebende harte Kennung mit einer Kompensation der Magnetkraft des Permanentmagneten durch Zuschalten eines Elektromagneten, welcher ein gegengerichtetes Feld aufbaut, in eine weichere Kennung überführt werden. Das Zuschalten kann auch in der Form erfolgen, bei der z.B. ein Gleichstrommagnet mehr oder weniger stark bestromt wird und damit das Magnetfeld zur Kompensation gezielt gesteuert werden kann. Andererseits ist eine Rückfallposition in eine Sicherheitsstellung realisiert (Fail Save Position). Wenn es nämlich zu einem Stromausfall kommt, entfällt die Kompensationswirkung des Elektromagneten und es stellen sich die harte Kennung und damit der „sichere" Fahrzustand ein.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass der Permanentmagnet als mindestens ein im Drosselventil eingesetzter Stabmagnet ausgebildet ist. Damit ist eine konstruktiv einfache Möglichkeit vorgegeben, die erfindungsgemäße Lösung auch für kostengünstige Großserienteile zu realisieren.

Anhand eines Ausführungsbeispieles, bei dem eine Luftfeder- und Dämpfereinheit ausgeführt ist, die die Besonderheit aufweist, dass sowohl in der Druckstufe als auch in der Zugstufe nur eine Durchströmungsrichtung vorherrscht, soll die Erfindung näher erläutert werden. Natürlich können aber die erfindungsgemäßen Drosselventile sowohl in Druckrichtung, d.h. zur Drosselung der Strömung des Druckmediums in der Druckstufe, als auch in Zugrichtung, d.h. zur Drosselung der Strömung des Druckmediums in der Zugstufe, eingesetzt werden, also auch bei jedweden Luftfeder- und Dämpfereinheiten, bei denen sich mit Druck- oder Zugstufe die Strömungsrichtung jeweils umkehrt. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Feder- und Dämpfungseinheit, halb geschnitten,

Fig. 2 den Aufbau der Drosselventile der Feder- und Dämpfungseinheit nach Fig. 1 im Detail.

Die Fig. 1 zeigt hierzu also eine pneumatische Feder- und Dämpfungseinheit aus einem Zylindergehäuse 1, das an einer Seite mit einem Zylinderdeckel 2 druckdicht verschlossen ist. Dieser Zylinderdeckel 2 besitzt ein Befestigungselement 3 zur Anlenkung zum Beispiel an einem Karosseriebauteil eines Kraftfahrzeuges. Auf der vom Zylinderdeckel 2 abgewandeten Seite des Zylindergehäuses 1 ist an diesem ein querschnittsverengender Bund 4 mit einer Durchgangsbohrung angeformt. In dieser Durchgangsbohrung des Bundes 4 befindet sich ein Gleit- und Dichtelement 5.

Im Inneren des Zylindergehäuses 1 ist mit Spiel ein doppeltwirkender Trennkolben 6 mit einer Kolbenstange 7 eingesetzt, wobei der Trennkolben 6 an seinem Umfang mit einem Gleit- und Dichtelement 8 ausgestattet ist. Zudem durchdringt die Kolbenstange 7 den Bund 4 in seiner Durchgangsbohrung. Damit bilden sich auf der Kolbenseite des

Trennkolbens 6 ein beim Einfedern des Trennkolbens 6 kleiner werdender Dämpferraum 9, und auf der Kolbenstangenseite des Trennkolbens 6 ein beim Einfedern desselben größer werdender Dämpferraum 10 aus.

An seinem aus dem Zylindergehäuse 1 herausragendem Ende besitzt die Kolbenstange 7 ein Befestigungselement 11 zur Anlenkung der Feder- und Dämpfungseinheit zum Beispiel an die Radaufhängung des Fahrzeuges. Mit diesem Befestigungselement 11 und daher auch mit der Kolbenstange 7 fest verbunden ist ein Abrollkolben 12 mit einer äußeren Abrollfläche 13 für einen Rollbalg 14.

Dieser Rollbalg 14 ist einerseits mit einer ersten Befestigungsmanschette 15 am Bund 4 des Zylindergehäuses 1 und andererseits mit einer zweiten Befestigungsmanschette 16 an dem zylindergehäusenahen Ende am Abrollkolben 12 fest und druckdicht befestigt. Damit ist zwischen der Kolbenstange 7 und dem Rollbalg 14 ein beim Einfedern des Trennkolbens 6 kleiner werdender Federraum 17 ausgebildet.

Der Dämpferraum 9, der Dämpferraum 10 und der Federraum 17 sind nun bei dieser Ausführung in besonderer Weise miteinander verbunden. So verfügt die Kolbenstange 7 über eine axiale Durchgangsbohrung 18 und im Bereich des Federraumes 17 über eine radiale Bohrung 19, die zusammen den beim Einfedern kleiner werdenden Federraum 17 und den beim Einfedern kleiner werdenden Dämpferraum 9 zu einem gleichwirkenden Feder-Dämpferraum miteinander verbinden.

Im Bereich seines Bundes 4 besitzt das Zylindergehäuse 1 einen im Zylindergehäuse 1 ausgebildeten Ventilsitz 20, der ein aktiv einstellbares Drosselventil 21 für die Druckstufe der Feder-Dämpfereinheit trägt, dessen Aufbau weiter untern näher erläutert wird. Unmittelbar unterhalb des Ventilsitzes 20 ist im Bund 4 ein zum Federraum 17 führender Verbindungskanal 23 ausgebildet, so dass bei geöffnetem Drosselventil 21 der Dämpferraum 10 und der Federraum 17 miteinander verbindbar sind.

Darüber zeigt die Figur 1, dass in Richtung zum Zylinderdeckel 2 hin an dem Trennkolben 6 ein weiteres derart ausgebildetes Drosselventil 22 angeordnet ist, über welches die Dämpferräume 9 und 10 miteinander verbunden werden können.

Die grundsätzliche Wirkungsweise einer solchen Feder- und Dämpfereinheit ist an sich bekannt und wird daher nur kurz erläutert. Durch die Wirkung einer geschlossenen Luftversorgungsanlage herrscht in Inneren der Feder- und Dämpfungseinheit stets ein Luftdruck mit einem vorbestimmten Druckniveau. Eine von Außen auf die Feder- und Dämpfungseinheit wirkende Last hat das Bestreben, den Trennkolben 6 in das Zylindergehäuse 1 einzuschieben. Dieser Bewegung wirkt eine Kraft entgegen, die sich aus dem im Inneren der Feder- und Dämpfungseinheit herrschenden Luftdruck und der Differenz der beiden sich axial gegenüberliegenden Flächen am Trennkolben 6 ergibt. Diese entgegenwirkende Kraft hält den Trennkolben 6 in seiner Position und damit die Radaufhängung sowie den Fahrzeugaufbau auf den gewünschten Abstand. Dabei ergibt sich die erwünschte Federwirkung durch die Kompressibilität der eingeschlossenen Luft.

Die hier vorhandene Ausbildung der Feder- und Dämpfungseinheit bewirkt, dass sowohl beim Einfedern des Kolbens 6 als auch beim Ausfedern desselben das in den Dämpferräumen 9 und 10 sowie in dem Federraum 17 befindliche Gas jeweils in die gleiche Strömungsrichtung bewegt. Im Unterschied zu den bekannten pneumatischen Feder- und Dämpfungseinheiten mit ihren bei Ein- und Ausfedern oszillierenden Gasströmungen, bei denen sich also mit Druck- oder Zugstufe die Strömungsrichtung jeweils umkehrt, lassen sich durch den hier vorgestellten Aufbau strömungstechnische Verluste vermeiden, so dass die Feder- und Dämpfungseinheit insgesamt leiser und schneller auf äußere Krafteinwirkungen und Bewegungsrichtungsänderungen des Fahrwerks zur Karosserie eines Fahrzeugs reagieren kann.

Fig. 2 zeigt im Detail den Aufbau des Drosselventils 22 in zwei Schaltstellungen des Elektromagneten, wobei die Drosselventile 21 und 22 kostengünstig im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Das Drosselventil 22 gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 1

weist einen aus zwei aufeinander gelegten Federscheiben bestehenden Drosselkörper 24 und den ferromagnetischen Drosselgrundkörper 25 auf, der im Kolben 6 befestigt ist.

Im Drosselgrundkörper 25 ist eine Magnetspule 26 angeordnet, welche über nicht dargestellte elektrische Leitungen schaltbar ist, wobei die Leitungen mit einer

Spannungsquelle in Verbindung stehen. Zudem weist der Drosselgrundkörper 25 eine Strömungsöffnung 27 für das Druckmedium, d.h. die Luft in der Feder-Dämpfereinheit auf. Das Federscheibenpaket des Drosselkörpers 24 liegt federnd auf dem äußeren oberen Rand 28 des Drosselgrundkörpers 25 auf, während es am Innenrand zwischen der Hülse 29 und dem Drosselgrundkörper 25 über eine hier nicht näher dargestellte Verschraubung eingespannt ist.

Das Drosselventil 22 weist einen auf dem Außenumfang des Drosselgrundkörpers 25 aufgeklebten ringförmigen Permanentmagneten 30 auf, der zusätzlich zu der auf das Federscheibenpaket des Drosselkörpers 24 wirkenden und durch die Einspannung aufgebrachten Federkraft eine Magnetkraft 31 auf den Drosselkörpers 24 aufbringt. Die Magnetkraft ist hier als umlaufende Magnetkraftlinie im Bereich der Bauteile des Drosselventils dargestellt. Das Aufkleben oder auch Aufschrumpfen eines Magnetringes stellt hierbei eine besonders einfach zu fertigende Ausbildung der erfindungsgemäßen Luftfeder- und Dämpfereinheit dar.

Die obere Darstellung der Fig. 2 zeigt die zugeschaltete Magnetspule 26 mit einem Magnetfeld, dass die Magnetkraft 32 auf den Drosselkörper 24 ausübt und somit dieselbe Wirkrichtung aufweist, wie die durch den Permanentmagneten 30 auf den Drosselkörper 24 ausgeübte Kraft. Hierdurch erreicht man ein Maximum an Schließkraft, also eine besonders harte Kennung der Luftfeder- und Dämpfereinheit, da die mechanische und durch Federwirkung erzeugte Schließkraft der Drosselkörper durch die magnetische Schließkraft beider Magneten verstärkt wird.

Die untere Darstellung der Fig. 2 zeigt die zugeschaltete Magnetspule 26 mit einem Magnetfeld, dass die Magnetkraft 33 auf den Drosselkörper 24 ausübt und somit eine

Wirkrichtung aufweist, die entgegengesetzt zu der durch den Permanentmagneten 30 auf den Drosselkörper 24 ausgeübte Kraft wirkt und -je nach eingestellter Stromstärke des Gleichstroms - bis zur Kompensation oder überkompensation der durch den Permanentmagneten aufgebrachten Magnetkraft reichen kann. Hierdurch erreicht man ein Minimum an Schließkraft, d.h. eine sehr weiche Kennung..

Sobald also ein elektrischer Strom geschaltet wird und über hier nicht weiter dargestellte Zuleitungen durch die Magnetspule 26 fließt, induziert dieselbe einen Magnetfluss über den Drosselgrundkörper 25 und das Federscheibenpaket des Drosselkörpers 24, so dass ein öffnen bzw. Anheben des Drosselkörpers 24 vom Drosselgrundkörper 25 beim

Durchströmen von Gas erschwert oder erleichtert wird. Dies führt zu aktiv eingestellten erhöhten Feder-/Dämpferkräften der Feder-Dämpfereinheit. Entsprechend der Stromstärke in dem elektrischen Leiter der Magnetspule 26 kann die Feder-Dämpfereinheit in ihrem Betriebsverhalten demnach härter oder weicher eingestellt werden, wo bei diese Einstellung vorteilhafterweise sowohl in Zugstufenrichtung als auch in Druckstufenrichtung variabel und unabhängig voneinander einstellbar ist.

Vorteilhafterweise befinden sich an den Drosselventilen 21 bzw. 22 keine Teile, die zur Drosselverstellung verschoben oder mechanisch bewegt werden müssten. Als ebenfalls vorteilhaft erachtet wird zudem, dass die Schaltzeiten der Drosselventile 21 bzw. 22 lediglich durch die Berechnungszeit für eine neue Einstellung in einer Steuerungseinrichtung und der Zeit bestimmt ist, welche für den Aufbau bzw. die änderung des Magnetfeldes notwendig ist. Dieses ermöglicht extrem kurze Reaktionszeiten der Feder-Dämpfereinheit.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung einer Feder-Dämpfereinheit ist es nicht zwingend notwenig, dass beide Drosselventile 21 bzw. 22 einstellbar ausgebildet ist. So kann beispielsweise ein Drosselventil 21 bzw. 22 wie beschrieben aktiv einstellbar und die andere überströmdrossel konventionell mit einer Drosselbohrung ausgestattet sein. Auch andere Funktionsprinzipien der Drosselventile 21 bzw. 22 sind möglich, ohne auf den durch die Erfindung verursachten vorteilhaften technischen Effekt verzichten zu müssen.

Bezugszeichenliste

(Teil der Beschreibung)

1 Zylindergehäuse

2 Zylinderdeckel

3 Befestigungselement

4 Bund

5 Gleit- und Dichtelement

6 Trennkolben

7 Kolbenstange

8 Gleit- und Dichtelement

9 Dämpferraum

10 Dämpferraum

11 Befestigungselement

12 Abrollkolben

13 Abrollfläche

14 Rollbalg

15 Befestigungsmanschette

16 Befestigungsmanschette

17 Federraum

18 Durchgangsbohrung

19 Radiale Bohrung

20 Ventilsitz

21 Drosselventil

22 Drosselventil

23 Verbindungskanal

24 Drosselkörper

25 Drosselgrundkörper

26 Magnetspule

27 Strömungsöffnung

28 äußerer oberer Rand des Drosselgrundkörpers

Hülse Permanentmagnet Magnetkraftlinie des Permanentmagneten Magnetkraftlinie des Elektromagneten in einer ersten Schaltung Magnetkraftlinie des Elektromagneten in einer zweiten Schaltung