Hydropneumatische Achsfederung für Fahrzeuge

Die Erfindung betrifft eine hydropneumatische Achsfederung für Fahrzeuge, insbesondere für deren jeweilige Vorderachse, die mit mindestens einem Federungszylinder zusammenwirkt, der sowohl mit seiner Ringseite als auch mit seiner Kolbenseite an einen Hydrospeicher angeschlossen ist, der mittels einer ihm zuordenbaren Ventileinheit von einer Steuerelektronik ansteuerbar ist.

Zum Stand der Technik zählen u. a. auf dem Markt frei erhältliche hydropneumatische Achsfederungen, die über eine so genannte Niveauregelung verfügen. Kommt es zu einer Erhöhung der Achslast, sinkt der Fahrzeugaufbau aufgrund der sich ändernden Drücke im jeweiligen Federungszylinder ab, und ein Niveauregelventil wird dann so lange betätigt, bis die Kolbenseiten der Federungszylinder als hydropneumatische Stellglieder das ursprüngliche Ausgangsniveau wieder erreicht haben. Bei abnehmender Achslast kann sich der Aufbau entsprechend anheben und das Niveauregelventil verbindet die Kolbenräume der jeweils eingesetzten Federungszylinder so lange mit einer Tankleitung des Fluidsystems, bis das ursprüngliche Niveau wieder einreguliert ist.

In Fortbildung dieses Gedankens ist in der DE 102 32 769 A1 , die den gattungsbildenden Stand der Technik darstellt, eine hydropneumatische Achsfederung für Fahrzeuge mit stark wechselnden Achslasten vorgeschlagen worden, insbesondere für Vorderachsen an Schleppern mit hydraulischen Federungszylindern, die an hydropneumatische Druckspeicher (Hydrospei- cher) angeschlossen sind, einem über eine Niveauregeleinrichtung druckgeregelten Federungskreis der Kolbenräume und einem druckgeregelten Federungskreis der Ringräume, einer über eine Steuerleitung (Load-Sensing- Leitung) durch einen Steuerdruck einstellbaren Load-Sensing-Pumpe zur Druckerzeugung und einem Druckregelventil, welches das Druckniveau im Federungskreis der Ringräume konstant hält. Bei der bekannten Lösung ist das Druckregel venti I ein proportional geregeltes Ventil, das von einem Steuerstrom aus einem elektrischen Steuergerät als Steuerelektronik angesteuert wird, um die Achsfederrate in Abhängigkeit von mindestens einem Sensorsignal zwischen konstanten Ringraumdruckniveaus in Teilbereichen proportional zu regeln und bei Bedarf einen wählbaren Konstantdruck zu übersteuern, um eine vorgegebene Achsfederrate darzustellen.

Bei der aufgezeigten bekannten Lösung wird der Ringraumdruck zwischen konstanten Ringraumdruckniveaus zur schnelleren Druckanpassung der Federungsspeicher in Teilbereichen proportional geregelt und ein Proportionalventil hydraulisch so verknüpft, dass eine Load-Sensing-Steuerung mit Druckentlastung für eine Regelpumpe gegeben ist. In Niveaulage werden die beiden Federungskreise der Kolben- und Ringseiten bei der bekannten Lösung mittels zweier druckdichter 2/2-Wege-Ventile leckagefrei auf den eingeregelten Druckniveaus gehalten und beim Niveauregelprozess entsprechend geschaltet, sodass auf die bisher notwendigen speziellen hydraulischen entsperrbaren Rückschlagventile verzichtet werden kann. Neben der selbsttätigen Federratenänderung durch automatische Ringraumdruck-

regelung besteht die Möglichkeit, bei der bekannten Lösung durch äußeren Eingriff das Druckniveau in den Ringräumen bei Bedarf gewollt zu verändern, um die Federrate den gegebenen Betriebsbedingungen anpassen zu können. Um der Steuerelektronik die aktuellen Druckwerte in den Kolben- räumen der beiden Federungszylinder weitergeben zu können, ist an diese ein Drucksensor angeschlossen, der gegen überlastung durch ein Druckbegrenzungsventil des fluidischen Systems abgesichert ist.

Mit der bekannten Lösung ist eine an sich preiswerte und geometrisch kleinbauende Lösung für einen Steuerblock einer Achsfederung geschaffen, die ein hohes Maß an Komfort ermöglicht sowie zusätzlich Vorgaben bezogen auf eine individuell einzustellende Federrate. Trotz dieser Vorteile benötigt die bekannte Lösung aber zur Ansteuerung des Systems ein Proportionaldruckregelventil sowie ein Wechsel venti I, das den jeweils in einem Fluidzweig herrschenden höheren Druck zur Ansteuerung einer Load-

Sensing-Pumpe an die Steuerleitung (Load-Sensing-Leitung) weiterzugeben hat. Neben den beiden 2/2-Wege-Ventilen werden also weitere Ventilkomponenten benötigt, die zum einen kostenintensiv sind und zum anderen durch ihren Ausfall die Funktionssicherheit der Achsfedersteuerung infrage stellen können.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Beibehalten der Vorteile der nächstkommenden bekannten Lösung diese dahingehend weiter zu verbessern, dass zur Redu- zierung der Kosten und zur Erhöhung der Funktionssicherheit auf zusätzliche Ventile verzichtet werden kann. Eine dahingehende Aufgabe löst eine hydropneumatische Achsfederung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.

Dadurch dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 die Ringseite des Federungszylinders an einen Druckwertaufnehmer angeschossen ist, der seine Druckmesswerte an die Steuerelektronik weitergibt, und dass der ringseitige Druckwertaufnehmer an die Ausgangsseite der Ventileinheit angeschlossen ist, die der Ringseite des Federungszylinders zuordenbar ist, kann sowohl auf das Wechsel venti I als auch auf das Proportionaldruckregelventil verzichtet werden, was die Herstell- und Wartungskosten senken hilft. Die eigentliche Ansteuerung geschieht mit handelsüblichen 2/2- Wege-Ventilen, die eine kostengünstige Realisierung der Schal- tung ermöglichen und in hohem Maße als funktionssicher gelten.

Bei der bekannten gattungsgemäßen Lösung dient das Proportionaldruckregelventil zur Einstellung des ringseitigen Druckes, wobei bei jeder Aktivierung der Niveauregulierung auch der ringseitige Druck am Federungszylin- der neu eingestellt wird mit der Folge, dass insoweit ungewollt vorhandene Leckageströme in nachteiliger Weise eine Rolle spielen können. Bei der erfindungsgemäßen Auslegung der Federung beruht bei vergleichbarer Federungscharakteristik diese auf einem konstanten Druck auf der Ringseite des Federungszylinders in der jeweiligen Niveauposition. Insoweit ist dann gegenüber den bekannten Lösungen eine Korrektur des ringseitigen Druk- kes nicht erforderlich. Nur bei einer änderung der Federungscharakteristik wird kurzfristig der ringseitige Druck verändert, sodass insoweit weniger Leckageverluste entstehen. Auch ist keine Anpassung der Hydraulik auf unterschiedliche Ringdrücke notwendig, da die ringseitigen Drücke als Para- meter in der Software der Steuerungselektronik entsprechend „eingestellt" sind.

Neben den sonstigen Vorteilen, die sich aus einer reduzierten Bauteileanzahl an Steuer- und Schaltventilen ergibt, ist es mit der erfindungsgemäßen

Lösung möglich, den Vorspanndruck po in den Hydrospeichern (hydrop- neumatische Speicher) zu überprüfen, sodass eine regelmäßige Prüfung mit dem ansonsten notwendigen messtechnischen Aufwand entfallen kann. In Abhängigkeit der Betriebsdauer der eingesetzten Speicher sowie deren An- Steuerhäufigkeit gelangt jedenfalls Arbeitsgas von der Gasseite des Speichers auf die Fluidseite desselben und die damit einhergehenden Verluste, die zu einer Reduzierung des Vorspanndruckes po beim Speicher führen, beeinflussen nachteilig das Arbeitsvermögen der gesamthydraulischen Anlage. Nach dem erfindungsgemäßen Ansatz wird das Hydrauliksystem zu- nächst drucklos geschaltet, und sobald ein Volumenstrom zu einem Hydro- speicher geführt wird, springt der Druck auf den Vorspanndruck po des Hy- drospeichers an und steigt dann weiter entsprechend der Charakteristik dieses Speichers. Dies gilt insbesondere, wenn der Volumenstrom dem unteren Speicher, also dem ringseitigen Speicher zugeführt wird, und wird bei - der realisierten Schaltung dem oberen oder kolbenseitigen Speicher Volumenstrom zugeführt, werden beide Hydrospeicher für einen Federungszylinder gleichzeitig geprüft.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der hydropneumati- sehen Achsfederung ist ein Druckwertaufnehmer auch auf der Kolbenseite des jeweiligen Federungszylinders vorgesehen, sodass insoweit eine lastabhängige Einstellung der Federungscharakteristik möglich ist. Ein Wegmesssensor für die Kolbenstangeneinheit eines Federungszylinders erleichtert der Steuerungselektronik die gewünschte Niveauregulierung.

Weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Achsfederung sind Gegenstand der sonstigen Unteransprüche.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße hydropneumatische Achsfederung anhand eines Ausführungsbeispieles nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur in nicht maßstäblicher und prinzipieller Darstellung den Grundaufbau der Schaltung in der Art eines Blockschaltbildes.

Die in der Figur gezeigte hydropneumatische Achsfederung für Fahrzeuge ist insbesondere für deren jeweilige Vorderachse (nicht näher dargestellt) vorgesehen. Die dahingehende Vorderachse wirkt mit mindestens einem Federungszylinder 10 zusammen, wobei mehrere, meistens zwei, Fede- rungszylinder 10 einer Achse des Fahrzeuges zugeordnet werden. Der einfacheren Darstellung wegen wird aber die vorliegende hydropneumatische Achsfederung nur bezogen auf einen Federungszylinder 10 näher erläutert. Der Federungszylinder 10 weist eine Kolbenseite 12 sowie eine Ringseite 14 auf. Die genannten Seiten 12, 14 sind über eine übliche Kolbenstan- geneinheit 16 voneinander getrennt. Die jeweilige Position der Kolbenstangeneinheit 16 lässt sich über ein Wegmesssystem s erfassen, dessen Messwerte an eine Steuerelektronik 18 weitergeleitet werden.

Sowohl die Kolbenseite 12 als auch die Ringseite 14 sind über hydraulische Zufuhrleitungen 20, 22 an einen Hydrospeicher 24, 26 angeschlossen, der in der Fachsprache auch mit hydropneumatischer Speicher, Akkumulator oder dergleichen bezeichnet wird. Die in der Figur gezeigten Hydrospeicher 24, 26 sind nur prinzipiell dargestellt; sind jedoch üblicher Bauart. Insbesondere erstreckt sich innerhalb des Speichergehäuses ein Trennele- ment, beispielsweise in Form einer elastisch nachgiebigen Fluidmembran, die einen Gasvorrats räum von einem Fluidraum trennt, der fluidführend an die ihm jeweils zuordenbare Leitung 20, 22 angeschlossen ist. An das Ende der jeweiligen Zuführleitung 20, 22 ist ein Druckwertaufnehmer Kolbensei-

te DA-K sowie Druckwertaufnehmer Ringseite DA-R angeschlossen, die die gemessenen Druckwerte an die Steuerelektronik 18 weitergeben.

Ferner sind für die erfindungsgemäße hydropneumatische Achsfederung zwei Ventileinheiten 28, 30 vorgesehen, die in der Art von 2/2-Wege- Ventilen ausgebildet von der Steuerelektronik 18 betätigbar sind. Dahingehende Wege- oder Schaltventile sind im Stand der Technik üblich, sodass an dieser Stelle hierauf nicht mehr näher eingegangen wird. Gemäß der Darstellung nach der Figur ist die jeweilige Ventileinheit 28, 30 in ihrer Sperrstellung gezeigt, bei der jeweils zwei hydraulisch entgegengesetzt wirkende Rückschlagventile 32 eine fluiddichte Absperrung des Federungszylinders 10 gegenüber einer hydraulischen Versorgungseinheit 34 absperren.

Ferner ist vorgesehen, dass die Eingangsseite 36 der Ventileinheit 30, deren Ausgangsseite 38 an die Ringseite 14 des Federungszylinders 10 angeschlossen ist über eine Verbindungsleitung 40 an die Eingangsseite 42 der weiteren Ventileinheit 28 angeschlossen ist, deren Ausgangsseite 44 an die Kolbenseite 12 des zuordenbaren Federungszylinders angeschlossen ist. Die Terminologie Ein- und Ausgänge ist willkürlich und kann sich durch Umkehr der Fluidrichtung entsprechend auch umdrehen, sodass bezogen auf die Fluidströmung eine Ausgangsseite zu einer Eingangsseite und eine Eingangsseite zu einer Ausgangsseite werden kann. Um aber eine Bezugnahme auf die Verschaltung treffen zu können, wurde die vorstehende Terminologie gewählt.

In die Verbindungsleitung 40 zwischen den beiden Ventileinheiten 28, 30 mündet eine Load-Sensing-Leitung LS ein, die als eine Art Steuerleitung ausgebildet den jeweils anstehenden hydraulischen Druck in der Verbindungsleitung 40 abgreifen kann. In Abhängigkeit der sich einstellenden

Lastsituation innerhalb der hydropneumatischen Achsfederung steuert die Load-Sensing-Leitung LS dann eine Hydropumpe P an, die vorzugsweise als Load-Sensing-Pumpe ausgebildet ist. Zum Zuschalten der genannte Pumpe P dient eine von der Steuerelektronik 18 ansteuerbare 3/2-Wege- Ventileinheit 46, die gemäß der Darstellung nach der Figur die Load- Sensing-Leitung LS zum Tank T hin drucklos schaltet.

Des Weiteren ist in die Verbindungsleitung 40 zwischen der Einmündung 48 der Load-Sensing-Leitung LS und der jeweiligen Ventileinheit 28, 30 eine Querschnittsverengung 50 in der Art der Blende, Drossel oder Düse vorgesehen.

Mit der aufgezeigten hydraulischen Schaltung nebst Steuerelektronik 18 ist mit wenigen Baukomponenten bei einer realisierten variablen Federung für große Achslasten eine Korrektur des ringseitigen Druckes nur bei Bedarf notwendig, sodass weniger Leckageverluste entstehen, was zu günstigen Leistungsergebnissen führt und zu einem funktionssicheren Aufbau. Die angesprochene Schaltung kommt vom Grundaufbau her nur mit zwei Ventileinheiten 28, 30 aus, was zum einen die Schaltung konstruktiv verein- facht und kostengünstig werden lässt und darüber hinaus zur Erhöhung der Funktionssicherheit gleichfalls mit beiträgt. Ferner ist keine Anpassung der Hydraulik auf unterschiedliche Ringdrücke notwendig, da diese als ringsei- tige Drücke erfasst vom Druckwertaufnehmer DA-R unmittelbar als Parameter in die Software „eingestellt" werden. Der Grundaufbau der Schaltung kommt auch ohne Druckwertaufnehmer DA-K für die Kolbenseite 12 aus; beim Einsatz eines dahingehenden Druckwertaufnehmers DA-K ist aber eine lastabhängige Einstellung der Federungscharakteristik zusätzlich möglich. Das aufgezeigte Wegmesssystem s erlaubt die Niveauregulierung für

den Gesamtfahrzeugaufbau; wird aber für die eigentliche ringseitige Druckwerterfassung gleichfalls nicht zwingend benötigt.

Der Druck P _R0 auf der Ringseite 14 des jeweiligen Federungszylinders 10 wird auf der Niveauposition der Federung angegeben. Abhängig von den geometrischen Zylinderabmessungen und der Speicherparameter VO und PO verändert sich der ringseitige Druck bei Veränderung der Zylinderposition. Wird die Kolbenstangeneinheit 16 des Federungszylinders 10 eingefahren, so wird das notwendige Volumen auf der Ringseite 14 aus dem ringsei- tigen Speicher 26 entnommen und der ringseitige Druck sinkt. Wird die Kolbenstangeneinheit 16 ausgefahren, so wird das verdrängte Volumen auf der Ringseite 14 vom ringseitigen Speicher 26 aufgenommen und der ringseitige Druck steigt. Die Positionsabhängigkeit des ringseitigen Druckes wird bei der erfindungsgemäßen Lösung beispielsweise über das Wegmeß- System s erfaßt und berücksichtigt. Der ringseitige Druck wird beispielsweise über den Druckaufnehmer DA-R gemessen als P _RM und mit dem theoretischen ringseitigen Druck P _R5 verglichen. Dabei wird der theoretische ringseitige Druck P _RS aus den folgenden Parametern ermittelt:

Zylinderringfläche A _R

Speichergröße V ₀

Vorspanndruck P ₀ ringseitiger Solldruck in Niveaulage P _R0

Zylinderposition s

Das Gasvolumen auf Niveauposition ermittelt sich dann wie folgt:

V ₁ x P _R0 = V ₀ x P ₀

Po

Daraus folgt: V ₁ = x V ₀

mit δV _öl = \xs => V _gass = V, + δV _8I

V _g ass = V,+A _R XS

V ₁

V ₁ X

V ₁ + A _R X S

Ist somit der berechnete Druck P _R5 gleich dem gemessenen Druck P^, so ist keine weitere Korrektur erforderlich, was mit den bisher üblichen Systemen so nicht darstellbar ist.