Die Erfindung betrifft ein hydropneumatisches Federbein gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 .

Die DE 199 59 197 B4 beschreibt ein selbstpumpendes hydropneumatisches Federbein, das über eine interne Pumpeinrichtung eine angestrebte Niveaulage selbsttätig ansteuert. Das Federbein verfügt über eine Tragkraft eines Hochdruckgaspolsters und über eine Tragkraft einer Schraubendruckfeder. Folglich ist ein Kolben-Zylinderaggregat des Federbeins mit seiner Gastragkraft nur teiltragend dimensioniert.

Wird das Fahrzeug und damit das Federbein mit einer höheren Traglast beaufschlagt, dann sinkt das Federbein kurzzeitig ein, pumpt sich jedoch wieder selbsttätig auf die angestrebte Niveaulage. Wird die Traglast reduziert, dann verlängert sich das Federbein und lässt Dämpfmedium aus einem Hochdruckbereich in einen Niederdruckbereich ab, bis auch für diesen Lastfall wieder die Niveaulage eingenommen ist. Diese mechanische Lösung einer Niveauregulierung bietet prinzipiell den Vorteil der nahezu konstanten Eigenfrequenz.

Teilweise werden jedoch auch zwei Niveaulagen vorgesehen, die willkürlich einstellbar sind. Eine Anforderung kann z. B. darin bestehen, dass ein Fahrzeug sowohl für die Straße wie auch für den Off-road-Betrieb vorgesehen ist. Dazu verfügt das Aggregat in der DE 199 59 197 B4 über einen aktiven Stellantrieb, der funktional mit dem Federbein in Reihe angeordnet ist. Diese Bauform verfügt ebenfalls über eine konstante Eigenfrequenz, jedoch in Verbindung mit dem aktiven Stellantrieb.

Es gibt jedoch auch selbstpumpende hydropneumatische Federbeine, die zwei Niveaulagen einregeln können, jedoch nicht über einen aktiven Steller verfügen. Beispielhaft wird auf die DE 10 201 1 100 77267 A1 verwiesen. Eine Steuerhülse innerhalb des Federbeins ist in ihrer axialen Position zu einer Abregelöffnung einstellbar. Um eine niedrigere Niveaulage anfahren zu können, muss das Druckniveau im Kolben-Zylinderaggregat im Hochdruckbereich absenkbar sein. Diese Absenkung erfolgt mechanisch über die Steuerhülse. Eine Absenkung des Druckniveaus führt jedoch dazu, dass sich die Federrate und damit die Eigenfrequenz des Federbeins ändert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein hydropneumatisches Federbein mit mindestens zwei Niveaulagen zu realisieren, wobei das Federbein eine möglichst konstante Eigenfrequenz aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die zweite Tragfeder eine mit einer Reduzierung der Wirklänge des Federbeins ansteigende Federrate aufweist.

Eine Tragfeder mit einer ansteigenden Federrate kann z. B. eine progressive Kennlinie mit einem parabelförmigen Verlauf, aber auch mehreren Kennlinienbereichen mit unterschiedlichen Steigungen, so dass zwischen den Kennlinienbereichen Knickpunkte vorliegen. Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine über eine Druckreduzierung verminderte Gasfederkraft durch eine ansteigende Tragkraft der zweiten Tragfeder so zu kompensieren, dass die resultierende Gesamttragkraft beider Federn möglichst konstant bleibt. Der Kraftanstieg der zweiten Tragfeder soll über eine Reduzierung der Wirklänge des Federbeins erreicht werden. Die Reduzierung der Wirklänge stellt keinen Nachteil dar, da die zweite Niveaulage mit einer Reduzierung der Wirklänge des Federbeins verbunden ist.

Man kann z. B. vorsehen, dass die zweite Tragfeder als eine Kegelfeder ausgeführt ist. Diese Lösung besticht durch ihre Einfachheit.

Alternativ kann man als zweite Tragfeder auch eine Schraubendruckfeder vorsehen, die Längenbereiche mit unterschiedlichen Drahtdurchmessern aufweist.

Als weitere Variante oder in Kombinationen mit einer der vorstehend beschriebenen Bauformen kann auch vorgesehen sein, dass die zweite Tragfeder mindestens zwei Bereiche mit unterschiedlicher Steigung der Windungen aufweist. Über die unterschiedliche Steigung kommen über den Gesamtfederweg der Tragfeder einige Federwindungen bereichsweise bereits auf ihre Blocklänge und weitere Windungen ver- fügen noch über einen Restfederweg. Dadurch wird die Anzahl der federnden Windungen über den Gesamthubweg verändert. Folglich ändert sich auch die Gesamtfederrate der Tragfeder über den Federweg.

Eine besonders große Gestaltungsfreiheit der Tragkraftkennlinie der zweiten Tragfeder wird insbesondere dann erreicht, wenn die zweite Tragfeder von mindestens zwei in Reihe angeordneten Einzeltragfedern gebildet wird, die unterschiedlich wirksame Blocklängen aufweisen. Über die wirksame Blocklänge lassen sich die Einsatzpunkte und damit Knickpunkte der Tragkraftkennlinie beeinflussen.

Dabei kann vorgesehen sein, dass eine der beiden Einzeltragfedern die wirksame Blocklänge über die Auflage der Windungen erreicht.

Man kann auch in Erwägung ziehen, dass eine Einzeltragfeder von einem

Elastomerkörper gebildet wird. Dabei kann im Hinblick auf einen gleichmäßigen Federweg vorgesehen sein, dass der Elastomerkörper eine zellige Grundstruktur aufweist, deren Wandungen bei einer maximalen Stauchung zur Anlage kommen.

Des Weiteren besteht die Option, dass zwischen den beiden Einzeltragfedern ein Sperrelement angeordnet ist, dass eine minimale Wirklänge der Einzeltragfeder bestimmt. Der Vorteil besteht darin, dass man nicht die mechanische Blocklänge der Einzeltragfeder ausnutzen muss, die häufig mit Spannungsspitzen verbunden ist. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass durch eine geschickte Kombination des Einsatzpunktes des Sperrelements und der Federrate der Einzeltragfeder der Kennlinienverlauf der zweiten Tragfeder besser bestimmt werden kann.

Das Sperrelement kann beispielsweise von einem Profilbauteil gebildet werden, das sich an einem Federteller des Federbeins abstützt.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigt: Fig. 1 Hydropneumatisches Federbein mit einer Kegelfeder

Fig. 2 Federratenkennlinien zur Figur 1

Fig. 3 Hydropneumatisches Federbein mit unterschiedlichen Drahtdurchmessern der zweiten Tragfeder

Fig. 4 Hydropneumatisches Federbein mit unterschiedlicher Steigung der zweiten

Tragfeder

Fig. 5 Federbein mit zwei Einzeltragfedern als zweite Tragfeder

Fig. 6 Federbein mit einem Sperrelement für die zweite Tragfeder

Die Figur 1 zeigt ein hydropneumatisches Federbein 1 mit einem Kolben- Zylinderaggregat 3, das eine erste Gasfeder 5 aufweist, die von einem gasgefüllten Ringraum 7 innerhalb eines Zylinders 9 gebildet wird. Eine Ringmembran 1 1 trennt die Gasfeder 5 von einem Hochdruckbereich 13, der vollständig mit einem hydraulischen Arbeitsmedium gefüllt ist. Innerhalb eines Druckrohres 15 ist ein Kolben 17 an einer Kolbenstange 19 axial beweglich geführt. Der Kolben 17 unterteilt das Druckrohr 15 in einen kolbenstangenseitigen und einen kolbenstangenfernen Arbeitsraum 21 ; 23. Beide Arbeitsräume 21 ; 23 sind über mindestens eine Anschlussöffnung 25 und über Kolbenventile 27; 29 mit dem Hochdruckbereich 13 verbunden. Eine axial feststehende Pumpenstange 31 zusammen mit Rückschlagventilen 37; 39 und eine Steuerhülse 33 sowie eine Pumpenkammer 35 innerhalb der Kolbenstange bilden eine Pumpe, die in Abhängigkeit der axialen Position der Steuerhülse 33 zu einer Steueröffnung 41 , die einen Niedrigdruckbereich 43 mit dem Hochdruckbereich 13 verbindet, eine erste Niveaulage einer zu bedämpfenden Masse, z.B. einen Fahrzeugaufbau, bestimmt. Über diese Pumpe kann durch eine Relativbewegung der Kolbenstange 19 zusammen mit der Steuerhülse 33 eine angestrebte Niveaulage ohne Fremdenergie eingestellt werden. Der Druck innerhalb des Hochdruckbereichs 13 wirkt auf die Querschnittsfläche der Kolbenstange 19 und übt damit eine Ausfahrkraft aus.

Wenn man z. B. eine zweite Niveaulage anfahren will, kann man dafür beispielsweise eine zweite Steueröffnung einsetzen, die in einem axialen Abstand zur ersten Steueröffnung 41 ausgeführt ist. Alternativ wäre auch eine axial zur Kolbenstange ver- schiebbare Steuerhülse 33 denkbar oder bei einem Aggregat ohne Pumpeeinrichtung wird einfach das Druckniveau der Gasfeder 5 verändert. Bei einer Absenkung der Niveaulage wird unabhängig von der Ausgestaltung der Druckerzeugung, mech. interne Pumpe oder fremdgespeiste Pumpe, einfach das Druckniveau im Kolben- Zylinderaggregat 3 abgesenkt. Dadurch reduziert sich die Tragkraft der Gasfeder 5 und es stellt sich ein neues Kräftegleichgewicht zwischen der Tragkraft des hydro- pneumatischen Federbeins 1 und einer Traglast ein.

Der Gasfeder 5 ist eine Schraubendruckfeder als zweite Tragfeder 45 funktional parallel geschaltet. Die zweite Tragfeder 45 stützt sich über Federteller 47; 49 an dem Zylinder 9 und der Kolbenstange 19 ab und weist dieselbe Wirkrichtung auf wie die Gasfeder 5. Die Federteller 45; 47 müssen keinesfalls direkt am Federbein 1 befestigt sein. Man kann die Federteller 45; 47 auch an der Traglast und einer Tragstruktur, z. B. einem Fahrzeugaufbau als Traglast und einem Fahrwerk als Tragstruktur anordnen.

Die Federteller 45; 47 sind in ihrer Position unverstellbar, so dass die zweite Tragfeder 45 eine unveränderbare Federkraftkennlinie aufweist.

Die zweite Tragfeder 45 ist derart dimensioniert, dass diese eine mit einer Reduzierung der Wirklänge des Federbeins 1 ansteigende Federrate aufweist. Dazu ist die zweite Tragfeder in der Fig. 1 als eine Kegelfeder ausgeführt. Die Eigenfrequenz des Federbeins ist abhängig von der gefederten Masse und der Federrate der Tragfedern. Wird das Druckniveau im Hochdruckbereich 13 durch eine Vergrößerung des gasgefüllten Ringraums 7 abgesenkt bzw. die Tragkraft der Gasfeder reduziert, so kompensiert die bei abgesenkter Niveaulage angestiegene Federrate der zweiten Tragfeder 45 die reduzierte Federrate der Gasfeder 5. Im Optimum gleichen sich die gegenläufigen Federraten der Gasfeder 5 und der zweiten Tragfeder 45 aus, so dass eine möglichst konstante Gesamtfederrate zur Verfügung steht.

Mit der Figur 2 soll der technische Zusammenhang noch deutlicher dargestellt werden. Auf der Ordinate ist ein Ausschnitt des Hubwegs des Federbeins 1 dargestellt. Mit CTQ ist die Kennlinie der Federrate von der Gasfeder 5 und mit CT ₂ die Kennlinie der zweiten Tragfeder 45 bezeichnet. Eine erste Niveaulage mit einer größeren Ausschublänge der Kolbenstange 19 wird von dem Punkt H1 definiert. In der Position H2 ist die Kolbenstange 19 deutlich tiefer in das Druckrohr eingefahren. Wie man aus der Darstellung entnehmen kann, verlaufen die Kennlinien der beiden Tragfedern tendenziell gegenläufig, so dass eine weitgehend konstante Federrate erreicht wird.

In der Ausgestaltung nach der Figur 3 wird ein im Vergleich zur Fig. 1 unverändertes Kolben-Zylinderaggregat 1 mit einer zweiten Tragfeder 45 kombiniert, die zumindest zwei Bereiche 51 ; 53 mit unterschiedlichen Drahtdurchmessern aufweist. Ein geringerer Drahtdurchmesser bei ansonsten konstantem Windungsdurchmesser führt zu einer Reduzierung der Federrate in diesem Bereich, so dass eine mit der Fig. 1 vergleichbare Federcharakteristik erreicht wird.

Die Figur 4 zeigt eine Variante, bei der die zweite Tragfeder 45 zumindest zwei Bereiche 51 , 53 mit einer unterschiedlichen Steigung der Federwindungen aufweist. Auch diese Bauform verfügt über einen progressive Federcharakteristik.

Die Fig. 5 zeigt eine Ausführung der Erfindung bei der die zweite Tragfeder 45 von zwei Einzeltragfedern 45a; 45b gebildet werden, die in Reihe angeordnet sind und die unterschiedliche wirksame Blocklängen und ggf. unterschiedliche Federraten aufweisen. Bei einer Reihenanordnung von zwei Einzelfedern ist die Gesamtfederrate CT ₂ geringer eine der Einzelfederraten CT ₂ i ; CT ₂ 2- Dadurch lässt sich über z.B. die Ansteuerung einer wirksamen Blocklänge einer der Tragfedern 45a; 45b eine Federratencharakteristik mit einem Knickpunkt realisieren. In diesem Knickpunkt nimmt die Steigung der Federrate für die zweite Tragfeder 45 zu. Die wirksame Blocklänge kann bei einer Schraubendruckfeder über die Auflage der Windungen erreicht werden, so dass zwischen den Windungen kein Restfederweg zur Verfügung steht. Neben einer Schraubendruckfeder 45b wird eine Einzeltragfeder 45a in der Bauform eines Elastomerkörpers vorgeschlagen. Dieser Elastomerkörper kann z. B. einen zelligen Aufbau mit einer geringeren Federrate als die Einzeltragfeder in der Bauform der Schraubendruckfeder 45b aufweisen. Mit der Figur 6 soll verdeutlicht werden, dass die wirksame Blocklänge nicht unbedingt der mechanischen Blocklänge der zweiten Tragfeder 45 entsprechen muss, bei der die Windungen unmittelbar zur Auflage kommen. Dazu verfügt die Ausführung nach der Fig. 6 über ein Sperrelement 55, das zwischen den beiden Einzeltragfedern 45a; 45b angeordnet ist. Dabei spielen die Bauformen der beiden Einzeltragfedern 45a; 45b keine Rolle.

Das Sperrelement 55 verfügt über einen Zwischentellerbereich 57, an dessen beiden Deckseiten sich die beiden Einzeltragfedern 45a; 45b abstützen. Des Weiteren weist das Sperrelement 55 ein Profilbauteil 59 auf, das in diesem Ausführungsbeispiel von einer Hülse gebildet wird. Das Profilbauteil 59 verfügt über eine Anschlagfläche 61 , die einen Minimalabstand zwischen dem Federteller 49 der Einzeltragfeder 45a und dem Zwischentellerbereich 57 definiert. Der Minimalabstand stellt die wirksame Blocklänge der betreffenden Einzeltragfeder 45a dar. Daraus ergibt sich, dass die wirksame Blocklänge und die tatsächliche Blocklänge der Einzeltragfeder 45a nicht identisch sein müssen.

Wenn das Sperrelement 55 auf dem Federteller 49 zur Anlage kommt und damit wirksam ist, dann ist die eingeschlossene Einzeltragfeder 45a an der weiteren Einfe- derung bzw. der weiteren Tragkraftsteigerung der zweiten Einzeltragfeder 45b nicht mehr beteiligt. Folglich ist es sinnvoll, wenn die sperrbare Einzeltragfeder 45a eine geringere Federrate aufweist als die permanent eine Federbewegung ausführende zweite Einzeltragfeder 45b.

Bezuqszeichen hydropneumatisches Federbein 61 Anschlagfläche

Kolben-Zylinder-Aggregat 45a erste Einzeltragfeder

Gasfeder 45b zweite Einzeltragfeder

Ringraum

Zylinder

Ringmembran

Hochdruckbereich

Druckrohr

Kolben

Kolbenstange

kolbenstangenseitiger Arbeitsraum

kolbenstangenferner Arbeitsraum

Anschlussöffnung

Kolbenventil

Kolbenventil

Pumpenstange

Steuerhülse

Pumpenkammer

Rückschlagventil

Rückschlagventil

Steueröffnung

Niedrigdruckbereich

zweite Tragfeder

Federteller

Federteller

Bereich

Bereich

Sperrelement

Zwischentellerbereich

Profilbauteil