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Luftfederung mit hydraulischer Kraftübertragung
An die Federung von neuzeitlichen Kraftfahrzeugen werden immer grössere Anforderungen gestellt.
Gewünscht wird eine weiche Federung mit geringer Schwingungszahl (rund 70 S/min). Bei der Federung soll sich die Eigenschwingungszahl nicht ändern, was eine bestimmte Progressivität der Federung voraussetzt. Bei manchen Federungsarten sind daher wirksame Schwingungsdämpfer erforderlich, um die unangenehme Schaukelbewegung des Fahrzeuges zu vermeiden.
Nach den Erfahrungen entspricht die Luftfederung wohl allen Anforderungen einer modernen Fahrzeugabfederung in möglichst wirksamer Weise, da sie eine solche Progressivität möglich macht, bei der die Schwingungszahl der Federung dauernd konstant bleibt. Dabei ist die Luft leicht, billig und unvernichtbar. Doch bereitet die Abdichtung des Kolbens bei der Luftfederung bedeutende Schwierigkeiten. Es hat sich gezeigt, dass eine noch so gute Kolbenabdichtung bei längerer Stehdauer des Fahrzeuges Luft durchlässt.
Man ist daher auf solche Bauarten übergegangen, bei welchen der Kolben mittels einer Flüssigkeit abgedichtet wird. Es wurde jedoch selbst in solchen Fällen keine absolute Dichtheit erzielt. Eine befriedigende Lösung ergibt ausschliesslich die hermetisch in einem elastischen Behälter, z. B. in Form einer Luftflasche eingeschlossene Luft. Es ist natürlich schwierig, für die Luft einen solchen Behälter herzustellen, der hohe Drücke aushält und dabei genügend elastisch ist. Da bei der bisherigen Luftfederung keine Innendämpfung eintritt, müssen wirksame Dämpfer vorgesehen werden.
Es sind wohl schon Arten hydropneumatischer Federung bekannt, bei welchen der sich im Zylinder bewegende Kolben das Öl (Flüssigkeit) in eine Kammer verdrängt, wo vermittels einer Membrane ein bestimmtes Volumen von Luft (Gas) getrennt gehalten wird, das als Feder wirkt. Bei diesen Konstruktionen ist jedoch die Stopfbüchse des Kolbens oder der Kolbenstange dem vollen Öldruck ausgesetzt, was hohe Anforderungen an die Stopfbüchse stellt, und man muss dabei mit einer bestimmten Undichtheit rechnen.
Der Ölverlust beeinflusst jedoch die Funktion der Federung ziemlich stark und es ist eine öftere Kontrolle und Nachfüllung des Öles erforderlich.
Es sind noch weitere Kombinationen von hydraulischen Stossdämpfern mit pneumatischer Federung bekanntgeworden, bei welchen die Flüssigkeit zwischen dem Kolben und dem federnden Luftpolster Drosselventile durchfliesst und dadurch eine Dämpfung der Schwingungen erzielt wird. Zu Dämpfungzwecken wird manchmal auch der Raum unter dem Kolben benützt, wie dies bei hydraulischen Dämpfern üblich ist. Auch in diesem Falle ist jedoch die Stopfbüchse der Kolbenstange hohen Drücken ausgesetzt, die ungefähr den Drücken der federnden Luft gleichkommen.
Bei den bekannten Arten von hydropneumatischen Federungen kann ausserdem im Falle einer durch Ölverlust auftretenden Undichtheit das Volumen im Federungsabteil, ohne Demontage oder Auslassen des Öles, nicht festgestellt und ein eventuell durch Undichtheit auftretender Lnftverlust durch Kontrolle des Luftdruckes nicht bestimmt bzw. die entwichene Luft nicht entsprechend ersetzt werden.
Das Neuheitsmerkmal der vorliegenden Erfindung beruht in der Anwendung einer Luftfederung mit hydraulischer Kraftübertragung, wo in jedem einzelnen Federungselement nebst einer Flüssigkeits-Vorrats- kammer eine besondere Reglerpumpe angeordnet ist, deren Kolben parallel mit dem Hauptkolben und mit diesem zwangsläufig verbunden ist, wobei ihre Ventile und Überströmkanäle ihren Zylinderraum einerseits mit dem Hauptzylinderraum und anderseits mit der Flüssigkeits-Vorratskammer verbinden, all dies zwecks selbsttätiger Aufrechterhaltung beider Kolben in einer gewählten Mittellage und somit
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des Fahrzeugs in einer konstanten gewählten Höhe über der Fahrbahn, unabhängig von dessen Belastung.
Dabei kann das ganze Federungselement zu einer konzentrisch zum Hauptkolben angeordneten gleichachsigen, baulich gedrängten Einheit zusammengefasst werden, bei der gleichzeitig auch die Kolbenundichtheit selbsttätig beseitigt wird.
Die selbsttätige Einhaltung der Kolbenmittellage ist ganz vorteilhaft bei Schwinghalbachsen, wobei die günstige Neigung zur Fahrbahn bei allen Belastungen des Fahrzeuges eingehalten werden kann. Auch ändert sich bei dieser Federungsart die Bodenfreiheit des Fahrzeuges mit seiner Belastung nicht.
Beim unbelasteten Fahrzeug lässt sich durch automatische Änderung des Verdichtungsverhältnisses eine weichere Federung erzielen ; umgekehrt beim vollbelasteten Fahrzeug.
Es sind zwar bereits Luftfedersysteme mit selbsttätiger Einstellung der Fahrzeughöhe bekannt, bei ihnen wird jedoch eine zentrale motorangetriebene Pumpe verwendet, welche die Flüssigkeit oder Luft in allen Federungselementen nachfüllt. Dies erfordert komplizierte Rohrleitungen, Drucksamrnler, Ventile und einen Motor zum Antrieb der Pumpe. Demgegenüber befindet sich beim Erfindungsgegenstand in jedem einzelnen Federungselement eine selbständige Pumpe, die durch Bewegung der Achse bei Fahrt (Federung) angetrieben wird, und es ist daher weder ein Motor zum Antrieb der Pumpe noch sind Rohrleitungen zu einem zentralen Sammler oder zu einer Druckquelle erforderlich.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden an Hand eines auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles des Erfindungsgegenstandes erläutert.
In der Zeichnung ist in einem Achsschnitt ein Zylinder 1 veranschaulicht, in welchem sich der mittels einer Hochdruckgummiabdichtung 3, Büchse 4 und Gummiring 5 abgedichtete Differentialkolben 2 bewegt. Der Raum oberhalb des Kolbens ist mittels Öffnungen 6 mit dem zylindrischen Raum zwischen
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Zylinder 9 einschliesst. Diese Luft steht unmittelbar mit der gerippten Wand eines Zylinders 9 in Berührung, wodurch eine gute Kühlung gewährleistet wird. Die Öffnungen in der Einlage 7 werden durch
Stahlblechzungen 10 abgedeckt.
Der Raum unter dem Differentialkolben dient zu Dämpfungszwecken und ist mit dem Raum über dem Kolben durch ein Ventil 11 verbunden, welches mit kleinem Widerstand Flüssigkeit unter den
Kolben 2 durchlässt, wobei die Flüssigkeit in der entgegengesetzten Richtung über den Kolben gebremst wird und die Rückbewegung des Differentialkolbens in wirksamer Weise abdämpft.
Bei der Aufwärtsbewegung des Differentialkolbens 2 wird die Flüssigkeit aus dem Raum über dem
Kolben verdrängt und strömt durch die Öffnungen 6 in den Raum unter der Zylindereinlage 7 und dringt durch die Öffnungen in dieser Einlage bis zum Luftrohr 8 vor, welches die federnde Luft von der Flüssig- keit trennt. Die Deckzungen 10 der Öffnungen in der Einlage 7 sitzen infolge ihrer Elastizität in der normalen Stellung nicht gegen die Öffnungen an und ermöglichen so den Flüssigl itsdurchfluss in beiden
Richtungen. Nur in der äussersten Ausschubstellung des Differentialkolbens 2 sitzt das Luftrohr 8 bis auf die Zylindereinlage 7 an und drückt die Zungen 10 auf die Öffnungen, so dass das Luftrohr durch den hohen Luftdruck nicht in diese Öffnungen eingedrückt werden kann.
Ein Teil der Flüssigkeit fliesst durch ein Ventil 11 unter den Differentialkolben 2 und dient. zur Dämpfung. Einer höheren Kolbenlage entspricht sonach ein höherer Druck der Flüssigkeit (Luft), so dass der Druckzuwachs mit der Kolbenbahn progressiv verläuft und sich durch das Verdichtungsverhältnis, d. i. das Verhältnis des Luftvolumens in der unteren und in der oberen Lage des Kolbens 2 regeln lässt.
Der hohe Druck im Arbeitszylinder 1 wird einerseits durch die Hochdruckabdichtung 3 und anderseits durch die Büchse 4 abgedichtet. Die trotzdem über diese Abdichtung 3 und die Büchse 4 entweichende Flüssigkeit sammelt sich in einer Kreisnut 12 an und gelangt sodann über Kanäle 13 und 14 in eine
Vorratskammer 15. Der Gummiring 5 ist somit bloss dem hydrostatischen Druck der Flüssigkeit in der
Vorratskammer 15 ausgesetzt. Ein Schutzbalg 16 verhindert das Eindringen von Verunreinigungen zum unteren Teil des Differentialkolbens 2.
Die selbsttätige Haltung des Differentialkolbens 2 in der Mittellage besorgt eine im Deckel des ) Zylinders 1 untergebrachteReglerpumpe. Im Körper 17 dieser Pumpe ist ein Kanal 19 vorgesehen, welcher den Raum über dem Reglerkolben 18 mit der Vorratskammer 15 verbindet. Ein zweiter Kanal 20 mündet unmittelbar in den Raum des Arbeitszylinders 1 ein. Im oberen Teil der Pumpe sind ein Saugventil 21 und ein Druckventil 22 angeordnet.
Bewegt sich nun der Differentialkolben 2 mit dem Reglerkolben 18 bei der Federung in kleinen Amplituden um die Mittellage, so strömt die den ganzen Innenraum ausfüllende Flüssigkeit aus dem
Raum über dem Kolben 18 durch den Kanal 19 in die Vorratskammer 15 oder zurück. Falls der Ausschlag
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Air suspension with hydraulic power transmission
Ever greater demands are placed on the suspension of modern motor vehicles.
A soft suspension with a low number of vibrations (around 70 bpm) is desired. With the suspension, the natural frequency should not change, which requires a certain progressivity of the suspension. With some types of suspension, effective vibration dampers are therefore required to avoid the uncomfortable rocking motion of the vehicle.
Experience has shown that air suspension meets all the requirements of a modern vehicle suspension in the most effective way possible, since it enables such a progressiveness in which the number of vibrations of the suspension remains constant. The air is light, cheap and indestructible. However, the sealing of the piston in air suspension creates significant difficulties. It has been shown that even the best piston seal allows air to pass if the vehicle is stationary for a long time.
There has therefore been a move to such designs in which the piston is sealed by means of a liquid. However, absolute tightness was not achieved even in such cases. A satisfactory solution results exclusively in the hermetically sealed in an elastic container, e.g. B. trapped air in the form of an air bottle. It is of course difficult to produce such a container for the air that can withstand high pressures and is sufficiently elastic at the same time. Since no internal damping occurs with the previous air suspension, effective dampers must be provided.
There are probably already known types of hydropneumatic suspension in which the piston moving in the cylinder displaces the oil (liquid) into a chamber, where a certain volume of air (gas) is kept separated by means of a membrane and acts as a spring. In these constructions, however, the stuffing box of the piston or the piston rod is exposed to the full oil pressure, which places high demands on the stuffing box, and a certain amount of leakage must be expected.
However, the loss of oil has a considerable influence on the function of the suspension and it is necessary to check and refill the oil more often.
Other combinations of hydraulic shock absorbers with pneumatic suspension have become known, in which the liquid flows through throttle valves between the piston and the resilient air cushion, thereby damping the vibrations. The space under the piston is sometimes used for damping purposes, as is usual with hydraulic dampers. In this case, too, however, the stuffing box of the piston rod is exposed to high pressures that are approximately equal to the pressures of the resilient air.
With the known types of hydropneumatic suspension, in the event of a leak due to oil loss, the volume in the suspension compartment cannot be determined without dismantling or draining the oil, and any loss of air due to a leak cannot be determined by checking the air pressure or the escaped air cannot be determined accordingly be replaced.
The novelty feature of the present invention is based on the use of an air suspension with hydraulic power transmission, where a special regulator pump is arranged in each individual suspension element in addition to a liquid storage chamber, the piston of which is in parallel with the main piston and inevitably connected to it, with its valves and Overflow channels connect their cylinder space on the one hand with the main cylinder space and on the other hand with the liquid storage chamber, all of this for the purpose of automatically maintaining both pistons in a selected central position and thus
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of the vehicle at a constant selected height above the road, regardless of its load.
The entire suspension element can be combined to form a coaxial, structurally compact unit arranged concentrically to the main piston, in which the piston leakage is also automatically eliminated at the same time.
The automatic maintenance of the piston center position is very advantageous with oscillating half-axles, whereby the favorable inclination to the road surface can be maintained with all loads on the vehicle. With this type of suspension, the ground clearance of the vehicle does not change with its load.
With an unloaded vehicle, a softer suspension can be achieved by automatically changing the compression ratio; vice versa with a fully loaded vehicle.
Air spring systems with automatic adjustment of the vehicle height are already known, but they use a central motor-driven pump which refills the liquid or air in all suspension elements. This requires complicated piping, pressure collectors, valves and a motor to drive the pump. In contrast, the subject matter of the invention has an independent pump in each individual suspension element, which is driven by moving the axle while driving (suspension), and therefore neither a motor to drive the pump nor pipelines to a central collector or to a pressure source are required.
Further details, features and advantages of the invention are explained using an exemplary embodiment of the subject matter of the invention shown in the drawing.
In the drawing, a cylinder 1 is illustrated in an axial section, in which the differential piston 2, sealed by means of a high-pressure rubber seal 3, bushing 4 and rubber ring 5, moves. The space above the piston is by means of openings 6 with the cylindrical space between
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Cylinder 9 includes. This air is in direct contact with the ribbed wall of a cylinder 9, which ensures good cooling. The openings in the insert 7 are through
Sheet steel tongues 10 covered.
The space below the differential piston is used for damping purposes and is connected to the space above the piston by a valve 11, which with little resistance liquid under the
Piston 2 lets through, the liquid being braked in the opposite direction over the piston and the return movement of the differential piston dampened in an effective manner.
With the upward movement of the differential piston 2, the liquid is from the space above the
The piston displaces and flows through the openings 6 into the space under the cylinder insert 7 and penetrates through the openings in this insert to the air tube 8, which separates the resilient air from the liquid. The cover tongues 10 of the openings in the insert 7 do not sit against the openings due to their elasticity in the normal position and thus enable the liquid to flow through both
Directions. Only in the extreme extended position of the differential piston 2 does the air tube 8 sit down on the cylinder insert 7 and press the tongues 10 onto the openings so that the air tube cannot be pushed into these openings by the high air pressure.
Part of the liquid flows through a valve 11 under the differential piston 2 and is used. for damping. A higher piston position corresponds to a higher pressure of the liquid (air), so that the pressure increase is progressive with the piston path and is determined by the compression ratio, i.e. i. the ratio of the air volume in the lower and upper position of the piston 2 can be regulated.
The high pressure in the working cylinder 1 is sealed on the one hand by the high pressure seal 3 and on the other hand by the sleeve 4. The liquid escaping through this seal 3 and the sleeve 4 collects in a circular groove 12 and then passes through channels 13 and 14 into a
Storage chamber 15. The rubber ring 5 is thus only the hydrostatic pressure of the liquid in the
Larder 15 exposed. A protective bellows 16 prevents contaminants from entering the lower part of the differential piston 2.
The automatic holding of the differential piston 2 in the central position is done by a regulator pump housed in the cover of the cylinder 1. In the body 17 of this pump, a channel 19 is provided which connects the space above the regulator piston 18 with the storage chamber 15. A second channel 20 opens directly into the space of the working cylinder 1. A suction valve 21 and a pressure valve 22 are arranged in the upper part of the pump.
If the differential piston 2 with the regulator piston 18 moves around the central position in small amplitudes during the suspension, the liquid that fills the entire interior flows out of the
Space above the piston 18 through the channel 19 into the storage chamber 15 or back. If the rash
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