DE10237703A1 - Blockierbares hydropneumatisches Federsystem mit automatischer Anpassung an unterschiedliche Fahrergewichte und Fahrbahntypologie - Google Patents

Abstract

Bisherige Schwingen-Luftfederungen für Fahrräder sind nach dem Prinzip einfach wirkender Pneumatikzylinder aufgebaut, d. h. der Kraft einleitende Kolben wirkt auf die vorgespannte Luftsäule. Vorrichtungen zur Stoßdämpfung sind dem nachgeschaltet. DOLLAR A Die Neuerung 1 vermeidet die daraus erwachsenden Nachteile, indem der Kraft einleitende großflächige Kolben auf die in diesem Bereich inkompressible Ölsäule wirkt. Das Öl durchfließt einen Regelblock mit großflächigen Steuer- und Rückschlagventilen und wirkt in einem zweiten Zylinder auf einen Trennkolben, hinter dem sich die federnde Luftsäule befindet. Auf diese Weise wird Kavitation der Ölsäule in allen Betriebszuständen der Federung sicher vermieden und eine Strömungsblockierung, sprich Federungsblockierung, ist gegenüber dem Stand der Technik bei erheblich reduzierten Drücken möglich. DOLLAR A Neuerung 2 in der Neuerung 1: Über spezielle Kanalisierung wird der Ausgangsdruck im Kopfraum des Ölzylinders nur bei völlig ausgefahrener Kolbenstange gleich dem Ausgangsdruck im Luftzylinder. DOLLAR A Neuerung 3, die in die Neuerung 1 integriert werden kann: Eine Luftausgleichspumpe sorgt bei großen Federbewegungen dafür, dass zusätzliche Luftmengen in die Arbeitsluftsäule, nicht aber in den Kopfraum des Ölzylinders gelangen. Nehmen die Federbewegungen aufgrund des dann erhöhten Druckes ab, wird keine weitere Luft nachgefüllt.

Description

• Federungen finden zunehmend in Fahrrädern aller Art Einsatz. Gut ausgelegte Federungen einschließlich entsprechender Dämpfungen verbessern in allen Fahrzeugen durch konstanteren Bodenkontakt die Fahrsicherheit. Die vertikalen Beschleunigungen auf die gefederte Masse, im Falle des Fahrrades also überwiegend den Fahrer, werden verringert und somit subjektiv und objektiv der Fahrkomfort erhöht. Durch eingeleitete Schwingungen und stochastische Stöße auf ungefederten Fahrrädern hervorgerufene gesundheitliche Beeinträchtigungen der Fahrer und strukturelle Schäden an den Fahrrädern werden aufgrund von Federungen minimiert. Das macht sich insbesondere beim Fahren mit Fahrrädern für den sportlichen Einsatz positiv bemerkbar.
• Während noch vor wenigen Jahren das Augenmerk fast ausschließlich Federgabeln galt, werden heute Fahrräder für den sportlichen Einsatz mehr und mehr vollgefedert ausgeführt. Dadurch werden der Bodenkontakt und die Fahrsicherheit weiter erhöht. Hinterradfederungen gewinnen damit zunehmend an Bedeutung, wobei der erhöhte Bodenkontakt und die damit erhöhte Fahrsicherheit im Wettbewerbsfahren sogleich in höhere Geschwindigkeiten umgesetzt werden kann.
• Verwendung finden zur Schwingenfederung häufig althergebrachte Stahlspiralfedern mit ölhydraulischer Dämpfung und linearen Verformungskennlinien. Daneben gibt es auch Elastomerfedern mit progressiven Federkennlinien und materialspezifischen Dämpfungen. Immer häufiger finden sich aber für den Einsatz in sportlichen Fahrrädern Luftfederungen mit ölhydraulischen Stoßdämpfern. Ausschlaggebend für die Luftfederentwicklungen ist deren erheblich geringeres Gewicht. Auch die Weiterentwicklung der heute ausgefeilten Dichtungstechnik spielt eine wichtige Rolle.
• Kennzeichnend für die heute vermarkteten Luftfederungen für Fahrräder ist quasi die Standardausführung der bekannten einfach wirkenden Pneumatikzylinder (siehe auch einschlägige Literatur). Bei diesen wie auch den Luftfederungen wird die Kraft mechanisch mittels Kolbenstange und mit der Kolbenstange fest verbundenem Kolben auf das vorgespannte Luftpolster im Zylinderraum übertragen. Der Zylinder ist mittels Dichtelement(en) zwischen Kolbenstange und Durchführung an seinem Kopfende gegenüber der Außenluft ebenso abgedichtet, wie der federnde Luftkörper vom gegen die Zylinderwand gedichteten Kolben.
• Je nach Anlenkung der Federvorrichtung zwischen Hinterradschwinge und Rahmen können Übersetzungen entstehen, die in den Luftzylindern relativ hohen Druck erfordern. Trotz der häufig hohen Drücke weisen fast alle Luftfederungen gegenüber der Stahlspiralfeder und deren linearer Federcharakteristik eine anfänglich eine der Adiabaten entsprechende verhältnismäßig flache Federkennlinie auf, die erst im Verlauf und gegen die maximale Einfederung hin eine wünschenswerte Progression entwickeln.
• Wie erwähnt sind fast allen der heute erhältlichen Luftfederungen ölhydraulische Stoßdämpfer traditioneller Bauart zugeordnet (s. a. Jörnsen Reimpell: Fahrwerktechnik Stoßdämpfer, Vogel- Buchverlag, Würzburg, ISBN 3-8023-0719-4, beschrieben sind Stoßdämpfer für Kraftfahrzeuge, deren Prinzip für Fahrräder jedoch gleich ist). Diese sind für beste Wirksamkeit den Luftzylindern parallel geschaltet. Sie sind wie die Luftzylinder mechanisch angelenkt und können von diesen völlig getrennt angeordnet, aber auch konzentrisch innerhalb der oder aufgesetzt auf die Luftzylinder sein. Aufgesetzte Stoßdämpfer können beispielsweise parallel zum Arbeitszylinder angeordnet sein, aber auch in linearer Verlängerung desselben.
• Je nach Bauart kann sich im Kolbenstangenraum innerhalb des Zylinders, also zwischen Kolben und Zylinderoberteil, beim Einfedern eine störende Zone äußerst geringen Luftdrucks (Vakuum) ergeben. Dem wird entgegen gewirkt, indem auch dieser Raum mit geeignetem Druck beaufschlagt wird. Mit entsprechend höherem Arbeitsdruck muss in solchen Fällen kompensiert werden; das Druckniveau im Arbeitszylinder und im Kopfraum des Zylinders wird also zur Vermeidung des Vakuums angehoben.
• Der Wunsch nach geringsten Gewichten und Baumaßen nötigt die Techniker, möglichst kleine, leichte Federelemente zu entwickeln. Das fördert die häufig notwendigen hohen Übersetzungen von Fahrradschwingenfederungen. Daraus ergeben sich, wie oben beschrieben, hohe Arbeitsdrücke in den Luftzylindern. Dementsprechend stellen sich nach vorheriger Einfederung verhältnismäßig hohe Ausfedergeschwindigkeiten ein, denen die Ölsäulen der hydraulischen Stoßdämpfer je nach Auslegung und Einstellung nicht in allen Konstruktionen folgen können. Es kommt zu deutlich hörbarer nicht erwünschter Kavitation mit entsprechendem Kavitationsschlag - und in diesem Zustand völlig fehlender Dämpfung.
• Sodann wird immer häufiger darauf geachtet, dass Federungen von Fahrrädern für den sportlichen Einsatz in bestimmten Fahrzuständen, insbesondere dem Wiegetritt, gänzlich blockiert werden können. Der Wiegetritt kennzeichnet den Fahrzustand, bei dem das Fahrrad in den Pedalen stehend gefahren wird. Dabei tritt durch den Einsatz des Körpergewichts Ein- und Ausfedern der Federelemente auf. Ohne Dämpfung, d. h. ohne Stoßdämpfer, können sich im Wiegetritt Aufschaukelungen ergeben, die nicht erwünscht sind.
• Beim bevorzugt ungedämpften Einfedern wird Energie im Federsystem gespeichert, die beim ungedämpftem Ausfedern vollständig zurückgewonnen werden könnte. Beim Ausfedern wirkt jedoch in verlässlichen Federsystemen zusätzlich der Stoßdämpfer, der die vormals gespeicherte Energie nach vorgegebener Regulierung vernichtet (in nicht rückgewinnbare Wärme umwandelt), um einen höheren Bodenkontakt zu erzielen.
• Um in Fahrzuständen wie dem Wiegetritt möglichst wenig Energie zu verlieren, verlangen, wie erwähnt, viele Sportfahrer die Möglichkeit des völligen Blockierens der Federung. Das kann im Falle des Einsatzes ölhydraulischer Stoßdämpfer auf einfache Weise durch das Schließen der Ventile im Stoßdämpfer erreicht werden. Ist jede Bewegung des Dämpferöls verhindert, so kann dies eine wirkungsvolle Blockierung der Federung erzielen.
• Da die Stoßdämpfer nach dem Stand der Technik aus Gewichts- und Kostengründen regelmäßig wesentlich kleinere Arbeitsflächen aufweisen, als die Luftzylinder, denen sie zugeordnet sind, entstehen in den Stoßdämpfern und ihren Regeleinrichtungen bei Schließen der Ventile Drücke, die aufgrund der für Fahrräder leichten Bauweise nicht leicht beherrscht werden. Undichtigkeiten und Stoßdämpferausfall sind die Folge.
• In der hier vorgestellten Neuerung, einer neuartigen hydropneumatischen Federung, wird die über die Kolbenstange und den Kolben eingeleitete Kraft direkt auf die Ölsäule übertragen, welche ihrerseits auf einen Trennkolben wirkt, hinter dem sich die Federluftsäule befindet. Jedwede Vakuumbildung im Kopfraum der Zylinder (im Kolbenstangenraum) als auch der geschilderte Kavitationsschlag wird vermieden. Die bis zur Blockierung regulierbare Dämpfungswirkung bleibt darüber hinaus in allen Fahrzuständen uneingeschränkt erhalten. Durch ihr Wirkprinzip und einen größeren Ölkolben gestattet die Neuerung bei der gewünschten Federungsblockierung drastisch niedrigere Systemdrücke im Stoßdämpfer. Die Gefahr von Undichtigkeiten ist alleine schon wegen der geringeren Systemdrücke sehr viel niedriger.
• Eine weitere ebenfalls hier vorgestellte Neuerung, die in die bereits genannte neue spezielle hydropneumatische Federung integriert werden kann, ist eine automatische Arbeitsdruckanpassung, welche die anfängliche Luftfüllung der Federluftsäule sowohl selbsttätig auf unterschiedliche Fahrergewichte einstellt als auch auf die jeweilige Fahrbahntypologie und den Fahrstil des Fahrers.
• Letztere zusätzliche Neuerung, die automatische Druckanpassung, ist grundsätzlich nicht an die hier vorgestellte spezielle hydropneumatische Federung gebunden und kann in unterschiedlichster Ausführung in Luftfederungen anderer Bau- und Wirkungsweise eingesetzt werden.
• Die hier vorgestellte neuartige hydropneumatische Federung besteht im Wesentlichen aus zwei über verschiedene Kanäle und Ventile verbundenen Zylindern, die beliebig zueinander angeordnet sein können. Bevorzugt werden die Zylinder wegen der geringeren Einbaulänge parallel zueinander oder ineinander angeordnet. In einer weiteren bevorzugten Bauart befinden sich die Zylinder hintereinander, ggf. in einem einzigen Zylinderrohr mit in dieser Bauweise zwischen den Zylindern liegendem Kanal- und Regelblock. Die neue Federung eignet sich in der erstgenannten kurzen Bauart mit parallel zueinander oder ineinander angeordneten Zylindern wegen ihrer geringen Baulänge besonders gut für Schwingenfederungen mit hohen Übersetzungen.
• Anders als bei den Luftfederungen nach dem Stand der Technik übertragen bei der Neuerung Kolbenstange und Kolben die aufzunehmenden Kräfte nicht direkt auf die vorgespannte Luft, sondern statt dessen auf die Ölsäule. Kolbenstange und der groß dimensionierte Ölkolben im 1. Zylinder, dem Ölzylinder der Neuerung, übertragen die Kraft auf die Ölsäule. Die Ölsäule wirkt über Kanäle und Ventile in einem 2. Zylinder, dem Luftzylinder der Neuerung, auf einen Trennkolben auf dessen anderer Seite sich der vorgespannte, federnde Luftkörper befindet.
• Ventile regeln den Ölfluss bei der Ein- und der Ausfederung. Werden die Ventile geschlossen, so ist der Ölfluss blockiert, die Ölsäule kann nicht auf den Trennkolben und den Luftkörper wirken, jede Federbewegung ist verhindert. Eine Federblockierung wird im Gegensatz zum Stand der Technik wegen der wesentlich größeren Kolbenflächen bei drastisch geringeren Kräften erzielt. Die geringeren Drücke/Kräfte gestatten bei einfacherer Bauweise gleichzeitig höhere Funktionssicherheit.
• Beim Ausfedern drückt die dann hochgespannte Luftsäule im Luftzylinder den Trennkolben und das dahinter befindliche Öl über die genannten Kanäle und Ventile zurück in den Ölzylinder und schiebt dort die Kolbenstange aus dem Ölzylinder. Die Ölsäule steht also zu jedem Zeitpunkt, d. h. beim Ein- und Ausfedern, unter Druck. Kavitation oder gar Kavitationsschlag sind in dieser Art des Betriebs ausgeschlossen. Die bis zur Blockierung regelbare Dämpfungswirkung bleibt in allen Betriebszuständen uneingeschränkt erhalten.
• Die Befüllung des Luftzylinders mit Druckluft erfolgt über ein Füllventil, mit dem auch der für den jeweiligen Fahrer, ggf. auch die Fahrbahntypologie und den Fahrstil notwendige Druck vor Beginn der Fahrt eingeregelt wird. Zur Vermeidung des Vakuums im Kopfraum = Kolbenstangenraum des Ölzylinders wird dieser Raum angemessen mit Luft versehen. Der Druck in diesem Kopfraum kann ebenfalls über ein Füllventil geregelt werden, aber auch mittels der in der Neuerung enthaltenen konstruktiven Mittel.
• In letzterer bevorzugten Bauart wird die Luftfüllung des Ölzylinder-Kopfraumes der neuen hydropneumatischen Federung automatisch geregelt. Dazu ist die Kolbenstange hohl gebohrt und trägt nahe dem Ölkolben zwei über die zentrale Hohlbohrung verbundene Radialbohrungen. Über diese drei Bohrungen sowie die spezielle Konstruktion des gesondert gedichteten Überströmraums ergibt sich bei voll ausgefahrener Kolbenstange eine Verbindung zwischen Ölzylinderkopfraum und der Luftsäule des Luftzylinders und damit Druckausgleich zwischen Luft- und Ölzylinder. Für die erste geringfügige Einfederung wirkt als Federkraft also nur die Fläche der Kolbenstange multipliziert mit dem Druck der Federluft. Erst nach geringfügiger Einfederung, d. h. nach geringem Einfahren der Kolbenstange und damit geringfügigem Verschieben der Lage der Radialbohrungen, werden die genannten Lufträume getrennt. Ein weiterer Druckausgleich zwischen dem Federluftkörper und dem Kopfraum des Ölzylinders ist nicht möglich. Neben dem Druckausgleich bewirkt diese automatische Druckregelung überraschend ein erheblich verbessertes Ansprechverhalten der Federung.
• Beim weiteren Einfedern wirkt nun als Federkraft der steigende Druck der vorgespannten Luftsäule minus des fallenden Luftdrucks im Ölzylinder multipliziert mit der Kolbenfläche im Ölzylinder. Öl wird vom Ölzylinder in den Luftzylinder gedrängt, wirkt auf den Trennkolben und wird diesen entsprechend verschieben. Der Druck im Federluftkörper steigt an, während der Druck im Kopfraum des Ölzylinders abfällt, wegen des Anfangsdruckes und in Abhängigkeit vom Anfangsvolumen aber nicht zum Teilvakuum wird. Als Federkraft wirkt bis auf geringe Reibung der Lager und Dichtungen der jeweilige Druck im Luftzylinder multipliziert mit der Fläche des Ölkolbens, wenn man den geringen Luftdruck im Ölzylinder vernachlässigt.
• Die zweite hier vorgestellte Neuerung ist eine kleine für Luftfederungen vorgesehene Luftausgleichspumpe, deren besondere Wirkung mit auf dem Flächenverhältnis von Luftförderkolben zu Federungshauptkolben basiert. Als Folge von großen Federbewegungen werden jeweils geringe Luftmengen komprimiert und in die Federluftsäule verbracht. Auf diese Weise passt sich eine solchermaßen ausgerüstete Luftfederung automatisch den aus Fahrergewicht, Fahrstil und Fahrbahntypologie bestehenden Fahrbedingungen an und unterstützt das Vermeiden von möglichem Durchschlagen der Federung. Hat der Luftdruck in der Federluftsäule aufgrund des wiederholten Pumpvorganges ein höheres Niveau erreicht, so werden die entsprechend auftretenden Federbewegungen automatisch kleiner und es erfolgt keine weitere Nachförderung von komprimierter Luft in den Federluftkörper. Das System hat sich auf einem erhöhten Druckniveau selbsttätig stabilisiert.
• Die Luftausgleichspumpe kann mit eigenen Anlenkungen an die zu federnden Elemente ausgerüstet ansonsten aber vom Luftfederzylinder getrennt eingebaut werden und ist in dieser Einbauart mit dem Luftzylinder nur über entsprechende Kanäle verbunden. In einer bevorzugten Bauweise ist die genannte zweite Neuerung, die Luftausgleichspumpe, in die hohlgebohrte Kolbenstange der Luftfederung integriert. In der bevorzugten Bauweise wird die Kolbenstange zum Außenmantel der Luftausgleichspumpe.
• Anders als bekannte Luftpumpen saugt die Neuerung Luft durch ein Filter und ein Rückschlagventil in den Kompressionsraum. Beim Verdichten der Luft öffnet sich ein zweites Rückschlagventil im Kolben der Neuerung in Abhängigkeit vom auf der Kolbenrückseite herrschenden Druck und entlässt die komprimierte Luft in die Federluftsäule.
• Wird die neuartige Luftausgleichspumpe in der neuen hydropneumatischen Federung eingesetzt, so ist der vorgenannte Luftförderkolben spindelartig ausgeführt und axial beweglich. Die spindelartige Bauweise sowie die axiale Verschiebbarkeit sorgen für eine eindeutige Zuführung der komprimierten Luft in den Federluftkörper. Die oben bereits beschriebene Luftfüllung des Kopfraumes des Ölzylinders bleibt bei dieser Ausführung nach der Erstbefüllung konstant.
• Das Wirkprinzip der Neuerungen ist aus den Abbildungen und den nachfolgenden Beschreibungen ersichtlich:
• Abb. 1 zeigt eine Schnittzeichnung der neuen hydropneumatischen Federung mit selbsttätiger Druckangleichung zwischen dem Federluftkörper im Luftzylinder und dem Kopfraum des Ölzylinders in vollständig ausgefedertem Zustand
• Abb. 2 zeigt eine Schnittzeichnung der neuartigen hydropneumatischen Federung ohne selbsttätige Druckanpassung in vollständig ausgefedertem Zustand
• Abb. 3 zeigt eine auf die neuartige hydropneumatische Federung abgestimmte Luftausgleichspumpe mit spindelartigem Kolben im Schnitt
• Abb. 4 zeigt die in die Kolbenstange integrierte neuartige Luftausgleichspumpe in einer einfachen Luftfederung in Schnittzeichnung.
• In den folgenden Beschreibungen werden Rundschnurdichtungen und Lager nach dem Stand der Technik als bekannt vorausgesetzt und nicht gesondert beschrieben. Dasselbe gilt für Ventile, Rückschlagventile, Kanäle und Leitungen, soweit sie nicht dargestellt sind. Ihre Positionen sind aus den Abbildungen und der Beschreibung klar erkennbar.
• Die neue hydropneumatische Federung (Abb. 1, 2, 3) wird hier in einer der bevorzugten Bauarten mit zwei aufeinander aufgesetzten Zylindern, dem Ölzylinder (1) und dem Luftzylinder (2), vorgestellt. Der Ölkolben (3) hat in diesem Falle denselben Durchmesser wie der Trennkolben (4) und ist naturgemäß mit der Kolbenstange (5) verbunden. Der Trennkolben (4) trennt die vorgespannte Federluft (20) von der Kraft übertragenden Ölsäule (21). Öl- und Luftzylinder (1 und 2) sind mittels gedichteter Deckel (22a, 22b, 22c, 22d) geschlossen. Die Deckel sind mit Gewindeüberwurfringen (24) in ihrer Lage gesichert.
• Ölzylinder (1) und Luftzylinder (2) sind bodenseitig mit in einem Regelblock (15) verbunden. Die darin enthaltenen Kanäle, Ventile und Rückschlagventile, alle mit großem Querschnitt, entsprechen dem Stand der Technik und werden daher nur anhand ihrer Funktionen beschrieben. Ölzylinder (1) und Luftzylinder (2) sind auch kopfseitig mit einem Kanal (16) verbunden. Der Boden (22a) trägt auch das Luftfüllventil (17a). Ein solches Ventil kann auch in den Boden (22d) integriert werden (in Abb. 2 dargestellt).
• Die Stillstands-, Feder-, und Dämpfungsabläufe der neuen hydropneumatischen Federung sind folgend beschrieben:
  Im Luftzylinder (2) wird mittels des Luftventils (17a) die Federluftsäule (20) auf den gewünschten Druck gebracht. Bei vorgespannter Luftfüllung (20) im Luftzylinder (2) und unbelastetem Fahrrad, d. h. voller Ausfederung, gelangt die Luft (20) über den Kanal (16) in den gedichteten Überströmraum (12) des Ölzylinders (1), von dort durch die Radialbohrung (11a), die hohlgebohrte Kolbenstange (5) und die Radialbohrung (11b) in den Kopfraum (18) des Ölzylinders (1). Nun wirkt als Federkraft nur der Luftdruck multipliziert mit der Fläche der Kolbenstange, da Druckgleichheit zwischen den beiden Zylindern (1 und 2) besteht. Beim Einfedern werden die Bohrungen (11a, 11b) in den Kopfraum des Ölzylinders (1) verschoben und damit der Druckausgleich zwischen Luftraum (20) und Kopfraum (18) des Ölzylinders (1) unterbunden. Im Kopfraum (18) des Ölzylinders (1) ist an diesem Punkt des Federweges aufgrund der Dimensionierung des Überströmraumes (12) eine ausreichende Luftmenge, um auch bei vollständiger Einfederung gegenüber der Außenluft einen geringen Überdruck im Kopfraum (18) des Ölzylinder (1) zu gewährleisten.
• Das bei der Einfederung aus dem Ölzylinder (1) verdrängte Öl strömt im Regelblock (15) durch einen großflächigen Kanal und ein großes, blockierbares Rückschlagventil weiter in den Luftzylinder (2), schiebt dort den Trennkolben (4) vor sich her und komprimiert die hinter dem Trennkolben (4) befindliche Luft (20) weiter. Solchermaßen höher komprimierte Luft kann zwar über den Kanal (16) den Überströmraum (12) erreichen, nicht aber den Kopfraum (18) des Ölzylinders (1), weil die verbindenden Bohrungen (11a und 11b) sich bereits im Kopfraum (18) des Ölzylinders (1) befinden. Beim Ausfedern schiebt die im Luftraum (20) komprimierte Luft den Trennkolben (4) und das auf dessen anderer Seite befindliche Öl zurück in den Ölzylinder (1). Das genannte Rückschlagventil im Regelblock (15) schließt bei der Bewegungsumkehr automatisch. Daher muss das vom Luftpolster (20) aus dem Luftzylinder (2) in den Ölzylinder (1) zurück gedrückte Öl auf seinem Weg durch den Regelblock (15) durch ein die Dämpfung regulierendes, einstellbares Ventil strömen. Die Steuerung dieses Regelventils kann auf einfache Weise von der Lenkstange des Fahrrades aus vorgenommen werden. Wird dieses Regelventil geschlossen und gleichzeitig das Rückschlagventil blockiert, so ist Ölbewegung in beiden Strömungsrichtungen verhindert und jede Federbewegung damit ausgeschlossen. Standardmäßig werden heute Ventile der unterschiedlichsten Art angeboten, mit welchen die Dämpfung bei Ein- und/oder Ausfedern geregelt werden können, bis hin zur völligen Blockierung der Federung in beiden Richtungen.
• Da in völlig ausgefahrenem Zustand der Kolbenstange als Federkraft nur der Druck der Federluftsäule multipliziert mit der Fläche der Kolbenstange wirkt, kann das völlige Ausfahren der Kolbenstange durch innenliegende oder außenliegende Federn nach dem Stand der Technik unterstützt werden.
• Abb. 2 verdeutlicht eine hydropneumatische Federung gemäß Neuerung ohne den selbsttätigen Druckausgleich über den Kanal 16, die Bohrungen (11a und 11b), die hohle Kolbenstange (5). Die Luftbefüllung des Kopfraumes (18) des Ölzylinders (1) wird durch das Ventil (17b) vorgenommen. Ansonsten ist die Ausführung der gezeigten Federung identisch mit Abb. 1.
• Der Aufbau der Luftausgleichspumpe bei Einsatz in einer hydropneumatischen Federung gemäß Neuerung ist in Abb. 3 dargestellt:
  Die hohl gebohrte Kolbenstange (5) ist der Außenmantel der Luftausgleichspumpe. Das Befestigungsauge (6a) trägt ein mit einem inneren Sackloch (31) verbundenes Gewinderohr (30). Dem Pumpenkompressionsraum (32) sind ein Filter (33) und ein Rückschlagventil (34) vorgeschaltet. Der Spindelkolben (26) ist nach innen und außen abgedichtet und trägt an der Rückseite der oberen Kolbenscheibe ein Rückschlagventil (35). Die axiale Beweglichkeit des Spindelkolbens ist durch eine Endsicherung und einen Anschlag der Pumpenkolbenstange (25) begrenzt. Der Ölkolben (3) ist gegen die Pumpenkolbenstange (25) gedichtet. Die Pumpenkolbenstange (25) ist am zweiten Auge (6b) der hydropneumatischen Federung befestigt.
• In der Nähe des Ölkolbens (3) trägt die Kolbenstange (5), wie weiter oben bereits beschrieben, zwei Radialbohrungen (11a und 11b), die so angeordnet sind, dass sie zusammen mit dem Kolbenraum (36) bei voll ausgefahrener Kolbenstange (5) den Überströmraum (12) mit dem Kopfraum (18) des Ölzylinders (1) verbinden (s. a. ähnliche Ausführung aber ohne Luftausgleichspumpe Seite 8, Zeile 6 ff). Auf der Pumpenkolbenstange (25) ist der spindelförmige Kolben (26) axial verschiebbar so plaziert, dass seine dem Ölkolben (3) nahe Dichtung bei voll ausgefahrener Arbeitskolbenstange (5) zwischen den Bohrungen (11a und 11b) steht, also eine Verbindung der Räume (20, 12 und 18) nicht besteht.
• Bei erstmaliger Befüllung des Luftzylinders (2) mit Druckluft über das Ventil (17) bleibt der Spindelkolben (26) in ausgefahrenen Position stehen. Dementsprechend erfolgt kein Druckausgleich zwischen den Räumen (20, 12 und 18). Ein solcher Druckausgleich wird erst erzielt, wenn am Gewinderohr (30) durch Anlegen einer Druckluftquelle der Spindelkolben (26) an seinen unteren Anschlag an der Pumpenkolbenstange (25) bewegt wird. Dann sind die Räume (20, 12 und 18) über die Bohrungen (11a und 11b) sowie den Spindelkolbenraum (36) verbunden und es erfolgt Druckausgleich.
• Die Luftbefüllung der Raume (20, 12 und 18) kann bei erreichen des Druckes, der für den Kopfraum (18) vorgesehen ist, zunächst abgebrochen werden. Dazu wird auch die Steuerluft am Gewinderohr (30) entfernt. Danach wird kurz ein- und wieder vollständig ausgefedert. Dadurch wird der Spindelkolben (26) aufgrund der Reibung zwischen den Dichtungen und der Kolbenstange (5) sowie dem nun auch zwischen Ölkolben (3) und Spindelkolben (26) wirkenden Druck wieder völlig nach oben fahren und die Verbindung zwischen den Räumen (20, 12 und 18) unterbrechen. Jede weitere Befüllung des Raumes (20) keine Auswirkung auf den Kopfraum (18). Auf diese Weise kann der Druck im Kopfraum (18) auf das notwendige Minimum beschränkt werden.
• Soll dagegen im Kopfraum (18) derselbe Druck herrschen, wie im Raum (20), so kann die Befüllung des Systems auch über das Gewinderohr (30) vorgenommen werden. In diesem Falle schiebt der angelegte Druck den Spindelkolben (26) an seinen unteren Anschlag, das System wird gefüllt und nach einmaliger Einfederung werden die Räume (12 und 18) sicher getrennt. Jedes weitere Nachfüllen durch die Luftpumpe wirkt sich ausschließlich auf die Arbeitsluft in Raum (20) aus.
• Dasselbe gilt für die jeweils entstehenden Luftausgleichsmengen, die bei großen Federbewegungen entstehen. Bei großen Einfederungen wird Luft im Pumpenkompressionsraum (25) komprimiert und in Abhängigkeit vom dort herrschenden Druck in den Spindelkolbenraum (26) gefördert. Im Spindelkolbenraum (26) herrscht bei voll ausgefahrener Kolbenstange (5) über die Bohrung (11a) Verbindung mit Raum (12) und dementsprechend der Arbeitsdruck der Luftsäule. Nach entsprechender Einfederung ist Luft dieses Drucks quasi im Spindelkolbenraum eingesperrt. Zusätzliche Luftmengen aus dem Kompressionsraum (25) können nur eintreten, wenn der Druck größer ist. Die Volumina der beteiligten Komponenten sind für diese Fälle berechnet.
• Werden die Federbewegungen nach einer Zahl von Förderstößen der Luftausgleichspumpe geringer, so wird keine Luft mehr gefördert; die hydropneumatische Federung wird nicht weiter aufgepumpt. Das System hat sich auf Fahrergewicht, Fahrbahntypologie und Fahrstil eingeregelt.
• Abb. 4 zeigt eine Luftausgleichspumpe in einem einfachen für Federungen ausgelegten Luftzylinder. Auch hier ist in der bevorzugten Bauweise die Kolbenstange hohlgebohrt und bildet den Außenmantel der Luftpumpe. Unter dem Anlenkauge ist ein Filter angeordnet, welchem in Richtung des Kompressionsraumes ein Rückschlagventil zugeordnet ist. Auch der Kolben der Luftförderpumpe trägt rückseitig ein Rückschlagventil. Die Kolbenstange der Luftausgleichspumpe ist im Gehäuseboden bzw. dem zweiten Anlenkauge befestigt.
• Die Arbeitsweise dieser einfacheren Luftausgleichspumpe gemäß Abb. 5 ist wie folgt:
  Luft wird beim Ausfedern z. B. durch die Bohrungen (50), das Filter (51) und das Rückschlagventil (52) in die hohlgebohrte Kolbenstange (53) gesaugt. Dort wird sie komprimiert und tritt je nach den Druckverhältnissen, die hinter dem Luftförderkolben (54) herrschen durch den Kolben (54) und das Rückschlagventil (55) in den Arbeitsraum (56).
• Große Ein- und Ausfederbewegungen erzeugen entsprechende Fördervolumina, die je nach herrschenden Druckverhältnissen in den Arbeitsraum gefördert werden. Werden die Federbewegungen aufgrund der Nachfüllarbeit geringer, ist mit keiner weiteren Füllung mehr zu rechnen. Das System hat sich auf Fahrergewicht, Fahrbahntypologie und Fahrstil eingeregelt.

Claims (7)

1. Hydropneumatisches Federsystem für Fahrräder nach Abb. 1, bestehend aus einem Ölzylinder (1) mit Kolbenstange (5) und Ölkolben (3), verbunden über einen Regelblock (15), in welchem ein blockierbares Rückschlagventil großen Querschnitts sowie ein Regelventil den jeweiligen Ölfluss regeln, mit einem Luftzylinder (2) mit verschiebbaren Trennkolben (4) und einem auf dem Deckel (22a) befindlichen Ventil (17a) zur Druckluftzuführung in den Raum (20) des Luftzylinders (2), einem im Deckel (24d) befindlichen, volumenmäßig auf den Kopfraum (18) abgestimmten Überströmraum (12) der vom Ventil (17a) bzw. Luftraum (20) über Kanal (16) mit Druckluft befüllt werden kann dadurch gekennzeichnet, dass Ölkolben (3) und Trennkolben (4) annähernd gleiche Flächen aufweisen und dass die hohlgebohrte Kolbenstange (5) nahe dem Ölkolben (3) zwei so auf den Zylinderkopf (22d) abgestimmte Bohrungen (11a und 11b) trägt, dass nur bei voll ausgefahrener Kolbenstange (5) der Raum (20) über Kanal (16) mit den Räumen (12 und 18) verbunden ist und selbst eine geringe Verbringung der Kolbenstange (5) in den Ölzylinder (1) den Überströmraum (12) vom Kopfraum (18) trennt.

2. Hydropneumatisches Federsystem für Fahrräder nach Abb. 2, bestehend aus einem Ölzylinder (1) mit Kolbenstange (5) und Ölkolben (3), verbunden über einen Regelblock (15), in welchem ein blockierbares Rückschlagventil großen Querschnitts sowie ein Regelventil den jeweiligen Ölfluss regeln, mit einem Luftzylinder (2) mit verschiebbaren Trennkolben (4) und einem auf dem Deckel (22a) befindlichen Ventil (17a) zur Druckluftzuführung in den Raum (20) des Luftzylinders (2) und einem im Zylinderkopf (22d) befindlichen Ventil (17b) zur getrennt geregelten Druckluftzuführung zum Kopfraum des Ölzylinders (1) dadurch gekennzeichnet, dass der Ölkolben (3) und der Trennkolben (4) annähernd gleiche Flächen aufweisen.

3. Luftausgleichspumpe nach Abb. 3 zur Arbeitsdruckerhöhung in Luftfedersystemen für Fahrräder, bestehend aus hohlgebohrter Kolbenstange (5) mit Ansaugöffnung(en) (30), Luftreinigungsfilter (33), Rückschlagventil (34), einem auf der Pumpenkolbenstange (25) axial beweglichem Spindelkolben (26) mit Rückschlagventil (35) und die Axialbewegung des Spindelkolbens(26) begrenzenden Anschlägen dadurch gekennzeichnet, dass bei völlig ausgefahrener Kolbenstange (5) und Positionierung des Spindelkolbens (26) am oberen Anschlag die gedichtete untere Scheibe des Spindelkolbens (26) zwischen den Bohrungen (11a und 11b) steht.

4. Hydropneumatisches Federsystem für Fahrräder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftausgleichspumpe nach Anspruch 3 integriert ist.

5. Hydropneumatisches Federsystem für Fahrräder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (5) nur eine Bohrung (11a) trägt, und dass eine Luftausgleichspumpe nach Anspruch 3 integriert ist, deren Spindelkolben axial nicht verschiebbar ist.

6. Luftausgleichspumpe zur Arbeitsdruckerhöhung in Luftfedersystemen für Fahrräder gemäß Abb. 4, bestehend aus einem Zylinderrohr (53), in welche Luftansaugbohrungen (50), Luftfilter (51) und ein Rückschlagventil (52) eingebracht sind und in das die Pumpenkolbenstange (57) und der Kolben (54) ragen und dessen Kolben (54) rückseitig ein weiteres Rückschlagventil (55) trägt dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderrohr die hohle Kolbenstange (53) des Luftzylinders ist.

7. Hydropneumatisches Federsystem für Fahrräder nach Anspruch 1, 2, 4, 5 dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise innen- und/oder außenliegende Zug- und/oder Druckfedern das Ausfedern des Systems unterstützen.