DE3904071C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Federbein für Fahrzeuge.

Zahlreiche Konstruktionen von Federbeinen in Aufhängungssystemen von Fahrzeugen sind bekannt. In solchen Federbeinen wird Druckluft oder Druckgas verwendet, um die Relativbewegung zwischen Rad und Fahrzeugchassis zu dämpfen. Bei anderen Konstruktionen von Federbeinen werden Federeinheiten aus Elastomermaterial verwendet, die Flüssigkeitskammern abgrenzen und die Dämpfung bewirken. Einige Federbeinkonstruktionen enthalten eine Kombination aus Federeinheiten mit Elastomermaterial, Druckgas und unter Druck stehender Flüssigkeit. Bei einigen Federbeinkonstruktionen werden eine starke Auslenkung, eine weiche Federcharakteristik und maximale Zuladungswerte angestrebt.

Bei einem aus der US-PS 36 58 314 bekannten Federbein sind die Funktionen eines Stoßdämpfers und einer Druckfeder miteinander kombiniert. Das Federbein weist ein inneres rohrförmiges Teil und ein äußeres rohrförmiges Teil auf, das zum inneren Teil koaxial ist. Jedes dieser rohrförmigen Teile bildet eine zugehörige Fluidkammer, in der ein Fluid enthalten ist. Ein Ventilelement unterteilt die zu dem äußeren rohrförmigen Teil gehörende Fluidkammer in zwei Kammerabteile. Durch Öffnungen kann das Fluid zwischen der zu dem inneren rohrförmigen Teil gehörenden Fluidkammer und einem Kammerabteil der Fluidkammer strömen, welches zu dem äußeren rohrförmigen Teil gehört. Weiterhin weist das Federbein zwei im unbelasteten Zustand kegelförmige Elastomer-Federteile auf, die hintereinander entlang der mittleren Längsachse des Federbeins angeordnet sind. Die Elastomer-Federteile sind von verschiedener Federkonstante. Das eine Elastomer-Federteil ist an dem inneren rohrförmigen Teil befestigt und zwischen diesem sowie dem äußeren rohrförmigen Teil angeordnet. Das andere Elastomer-Federteil ist an dem äußeren rohrförmigen Teil und an einem angrenzenden Teil befestigt.

Wenn eine Relativbewegung zwischen dem inneren und dem äußeren rohrförmigen Teil auftritt, wird das Elastomer-Federteil zwischen den rohrförmigen Teilen zusammengedrückt oder gedehnt, je nach Richtung der Relativbewegung der rohrförmigen Teile. Durch diesen Vorgang strömt Fluid zwischen den verschiedenen Fluidkammern durch die Öffnungen hindurch. Eine Fluidströmung entsteht auch durch das Ventilelement hindurch zwischen den zwei Kammerabteilen, die zu dem äußeren rohrförmigen Teil gehören. Die volumetrische Beziehung zwischen den verschiedenen Fluidkammern verändert sich, wenn diese Fluidströmungen aufgebaut sind. Im Ergebnis wird die Energie aus der Relativbewegung zwischen den rohrförmigen Teilen absorbiert, so daß die Dämpfung eintritt.

Ein weiteres Federbein ist aus der US-PS 39 55 807 bekannt und enthält einen Zylinder und einen Kolben, der in dem Zylinder in Axialrichtung beweglich ist. Der Zylinder und der Kolben bilden zwei Fluidkammern, die miteinander in Fluidverbindung stehen. Das Federbein enthält ferner eine Federeinheit mit einer pneumatischen Federkammer und einer dritten Fluidkammer, die in Fluidverbindung mit der ersten Fluidkammer steht. Eine Elastomer-Membran trennt die pneumatische Federkammer und die dritte Fluidkammer voneinander. Eine scheibenförmige Elastomer-Feder ist in der dritten Fluidkammer angeordnet.

Wenn das Federbein auf Druck beansprucht wird, bewegen sich Zylinder und Kolben relativ zueinander. Der Fluiddruck in allen drei Fluidkammern nimmt zu. Wenn der Fluiddruck in der dritten Fluidkammer über einen vorbestimmten Wert ansteigt, so verformen sich sowohl die Elastomer-Membran als auch das Elastomer-Federteil entsprechend. Die Elastomer-Membran wird entgegen dem Druck in der pneumatischen Federkammer zusammengedrückt, um die Energie aus der Druckbeanspruchung zu absorbieren und so die Dämpfung zu bewirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Federbein zur Verwendung in Aufhängungssystemen von Fahrzeugen dahingehend weiterzubilden, daß eine steuerbare Federcharakteristik erreicht wird, um nach Bedarf eine hohe Auslenkung, eine weiche Federcharakteristik und eine hohe Zuladungskapazität zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Federbein gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Wenn bei einer Ausführungsform des Federbeins mit zwei Elastomer-Federelementen eine Relativbewegung der Fahrzeugteile auftritt, zwischen denen das Federbein angeordnet ist, so werden die Elastomer-Federelemente entweder zusammengedrückt und axial deformiert oder gedehnt, je nach der Richtung der Relativbewegung. Gleichzeitig strömt Fluid zwischen der Vorratskammer und den beiden Fluidkammern, um die erste und die zweite Gaskammer entweder zu komprimieren oder zu entspannen, je nach Richtung der Relativbewegung.

Die Fluidströmung in die erste Fluidkammer bewirkt eine Kompression in der ersten Gaskammer, während die Fluidströmung aus der ersten Fluidkammer heraus zu einer Entspannung der ersten Gaskammer führt. Die Fluidströmung in die Vorratskammer hinein führt zu einer Kompression in der zweiten Gaskammer, während eine Fluidströmung aus der Vorratskammer hinaus zu einer Entspannung in der zweiten Gaskammer führt. Die Bewegung der Federbeinteile, d. h. die dadurch erzeugten Fluidströmungen zwischen den zwei Fluidkammern und der Vorratskammer, die Kompression oder Entspannung in der ersten Gaskammer und die Kompression oder Entspannung in der zweiten Gaskammer, führen über die Steuerung der Drosselwirkung der Strömungswege zu Dämpfungswirkung bzw. Absorption der Energie aus der Relativbewegung zwischen den Fahrzeugteilen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Federbeins ist ein elektrorheologisches Fluid ist in den Fluidkammern angeordnet. Mehrere leitfähige Ringe, die an eine elektrische Stromquelle anschließbar sind, sind im Strömungsweg zwischen der ersten Fluid-Arbeitskammer und der Vorratskammer angeordnet. Wenn die leitfähigen Ringe an die elektrische Stromquelle angeschlossen sind, wird ein elektrisches Feld über das Fluid aufgebaut. Die Viskosität dieses elektrorheologischen Fluids ändert sich in Abhängigkeit von der Größe des elektrischen Feldes, das in dem Fluid wirkt.

Wenn die Viskosität des Fluids verändert wird, ändert sich die Federkonstante des einen Federelements entsprechend. Wenn die Viskosität des Fluids zunimmt, nimmt auch die Dämpfung des Federbeins zu. Entsprechend nimmt die Dämpfung ab, wenn die Viskosität des Fluids abnimmt. Die Feder- und Dämpfungscharakteristik des Federbeins können also, ansprechend auf das angelegte elektrische Feld, verändert und gesteuert werden.

Während eines Hubs unter Druckbeanspruchung werden die zwei Elastomer-Federteile axial deformiert, um die Energie aus der Relativbewegung zu absorbieren und die Dämpfung zu bewirken. Die Federelemente weisen vorzugsweise verschiedene Federkonstanten auf und erstrecken sich unter einem Winkel zur Richtung der Relativbewegung. Weiterhin bewegen sich beide Federteile über eine Mittelpunktlage hinaus, wenn der unter Druckbeanspruchung stattfindende Hub eine entsprechende Größe aufweist. Ein solches Federteil befindet sich jeweils unmittelbar vor der Bewegung über die Mittelpunktlage hinaus in einem Zustand maximalen Widerstandes gegenüber der Relativbewegung der zwei Fahrzeugteile. Nachdem ein Federteil über diese Mittelpunktlage hinaus bewegt worden ist, nimmt der Federwiderstand gegenüber der Relativbewegung der zwei Fahrzeugteile ab.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Fernsteuerungssensoren vorgesehen, um elektrische Signale zu liefern, welche den Zustand der Straße anzeigen, auf der sich das Fahrzeug bewegt. Diese elektrischen Signale können auch eine Anzeige der Fahrzeugbeschleunigung, Fahrzeuggeschwindigkeit oder des Druckes im Bremssystem umfassen und werden zur Steuerung der Mittel zur Beeinflussung der Federkonstante herangezogen.

Einzelheiten einer Ausführungsform der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Federbeines für Fahrzeuge zwischen dem Fahrzeugaufbau und einem Fahrzeugrad;

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht des in Fig. 1 gezeigten Federbeins;

Fig. 3 einen Längsschnitt, der das in Fig. 1 gezeigte Federbein im eingefederten Zustand;

Fig. 4 einen Längsschnitt eines Teils des in Fig. 1 ge­ zeigten Federbeins, wobei ein Elastomer-Federteil in zentrierter Stellung gezeigt ist;

Fig. 5 einen Längsschnitt eines Teils des in Fig. 1 ge­ zeigten Federbeins, wobei das andere Elastomer-Fe­ derteil in einer zentrierten Stellung dargestellt ist;

Fig. 6 einen Längsschnitt des Federbeins nach Fig. 1 im ausgefederten Zustand; und

Fig. 7 ein Diagramm, welches die Auslenkungscharakteristik des Federbeins nach Fig. 1 unter Druckbeanspruchung zeigt.

Die beschriebene und in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform eines Federbeines 10 ist für die Verwendung in einem Fahrzeug-Auf­ hängungssystem bestimmt.

Das Federbein 10 ist zwischen einem Rahmenteil 12 des Fahr­ zeugs und einer Radeinheit 14 des Fahrzeugs angeordnet. Das Federbein 10 enthält einen Zylinder 16 und einen Kolben 17, der an eine hohle Kolbenstange 18 angeschlossen ist. Diese Kolbenstange 18 erstreckt sich teleskopartig in den Zylinder 16 hinein. Dieser Zylinder 16 ist an die Radeinheit 14 ange­ schlossen. Die Kolbenstange 18 ist an das Rahmenteil 12 über eine Montageeinheit 19 angeschlossen.

Ein Lagerteil 20 (Fig. 1 und 2) aus Polytetrafluoräthylen oder einem anderen geeigneten Material, das reibungsarm gute Gleiteigenschaften bietet, ist an einem Ende des Zylinders 16 befestigt. Ein Lagerteil 22 aus glei­ chem Material ist an den Kolben 16 angeschlossen. Die zwei Lagerteile 20, 22 führen die relative Axialbewegung zwischen Zylinder 16 und Kolben 17.

Der Zylinder 16 bildet eine Fluid-Arbeitskammer. Der Kolben 17 unterteilt diese Fluid-Arbeitskammer in zwei Fluidkammern 24, 26. Der Kolben 17 weist einen Fluidkanal 30 auf, der eine Fluidverbindung zwischen der Fluidkammer 24 und der Fluidkammer 26 herstellt. Die Fluidkammer 24 (Fig. 1) steht in Fluidverbindung mit einer Fluidquelle 25 über einen Fluid­ kanal 28 am oberen Ende des Federbeines und der hohlen Kol­ benstange 18.

Das Federbein 10 enthält ferner ein Verbindungsteil 32, das den ersten Zylinder 16 koaxial umgibt. Der Zylinder 16 und das Verbindungsteil 32 bilden eine Fluidkammer 34. Das eine Ende des Verbindungsteils 32 bildet eine erste Nabe 36, die konzentrisch und koaxial zum Zylinder 16 liegt. Die Innen­ oberfläche der ersten Nabe 36 bildet einen Fluidkanal 38. Das andere Ende des Zylinders 32 bildet eine zweite Nabe 40, die konzentrisch und koaxial zum Zylinder 16 liegt.

Ein Lagerteil 42 (Fig. 1 und 2) aus Polytetrafluoräthylen stellt eine feste radiale Beziehung zwischen dem Zylinder 16 und dem Verbindungsteil 32 her. Dieses Lagerteil 42 an der zweiten Nabe 40 läßt eine Gleitbewegung zwischen Zylinder 16 und Verbindungsteil 32 zu. Im mittleren Bereich des Verbin­ dungsteils 32 umgibt ein Lagerteil 44 aus Polytetrafluor­ äthylen das eine Ende des Zylinders 16. Dieses Lagerteil 44 stellt eine feste radiale Beziehung zwischen dem Zylinder 16 und dem Verbindungsteil 32 her. Der Zylinder 16 und das Ver­ bindungsteil 32 bilden eine zweite Fluidkammer 23, die über einen Fluidkanal 21 in dem Zylinder 16 in Fluidverbindung mit der Fluidkammer 26 steht.

Das Federbein 10 (Fig. 1) enthält ferner ein erstes Elasto­ mer-Federteil 46 und ein zweites Elastomer-Federteil 48. Je­ des Federteil umgibt die Kolbenstange 18, den Zylinder 16 und das Verbindungsteil 32 koaxial. Jedes Federteil ist fer­ ner ringförmig und erstreckt sich unter einem Winkel zur Richtung der Relativbewegung zwischen Kolben 17 und Zylinder 16. Der Innenumfang des ersten Federteils 46 ist mechanisch oder durch chemischen Verbund an der ersten Nabe 36 des Ver­ bindungsteils 32 fluiddicht befestigt. Der Außenumfang des ersten Federteils 36 ist mechanisch oder durch chemischen Verbund fluiddicht mit einem ersten Gehäuse 50 verbunden.

Dieses erste Gehäuse 50 und das erste Federteil 46 bilden eine Kammer. Eine erste, blasenartige Wandung 52 aus Elasto­ mermaterial ist in dieser Kammer angeordnet, um sie in zwei Kammerabteile 54, 56 zu unterteilen. Das eine Kammerabteil 54 bildet eine erste Gaskammer, die durch die Wandung 52 und eine Kappe 51 begrenzt ist, welche an dem ersten Gehäuse 50 befestigt ist. Diese Kappe 51 ist an der Montageeinheit 19 des Federbeins fest angebracht. Das andere Kammerabteil 56 ist eine Fluidkammer, welche durch das erste Gehäuse 50, die Wandung 52 und das erste Federteil 46 begrenzt wird. Die Fluidkammer 56 steht über einen Fluidkanal 58 in der Kolben­ stange 18 mit der Fluidkammer 24 in Fluidverbindung. Die Fluidkammer 56 steht gleichfalls mit der Fluidkammer 34 über den Fluidkanal 38 in Fluidverbindung.

Der Innenumfang des zweiten Federteils 48 ist mechanisch oder durch chemischen Verbund an der zweiten Nabe 40 des Verbindungsteils 32 fluiddicht befestigt. Der Außenumfang des zweiten Federteils 48 ist mechanisch oder durch chemi­ schen Verbund an einem zweiten Gehäuse 60 fluiddicht befe­ stigt. Dieses zweite Gehäuse 60 und das zweite Federteil 48 bilden eine Fluidkammer 62, die über einen Fluidkanal 64 in dem Zylinder 16 in Fluidverbindung mit der Fluidkammer 24 steht.

Das Federbein 10 umfaßt ferner ein drittes Gehäuse 66, das sich in dem mittleren Teil des Federbeins 10 befindet. Die­ ses dritte Gehäuse 66 ist fest an dem Verbindungsteil 32 an­ gebracht. Eine zweite blasenartige Wandung 68 aus Elastomer­ material unterteilt das dritte Gehäuse 66 in zwei Kammern 70, 72. Diese Kammer ist eine zweite Gaskammer, welche durch die zweite Wandung 68 und die Außenwand des dritten Gehäuses 66 begrenzt ist. Die Kammer 72 ist eine Fluid-Vorratskammer, welche durch die zweite Wandung 68 und die Innenwandung des dritten Gehäuses 66 begrenzt ist. Die Vorratskammer 72 steht über einen Fluidkanal 74 in dem dritten Gehäuse 66 und dem Verbindungsteil 32 in Fluidverbindung mit der Fluidkammer 23. Die Vorratskammer 72 steht ferner mit der Fluidkammer 34 über einen Fluidkanal 76 in dem dritten Gehäuse 66 und dem Verbindungsteil 32 in Fluidverbindung.

Mehrere leitfähige Ringe 78 sind an der Innenwandung der ersten Nabe Seite an Seite angeordnet. Diese leitfähigen Ringe 78 sind elektrisch voneinander und von der ersten Nabe 36 isoliert. Die leitfähigen Ringe 78 sind an den positiven Pol einer elektrischen Energiequelle 79 über einen elektri­ schen Anschluß 77 anschließbar. Der negative Pol dieser elektrischen Energiequelle 79 ist elektrisch mit der Kolben­ stange 18 über eine weitere elektrische Verbindung verbunden (nicht dargestellt).

Die leitfähigen Ringe 78 und die Kolbenstange 18 bilden zwei Elektroden. Wenn die leitfähigen Ringe 78 an die elektrische Energiequelle 79 angeschlossen sind, wird ein Spannungspo­ tential zwischen diesen Ringen 78 und der Kolbenstange 18 aufgebaut, um ein elektrisches Feld zu erzeugen. Ein elek­ trorheologisches Fluid ist in den Fluidkammern 23, 24, 26, 34, 56, 62 und 72 sowie in den Fluidkanälen 21, 28, 30, 38, 58, 64, 74 und 76 des Federbeins 10 enthalten. Das elektri­ sche Feld wirkt auf das elektrorheologische Fluid in dem Fluidkanal 38 ein. Dieses elektrische Feld ist direkt pro­ portional zur Spannung zwischen den Elektroden (Ringe 78 und Kolbenstange 18) und zur Länge der Elektroden.

Die effektive Länge der zwei Elektroden wird verändert, in­ dem die Anzahl von leitfähigen Ringen verändert wird, an welche die Spannung aus der elektrischen Energiequelle 79 angelegt wird. Die Viskosität des elektrorheologischen Fluids ist direkt proportional zu dem auf dieses Fluid einwirkenden elektrischen Feld. Wenn also entweder die Spannung aus der elektrischen Energiequelle 79 verändert wird oder aber die Anzahl von daran angeschlossenen leitfähigen Ringen 78 ver­ ändert wird, so verändert sich die Viskosität des elektro­ rheologischen Fluids entsprechend.

Wenn die Viskosität des elektrorheologischen Fluids zunimmt, nimmt der Strömungsdurchsatz in dem Fluidkanal 38 ab. Wenn hingegen die Viskosität des elektrorheologischen Fluids ab­ nimmt, so nimmt der Strömungsdurchsatz in dem Fluidkanal 38 zu. Die Steuerung der Viskosität des elektrorheologischen Fluids kommt also in der Wirkung einem Steuerventil in dem Fluidkanal 38 gleich. Die Dämpfungsrate des Federbeins 10 verändert sich mit einer Veränderung des Strömungsdurchsat­ zes in dem Fluidkanal 38. Die Dämpfungsrate des Federbeins 10 ändert sich also in Abhängigkeit von der Viskosität des Fluids in dem Fluidkanal 38. Durch Verwendung eines elektro­ rheologischen Fluids in Kombination mit den leitfähigen Rin­ gen 78 wird also ein Federbein mit variabler Dämpfungscha­ rakteristik geschaffen.

Ein Mikroprozessor 80 steuert die elektrische Energiequelle 79 und die Fluidquelle 25 ansprechend auf Signale aus ent­ fernt gelegenen Sensoren 82. Diese entfernt gelegenen Senso­ ren liefern elektrische Signale, welche den Straßenzustand anzeigen, insbesondere Schlaglöcher, Steine oder Hindernisse auf der Straße, auf die das Fahrzeug trifft. Zu den Signalen können auch Anzeigesignale für die Fahrzeugbeschleunigung, Fahrzeuggeschwindigkeit oder den Druck im Bremssystem gehö­ ren. Ansprechend auf die Signale aus den entfernt gelegenen Sensoren 82 liefert der Mikroprozessor 80 Ausgangssignale für die Steuerung der elektrischen Energiequelle 79. Durch Steuerung der elektrischen Energiequelle 79 wird die Visko­ sität des elektrorheologischen Fluids gesteuert. Die Feder- und Dämpfungscharakteristik des Federbeins 10 wird auf diese Weise gesteuert. Eine Weiterbildung besteht darin, daß der Gasdruck in der ersten Kammer 54 in Abhängigkeit von den Si­ gnalen aus den Sensoren 82 gesteuert wird. Ferner ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, den Gasdruck in der zweiten Gaskammer 70 in gleicher Weise zu steuern.

Die Wirkungsweise des Federbeins 10 ist aus der obigen Be­ schreibung ersichtlich. Dennoch wird die Wirkungsweise nach­ stehend im einzelnen erläutert. In Fig. 1 sind die Teile des Federbeins 10 in einem Anfangszustand gezeigt, in welchem das Rahmenteil 12 und die Radeinheit 14 sich in einer norma­ len bzw. gewünschten Relativstellung zueinander befinden. Die Kolbenstange 18 und der Zylinder 16 sind relativ zuein­ ander unter Druck- und Dehnungsbeanspruchungen bewegbar, um die Relativbewegung zwischen dem Rahmenteil 12 und der Rad­ einheit 14 zu dämpfen. Die Kolbenstange 18 und der Zylinder 16 bewegen sich relativ zueinander unter Druckbeanspruchung, wenn die Teile gegeneinander bewegt werden. Die Kolbenstange 18 und der Zylinder 16 bewegen sich relativ zueinander unter Dehnungsbeanspruchung, wenn die Teile sich voneinander ent­ fernen. Die zwei Federteile 46, 48 geben nach und widerset­ zen sich der Relativbewegung zwischen Kolbenstange 18 und Zylinder 16.

Während eines Hubes des Federbeins 10 unter Druckbeanspru­ chung, ausgehend von dem in Fig. 1 gezeigten Zustand in den in Fig. 3 gezeigten Zustand, werden Kolbenstange 18 und Zy­ linder 16 teleskopartig in Axialrichtung ineinandergeschoben. Ein solcher Hub unter Druckbeanspruchung tritt auf, wenn das Fahrzeugrad auf eine Erhebung oder ein Hindernis auf der Straße trifft. Während eines solchen, unter Druckbeanspru­ chung stattfindenden Hubes treten verschiedene Wirkungen gleichzeitig auf. Die Radeinheit 14 bewegt sich zu dem Rah­ menteil 12 hin. Da das erste Gehäuse 50 fest an dem ersten Teil 12 über die Kappe 51 und die Montageeinheit 19 ange­ bracht ist, bewegt sich die Radeinheit 14 zu dem ersten Ge­ häuse 50 hin. Das erste Federteil 46 wird in Axialrichtung deformiert und zwischen dem ersten Gehäuse 50 und dem Ver­ bindungsteil 32 gequetscht.

Während das erste Federteil 46 zwischen dem ersten Gehäuse 50 und dem Verbindungsteil 32 gequetscht und axial deformiert wird, nimmt das Volumen in der Fluidkammer 56 ab. Hierdurch nimmt der Fluiddruck in der Fluidkammer 56 zu. Der erhöhte Druck in der Fluidkammer 56 bewirkt, daß das Fluid aus der Fluidkammer 56 in die Fluidkammer 34 verdrängt wird und durch den Fluidkanal 38 strömt. Das Fluid gelangt dann durch den Fluidkanal 76 in die Vorratskammer 72.

Das Fluid in der Fluidkammer 56 wird ferner durch den Fluid­ kanal 58 in die Fluidkammer 24 verdrängt. Aus der Fluidkam­ mer 24 strömt das Fluid andererseits durch den Fluidkanal 30 in die Fluidkammer 26. Dann strömt das Fluid aus der Fluid­ kammer 26 durch den Fluidkanal 21 in die Fluidkammer 23. Schließlich strömt das Fluid aus der Fluidkammer 23 durch den Fluidkanal 74 in die Vorratskammer 72.

Während sich die Radeinheit 14 auf das erste Gehäuse 50 zu bewegt, bewegt sich das dritte Gehäuse 60 zu dem Rahmenteil 12 hin. Das zweite Federteil 48 wird in Axialrichtung defor­ miert und zwischen dem dritten Gehäuse 60 und dem Verbin­ dungsteil 32 gequetscht. Während das zweite Federteil 48 ge­ quetscht und in Axialrichtung zwischen dem dritten Gehäuse 60 und dem Verbindungsteil 32 deformiert wird, nimmt das Vo­ lumen in der Fluidkammer 62 ab. Hierdurch wird ein Druckan­ stieg in der Fluidkammer 62 verursacht. Das Fluid in der Fluidkammer 62 wird in die Fluidkammer 24 verdrängt und strömt durch den Fluidkanal 64. Das Fluid wird dann aus der Fluidkammer 24 in die Fluidkammer 26 verdrängt und strömt durch den Fluidkanal 30. Aus der Fluidkammer 26 wird das Fluid in die Vorratskammer 72 verdrängt und strömt durch den Fluidkanal 74.

Wenn das Fluid aus den Fluidkammern 56, 62 in die Vorrats­ kammer 72 strömt, bewegt sich die zweite blasenförmige Wan­ dung 68 entgegen dem Druck in der zweiten Gaskammer 70. Der Anfangsdruck in dieser zweiten Gaskammer 70 muß überwunden werden, damit die Fluidströmungen aus den zwei Fluidkammern 56, 62 in die Vorratskammer 72 erfolgen können. Die Damp­ fungswirkung und der Widerstand gegenüber der Relativbewe­ gung zwischen Rahmenteil 12 und Radeinheit 14 werden bei der Verdrängung des Fluids aus den zwei Fluidkammern 56, 62 in die Vorratskammer 72 erzeugt.

Die Dämpfungswirkung und der Widerstand gegenüber der Rela­ tivbewegung werden auch durch Zusammendrücken der ersten blasenförmigen Wandung 52 entgegen dem Gasdruck in der er­ sten Gaskammer 54 erzeugt. Die Druckzunahme in der Fluidkam­ mer 56 aufgrund des unter Druckbeanspruchung stattfindenden Hubes bewirkt, daß die erste blasenartige Wandung 52 sich entgegen dem Gasdruck in der ersten Gaskammer 54 bewegt.

Wenn das erste Federteil 46 sich in Axialrichtung um einen vorbestimmten Betrag in die in Fig. 4 gezeigte Stellung ver­ formt hat, befindet sich dieses erste Federteil 46 in seiner Mittellage. In dieser Mittellage liegt eine Linie 80, welche durch den Mittelpunkt der Ringform dieses Federteils 46 ver­ läuft, in einer Ebene, die senkrecht zur längsgerichteten zentralen Achse des Zylinders 16 ist. Das erste Federteil 46 ist am stärksten deformiert, wenn es sich in seiner Mittel­ lage befindet. Diese Deformierung des ersten Federteils 46 bewirkt eine Wölbung derselben, die in Fig. 4 dargestellt ist. Diese Wölbung ist zur Erläuterung übertrieben darge­ stellt. Unmittelbar vor der Bewegung über seine Mittellage hinaus bietet das erste Federteil 46 einen maximalen Wider­ stand gegenüber der Relativbewegung zwischen Rahmenteil 12 und Radeinheit 14.

Wenn sich das zweite Federteil 48 in Axialrichtung um einen zweiten vorbestimmten Betrag in die in Fig. 5 gezeigte Stel­ lung bewegt, so befindet es sich in seiner Mittellage. In dieser Mittellage liegt eine Linie 82, welche durch den Mit­ telpunkt der Ringform des Federteils 48 verläuft, in einer Ebene, die senkrecht zur längsgerichteten zentralen Achse des Zylinders 16 ist. Das zweite Federteil 58 ist am stärk­ sten deformiert, wenn es sich in seiner Mittellage befindet. Diese Deformierung bewirkt eine Wölbung des Federteils 48 in der in Fig. 5 gezeigten Weise. Diese Wölbung ist zum Zweck der Erläuterung übertrieben dargestellt. Unmittelbar vor seiner Bewegung über die Mittellage hinaus bietet das zweite Federteil 48 einen maximalen Widerstand gegenüber der Rela­ tivbewegung zwischen Rahmenteil 12 und Radeinheit 14.

Die Federkonstante bzw. Härte des ersten Federteils 46 ist kleiner als die des zweiten Federteils 48. Die Hubstrecke des Federteils 46 vor der Bewegung über die Mittellage hin­ aus ist größer als die entsprechende Hubstrecke, die das zweite Federteil 48 benötigt, um sich über seine Mittellage hinauszubewegen. Diese zwei Federteile 46, 48 bewegen sich also zu verschiedenen Zeitpunkten über ihre Mittellage hin­ aus, da sie verschiedene Federkonstanten aufweisen und ver­ schiedene Hubstrecken durchlaufen müssen. Die Federkonstante und Hubstrecke jeder Feder sind so gewählt, daß das zweite Federteil 48 sich über seine Mittellage hinausbewegt, bevor das erste Federteil 46 sich unter Druckbeanspruchung über seine Mittellage hinausbewegt. Nachdem sich das zweite Fe­ derteil 48 über seine Mittellage hinausbewegt hat, nimmt sein Widerstand gegenüber einer Relativbewegung zwischen Rahmenteil 12 und Radeinheit 14 ab. Nachdem das erste Feder­ teil 46 sich über seine Mittellage hinausbewegt hat, nimmt in gleicher Weise sein Widerstand gegenüber der Relativbewe­ gung zwischen Rahmenteil 12 und Radeinheit 14 ab. Nachdem beide Federteile 46, 48 sich über ihre Mittellage hinausbe­ wegt haben, wird das Federbein 10 unter Druckbeanspruchung weiter zusammengeschoben, bis es vollständig eingefedert hat, wie in Fig. 3 gezeigt, wobei die Federteile 46, 48 an dem dritten Gehäuse 66 in Anlage sind.

Während die zwei Federteile 46, 48 in Axialrichtung defor­ miert werden, strömt das in der Fluidkammer 56 enthaltene Fluid in die Vorratskammer 72. Diese Strömung des elektro­ rheologischen Fluids während des Einfederungshubes des Fe­ derbeins 10 dämpft die Relativbewegung zwischen Rahmenteil 12 und Radeinheit 14. Die Fluidströmung aus der Fluidkammer 56 in die Vorratskammer 72 wird so gesteuert, daß die Feder- und Dämpfungscharakteristik des Federbeins 10 hergestellt wird. Die Fluidströmung aus der Fluidkammer 56 in die Vor­ ratskammer 72 wird gesteuert, indem das Spannungspotential verändert wird, welches an die leitfähigen Ringe 78 angelegt wird.

Die Fluidströmungen zwischen der Fluidkammer 56 und der Fluidkammer 34 durch den Fluidkanal 38 hindurch sind am we­ nigsten behindert, wenn das Fluid seine geringste Viskosität aufweist. Wenn dies eintritt, so ist die Dämpfung des Feder­ beins 10 minimal. Bei zunehmender Viskosität des Fluids wird die Fluidströmung zwischen der Fluidkammer 56 und der Fluid­ kammer 34 zunehmend behindert. Entsprechend nimmt die Dämp­ fung des Federbeins 10 zu. Während eines Einfederungshubes wird ein elektrisches Feld auf das elektrorheologische Fluid in dem Fluidkanal 38 ausgeübt. Folglich wird die Fluidströ­ mung zwischen der Fluidkammer 56 und der Fluidkammer 34 be­ hindert, so daß die Relativbewegung zwischen Rahmenteil 12 und Radeinheit 14 gedämpft wird.

Während des Ausfederns des Federbeins 10 aus dem in Fig. 3 gezeigten Zustand in den in Fig. 1 gezeigten Zustand werden Kolbenstange 18 und Zylinder 16 teleskopartig in Axialrich­ tung auseinandergezogen. Zu Beginn der Bewegung des Feder­ beins 10 aus dem in Fig. 3 gezeigten voll eingefederten Zu­ stand heraus nimmt das Volumen in der Fluidkammer 56 und in der Fluidkammer 62 zu. Der Fluiddruck innerhalb der Vorrats­ kammer 72 bewirkt die Strömung des darin enthaltenen Fluids während des Ausfederungshubes in die zwei Fluidkammern 56, 62. Die Fluidströmung aus der Vorratskammer 72 in die zwei Fluidkammern 56, 62 durchläuft dieselben Fluidkanäle und dieselben Fluidkammern wie oben für den Einfederungshub be­ schrieben. Es ist lediglich die Strömungsrichtung entgegen­ gesetzt. Während des Ausfederungshubes bleibt das elektri­ sche Feld, welches auf das Fluid in dem Fluidkanal 38 ausge­ übt wird, erhalten.

Während des Ausfederungshubes bewegen sich ferner die zwei Federteile 46, 48 über ihre Mittellage hinaus. Da die Feder­ teile verschiedene Federhärte aufweisen und verschiedene Strecken durchlaufen müssen, bevor sie ihre Mittellage er­ reichen, bewegen sich diese Federteile 46, 48 zu verschiede­ nen Zeitpunkten über ihre Mittellage hinaus. Das erste Fe­ derteil 46 bewegt sich über seine Mittellage hinaus, bevor sich das zweite Federteil 48 über seine Mittellage hinausbe­ wegt.

Während eines Ausfederungshubes aus dem in Fig. 1 gezeigten Zustand in den in Fig. 6 gezeigten Zustand werden die Kol­ benstange 18 und der Zylinder 16 teleskopartig in Axialrich­ tung auseinandergezogen. Ein Ausfederungshub findet statt, wenn das Fahrzeugrad auf eine Vertiefung wie ein Schlagloch oder dergleichen in der Straße trifft. Auch bei einem sol­ chen Ausfederungshub treten mehrere Wirkungen gleichzeitig auf. Die Radeinheit 14 entfernt sich von dem Rahmenteil 12. Da das erste Gehäuse 50 fest über die Kappe 51 und die Mon­ tageeinheit 19 an dem Rahmenteil 12 angebracht ist, entfernt sich die Radeinheit 14 auch von dem ersten Gehäuse 50. Das erste Federteil 46 wird zwischen dem ersten Gehäuse 50 und dem Verbindungsteil 32 in Axialrichtung gedehnt.

Während das erste Federteil 46 in Axialrichtung gedehnt wird, nimmt das Volumen in der Fluidkammer 56 zu. Der Fluiddruck in der Fluidkammer 56 nimmt ab. Der Fluiddruck in der Vor­ ratskammer 72 bewirkt die Strömung des darin enthaltenen Fluids über den Fluidkanal 76 in die Fluidkammer 34. Aus der Fluidkammer 34 strömt das Fluid über den Fluidkanal 38 in die Fluidkammer 56.

Der Fluiddruck in der Vorratskammer 72 bewirkt ferner die Strömung des darin enthaltenen Fluids über den Fluidkanal 74 in die Fluidkammer 23. Aus dieser Fluidkammer 23 strömt das Fluid über den Fluidkanal 21 in die Fluidkammer 26. Das Fluid strömt dann aus der Fluidkammer 26 über den Fluidkanal 30 in die Fluidkammer 24. Schließlich strömt das Fluid über den Fluidkanal 58 aus der Fluidkammer 24 in die Fluidkammer 56.

Während sich die Radeinheit 14 von dem ersten Gehäuse 50 entfernt, entfernt sich auch das dritte Gehäuse 60 vom Rah­ menteil 12. Die zweite Federeinheit 48 wird in Axialrichtung zwischen dem dritten Gehäuse 60 und dem Verbindungsteil 32 gedehnt. Während sich das zweite Federteil in Axialrichtung dehnt, nimmt das Volumen in der Fluidkammer 62 zu.

Der Fluiddruck in der Fluidkammer 62 nimmt zu. Der Fluiddruck in der Vorratskammer 72 bewirkt das Strömen des darin ent­ haltenen Fluids durch den Fluidkanal 74 in die Fluidkammer 23. Aus der Fluidkammer 23 strömt das Fluid dann über den Fluidkanal 21 in die Fluidkammer 26. Das Fluid strömt aus der Fluidkammer 26 über den Fluidkanal 30 in die Fluidkammer 24. Über den Fluidkanal 64 strömt das Fluid dann in die Fluidkammer 62. Die Vorratskammer 72 ist nahezu leer, wenn das Federbein vollständig ausgefahren ist.

Die Dämpfung und der Widerstand gegenüber der Relativbewe­ gung zwischen Rahmenteil 12 und Radeinheit 14 werden erzeugt, während das Fluid aus der Vorratskammer 72 in die zwei Fluid­ kammern 56, 62 verdrängt wird, ebenso wie durch die axiale Dehnung der Federteile 46, 48. Die leitfähigen Ringe 78 sind während des Ausfederungshubes des Federbeins 10 an die Ener­ giequelle angeschlossen.

Während das Federbein 10 ausfedert, nimmt das Gasvolumen in der Gaskammer 54 zu, da der Fluiddruck in der Fluidkammer 54 abnimmt. Der höhere Gasdruck in der Gaskammer 54 bewirkt die Bewegung der blasenförmigen Wandung 52 in solcher Weise, daß das Volumen in der Gaskammer 54 größer werden kann.

Während eines Einfederungshubes des Federbeins 10 aus dem in Fig. 6 gezeigten Zustand in den in Fig. 1 gezeigten Zustand werden die Kolbenstange 18 und der Zylinder 16 teleskopartig axial ineinandergeschoben. Zu Beginn der Bewegung des Feder­ beins 10 aus dem vollständig ausgefederten Zustand, der in Fig. 6 gezeigt ist, beginnt das Volumen in der Fluidkammer 56 und in der Fluidkammer 62 abzunehmen. Der Fluiddruck in jeder Fluidkammer steigt an. Durch die Druckzunahme in der Fluidkammer 56 strömt das darin enthaltene Fluid zur Vor­ ratskammer 72 über dieselben Fluidkanäle und dieselben Fluid­ kammern wie zuvor für den Ausfederungshub beschrieben. In gleicher Weise bewirkt die Druckzunahme in der Fluidkammer 62 das Strömen des darin enthaltenen Fluids in die Vorrats­ kammer 72 über dieselben Strömungskanäle und Fluidkammern wie oben beschrieben. Es ist lediglich die Strömungsrichtung umgekehrt.

Die zwei Federteile 46, 48, der Fluiddruck und das Fluidvo­ lumen in den verschiedenen Fluidkammern definieren also zu jedem gegebenen Zeitpunkt die Federhärte, die Dämpfungsrate, die Fahrhöhe und die Zuladungskapazität des Fahrzeugs. Durch Steuerung der Viskosität des elektrorheologischen Fluids können sowohl die Dämpfung als auch die dynamische Steifig­ keit des Federbeins eingestellt und an jede Zulastbedingung angepaßt werden. Die funktionsmäßige Reihenschaltung der Federteile 46, 48 mit ihren verschiedenen Federhärten, die Ventilwirkung der leitfähigen Ringe 78, die Drucksteuerung in der ersten Gaskammer 54 und die Drucksteuerung in der zweiten Gaskammer 70 ergeben ein graduelles Einfedern oder Ausfedern des Federbeins 10.

Zur weiteren Erläuterung der Wirkungsweise wird nun auf Fig. 7 Bezug genommen, die einen Einfederungshub darstellt. Das Diagramm 100 zeigt die Auslenkung des Federbeins 10 unter Last bei einem Einfederungsvorgang. Wenn sich das Federbein 10 in seiner Normalstellung befindet, die in Fig. 1 gezeigt ist, hat der Abstand zwischen Rahmenteil 12 und Radeinheit 14 eine vorbestimmte Größe. Wenn sich die Radeinheit 14 auf das Rahmenteil 12 zu bewegt, nimmt der Abstand zwischen die­ sen Teilen ab. In gleicher Weise nimmt der Abstand zwischen den Teilen zu, wenn die Radeinheit 14 sich von dem Rahmen­ teil 12 entfernt. Die Auslenkungsstrecke des Federbeins 10 ist als Absolutwert der Differenz zwischen dem jeweiligen Abstand der Radeinheit 14 vom Rahmenteil 12 und dem vorbe­ stimmten Abstand zwischen diesen Teilen, wenn sich das Fe­ derbein 10 in seiner Normalstellung befindet, definiert. Ohne Belastung ist die Auslenkstrecke des Federbeins 10 gleich Null, entsprechend dem Punkt 102 in dem Diagramm, wobei sich die Teile dann ihren in Fig. 1 gezeigten Stellungen befinden.

Beim Aufbringen einer Druckbeanspruchung auf das Federbein 10 wird das erste Federteil 46 deformiert. Die Größe der Auslenkung bzw. die Einfederungsstrecke des Federbeins 10 bei dieser Deformierung des ersten Federteils 46 ändert sich mit der Größe der Last. Diese Funktionsbeziehung ist durch die Kurve 110 verdeutlicht. Im Punkt 111 der Kurve 110 be­ findet sich das erste Federteil 46 in seiner Mittellage, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Im Punkt 112 der Kurve 110 befindet sich das erste Federteil 46 an seiner Hubgrenze, wie in Fig. 3 gezeigt.

Während der Deformierung des ersten Federteils 46 wird auch das zweite Federteil 48 deformiert, wie durch die Kurve 104 verdeutlicht ist. Das zweite Federteil 48 bewegt sich im Punkt 106 der Kurve 104 über seine Mittellage. Im Punkt 108 auf Kurve 104 befindet sich das zweite Federteil 48 an sei­ ner Hubgrenze, wie in Fig. 3 gezeigt. Obwohl sich das zweite Federteil 48 nicht noch stärker deformieren kann, muß eine Last aufgebracht werden, um das zweite Federteil 48 in sei­ nem voll zusammengedrückten Zustand zu halten, während das erste Federteil 46 weiter deformiert wird. Diese Lastbean­ spruchung des zweiten Federteils 48 ist durch die gestri­ chelte Linie 109 verdeutlicht.

Die erste blasenförmige Wandung 52 bewegt sich gleichfalls ansprechend auf die Einfederbeanspruchung des Federbeins 10. Die Wandung 52 bewegt sich entgegen dem Gasdruck in der er­ sten Gaskammer 54. Die Einfederstrecke des Federbeins 10 bei der Gaskompression in der ersten Gaskammer 54 ist durch die Kurve 114 verdeutlicht. Im Punkt 116 auf der Kurve 114 kann die blasenförmige Wandung 52 sich nicht weiter bewegen. Ob­ wohl sich die blasenförmige Wandung 52 im Punkt 116 nicht noch weiter bewegen kann, muß eine Last aufgebracht werden, um sie in dieser Stellung zu halten, während das erste Fe­ derteil 46 weiter deformiert wird. Diese Lastbeanspruchung der ersten Wandung 52 ist durch die gestrichelte Linie 117 verdeutlicht.

In gleicher Weise bewegt sich die zweite blasenförmige Wan­ dung 68 ansprechend auf die Einfederungsbeanspruchung des Federbeins 10. Wenn Fluid in die Vorratskammer 72 eintritt, wird die zweite blasenförmige Wandung 68 entgegen dem Gas­ druck in der zweiten Gaskammer 70 bewegt. Die Einfederungs­ strecke des Federbeins 10 bei der Gaskompression in der zweiten Gaskammer 70 ist durch die Kurve 118 veranschaulicht. Im Punkt 120 der Kurve 118 kann sich die zweite blasenförmi­ ge Wandung 68 nicht weiter bewegen, da beide Federteile 46, 48 ihre Hubgrenze erreicht haben, wie der Punkt 108 auf Kur­ ve 104 bzw. der Punkt 112 auf Kurve 110 verdeutlicht.

Die Kurve 124 ist aus den Kurven 104, 110, 114 und 118 zu­ sammengesetzt. Sie zeigt die Auslenkcharakteristik des Fe­ derbeins 10 unter Last. Im Punkt 126 auf der Kurve 124 ist das Federbein 10 vollständig zusammengeschoben bzw. eingefe­ dert. Durch Kombinieren der verschiedenen Federkonstanten, die durch die verschiedenen Kurven veranschaulicht sind, kann eine weiche Federcharakteristik erzielt werden, die einen hohen Federungskomfort verleiht. Überdies wird die Zu­ ladungskapazität des Fahrzeugs maximiert.

Claims (8)

1. Federbein für Fahrzeuge zur Dämpfung der Relativbewegung zwischen gefederten und ungefederten Teilen (12, 14), mit

• a) einem an das erste Teil (Radeinheit 14) angeschlossenen Zylinder (16);
• b) einem an das zweite Teil (Rahmenteil 12) angeschlossenen Kolben (17, der in dem Zylinder (16) gleitend verschiebbar geführt ist und diesen in zwei miteinander verbundene Kammerabteile (24; 26) unterteilt;
• c) einem Elastomer-Federelement (46), das eine Fluid-Arbeitskammer (56) abgrenzt und zwischen dem zweiten Teil (12) und dem Zylinder (16) angeordnet ist;
• d) einer Fluid-Vorratskammer (72) mit einem federnden Druckgaspolster (70), die mit der Fluid-Arbeitskammer (56) über Strömungswege (74, 21, 30, 18, 58 bzw. 76, 34, 38) verbunden ist, die durch Einrichtungen (78, 79, 80, 82) zur Beeinflussung der Federkonstante in ihrer Drosselwirkung steuerbar sind.

2. Federbein nach Anspruch 1, bei welchem das Elastomer-Federelement (46) über ein auf dem Zylinder (16) verschiebbar gelagertes Zwischengehäuse (32, 36) und ein weiteres Elastomer-Federelement (48) mit dem Zylinder (16) verbunden ist und dieses weitere Elastomer-Federelement (48) eine weitere Fluid-Arbeitskammer (62) abgrenzt, die über Strömungswege (64) je nach Stellung des Kolbens (17) mit dem einen oder anderen Kammerabteil (24; 26) des Zylinders (16) verbunden ist.

3. Federbein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluid-Arbeitskammer (56) gegen ein Druckgaspolster (Membran 52) abgefedert ist.

4. Federbein nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer-Federelement (46) bzw. die Elastomer-Federelemente (46; 48 ringförmig und im unbeanspruchten Zustand konisch sind.

5. Federbein nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorratskammer (72) von dem Zwischengehäuse (32, 36) getragen wird.

6. Federbein nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Beeinflussung der Federkonstante über Signale von Sensoreinrichtungen (82) gesteuert werden.

7. Federbein nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es ein elektrorheologisches Fluid enthält, daß die Mittel zur Beeinflussung der Federkonstante mehrere leitfähige Ringe (78) umfassen, die sich an einem Ende des Zwischengehäuses (32, 36) befinden, daß diese leitfähigen Ringe (78) elektrisch an einen Anschluß einer elektrischen Stromquelle (79) anschließbar sind, daß die Kolbenstange (18) elektrisch an den anderen Anschluß der elektrischen Stromquelle (79) angeschlossen ist und daß ein elektrisches Feld auf einen Teil des elektrorheologischen Fluids ausgeübt wird, um seine Viskosität zu steuern, wenn einer oder mehrere der leitfähigen Ringe (78) elektrisch an die elektrische Stromquelle (79), ansprechend auf den durch die Sensoreinrichtungen (82) gemeldeten Zustand, angeschlossen sind.

8. Federbein nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elastomer-Federelemente (46; 48) verschiedene Federkonstanten aufweisen.