DE4227241A1

DE4227241A1 - Thermische Zusatzfeder

Info

Publication number: DE4227241A1
Application number: DE19924227241
Authority: DE
Inventors: Hans A J Knaus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-08-18
Filing date: 1992-08-18
Publication date: 1994-03-24

Description

Die Erfindung betrifft eine thermisch gesteuerte Zusatzfeder, insbesondere für Fahrzeuge, die innerhalb eines vorzugebenden Be reiches belastungsabhängige Rad federwegänderungen der der Haupt tragfeder so auszugleichen vermag, daß ein bestimmter Radeinfederweg und damit eine bestimmte Radstel lung trotz statischer Radlastän derung eingehalten werden kann.

Es sind Federungssysteme be kannt, die sowohl auf pneumati scher als auch auf hydropneuma tischer Basis arbeitend, physi kalische Eigenschaften kompres sibler und inkompressibler Stof fe technisch in geeigneter Weise so nutzen, daß die hierbei er zeugten Drucke und Kräfte zur Federung dienen als auch zur Dämpfung genutzt werden. Diesen Einrichtungen ist gemeinsam, daß sie, um durch Laständerungen auf tretende Federwegänderungen aus zugleichen und zu steuern, ent weder z. B. den die Federwirkung erzeugenden Gasdruck oder/und durch Volumänderungen der druck übertragenden Flüssigkeiten den jeweiligen Zustand verändern müs sen, um so ein bestimmtes Niveau einzuhalten. Diese Lösungen erfor dern i.d.R. Zusatzeinrichtungen für erorderliche Ausgleichsvor gänge in den Systemen.

Aufgabe der Erfindung ist, eine zusätzliche Abfederung für die Räder von Fahrzeugen zu schaffen, um die durch statische Radlaständerungen ver ursachten Federwegänderungen der Haupt tragfeder innerhalb eines bestimmten Bereiches auszugleichen, um einen be stimmten Solleinfederweg zu erreichen und aufrechtzuerhalten.

Diese Aufgabe wird nach Anspruch 1 und 2 so gelöst, daß dem mit einer verdampfbaren Flüssigkeit und einem trägen gasgefüllten Gefäß (7), das über steuer- und nichtsteuerbare Zu- und Abläufe mit der ebenfalls gas- und dampfgefüllten Kammer (9) verbun den ist, über die Membrane (8) einen temperaturabhängigen Druck auf die flüssigkeitsgefüllte Kammer (10) aus übt. Dieser Druck wirkt über Zu- und Abläufe (16) auf den beweglichen Kol ben (4) der flüssigkeitsgefüllten Kol ben-Zylinder-Anordnung (2). Bei einem durch einen bestimmten Radeinfederweg bzw. einer statischen Radlast F₀ ge kennzeichneten Zustand Z₀, betrage der Druck im Gefäß und Kammer (9) P₀. Die Membrane bildet hierbei einen Ke gelstumpf mit minimaler Oberfläche. Bei diesem Zustand Z₀ liegt ein kraft übertragendes Teil der Zusatzfeder, ge rade ohne oder mit geringer Kraftwir kung auf dem entsprechenden Widerlager (18) auf oder gelangt zum Eingriff.

Bei einer statischer Radlastzu nahme wirkt über den Kolben (4) der Kolben-Zylinder-Anordnung eine Kraft, die die darin befindliche Flüssigkeit nach Kammer (10) ver drängt. Die resultierende Volumen vergrößerung von Kammer (10) be wirkt eine Volumenverkleinerung von Kammer (9) bei Druckerhöhung. Bei einer Radlasterhöhung von F₀ auf F₁ wird mit Hilfe einer geeig neten Steuereinrichtung der sich im Gefäß (7) befindlichen verdampf baren Flüssigkeit Wärme zugeführt. Der dabei erzeugte Dampf strömt über gesteuerte Zuläufe (13) und (14) nach Kammer (9). Die Tempe ratur wird solange erhöht, bis ein Dampfdruck P₁ erreicht ist, der gerade ausreicht, um die Raum verhältnisse in den Kammern (9) und (10) vor der erfolgten Rad lasterhöhung wiederherzustellen, d. h. bis die Membrane (8) eine minimale Oberfläche aufweist. Die hierbei aus Kammer (10) un ter Druck in den Zylinderraum (15) verdrängte Flüssigkeit wirkt über Kolben (4) auf ein Widerla ger und verursacht so die er findungsgemäße Zusatzfederkraft. Bei diesem Zustand Z₁ ergibt sich trotz statischer Radlastzunahme von F₀ nach F₁ ein Radeinfeder weg von f₀.

Bei einer statischen Abnahme der Radfederlast von F₁ nach F₀ wird durch die Steuereinrichtung die Wärmezufuhr abgestellt.

Ist bei diesem Vorgang die Dampf temperatur höher als die Umfeldtempe ratur T_u, so ergibt sich eine Tempera turerniedrigung mit Druckminderung von P₁ auf P₀ durch Wärmeabgabe an das Um feld.

Ist bei diesem Vorgang die Dampf temperatur T₁ gleich oder kleiner der Umfeldtemperatur, so erfolgt eine Druck minderung in Kammer (9) von P₁ nach P₀ mechanisch so, daß bei fahrbedingten dynamischen Einfederungsvorgängen in folge Volumenverringerung in Kammer (9) der Druck über den Wert P₁ steigt und Dampf über bei vorgegebener Schaltung der Steuerventile nach Gefäß (7) ge drückt werden kann, wobei ein Rück fluß unterbunden bleibt. Dieser Vor gang ist dann abgeschlossen, wenn die Membrane eine minimale Oberfläche auf weist bzw. Zustand Z₀ geschaffen wurde.

Fahrbedingte Federlaständerungen verursachen Reaktionen über Kolben (4) bei jeweiligen statischen Radlastzu ständen. Hier kann die Federungscha rakteristik des Federungssystems durch entsprechende geometrische Ausgestal tung der Reaktionsräume der Zusatzfe der beeinflußt werden.

Zwischen Anfangszustand Z₀ und Endzustand Z₁kann somit stufenlos durch Temperaturvariation im Bereich von T₀ bis T₁ wegen der Druckerhö hung von P₀ auf P₁ bei einer stati schen Radlasterhöhung von F₀ auf F₁ der Radeinfederweg auf f₀ gehalten werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Zusatzfeder wird erläutert und schematisch mit Hilfe graphischer Darstellungen erklärt. Es zeigt:

Fig. 1 eine Anordnung,

Fig. 2 einen Aufbau der Erfindung;

Fig. 3, 4 und 5 Radlast, Zu satzfederwirkung mit Federkennli nienverläufe in Verbindung mit einer linear wirkenden und pa rallel geschalteten Haupttrag feder über den Federweg.

Fig. 2 zeigt die Zusatzfe der bei Zustand Z₀, einem Rad einfederweg f₀, einer Tempera tur T₀ der verdampfbaren Flüs sigkeit bei einem von der Tem peratur abhängigen Dampfdruck P₀, einem bestimmten Gasdruck P_g des miteingeschlossenen Ga ses und der kreiskegelförmigen Konfiguration der Membrane (8) mit minimaler Oberfläche. Bei diesem Zustand Z₀ hängt der Druck in Kammer (9) und im Gefäß (7) vom Gasdruck P_g ab, und zwar bei einem Mini mum des Dampfdruckes der ver dampfbaren Flüssigkeit. Dieser Druck wirkt über die elastische Membrane (8) auf die sich in Kammer (10) und Zylinderraum (15) befindliche Flüssigkeit mit dem Druck P₀ = P_g + P_g. Der auf die Flüssigkeit ausgeübte Druck in der kommunizierenden Einheit wirkt auf den Kolben (4). Ein kraftübertragendes Teil der Zu satzfeder liegt hierbei ohne oder mit geringer Kraft, z. B. Teil (5), gerade auf seinem Widerlager (18) auf oder gelangt zum Eingriff.

Fig. 3 zeigt die Radfederlast F über dem Radfederweg f. Wird die sta tische Radfederlast von F₀ auf F₁ er höht, ändert sich der Radeinfederweg von f₀ nach f₁. Hierbei wird die Zu satzfeder mitbelastet, indem über ein kraftübertragendes Teil auf den Kolben (4) Druck ausgeübt wird. Dabei wird von Zylinderraum (15) Flüssigkeit nach Kammer (10) verdrängt. Dadurch erfolgt analog zur Volumenvergrößerung der Kam mer (10) eine Volumenverringerung von Kammer (9) bei Druckerhöhung. Kommu nizieren Kammer (9) und Gefäß (7) über geöffnete Zu- und Abläufe (13) und (14), so stellt sich ein gegen über P₀ ein auf P_y erhöhter Druck ein, abhängig auch von den geometrischen Raumverhältnissen.

Bei einer statischen Radlastzu nahme von F₀ bis F₁ steuert, z. B. von F₀ an eine vom Radeinderweg abhängige Steuereinrichtung so, daß einer im Ge fäß (7) eingebauter Heiteinrichtung, z. B. einer elektrischen Heizvorrich tung, Energie zugeführt wird. Die er folgende Erwärmung von T₀ auf T₁ der sich im Gefäß befindlichen verdampf baren Flüssigkeit, z. B. ein Frigen, führt bei Verdampfung zur Druckerhö hung von P₀ auf P₁, wobei der Druck sich bei geöffneten Zu- und Abläufen (13) und (14) in Kammer (9) einstellt. Dieser Druck P₁ wirkt über die Membra ne (8) auf die Flüssigkeit in Kammer (10). Hierbei wird aus Kammer (10) Flüssigkeit unter Druck nach Zy linderraum (15) verdrängt. Zustand Z₁ ist erreicht, wenn die Volumen der Kammern (9) und (10) denen bei Zustand Z₀ entsprechen, bzw. die Membrane (8) eine minimale Oberfläche aufweist. Die dabei ver drängte Flüssigkeit wirkt mit einem Druck P₁ über den Kolben (4) der ein- und ausfahrbaren Kolben-Zylin der-Anordnung mit einer Zusatzfeder kraft F₁ - F₀ entgegengesetzt pa rallel zum Radeinfederweg über die kraftübertragende Einheit, z. B. über Teil (5) auf das Widerlager (18), wobei der Radfederweg f₁ ge gen f₀ geht.

Zustand Z₁ ist gekennzeichnet durch eine Flüssigkeits- und Dampf temperatur T₁, einen resultieren dem Dampfdruck P₁, eine statische Radfederlast F₁, eine Zusatzfeder kraft F₁ - F₀ und dem Radeinfeder weg f₀ . Dieser Zustand Z₁ wird, solange die Radlast F₁ beträgt, auf rechterhalten.

Erfolgt bei Zustand Z₁ eine Rad lastabnahme auf F₀, so wird über die Steuereinrichtung die Energiezufuhr gedrosselt oder abgestellt, so daß durch Wärmeabgabe an das Umfeld die Temperatur im Gefäß (7) und in Kammer (9) sich von T₁ auf T₀ verringern kann. Voraussetzung ist eine Umfeldtempera tur T_u < T₀. Dabei sinkt die Tempe ratur von T₁ auf T₀ und der Dampfdruck durch Kondensation auf P₀.

Die zuvor erzeugte Zusatzfederkraft F_z strebt gegen den Anfangswert bei Zustand Z₀. Bei dieser Zustandsän derung von Z₁ nach Z₀, unter der Ne benbedingung T_u < T₀, sind die Steu erventile (13) und (14) geöffnet, so daß die Zu- und Abläufe zwischen der Kammer (9) und Gefäß (7) offen bleiben. Für T_u < T₀ bleiben die Zuläufe vom Gefäß (7) zur Kammer (9) über ein Steuerventil, z. B. Ventil (15), ge sperrt, während die Abläufe von Kammer (9) nach Gefäß (7) über ein Steuerven til, z. B. Ventil (16), dem ein Rück schlagventil mit Durchlaßrichtung Ge fäß (7), geöffnet bleibt. Dadurch wird erreicht, daß bei fahrbedingten dyna mischen Radeinfederungen, übertragen durch Kolbenbewegungen des Kolben (4) bei Flüssigkeitsverdrängungen von Zy linderraum (15) nach Kammer (10) der Druck in Kammer (9) von einem Wert P₁ auf einen Wert P_y < P₁ steigt und da bei Dampf in das Gefäß (7) gedrückt wird. Zustand Z₀ ist erreicht, wenn die Membrane (8) eine minimale Ober fläche einnimmt. Danach wird das noch geöffnete Ventil geschlossen. Eine Öff nung der Steuerventile kann über eine Steuereinrichtung dann erfolgen, wenn die Umfeldtemperatur T_u gleich oder kleiner der der Temperatur T₀ im Ge fäß (7) und in der Kammer (9) ist. Gegebenenfalls wird bei Umfeldtempe raturen T_u < T₀ der sich im Gefäß (7) befindlichen Flüssigkeit bis zum Er reichen der Temperatur T₀ Energie zu geführt. Durch Variation der unab hängigen Größen im Bereich der Zu stände Z₀ bis Z₁ ergeben sich zwischen stufenlos Zwischenwerte der Zusatz federkraft.

Das oben erläuterte Beispiel der Erfindung wird mit Hilfe der Fig. 3, 4 und ergänzt. Es zeigt:

Fig. 3 eine Radlast F über dem Rad Federweg f. Bei Zustand Z₀ betrage die Radlast F₀ mit dem Rad einfederweg F₀. Bei einer stati schen Radlastzunahme auf F₁ er gibt sich ein Radfederweg f₁. Bei Zustandsänderungen im Inter vall F₁ - F₀ wird über eine geeig nete Steuereinrichtung die Zusatz feder aktiviert.

Fig. 4 zeigt den funktionalen Zusammenhang P = (T; k) zwischen Gasdruck P_g = k und dem Dampfdruck der Flüssigkeit bzw. des Dampfes P_d, abhängig und gesteuert über den Radeinfederweg mit Hilfe einer hierzu geeigneten Steuereinrichtung. Bei einer Radfederlast F₀ betrage die Flüssigkeitstemperatur T₀ und somit der Druck P₀, sich aus dem Gasdruck und einem minimalen Dampf druck ergebend. Dieser Zustand Z₀ wird graphisch durch eine zur Abs zisse parallele Gerade durch P₀ mit dem Ordinatenwert P₀ = P_d + k dargestellt. Bei einer statischen Radlastzunahme bis auf F₁ wird die Temperatur bis auf T₁ erhöht. Da durch steigt der Dampfdruck bis auf P₁. Vereinfachend wird hier im Intervall zwischen T₀ und T₁ ein linearer Zusammenhang ange nommen. Bei weiterem Druckanstieg über P₁ wird das Bild der Funktion näherungsweise gestrichelt markiert.

Fig. 5 den Zusammenhang zwischen Zusatzfeder- und Haupttragfederwirkung. Zustand Z₀ ist durch eine Gerade durch die Punkte P(0; 0) und P(f₀; F₀ ), Zustand Z₁ ist durch eine Strecke von P(0; 0) bis P(f₀; F₀ ) und von P(f₀; F₀ ) bis P(f₀; F₁ ) bei einer Zu satzfederkraft von F₁ - F₀ gekenn zeichnet. Bei Radlastzunahmen über den Zustand Z₁ , statisch oder dynamisch verursacht, ist annäherungsweise ein möglicher Kennlinienverlauf, aus gehend von P(f₀, F₁ ) gestrichelt markiert.

Claims

1. Zusatzfeder für die Räder von Fahrzeuge, die mittels einer ther misch erzeugten Kraft in vorgege benen Bereichen Radfederwegände rungen infolge Radlaständerungen auszugleichen vermag, gekennzeich net durch:
Ein, eine Einheit bildendes Gehäuse (1), bestehend aus mit einander verbundenen Einrichtun gen wie eine ein- und ausfahraus gebildete Kolben-Zylinder-Anord nung (2), bestehend aus einem in dem Zylinder (3) befindlichen Kol ben (4), verbunden mit einer kraft übertragenden Einheit (5), einem Ringzylinder (6), Zylinder (3) und Gefäß (7) vollständig oder teilwei se umschließend;
Eine kreiskegelstumpfförmige undurchlässige Membrane (8), Ring zylinder (6) in gegeneinander ge trennte und dichte Kammern (9) und (10) teilend, bei fester Verbin dung der der Kegelstumpfenden der Membrane mit den Böden des Ringzy linders (11) und (12), einmal an der inneren und einmal an der äu ßeren Ringzylinderinnenwand;
Eine nach außen abgeschlos sene Einheit, bestehend aus Gefäß (7), ausgebildet als Flüssigkeits- Dampf- und Gasbehälter, einer Wär meeinrichtung und Kammer (9);
Steuer- und nichtsteuerbare Zu- und Abläufe (13) und (14) zwischen Gefäß (7) und Kammer (9);
Eine nach außen abgeschlossene Einheit, bestehend aus der flüssig keitsgefüllten Kammer (10) und dem längenvariablen Zylinderraum (15), verbunden durch Zu- und Abläufe (16);
Eine wechselseitig feste oder nicht feste Verbindung des Gehäuses (1) oder der kraftübertragenden Ein heit (5) mit der Bodengruppe oder dem Chassis (17) oder der Rad- bzw. Achs führung (18) eines Fahrzeuges.

2. Thermische Zusatzfeder nach An spruch 1, gekennzeichnet durch:
Druckänderungen in Gefäß (7) und in Kammer (9) durch gesteuerte Temperaturänderungen der sich darin befindlichen Flüssigkeit und Dampf;
Ausnutzung des in Gefäß (7) und in der Kammer (9) vorhandenen oder er zeugten variierbaren Druckes über die Membrane (8) auf die sich in der Kam mer (10) befindlichen Flüssigkeit;
Ausnutzung und Übertragung des in der Kammer (10) wirkenden hydrau lischen Druckes in den flüssigkeitsge füllten Zylinderraum (15) der Kolben- Zylinderanordnung (2) zur Erzeugung und Aufrechterhaltung von Druck und Nut zung der wirkenden Kraft entgegen der Radeinfederrichtung;
Ausnutzung zusätzlicher Kraft wirkungen bei fahrbedingten Radfeder wegänderungen durch Flüssigkeitsver drängung aus Zylinderraum (15) nach und von Kammer (10) bei hieraus re sultierenden Kompressions- und Dekom pressionsvorgängen in Kammer (9) und gesteuert in Gefäß (7).