DE102006019307B4

DE102006019307B4 - Dämpfer

Info

Publication number: DE102006019307B4
Application number: DE102006019307.5A
Authority: DE
Inventors: Sigmund Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2026-04-27
Also published as: US7931132B2; DE102006019307A1; US20070251776A1

Abstract

Dämpfer mit einem Dämpferzylinder (2), in welchem ein Kolbenstempel (6) über eine Kolbenstange (5) geführt ist, wobei zur Einstellung von Dämpferkennwerten der Durchfluss eines Dämpferfluids steuerbar ist, wobei innerhalb des Dämpferzylinders (1) ein Piezoventil (10) angeordnet ist, welches ein Piezoelement (12) und einen Aktuator (14) umfasst, wobei eine Auswerte- und Steuerschaltung (16) zur Einstellung des Durchflusses (20) des Dämpferfluids den Aktuator (14) über das Piezoelement (12) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (12) über eine Längenänderung (X) einen Querschnitt des Aktuators (14) verändert, wodurch ein Durchflussquerschnitt (15) im Kolbenstempel (6) für das Dämpferfluid einstellbar ist, wobei der Aktuator (14) als bombierter Hohlkörper aus einem elastischen Material ausgeführt und innerhalb des Kolbenstempels (6) angeordnet ist und einen Außendurchmesser aufweist, welcher zwischen einem minimalen Wert (DH) und einem maximalen Wert (DH + Y) einstellbar ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Dämpfer nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind Dämpfer für Fahrzeuge bekannt, deren Stoßdämpferkennwerte über hydraulische Proportionalventile eingestellt und an unterschiedliche Fahrsituationen angepasst werden können. Diese Proportionalventile steuern beispielsweise mit Hilfe eines Steuerkolbens, der von einer Erregerspule bewegt wird, kontinuierlich den Fluiddurchfluss im Dämpfer. Die Proportionalventile sind entweder an den Dämpfer angeflanscht oder im Kolbenstempel des Dämpfers integriert. Ein zusätzlicher Sensor, welcher an der Radaufhängung angeordnet ist, liefert Informationen über den Einfahrzustand des Dämpfers. Als Sensoren können Beschleunigungssensoren bzw. Wegsensoren mit Übertragungsgestänge verwendet werden. Zugehörige Auswerte- und Steuergeräte sind entweder zentral im Fahrzeug angeordnet oder können dezentral am angeflanschten Proportionalventil angeordnet sein. Das Proportionalventil kann beispielsweise den Hauptfluiddurchfluss indirekt steuern, d. h. ein kleiner Nebenfluss wird direkt von einem kleinen Steuerkolben reguliert und bildet eine Druckdifferenz zum Hauptventil. Aufgrund dieser regulierten Druckdifferenz stellt sich der Hauptfluiddurchfluss im Hauptventil ein. Die Reaktionszeit des Dämpfers ist durch das Einschwingverhalten des Proportionalventils begrenzt.
Aus der DE 102 23 216 A1 ist adaptiver Dämpfer mit einer Vorrichtung zur Durchlasskontrolle eines Fluids in einem Gehäuse mittels eines beweglichen Objekts bekannt. Zumindest ein Teil des Objekts ist soweit ausdehnbar, dass eine Variation eines Durchlassraums für das Fluid im Gehäuse steuerbar ist. Ein Piezostack ist derart in mechanischer Verbindung mit dem Objekt, dass der Querschnitt des Objekts oder die Ausdehnung eines Teils des Objekts mittels der Ausdehnung des Piezostacks steuerbar ist, wobei der Piezostack anhand von elektrischen Signalen durch elektrische Zuleitung aktivierbar ist.
Aus der DE 41 09 180 C2 ist ein Stoßdämpfer mit veränderlicher Dämpfungskraft bekannt, welcher einen Zylinder umfasst, der durch einen in ihm verschiebbaren, von einem Haltelement getragenen Kolben in eine erste und eine zweite Hydraulikkammer unterteilt ist. Das Halteelement weist einen die erste und die zweite Hydraulikkammer verbindenden Bypass auf und ist an einer Kolbenstange befestigt, welche einen Hohlraum aufweist, in dem eine Mehrzahl aneinanderliegender piezoelektrischer Elemente angeordnet ist, deren Gesamtlänge sich in Abhängigkeit von einer an diese Elemente angelegten elektrischen Spannung ändert. Diese Längenänderung wird in der Weise auf das Stellglied eines den Durchgang durch den Bypass beeinflussenden Ventils übertragen, dass die genannte Längenänderung eine Verschiebung eines das Stellglied beaufschlagenden Stellkolbens bewirkt. Das Stellglied ist ein am Halteelement schwenkbar gelagertes Hebeelement, an dessen einem Endbereich der Stellkolben angreift und dessen anderer Endbereich den Durchgang durch den Bypass beeinflusst.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Dämpfer mit einem Piezoventil bereitzustellen, welcher eine kompakte Bauform und eine kurze Reaktionszeit aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Bereitstellung eines Dämpfers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Dämpfer mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass innerhalb eines Dämpferzylinders ein Piezoventil angeordnet ist, welches ein Piezoelement und einen Aktuator umfasst. Eine Auswerte- und Steuerschaltung steuert zur Einstellung von Dämpferkennwerten über das Piezoelement und den vom Piezoelement betätigten Aktuator einen Durchflusses eines Dämpferfluids. Der erfindungsgemäße Dämpfer kann eine Vollintegration des Piezoelements, des Aktuators und der Auswerte- und Steuerschaltung zu einem kompakten Piezoventil umsetzen, welches im Gegensatz zum bekannten hydraulischen Proportionalventil in vorteilhafter Weise eine direkte Steuerung des Hauptfluidflusses praktisch ohne Verzögerungen und Einschwingzustände ermöglicht. Das Piezoventil weist in vorteilhafter Weise extrem kurze Reaktionszeiten auf.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Dämpfers möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass das Piezoelement über eine Längenänderung einen Querschnitt des Aktuators verändert, wodurch ein Durchflussquerschnitt im Kolbenstempel für das Dämpferfluid einstellbar ist. Der Aktuator ist erfindungsgemäß als bombierter Hohlkörper aus einem elastischen Material ausgeführt, welcher innerhalb des Kolbenstempels angeordnet ist. Der Aktuator weist einen Außendurchmesser auf, welcher zwischen einem minimalen Wert und einem maximalen Wert einstellbar ist. Durch die Ausführung des Hohlkörpers aus einem elastischen Material, wie z. B. einem Metallblech mit Federeigenschaften, erfolgt in vorteilhafter Weise beim Nachlassen der Druckkräfte eine selbständige Rückstellung des Hohlkörpermantels in seine Ausgangsposition.
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dämpfers erzeugt der variable Außendurchmesser des Hohlkörpers zusammen mit einem konstanten Innendurchmesser des umschließenden Kolbenstempels den variablen als Ringquerschnitt ausgebildeten Durchflussquerschnitt, welcher die Verbindung für das Dämpferfluid zwischen einer unteren Dämpferkammer und einer oberen Dämpferkammer im Dämpferzylinder herstellt. Der Aktuator ist in vorteilhafter Weise so ausgeführt, dass seine konstruktive Gestaltung eine einfache Umsetzung eines Überdruckschutzes ermöglicht. Im Falle eines unzulässigen Druckanstiegs kann sich die Mantelfläche des Hohlkörpers beispielsweise kurzzeitig so deformieren, dass sich eine Stoßwelle durch den Ringquerschnitt schieben kann und die beteiligten Komponenten nicht beschädigt werden.
In weiterer Ausgestaltung des Dämpfers staucht das Piezoelement über die Längenänderung den Aktuator, so dass der Außendurchmesser des Aktuators ausgehend vom minimalen Außendurchmesser variierbar ist. Alternativ streckt das Piezoelement über die Längenänderung den Aktuator, so dass der Außendurchmesser des Aktuators ausgehend vom maximalen Außendurchmesser variierbar ist.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dämpfers umfasst das Piezoventil einen Wegsensor, dessen Signale zur Bestimmung einer absoluten Position des Kolbenstempels im Dämpferzylinder von der Auswerte- und Steuerschaltung auswertbar sind. Neben der Funktion als Aktuator kann der abgeschlossene Hohlkörper auch als Gehäuse für die Auswerte- und Steuerschaltung dienen, welche eine flexible Leiterplatte umfassen kann. Das Piezoelement ist beispielsweise als rohrförmiges Stapelpiezoelement ausgeführt, dessen Längenänderung durch eine über ein Verbindungskabel angelegte Spannung einstellbar ist. Durch eine Innenbohrung des rohrförmigen Piezoelement kann das Verbindungskabel von der Auswerte und Steuereinheit durch eine Bohrung in der Kolbenstange nach außen geführt werden. Eine mögliche erfindungsgemäße konstruktive Ausführung des Piezoventils stellt eine kompakte, voll integrierte Einheit von Aktuator, Auswerte- und Steuerschaltung und Sensor dar. Alternativ kann die Auswerte- und Steuerschaltung auch an einer anderen Stelle angeordnet sein, beispielsweise in einem außerhalb des Dämpfers angeordneten Steuergerät. Die an das Piezoelement angelegte Spannung ist beispielsweise proportional zum Durchflusswiderstand des Dämpferfluids durch den Durchflussquerschnitt im Kolbenstempel und ermögliche eine Einstellung der Dämpferkraft.
Vorteilhafte, nachfolgend beschriebene Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Dämpfers.
2a und 2b zeigen jeweils eine perspektivische Schnittdarstellung eines Details II aus 1.
3 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung eines Details III aus 2b.
4a und 4b zeigen jeweils eine Schnittdarstellung des Kolbenstempels entlang der Schnittlinie IV-IV aus 3.
5 zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Piezoventils für den Dämpfer gemäß 1.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Wie aus 1, 2a und 2b ersichtlich ist, umfasst ein Dämpfer 1, beispielsweise ein Stoßdämpfer für ein Fahrzeug, einen Dämpferzylinder 2, in welchem ein Kolbenstempel 6 über eine Kolbenstange 5 geführt ist. Zur Einstellung von Dämpferkennwerten ist der Durchfluss eines Dämpferfluids von einer unteren Dämpferkammer 4 durch den Kolbenstempel 6 in eine obere Dämpferkammer 3 und umgekehrt durch ein innerhalb des Dämpferzylinders 1 angeordnetes Piezoventil 10 steuerbar. Das Piezoventil 10 umfasst ein als rohrförmiges Stapelpiezoelement ausgeführtes Piezoelement 12, einen als bombierter Hohlkörper ausgeführten Aktuator 14 und eine Auswerte- und Steuerschaltung 16, welche hier innerhalb des Aktuators 14 angeordnet ist. Die Auswerte- und Steuerschaltung 16 steuert zur Einstellung des Durchflusses 20 des Dämpferfluids über das Piezoelement 12 den Aktuator 14 an. Bei einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerte- und Steuerschaltung 16 außerhalb des Dämpfers 1 in einem Steuergerät angeordnet.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 3, 4a und 4b die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Dämpfers 1 beschrieben. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist das rohrförmige Stapelpiezoelement 12 in einer entsprechenden Aussparung am unteren Ende der Kolbenstange 5 so untergebracht, dass es sich an der Oberseite gegenüber der Kolbenstange 5 abstützt und durch die Streckung seiner Außengeometrie LP eine axiale Relativbewegung mit der Längenänderung X erzeugt. Diese bewegliche Seite des Piezoelements 12 drückt auf die Oberseite des als rotationssymmetrischer Hohlkörper ausgeführten Aktuators 14, welcher im zylinderförmigen Kolbenstempel 6 angeordnet ist. Die Unterseite des Hohlkörpers 14 stützt sich gegen den Boden des Kolbenstempels 6 ab. Durch die feste Lagerung des Hohlkörpers 14 an der Unterseite und die bewegliche Abstützung gegen das Piezoelement 12 an der Oberseite wird der Hohlkörper 14 mit einer Gesamthöhe LH in Abhängigkeit von der Längenänderung X des Piezoelements 12 um die Längenänderung X gestaucht, so dass seine Mantelfläche deformiert wird. Damit die Deformation des Mantels kontrolliert erfolgen kann, ist die Mantelfläche des Hohlkörpers 14 bombiert ausgeführt, d. h. bei einem wirkenden Druck auf den Hohlkörper 14, erhöht sich der Außendurchmesser des Hohlkörpers 14 von einem minimalen Außendurchmesser DH bis zu einem maximalen Außendurchmesser DH + Y, wie aus 4a und 4b ersichtlich ist, wobei der Wert Y einer maximalen Vergrößerung des Hohlkörperdurchmessers infolge einer maximalen Längsstauchung X entspricht. Wird für die Mantelfläche des Hohlkörpers 14 ein elastisches Material, wie z. B. Metallblech mit Federeigenschaften verwendet, erfolgt beim Nachlassen der Druckkräfte eine selbständige Rückstellung des Mantels des Hohlkörpers 14, so dass der Außendurchmesser des Hohlkörpers wieder den Ausgangswert DH annimmt.
Der variable Manteldurchmesser des Hohlkörpers 14 bildet zusammen mit dem konstanten Innendurchmesser des umschließenden Kolbenstempels 6 einen variablen Ringquerschnitt 15, wie aus 4a und 4b ersichtlich ist. Dieser Ringquerschnitt 15 stellt die Verbindung dar, durch die das Dämpferfluid, z. B. ein Hydrauliköl, von der unteren Dämpferkammer 4 in die obere Dämpferkammer 3 und umgekehrt fließen kann. Da die anzulegende Spannung am Piezoelement 12 proportional zum Durchflusswiderstand des Dämpferfluids ist, kann die angelegte Spannung in vorteilhafter Weise für die Regelung der Dämpferkraft genutzt werden.
Im Falle eines unzulässigen Druckanstiegs kann sich die Mantelfläche des Hohlkörpers 14 kurzzeitig so deformieren, dass sich eine Stoßwelle durch den Ringquerschnitt 15 schieben kann und die beteiligten Komponenten nicht beschädigt werden. Neben der Funktion als Aktuator 14 dient der abgeschlossene Hohlkörper 14 hier auch als Gehäuse für die Auswerte- und Steuerschaltung 16.
Außerdem bietet die Anordnung eines Wegsensors 18 im Hohlkörper 14 an, da hier zwei relativ zu einander bewegliche Teile, wie der Kolbenstempel 6 und die Innenwand des Dämpferzylinders 2 in unmittelbare Nähe zu einander liegen. Durch die Verwendung des Wegsensors 18 kann die Kolbenstempelposition im Dämpfer 1 in vorteilhafter Weise absolut bestimmt werden.
Durch die Innenbohrung des rohrförmigen Piezoelements 12 kann das Verbindungskabel 7 von der Auswerte- und Steuerschaltung 16 durch eine Bohrung in der Kolbenstange 5 nach außen geführt werden. Die hier beschriebene, konstruktive Ausführung stellt eine kompakte, voll integrierte Einheit 10 von Aktuator 14, Auswerte- und Steuerschaltung 16 und Sensor 18 dar. Die Auswerte- und Steuerschaltung 16 ist beispielsweise als eine flexible Leiterplatte 17 ausgeführt, wodurch die Anordnung innerhalb des Hohlkörpers 14 erleichtert wird.
5 zeigt eine mögliche Anordnung der der flexiblen Leiterplatte 17 der Auswerte- und Steuerschaltung 16, des Wegesensors 18 und des rohrförmigen Stapelpiezos 12, wobei die flexible Leiterplatte 17 und der Wegesensor 18 im Inneren des Hohlkörpers 14 angeordnet sind. Im Hohlkörper 14 und im Kolbenstempel 6 können Öffnungen und/oder Fenster für den Wegesensor 18 angeordnet werden, damit der Wegesensor 18 die Relativbewegungen zwischen dem Kolbenstempel 6 und der Innenwand des Dämpferzylinders 2 sensieren kann.
In einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform des Piezoventils wird der Hohlkörper durch die Längenänderung X des Piezoelements auf Zug belastet. Hierbei ist das Piezoelement ganz innerhalb des Hohlkörpers angeordnet oder ragt durch eine Öffnung von oben in den Hohlkörper hinein und stützt sich von innen an der Unterseite des Hohlkörpers ab. Die Oberseite des Hohlkörpers ist fest mit der Kolbenstange verbunden. Die Unterseite des Hohlkörpers ist frei beweglich. Verlängert sich das Piezoelement aufgrund einer angelegten Spannung um die Längenänderung X, dann streckt sich der Hohlkörper ebenfalls um die Längenänderung X, wodurch der maximale Außendurchmesser DH + Y des Hohlkörpers verringert wird und der Ringquerschnitt für den Fluiddurchfluss vergrößert wird.

Claims

Dämpfer mit einem Dämpferzylinder (2), in welchem ein Kolbenstempel (6) über eine Kolbenstange (5) geführt ist, wobei zur Einstellung von Dämpferkennwerten der Durchfluss eines Dämpferfluids steuerbar ist, wobei innerhalb des Dämpferzylinders (1) ein Piezoventil (10) angeordnet ist, welches ein Piezoelement (12) und einen Aktuator (14) umfasst, wobei eine Auswerte- und Steuerschaltung (16) zur Einstellung des Durchflusses (20) des Dämpferfluids den Aktuator (14) über das Piezoelement (12) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (12) über eine Längenänderung (X) einen Querschnitt des Aktuators (14) verändert, wodurch ein Durchflussquerschnitt (15) im Kolbenstempel (6) für das Dämpferfluid einstellbar ist, wobei der Aktuator (14) als bombierter Hohlkörper aus einem elastischen Material ausgeführt und innerhalb des Kolbenstempels (6) angeordnet ist und einen Außendurchmesser aufweist, welcher zwischen einem minimalen Wert (DH) und einem maximalen Wert (DH + Y) einstellbar ist.
Dämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der variable Außendurchmesser des Hohlkörpers (14) zusammen mit einem konstanten Innendurchmesser des umschließenden Kolbenstempels (6) den variablen als Ringquerschnitt ausgebildeten Durchflussquerschnitt (15) erzeugt, welcher die Verbindung für das Dämpferfluid zwischen einer unteren Dämpferkammer (4) und einer oberen Dämpferkammer (3) im Dämpferzylinder (2) herstellt.
Dämpfer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (12) über die Längenänderung (X) den Aktuator (14) staucht, so dass der Außendurchmesser des Aktuators (14) ausgehend vom minimalen Außendurchmesser (DH) variierbar ist.
Dämpfer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (12) über die Längenänderung (X) den Aktuator (14) streckt, so dass der Außendurchmesser des Aktuators (14) ausgehend vom maximalen Außendurchmesser (DH + Y) variierbar ist.
Dämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoventil (10) einen Wegsensor (17) umfasst, dessen Signale zur Bestimmung einer absoluten Position des Kolbenstempels (6) im Dämpferzylinder (2) von der Auswerte- und Steuerschaltung (16) auswertbar sind.
Dämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuerschaltung (16) innerhalb des Hohlkörpers (14) angeordnet ist.
Dämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (12) als rohrförmiges Stapelpiezoelement ausgeführt ist, dessen Längenänderung (X) durch eine über ein Verbindungskabel (7) angelegte Spannung einstellbar ist.
Dämpfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die an das Piezoelement (12) angelegte Spannung proportional zum Durchflusswiderstand des Dämpferfluids durch den Durchflussquerschnitt (15) im Kolbenstempel (6) ist und eine Dämpferkraft einstellt.