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Die
Erfindung betrifft einen hydraulischen Dämpfer, insbesondere für Fahrzeugfahrwerke,
mit einem Zylinder und einem innerhalb des Zylinders in Zugrichtung
und Druckrichtung bewegbaren Kolben, der axiale Durchlassöffnungen
enthält
und mit einer Ventilanordnung bestückt ist, wobei die Ventilanordnung
zumindest eine stets offene Bypass-Öffnung und für beide
Bewegungsrichtungen des Kolbens jeweils zumindest ein Linearventil
mit einer im Wesentlichen linearen Durchströmungscharakteristik sowie zumindest
ein federbelastetes Druckbegrenzungsventil aufweist, wobei die Bypass-Öffnung,
die Linearventile und die Druckbegrenzungsventile strömungsmäßig parallel
geschaltet sind, wobei der Kolben axiale Strömungskanäle aufweist, die eine Einströmseite und
eine Abströmseite
aufweisen, und wobei die Linearventile von Ventilscheiben gebildet werden,
die an der Stirnseite des Kolbens angeordnet sind und jeweils die
Abströmseite
der Strömungskanäle federelastisch überdecken.
Die Zugrichtung bezeichnet eine auswärts gerichtete Bewegung und die
Druckrichtung eine einwärts
gerichtete Bewegung des Kolbens innerhalb des Zylinders.
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Ein
hydraulischer Dämpfer
zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug dient dazu, Stöße zu dämpfen, die
von der Straßenoberfläche kommen.
Sie sollen einerseits ein komfortables Fahren gewährleisten und
müssen
gleichzeitig die Stabilität
des Kraftfahrzeuges auf unebenen Fahrbahnen sowie bei Kurvenfahrten
sicherstellen. Die Durchströmungscharakteristik
des Kolbens ist in geeigneter Weise abzustimmen. Die Durchströmungscharakteristik,
die auch als Dämpfungskennlinie
bezeichnet wird, beschreibt den Zusammenhang zwischen Dämpfungskraft
und Arbeitsgeschwindigkeit des Kolbens innerhalb des Zylinders.
Die Arbeitsgeschwindigkeit des Kolbens wird im Folgenden auch als
Dämpfergeschwindigkeit
bezeichnet.
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Ein
hydraulischer Dämpfer
mit den eingangs beschriebenen Merkmalen ist aus
DE 196 15 585 A1 bekannt,
wobei geschwindigkeitsabhängig
zunächst ein
erster Öffnungsquerschnitt
und bei einer zunehmenden Geschwindigkeit zusätzlich ein weiterer Durchtrittsquerschnitt
geöffnet
wird. Das stufenweise Öffnen
von zwei strömungsmäßig parallel
geschalteten Wegen wird dadurch erreicht, dass eine gemeinsame Ventilscheibe,
die mit einer Feder beaufschlagt ist, zunächst an ihrer Innenseite und
dann in einem zweiten Schritt an ihrer Außenseite angehoben wird. Dabei
ergibt sich der Nachteil, dass das Öffnungsverhalten des Öffnungsquerschnitts
und des Durchtrittsquerschnitts durch die Ausgestaltung mit lediglich
einer gemeinsamen Ventilscheibe und Feder unmittelbar aneinander
gekoppelt sind. Eine bedarfsgerechte Anpassung ist deshalb nicht
ohne weiteres möglich.
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Darüber hinaus
sind Dämpfungskolben
bekannt, deren Durchlassöffnungen
als Drosselöffnungen
mit vorgegebenem oder veränderbarem
Strömungswiderstand
ausgelegt sind. Ein solcher Dämpfungskolben
ist unter anderem in
DE
35 24 862 A1 (
9) beschrieben.
Die Dämpfungskennlinien
des Dämpfers
sind bei Bewegungen des Arbeitskolbens in Zug- und Druckrichtung
jeweils nicht linear. Mit zunehmender Arbeitsgeschwindigkeit des
Kolbens im Zylinder nimmt die Dämpfungskraft
progressiv zu.
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Aus
EP 0 161 872 A2 ist
ein hydraulischer Dämpfer
bekannt, dessen Dämpfungskolben
axiale Strömungskanäle enthält, die
jeweils auf der Abströmseite
mit elastischen Ventilscheiben belegt sind. Die Ventilscheiben schließen die
Strömungskanäle in einer
Strömungsrichtung
und lassen das hydraulische Medium in der anderen Strömungsrichtung
durch. Der von den Ventilscheiben freigegebene Spalt ist abhängig von
der Durchflussmenge und folglich von der Arbeitsgeschwindigkeit
des Kolbens im Zylinder. Zusätzlich
weist die Ventilanordnung eine stets offene Bypass-Öffnung auf.
Es resultiert eine Dämpfungskennlinie,
die im Bereich kleiner Arbeitsgeschwindigkeiten des Kolbens durch einen progressiven
Anstieg der Dämpfungskraft
und mit zunehmender Dämpfungsgeschwindigkeit
durch einen linearen Zusammenhang zwischen Dämpfungskraft und Arbeitsgeschwindigkeit
gekennzeichnet ist. Im linearen Bereich wird die Zunahme der Dämpfungskraft
in Abhängigkeit
der Arbeitsgeschwindigkeit durch die Steifigkeit der Ventilscheiben
bestimmt. Die Anordnung ist für
komfortorientierte Fahrzeuge mit niedrigem Dämpfungskraftbedarf im Bereich
kleiner Dämpfungsgeschwindigkeiten
geeignet. Durch die Verwendung steifer Ventilscheiben kann die Dämpfungskraft
bei kleinen Dämpfergeschwindigkeiten zwar
erhöht
werden, wobei jedoch eine Komforteinbuße bei höheren Dämpfergeschwindigkeiten hingenommen
werden muss.
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In
DE 37 42 099 C2 wird
ein Kolben für
einen hydraulischen Dämpfer
beschrieben, der in Zugrichtung eine Dämpfungswirkung erzeugt. Die
Ventilanordnung umfasst eine Bypass-Öffnung sowie ein Linearventil
mit einer im Wesentlichen linearen Durchströmungscharakteristik, die von
Ventilscheiben gebildet wird, welche die Abströmseite eines Strömungskanals
federelastisch überdecken.
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Bekannt
sind ferner Kolben für
hydraulische Dämpfer,
die Durchlassöffnungen
mit federbelasteten Druckbegrenzungsventilen sowie eine oder mehrere
zusätzliche
Bypass-Öffnungen
aufweisen. Eine solche Anordnung ist in
DE 38 03 888 A1 (
3)
beschrieben. Die Dämpfungskennlinie,
also der Funktionszusammenhang zwischen Dämpfungskraft und Arbeitsgeschwindigkeit
des Kolbens, steigt durch die Bypass-Öffnung progressiv an, bis der
durch die Vorspannung der Druckbegrenzungsventile bestimmte Öffnungsdruck
erreicht wird. An diesem Arbeitspunkt knickt der Kennungsverlauf
ab und steigt im weiteren Verlauf linear an. Der Gradient wird durch
die Federkraft der Druckbegrenzungsventile bestimmt. Der Kolben
ermöglicht
große
Dämpfungskräfte bei
kleinen Arbeitsgeschwindigkeiten des Kolbens und gewährleistet
ausreichenden Komfort bei großen
Arbeitsgeschwindigkeiten des Kolbens. Die bekannte Anordnung ist
jedoch konstruktiv aufwendig. Ferner lässt sich mit der beschriebenen
Ausführung
die Dämpfungskennlinie
im Übergangsbereich
zwischen dem durch die Bypass-Öffnung
bestimmten progressiven Abschnitt und dem durch die Druckbegrenzungsventile
bestimmten degressiven Abschnitt, nur unzureichend beeinflussen.
Insbesondere kann die Steigung innerhalb des Übergangsbereiches nicht oder
nur schlecht auf einen konkreten Anwendungsfall abgestimmt werden.
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Die ältere, nachveröffentlichte
DE 10 2005 008 162
B3 betrifft einen hydraulischen Dämpfer für Fahrzeugfahrwerke mit einem
Zylinder und einem Inhalt des Zylinders in Zugrichtung und Druckrichtung bewegbaren
Kolben, der axiale Durchlassöffnungen enthält und mit
einer Ventilanordnung bestückt
ist, wobei die Ventilanordnung eine stets offene Bypass-Öffnung in
der Bauform einer Prägung
in einem Trennsteg und für
die Zugrichtung des Kolbens ein Linearventil mit einer im Wesentlichen
linearen Durchströmcharakteristik
aufweist. Die Ventilanordnung umfasst des Weiteren eine zweite federbelastete Ventilscheibe,
die bei einem größeren Öffnungsdruck von
ihrer Ventilsitzfläche
abhebt und zusätzliche Strömungswege
freigibt. Die Ventilsitzfläche
für die erste
Ventilscheibe ist dabei direkt auf der zweiten Ventilscheibe ausgeführt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen Dämpfer für Fahrzeugfahrwerke anzugeben,
der eine einfache Konstruktion aufweist und im Hinblick auf seine
konstruktive Ausgestaltung leicht an unterschiedliche Anforderungen
angepasst werden kann.
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Gegenstand
der Erfindung und Lösung
dieser Aufgabe ist ein hydraulischer Dämpfer nach Anspruch 1.
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Im
Wirkungsbereich des Linearventils wird die Dämpfungskennlinie durch die
Parallelschaltung der Bypassöffnung
und des Linearventils bestimmt. Der Gradient wird zu hohen Werten
hin durch den progressiven Dämpfungskraftverlauf
bestimmt, den die stets offene Bypassöffnung bewirkt. Ausgehend von
dem hierdurch vorgegeben steilsten Gradienten kann der Gradient
durch eine Vorgabe der Öffnungscharakteristik
des Linearventils reduziert und eine im Wesentlichen lineare Kennlinie
mit flacheren Gradienten eingestellt werden. Die Lage des Degressionspunktes
ist durch die Vorspannung des Druckbegrenzungsventils bestimmt.
Mit der Abstimmung des Linearbereiches kann Einfluss darauf genommen
werden, bei welcher Arbeitsgeschwindigkeit des Kolbens das auf einen
bestimmten Öffnungsdruck
eingestellte Druckbegrenzungsventil öffnet und der degressive Verlauf
der Dämpfungskennlinie
beginnt. Die erfindungsgemäße Anordnung
ermöglicht
es, den Verlauf der Dämpfungskennlinie
an den konkreten Anwendungsfall optimal anzupassen.
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Die
Ventilanordnung ist so ausgebildet, dass die erfindungsgemäße Parallelschaltung
für beide Arbeitsrichtungen
des Kolbens wirksam ist. Die Bypass-Öffnung ist in beiden Strömungsrichtungen durchströmbar und
benötigt
keine Rückschlagventile. Sowohl
für die
Kolbenbewegung in Zugrichtung als auch in Druckrichtung ist jeweils
mindestens ein Linearventil vorgesehen. Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen
Druckbegrenzungsventile werden die Systemdrücke am Kolben sowohl bei einer
Bewegung des Kolbens in Zugrichtung als auch in Druckrichtung begrenzt,
wobei der Öffnungsdruck
durch die Federvorspannung der Druckbegrenzungsventile einstellbar
ist.
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Erfindungsgemäß weist
der Kolben axiale Strömungskanäle auf,
die eine Einströmseite
und eine Abströmseite
aufweisen. Die Linearventile werden von Ventilscheiben gebildet,
die an der Stirnseite des Kolbens angeordnet sind und jeweils die
Abströmseite
der Strömungskanäle federelastisch überdecken.
Die Linearventile können
auch aus einem Paket aus mehreren übereinander geschichteten Ventilscheiben
bestehen, wobei zweckmäßig relativ steife
Ventilscheiben verwendet werden, um einen steilen Kraftgradienten
im Bereich kleiner Geschwindigkeiten zu realisieren. Dabei können sowohl
Ventilscheiben unterschiedlicher Durchmesser als auch Ventilscheiben
gleicher Durchmesser verwendet werden. Alternativ zur Verwendung
steifer Ventilscheiben können
steile Kraftgradienten im Bereich kleiner Geschwindigkeiten auch
durch eine Verringerung der druckbeaufschlagten Fläche der
Ventilscheiben bei gleichzeitiger Verwendung weicherer Ventilscheiben
erzielt werden. Zur Realisierung dieser alternativen Möglichkeit
ist es allerdings erforderlich, eine Modifikation des Kolbenkörpers vorzunehmen,
was vergleichsweise aufwendig ist. Einfacher und deutlich weniger
aufwendig ist es dagegen, entweder steifere Ventilscheiben zu verwenden
oder durch eine Anpassung des Durchmessers der den Ventilscheiben
zugeordneten Stützscheiben
die Steifigkeit des Ventilscheibenpaketes gezielt zu variieren.
So kann durch eine einfache Vergrößerung des Durchmessers der
den Ventilscheiben zugeordneten Stützscheiben die Steifigkeit
des Scheibenpaketes erhöht
werden.
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Die
Druckbegrenzungsventile weisen kegel- oder kugelförmige Ventilkörper auf,
die in gestuften Durchgangsbohrungen des Kolbens angeordnet sind und
unter der Wirkung einer Druckfeder an Ventilsitzflächen innerhalb
der Durchgangsbohrung anliegen. Die Druckfedern der Druckbegrenzungsventile
sind zweckmäßig an ringscheibenförmigen Federhaltern abgestützt, die
auf dem Ende einer Kolbenstange angeordnet sind. Der Kolben kann
ebenfalls auf dem Ende der Kolbenstange angeordnet und zwischen den
Federhaltern eingespannt werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den Ansprüchen
5 bis 7 beschrieben.
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Der
Kolben kann eine Bohrung enthalten, welche die Bypass-Öffnung bildet.
Im Rahmen der Erfindung liegt es jedoch auch, dass die Bypass-Öffnung in
den Ventilscheiben oder in einem mit den Ventilscheiben zusammenwirkenden
Ventilsitz vorgesehen ist.
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Der
Kolben enthält
weitestgehend in axialer Richtung verlaufende Strömungskanäle und kann
als einteiliges Bauteil ausgeführt
werden. Vorzugsweise besteht er aus einem einteiligen Sinterkörper.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung erläutert.
Es zeigen schematisch
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1 das
hydraulische Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung für den Kolben eines
hydraulischen Dämpfers,
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2 die
Dämpfungskennlinie
der in 1 schematisch dargestellten Ventilanordnung bei
einer Bewegung des Kolbens in Zugrichtung,
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3 ausschnittsweise
einen Längsschnitt durch
einen erfindungsgemäßen hydraulischen Dämpfer.
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Zum
grundsätzlichen
Aufbau des in den Figuren dargestellten hydraulischen Dämpfers gehören ein
Zylinder 1 sowie ein innerhalb des Zylinders in Zugrichtung
und Druckrichtung bewegbarer Kolben 2, der axiale Durchlassöffnungen
enthält
und mit einer Ventilanordnung bestückt ist. Dem in 1 dargestellten
hydraulischen Schaltbild der Ventilanordnung entnimmt man, dass
die Ventilanordnung eine stets offene Bypass-Öffnung 3 umfasst.
Ferner sind für
beide Bewegungsrichtungen des Kolbens jeweils zumindest ein Linearventil 4, 4' mit einer im
Wesentlichen linearen Durchströmungscharakteristik
und mindestens ein federbelastetes Druckbegrenzungsventil 5, 5' vorgesehen.
Die Bypass-Öffnung 3,
die Linearventile 4, 4' und die Druckbegrenzungsventile 5, 5' sind strömungsmäßig parallel
geschaltet.
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Die 2 zeigt
die Dämpfungskennlinie
der erfindungsgemäßen Ventilanordnung
bei einer Bewegung des Kolbens in Zugrichtung. In einem Bypass-Bereich A,
der durch die Wirkung der Bypass-Öffnung 3 bestimmt
wird, nimmt die Dämpfungskraft
in Abhängigkeit
der Arbeitsgeschwindigkeit des Kolbens überproportional zu. Der Bypass-Bereich
A mit einem progressiven Anstieg der Dämpfungskraft ist auf kleine
Arbeitsgeschwindigkeiten des Kolbens beschränkt. Daran schließt ein linearer
Dämpfungskennlinienbereich
B an, der durch die Wirkung der linearen Durchströmungscharakteristik
des Linearventils 4 bestimmt wird. Durch Einstellung der
Strömungscharakteristik
des Linearventils 4 ist der Gradient, das heißt die Steigung
der Kennlinie im linearen Dämpfungskennlinienbereich B,
einstellbar. Die dargestellten Kennlinien resultieren aus unterschiedlichen
Einstellungen des Linearventils. Der Gradient wird zu hohen Werten
hin durch den progressiven Dämpfungskraftverlauf
bestimmt, den die stets offene Bypass-Öffnung bewirkt. Ausgehend von
dem hierdurch vorgegebenen steilsten Gradienten kann der Gradient
durch eine Vorgabe der Öffnungscharakteristik
des Linearventils reduziert und eine im Wesentlichen lineare Kennlinie
mit flacherem Gradienten eingestellt werden. Der dargestellte Pfeil
soll die Variationsmöglichkeiten
verdeutlichen. Wenn aufgrund zunehmender Arbeitsgeschwindigkeit
des Kolbens 2 der Öffnungsdruck
des Druckbegrenzungsventils 5 erreicht wird, knickt der Kennungsverlauf
ab. In einem Degressionsbereich C wird die Dämpfungskennlinie bestimmt durch
die Wirkung des Linearventils 4 und des sich öffnenden Druckbegrenzungsventils 5.
Daran schließt
im Bereich D ein linearer Verlauf der Dämpfungskennlinie mit flachem
Gradienten an. Der Bereich D wird durch die hydraulische Wirkung
des Druckbegrenzungsventils 5 bestimmt. In diesem Bereich
D ist der Kennlinienverlauf durch die Auslegung des Druckbegrenzungsventils 5 frei
einstellbar. Der dargestellte Doppelpfeil veranschaulicht, dass
die Kennlinie im Bereich D sowohl zu größeren als auch zu kleineren Werten
hin veränderbar
ist. Die Dämpfungskennlinie ist
in 2 für
die Bewegung des Kolbens in Zugrichtung dargestellt worden. Die
Dämpfungskennlinie
für die
Bewegungsrichtung des Kolbens in Druckrichtung weist einen qualitativ ähnlichen
Verlauf auf, wobei die Dämpfungskräfte und
Kraftgradienten sich in Zug- und Druckrichtung jedoch dem Betrage
nach unterscheiden können.
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Eine
konstruktive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lehre ist in 3 dargestellt.
Der Kolben 2 ist am Ende einer Kolbenstange 6 angeordnet
und enthält
axiale Strömungskanäle 7,
die eine Einströmseite 8 und
eine anders gestaltete Abströmseite 9 aufweisen.
Die in Zug- und Druckrichtung des Kolbens wirksamen Linearventile 4, 4' werden von Ventilscheiben 10 gebildet,
die an beiden Stirnseiten des Kolbens 2 angeordnet sind
und jeweils die Abströmseite 9 der
Strömungskanäle 7 federelastisch überdecken.
Mit zunehmender Arbeitsgeschwindigkeit des Kolbens heben sich die
Ventilscheiben unter der Wirkung eines innerhalb der Strömungskanäle 7 auf
die Ventilscheiben 10 wirkenden Fluiddruckes von einer
zugeordneten Ventilsitzfläche
des Kolbens zunehmend ab und geben einen zunehmenden Öffnungsspalt
frei. Es werden relativ steife Federscheiben 10 verwendet,
um einen steilen Kraftgradienten im Linearbereich B zu realisieren.
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Die
Druckbegrenzungsventile 5, 5' weisen kegel- oder kugelförmige Ventilkörper 11 auf,
die in gestuften Durchgangsbohrungen des Kolbens angeordnet sind
und unter der Wirkung einer Druckfeder 12 an Ventilsitzflächen innerhalb
der Durchgangsbohrungen anliegen. Die Druckfedern 12 der
Druckbegrenzungsventile 5, 5' sind an ringscheibenförmigen Federhaltern 13 abgestützt, die
auf dem Ende der Kolbenstange 6 angeordnet sind. Der Kolben 2, der
ebenfalls auf dem Ende der Kolbenstange 6 angeordnet ist,
ist zwischen den Federhaltern 13 eingespannt.
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Der
Darstellung in 3 entnimmt man, dass die ein
Linearventil 4 bzw. 4' bildenden Ventilscheiben 10 jeweils
zwischen einer Auflagefläche des
Kolbens und einem Stützring 14 eingespannt sind,
wobei die Stützringe 14 unmittelbar
oder unter Zwischenschaltung eines scheibenförmigen Vorspannelementes 15 an
den Federhaltern 13 abgestützt sind. Durch die Anpassung
des Durchmessers des Stützelementes 14 kann
die Steifigkeit des in der Druckstufe wirksamen Ventilscheibenpaketes
gezielt eingestellt werden. Die aus dem Kolben 2 und den Federhaltern 13 bestehende
Anordnung ist zwischen einem Wellenbund der Kolbenstange und einer
auf ein Gewinde der Kolbenstange angeschraubten Spannmutter 16 fixiert.
Zwischen der Spannmutter 16 und dem benachbarten Federhalter 13 kann
ebenfalls ein scheibenförmiges
Vorspannelement 15' angeordnet
sein. Durch Variation der Dicke des Vorspannelementes 15' kann die Vorspannung
der Druckfeder 12 der Zugstufen-Druckbegrenzungsventile 5' variiert werden.
Analog kann durch Variation der Dicke des Vorspannelementes 15 die
Vorspannung der Druckfedern 12 der Druckstufen-Druckbegrenzungsventile 5 variiert
werden.
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Die
Bypass-Öffnung 3 ist
in den Ventilscheiben, z. B. in Form eines Schlitzes oder in einem
mit den Ventilscheiben zusammen wirkenden Ventilsitz vorgesehen.
Der Kolben kann alternativ auch eine Bohrung enthalten, welche die
Bypass-Öffnung
bildet.
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Der
Kolben 2 besteht vorzugsweise aus einem einteiligen Sinterkörper.