DE102010031144A1

DE102010031144A1 - Schwingungsdämpfer mit amplitudenabhängiger Dämpfkraft

Info

Publication number: DE102010031144A1
Application number: DE102010031144A
Authority: DE
Inventors: Armin Ziesche; Heinz-Eugen Güldenring
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2030-07-10
Also published as: DE102010031144B4; KR20120005971A

Abstract

Schwingungsdämpfer mit amplitudenabhängiger Dämpfkraft, mit einem Zylinder, in dem eine Kolbenstange axial beweglich geführt ist, wobei die Kolbenstange eine Kolbenanordnung trägt, die einen ersten Kolben, der an der Kolbenstange fixiert ist, und einen zweiten zur Kolbenstange zwischen Anschlägen axial beweglichen Kolben umfasst, wobei die Kolbenanordnung den Zylinder in einen kolbenstangenseitigen und einen kolbenstangenfernen Arbeitsraum unterteilt und sich axial zwischen den beiden Kolben ein mit Dämpfmedium gefüllter längenveränderlicher Zwischenraum erstreckt, wobei die Dämpfkraft der Kolbenanordnung durch die Position des axial beweglichen Kolbens bestimmt wird, der einen Bypasskanal zum zweiten Kolben steuert, wobei der Bypasskanal zwei Anschlussöffnungen aufweist, von denen eine Anschlussöffnung einen der Arbeitsräume mit dem Bypasskanal verbindet, wobei der Bypasskanal eine erste Anschlussöffnung zum Zwischenraum aufweist und die zweite Anschlussöffnung zu dem Arbeitsraum im Verschiebebereich des zweiten Kolbens ausgeführt ist, wobei beide Anschlussöffnungen vom axial beweglichen Kolben gesteuert werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer mit amplitudenabhängiger Dämpfkraft gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die DE 100 41 199 C1 beschreibt einen Schwingungsdämpfer mit amplitudenabhängiger Dämpfkraft, der einen an der Kolbenstange befestigten ersten Kolben und einen zur Kolbenstange in Grenzen axial beweglichen zweiten Kolben aufweist. Beide Kolben sind beidseitig mit Ventilscheiben bestückt. Innerhalb des Verschiebebereichs des beweglichen Kolbens wird eine niedrige Dämpfkraft erzeugt. Liegt der bewegliche Kolben an einem Anschlag an, dann wird die Dämpfkraft durch die Überlagerung der Dämpfwirkung der durchströmten Ventile beider Kolben erzeugt. Zur Anpassung der Dämpfkraftkennlinie eines derartigen Schwingungsdämpfers kann man die Rückstellfedern des beweglichen Kolbens variieren. Zusätzlich besteht die Möglichkeit der Änderung der Ventilscheibenbestückung an beiden Kolben. Des Weiteren liegt an beiden Kolben ein so genannter Voröffnungsquerschnitt vor, der permanent geöffnet ist und die Dämpfkraftkennlinie bei niedrigen Kolbenstangengeschwindigkeiten bestimmt.
Auf diesem Konstruktionsprinzip aufbauend zeigt die DE 10 2006 011 351 A1 einen Schwingungsdämpfer mit amplitudenabhängiger Dämpfkraft, bei dem der axial bewegliche Kolben mit einem hydraulischen Druckanschlag zusammenwirkt, um eine weitere Einflussgröße zur Bestimmung der Dämpfkraftkennlinie zu erreichen.
Die DE 199 48 328 A1 betrifft ebenfalls einen Schwingungsdämpfer mit amplitudenabhängiger Dämpfkraft mit einem ersten zur Kolbenstange ortsfesten und einem zweiten zur Kolbenstange axial beweglichen Kolben. Der bewegliche Kolben bildet mit der Kolbenstange ein Schieberventil, das einen Bypasskanal innerhalb der Kolbenstange schaltet. Der Bypasskanal verbindet die von den beiden Kolben getrennten Arbeitsräume des Schwingungsdämpfers. Ein Zwischenraum zwischen dem ortsfesten und dem axial beweglichen Kolben, der ebenfalls mit Dämpfmedium gefüllt ist und durch den das Dämpfmedium in der Anschlagposition des beweglichen Kolbens hindurchströmen muss, ist nicht an den Bypass angeschlossen.
Fahrversuche haben ergeben, dass ein axial beweglicher Kolben ohne Rückstellfedern, wie in der DE 199 48 328 verwirklicht ist, ein besseres Anfederungsverhalten des Schwingungsdämpfers bewirkt. Jedoch steht diesem Vorteil die undefinierte Position des axial beweglichen Kolbens entgegen, was sich negativ auf die Gesamtdämpfkraftkennlinie auswirkt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein im Vergleich zum Stand der Technik besseres Anfedern des gattungsbildenden Schwingungsdämpfers zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, der Bypasskanal eine erste Anschlussöffnung zum Zwischenraum aufweist und die zweite Anschlussöffnung im Verschiebebereich des zweiten Kolbens zu dem Arbeitsraum ausgeführt ist, wobei beide Anschlussöffnungen vom axial beweglichen Kolben gesteuert werden.
Der große Vorteil besteht darin, dass der axial beweglich Kolben einerseits über Rückstellfedern mit relativ großer Rückstellkraft beaufschlagt werden kann, um eine sportliche Grundeinstellung des Schwingungsdämpfers zu erreichen, aber andererseits über den Bypasskanal kleine Anregungen mit kleinen Amplituden komfortorientiert ausgefiltert werden, da das Dämpfmedium je nach Anregung den axial beweglichen Kolben über den Bypasskanal umströmen und somit von der Dämpfkrafterzeugung abkoppeln kann. Wenn aufgrund der auftretenden Volumenströme eine Verschiebebewegung zum Verschluss des Bypasskanals führt, dann findet eine erste Dämpfkraftsteigerung statt. Erreicht der bewegliche Kolben einen Anschlag, dann stellt sich ein noch höheres Dämpfkraftniveau ein. Dieses mehrstufige Dämpfkraftkennlinie, ausgehend von einer geringen Dämpfkraft, führt zu einem als angenehm empfundenen Dämpfkraftverhalten des Schwingungsdämpfers.
Bei einer ersten Ausführungsform erstreckt sich der Bypasskanal innerhalb einer hohl ausgeführten Kolbenstange.
Eine axiale Bohrung größerer Länge innerhalb der Kolbenstange ist tendenziell relativ kostenaufwändig. Auch die Verschlusstechnik für den Bypasskanal verursacht Kosten. Deshalb kann die Kolbenstange aus mehreren Längenabschnitten bestehen, die zu einem Gesamtbauteil zusammengefügt sind, wobei ein Längenabschnitt der Kolbenstange mit einem Vollmaterialquerschnitt den Bypasskanal axial zum Arbeitsraum verschließt.
Alternativ kann der Bypasskanal von mindestens einer Nut auf einer Führungsfläche der Kolbenstange für den axial beweglichen Kolben gebildet werden.
Dabei können mehrere Nuten mit unterschiedlicher Nutlänge in der Kolbenstange ausgeführt sein, um den Volumenstrom über den Bypass noch stärker von der Momentanposition des axial beweglichen Kolbens abhängiger zu steuern.
Um die Dämpfkraftkennlinie des Schwingungsdämpfers eindeutig von den auftretenden Volumenströmen an der Kolbenanordnung abhängig zu gestalten, steht der zweite Kolben über eine Gleitfläche auf der Führungsfläche der Kolbenstange in Reibkontakt, wobei die Reibkraft zwischen einer Innenwandung des Zylinders und dem zweiten Kolben kleiner ist als die Reibkraft zwischen der Führungsfläche der Kolbenstange und der Gleitfläche des zweiten Kolbens. Würde man die Reibkräfte am beweglichen Kolben nicht beachten, dann könnte die Verschiebebewegung des axial beweglichen Kolbens ausschließlich wegabhängig erfolgen und nicht in Abhängigkeit der Volumenströme.
Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Die einzige Figur zeigt einen Ausschnitt aus einem Schwingungsdämpfer 1, der einen Zylinder 3 aufweist, in dem eine Kolbenstange 5 mit einer Kolbenanordnung 7 axial beweglich geführt ist. Der Zylinder 3 wird von der Kolbenanordnung 7 in einen mit Dämpfmedium gefüllten kolbenstangenseitigen und einen kolbenstangenfernen Arbeitsraum 9; 11 unterteilt. Die Kolbenanordnung 7 umfasst einen ersten Kolben 13, der auf zwei verschiedenen Teilkreisdurchmessern Durchgangsöffnungen 15; 17 aufweist, deren Eintrittsquerschnitte frei und deren Austrittsquerschnitte zumindest teilweise von mindestens einer Ventilscheibe 19; 21 abgedeckt sind. Die Durchgangsöffnungen 15; 17 und die dazugehörigen Ventilscheiben 19; 21 bilden Dämpfventile 23; 25 für die Bedämpfung beider axialen Kolbenstangenbewegungsrichtungen.
Auf einer Führungsfläche 27 der Kolbenstange 5 ist ein zweiter Kolben 29 über eine Gleitfläche 31 axial gelagert. Die Gleitfläche 31 wird von einer Schiebehülse 33, an der Federteller 35; 37 für Rückstellfedern 39; 41 befestigt sind, die den zweiten Kolben 29 in eine definierte Ausgangsposition vorspannen. Der zweite Kolben 29 verfügt ebenfalls über Durchgangsöffnungen 43; 45 für zwei Durchströmungsrichtungen, deren Austrittsquerschnitte von mindestens einer Ventilscheibe 47; 49 abgedeckt wird und die ebenfalls Dämpfventile 51; 53 bilden.
Die Rückstellfedern 39; 41 stützen sich an Federtellern 55; 57 ab, die fest mit der Kolbenstange in Wirkverbindung stehen und die für den axial beweglichen Kolben 29 eine Anschlagfunktion ausüben. Je nach Auslegung können die Rückstellfedern ggf. auf Block gehen.
Die beiden Kolben 13; 29 begrenzen axial einen volumenveränderbaren Zwischenraum 59, der radial von einer Innenwandung 61 des Zylinders und von der Kolbenstange 5 bestimmt wird. Zwischen dem kolbenstangenseitigen Arbeitsraum 9 und dem Zwischenraum 59 besteht zum axial beweglichen Kolben ein Bypasskanal 63. Die Figur zeigt zwei Ausführungsformen des Bypasskanals 63. In der rechten Zeichnungshälfte weist der Bypasskanal 63 eine erste Anschlussöffnung 65 zum Zwischenraum 59 und eine zweite Anschlussöffnung 67 im Verschiebebereich des zweiten Kolbens 29 zu dem kolbenstangenseitigen Arbeitsraum 9 auf, wobei beide Anschlussöffnungen 65; 67 vom axial beweglichen Kolben 29 gesteuert werden. Die Schiebehülse 33 des axial beweglichen Kolbens 29 und die Anschlussöffnungen 65; 67 bilden Schieberventile für den Bypasskanal 63.
Für die konstruktive Ausgestaltung des Bypasskanals besteht die Möglichkeit, dass sich der Bypasskanal 63 innerhalb einer hohlen ausgeführten Kolbenstange 5 erstreckt. Zwei Radialkanäle 69; 71 mit den Anschlussöffnungen 63; 65 und ein Axialkanal bilden den Bypasskanal 63.
Man kann die Kolbenstange 5 ausgehend vom dem Ende im kolbenstangenfernen Arbeitsraum 11 bis zum Radialkanal 67 als Sackloch hohl bohren und die Bohröffnung verschließen. Alternativ kann die Kolbenstange 5 aus mehreren Längenabschnitten bestehen, die zu einem Gesamtbauteil zusammengefügt sind, wobei ein Längenabschnitt 5a der Kolbenstange 5 mit einem Vollmaterialquerschnitt den Bypasskanal bzw. Axialkanal axial zum Arbeitsraum verschließt. Dazu dient z. B. ein angeschweißter Kolbenstangenzapfen, der den ersten Kolben 13 trägt.
Man kann aber auch, wie die linke Zeichnungshälfte zeigt, vorsehen, dass der Bypasskanal 63 von mindestens einer Nut auf der Führungsfläche 27 der Kolbenstange 5 für den axial beweglichen Kolben 29 gebildet wird. Optional können auch mehrere Nuten mit unterschiedlicher Nutlänge in der Kolbenstange 5 ausgeführt sein.
Der zweite Kolben 29 steht über seine Gleitfläche 31 auf der Führungsfläche 27 der Kolbenstange 5 in Reibkontakt, wobei die Reibkraft zwischen der Innenwandung 61 des Zylinders 5 und dem zweiten Kolben 29 in einer bevorzugten Ausführungsform kleiner ist als die Reibkraft zwischen der Führungsfläche 27 der Kolbenstange 5 und der Gleitfläche 31 des zweiten Kolbens 29.
Bei einer Kolbenstangenbewegung in Richtung des kolbenstangenfernen Arbeitsraums 11 wird Dämpfmedium aus diesem Arbeitsraum 11 durch das Dämpfventil 23 im ersten Kolben 13 verdrängt. Das Dämpfmedium gelangt in den Zwischenraum 59 und wirkt auf den axial beweglichen Kolben 29. Bei einem geringen Druckniveau oder einem kleinen Volumenstrom vom kolbenstangenfernen Arbeitsraum 11 in den Zwischenraum 59 kann das Dämpfmedium von dem Zwischenraum 59 ohne eine Verschiebebewegung des zweiten Kolbens 29 zu verursachen, über den geöffneten Bypasskanal 63 in den kolbenstangenseitigen Arbeitsraum 9 fließen. Je größer der Volumenstrom in den Zwischenraum 59 wird, um so stärker wird der zweite Kolben belastet und damit gegen die Kraft der Rückstellfeder 39 verschoben, da die Anschlussöffnung 67 zum kolbenstangenseitigen Arbeitsraum 9 zunehmend verschlossen wird. An dem Dämpfventil 53 des zweiten Kolbens 29 wird dabei keine Dämpfkraft erzeugt, da das verdrängte Dämpfmedium einerseits über den Bypasskanal 63 und anderseits über den anwachsenden Zwischenraum 59 kompensiert wird.
Wenn der zweite Kolben 29 die Anschlussöffnung 67 vollständig abdeckt, dann muss das gesamte aus dem kolbenstangenfernen Arbeitsraum 9 verdrängte Volumen durch beide Kolben 13; 29 bzw. durch die in Reihe wirksamen Dämpfventile 23; 49 fließen, wodurch eine Dämpfkraftsteigerung erreicht wird.
Eine Bewegung der Kolbenanordnung in Richtung des kolbenstangenseitigen Arbeitsraums 9 führt zu einem vergleichbaren Dämpfkraftverhalten, da das Dämpfmedium bei kleinen Volumenströmen aus dem Arbeitsraum 9 den axial beweglichen Kolben 29 ebenfalls über den Bypasskanal 63 in den Zwischenraum 59 umströmen kann und nur durch das Dämpfventil 25 im ersten Kolben 13 fließen muss. Steigt der Volumenstrom, dann verschiebt sich der axial bewegliche Kolben 29 in Richtung des ersten Kolbens 13. Das Volumen des kolbenstangenseitigen Arbeitsraums 9 nimmt in dem Maße zu, wie sich der Zwischenraum 59 verkleinert. Deshalb fließt noch kein Dämpfmedium durch den axial beweglichen Kolben 29. Erst wenn der axial bewegliche Kolben 29 die Anschlussöffnung 65 verschlossen und seine Endposition erreicht hat, dann muss das gesamte Dämpfmediumvolumen durch beide Dämpfventile 51; 25 der Kolbenanordnung 7 verdrängt werden.
Mit dem Bypasskanal 63 kann in Abhängigkeit des Volumenstroms innerhalb der Kolbenanordnung 7 der Hubbereich des Schwingungsdämpfers 1 mit verminderter Dämpfkraft über den Hubweg der Kolbenstange 5 hinaus vergrößert werden. Bei großen Volumenströmen entspricht der Hubbereich des Schwingungsdämpfers 1 bei kleiner Dämpfkraft dem Verschiebeweg des axialbeweglichen Kolbens 29 auf der Kolbenstange 5. Bei sehr kleinen Volumenströmen könnte der axial bewegliche Kolben 29 eine Position zwischen den beiden Anschlussöffnungen 65; 67 beibehalten, so dass stets nur die Dämpfventile im ortsfesten Kolben eine Dämpfkraft ausüben.
In der Praxis stellt sich jedoch ein Betriebsverhalten zwischen diesen beiden Extremen ein.
Bezugszeichenliste

1: Schwingungsdämpfer
3: Zylinder
5: Kolbenstange
7: Kolbenanordnung
9: kolbenstangenseitiger Arbeitsraum
11: kolbenstangenferner Arbeitsraum
13: erster Kolben
15; 17: Durchgangsöffnungen
19; 21: Ventilscheibe
23; 25: Dämpfungsventile
27: Führungsfläche
29: zweiter Kolben
31: Gleitfläche
33: Schiebehülse
35; 37: Federteller
39; 41: Rückstellfedern
43; 45: Durchgangsöffnungen
47; 49: Ventilscheibe
51; 53: Dämpfventile
55; 57: Federteller
59: Zwischenraum
61: Innenwandung
63: Bypasskanal
65: erste Anschlussöffnung
67: zweite Anschlussöffnung
69; 71: Radialkanäle
5a: Längeabschnitt der Kolbenstange

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10041199 C1 [0002]
DE 102006011351 A1 [0003]
DE 19948328 A1 [0004]
DE 19948328 [0005]

Claims

Schwingungsdämpfer (1) mit amplitudenabhängiger Dämpfkraft, mit einem Zylinder (3), in dem eine Kolbenstange (5) axial beweglich geführt ist, wobei die Kolbenstange (5) eine Kolbenanordnung (7) trägt, die einen ersten Kolben (13), der an der Kolbenstange (5) fixiert ist, und einen zweiten zur Kolbenstange (5) zwischen Anschlägen axial beweglichen Kolben (29) umfasst, wobei die Kolbenanordnung (7) den Zylinder (3) in einen kolbenstangenseitigen und einen kolbenstangenfernen Arbeitsraum (9; 11) unterteilt und sich axial zwischen den beiden Kolben (13; 29) ein mit Dämpfmedium gefüllter längenveränderlicher Zwischenraum (59) erstreckt, wobei die Dämpfkraft der Kolbenanordnung durch die Position des axial beweglichen Kolbens (29) bestimmt wird, der einen Bypasskanal (63) zum zweiten Kolben 29 steuert, wobei der Bypasskanal (63) zwei Anschlussöffnungen (65; 67) aufweist, von denen eine Anschlussöffnungen (67) einen der Arbeitsräume (9) mit dem Bypasskanal (63) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (63) eine erste Anschlussöffnung (65) zum Zwischenraum (59) aufweist und die zweite Anschlussöffnung (67) zu dem Arbeitsraum (9) im Verschiebebereich des zweiten Kolbens (29) ausgeführt ist, wobei beide Anschlussöffnungen (65; 67) vom axial beweglichen Kolben (29) gesteuert werden.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bypasskanal (63) innerhalb einer hohlen ausgeführten Kolbenstange (5) erstreckt.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (5) aus mehreren Längenabschnitten (5; 5a) besteht, die zu einem Gesamtbauteil zusammengefügt sind, wobei ein Längenabschnitt (5a) der Kolbenstange (5) mit einem Vollmaterialquerschnitt den Bypasskanal (63) axial zum Arbeitsraum (11) verschließt.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (63) von mindestens einer Nut auf einer Führungsfläche (27) der Kolbenstange (5) für den axial beweglichen Kolben (29) gebildet wird.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kolbenstange (5) ausgeführt sind.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kolben (29) über eine Gleitfläche (31) auf der Führungsfläche (27) der Kolbenstange (5) in Reibkontakt steht, wobei die Reibkraft zwischen einer Innenwandung (61) des Zylinders 3 und dem zweiten Kolben (29) kleiner ist als die Reibkraft zwischen der Führungsfläche (27) der Kolbenstange (5) und der Gleitfläche (31) des zweiten Kolbens (29).