DE102012012535A1

DE102012012535A1 - Dämpfer und Verfahren zum Betreiben eines Dämfers

Info

Publication number: DE102012012535A1
Application number: DE201210012535
Authority: DE
Inventors: Stefan Battlogg; Jürgen Pösel; Gernot Elsensohn
Original assignee: Inventus Engineering GmbH
Current assignee: Inventus Engineering GmbH
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2014-01-02
Anticipated expiration: 2032-06-27
Also published as: DE102012012535B4

Abstract

Dämpfer und Verfahren zum Betreiben eines Dämpfers, wobei eine ersten und eine zweiten über eine Dämpfereinrichtung miteinander hydraulisch verbundenen Komponente zueinander gedämpft wird, wobei ein steuerbares Dämpfungsventil mit einer Felderzeugungseinrichtung vorgesehen ist, mit der ein feldempfindliches Medium beeinflussbar ist, um eine Dämpfungskraft durch Erzeugen einer Feldstärke der Felderzeugungseinrichtung zu beeinflussen. Es wird ein Kennwert in Echtzeit ermittelt und mit dem Kennwert wird eine einzustellende Feldstärke in Echtzeit abgeleitet. Mit der Felderzeugungseinrichtung wird in Echtzeit die einzustellende Feldstärke erzeugt, um eine Dämpfungskraft in Echtzeit einzustellen, die sich aus dem ermittelten Kennwert ergibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dämpfer und ein Verfahren zum Betreiben eines Dämpfers. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßer Dämpfer an Fahrzeugen eingesetzt werden. Möglich ist auch der Einsatz an Werkzeugmaschinen oder sonstigen Maschine oder Anlagen, um Stöße oder Schwingungen zu dämpfen.
Im Stand der Technik sind verschiedenste Dämpfer bekannt geworden, die ein Dämpfungsventil umfassen. Möglicherweise umfasst ein solcher Dämpfer auch noch eine Federeinheit, um auftretende Stöße abzufedern.
Dämpfer mit integrierten Ventilen auf Basis von Piezokristallen sind sehr schnell, benötigen aber zum Freigeben der bei Dämpfern notwendigen großen Strömungsquerschnitte bzw. größerer Hübe sehr lange und teure Piezostackeinheiten, was sowohl bauraum- und kostentechnisch in größeren Stückzahlen nicht umsetzbar ist.
Ähnliches gilt für Elektrohubmagnete. Die Dämpfer nach dem erfinderischen Verfahren arbeiten mit Drücken bis 600 bar, die vom Hubmagnet variiert werden müssen. Die daraus resultierende Spuleneinheit muss zum Erreichen der hohen Sperrkräfte dann sehr groß und schwer werden, was die Massenträgheit erhöht und damit die Schaltzeit reduziert. Die verschiedenen gewünschten stufenlosen Schaltstellungen können dann damit zudem auch nicht erreicht werden.
Oft werden Dämpfer mit Öl als Dämpfungsfluid betrieben. Zur Dämpfung wird das Dämpfungsfluid von einer ersten Dämpfungskammer über eine Blende gedrosselt zu einer zweiten Dämpfungskammer geleitet. Die Größe der Öffnung der Blende bestimmt die Stärke der Dämpfung. Die optimale Dämpfung hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise dem Gewicht und der Größe der Stöße oder der Amplitude von Schwingungen. Es ist deshalb wünschenswert, die Stärke der Dämpfung lastabhängig einzustellen, sodass kleine Stöße weniger stark gedämpft werden als starke Stöße. Bei Einsatz in Fahrzeugen sind deshalb in Abhängigkeit von dem Gelände unterschiedliche Dämpfungseinstellungen optimal.
Die Größe der Öffnung kann über ein verstellbares Ventil variiert werden, welches aus einem Nadelventil mit Elektromotor plus Getriebe bestehen kann. Sehr schnelle Ventile dieser Art erreichen Schaltzeiten von zirka 60 ms und geben dabei notwendige größere Querschnitte frei. Für z. B. den Schutz von Insassen in gepanzerten Fahrzeugen bei einer Minenexplosion sind solche Ventile nicht verwendbar, da der für den Insassen wichtige verletzungrelevante Vorgang ein Gesamtdauer von nur 50 ms oder weniger haben kann, innerhalb dessen mehrmals verstellt und angepasst werden muss. Neben Dämpfern mit Öl als Dämpfungsfluid sind zur Einstellung und Beeinflussung der Dämpfung auch magnetorheologische und elektrorheologische Fluide bekannt geworden, deren Eigenschaften durch Anlegen eines entsprechenden magnetischen oder elektrischen Feldes beeinflusst werden können.
Magnetorheologische Fluide bestehen meistens aus einer Suspension von kleinen, magnetisch polarisierbaren Partikeln, welche in einer Trägerflüssigkeit wie einem Öl fein verteilt sind. Die meist aus Carbonyleisenpulver bestehenden polarisierbaren Partikel weisen typischerweise Durchmesser zwischen etwa 0,1 und 50 Mikrometern auf und bilden unter Einfluss eines magnetischen Feldes kettenartige Strukturen, die eine vom Feld abhängige Schubspannung aufnehmen können. Dadurch kann ähnlich wie durch eine Viskositätsänderung beispielsweise der Strömungswiderstand eines Ventils verändert werden.
Der Vorgang ist schnell, stufenlos steuerbar und reversibel, bei Abschaltung des Magnetfelds stellt sich der rheologische Ausgangszustand wieder ein. Somit eignen sich magnetorheologische Fluide zum Einsatz an Dämpfern.
Mit der DE 698 21 799 T2 ist ein Hinterradstoßdämpfer für Fahrräder bekannt geworden, der über ein magnetorheologisches Fluid gedämpft wird. An einem Ende einer Dämpferkammer wird über eine Bohrung eine Verbindung nach außen zu einem externen Dämpfungsventil zur Verfügung gestellt, das mit einer externen und parallel angeordneten Einheit verbunden ist, in dem die zweite Dämpferkammer untergebracht ist. An dem Dämpfungsventil ist ein Dauermagnet vorgesehen, dessen Position relativ zu dem Durchflussspalt veränderbar ist, um die Stärke des Magnetfeldes in dem Durchflussspalt einzustellen. Nachteilig an einem solchen System ist der komplexe Aufbau, der eine separat und parallel angeordnete Dämpferkammer erfordert, was den konstruktiven Aufwand und und Montageaufwand und das Gewicht des Hinterradstoßdämpfers erhöht. Außerdem ist eine Steuerung schwierig, da der Dämpfer mechanisch eingestellt wird.
Ein genereller Nachteil bei Dämpfern, die mit elektrorheologischen oder magnetorheologischen Fluiden betrieben werden, ist, dass bei der Dämpfung von Stößen immer erst ein Losbrechkraft überwunden werden muss, bevor eine Durchfluss durch das magnetorheologische Dämpferventil stattfindet. Das liegt daran, dass beispielsweise die magnetorheologischen Partikel sich entlang der Feldlinien relativ fest miteinander verketten. Erst beim Überwinden der Losbrechkraft ist ein Durchströmen eines Dämpfungskanals möglich. Bei bekannten magnetorheologischen Dämpfern wird eine bestimmte und einstellbare Dämpfungskraft eingestellt. Das hat aber den Nachteil, dass das Ansprechverhalten ungünstig ist, da erst eine Reaktion des Dämpfers erfolgt, wenn die einstellbare Losbrechkraft überwunden wurde. Bei einer weichen Einstellung des Dämpfers wird die Losbrechkraft relativ schnell überwunden und bei einer harten Einstellung des Dämpfers wird die Losbrechkraft erst bei großen Kräften überwunden. Der Dämpfer spricht in beiden Fällen aber erst bei der Überwindung der jeweiligen Losbrechkraft an.
Mit der EP 2 278 185 A1 ist ein magnetorheologischer Hinterradstoßdämpfer für ein Fahrrad bekannt geworden, bei dem die Stärke des im Dämpfungskanal wirkenden Magnetfeldes mechanisch über einen Drehring eingestellt wird. Es kann die Dämpfung in der Druckstufe und in der Zugstufe eingestellt werden. Der Stoßdämpfer bietet ein angenehmes Ansprechverhalten, da über einen einstellbaren Anteil des Dämpfungskanals, der dem Magnetfeld ausgesetzt ist, ein Nulldurchgang im Kraft-Geschwindigkeits-Diagramm gewährleistet wird. Ein weiterer Vorteil eines solches Systems ist, dass für den Betrieb keine elektrische Energie benötigt wird. Eine flexible oder elektronische Einstellung der Veränderung Dämpfereigenschaften ist aber schwierig.
Mit der WO 2010/007433 A2 ist ein Stoßdämpfer für Fahrräder bekannt geworden, bei dem die Druckstufendämpfung durch ein magnetorheologisches Ventil beeinflusst wird. Ein Beschleunigungssensor detektiert in vorbestimmten Zeitabständen den Beschleunigungswert und schaltet die elektrische Spule ein, um den Durchfluss durch das Dämpfungsventil zu dämpfen, wenn ein Beschleunigungswert eine vorgegebene Schwelle überschreitet. Dieser Stoßdämpfer und das damit durchgeführte Verfahren bewirkt die Dämpfung von Stößen und unterbindet beim sogenannten Wiegetritt die Wippbewegung durch das periodische Einfedern des Dämpfers (eng.: „pedal bob”). Weiterhin können bei dem bekannten Dämpfer für bestimmte Zeiträume die Beschleunigungswerte erfasst werden, um den Typ des Geländes, auf dem der Fahrer fährt, automatisch zu bestimmen. Durch die Anzahl und Größe der Beschleunigungswerte kann beispielsweise festgestellt werden, ob der Fahrer über glatten Asphalt oder aber durch das Gelände fährt. Entsprechend der historischen Daten kann die Dämpfung entsprechend angepasst werden, sodass auf einer glatten Straße die Dämpfung hart eingestellt wird, während im Gelände eine weiche Dämpfung vorgezogen wird.
Ein solcher Dämpfer funktioniert grundsätzlich. Nachteilig ist allerdings, dass beim Fahren auf glatter Straße die Dämpfung hart eingestellt wird, sodass beim Überfahren eines Schlagloches oder dergleichen praktisch keine Dämpfung erfolgt und der Schlag praktisch ungedämpft weiter gegeben wird. Beim Fahren im Wiegetritt wird mit dem Stoßdämpfer zwar das periodische Einfedern des Dämpfers verhindert, aber Stöße werden auch nicht mehr gedämpft. Ein Nulldurchgang des Kraft-Geschwindigkeits-Diagramms liegt bei aktivierter Dämpfung auch nicht vor, da erst die Losbrechkraft der MRF-Partikel überwunden werden müssen, bevor eine Dämpfung stattfindet. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei diesem Dämpfer bei Straßenfahrten viel elektrische Energie benötigt wird, um die dort geforderte harte Dämpfung einzustellen. Das wirkt sich nachteilig auf die Reichweite aus oder es müssen größere Batterien oder Akkus eingesetzt werden, was das Gewicht erhöht. Eine Gewichtserhöhung ist aber unerwünscht.
Es sind auch Ideen bekannt geworden, GPS-Sensoren oder dergleichen in Fahrzeugen einzusetzen, um elektrisch steuerbare Stoßdämpfer positionsabhängig einzustellen. Über ein GPS-Signal kann der Stoßdämpfer beispielsweise auf die Einstellung „Straße” und somit hart eingestellt werden während der Dämpfer weicher eingestellt wird, wenn eine Fahrt durch das Gelände erfolgt. Nachteilig bei solchen Systemen ist aber, dass trotz der relativ hohen Genauigkeit von GPS-Signalen es gerade auf Wirtschafts-, Wald- oder Wanderwegen einen erheblichen Unterschied machen kann, ob das Fahrrad 50 cm oder auch nur 10 cm oder sogar 1 cm weiter rechts oder links fährt. Deshalb kann es trotz satellitengestützter Positionsbestimmung und bei Hinterlegung eines entsprechenden Kartenmaterials dennoch zu ungeeigneten Einstellungen des Stoßdämpfers kommen.
Es sind auch Überlegungen angestellt worden, die Belastungen eines Stoßdämpfers beispielsweise beim Fahren von Runden aufzuzeichnen und den Stoßdämpfer beim Fahren der nächsten Runde entsprechend der zuvor aufgezeichneten Werte einzustellen, um günstige Dämpfungseigenschaften bereitzustellen. Nachteilig daran ist allerdings ebenfalls, dass bei einer zweiten Runde nicht exakt der gleiche Weg gefahren werden wird wie bei der ersten Runde. Schon eine Abweichung von einem oder mehreren Zentimetern können den Unterschied ausmachen, ob eine Wurzel überfahren oder umfahren wird. Außerdem können schon geringe seitliche Abweichungen erhebliche Untergrundänderungen hervorrufen, sodass auch beim Zugriff auf Daten zuvor gefahrener Runden erhebliche Abweichungen der tatsächlich auf den Stoßdämpfer einwirkenden Belastungen vorliegen können.
Grundsätzlich sind zwar in neuester Zeit beispielsweise für Kraftfahrzeuge optische Erkennungssysteme bekannt geworden, mit denen eine Nahfelderkennung des Untergrundes vor dem Fahrzeug stattfinden kann. Dazu wird über Laserdioden oder dergleichen eine Radarerfassung des Geländes vor dem Fahrzeug vorgenommen und es wird praktisch eine dreidimensionale Erfassung des Geländes vor dem Fahrzeug vorgenommen. Das funktioniert beispielsweise für Fahrkraftzeuge bei der frühzeitigen Erkennung von Kurven, wo dementsprechend die verschiedenen Stoßdämpfer des Fahrzeugs schon im voraus unterschiedlich eingestellt werden, um optimale Fahrbedingungen in der Kurve zu erhalten. Ob solche Systeme heute schon für den Einsatz an einem Fahrrad und zur Erkennung des Untergrundes bei Bergabfahrten geeignet wären, kann dahingestellt bleiben, da jedenfalls für eine derartige Erkennung ein ganz erheblicher Rechenaufwand erforderlich ist, der Rechenzeit benötigt. Tatsächlich kann mit solchen Untergrunderkennungssystemen auch immer nur ein digitales Umschalten erreicht werden. Entweder ist der Dämpfer durch das Magnetfeld hart oder aber weich eingestellt. Wenn ein Magnetfeld wirkt, weist der Stoßdämpfer keinen Nulldurchgang im Kraft-Geschwindigkeits-Diagramm mehr auf, sodass das Ansprechverhalten nicht mehr so gut ist. Eine Beaufschlagung des Dämpfungskanals mit einem stark inhomogen Magnetfeld, wie in der EP 2 278 185 A1 kann zwar ein angenehmes Ansprechverhalten zur Verfügung stellen, aber eine Variation eines solchen inhomogen Magnetfeldes ist nicht einfach zu erreichen.
Bei konventionellen Stoßdämpfern liegt hingegen auch bei einer härterem Grundeinstellung des Stoßdämpfers ein Nulldurchgang im Kraft-Geschwindigkeits-Diagramm vor, der jederzeit zu einem angenehmen Ansprechverhalten führt. Erst die Aktivierung eines Lockouts blockiert einen konventionellen Stoßdämpfer, aber damit wird der Stoßdämpfer ja praktisch bewusst abgeschaltet.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dämpfer und ein Verfahren zum Betreiben eines Dämpfers zur Verfügung zu stellen, womit eine flexible Steuerung möglich ist und sehr schnelle Kraftänderungen bei unterschiedlichen Anforderungen ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Dämpfers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch einen Dämpfer mit den Merkmalen des Anspruchs 19. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben wenigstens eines Dämpfers, bei dem wenigstens eine Relativbewegung einer ersten und einer zweiten miteinander verbundenen Komponente gedämpft wird. Dabei umfasst der Dämpfer wenigstens ein steuerbares Dämpfungsventil mit wenigstens einer Felderzeugungseinrichtung, mit der ein feldempfindliches Medium beeinflussbar ist, um eine Dämpfungskraft der Dämpfungseinrichtung durch Erzeugen einer Feldstärke der Felderzeugungseinrichtung zu beeinflussen. Es wird wenigstens ein Kennwert für die Relativbewegung der ersten und der zweiten Komponente zueinander periodisch in Echtzeit ermittelt. Mit dem Kennwert wird aus einer Dämpferkennlinie oder einem Kennfeld eine einzustellende Feldstärke in Echtzeit abgeleitet. Mit der Felderzeugungseinrichtung wird in Echtzeit die einzustellende Feldstärke erzeugt, um eine Dämpfungskraft in Echtzeit einzustellen, die sich aus der vorbestimmten Dämpferkennlinie ergibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat viele Vorteile. Ein erheblicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass wenigstens ein Kennwert für eine Relativbewegung der ersten und der zweiten Komponente zueinander ermittelt wird. Mit Hilfe einer Dämpferkennlinie wird eine einzustellende Feldstärke abgeleitet und erzeugt, sodass insgesamt in Echtzeit die zu der Relativbewegung gehörende Dämpfungskraft an dem Dämpfungsventil eingestellt wird. Dabei bedeutet der Begriff „in Echtzeit”, dass das gesamte System die auftretenden Echtzeitanforderungen erfüllt. Daraus folgt, dass das System schnell genug Daten erfasst, auswertet und eine entsprechende Feldstärke schnell genug erzeugt und sich daraus schnell genug eine Kraftänderung einstellt, um jederzeit schnell genug zu reagieren.
Ein erheblicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist, dass bei der Erfindung ein Stoß oder eine Wippbewegung oder dergleichen in Echtzeit erkannt und darauf reagiert wird.
Das bedeutet, dass im Normalzustand ohne besondere Ereignisse oder Störungen beispielsweise kein Feld an der Felderzeugungseinrichtung anliegt, da ohne Einwirkung von außen auch keine Relativbewegung zwischen der ersten und der zweiten Komponente auftritt. Daraus ergibt sich direkt, dass elektrische Energie zum Betreiben des Dämpfungsventils höchstens dann benötigt wird, wenn Ereignisse in Form von Stößen oder Schwingungen oder dergleichen auftreten. Ganz genau bedeutet dies, dass bei periodischen Stößen oder Belastungen ein Feld nur zu den kurzen Zeitpunkten erzeugt wird, zu denen eine Relativbewegung erfolgt, sodass die Spule als Felderzeugungseinrichtung zu wenigstens ca. 50% der Zeit stromlos bleiben kann, was eine erhebliche Menge an elektrischer Energie einsparen kann.
Auch bei Einsatz in einem Fahrzeug wird während der Fahrt durch ein Gelände die Spule nur bestromt, wenn eine entsprechende Relativbewegung vorliegt. Tatsächlich wird nicht einmal bei jeder Belastung von außen elektrische Energie zur Dämpfung benötigt, da der Dämpfer auch ohne Strom mit der dem Dämpfer eigenen Grunddämpfung auftretende Stöße etc. dämpft. Elektrische Energie muss nur eingesetzt werden, wenn eine darüber hinaus gehende Dämpfung erfolgen soll.
Die beispielsweise in einem (Daten-)Speicher des Dämpfers hinterlegte Dämpferkennlinie oder ein Kennfeld definieren eine Abhängigkeit der Dämpfungskraft von der Relativbewegung der beiden Komponenten zueinander. Die Dämpfungskraft ergibt sich durch Erzeugen einer entsprechenden Feldstärke mit der Felderzeugungseinrichtung, sodass die Dämpferkennlinie auch die Abhängigkeit der Feldstärke von der Relativbewegung oder Relativgeschwindigkeit oder der Relativkraft oder Relativbeschleunigung festlegt. Die Feldstärke ergibt sich wiederum aus der Stromstärke, die an die Spuleneinrichtung als Felderzeugungseinrichtung angelegt wird. Damit definiert die Dämpferkennlinie auch den insbesondere nicht-linearen Zusammenhang zwischen der Relativbewegung oder der Relativgeschwindigkeit und der Stromstärke der Spuleneinrichtung.
Vorzugsweise wird das Verfahren mit einem Dämpfer durchgeführt, der über ein magnetorheologisches Fluid gedämpft wird. Vorzugsweise wird eine elektrische Spuleneinrichtung als Felderzeugungseinrichtung eingesetzt.
Die in dieser Anmeldung beschriebenen Ausführungsbeispiele von Dämpfern können grundsätzlich aber auch mit elektrorheologischen Fluiden als feldempfindlichen Fluiden ausgerüstet sein. Dementsprechend wird bei solchen Dämpfern ein elektrisches Feld angelegt.
Die erste und die zweite Komponente können beliebige Komponenten des Dämpfers oder beispielsweise eines Fahrzeuges oder einer Maschine sein, an das oder an die der Dämpfer angebracht ist. So können die Komponenten die gegenüberliegenden Dämpferenden sein. Es ist auch möglich, dass unter der ersten und der zweiten Komponente Anschlusselemente oder beispielsweise das Standrohr und das Tauchrohr einer Federgabel verstanden werden.
Vereinfacht gesagt, dient das Verfahren zum Betreiben eines Dämpfers, bei dem eine Relativbewegung einer ersten und einer zweiten miteinander verbundenen (z. B. Fahrzeug-)Komponente erfasst wird und bei dem in Abhängigkeit von einem ermittelten Maß der Relativbewegung eine Felderzeugungseinrichtung entsprechend einer vorbestimmten Dämpferkennlinie oder Feldkurve eingestellt wird.
Dabei wird insbesondere die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen der ersten und der zweiten Komponente zueinander periodisch bestimmt und es wird in Abhängigkeit von dem Maß der Geschwindigkeit der Relativbewegung das Feld der Felderzeugungseinrichtung entsprechend einer vorbestimmten Feldkurve bzw. Dämpferkennlinie eingestellt. In einfachen Fällen ergibt sich bei festen oder doch im Wesentlichen festen Zeitabständen zwischen einzelnen Messungen aus der erfassten Relativbewegung direkt auch ein Kennwert für die Relativgeschwindigkeit.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Dämpfungskraft mit zunehmender Relativbewegung oder Relativgeschwindigkeit erhöht wird. Besonders bevorzugt ist es auch, dass die Dämpfungskraft mit zunehmender Feldstärke und insbesondere mit zunehmender Stromstärke der Felderzeugungseinrichtung zunimmt. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht eine besonders energiesparende Betriebsweise, da ein Feld der Felderzeugungseinrichtung nur benötigt wird, wenn eine entsprechende Dämpfungskraft benötigt wird. Im Normalzustand, wenn keine Relativbewegung zwischen der ersten und der zweiten Komponente erfolgt, wird demzufolge auch keine Feldstärke und somit auch keine elektrische Energie benötigt. Das ermöglicht einen energiesparenden Betrieb, wenn bei Einsatz in einem Fahrzeug beispielsweise auf einer glatten Straße gefahren wird, da bei solchen Bedingungen in der Regel kaum oder keine Stöße auf den Dämpfer auftreten.
Besonders bevorzugt weist die Dämpferkennlinie im Bereich geringer positiver und/oder negativer Relativgeschwindigkeiten einen Verlauf auf, der durch jeweils eine Gerade mit einer vorbestimmten Low-Speed-Steigung angenähert oder beschrieben werden kann. Besonders bevorzugt ist die Dämpferkennlinie im Bereich geringer positiver und/oder negativer Relativgeschwindigkeiten im Wesentlichen linear ausgebildet. Dabei kann die Steigung im Bereich der positiven und der negativen Relativgeschwindigkeiten unterschiedlich sein.
Besonders bevorzugt ist es ebenso, dass die Dämpferkennlinie im Bereich großer positiver und/oder negativer Relativgeschwindigkeiten jeweils durch eine Gerade mit einer vorbestimmten High-Speed-Steigung angenähert oder beschrieben werden kann. Vorzugsweise ist die Dämpferkennlinie im Bereich großer Relativgeschwindigkeiten wenigstens im Wesentlichen linear. Auch hier kann die Steigung für die Zugstufe und die Druckstufe unterschiedlich sein.
Je nach Anwendung können zwischen der ersten und der zweiten Komponente sehr hohe Relativgeschwindigkeiten auftreten, bei z. B. Dämpfern als Insassenschutz im Fahrzeug bis zu 5 m/s, teilweise bis zu 10 m/s und insbesondere 20 m/s oder mehr, bei z. B. Sicherheitsgurtdämpfern Daraus resultieren dann auch sehr hohe Volumenstromwerte und Strömungsgeschwindigkeiten in den vom Magnetfeld beeinflussbaren Strömungskanälen. Mittlere Strömungsgeschwindigkeiten von 30 m/sec, teilweise 60 m/sec oder mehr sind möglich. Der Volumenstrom kann 100 ml/sec, teilweise 200 ml/sec oder sogar über 300 ml/sec betragen.
In mittleren Bereichen der positiven und/oder negativen Relativgeschwindigkeiten kann wenigstens ein linearer oder gekrümmter Übergangsbereich vorgesehen sein, in dem ein nicht-linearer Verlauf der Dämpfungskraft bzw. Feldstärke über der Relativgeschwindigkeit vorgesehen ist.
Die Dämpferkennlinie stellt grundsätzlich die Steuerungsgrundlage für den Dämpfer dar. Nach dem Erfassen eines Kennwertes bzw. der Relativgeschwindigkeit selbst wird mit dem Kennwert bzw. der entsprechenden Geschwindigkeit mittels der vorgesehenen Dämpferkennlinie eine zugehörige Dämpfungskraft und somit eine zugehörige Feldstärke und insbesondere Stromstärke ermittelt, die anschließend eingestellt wird, sodass in Echtzeit der Durchflusswiderstand des Dämpfungsventils angepasst wird. Dadurch wird es ermöglicht, unterschiedlichste Dämpferkennlinien vorzugeben, auszuwählen oder einzustellen, die anschließend durch den Dämpfer selbsttätig eingehalten werden. Das ermöglicht einen Automatikmodus, bei dem der Nutzer grundsätzlich gar keine Einstellung mehr vornehmen muss.
Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist auch, dass ein angenehmes Ansprechverhalten zur Verfügung gestellt wird, da im Normalzustand ohne äußere Einwirkung oder ohne innere Schwingungsursache kein Feld oder nur ein äußerst geringes Feld der Felderzeugungseinrichtung anliegt. Dadurch wird keine Losbrechkraft oder nur eine äußerst geringe Losbrechkraft erforderlich, um eine Dämpfung auszulösen. Der Dämpfer wird nur bei tatsächlichen Stößen mit Strom versorgt. Im stoß- und schwingungsfreien Grundzustand wird für das Dämpferventil kein Strom benötigt. Dadurch wird ein sehr weiches Ansprechverhalten erzielt, dass vom Benutzer als angenehm empfunden wird.
Durch die Vorgabe einer Dämpferkennlinie kann auch ein weicher Übergang vom Low-Speed-Bereich zum High-Speed-Bereich eingestellt werden. Grundsätzlich kann jede beliebige Dämpferkennlinie vorgegeben werden.
Alternativ kann die Dämpferkennlinie auch in Abhängigkeit anderer physikalischer Größen wie Position, Beschleunigung, Kraft oder deren Kombination erfolgen. Zudem können Größen wie Temperatur oder bewegte Massen auf die Kennlinien oder den Regler einwirken. In Folge wird die Erfindung anhand einer geschwindigkeitsbasierenden Kennlinie beschrieben, diese Beschreibung gilt natürlich sinngemäß auch für andere Berechnungsmethoden.
Unter einer Dämpferkennlinie im Sinne der vorliegenden Anmeldung kann eine funktionale Beziehung verstanden werden, die die Relativgeschwindigkeit bzw. den Kennwert mit einer Dämpfungskraft über eine Berechnungsvorschrift verknüpft. Unter einer Dämpferkennlinie wird aber auch ein Kennfeld verstanden, welches in entsprechender Weise abgefragt werden kann. Dabei kann auf die enthaltenen Stützstellen direkt zugegriffen werden oder es wird über ein Interpolations- oder Extrapolationsverfahren aus einem gegebenem Kennwert eine entsprechende Dämpfungskraft abgeleitet. In entsprechender Weise können die Dämpfungskraft mit einer zu erzeugenden Feldstärke und die Feldstärke mit einer einzustellenden Stromstärke verknüpft sein.
In allen Ausgestaltungen ist es besonders bevorzugt, dass die Feldstärke der Felderzeugungseinrichtung verringert wird, sobald die ermittelte Relativbewegung oder Relativgeschwindigkeit geringer als die direkt vorherige Relativbewegung oder Relativgeschwindigkeit ist. Im Unterschied zu Stoßdämpfern aus dem Stand der Technik erfolgt die Steuerung bei dem erfindungsgemäßen Stoßdämpfer primär nicht anhand vorheriger Daten oder z. B. bei Fahrzeugen nicht anhand der Erkennung des Untergrundes, sondern es wird eine Echtzeiterkennung des aktuellen Zustandes durchgeführt und in Abhängigkeit von dem aktuellen Zustand eine entsprechende Dämpfung eingestellt. Deshalb werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise periodische Wippbewegungen im Wesentlichen automatisch unterdrückt.
Die Einstellung oder insbesondere automatische Auswahl einer Dämpferkennlinie aus mehreren unterschiedlichen Dämpferkennlinien (Kennfeld) ist möglich und bevorzugt. Das erlaubt die Vorgabe unterschiedlicher Dämpferkennlinien beispielsweise für unterschiedliche Umgebungs- oder Arbeitsbedingungen, um so ein noch weicheres oder härteres Ansprechverhalten und dergleichen zu ermöglichen. Möglich ist es auch, dass Daten gespeichert werden und anhand gespeicherter Kennwerte und dergleichen eine automatische Anpassung der Dämpferkennlinie an die aktuellen Bedingungen erfolgt. Das ändert aber nichts daran, dass bei jedem einzelnen Stoß immer noch eine Echtzeitsteuerung der Dämpfungskraft des Dämpfers erfolgt.
Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung des Kennwertes mittels wenigstens eines Parametersets mit wenigstens einem Parameter, wobei wenigstens ein Parameter aus einer Gruppe von Parametern ermittelt wird, welche Zeitangeben, Zeitdifferenzen, Positionsangaben, Relativpositionen, Absolutpositionen, Relativgeschwindigkeiten, Absolutgeschwindigkeiten, Beschleunigungen, Relativbeschleunigungen und dergleichen mehr wenigstens der ersten und/oder der zweiten Komponente umfasst. Besonders bevorzugt wird aus dem Parameterset der Kennwert für die Relativbewegung oder Relativgeschwindigkeit ermittelt.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass die Dämpferkennlinie im Wesentlichen durch den Koordinatenursprung verläuft. Besonders bevorzugt läuft die Dämpferkennlinie genau durch den Koordinatenursprung. Möglich ist es aber auch, dass sie knapp neben dem Koordinatenursprung vorbeiläuft. Unter „im Wesentlichen durch den Koordinatenursprung” werden im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch Abweichungen verstanden, die innerhalb von 5% der ausgelegten Maximalwerte liegen. Für ein besonders weiches Ansprechverhalten ist eine Dämpfungskraft nahe null bei einer Relativgeschwindigkeit von null vorteilhaft.
In allen Ausgestaltungen beträgt der Zeitabstand zweier aufeinanderfolgenden Ermittlungen des Kennwertes weniger als 30 und insbesondere weniger als 20 ms. Insbesondere ist der Zeitabstand kleiner 10 ms, vorzugsweise kleiner 5 ms oder sogar kleiner als 3 ms oder 2 ms. Durch einen geringen Zeitabstand kann sehr schnell eine auftretendes Ereignis erfasst werden.
Besonders bevorzugt ist eine Regelgeschwindigkeit schneller 50 ms und insbesondere schneller als 40 ms. Vorzugsweise beträgt die Regelgeschwindigkeit weniger als 30 und besonders bevorzugt weniger als 20 ms. Besonders bevorzugt wird eine Regelgeschwindigkeit von kleiner als 10 ms erreicht. Dabei wird unter der Regelgeschwindigkeit hier die Zeitspanne verstanden, die für die Erfassung durch den Sensor, für die Auswertung der Sensorsignale und für die Einstellung des Feldes und den Aufbau der Dämpfungskraft vergeht. Insbesondere wird unter der Regelgeschwindigkeit die Zeitdauer eines gesamten Zyklus verstanden.
Regelgeschwindigkeiten von beispielsweise 30, oder 20 oder 10 ms haben sich in vielen Fällen als ausreichend schnell herausgestellt. Durch die Verwendung von rheologischen Fluiden und insbesondere eines magnetorheologischen oder auch elektrorheologischen Fluides können Reaktionszeiten im Fluid von deutlich kleiner 10 ms erreicht werden. Dabei können mit dem Dämpfer hier auch unter voller Last die Reaktionszeiten und Regelgeschwindigkeiten eingehalten werden. Mit konventionellen mechanischen Ventilen ist eine solche Reaktionsgeschwindigkeit mit bezahlbarem Aufwand für serientaugliche Produkte nicht möglich. Bekannte konventionelle Dämpfer haben Reaktionszeiten von 250 ms oder mehr. Außerdem ist bei konventionellen Ventilen für eine Durchflussänderung unter voller Last eine erhebliche Energie nötig, da die Ventile gegen den hohen Druck im Dämpfer bewegt werden müssen. Bei einem magnetorheologischen Dämpfungsventil muss im Gegensatz zu konventionellen Ventilen kein Ventilspalt verkleinert oder vergrößert werden. Das magnetorheologische Dämpfungsventil muss nur mit einem Magnetfeld beaufschlagt werden. Das kann auch unter Volllast ohne mehr Energie erfolgen.
Zwischen der Relativbewegung der zwei Komponenten und daraus resultierender angepasster Dämpferkraft können in allen Fällen weniger als 20 ms und insbesondere weniger als 10 ms und vorzugsweise weniger als 5 ms vergehen.
In allen Ausgestaltungen ist es auch möglich, über die Sensordaten oder bei Fahrzeugen über sonstige Daten wie GPS-Sensoren oder dergleichen einen Parameter für die Bodenbeschaffenheit zu ermitteln und in Abhängigkeit von der Bodenbeschaffenheit eine von beispielsweise mehreren vorgegebenen Dämpferkennlinien auszuwählen.
Möglich ist es auch, dass vorausschauende Modelle eingesetzt werden, bei der die letzten Messwerte ausgewertet werden und beispielsweise eine Kurve durch die Stützstellen gelegt wird, um Voraussagen für die folgenden Messwerte zu ermitteln.
Besonders bevorzugt ist ebenfalls, das die Dämpferkennlinie in der Nähe einer Endlage des Dämpfers steiler eingestellt wird, um einen weicheren Endanschlag zu gewährleisten. Insbesondere wenn Positionsdaten erfasst werden, kann die Nähe einer Endlage einfach festgestellt werden. Über eine entsprechende Erhöhung des Feldes mit der Felderzeugungseinrichtung kann eine stärkere Endlagendämpfung eingestellt werden.
Möglich ist es auch, dass durch mechanische Mittel in der Nähe einer Endlage eine Variation der Dämpferkennlinie erfolgt.
Der erfindungsgemäße Dämpfer ist zur Dämpfung einer Relativbewegung zwischen einer ersten und einer zweiten Komponente vorgesehen. Der Dämpfer weist wenigstens eine Steuereinrichtung und wenigstens eine Speichereinrichtung und wenigstens eine Sensoreinrichtung auf. Der Dämpfer umfasst wenigstens ein steuerbares Dämpfungsventil mit wenigstens einer Felderzeugungseinrichtung. Mit einem Feld der Felderzeugungseinrichtung ist ein feldempfindliches Medium beeinflussbar, um eine Dämpfungskraft der Dämpfereinrichtung durch Erzeugen einer Feldstärke der Felderzeugungseinrichtung zu beeinflussen. Die Steuereinrichtung und die Sensoreinrichtung sind dazu ausgebildet, zur Störungserkennung wenigstens einen Kennwert für eine Relativbewegung oder Relativgeschwindigkeit der ersten und der zweiten Komponente zueinander periodisch in Echtzeit zu ermitteln. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, mit dem Kennwert aus einer in der Speichereinrichtung abgelegten Dämpferkennlinie eine einzustellende Feldstärke in Echtzeit abzuleiten. Die Steuereinrichtung und die Felderzeugungseinrichtung sind dazu ausgebildet, in Echtzeit die einzustellende Feldstärke zu erzeugen, um eine Dämpfungskraft in Echtzeit einzustellen, die sich aus der vorbestimmten Dämpferkennlinie ergibt.
Eine vorteilhafte Umsetzung liest den Wegsensor als Sensoreinrichtung beispielsweise mit 20 kHz und vorzugsweise mit 12 Bit Auflösung aus. Theoretisch kann so bei einem Hub von 100 mm alle 50 μs die Position auf ca. 25 μm genau bestimmt werden. Die Daten durchlaufen einen Filter und werden zur Berechnung der Relativgeschwindigkeit verwendet, wobei anhand der momentanen Geschwindigkeit, Richtung und der voreingestellten Dämpferkennlinie eine bestimmte Dämpferkraft berechnet wird. Dieser Vorgang wird vorzugsweise mit einer Frequenz von 2 kHz wiederholt, so dass z. B. alle 0,5 ms eine neue Kraftvorgabe generiert wird. Ein eigener Stromregler stellt anhand dieser Kraftvorgabe den entsprechenden Strom am Dämpfer ein, so dass die resultierende Kraft schnell nachgeführt wird und im Wesentlichen der Vorgabe entspricht.
Die Umwandlung eines analogen gemessenen Wegsignals in ein digitales Signal und anschließende Berechnung der Stromvorgabe benötigt kaum Ressourcen und ist mit einem Mikrocontroller nach dem Stand der Technik in wenigen Mikrosekunden möglich. Der Stromregler sorgt für ein schnelles Ansprechen der Spule, so dass trotz Induktivität und Wirbelströmen ein Stromsprung von 0 auf 100% in wenigen Millisekunden möglich ist.
Vorteilhaft für das Ansprechverhalten des Stromreglers sind der Filter und die Berechnung der Geschwindigkeit, wobei hier ein Kompromiss aus schnellem Ansprechen und Filterwirkung gefunden werden muss. Die Filterparameter können auch dynamisch an die jeweilige Situation angepasst werden.
Bei entsprechend schneller Filterung kann eine Positionsänderung im ungünstigsten Falle beim nächsten Reglertakt nach 0,5 ms erkannt und innerhalb von wenigen Mikrosekunden verarbeitet werden. Der Stromregler wird praktisch sofort daran arbeiten, die neue Stromvorgabe umzusetzen. Die Dämpfungskraft folgt etwas verzögert der Stromvorgabe.
Die Ansprechzeit des magnetorheologischen Fluids (MRF) beträgt weniger als 1 ms. Die Steifigkeit des Systems spielt auch eine geringe Rolle. Abhängig vom konkreten Aufbau wird der neue Sollwert der Dämpfungskraft innerhalb von wenigen Millisekunden erreicht. Sprungantwortzeiten von weniger als 2 ms sind mit dem System machbar und wurden bei Prototypen erfolgreich nachgewiesen.
Die Regelung kann auch auf Fuzzy Logik aufgebaut und/oder lernfähig sein.
Damit der Dämpfer der gewünschten Vorgabe möglichst schnell folgen kann, ist eine Konstruktion vorteilhaft, bei der das im Dämpfungskanal wirkende Magnetfeld sehr schnell verändert werden kann.
Dazu eignet sich im Magnetkreis besonders Material, das leicht magnetisierbar ist (hohe Permeabilität) und kein oder kaum Restmagnetisierung behält (geringe Koerzitivfeldstärke). Zudem soll es die durch Feldänderungen induzierten Wirbelströme durch eine schlechte elektrische Leitfähigkeit dämpfen. Besonders wirkungsvoll können Wirbelströme durch einen laminierten Aufbau des Magnetkreises aus ferromagnetischen Blechen gedämpft werden.
Bevorzugt werden Magnetkreis und Spule so gestaltet, dass die Spule eine möglichst kleine Induktivität hat. Vorteilhaft ist die Versorgung der Spule mit einer höheren Betriebsspannung als diese benötigen würde um den maximalen Strom zu treiben (voltage boost), wodurch wesentlich schnellere Stromsprünge ermöglicht werden. Durch eine gepulste Ansteuerung kann weiterhin ein beliebiger Strom eingestellt werden. Für schnelle Änderungen der Stromstärke in beide Richtungen, also Erhöhung und Absenkung des Stroms, eignet sich beispielsweise eine Ansteuerung durch eine Vollbrücke (H-Brücke).
Die für schnelle Lastwechsel benötigte Energie wird bevorzugt von einer niederimpedanten Quelle wie einem Kondensator oder einer Batterie nahe beim Verbraucher bereitgestellt.
Auch der erfindungsgemäße Dämpfer hat viele Vorteile, da er eine flexible und schnelle Steuerung ermöglicht. Gleichzeitig wird ein energiesparender Betrieb ermöglicht, bei dem jederzeit das Dämpfungsventil mit einem so gering wie möglichen Feld aber so hoch wie nötigen Feld beaufschlagt wird. Bei Einsatz einer elektrischen Spuleneinrichtung als Felderzeugungseinrichtung kann die Stromstärke jederzeit so klein wie möglich gehalten werden.
Besonders bevorzugt weist der Dämpfer eine Grundkennlinie auf, die durch die mechanische Ausgestaltung und durch mechanische Ventile vorgegeben wird. Vorzugsweise ist bei der Grundkennlinie die Steigung der Dämpfungskraft bei negativen Relativbewegungen oder Relativgeschwindigkeiten steiler als die Steigung der Dämpfungskraft bei positiven Relativbewegungen oder Relativgeschwindigkeiten. Dadurch wird schon mit der Grundkennlinie eine stärkere Zugstufendämpfung ermöglicht.
Insbesondere ist wenigstens ein mechanisches Ventil als mechanisches Einwegventil ausgebildet. Es ist möglich, dass zwei unterschiedliche mechanische Ventile parallel geschaltet sind.
Vorzugsweise werden wenigstens ein mechanisches Ventil und wenigstens ein Dämpfungskanal, der mit einem Feld der Felderzeugungseinrichtung beaufschlagbar ist, in Reihe geschaltet. In allen Ausgestaltungen ist vorzugsweise ein maximaler Strömungsquerschnitt in der Druckstufe unterschiedlich von einem maximalen Strömungsquerschnitt in der Zugstufe. Dabei kann der maximale Strömungsquerschnitt in der Druckstufe und/oder in der Zugstufe über wenigstens ein mechanisches Einwegventil begrenzt werden.
In allen Ausgestaltungen erfasst die Steuereinrichtung vorzugsweise in vordefinierten festen oder variablen Zeitabständen das Sensorsignal und leitet daraus durch Vergleich mit einer in einer Speichereinrichtung hinterlegten Dämpferkennlinie oder Steuerkurve ein Steuersignal ab und steuert die Felderzeugungseinrichtung damit an, um den Strömungswiderstand durch das Dämpfungsventil entsprechend der hinterlegten Dämpferkennlinie einzustellen. Die Zeitabstände werden abhängig von der Anwendung derart definiert, dass die Regelgeschwindigkeit des Systems dessen Echtzeitanforderungen genügt. Das können beispielsweise bei Insassenschutzsystemen von Fahrzeugen 1 ms, 100 μs oder weniger sein und bei Fahrzeugdämpfern 1 ms, 5 ms oder mehr sein.
Bei der Erfassung der Kennwerte z. B. in bekannten Zeitabständen kann die Relativbewegung selbst als Maß und somit Kennwert für die Relativgeschwindigkeit genommen werden. Es kann aber auch die Relativgeschwindigkeit durch Division der Relativbewegung durch den Zeitabstand berechnet werden. Möglich ist es auch, dass Impulse gezählt werden, die jeweils für eine bestimmte Relativbewegung stehen. Die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit definiert dann ebenfalls eine Relativbewegung und hier auch eine Relativgeschwindigkeit und somit einen Kennwert. Die Zuordnung der Anzahl Impulse pro Relativbewegung muss nicht linear sein, die Skalierung an sich muss auch nicht linear sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist beispielsweise eine Absenkung des Fahrzeuges während der Fahrt möglich. Beispielsweise kann eine Absenkung eines Dämpfers erfolgen. Eine solche Absenkung erfolgt vorzugsweise nicht sofort, sondern dynamisch, d. h. in Abhängigkeit von der Dämpferbewegung bzw. von dem Dämpferhub. Die Zugstufe des Dämpfers wird an einer gewünschten Stellung (Hubstellung), welche aus der Einfeder-Dämpferbewegung z. B. beim Bremsen oder Kurvenfahren resultiert, in kürzester Zeit gesperrt oder wenigstens am vollen Ausfedern gehindert. Damit das Absenken schneller oder stärker geschieht, kann die Druckstufe zum richtigen Zeitpunkt kurzzeitig weich oder weicher geschaltet werden und dann bei der Bewegungsumkehr die Zugstufe schnell hart oder härter.
Beim Einfedern muss die Druckstufe aber dann wieder (schnell) auf weicher geschaltet werden, damit ein Einfederkomfort erhalten bleibt.
Ebenso ist das Nahfelderkennungssystem in Kombination mit dem zuvor beschriebenen in Echtzeit schaltenden Dämpfer zur Reduktion der Gesamtzeit (Erkennen bis Kraftänderung am Dämpfer) z. B. in Fahrrädern denkbar.
Dies gilt auch für Spracherkennungssysteme. Die Spracherkennung benötigt relativ viel Rechenzeit. Nur in Kombination mit einem schnellen dem Spracherkennungssystem nachfolgenden Gesamtsystem (Elektronik, MRF Aktor) kann ein für den Benutzer gutes Ergebnis erzielt werden. Das Spracherkennung kann auch mittels eines Mobiltelefons oder dergleichen erfolgen, welches mit dem Steuergerät kommuniziert.
Ein (Exo)prothese in Kombination mit dem zuvor beschriebenen in Echtzeit schaltenden Dämpfer und einem Nahfelderkennungssystem oder/und eine Sprachsteuerung kann z. B. das Stolpern verhindern oder das Klettern über Hindernisse erleichtern.
Weitere Einsatzmöglichkeiten für die vorliegende Erfindung sind möglich, ohne darauf beschränkt zu sein:

– Dämpfer/Energieabsorber in Kraftfahrzeugen, z. B. Autos, im Falle eines Unfalls zur Reduktion der auf die Insassen wirkenden Kräfte
– Dämpfer in militärischen Land- oder Wasserfahrzeugen, zum Schutz der Insassen, der Elektronik oder schockempfindlicher Systeme (z. B. optische System ...) im Falle einer Minenexplosion oder eines Angriffs mit explosiven Geschossen.
– Dämpfer in/an Frachtbehältern, zum Schutz von schockempfindlichen Gegenständen beim Aufschlag auf den Boden, wenn die Behälter z. B. von Flugzeugen abgeworfen werden.

Denkbar ist auch das Betreiben eines aktiven Dämpfers, d. h. ein Aktor der ohne äußere Einwirkung aufgrund z. B. eines Druckspeichers oder/und einer Hyraulikpumpe ein Relativbewegung zwischen einer ersten und einer zweiten miteinander verbundenen Komponente ausführen kann, wobei wenigstens ein steuerbares Dämpfungsventil wenigstens eine Felderzeugungseinrichtung vorgesehen ist, mit der ein feldempfindliches Medium beeinflussbar ist, um eine Kraft durch Erzeugen einer Feldstärke der Felderzeugungseinrichtung zu beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ereignis oder vorzugsweise mehrere Ereignisse periodisch in Echtzeit ermittelt werden, und dass daraus berechnete Werte in Echtzeit errechnet werden und dass mit der Felderzeugungseinrichtung in Echtzeit die einzustellende Feldstärke erzeugt wird, um eine passende Bewegung und/oder Kraft in Echtzeit einzustellen.
Es können auch zwei oder mehrere Dämpfer elektrisch zu einem Gesamtsystem verknüpft werden. Hierbei werden z. B. relevante Daten vom einem ersten Dämpfer an einen zweiten Dämpfer in Echtzeit weitergegeben, wodurch sich dieser besser auf das Ereignis einstellen kann. Als Beispiel kann der Dämpfer in einer Autostoßstange beim Frontcrash die Daten an den Dämpfer im Sicherheitsgurt und der crashaktiven Lenksäule weitergebe. Das Gesamtsystem wird so effektiver. Es ist auch/oder eine hydraulische Verknüpfung von zwei oder mehreren Dämpfern möglich (offenes oder geschlossenes hydraulisches System)
Die Dämpfereinrichtung kann zwei oder mehrere steuerbare Dämpfungsventil mit einer oder mehreren Felderzeugungseinrichtung umfassen. Diese können auch außerhalb der sich relativ zueinander beweglichen Komponenten angebracht sein.
Zwischen der ersten und der zweiten zueinander bewegbaren Komponente können auch zusätzliche konventionelle Dämpfungseinrichtungen angebracht sein, die parallel oder in Serie geschaltet werden können. Diese können auch als Überlastschutz oder Temperaturkompensation ausgeführt sein.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, das mit Bezug auf die beiliegenden Figuren im Folgenden beschrieben wird.
In den Figuren zeigen:
1a eine schematische Ansicht eines mit einem erfindungsgemäßen Dämpfer ausgerüsteten Minenschutzsitzes;
1b eine schematische Ansicht eines mit erfindungsgemäßen Dämpfern ausgerüsteten Kraftfahrzeuges;
2 eine schematische Ansicht der Kommunikationsverbindungen zwischen einzeln Dämpfern;
3 eine schematische geschnittene Ansicht eines Dämpfers nach 1 mit einer Elektronikeinheit;
4 eine geschnittene Seitenansicht des Dämpfers nach 3 in einer vergrößerten Darstellung in der Druckstufe;
5 eine geschnittene vergrößerte Darstellung des Dämpfers in der Zugstufe;
6 die Kolbeneinheit des Dämpfers nach 3;
7 den Querschnitt A-A aus 6;
8 eine Prinzipskizze der fächerartigen Dämpfungskanäle; und
9 einen vergrößerten Querschnitt durch die Kolbeneinheit;
10 eine erste schematische Darstellung einer Dämpferkennlinie für den Dämpfer nach 3;
11 eine schematische Darstellung der hydraulichen Grundkennlinie des Dämpfers nach 3 und zwei verschiedene Dämpferkennlinien; und
12 den zeitlichen Verlauf des Federweges, der Kolbengeschwindigkeit, der Dämpfungskraft und der angelegten Stromstärke für den Dämpfer nach 3 bei einem Minenexplosion.
Mit Bezug auf die beiliegenden Figuren werden im Folgenden Ausführungs- und Anwendungsbeispiele von Dämpfers 1 erläutert.
1a zeigt eine schematische Darstellung eines Minenschutzsitzes 110 in einem nicht näher gekennzeichneten Fahrzeug. Die Person sitzt auf dem Sitz des Minenschutzsitzes 110, der über einen Dämpfer 1 mit dem Fahrzeug verbunden ist.
Im Falle einer Explosion unterhalb des gepanzerten Fahrzeuges dämpft der Dämpfer 1 die Beschleunigungskräfte 112, die von dem Rahmen des Fahrzeuges auf den Minenschutzsitz 110 einwirken, sodass nur noch eine erheblich reduzierte Kraft und somit Beschleunigung 113 auf die auf dem Sitz sitzende Person übertragen wird. Die Steuerung des Dämpfers 1 erfolgt dabei in Echtzeit, um auf die auftretenden Belastungen in der nötigen Reaktionszeit reagieren zu können.
Während der normalen Fahrt in dem gepanzerten Fahrzeug kann der Minenschutzsitz 110 auch zur Dämpfung von Schwingungen und Stößen eingesetzt werden. Dazu werden die auftretenden Belastungen erfasst und der Dämpfer 1 wird lastabhängig gesteuert, um der auf dem Sitz sitzenden Person eine angenehmere Fahrt zu ermöglichen.
1b zeigt ein anderes Anwendungsbeispiel, bei jedes Rad 103 über einen Dämpfer 1 an dem Fahrzeuggestell des Kraftfahrzeuges 100 angebracht ist.
Die Betriebsweise wird mit Bezug zu 2 erläutert. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Kommunikationsverbindungen der beteiligten Komponenten. Die zentrale Steuereinrichtung 60 kann drahtgebunden oder drahtlos mit den einzelnen Dämpfern 1 an den einzelnen Rädern 103 verbunden sein, beispielsweise über WLAN, Bluetooth, ANT+, GPRS, UMTS, LTE oder sonstige Übertragungsstandards. Die gepunktet dargestellte Verbindung mit dem Internet 53 kann vorgesehen sein. Die Steuereinrichtung 60 kann mit der Batterieeinheit 61 verbunden sein oder eine eigene Energieversorgung aufweisen. Weiterhin kann die Steuereinrichtung 60 mit einem Sensor 47 oder mit mehreren Sensoren 47 verbunden sein. Die grafische Bedieneinheit 57 bzw. Anzeigeeinheit kann auch drahtlos mit der Steuereinheit 60 verbunden sein. Drahtlos oder drahtgebunden können die Dämpfer 100 angeschlossen sein. Die Verbindung erfolgt über eine Netzwerkschnittstelle 54, die als Funknetzschnittstelle 55 oder als Kabelanschluss ausgeführt sein kann.
3 zeigt in einer stark schematischen Ansicht einen Querschnitt eines Dämpfers 1, der hier beispielsweise zur Dämpfung von Stößen an den Rädern 103 oder zur Dämpfung von Stößen an einem Minenschutzsitz 110 Anwendung findet.
Der Dämpfer 1 wird mit dem ersten Ende als Komponente 101 und dem zweiten Ende als Komponente 102 mit dem Rad 103 und dem Fahrzeugrahmen befestigt, um Relativbewegungen zu dämpfen.
In dem Dämpfergehäuse 2 ist eine Dämpfungskolbeneinheit 40 vorgesehen, die einen Dämpfungskolben 5 als Dämpfungsventil 8 und eine damit verbundene Kolbenstange 6 umfasst. In dem Dämpfungskolben 5 ist das Dämpfungsventil 8 vorgesehen, welches hier eine Felderzeugungseinrichtung 11 und insbesondere eine elektrische Spule umfasst, um eine entsprechende Feldstärke zu erzeugen. Die Magnetfeldlinien verlaufen dabei in dem Zentralbereich des Kerns 41 etwa senkrecht zur Längserstreckung der Kolbenstange 6 und durchtreten somit etwa senkrecht die Dämpfungskanäle 20, 21 (vgl. 4). Dadurch wird eine effektive Beeinflussung des sich in den Dämpfungskanälen 20 und 21 befindenden magnetorheologischen Fluides bewirkt, sodass der Durchfluss durch das Dämpfungsventil 8 effektiv gedämpft werden kann. Der Dämpfer 1 umfasst eine erste Dämpferkammer 3 und eine zweite Dämpferkammer 4, die durch das als Kolben 5 ausgebildete Dämpfungsventil 8 voneinander getrennt sind. In anderen Ausgestaltungen ist auch ein externes Dämpferventil 8 möglich, welches außerhalb des Dämpfergehäuses 2 angeordnet und über entsprechende Zuleitungen angeschlossen ist.
Zu dem Ende 102 hin schließt sich an die erste Dämpferkammer 4 der Ausgleichskolben 72 und danach der Ausgleichsraum 71 an. Der Ausgleichsraum 71 ist vorzugsweise mit einem Gas gefüllt und dient zum Ausgleich des Kolbenstangenvolumens, welches beim Einfedern in das ganze Dämpfergehäuse 2 eintritt.
Nicht nur in dem Dämpfungsventil 8, sondern hier in den beiden Dämpfungskammern 3 und 4 insgesamt befindet sich magnetorheologisches Fluid 9 als feldempfindliches Medium.
Der Strömungskanal 7 zwischen der ersten Dämpferkammer 3 und der zweiten Dämpferkammer 4 erstreckt sich ausgehend von der zweiten Dämpferkammer 4 zunächst durch die fächerartigen Dämpfungskanäle 20 und 21, die am anderen Ende in den Sammelraum 13 bzw. in die Sammelräume 13 münden. Dort sammelt sich nach dem Austritt aus den Dämpfungskanälen 20, 21 das magnetorheologische Fluid, bevor es durch die Strömungsöffnungen 14, 15 in die erste Dämpfungskammer 3 übertritt. Beim Einfedern, also in der Druckstufe, werden hier sämtliche Strömungsöffnungen 14, 15 durchströmt. Das bedeutet, dass der Hauptteil der Strömung hier durch die Strömungsöffnungen 15 durchtritt und die Einwegventile 17 an den Strömungsöffnungen 15 automatisch öffnen, sodass das magnetorheologische Fluid aus der zweiten Dämpferkammer 4 in die erste Dämpferkammer 3 übertreten kann.
Im dargestellten eingefederten Zustand ist die erste Dämpferkammer 3 vollständig radial von der zweiten Federkammer 27 der Federeinrichtung 26 umgeben. Dadurch wird ein besonders kompakter Aufbau ermöglicht.
Ein mit einer Feder beaufschlagter Stößel 75 sorgt bei vollständigem Ausfedern des Dämpfers 1 für einen Druckausgleich zwischen der ersten Federkammer 26 und der zweiten Federkammer 27.
Der Federungskolben 37 ist am Ende des Dämpfergehäuses 2 vorgesehen. Daran angeordnet ist ein Halter 73, der einen Magneten 74 hält. Der Magnet 74 ist Teil eines Sensors 47. Der Sensor 47 umfasst ein Magnetpotenziometer, welches ein Signal erfasst, welches für die Position des Magneten 74 und damit des Federungskolbens repräsentativ ist. Eine solches Potenziometer 47 erlaubt nicht nur die Bestimmung eines relativen Ortes, sondern erlaubt hier auch die absolute Feststellung des Ein- bzw. Ausfederungsstandes des Dämpfers 1.
4 und 5 zeigen partiell vergrößerte Details der Darstellung gemäß 3, wobei in 4 der Druckstufenfall und in 5 der Zugstufenfall dargestellt ist.
In dem in 4 dargestellten Druckstufenfall, also beim Einfedern, tritt aus der zweiten Dämpferkammer 4 das magnetorheologische Fluid 9 durch die Dämpfungskanäle 20, 21 in den Dämpfungskolben 5 ein. Der Durchflusswiderstand durch die Dämpfungskanäle 20, 21 hängt von dem Magnetfeld der als Spule ausgeführten Felderzeugungseinrichtung 11 ab. Nach dem Verlassen der Dämpfungskanäle 20, 21 sammelt sich das magnetorheologische Fluid in den beiden Sammelräumen 13 und tritt anschließend durch die im Druckstufenfall durchlässigen Strömungsöffnungen 15 mit den Einwegventilen 17 hindurch.
In dem in 5 dargestellten Zugstufenfall strömt das magnetorheologische Fluid von der einen Seite 22, der Seite der Kolbenstange 6, auf den Dämpfungskolben 5 zu. Die Einwegventile 17 an den Strömungsöffnungen 15 schließen automatisch, sodass nur noch die als Durchgangsöffnungen 16 ausgeführten Strömungsöffnungen 14 in der Kolbenstange 6 übrig bleiben, um das magnetorheologische Fluid in den Dämpfungskolben 5 hineinzubringen. Nachdem das magnetorheologische Fluid 9 durch die Durchgangsöffnung 16 in dem Sammelraum 13 bzw. in die Sammelräume 13 eingetreten ist, werden alle fächerartigen Dämpfungskanäle 20, 21 gleichmäßig durch das magnetorheologische Fluid durchströmt, bis das magnetorheologische Fluid an der anderen Strömungsseite 23 aus dem Dämpfungskolben 5 austritt. Klar erkennbar ist in 5 auch, dass der Dämpfungskolben 5 eine Spule als Felderzeugungseinrichtung 11, einen Kern 41 aus gut magnetisch leitenden Material und einen Ringleiter 36 umfasst.
Durch den Sammelraum 13 wird eine effektive Reihenschaltung der insbesondere als Shim-Ventile ausgeführten Einwegventile 17 mit den Dämpfungskanälen 20, 21 ermöglicht. Durch den Sammelraum 13 wird eine hohe Belastung der Fächerwandungen 19 durch unterschiedliche Drücke in den Dämpferkanälen 20, 21 vermieden. Dabei können Betriebsdrücke von 30 bar, 50 bar und erheblich mehr auftreten, die bei unterschiedlicher Belastung zur Zerstörung der dünnen Fächerwandung 19 führen können.
6 zeigt eine Seitenansicht der Dämpfungskolbeneinheit 40 mit dem Dämpfungskolben 5 und der Kolbenstange 6, aus der am Ende das Kabel 38 hervorragt. Die Länge 31 der Dämpfungskanäle 20, 21 ist beispielhaft angezogen. Klar erkennbar ist in dieser Darstellung die als Durchgangsöffnung 16 ausgebildete Strömungsöffnung 14 mit dem sich daran anschließenden schräg zulaufenden Einlauf 25, der für eine selbsttätig zunehmende Endlagendämpfung sorgt. Federt der Dämpfer 1 fast vollständig aus, so schiebt sich der Federungskolben 37 zunächst über die Strömungsöffnung 16 und anschließend über den Einlauf 25, sodass der Durchflussquerschnitt immer weiter abnimmt und somit die Dämpfungskraft automatisch erhöht wird.
Der Magnetkreis wie in 6 dargestellt ermöglicht einen schnellen Feldaufbau
Es wird dabei keine hohe Flussdichte benötigt, wenn ein Material mit einer hohen Sättigungsflussdichte eingesetzt wird.
Besonders bevorzugt wird der lineare Bereich ausgenutzt, sodass kein hohes Feld benötigt wird.
Insbesondere wird kein großer magnetischer Kreis verwendet. Das Gegenfeld (Selbstinduktion) sollte möglichst gering sein. Ein leicht magnetisierbares Material mit großem μ wird bevorzugt.
7 zeigt den Querschnitt A-A aus 6. Der Kern 41 ist von der als Spule ausgeführten Felderzeugungseinrichtung 11 umgeben. In dem Kern sind Dämpfungskanäle 20 und 21 angeordnet. Radial umgeben werden der Kern und die Spule durch Ringleiter 36.
Die Konstruktion verwendet hier einen relativ langen Magnetfeldkanal. Bei gewerblich eingesetzten Aktoren mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten muss in der Regel sichergestellt sein, dass die Verweildauer der MR-Flüssigkeit im Magnetfeldbereich mindestens so lange ist, bis sich die Carbonyleisenpartikel der MR-Flüssigkeit im Magnetfeldbereich komplett ausgerichtet haben und entsprechende Kettengebildet haben, um so hohe Schubspannungen übertragen zu können. Die Zeit, bis die Carbonyleisenpartikel größtenteils ausgerichtet sind, beträgt je nach Feldstärke zwischen ca. 0,5 und etwa 2 ms. Als Anhaltswert kann 1 ms genommen werden. Vorteilhaft sind Verweildauern von 2 ms.
8 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Dämpfungskanäle 20, 21, die in dem Kern 41 vorgesehen sind. Die fächerartigen Dämpfungskanäle 20, 21 werden durch eine Fächerwandung 19 voneinander getrennt. Dabei beträgt eine Wandstärke 29 der Fächerwandung 19 weniger als eine Höhe 30 eines Dämpfungskanals 20 bzw. 21. Auch die Querschnittsfläche 33 der Fächerwandung 19 ist erheblich kleiner als die Querschnittsfläche 34 bzw. 35 der Dämpfungskanäle 20 bzw. 21. Im dargestellten Beispiel liegt die Wandstärke 29 der Fächerwandung 19 bei etwa 0,3 bis 0,6 mm. Die lichte Höhe 30 des Dämpfungskanals 20 bzw. 21 ist mit 0,5 mm bis 0,9 mm größer.
Typische Werte für Dämpfungskanäle 20, 21 sind Kanallängen 31 zwischen etwa 10 und 60 mm, Kanalbreiten zwischen etwa 5 und 20 mm und Kanalhöhen zwischen etwa 0,2 und 1,5 mm. Dabei können bis zu zehn Dämpfungskanäle 20, 21 vorhanden sein, die wiederum in einer oder mehreren Gruppen zusammengefasst sein können. Innerhalb einer solchen Gruppe sind die Dämpfungskanäle 20, 21 durch Fächerwandungen 19 voneinander getrennt, die typische Wandstärken zwischen 0,2 und 1 mm haben.
Der freie Strömungsquerschnitt als Summe aller Dämpfungskanäle 20, 21 ist stark abhängig von der Kanalform, dem verwendeten Fluid, der Kolbenfläche und dem gewünschten Kraftbereich. Typischerweise liegt der freie Strömungsquerschnitt im Bereich zwischen 10 und 200 Quadratmillimeter.
10 zeigt eine Dämpferkennlinie 10 des Dämpfers 1 nach 3 mit dem Dämpfungsventil 8 in einem Kraft-Geschwindigkeits- oder einem Kraft-Beschleunigungs- oder einem Kraft-Beschleunigungs-Diagramm. Der Low-Speed-Bereich 91 und der High-Speed-Bereich 92 sind über eine sanfte Abrundung mit einem Radius 93 verbunden. Die Dämpferkennlinie 10 ist hier unsymmetrisch aufgebaut. Die Dämpferkennlinie 10 zeigt zwar grundsätzlich ähnliche Verläufe für die Druck- und die Zugstufe, aber die Steigung ist in der Zugstufe steiler vorgegeben als in der Druckstufe.
Die Dämpferkennlinie 10 wird jederzeit in Echtzeit elektrisch unter Berücksichtigung der hydraulischen Grunddämpfung eingestellt, sodass bei jedem Stoß oder jeder Störung bzw. jedem Ereignis 85 noch während des Stoßes 85 oder der Störung selbst eine entsprechende Dämpfungskraft eingestellt wird.
Die Steigung 94 der Dämpferkennlinie 10 im Low-Speed-Bereich 91 kann sowohl für die Druckstufe als für die Zugstufe jeweils durch eine Gerade mit im Wesentlichen linearer Steigung 94 bzw. 98 gut angenähert werden. Die vorgegebene Dämpferkennlinie 10 verläuft durch den Koordinatenursprung, sodass bei einer Relativgeschwindigkeit oder Relativbeschleunigung des Dämpferkolbens 5 von null auch keine Dämpfungskraft vorliegt. Das ermöglicht ein sehr weiches und angenehmes Ansprecherhalten.
Auch im High-Speed-Bereich 92 sind die Steigungen 95 bzw. 99 hier im Wesentlichen linear vorgegeben. Dazwischen kann sich jeweils ein gekrümmter Zwischenabschnitt 93 erstrecken, um Knickpunkte 96 zu vermeiden.
Eingezeichnet ist weiterhin ein Pfeil 97, der die Auswirkung eines unterschiedlich starken Magnetfeldes anzeigt. Mit einem stärkeren Magnetfeld verschiebt sich die Dämpferkennlinie nach oben, während sie sich bei einem schwächeren Magnetfeld nach unten verschiebt.
Punktiert eingezeichnet ist eine Dämpferkennlinie, bei der kein Zwischenabschnitt 93 vorgesehen ist, sodass sich an den Punkten 96 mehr oder weniger stark ausgeprägte Knickpunkte ergeben.
Die Steigungen 94 und 98 im Low-Speed-Bereich sind wie auch die gesamte Dämpferkennlinie 10 änderbar und an die aktuellen Wünsche und Bedingungen anpassbar. Dadurch kann bei Erkennung eines entsprechend veränderten Untergrundes eine andere Dämpferkennlinie automatisch gewählt werden, die eine weichere oder aber härtere Dämpfung vorgibt. Unabhängig von der gewählten Dämpferkennlinie wird jederzeit jeder Stoß in Echtzeit gedämpft.
Die Steigungen 95 und 99 im jeweiligen High-Speed-Bereich 92 werden ebenfalls vorgegeben und sind bei Bedarf veränderbar. Die Stromversorgung für die Steuereinrichtung und die elektrische Spule als Felderzeugungseinrichtung 11 kann durch eine Batterie, einen Akku, einen Generator oder eine sonstige Energiequelle erfolgen.
11 stellt die Grundkennlinie 62 und zwei unterschiedliche Dämpferkennlinien 10 und 90 dar. Aufgetragen ist jeweils die Dämpfungskraft über der Relativgeschwindigkeit oder der Relativbeschleunigung der Komponenten 101 und 102 zueinander.
Die Grundkennlinie 62 stellt die hydraulischen Eigenschaften des Dämpfers 1 ohne Anlegen eines Magnetfeldes dar. Durch die Einwegventile 17 unterscheidet sich die Steigung der Grundkennlinie in der Druckstufe und in der Zugstufe und ist in der Zugstufe steiler als in der Druckstufe.
Die Dämpferkennlinien 10 und 90 sind in 11 unsymmetrisch aufgebaut. Die Dämpferkennlinien 10 und 90 stellen die resultierenden Dämpfungskräfte über der Relativgeschwindigkeit oder der Relativbeschleunigung dar und setzen sich jeweils aus der Dämpfungskraft der Grundkennlinie 62 und der magnetisch erzeugten Dämpfungskraft zusammen. Das bedeutet, dass jeweils eine geringere Dämpfungskraft als die Dämpfungskraft der Grundkennlinie 62 bei einer bestimmten Ein- oder Ausfedergeschwindigkeit bzw. Relativbeschleunigung nicht einstellbar ist. Die Grundkennlinie 62 muss bei der Auslegung berücksichtigt werden. Eine geringere Dämpfung ist prinzipbedingt nicht möglich. Andererseits wird bei einer besonders geringen Differenz zwischen einer Dämpferkennlinie 10 und der Grundkennlinie 62 besonders wenig elektrische Energie benötigt, sodass eine gewisse Anpassung der Grundkennlinie 62 an die weichste vorgesehene Dämpferkennlinie sinnvoll ist. Die weichste vorgesehene Dämpferkennlinie kann z. B. die Dämpferkennlinie 10 sein.
Eine Grundkennlinie 62 mit für eine normale Stoßdämpfung brauchbaren Eigenschaften stellt für den normalen Fahrbetrieb vernünftige Notlaufeigenschaften sicher, falls die Stromversorgung nicht mehr ausreichend Energie bereitstellen kann.
Die Steigung ist in der Druckstufe und der Zugstufe jeweils unterschiedlich. In der Zugstufe ist die Steigung 96 hier insgesamt etwa linear. Eine Unterscheidung zwischen Low-Speed-Bereich 91 und High-Speed-Bereich 92 findet in der Zugstufe hier praktisch nicht statt.
In der Druckstufe hingegen weisen der Low-Speed-Bereich 91 und der High-Speed-Bereich 92 bei beiden eingezeichneten Dämpferkennlinien 10 und 90 hier jeweils unterschiedliche Steigungen 94 bzw. 95 auf.
Der Sensor 47 wird durch die Steuereinrichtung 46 in kurzen äquidistanten Zeitabständen von z. B. 0,1 ms, 0,5 ms oder 1 ms periodisch abgefragt. Die Steuereinrichtung 46 berechnet aus den Signalen einen Kennwert 81 für die Relativbewegung 80 oder die Relativgeschwindigkeit 82 oder die Relativbeschleunigung. Möglich ist es, dass die Steuereinrichtung aus den Sensorsignalen eine Relativbeschleunigung 82 ermittelt, die als Kennwert 81 verwendet werden kann. Im einfachsten Falle ermittelt der Sensor 47 dazu direkt eine Relativbeschleunigung. In einem anderen einfachen Fall ermittelt der Sensor 47 oder die Steuereinrichtung 46 aus den Sensorsignalen eine Weg- oder Positionsänderung der Komponenten 101 und 102 zueinander. Wenn der Zeitabstand zweier Messungen bekannt ist, kann daraus eine Relativbeschleunigung 82 und somit ein Kennwert 81 abgeleitet werden. Bei im Wesentlichen konstantem Zeitabstand zwischen zwei Messungen kann auch eine Positionsänderung bzw. Relativbewegung direkt als Kennwert 81 verwendet werden.
Möglich ist es auch, direkt aus Werten von Beschleunigungssensoren oder aus einem Parameterset mehrerer unterschiedlicher Sensorwerte einen Kennwert 81 zu ermitteln, der repräsentativ für die aktuelle Relativbeschleunigung 82 ist. Eine Ausführung sieht vor die Daten von Beschleunigungssensoren und/oder Wegsensoren derart zu koppeln, dass einerseits auf schnelle Veränderungen durch Sprünge oder Unebenheiten der Fahrbahn schnell reagiert werden kann und dass andererseits eine exakte Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung bei langsameren Vorgängen erreicht wird.
Mit dem so ermittelten Kennwert 81 wird mithilfe der in einer Speichereinrichtung abgelegten Dämpferkennlinie 10 oder z. B. 90 die dazugehörige Dämpfungskraft 84 bzw. 84' ermittelt. Das dazugehörige Magnetfeld und die zugehörige Stromstärke der Spule 11 wird abgeleitet und in Echtzeit eingestellt. Das bedeutet, dass ein Zyklus innerhalb 20 ms und in der Regel auch innerhalb von 10 ms oder 5 ms abläuft. Die Messung kann häufiger erfolgen, z. B. in Zeitabständen von 0,1 ms oder 1 ms oder 2 ms oder sogar noch schneller. Die Steuerungseinrichtung verarbeitet die aufgenommenen Sensorsignale und erzeugt mit der Spule 11 ein Magnetfeld entsprechender Feldstärke an, um die zu dem Kennwert 81 zugehörige Dämpfungskraft zu erzeugen. Innerhalb der vorgesehenen Zykluszeit von z. B. 5 ms oder 10 ms wirkt das Magnetfeld und stellt die gewünschte Dämpfungskraft 84 ein.
Wenn sich nach einer weiteren Messperiode die Relativbeschleunigung 82 geändert hat, wird ein dementsprechend anderes Magnetfeld erzeugt, sodass der Regelkreislauf aus Sensor 47, Steuereinrichtung 46 und Dämpfungsventil 8 als Aktor die gewünschte Reaktionszeit einhält und in Echtzeit das System anpasst.
Die Spule 11 weist vorzugsweise eine reduzierte Windungszahl in Kombination mit einem dickerem Draht auf. Die Betriebsspannung kann hoch sein und insbesondere z. B. 200 Volt oder mehr betragen. Evtl. sind auch zwei oder mehr unterschiedliche Betriebsspannungen möglich, nämlich wenigstens eine „Boost”-Spannung, um das angestrebte Ergebnis schnell zu erreichen und eine sich daran anschließende Haltespannung, um das eingestellte Magnetfeld zu halten.
Es kann ein Kondensator vorgesehen sein, der die nötige Energie für einen Vorgang bereit hält.
Die Ansteuerung kann über eine Vollbrücke erfolgen, die einen schnellen Lastabwurf ermöglicht.
Die Leistungselektronik kann mehrfach parallel aufgebaut sein, um einen hohen Strom zu gewährleisten. Mehrere elektrische Spulen können für den Aufbau eines starken Magnetfeldes vorgesehen sein.
Ebenso können mehrere Prozessoren parallel geschaltet sein
Eine niedrige Induktivität und ein großer Widerstand (Tau = L/R) sind bevorzugt. Ein großer Widerstand senkt die induzierte Gegenspannung. Ein kleiner Widerstand ist hingegen günstig, da sich ein steilerer Stromanstieg durch einen Spannungsboost ergibt.
Es ist möglich, mehrere Spulen zu kombinieren. Dazu können mehrere Drähte parallel gewickelt und bzw. oder mehrere separate Spulen für einen Magnetkreis verwendet werden.
Es ist möglich und bevorzugt, eine kompakte Spule mit einem hohen Füllgrad zu verwenden. Dazu kann ein Band aus massivem Kupfer verwendet werden.
Besonders bevorzugt werden gute Leiter verwendet, wie z. B. Silber oder Kupfer. Gegebenenfalls können Supraleiter eingesetzt werden.
Die Verwendung von Litzen ist möglich (HF, Skineffekt).
Die Geometrie der Spule(n) 11 kann z. B. eine Ringspule oder Stabspule sein.
12 zeigt ein Zeitdiagramm des Dämpfungsweges, der Relativgeschwindigkeit, der Dämpfungskraft und der zugehörigen Stromstärke über der Zeit.
Dabei werden die Werte für den Zeitraum von 1 Minute dargestellt. Die ersten etwa 40 Sekunden fährt ein gepanzertes Fahrzeug durch ein Gelände oder über eine Straße. Dabei können zu verschiedenen Zeitpunkten 64 leichte oder stärkere Stöße auftreten, die zu entsprechenden Dämpferbewegungen führen. Solche Ereignisse oder Stöße werden in Echtzeit gedämpft. Der Zeitraum zwischen einzelnen Sensorerfassungen kann z. B. 0,1 oder 0,5 ms betragen und hängt vom Anwendungsfall ab.
Hier erfolgt bei der Anwendung an Minenschutzsitzen 110 in gepanzerten Fahrzeugen die Messung hochfrequent, um nicht nur auftretende Stöße zu dämpfen, sondern auch auf starke und stärkste Belastungen der Insassen genügend schnell reagieren zu können. Beispielsweise muss beim Auftreten einer Explosion 111 als Ereignis 85 eine sehr hohe Dämpfungskraft 68 im Bereich von hier knapp 10 kN innerhalb kürzester Zeit zur Verfügung gestellt werden.
Dazu werden in hoher Frequenz die Sensoreinrichtungen 47 abgefragt. Die Sensordaten, wie einwirkende Kraft, Beschleunigung, Weg, Relativweg etc. werden in kürzester Zeit im Bereich von Mikrosekunden ausgewertet. Dazu werden Berechnungen ausgeführt, und/oder vorgesehenen Dämpferkennlinien 10, 90 und/oder entsprechend hinterlegte Kennfelder abgefragt und es wird eine Stellgröße für die Stromstärke ermittelt. Die Stromstärke 69 im Maximum der Kraftkurve bei maximaler Dämpfungskraft 68 beträgt hier etwa neun Ampere. Diese Stromstärke wird aber nicht sofort bei Erkennen eines Ereignisses eingestellt, sondern hängt von der aktuellen Last ab, wie auch der Datenverlauf zum Zeitpunkt 64 zeigt.
Durch die Dämpfungskraft kann die maximale Belastung für die auf dem Minenschutzsitz sitzende Person in Bezug auf maximale Beschleunigung und maximal einwirkende Kraft erheblich gesenkt werden, sodass das Verletzungsrisiko erheblich gesenkt und die Überlebenswahrscheinlichkeit erheblich gesteigert werden kann.
Gleichzeitig kann im Normalbetrieb bei normaler Fahrt eine angenehme Dämpfungsfunktion ermöglicht werden.
Bezugszeichenliste

1: Dämpfer
2: Dämpfergehäuse
3: erste Dämpferkammer
4: zweite Dämpferkammer
5: Dämpfungskolben
6: Kolbenstange
7: Strömungskanal
8: Dämpfungsventil
9: feldempfindliches Medium
10: Dämpferkennlinie
11: Felderzeugungseinrichtung, Spule
13: Sammelraum
14: Strömungsöffnung
15: Strömungsöffnung
16: Durchgangsöffnung
17: Einwegventil
18: Ventilöffnung
19: Fächerwandung
20: Dämpfungskanal
21: Dämpfungskanal
22: eine Strömungsseite
23: andere Strömungsseite
25: Einlauf
26: Federeinrichtung
27: erste Federkammer
28: zweite Federkammer
29: Wandstärke
30: freie Erstreckung
31: Länge
32: Breite
33: Querschnittsfläche
34: Querschnittsfläche
35: Querschnittsfläche
36: Ringleiter
37: Federungskolben
38: Kabel
39: Endlage
40: Dämpfungskolbeneinheit
41: Kern
42: Isoliermaterial
45: Speichereinrichtung
46: Steuereinrichtung
47: Sensor
50: Elektronikeinheit
53: Internet
54: Netzwerkschnittstelle
55: Funknetzschnittstelle
57: grafische Bedieneinheit
60: Steuerungseinrichtung
61: Batterieeinheit
62: Grundkennlinie
63: Zeitpunkt
64: Zeitpunkt
66: max. Einfederung
67: max. Relativgeschwindigkeit
68: max. Dämpfungskraft
69: max. Stromstärke
71: Ausgleichsraum
72: Ausgleichskolben
73: Halter
74: Magnet
75: Stößel
77: max. Relativgeschwindigkeit
80: Relativbewegung
81: Kennwert
82: Relativgeschwindigkeit
84: Dämpfungskraft
85: Ereignis
87: Zeitabstand
90: Dämpferkennlinie
91: Low-Speed-Bereich
92: High-Speed-Bereich
93: Radius
94: Steigung
95: Steigung
96: Knickpunkt
97: Pfeil
98: Steigung
99: Steigung
100: Auto
101: Komponente
102: Komponente
103: Rad
110: Minenschutzsitz
111: Explosion
112: Kraft
113: Kraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 69821799 T2 [0009]
EP 2278185 A1 [0011, 0016]
WO 2010/007433 A2 [0012]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Dämpfers (100) bei dem eine ersten und eine zweiten über eine Dämpfereinrichtung miteinander hydraulisch verbundenen Komponente (101, 102) zueinander gedämpft wird, wobei wenigstens ein steuerbares Dämpfungsventil (8) wenigstens eine Felderzeugungseinrichtung (11) vorgesehen ist, mit der ein feldempfindliches Medium (9) beeinflussbar ist, um eine Dämpfungskraft (84) durch Erzeugen einer Feldstärke (12) der Felderzeugungseinrichtung (11) zu beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kennwert (81) in Echtzeit ermittelt wird, und dass mit dem Kennwert (81) eine einzustellende Feldstärke (83) in Echtzeit abgeleitet wird und dass mit der Felderzeugungseinrichtung (11) in Echtzeit die einzustellende Feldstärke (83) erzeugt wird, um eine Dämpfungskraft (84) in Echtzeit einzustellen, die sich aus dem ermittelten Kennwert (81) ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kennwertermittlung (81) und der daraus resultierenden Dämpfungskraft (84) weniger als 20 ms und insbesondere weniger als 10 ms und vorzugsweise weniger als 5 ms vergehen und dieses Verfahren mehr als einmal geschieht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kennwert (81) den Zusammenhang von Dämpfungskraft (84) zur Relativgeschwindigkeit (82) definiert, wodurch der Zusammenhang von Feldstärke (12) der Felderzeugungseinrichtung und Dämpfungskraft (84) festgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Dämpfungskraft (84) mit zunehmender Relativgeschwindigkeit (82) zunimmt und wobei insbesondere mit zunehmender Feldstärke (12) der Felderzeugungseinrichtung (11) die Dämpfungskraft (84) zunimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpferkennlinie (10, 90) im Bereich geringer positiver und/oder negativer Relativgeschwindigkeiten (82) durch eine Gerade mit vorbestimmter Low-Speed-Steigung (94, 98) angenähert werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpferkennlinie (10, 90) einstellbar und/oder auswählbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei unendlich viele Kennwerte (81) in Echtzeit und aufeinanderfolgend einstellbar und/oder auswählbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feldstärke (12) der Felderzeugungseinrichtung (11) verringert wird, wenn die Relativbewegung (80) geringer als die direkt vorherige Relativbewegung ist und/oder wenn der Kennwert (81) geringer als der direkt vorherige Kennwert (81) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Bestimmung des Kennwertes (81) wenigstens ein Parameterset mit wenigstens einem Parameter aus einer Gruppe von Parametern ermittelt wird, welche Zeitangaben, Zeitdifferenzen, Positionen (86), Relativpositionen, Absolutpositionen, Relativgeschwindigkeiten, Beschleunigungen und Relativbeschleunigungen wenigstens der ersten und/oder der zweiten Komponente umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus dem Parameterset der Kennwert (81) für die Relativbewegung (80) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpferkennlinie (10, 90) im Wesentlichen durch den Koordinatenursprung verläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Zeitabstand (87) zweier aufeinanderfolgenden Ermittlungen des Kennwertes (81) kleiner 10 ms und insbesondere kleiner 5 ms und vorzugsweise kleiner 1 ms beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Regelgeschwindigkeit schneller als 20 ms und insbesondere schneller als 10 ms und vorzugsweise schneller als 5 ms beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen Relativbewegung und daraus resultierender angepasster Dämpferkraft weniger als 20 ms und insbesondere weniger als 10 ms und vorzugsweise weniger als 5 ms vergehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einer mehrfach wiederholten Schleife ein Ereignis erfasst und in weniger als 20 ms und insbesondere weniger als 10 ms und vorzugsweise weniger als 5 ms eine dem Ereignis angepasste Dämpferkraft eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Kennwerte (81) gespeichert und die Dämpferkennlinie (10, 90) anhand gespeicherter Kennwerte automatisch ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Betriebsdaten ermittelt und in Abhängigkeit davon eine Dämpferkennlinie (10, 90) ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Adaptionsmodus vorgesehen ist, in welchem Daten gespeichert und die Dämpferkennlinie (10, 90) anhand gespeicherter Daten modifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpferkennlinie (10, 90) in der Nähe einer Endlage (39) steiler eingestellt wird und wobei insbesondere die Dämpferkennlinie (10, 90) in der Nähe einer Endlage (39) durch mechanische Mittel (17) automatisch steiler eingestellt wird.
Dämpfer (100), der zur Dämpfung einer Relativbewegung zwischen einer ersten und einer zweiten Komponente (101, 102) zueinander dient, wobei eine Steuereinrichtung (46), eine Speichereinrichtung (45) und wenigstens eine Sensoreinrichtung (47) vorgesehen sind, wobei wenigstens ein steuerbares Dämpfungsventil (8) mit wenigstens einer Felderzeugungseinrichtung (11) vorgesehen ist, mit der ein feldempfindliches Medium (9) beeinflussbar ist, um eine Dämpfungskraft (84) der Dämpfereinrichtung (1) durch Erzeugen einer Feldstärke (12) der Felderzeugungseinrichtung (11) zu beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (46) und die Sensoreinrichtung (47) dazu ausgebildet sind, wenigstens einen Kennwert (91) der ersten und der zweiten Komponente (101, 102) zueinander periodisch in Echtzeit zu ermitteln, und dass die Steuereinrichtung (46) zur Dämpfung dazu ausgebildet ist, mit dem Kennwert (81) eine einzustellende Feldstärke (83) in Echtzeit abzuleiten, und dass die Steuereinrichtung (46) und die Felderzeugungseinrichtung (11) dazu ausgebildet sind, in Echtzeit die einzustellende Feldstärke (83) einzustellen, um eine Dämpfungskraft (84) in Echtzeit einzustellen, die sich aus dem ermittelten Kennwert (81) ergibt.
Dämpfer (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mechanische Ventile (17) vorgesehen sind, wodurch eine Grundkennlinie vorgegeben wird, bei der die Steigung der Dämpfungskraft bei negativen Relativbewegungen sich von der Steigung der Dämpfungskraft bei positiven Relativbewegungen unterscheidet.
Dämpfer (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei wenigstens ein mechanisches Ventil (17) als mechanisches Einwegventil (17) ausgebildet ist und/oder wobei wenigstens zwei unterschiedliche mechanische Ventile (15, 16) parallel geschaltet sind.
Dämpfer (100) nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein mechanisches Ventil (17) und wenigstens ein Dämpfungskanal (20, 21), der mit einem Feld der Felderzeugungseinrichtung (11) beaufschlagbar ist, in Reihe geschaltet sind.
Dämpfer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein maximaler Strömungsquerschnitt in der Druckstufe und ein maximaler Strömungsquerschnitt in der Zugstufe unterschiedlich sind und/oder wobei der maximale Strömungsquerschnitt in der Druckstufe und/oder in der Zugstufe über wenigstens ein mechanisches Einwegventil (17) begrenzt wird.
Dämpfer (100), die zur Dämpfung einer Relativbewegung zwischen einer ersten und einer zweiten Komponente (101, 102) dient, wobei eine Steuereinrichtung (46) und wenigstens eine Sensoreinrichtung (47) vorgesehen sind, wobei wenigstens ein steuerbares Dämpfungsventil (8) mit wenigstens einer Felderzeugungseinrichtung (11) vorgesehen ist, mit der ein feldempfindliches Medium (9) beeinflussbar ist, um eine Dämpfungskraft (84) der Dämpfereinrichtung (1) durch Erzeugen einer Feldstärke (12) der Felderzeugungseinrichtung (11) zu beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ereignis und daraus resultierender angepasster (berechneter) Dämpferkraft weniger als 20 ms und insbesondere weniger als 10 ms und vorzugsweise weniger als 5 ms vergehen und dieser Vorgang mehr als einmal geschieht.
Dämpfer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Felderzeugungseinrichtung ohne Ereignis stromlos ist und erst beim Eintreten eines Ereignisses elektrische Energie für die Dämpfung benötigt.