DE102015200444A1

DE102015200444A1 - Schwingungsdämpfer, Kraftfahrzeug sowie Verfahren zur Schwingungsdämpfung an einer Kraftfahrzeugradaufhängung

Info

Publication number: DE102015200444A1
Application number: DE102015200444.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Förster
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2016-07-14

Abstract

Schwingungsdämpfer für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Rohrelement, in dem ein Kolben bewegbar angeordnet ist und der das Rohrelement in einen ersten Arbeitsraum und einen zweiten Arbeitsraum unterteilt, wenigstens einem ersten Auslass am ersten Arbeitsraum und einem zweiten Auslass am zweiten Arbeitsraum, wobei über den ersten Auslass und den zweiten Auslass jeweils eine Fluidverbindung zu einer Hydraulikvorrichtung in einem Hauptströmungsweg besteht und wobei weiterhin ein Bypassweg vorhanden ist, mit dem der Hauptströmungsweg zumindest teilweise umgehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungswiderstände des Bypassweges und des Hauptströmungsweges in Abhängigkeit voneinander und/oder einer Kenngröße des Rohrelementes oder des Kolbens festgelegt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schwingungsdämpfer für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Rohrelement, in dem ein Kolben bewegbar angeordnet ist und der das Rohrelement in einen erstem Arbeitsraum und einem zweiten Arbeitsraum unterteilt, wenigstens einem ersten Auslass am ersten Arbeitsraum und einem zweiten Auslass am zweiten Arbeitsraum, wobei über den ersten Auslass und den zweiten Auslass jeweils eine Fluidverbindung zu einer Hydraulikvorrichtung in einem Hauptströmungsweg besteht und wobei weiterhin ein Bypassweg vorhanden ist, mit dem der Hauptströmungsweg zumindest teilweise umgehbar ist.
Aus der US 8,839,920 B2 geht ein Schwingungsdämpfer mit Rekuperationseinheit hervor. Die an einen Motor/Generator gekoppelte hydraulische Pumpe wird vor zu großen Volumenströmen geschützt, indem der durch die Kolbenstangenbewegung erzeugte Volumenstrom ab einem Grenzvolumenstrom in einen Bypass geleitet wird, der um die Pumpe herumführt.
Aus der nachveröffentlichen DE 10 2013 2019 443 geht ein Ventil hervor, das am kolbenstangenabgewandten Ende eines Arbeitszylinders angeordnet ist und mit dem ein Volumenstrom bis zu einem Grenzvolumenstrom in einen Hauptströmungsweg geleitet wird und ein Volumenstrom oberhalb des Grenzvolumenstroms in einen Bypass geht. Der Schwingungsdämpfer ist dabei als Zweirohrdämpfer mit Zwischenrohr ausgebildet, letzten Endes also als eine Art Dreirohrdämpfer.
Der genannte Aufbau ist jedoch nicht zwingend, es sind weitere Ausgestaltungen denkbar, wie ein Hauptströmungsweg und ein Bypass realisiert werden können.
Auch die DE 10 2009 022 328 A1 zeigt eine Umgehungsleitung, bei der ein Volumenstrom eines Fluids durch die Umgehungsleitung einstellbar ist. Auch diese Umgehungsleitung ist dazu gedacht, eine Pumpeneinrichtung zu schützen.
Bei den genannten Schwingungsdämpfern besteht das Problem, dass beim Öffnen des Bypasses oder der Umgehungsleitung die Dämpfkraft sinkt. Durch das Öffnen des Bypasses stellt der Schwingungsdämpfer mehr Strömungsquerschnitt zur Verfügung, wodurch der Strömungswiderstand für das Fluid sinkt. Daraus resultiert eine verringerte Dämpfkraft.
Das Öffnen des Bypasses geschieht aber gerade bei zu großen Volumenströmen, bei denen eigentlich die Dämpfkraft ansteigen soll und nicht absinken.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, einen Schwingungsdämpfer anzugeben, der auch bei geöffnetem Bypass ab einer vorgegebenen Geschwindigkeit eine ansteigende Kennlinie hat.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Schwingungsdämpfer mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Vorteilhafter Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Als Kern der Erfindung wird angesehen, dass die Strömungswiderstände des Bypassweges und des Hauptströmungsweges zum einen in Abhängigkeit voneinander und zusätzlich in Abhängigkeit von Kennwerten des Kolbens festgelegt werden können.
In Weiterbildung des Standes der Technik werden der Hauptströmungsweg, der an der Hydraulikvorrichtung vorbeiführt oder durch diese hindurchführt und insbesondere der Bypassweg nicht frei bestimmt, sondern eine wechselseitige Abhängigkeit im Hinblick auf die Dämpfkraft berücksichtigt.
Die Berücksichtigung einer Flächengröße als Kenngröße des Rohrelementes ist insbesondere dann angezeigt, wenn der Kolben ein Kolbenventil enthält und damit im Arbeitszylinder bzw. in dem den Kolben beherbergenden Rohrelement ein dritter Strömungsweg neben dem Hauptströmungsweg und dem Bypass vorhanden ist.
Bevorzugt wird der Strömungswiderstand des Bypassweges in Abhängigkeit des Strömungswiderstandes des Hauptströmungsweges festgelegt. D. h., dass in einer bevorzugten Ausgestaltung zuerst der Hauptströmungsweg dahingehend optimiert wird, dass die Hydraulikvorrichtung bestmöglich mit Fluid beaufschlagt oder versorgt wird und dann in Abhängigkeit der Ausgestaltung des Hauptströmungsweges der Bypassweg bzw. der Strömungswiderstand des Bypassweges ermittelt wird. Weiter bevorzugt wird der Strömungswiderstand des Bypassweges in Abhängigkeit des Strömungswiderstandes des Hauptströmungswegs und einer Kenngröße des Arbeitsraumströmungsweges zu ermitteln.
Vorzugsweise kann der Bypassweg-Strömungswiderstand als einer oder mehrere Drosselstellen im Bypassweg ausgebildet sein, wobei das Verhältnis der Durchlassfläche der Drosselstellen und der Verdrängerfläche des Kolbens zwischen 0,02 und 0,04 liegt. Liegt die Fläche des Kolbens bei 900 mm², kann die Durchlassfläche der Drosselstellen beispielsweise bei 30 mm² liegen. Die Fläche von 30 mm² kann auf mehrere Bohrungen verteilt werden, so dass insgesamt die entsprechende Fläche vorliegt. Ob die Fläche als eine Mehrzahl von zylindrischen Bohrungen oder als zusammenhängender rechteckförmiger Abschnitt oder sonst wie ausgestaltet ist, ist dabei nicht relevant. Durch diese Bedingung wird der Bypassweg in Abhängigkeit einer Kenngröße des Kolbens und damit auch einer Kenngröße des Rohrelementes ausgebildet. Die Verdrängerfläche des Kolbens kann nämlich nicht größer sein als die Querschnittsfläche des Rohrelementes, weiterhin soll sie auch nicht wesentlich kleiner sein als diese, da eine große Verdrängerfläche gewünscht ist, um bei niedrigen Arbeitsdrücken große Kräfte zu erreichen.
Vorzugsweise kann im Hauptströmungsweg eine veränderliche Drosselstelle vorhanden sein, deren Querschnittsfläche im Verhältnis zur Verdrängerfläche des Kolbens bei Radgeschwindigkeiten unter 1,0 m/s zwischen 0,05 und 0,1 liegt, bei Radgeschwindigkeiten ab 1,5 m/s unterhalb von 0,015. Aus der nachveröffentlichen DE 10 2013 219 443 geht wie bereits ausgeführt ein Ventil hervor, das den Volumenstrom in einem Hauptströmungsweg auf einen maximalen Volumenstrom begrenzt und bei Überschreitung des Grenzvolumenstroms ein Bypass öffnet. Ein derartiges Ventil beinhaltet eine veränderliche Drosselstelle, wobei diese ihren Querschnitt im Hauptströmungsweg beim Öffnen des Bypassweges ebenfalls verändert. Das Ventil aus der DE 10 2013 2019 443 öffnet also nicht nur den Bypassweg, es verändert gleichzeitig beim Öffnen des Bypassweges auch den Strömungswiderstand im Hauptströmungsweg. Dabei war bislang die Ausgestaltung der Drosselstelle im Hauptströmungsweg derart, dass lediglich der Volumenstrom auf einen Grenzvolumenstrom begrenzt wurde. Durch die zusätzliche Beachtung der Verhältnisse der Fläche der Drosselstelle im Verhältnis zur Verdrängerfläche des Kolbens kann die Dämpfungscharakteristik des Schwingungsdämpfers gezielt beeinflusst werden. Da nicht nur die Flächen der Drosselstelle im Hauptströmungsweg sondern auch diejenigen des Bypassweges von der Verdrängerfläche des Kolbens abhängen, sind auch die Strömungswiderstände des Hauptströmungsweges und des Bypassweges abhängig voneinander.
Bevorzugt kann die Drosselstelle im Hauptströmungsweg als ein in Abhängigkeit eines Volumenstroms schaltbares Ventil, insbesondere ein Schieberventil, gebildet werden. Ein derartiges Ventil geht wie bereits mehrfach erwähnt aus der DE 10 2013 2019 443 hervor.
Mit besonderem Vorteil kann im Kolben wenigstens ein Druckbegrenzungsventil vorhanden sein. Das Druckbegrenzungsventil im Kolben wird so gewählt, dass es sich bevorzugt erst bei Radgeschwindigkeiten von ca. 2,5 Meter pro Sekunde öffnet. Dann kann die Dämpfkraft, die durch die Drosselstelle im Bypassweg bei zunehmenden Radgeschwindigkeiten stark ansteigt, wieder verringert werden.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass in der Literatur oft auf Kolbenstangengeschwindigkeiten abgestellt wird. Die Kolbenstangengeschwindigkeit ist direkt proportional zur vertikalen Radgeschwindigkeit und wird von mehreren bekannten Größen beeinflusst. Da der Proportionalitätsfaktor zwischen Radgeschwindigkeit und Kolbenstangengeschwindigkeit jedoch für verschiedene Schwingungsdämpfertypen variiert wird in der vorliegenden Anmeldung auf die Radgeschwindigkeit abgestellt, da diese eine bei alle Schwingungsdämpfertypen gleichbleibende Bezugsgröße darstellt. Bei Wechsel des Schwingungsdämpfers oder einer Variation müssen die Größenänderungen damit nicht berücksichtigt werden, insbesondere muss nicht von der Kolbenstangengeschwindigkeit eines Schwingungsdämpfers, wie er vorliegend dargestellt wird, auf die Radgeschwindigkeit zurückgeschlossen werden.
Vorteilhafterweise kann das wenigstens eine Druckbegrenzungsventil des Kolbens eine Öffnungscharakteristik in Form eines Quotienten aus Druckänderung zu Volumenstromänderung besitzen, bei der in jedem Kennlinienabschnitt der Quotient der Öffnungscharakteristik und Verdrängerfläche des Kolbens größer als 0,003 bar·s/cm⁵ ist. Das bedeutet, dass das Druckbegrenzungsventil einen bestimmten Mindest-Strömungswiderstand bereitstellt, so dass beim Öffnen des Druckbegrenzungsventils zwar eine gewisser Abflachung der Gesamtlinie des Schwingungsdämpfers aber kein übermäßiges Absinken der Dämpfung bewirkt wird. Gesenkt wird also nur der Anstieg, aber nicht der Wert der Dämpfung. Diese Druckbegrenzungsfunktion kann für nur eine Strömungsrichtung durch den Kolben vorgesehen werden, oder auch für beide Strömungsrichtungen.
Mit besonderem Vorteil kann das Druckbegrenzungsventil bis im Wesentlichen 25 bar kein Hydraulikmedium passieren lassen. Bei Drücken bis 25 bar arbeitet der Kolben also als reiner Verdränger, erst ab 25 bar passiert Hydraulikmedium den Kolben.
Vorzugsweise kann die Vorrichtung im Hauptströmungsweg als Pumpe und/oder Hydromotor ausgebildet sein. Die Hydraulikvorrichtung im Hauptströmungsweg ist eine Vorrichtung, die mit dem Hydraulikmedium in Wirkkontakt steht und damit beispielsweise kein Sensor ist. Die Hydraulikvorrichtung weist Elemente auf, die durch das Hydraulikmedium antreibbar sind. Bei Bewegung der Kolbenstange, zuerst einmal unabhängig von Zug- oder Druckrichtung ausgehend, wird das Hydraulikmedium bewegt und durch den Hauptströmungsweg gedrückt. Dieses Hydraulikmedium soll dabei die Hydraulikvorrichtung antreiben.
Vorzugsweise kann die Hydraulikvorrichtung im Hauptströmungsweg eine elektrische Vorrichtung, insbesondere einen Generator, umfassen. Der elektrische Teil der Hydraulikvorrichtung ist dabei vom Hauptströmungsweg bevorzugt separiert, d. h., dass die elektrische Vorrichtung nicht vom Hydraulikmedium umspült wird. Alternativ kann die elektrische Vorrichtung als separate Vorrichtung angesehen werden, wobei die Hydraulikvorrichtung mit der elektrischen Vorrichtung mechanisch verbunden ist. Die Hydraulikvorrichtung dient dabei dazu, vom Hydraulikmedium ausgehende Kräfte auf die elektrische Vorrichtung zu übertragen oder umgekehrt. Im Falle eines Generators als elektrischer Vorrichtung kann die Hydraulikvorrichtung, insbesondere als hydraulische Pumpe, einen Abtrieb aufweisen, der den Generator antreibt. Dieser Abtrieb kann ein- oder mehrteilig ausgestaltet sein, die Kupplung zwischen Hydraulikvorrichtung und Generator ist grundsätzlich beliebig.
Vorteilhafterweise kann der Schwingungsdämpfer bei vollständig geöffnetem Bypassweg eine stärkere Dämpfkraftzunahme bei ansteigender Geschwindigkeit aufweisen als bei geschlossenem oder teilweise geöffnetem Bypassweg. Bei bislang bekannten Schwingungsdämpfern ist die Dämpfkraftzunahme bei vollständig geöffnetem Bypassweg verringert gegenüber der Dämpfkraftzunahme bei geschlossenem Bypassweg. Diese Dämpfkraftzunahme ist in Kennlinien als Steigung erkennbar. Mit Öffnung des Bypassweges steigt die Kennlinie also weniger stark. Demgegenüber ist nunmehr vorgesehen, dass bei vollständig geöffnetem Bypassweg eine stärkere Steigung der Kennlinie vorhanden ist als bei geschlossenem oder teilweise geöffnetem Bypassweg. Das bedeutet nicht, dass die Dämpfkraftzunahme nach dem vollständigen Öffnen des Bypassweges immer größer sein muss als alle vorherigen Dämpfkraftzunahmen vorher, es kann auch wahlweise größer sein als entweder bei geschlossenem oder teilweise geöffnetem Bypassweg. Erreicht werden kann dies wie oben bereits beschrieben durch eine Drosselstelle im Bypassweg.
Vorteilhafterweise kann der Schwindungsdämpfer nach radial außen auf das erste Rohrelement folgend ein zweites Rohrelement und ein drittes Rohrelement aufweisen, wobei der Bypassweg zumindest teilweise zwischen dem ersten Rohrelement und dem zweiten Rohrelement und der Hauptströmungsweg zumindest teilweise zwischen dem zweiten Rohrelement und dem dritten Rohrelement verläuft. Bei diesem Aufbau kann die Hydraulikvorrichtung auf dem Gehäuse außen am dritten Rohrelement befestigt werden, ohne dass der Bypassweg berücksichtigt oder passiert werden muss.
Vorteilhafterweise können die Strömungswiderstände in Druckrichtung des Schwingungsdämpfers geregelt sein. In Druckrichtung sind die Radgeschwindigkeiten größer als in Zugrichtung, weswegen hier bei den großen Radgeschwindigkeiten Probleme auftreten können, die so in Zugrichtung weniger stark ausgeprägt sind. Es existiert nämlich die Möglichkeit, den Hauptströmungsweg und den Bypassweg so auszugestalten, dass diese in Zug- und Druckrichtung unterschiedlich verlaufen, weswegen auch eine voneinander unabhängige Regelung möglich ist. Existieren dementsprechend mehrere Hauptströmungswege und mehrere Bypasswege, insbesondere zwei Hauptströmungswege und zwei Bypasswege, so soll derjenige Hauptströmungsweg und derjenige Bypassweg geregelt werden, die in Druckrichtung verwendet werden.
Mit besonderem Vorteil kann die Dämpfungskraft des Schwingungsdämpfers in Abhängigkeit von Radgeschwindigkeiten im Bereich einer Radgeschwindigkeit ab im Wesentlichen 2,9 m/s stärker progressiv ansteigen als im Bereich unter 2,9 m/s.
Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung an einer Kraftfahrzeugradaufhängung mittels eines hydraulischen Schwingungsdämpfers, wobei der Schwingungsdämpfer eine durch das Hydraulikmedium antreibbare Vorrichtung aufweist und wobei weiterhin ein Bypassweg zum wenigstens teilweise Umgehen der antreibbaren Vorrichtung vorhanden ist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Dämpfungskraft des Schwingungsdämpfers in Abhängigkeit von der Radgeschwindigkeit im Bereich einer Radgeschwindigkeit von 0 bis zu einer ersten Schwellengeschwindigkeit eine erste mittleren Steigung, im Bereich einer Radgeschwindigkeit von der ersten Schwellengeschwindigkeit zu einer zweiten Schwellengeschwindigkeit eine zweite mittlere Steigung, die kleiner als die erste mittlere Steigung ist, und im Bereich einer Radgeschwindigkeit nach der zweiten Schwellengeschwindigkeit eine dritte mittlere Steigung, die größer als die erste mittlere Steigung und/oder die zweite mittlere Steigung ist, aufweist. In jedem Fall ist die dritte mittlere Steigung größer als die zweite mittlere Steigung. Die Steigungen werden im Mittel betrachtet, da sie im betrachteten Bereich nicht konstant sind, weswegen bevorzugt lediglich ein gemittelter Wert angegeben wird. Der erste Bereich entsteht dabei dadurch, dass lediglich Hydraulikmedium durch den Haupströmungsweg fließt.
Nach dem Öffnen des Bypassweges sinkt die Dämpfkraft, weswegen die mittlere Steigung der Dämpfkraft in der Kennlinie absinkt, die zweite mittlere Steigung ist also kleiner als die erste mittlere Steigung. Die dritte mittlere Steigung ergibt sich hingegen beim weiteren Ansteigen des Volumenstroms dadurch, dass im Bypassweg der Strömungswiderstand begrenzt ist.
Vorzugsweise kann die Dämpfungskraft des Schwingungsdämpfers in Abhängigkeit von der Radgeschwindigkeit im Bereich einer Radgeschwindigkeit von der zweiten Schwellengeschwindigkeit bis zu einer dritten Schwellengeschwindigkeit einer dritte mittlere Steigung, die größer als die erste mittlere Steigung und/oder die zweite mittlere Steigung ist, und im Bereich einer Radgeschwindigkeit ab der dritten Schwellengeschwindigkeit mit einer vierter mittlere Steigung, die kleiner ist als die dritte mittlere Steigung und größer als die erste mittlere Steigung und/oder die zweite mittlere Steigung, aufweisen. Die dritte mittlere Steigung und die vierte mittlere Steigung sind in jedem Fall größer als die zweite mittlere Steigung. Die vierte mittlere Steigung ergibt sich dadurch, dass ab einer gewissen Radgeschwindigkeit das Druckbegrenzungsventil im Kolben geöffnet wird, wodurch der Strömungswiderstand des Gesamtsystems sinkt und dadurch die Dämpfkraft bzw. die Steigung der Dämpfkraft herabgesetzt wird. Die höchste mittlere Steigung liegt also im ersten oder dritten Bereich, bevorzugt im dritten Bereich. Die Steigung im zweiten Bereich ist die kleinste. Der jeweils letztgenannte Bereich, also der dritte oder der vierte, sind nach oben offen, d. h. sie gelten für Radgeschwindigkeiten ab der letztgenannten Grenzgeschwindigkeit. Die Radgeschwindigkeiten sind zwar aufgrund der physikalischen Randbedingungen grundsätzlich limitiert, d. h. dass praktisch keine beliebig hohen Radgeschwindigkeiten erhalten werden, jedoch variieren die maximalen Fahrgeschwindigkeiten, weswegen kein explizierter messbarer Grenzwert angebbar ist.
Vorteilhafterweise kann die Schwellengeschwindigkeit durch das zumindest teilweise zuschalten des Bypassweges vorgegeben werden. Weiterhin kann bevorzugt die zweite Schwellengeschwindigkeit durch einen Strömungswiderstand innerhalb des Bypassweges oder einen Strömungswiderstand des Bypassweges vorgegeben werden. Der Strömungswiderstand des Bypassweges ist dabei letzten Endes über den größten Widerstand vorgegeben, es ist also lediglich ein Wechsel der Betrachtungsweise, ob ein Strömungswiderstand innerhalb des Bypassweges die zweite Schwellengeschwindigkeit regelt oder der Strömungswiderstand des Bypassweges insgesamt.
Bevorzugt kann die dritte Schwellengeschwindigkeit durch die Öffnungscharakteristik eines Druckbegrenzungsventils im Kolben des Schwingungsdämpfers vorgegeben werden.
Vorteilhafterweise kann die erste Schwellengeschwindigkeit in einem Bereich von 1,3 bis 1,7 m/s liegen. Weiterhin kann die zweite Schwellengeschwindigkeit in einem Bereich von 2,4 bis 2,8 m/s liegen. Und weiterhin vorzugsweise kann die dritte Schwellengeschwindigkeit in einem Bereich von 2,9 bis 3,5 m/s liegen. Durch dieser Vorgaben der Wirkungsweise der Einzelteile des Schwingungsdämpfers wie auch der Schwellengeschwindigkeiten lässt sich ausgehend von einem Durchmesser des ersten Rohrelementes jeweils ermitteln, wie die Strömungswiderstände des Hauptströmungsweges, des Bypassweges und auch die Öffnungscharakteristik des Druckbegrenzungsventils zu gestalten sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen und Figuren. Dabei zeigen:
1 einen Schwingungsdämpfer,
2 einen hydraulischen Schaltplan des Schwingungsdämpfers zu 1,
3 eine Dämpfkraftkennlinie, und
4 eine Kennlinie eines Druckbegrenzungsventils innerhalb eines Kolbens..
1 zeigt einen Schwingungsdämpfer 1 mit einem Arbeitszylinder 2 als erstem Rohrelement, einem Zwischenrohr 3 als zweitem Rohrelement und einem Behälterrohr 4 als drittem Rohrelement. Der Kolben 5 teilt den Arbeitsraum innerhalb des Arbeitszylinders 2 in einen ersten Arbeitsraum 6 und einen zweiten Arbeitsraum 7. Die weiterhin vorhandene Kolbenstange 8 und die Kolbenstangenführung 9 sind grundsätzlich bekannt und bedürfen keiner weiteren Ausführungen.
Auch wenn der Schwingungsdämpfer ein Behälterrohr 4 und ein Zwischenrohr 3 aufweist und damit wie ein Zweirohrdämpfer mit Zwischenrohr ausgebildet ist, so arbeitet er dennoch nach dem Einrohrdämpferprinzip, da der Ausgleichsraum 10 am kolbenstangenfernen Ende des Schwingungsdämpfers 1 angeordnet ist und das Zwischenrohr 3 und das Behälterrohr 4 lediglich dazu verwendet werden, einen Hauptströmungsweg 12 und einen Bypassweg 14 vorzugeben, wobei der Haupströmungsweg 12 zwischen den Zwischenrohr 3 und dem Behälterrohr 4 angeordnet ist und der Bypassweg 14 zwischen dem Arbeitszylinder 2 und dem Zwischenrohr 3. Befindet sich im Kolben 5 ein Kolbenventil 16, so existiert als dritter paralleler Strömungsweg ein Arbeitszylinderweg 18. Am „Boden“ des Schwingungsdämpfers 1 befindet sich ein Ventil 20, mit dem der Bypassweg 14 zuschaltbar ist. Das Ventil 20 ist volumenstromgeregelt, d. h. dass ab einem vorgegebenen Volumenstrom der Bypassweg geöffnet wird und unterhalb dieses Grenzvolumenstroms nur der Hauptströmungsweg 12 offen ist. Die genaue Ausgestaltung des Ventils 20 kann aus einer der nachveröffentlichten Druckschriften DE 10 2013 219 443 oder DE 10 2014 202 440 entnommen werden.
An den Hauptströmungsweg 12 angekoppelt ist eine Hydraulikvorrichtung 22, wobei an die Hydraulikvorrichtung 22 eine elektrische Vorrichtung 24 angekoppelt ist. Die Hydraulikvorrichtung 22 und die elektrische Vorrichtung 24 können als Gesamtvorrichtung, beispielsweise als Hydromotor, betrachtet werden, sie können jedoch auch als einzelne Vorrichtungen angesehen werden. Es kann sich auch um eine Rekuperationseinheit handeln. Die elektrische Vorrichtung 24 kann ein Generator und/oder Motor sein.
2 zeigt einen hydraulischen Schaltplan des Schwingungsdämpfers gemäß 1. Über den Kolben 5 ist dabei ein Arbeitszylinderweg 18 für das Hydraulikmedium definiert, wobei in Druckrichtung das Druckbegrenzungsventil 26 wirkt und in Zugrichtung das Ventil 28. Rechts neben dem Arbeitszylinder sind der Hauptströmungsweg und der Bypassweg für die Zug- und Druckrichtung rein schematisch dargestellt, wobei der obere Abschnitt die Zugrichtung und der untere Teil die Druckrichtung darstellt. Das Schaltplanelement 30 zeigt dabei an, dass das Ventil 20 eine Drosselstelle besitzt, aufgrund dessen das Ventil volumenstromgeregelt ist. Das Schaltplanelement 32 bestehend aus den Teilelementen 34 und 36 zeigt den Zustand des Ventils 20 im Hauptströmungsweg und zwar im Falle des Teilelements 34 für Volumenströme unterhalb einer Grenzgeschwindigkeit und im Fall 36 für Volumenströme oberhalb einer Grenzgeschwindigkeit an. Entsprechend zeigt das Schaltplanelement 38 mit den Teilelementen 40 und 42 die entsprechenden Zustände des Ventils 20 in Bezug auf den Bypassweg 14. Dabei zeigt das Teilelement 40, dass der Bypassweg bei Volumenströmen unterhalb eines Grenzvolumenstroms geschlossen ist und oberhalb des Grenzvolumenstroms gemäß Teilelement 42 geöffnet ist. Die Verbindung 44 zeigt dabei an, dass der Wechsel jeweils gleichzeitig im Hauptströmungsweg 12 und im Bypassweg 14 erfolgt. Über die Vorspannfeder 46 wird angezeigt, dass die Vorzugsposition des Ventils 20 dahingehend besteht, das der Hauptströmungsweg 12 geöffnet und der Bypassweg 14 geschlossen ist. Im Hauptströmungsweg 12 folgt auf das Ventil 20 die Hydraulikvorrichtung 22, an die eine elektrische Vorrichtung 24, beispielsweise in Form eines Motors oder Generators, gekoppelt sein kann.
Die entsprechenden Elemente für die Zugrichtung, die für die Druckrichtung beschrieben wurden, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei jeweils ein Strich „ ‘ “ eingefügt wurde. Das Ventil für die Zugrichtung ist im Bereich der Kolbenstangenführung anzuordnen und geht beispielsweise aus der nachveröffentlichten DE 10 2014 203 181 hervor.
Um im Folgenden die Diskussion der Strömungswiderstände zu vereinfachen werden die Elemente 48, 50 und 52 als Elemente zur Strömungswiderstandsregelung benannt, jedoch ist das Element 48 bereits als Kolbenventil 26 benannt worden und das Element 50 als Teil des Ventils 20. Bislang nicht explizit benannt wurde das Element 52, da eine Beeinflussung des Strömungswiderstandes des Bypassweges 14 abgesehen davon, dass der Bypassweg geöffnet wird oder nicht, nicht bekannt war.
Ausgehend von dem hydraulischen Schaltplan in 2 ergibt sich die in 3 gezeigte Kennlinie für den Schwingungsdämpfer 1. Dabei ist gegen die Achse 54 die Radgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde aufgetragen und gegen die Achse 56 die Kolbenstangenkraft in Newton.
Die Kennlinie 58 weist in einem ersten Bereich 60 von der Radgeschwindigkeit 0 bis zu einer ersten Schwellengeschwindigkeit 62 eine erste mittlere Steigung auf. Die erste Schwellengeschwindigkeit liegt bei 1,3 m/s. Man erkennt, dass die Steigung im ersten Bereich 60 nicht linear ist, weswegen auch die mittlere Steigung in diesem ersten Bereich 60 betrachtet wird. Im ersten Bereich 60, also bei kleinen Radgeschwindigkeiten, ist das Ventil 20 geschlossen und mit zunehmender Radgeschwindigkeit erfolgt ein größerer Volumenstrom im Hauptströmungsweg und auch durch das Ventil 20.
Mit Erreichen der ersten Schwellengeschwindigkeit 62 wird auch ein Grenzvolumenstrom erreicht, mit dem das Ventil 20 aus der Grundposition in eine Überlastposition verschoben wird. Beim Wechsel in die Überlastposition wird der Volumenstrom im Hauptströmungsweg 12 begrenzt und der Bypassweg 14 geöffnet. Dadurch sinkt die Dämpfkraft des Schwingungsdämpfers 1, seine Kennlinie 58 knickt ab und steigt nicht mehr so stark an wie vorher mit weiter steigenden Radgeschwindigkeit. Diese schwächere mittlere Steigung, die zweite Steigung, reicht von der ersten Schwellengeschwindigkeit 62 bis zu einer zweiten Schwellengeschwindigkeit 64 und definiert so einen zweiten Bereich 66. Die zweite Schwellengeschwindigkeit liegt bei 2,8 m/s. Definiert wird sie durch den Strömungswiderstand des Bypassweges, der durch das Element 52 vorgegeben wird. Das Element 52 kann z. B. als Drossel im Bypassweg ausgestaltet sein. Die Drossel kann als den Bypassweg verschließende Wandung mit Öffnungen ausgestaltet sein. Das Element 52 ist also so zu bemessen, dass bis zu der Schwellengeschwindigkeit 64 keine Drosselung des Volumenstroms im Bypassweg 14 stattfindet bzw. der Strömungswiderstand nicht oder nicht wesentlich erhöht wird. Ab der zweiten Schwellengeschwindigkeit 64 bewirkt das Element 52 einen Anstieg des Strömungswiderstandes im Bypassweg und damit auch einen Anstieg des Gesamtwiderstandes des Schwingungsdämpfers. Dadurch steigt die Kennlinie auf dem der zweiten Schwellengeschwindigkeit folgenden Bereich an. Über das Element 48, beispielsweise in Form eines Druckbegrenzungsventils 26 kann eine dritte Schwellengeschwindigkeit 68 vorgegeben werden, über die ein dritter Bereich 70 definierbar ist. Die dritte Schwellengeschwindigkeit 68 gibt auch gleichzeitig einen vierten Bereich 72 vor, der nach oben offen ist. Öffnet sich das Druckbegrenzungsventil ab einem gewissen Druck, was einer Radgeschwindigkeit, beispielsweise 3,1 m/s entspricht, so kann der Gesamtströmungswiderstand des Schwingungsdämpfers abgesenkt werden. Die Steigung im vierten Bereich, die mittlere vierte Steigung, ist also kleiner als die mittlere Steigung im dritten Bereich 70.
Generell ergibt sich der Strömungswiderstand des Schwingungsdämpfers als Ergebnis der Strömungswiderstände im Arbeitszylinderweg 18, dem Hauptströmungsweg 12 und dem Bypassweg 14. Da die Wege 12, 14 und 18 parallel geschaltet sind ergibt sich der Strömungswiderstand des Schwingungsdämpfers zu: 1/R_SD = 1/R₁₂ + 1/R₁₄ + 1/R₁₈.
Die Indices 12, 14 und 18 verweisen dabei auf den Hauptströmungsweg 12, den Bypassweg 14 und den Arbeitszylinderweg 18, der Index SD dagegen auf den Schwingungsdämpfer. Diese Widerstände lassen sich auch als Kennlinien darstellen, der Strömungswiderstand des Schwingungsdämpfers kann dabei auch als Addition von Kennlinien verstanden werden.
4 zeigt exemplarisch die Kennlinie 74 des Druckbegrenzungsventils 26. Dabei sind gegen die Achse 76 der Volumenstrom und gegen die Achse 78 der Druck aufgetragen. Die Kennlinie 74 steigt im ersten Bereich 80 stark an, während sie im zweiten Bereich 82 flach verläuft. In beiden Fällen ist die Steigung der Kennlinie 74 größer als 0,003 bar·s/cm⁵, d. h. dass die Kennlinie insbesondere im zweiten Bereich 82 immer wenigstens diese Steigung aufweist und beispielsweise nie parallel zur Achse 76 verläuft.
Bezugszeichenliste

1: Schwingungsdämpfer
2: Arbeitszylinder
3: Zwischenrohr
4: Behälterrohr
5: Kolben
6: erster Arbeitsraum
7: zweiter Arbeitsraum
8: Kolbenstange
9: Kolbenstangenführung
10: Ausgleichsraum
12: Hauptströmungsweg
14: Bypassweg
16: Kolbenventil
18: Arbeitszylinderweg
20: Ventil
22: Hydraulikvorrichtung
24: elektrische Vorrichtung
26: Druckbegrenzungsventil
28: Ventil
30: Schaltplanelement
32: Schaltplanelement
34: Teilelement
36: Teilelement
38: Schaltplanelement
40: Teilelement
42: Teilelement
44: Verbindung
46: Vorspannfeder
48: Element
50: Element
52: Element
54: Achse
56: Achse
58: Kennlinie
60: erster Bereich
62: erste Schwellengeschwindigkeit
64: zweite Schwellengeschwindigkeit
66: zweiter Bereich
68: dritte Schwellengeschwindigkeit
70: dritter Bereich
72: vierter Bereich
74: Kennlinie
76: Achse
78: Achse
80: erster Bereich
82: zweiter Bereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8839920 B2 [0002]
DE 1020132019443 [0003, 0016]
DE 102009022328 A1 [0005]
DE 102013219443 [0015, 0039]
De 1020132019443 [0015]
DE 102014202440 [0039]
DE 102014203181 [0042]

Claims

Schwingungsdämpfer (1) für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Rohrelement (2), in dem ein Kolben (5) bewegbar angeordnet ist und der das Rohrelement (2) in einen ersten Arbeitsraum (6) und einen zweiten Arbeitsraum (7) unterteilt, wenigstens einem ersten Auslass am ersten Arbeitsraum (6) und einem zweiten Auslass am zweiten Arbeitsraum (7), wobei über den ersten Auslass und den zweiten Auslass jeweils eine Fluidverbindung zu einer Hydraulikvorrichtung (22) in einem Hauptströmungsweg (12) besteht und wobei weiterhin ein Bypassweg (14) vorhanden ist, mit dem der Hauptströmungsweg (12) zumindest teilweise umgehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungswiderstände des Bypassweges (14) und des Hauptströmungsweges (12) in Abhängigkeit voneinander und/oder einer Kenngröße des Rohrelementes (2) oder des Kolbens (5) festgelegt werden.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bypassweg (14) ein Bypassweg-Strömungswiderstand vorhanden ist, der den Strömungswiderstand des Bypassweges (14) erhöht.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypassweg-Strömungswiderstand als eine oder mehrere Drosselstellen im Bypassweg ausgebildet ist, wobei das Verhältnis der Durchlassfläche der Drosselstellen und der Verdrängerfläche des Kolbens (5) zwischen 0,02 und 0,04 liegt.
Schwingungsdämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptströmungsweg (12) eine veränderliche Drosselstelle (20) vorhanden ist, deren Querschnittsfläche im Verhältnis zur Verdrängerfläche des Kolbens (5) bei Radgeschwindigkeiten unter 1,0 m/s zwischen 0,05 und 0,1 liegt und bei Radgeschwindigkeiten ab 1,5 m/s unterhalb von 0,015.
Schwingungsdämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstelle im Hauptströmungsweg (12) durch ein in Abhängigkeit eines Volumenstroms schaltbares Ventil (20), insbesondere Schieberventil, gebildet wird.
Schwingungsdämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolben (5) wenigstens ein Druckbegrenzungsventil (26) vorhanden ist.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbegrenzungsventil (26) eine Öffnungscharakteristik in Form eines Gradienten aus Druckänderung zu Volumenstromänderung besitzt, bei der in jedem Kennlinienabschnitt der Quotient aus Öffnungscharakteristik und Verdrängerfläche des Kolbens (5) größer als 0,003 bar·s/cm⁵ ist.
Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbegrenzungsventil (26) bis im Wesentlichen 25 bar kein Hydraulikmedium passieren lässt.
Schwingungsdämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikvorrichtung (22) im Hauptströmungsweg (12) als Pumpe und/oder Hydromotor ausgebildet ist.
Schwingungsdämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikvorrichtung (22) im Hauptströmungsweg (12) eine elektrische Vorrichtung (24), insbesondere einen Generator, umfasst oder mit einer elektrischen Vorrichtung (24) mechanisch verbunden ist.
Schwingungsdämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsdämpfer (1) bei vollständig geöffnetem Bypassweg (14) eine stärkere Dämpfkraftzunahme bei ansteigender Radgeschwindigkeit aufweist als bei geschlossenem oder teilweise geöffnetem Bypassweg (14).
Schwingungsdämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsdämpfer nach radial außen auf das erste Rohrelement (2) folgend ein zweites Rohrelement (3) und ein drittes Rohrelement (4) aufweist, wobei der Bypassweg (14) zumindest teilweise zwischen dem ersten Rohrelement (2) und dem zweiten Rohrelement (3) und der Hauptströmungsweg (12) zumindest teilweise zwischen dem zweiten Rohrelement (3) und dem dritten Rohrelement (4) verläuft.
Schwingungsdämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungswiderstände in Druckrichtung des Schwingungsdämpfers (1) geregelt sind.
Schwingungsdämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungskraft des Schwingungsdämpfers (1) in Abhängigkeit der Radgeschwindigkeit im Bereich einer Radgeschwindigkeit ab im Wesentlichen 2,9 m/s stärker progressiv ansteigt als im Bereich unter 2,9 m/s.
Verfahren zur Schwingungsdämpfung an einer Kraftfahrzeugradaufhängung, mittels eines hydraulischen Schwingungsdämpfers (1), wobei der Schwingungsdämpfer (1) eine durch das Hydraulikmedium antreibbare Vorrichtung (22) aufweist und wobei weiterhin ein Bypassweg (14) zum wenigstens teilweisen Umgehen der antreibbaren Vorrichtung (22) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungskraft des Schwingungsdämpfers (1) in Abhängigkeit von der Radgeschwindigkeit im Bereich (60) einer Radgeschwindigkeit von 0 bis zu einer ersten Schwellengeschwindigkeit (62) eine erste mittlere Steigung, im Bereich (66) einer Radgeschwindigkeit von der ersten Schwellengeschwindigkeit (62) zu einer zweiten Schwellengeschwindigkeit (64) eine zweite mittlere Steigung, die kleiner als die erste mittlere Steigung ist, und im Bereich (70, 72) einer Radgeschwindigkeit nach der zweiten Schwellengeschwindigkeit (64) eine dritte mittlere Steigung, die größer als die erste mittlere Steigung und/oder die zweite mittlere Steigung ist, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungskraft des Schwingungsdämpfers (4) in Abhängigkeit von der Radgeschwindigkeit im Bereich (70) einer Radgeschwindigkeit von der zweiten Schwellengeschwindigkeit (64) bis zu einer dritten Schwellengeschwindigkeit (68) eine dritte mittlere Steigung, die größer als die erste mittlere Steigung und/oder die zweite mittlere Steigung ist, und im Bereich (72) einer Radgeschwindigkeit ab der dritten Schwellengeschwindigkeit eine vierte mittlere Steigung, die kleiner als die dritte mittlere Steigung und größer als die erste mittlere Steigung und die zweite mittlere Steigung ist, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schwellengeschwindigkeit (62) durch das zumindest teilweise Zuschalten des Bypassweges (14) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwellengeschwindigkeit (64) durch einen Strömungswiderstand innerhalb des Bypassweges (14) oder einen Strömungswiderstand des Bypassweges (14) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schwellengeschwindigkeit (68) durch die Öffnungscharakteristik eines Druckbegrenzungsventils (26) im Kolben (5) des Schwingungsdämpfers (1) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schwellengeschwindigkeit (62) in einem Bereich von 1,3 bis 1,7 m/s liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwellengeschwindigkeit (64) in einem Bereich von 2,4 bis 2,8 m/s liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schwellengeschwindigkeit (68) in einem Bereich von 2,9 bis 3,5 m/s liegt.