DE102016000849B3

DE102016000849B3 - Schwingungsdämpfer

Info

Publication number: DE102016000849B3
Application number: DE102016000849.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Bruns; Joachim Funke; Nils Herrmann
Original assignee: Fludicon GmbH
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2017-05-11
Anticipated expiration: 2036-01-29
Also published as: DE102016000849B8

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungsdämpfer zur Dämpfung von Ein- und/oder Ausfederkräften an Kraftfahrzeugen, der einen Druckmittelinnenzylinder (1) enthält, in dem ein Kolben (2) mit einer Kolbenstange (3) axial verschiebbar angeordnet ist, der den Druckmittelinnenzylinder (1) in eine Einfahrkammer (4) und eine Ausfahrkammer (5) unterteilt, in denen als Druckmittel eine elektrorheologische Flüssigkeit enthalten ist, wobei die Einfahrkammer (4) und die Ausfahrkammer (5) durch mindestens einen Ventildrosselspalt (6) zwischen dem Zylinderinnenrohr (1) und einem koaxial dazu angeordneten Elektrodenrohr (7) verbunden ist, wobei der Ventildrosselspalt (6) am axial oberen Ende der Ausfahrkammer (5) durch eine elektrisch isolierende Elektrodenhalterung (26) zwischen dem Innen- und Elektrodenrohr (7) abgedichtet ist, wobei der axial untere Rand der Elektrodenhalterung (26) am axial oberen Bereich einer Einlassöffnung (15) des Ventildrosselspalts (6) in die Ausfahrkammer (5) endet und dass das Elektrodenrohr (7) koaxial von einem beabstandeten weiteren Außenrohr (8) umgeben ist, das mit dem Elektrodenrohr (7) eine Gasdruckkammer (9) bildet, die mit der Einfahrkammer (4) verbunden ist. Der Schwingungsdämpfer ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Wand des Elektrodenrohrs (7) axial unmittelbar unter der Elektrodenhalterung (26) mindestens eine Entgasungsöffnung (28) vorgesehen ist, dessen Auslassquerschnitt so bemessen ist, dass das in mindestens einem der Drosselspalte (6) befindliche gasförmige Druckmittel in die Gasdruckkammer (9) ausströmen und das die elektrorheologische Flüssigkeit aufgrund ihrer Viskosität nicht durch die Entgasungsöffnung (28) austreten kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer zur Dämpfung von Ein- und Ausfederkräften an Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Schwingungsdämpfer dienen in Kraftfahrzeugen dazu, dass die Schwingungen des Fahrwerks als gefederte Massen schnell abklingen, um die Fahrstabilität sicherzustellen und einen gewünschten Fahrkomfort zu schaffen. Dazu werden meist hydraulische Schwingungsdämpfer eingesetzt, bei denen in einem mit Öl befüllten Zylinder ein axial verschiebbarer Kolben geführt ist. Am Kolben ist eine Kolbenstange angeordnet, die nach oben aus dem Zylinder abgedichtet herausgeführt ist und am Fahrzeugchassis befestigt wird. Andererseits ist der Zylinder mit seinem unteren Ende vorzugsweise an einem Rad- oder Achsteil angebracht. Der Kolben unterteilt dabei den Zylinder in eine obere Ausfahrkammer und eine untere Einfahrkammer, die über mindestens ein Drosselventil miteinander verbunden sind. Zum Ausgleich einer einsinkenden Kolbenstange ist die Einfahrkammer zusätzlich noch mit einer Gasdruckkammer verbunden, in der ein Vordruck von ca. 20 bar bis 30 bar eingegeben ist, um eine Kavitation zu vermeiden. Zur Regelung oder Steuerung der Dämpferkräfte können die Drosselventile elektromagnetisch verstellbar ausgebildet sein, um das Fahrverhalten eines Fahrzeugs an eine vorgegebene Schwingungsdämpfung und/oder einen gewünschten Fahrkomfort anpassen zu können. Allerdings sind derartige Drosselventile relativ langsam in ihrem Regelverhalten, so dass häufig schnelle Schwingungsänderungen nicht schnell genug gedämpft werden können.
Aus der DE 10 2007 026 378 A1 ist ein Schwingungsdämpfer für Kraftfahrzeuge bekannt, der mit einem elektrorheologischen Drosselventil ausgeführt ist und dadurch eine sehr schnelle Schwingungsregelung ermöglicht. Dabei ist um das Zylinderinnenrohr ein beabstandetes Elektronenrohr angeordnet, das mit dem Zylinderinnenrohr einen Drosselspalt bildet. Der Drosselspalt ist dabei sowohl mit der Einfahr- als auch mit der Ausfahrkammer verbunden, wobei die Viskosität der durch den Drosselspalt fließenden elektrorheologischen Flüssigkeit über eine Hochspannung zwischen dem Elektrodenrohr und dem Zylinderinnenrohr steuerbar ist. Allerdings weist dieser Schwingungsdämpfer zum Volumenausgleich der Kolbenstange einen zusätzlichen pneumatischen Druckmittelzylinder mit einem weiteren Kolben auf, der axial mit dem Hydraulikzylinder als sogenannter Einrohrdämpfer verbunden ist. Dadurch verlängert sich der Schwingungsdämpfer nicht unbeträchtlich, was zu Einbauproblemen führen kann.
Ein weiterer elektrorheologischer Schwingungsdämpfer ist aus der EP 0 261 427 B1 bekannt, der als sogenannter Zweirohrdämpfer ausgebildet ist, der eine relativ kurze Bauweise ermöglicht. Der Stoßdämpfer besteht dabei aus einem Zylinderinnerohr, um das koaxial drei weitere beabstandete Zylinderrohre als Elektroden angeordnet sind, die um das Zylinderinnenrohr drei Ventilspalte bilden. Koaxial zu den Elektrodenrohren ist noch ein weiteres beabstandetes Außenrohr angeordnet, das zur Ausfahrkammer abgedichtet und mit der Einfahrkammer über ein beim ausfahrenden Kolben öffnendes Rückschlagventil verbunden ist und eine pneumatische Gasdruckkammer bildet. Da die Drosselspalte unten mit der Gasdruckkammer und oben mit der Ausfahrkammer verbunden sind und dies ein System der kommunizierenden Röhren darstellt, kann es insbesondere nach längeren Standzeiten dazu kommen, dass ein Teil des gasförmigen Druckmittels von der Gasdruckkammer über die Drosselspalte in die Ausfahrkammer gelangt und die Schwingungsdämpfung ungünstig beeinflusst. Oberhalb der Ausfahrkammer ist zwar um ein Durchgangsloch für die Kolbenstange um diese eine Aussparung im Deckel des Hohlzylinders belassen, in der ein Flüssigkeitsvorrat angefüllt ist. Dieser dichtet die Kolbenstange kapillar gegenüber dem Durchgangsloch im Deckel ab, so dass kein Gas von der Gasdruckkammer in die Ausfahrkammer gelangen kann. Gleichfalls dichtet dieser Flüssigkeitsvorrat aber auch die Ausfahrkammer gegenüber der Gasdruckkammer ab, so dass ein nach längerer Standzeit in die Ausfahrkammer gelangter Gasvorrat auch nicht wieder in die Gasdruckkammer entweichen kann. Ein derart kompressiver Gasanteil in der Ausfahrkammer beeinträchtigt aber den Durchfluss der elektrorheologischen Flüssigkeit von der Ausfahrkammer über die Ventilspalte zur Einfahrkammer, was die Steuerung der Dämpfungseigenschaften beeinträchtigen kann.
Aus der DE 10 2013 003 841 A1 ist ein weiterer Zweirohrdämpfer zur Schwingungsdämpfung bei Kraftfahrzeugen bekannt, der ebenfalls mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit befüllt ist. Nach einer maschinellen Befüllung oder nach längerer Standzeit des Fahrzeugs kann sich auch hier oberhalb des Flüssigkeitsstands im Zylinderinnenrohr Luft oder andere gasförmige Druckmittel ansammeln, die das geregelte Dämpfungsverhalten ungünstig beeinflussen können. Deshalb besitzt dieser Zweirohrdämpfer am Zylinderdeckel der Ausfahrkammer innen koaxial zur Kolbenstange einen Gassammelraum, der über ein gedrosseltes Rückschlagventil mit der Gasdruckkammer verbunden ist. Für das sich in der Ausfahrkammer gesammelte gasförmige Druckmittel wird bei ausfahrender Kolbenstange ein hoher Druck erzeugt, durch den das in der Ausfahrkammer befindliche gasförmige Druckmittel über das gedrosselte Rückschlagventil in die Gasdruckkammer gefördert wird. Dazu ist ein sehr aufwändiges gedrosseltes Rückschlagventil innerhalb des Zylinderdeckels vorgesehen, das genau auf den in der Gasdruckkammer befindlichen Vordruck und den in der Ausfahrkammer erzeugten Dämpferdruck abgestimmt werden muss, damit nur das gasförmige Druckmittel und keine elektrorheologische Flüssigkeit durch das gedrosselte Rückschlagventil gelangen kann. Gleichwohl kann mit diesem gedrosselten Rückschlagventil nur das bereits in der Ausfahrkammer befindliche Gas abgeleitet werden. Befindet sich hingegen noch weiteres Gas in den Drosselspalten, so verhindert der Druck in der Ausfahrkammer ein Entweichen in die Gasdruckkammer, so dass es zu unregelmäßigen Schwingungsdämpfungen oder Spannungsüberschlägen in den Drosselspalten kommen kann. Derartige Spannungsüberschläge müssen aber in jedem Fall verhindert werden, da hierdurch nicht nur die nichtleitende Basisflüssigkeit, sondern auch die häufig aus Polyurethan bestehenden polarisierbaren Partikel der elektrorheologischen Flüssigkeit zerstört werden können.
DE 691 28 585 T2 bezieht sich auf eine Schwingungsdämpfungsvorrichtung, die für die Verwendung bei Automobilaufhängungssystemen und dergleichen geeignet ist und eine große Schwingungsdämpfungsfähigkeit entwickeln kann. Diese Schwingungsdämpfungsvorrichtung weist zwei zylindrische, flexible Membranelementen auf, wobei ein Endbereich von jedem der Membranelemente mit zugehörigen Endbereichen eines Kolbenelements flüssigkeitsdicht verbunden ist, und die anderen Endbereiche dieser Membranelemente mit zugehörigen Stirnplatten flüssigkeitsdicht verbunden sind. Sie weist ferner auf ein Verbindungselement, das mit mindestens einem begrenzten Durchgang versehen ist und die Stirnplatten miteinander verbindet, um eine geschlossene Kammer zu bilden, und zwar auf eine solche Weise, dass die umgebogenen Bereiche der Membranelemente einander gegenüberliegen, ein elektrorheologisches Fluid, das in die geschlossene Kammer eingefüllt ist, Elektroden, die von den einander gegenüberliegenden Wänden des begrenzten Durchgangs gebildet werden, und Befestigungselemente, die auf dem Kolbenelement bzw. einer der Stirnplatten angeordnet sind.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen elektrorheologischen Zweirohrschwingungsdämpfer der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die in die Ausfahrkammer und die Ventilspalte gelangten gasförmige Druckmittelanteile möglichst vollständig und selbsttätig während des Dämpfungsbetriebs aus der Ausfahrkammer und den Ventilspalten entweichen können und dies unter einfachster Ausgestaltung.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die mikrometergroßen Entgasungsöffnungen am axial oberen Rand der Ventildrosselspalten das sich dort angesammelte gasförmige Druckmittel auf einfache Art selbsttätig in die Gasdruckkammer ableiten lässt. Da diese sehr kleinen Entgasungsöffnungen auf die Viskosität oder die Größe der polarisierbaren Flüssigkeitsteilchen abgestimmt sind, wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass zwar die dort befindliche Luft oder das Gas ausströmen kann, aber die elektrorheologische Flüssigkeit in den Ventildrosselspalten und der Ausfahrkammer verbleibt. Dies hat weiterhin den Vorteil, dass ohne eine manuelle Entlüftung oder entsprechende Ventilsysteme nach dem Einfüllen der elektrorheologischen Flüssigkeit oder nach längeren Standzeiten nur durch eine kurzzeitige Dämpferbelastung die Entlüftung bzw. Entgasung selbstständig erfolgt. Dadurch werden Beschädigungen durch Spannungsüberschläge in den Drosselspalten an der elektrorheologischen Flüssigkeit oder der Hochspannungselektronik vermieden.
Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, dass die Entgasungsöffnungen durch einfache Laserbohrungen so herstellbar sind, dass diese direkt in die Gasdruckkammer führen und keiner zusätzlichen Verbindungsleitungen oder Ventilanordnungen bedürfen. Diese Entgasungsöffnungen haben gleichzeitig den Vorteil, dass diese nur von den Gasmolekülen der gasförmigen Druckmittel durchdrungen werden können, so dass eine derartige Gasableitung weitgehend verschleißfrei ist und deshalb keiner Pflege und Wartung bedarf oder Dichtungsprobleme innerhalb der Betriebszeit verursachen kann.
Eine derartige Entgasung durch die vorgesehenen Entgasungsöffnungen hat zusätzlich den Vorteil, dass die Entgasungsgeschwindigkeit nicht nur durch die Druckverhältnisse, sondern auf einfache Art durch die Anzahl der Entgasungsöffnungen an den axial höchst gelegenen Bereichen der Ventildrosselspalte nahezu beliebig erhöht werden kann.
Eine besondere Ausführung der Erfindung mit einer Vielzahl von Mikrobohrungen bis höchsten 10 μm Durchmesser hat den Vorteil, dass diese von einer Dispersion aus polarisierbaren Partikeln aus z. B. Polyurethan und einer Basisflüssigkeit aus Silikonöl nicht durchdrungen werden kann, so dass zwar die in die Ventildrosselspalte eingedrungene Luft oder das Gas in die Gasdruckkammer entweichen kann, aber die elektrorheologische Flüssigkeit als Dispersion aus Polyurethanpartikel und Silikonöl in den Ventildrosselspalten und der Ausfahrkammer verbleibt.
Eine weitere besondere Ausführung der Erfindung, bei der eine größere Anzahl von Mikrobohrungen am axial oberen Ende der Ventildrosselspalte an dessen Umfang verteilt angeordnet sind, hat den Vorteil, dass dadurch alle dort befindlichen Luft- und Gasbläschen selbstständig ableitbar sind und hierdurch die Ableitgeschwindigkeit soweit erhöhbar ist, dass Hochspannungsschäden an der elektrorheologischen Flüssigkeit oder der Hochspannungselektronik bei guter Regelbarkeit vermieden werden.
Eine weitere besondere Ausführung der Erfindung mit einer speziellen Elektrodenhalterung hat den Vorteil, dass diese am Ende der Ventildrosselspalte so angebracht ist, dass sich darunter die eingedrungenen Luft- und Gasbläschen des gasförmigen Druckmittels sammeln und die Elektrodenhalterung gleichzeitig zur Abdichtung und elektrischen Isolation der Hochspannung dient. Dabei ist es besonders vorteilhaft, die Elektrodenhalterung aus einem vorzugsweise metallischen Haltering und einem darin angeordneten Kunststoffring herzustellen, da sich der Haltering auf einfache Art durch eine Schweißverbindung an jeder axialen Stelle des Zylinderinnenrohrs befestigen lässt und der Kunststoffring eine gute hydraulische Dichtwirkung und gleichzeitig eine gute elektrische Isolation der Hochspannung gewährleistet.
Eine weitere besondere Ausführung der Erfindung mit Zusatzentgasungsöffnungen im oberen Bereich des Zylinderinnenrohrs der Ausfahrkammer hat den Vorteil, dass dadurch gleichzeitig auch die Luft- und Gasbläschen des gasförmigen Druckmittels in der Ausfahrkammer auf einfache Art und Weise in die Gasdruckkammer ausgelassen werden können. Da diese Zusatzentgasungsöffnungen vorzugsweise wie die Mikrobohrungen in dem Elektrodenrohr ausgeführt sind, können diese auch in einem gleichartigen Herstellungsvorgang mittels einfacher Laserbohrungen ausgeführt werden, ohne dass auch dazu Verbindungsleitungen oder Ventildichtungen notwendig wären. Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise eine sehr einfache und kostengünstige Herstellung des gesamten Entgasungssystems.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
1: einen schematisch dargestellten elektrorheologischen Schwingungsdämpfer als Schnittbild mit einem Rückschlagventil zwischen der Ausfahrkammer und der Gasdruckkammer sowie Entgasungsöffnungen zwischen den Ventildrosselspalten und der Gasdruckkammer,
2: einen vergrößerten Ausschnitt des oberen Teils des Schwingungsdämpfers als Schnittbild mit Entgasungsöffnungen im Elektrodenrohr und
3: einen vergrößerten Ausschnitt des oberen Teils des Schwingungsdämpfers als Schnittbild mit Zusatzentgasungsöffnungen im Zylinderinnerohr und Entgasungsöffnungen im Elektrodenrohr.
In 1 der Zeichnung ist ein steuerbarer hydraulischer Schwingungsdämpfer mit elektrorheologischer Flüssigkeit schematisch dargestellt, der zur selbsttätigen Entgasung der Druckmittelräume ein gedrosseltes 1. Rückschlagventil 14 und mehrere Entgasungsöffnungen 28 aufweist.
Der Schwingungsdämpfer ist dabei als Stoßdämpfer für ein Kraftfahrzeug als sogenannter Zweirohrdämpfer ausgebildet. Dieser Schwingungsdämpfer enthält ein Zylinderinnenrohr 1, in dem ein axial verschiebbarer Kolben 2 angeordnet ist, an dem eine in Einbaulage nach oben ausfahrbare Kolbenstange 3 befestigt ist. Dabei unterteilt der Kolben 2 das Zylinderinnenrohr 1 in eine obere Ausfahrkammer 5 und eine untere Einfahrkammer 4, in denen als hydraulisches Druckmittelmittel eine elektrorheologische Flüssigkeit eingefüllt ist.
Koaxial zum Zylinderinnenrohr 1 ist ein beabstandetes Elektrodenrohr 7, vorzugsweise aus Aluminiummaterial, angeordnet, das zum Zylinderinnenrohr 1 mindestens einen ringförmigen Spalt als Ventildrosselspalt 6 aufweist. Der Ventildrosselspalt 6 ist an seinem oberen Ende durch eine Einlassöffnung 15 im Zylinderinnenrohr 1 mit der Ausfahrkammer 5 und durch ein drittes Rückschlagventil 10 im Zylinderinnendeckel 16 mit der Einfahrkammer 4 verbunden. Koaxial um das Elektrodenrohr 7 ist noch ein beabstandetes Außenrohr 8 angeordnet, dessen oberer Teil eine Gasdruckkammer 9 darstellt, in die ein mit geringem Überdruck von ca. 2 bar bis 3 bar versehenes gasförmiges Druckmittel wie z. B. Luft eingefüllt ist. Die Gasdruckkammer 9 ist in deren oberem Teil durch eine Ringdichtung 17 zwischen dem Elektrodenrohr 3, einem oberen Zylinderdeckel 27 und dem Außenrohr 8 abgedichtet.
Im unteren Bereich wird die Gasdruckkammer 9 durch die Höhe der elektrorheologischen Flüssigkeit begrenzt, deren Pegelstand 18 im äußeren Ringraum 19 zwischen dem Außenrohr 8 und dem Elektrodenrohr 3 von der jeweiligen Kolbenstellung abhängt. Zur Abdichtung des Schwingungsdämpfers ist im unteren Bereich ein unterer Zylinderdeckel 20 am Außenrohr 8 angebracht, der den äußeren Ringraum 9 nach außen verschließt.
Der zwischen dem Zylinderinnenrohr 1 und dem Elektrodenrohr 7 belassene Ventildrosselspalt 6 ist durch zwei schraubenwendelförmig angeordnete Spaltabdichtungen 21, 22 in zwei als Doppelhelix ausgeformte gleichartige Ventilteilspalte 12, 13 unterteilt. Dazu sind zwischen dem Elektrodenrohr 7 und dem Zylinderinnenrohr 1 zwei um 180° versetzt angeordnete Spaltdichtungen 21, 22 als Dichtmittel 11 angeordnet.
Unterhalb des oberen Zylinderdeckels 27 ist zwischen dem Zylinderinnenrohr 1 und dem Elektrodenrohr 7 noch eine ringförmige Elektrodenhalterung 26 angeordnet, die den Spaltabstand vorgibt und die beiden Ventildrosselspalte 6 gegenüber der Gasdruckkammer 9 abdichtet. Die Elektrodenhalterung 26 ist deshalb vorzugsweise zumindest zum Teil aus einem elektrisch isolierenden und gut dichtenden Kunststoff gefertigt, der sich axial bis zu den Einlassöffnungen 15 erstreckt.
Dadurch entstehen zwischen dem Zylinderinnenrohr 1 und dem darauf aufschiebbaren Elektrodenrohr 7 zwei gegeneinander abgedichtete Ventilteilspalte 12, 13, die jeweils ein Drosselventil bilden, durch das die elektrorheologische Flüssigkeit von der Ausfahrkammer 5 in die Einfahrkammer 4 strömen kann. Durch derartige schraubenwendelförmige Spaltabdichtungen 22, 23 wird gleichfalls der Durchströmweg in den Drosselventilen verlängert, wodurch die Steuerungsmöglichkeit verbessert wird.
Zur Vermeidung eines hohen Vordrucks in der Gasdruckkammer 9 ist zusätzlich im Kolben 2 noch ein zur Ausfahrkammer 5 öffenbares zweites Rückschlagventil 24 vorgesehen, durch das die elektrorheologische Flüssigkeit beim Einfahren der Kolbenstange 3 von der Einfahrkammer 4 in die Ausfahrkammer 5 strömt, wobei dann das einfahrende Kolbenstangenvolumen über die Ventilteilspalte 12, 13 zum äußeren Ringraum 19 gelangt und den Pegelstand 18 dort erhöht.
Da bei längeren Standzeiten durch das Prinzip der kommunizierenden Röhren und anderen Betriebszuständen über die Ventilteilspalte 12, 13 auch Gasbläschen aus der Gasdruckkammer 9 in die Ausfahrkammer 5 gelangen können, ist am obersten Punkt der Ausfahrkammer 5 im Bereich des oberen Zylinderdeckels 27 oder einem damit in Verbindung stehenden Ringteil ein Gassammelraum 25 vorgesehen. Der Gassammelraum 25 ist dabei mit einem speziell gedrosselten ersten Rückschlagventil 14 verbunden, das ausgangseitig in die Gasdruckkammer 9 mündet.
Im drucklosen Zustand sammeln sich häufig nach längeren Standzeiten oder anderen Betriebszuständen Gasbläschen aus den Ventilteilspalten 12, 13 an der höchsten Stelle im Gassammelraum 25. Wird nun der Schwingungsdämpfer betätigt, steigt dadurch der Druck in der Ausfahrkammer 5 an, so dass die im Gassammelraum 25 befindlichen Gasbläschen über das gedrosselte Rückschlagventil 14 wieder in die Gasdruckkammer 9 gelangen. Dadurch wird stets die in der Ausfahrkammer 5 gesammelte pneumatische Druckmittelmenge nach wenigen Kolbenbewegungen wieder in die Gasdruckkammer 9 zurückgeleitet, so dass das pneumatische Druckmittel die Dämpfungskraft des Schwingungsdämpfers nicht beeinträchtigen kann.
Zur Ansteuerung des Schwingungsdämpfers mit einer Hochspannung ist vorzugsweise am Außenrohr 8 eine nicht dargestellte Hochvoltelektronik angeordnet, die mindestens ein steuerbares Hochspannungsnetzteil und eine programmgesteuerte Elektronikschaltung enthält. Dabei bildet das steuerbare Hochspannungsnetzteil aus der Fahrzeugspannung eine Hochspannung, die je nach Spalthöhe etwa einen Hochspannungswert von ca. 5000 V/mm aufweist, um eine maximale Dämpfungskraft zu erzeugen.
Um eine genaue Durchflusssteuerung in den Ventilteilspalten 12, 13 zu ermöglichen, muss auch sichergestellt werden, dass im Betriebszustand keine Spannungsüberschläge zwischen dem Elektrodenrohr 7 und dem als Gegenelektrode geschalteten Zylinderinnenrohr 1 entstehen, was vorzugsweise dann auftritt, wenn sich noch Gasbläschen des pneumatischen Druckmittels in den Ventilteilspalten 12, 13 befinden. Ein derartiger Fall tritt beim Zweirohrdämpfer häufig nach langen Stillstandszeiten auf, weil er sich nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren auf einen gleichmäßigen Pegelstand ausrichtet. Da derartige Gasbläschen nicht immer in die Ausfahrkammer 5 gelangen, ist in den Ventilspalten 12, 13 noch mindestens eine separate Entgasungsöffnung 28 vorgesehen. Durch diese Entgasungsöffnungen 28 werden die Gasbläschen des pneumatischen Druckmittels selbsttätig in die Gasdruckkammer 9 abgeleitet, so dass sich der oder die Ventildrosselspalte 6 vollständig mit der elektrorheologischen Flüssigkeit auffüllen können. Dadurch ist eine gleichmäßige Durchflussregelung nur mit der nicht komprimierbaren rheologischen Flüssigkeit steuerbar und ein Hochspannungsüberschlag in den Ventilteilspalten 12, 13 kann dann nicht mehr erfolgen. Dazu wird an vorzugsweise mehreren Punkten im oberen Bereich jedes Ventilteilspaltes mindestens eine oder mehrere Entgasungsöffnungen 28 eingebracht, durch die die Gasbläschen nach außen in die Gasdruckkammer 9 gelangen können.
Ein vergrößerter Bereich der oberen Ventilteilspalte 12, 13 um das Zylinderinnenrohr 1 ist in 2 der Zeichnung näher dargestellt. Dabei ist das Zylinderinnenrohr 1 mit dem oberen Teil der Ausfahrkammer 5 bis zum Zylinderdeckel 27 mit die ihr umgebenen Ventilteilspalte 12, 13 und die dazu koaxial angeordnete Gasdruckkammer 9 erkennbar. Die Ventilteilspalte 12, 13 sind dabei außen durch das Elektrodenrohr 7 begrenzt, wobei das Elektrodenrohr 7 mit seinem oberen axialen Ende in der Elektrodenhalterung 26 befestigt ist.
Die Elektrodenhalterung 26 besteht dabei aus einem metallischen Haltering 21, der oberhalb der Bohrungen 15 als Einlassöffnungen der Ventilteilspalte 12, 13 an der äußeren Mantelfläche des Zylinderinnenrohrs 1 befestigt ist. In diesen Haltering 21 ist eine Ringnut 30 eingearbeitet, in die ein elektrisch isolierender und hydraulisch abdichtender Kunststoffring 29 eingesetzt ist, an dem das Elektrodenrohr 7 mit seinem oberen Rand befestigt ist. Dabei endet sowohl der Haltering 21 als auch der Kunststoffring 29 direkt oberhalb der Bohrungen 15 und damit an einem axial höchstgelegenen Bereich der Ventilteilspalte 12, 13. Die Bohrungen 15 verbinden dabei die einzelnen Ventilteilspalte 12, 13 mit der Ausfahrkammer 5.
Normalerweise sind sowohl die Ausfahrkammer 5 als auch die Ventilteilspalte 12, 13 mit der elektrorheologischen Flüssigkeit vollständig gefüllt, so dass in diesen keine Luft oder andere komprimierbare Gasbläschen vorkommen. Allerdings kann nach dem Einfüllvorgang oder nach einer längeren Stillstandszeit des Schwingungsdämpfers Luft oder andere Gasbläschen in die Ausfahrkammer 6 oder die Ventilteilspalte 12, 13 gelangen. Da sich diese immer an den axial höchst gelegenen Stellen der Kammern oder der Ventilteilspalte ansammeln, werden sich diese größtenteils im Gassammelraum 25 der Ausfahrkammer 6 konzentrieren. Bei Beginn des Betriebes werden dann nach einer Druckerhöhung in der Ausfahrkammer 5 die Luft- oder Gasbläschen durch das gedrosselte Rückschlagventil 14 in die Gasdruckkammer 9 zurückgeführt, so dass sich wenigstens die Ausfahrkammer 5 vollständig mit der elektrorheologischen Flüssigkeit auffüllt.
In der Praxis hat sich aber gezeigt, dass insbesondere bei einer starken Druckerhöhung in der Ausfahrkammer 5 die noch in den Ventilteilspalten 12, 13 befindlichen Luft- oder Gasbläschen nicht schnell genug in die Ausfahrkammer 5 gelangen, sondern erst im oberen Bereich der Ventilteilspalte 12, 13 unterhalb der Elektrodenhalterung 26 sammeln, was einer Hochspannungsbeaufschlagung auch zu Spannungsüberschlägen in den Ventilteilspalten 12, 13 führen kann. Diese sind aber unbedingt zu vermeiden, da hierdurch die elektrorheologische Flüssigkeit als auch das Hochspannungsnetzteil beschädigt werden können. Denn die elektrorheologische Flüssigkeit besteht vorzugsweise aus polarisierbaren Teilchen oder Tröpfchen, welche in eine elektrisch nicht leitende Trägerflüssigkeit, wie z. B. Silikon- oder Mineralöl dispergiert sind. Die polarisierbaren Teilchen sind vorzugsweise Polymerpartikel, die dispergiert in dem Silikonöl als Trägerflüssigkeit verteilt sind. Diese polarisierbaren Polymerpartikel haben vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von ca. 5 μm und bestimmen im Wesentlichen die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit im feldfreien Zustand. Dabei besitzt die elektrorheologische Flüssigkeit vorzugsweise eine Basisviskosität ohne elektrisches Feld von ca. 40 milli-Pascal (mPa) bei einer Dichte von ca. 1 g/cm³ bis 3 g/cm³ von Polymerpartikeln im Silikonöl. Es sind aber auch elektrorheologische Flüssigkeiten bekannt, deren mittlerer Polymerpartikel-Durchmesser im Bereich von 3 μm bis 10 μm liegt.
Das Elektrodenrohr 7 enthält deshalb unmittelbar unterhalb des Kunststoffrings 29 vorzugsweise auf einer umlaufenden Teilringfläche von der Breite des jeweiligen Ventilteilspalts 12, 13 mehrere Entgasungsöffnungen 28, die als Mikrobohrungen ausgeführt sind. Derartige Mikrobohrungen 28 werden mit entsprechenden Laserbohreinrichtungen ausgeführt, durch die sowohl die Durchmesser als auch Schlitze oder andere Querschnitte eingestellt werden können, deren Öffnungsquerschnitte so vorgesehen sind, dass dadurch ein Durchdringen der polarisierbaren Polymerpartikel verhindert wird. Im vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit mit polarisierbaren Polyurethanpartikeln von ca. 5 μm Durchmesser wird dabei vorzugsweise ein Durchmesser der Entgasungsöffnungen 28 von 3 μm gewählt, die ein Durchströmen von Gas- oder Luftbläschen ermöglichen aber ein Ausströmen der elektrorheologischen Flüssigkeit verhindern.
Bei elektrorheologischen Flüssigkeiten mit anderen polarisierbaren Teilchen in der Basisflüssigkeit sind auch andere Querschnitte oder Durchmesser der Entgasungsöffnungen 28 denkbar, deren Durchmesser vorzugsweise in Bereichen von 1 μm bis 8 μm liegen. Diese Entgasungsverfahren funktionieren nicht nur bei der Basisviskosität ohne elektrisches Feld, sondern auch im gesteuerten Betrieb im elektrischen. Feld, bei dem zwar die Viskosität durch Kettenbildung der Polymere verringert wird, die darin enthaltenen Gasbläschen aber weiterhin durch die Mikrobohrungen 28 in die Gasdruckkammer 9 ausströmen können. Dieses erste Entlüftungs- oder Entgasungssystem erfolgt auch unabhängig vom Druck in den Ein- und Auslasskammern 4,5 und dem Druck in den Ventilteilspalten 12, 13. Allerdings ist eine derartige Entgasung nur möglich, wenn der Druck in den Ventilteilspalten 12, 13 größer ist als der Vordruck in der Gasdruckkammer 9. Da bei dem vorbeschriebenen Schwingungsdämpfer lediglich nur ein geringer Vordruck von 2 bar bis 3 bar erforderlich ist, ist bei diesem eine Entgasung bereits bei einem in einem Fahrzeug eingebauten Schwingungsdämpfer gegeben. Denn ein derart belasteter Dämpfer erhöht schon bei geringer Fahrzeugbewegung den Druck in den Ventilspalten 12, 13 über den Vordruck, so dass eine selbststätige Entgasung in die Gasdruckkammer 9 erfolgen kann.
Der vorstehend beschriebene Schwingungsdämpfer arbeitet im Fahrbetrieb wie folgt.
Bei über die Achse eingeleiteten Fahrschwingungen wird beim Ausfedern das Außenrohr 8 nach unten bewegt, so dass auf die obere Kolbenfläche durch die in der Ausfahrkammer 5 befindliche elektrorheologische Flüssigkeit als Druckmittel ein Druck ausgeübt wird. Dadurch strömt die in der Ausfahrkammer 5 befindliche elektrorheologische Flüssigkeit über die Bohrungen 15 und die Ventilteilspalte 12, 13 in den äußeren Ringraum 19 und über das Bodenventil 10 in die Einfahrkammer 4. Dabei bewegt sich der Kolben 2 mit seiner Kolbenstange 3 vertikal nach oben in die Ausfahrkammer 5, wodurch die ausströmende elektrorheologische Flüssigkeit und gleichzeitig der Volumenanteil der Kolbenstange 3 aus dem äußeren Ringraum 19 über das dritte Rückschlagventil 10 in die Einfahrkammer 4 gelangt. Dadurch sinkt auch der Pegelstand 18 im äußeren Ringraum 19, wodurch sich gleichzeitig die Gasdruckkammer 9 durch ihren Vordruck ausdehnt. Dabei verhält sich die elektrorheologische Flüssigkeit im unbeeinflussten, also feldfreien, Zustand wie eine Hydraulikflüssigkeit, so dass ein derartiger Schwingungsdämpfer ohne Steuerspannung im Grunde wie ein herkömmlicher hydraulischer Stoßdämpfer arbeitet.
Die Dämpfungswirkung eines derartigen Stoßdämpfers kann nun zusätzlich durch die Anlegung einer Steuerhochspannung an das Elektrodenrohr 7 erhöht werden, wodurch sich die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit entsprechend verändert. Denn durch die Anlegung einer Steuerspannung wird ein elektrisches Feld erzeugt, durch das die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit beliebig erhöht werden kann. Deshalb wird vorzugsweise der Schwingungsdämpfer so gesteuert, dass bei hohen Einfedergeschwindigkeiten entsprechend einer vorgegebenen Einfederkennlinie die Spannung so weit erhöht wird, dass die Radschwingungen gegenüber dem Fahrzeugchassis entsprechend gedämpft werden. Da durch die Einfederschwingung eine Kraft auf das Fahrzeugchassis übertragen wird, entsteht in dessen Folge auch eine Ausfederschwingung, die auch entsprechend gedämpft werden kann.
Sollten sich bei einem derart eingebauten Schwingungsdämpfer Luft- oder Gasbläschen in der Ausfahrkammer 5 befinden, so entsteht schon bei geringen Fahrzeugbewegungen eine Druckerhöhung in dieser. Dadurch wird das erste Rückschlagventil 14 geöffnet, so dass die Luft- oder Gasbläschen in die Gasdruckkammer 9 strömen. Sollten sich gleichzeitig auch Luft- oder Gasbläschen in den Ventilteilspalten 12, 13 befunden haben, so sammeln sich diese unterhalb der Elektrodenhalterung 26 an der dort axial höchstgelegenen Stelle. Durch leichte Fahrzeugbewegungen würde sich auch gleichzeitig der Druck in der Einfahrkammer 4 und der Ausfahrkammer 5 erhöhen, der auch auf die Luft- oder Gasbläschen in den Ventilteilspalten 12, 13 übertragen wird. Da dieser Druck dann größer ist als der Druck in der Gasdruckkammer 9, strömen diese im oberen Bereich der Ventilteilspalte 12, 13 gesammelten Bläschen über die Entgasungsöffnungen 28 in die Gasdruckkammer 9. Soweit diese Luft- oder Gasbläschen entwichen sind, sind die nur mikrometergroßen Entgasungsöffnungen 28 für die elektrorheologische Flüssigkeit aufgrund der Viskosität der polarisierbaren Teilchen in der dispergierten Basisflüssigkeit versperrt. Dabei hängt die Dauer der Entgasung nicht nur von der Menge der gesammelten Luft- oder Gasbläschen ab, sondern auch von der Anzahl der Entgasungsöffnungen 28. Je nach Durchmesser des Elektrodenrohres 7 haben sich in der Praxis 10 bis 100 Mikrobohrungen als Entgasungsöffnungen 28 als ausreichend erwiesen, um die in der Praxis vorkommenden Luft- oder Gasbläschen hinreichend schnell abzuführen und dadurch eine Schädigung der Flüssigkeit oder der Hochspannungseinrichtung sicher auszuschließen. Dabei konzentrieren sich die Entgasungsöffnungen 28 immer im oberen Bereich eines jeweiligen Ventilteilspaltes 12, 13 und mittelbar unterhalb der Elektrodenhalterung 26, vorzugsweise in einem axialen Abstand bis höchstens 5 mm, so dass sichergestellt wird, dass die aufsteigenden Luft- und Gasbläschen auch alle ausströmen können.
In 3 der Zeichnung ist eine weitere Ausführung des oberen Teils des Schwingungsdämpfers als Vergrößerung dargestellt, der anstelle eines gedrosselten ersten Rückschlagventils 14 ein zweites Entgasungssystem mit Zusatzentgasungsöffnungen 32 im oberen Bereich der Ausfahrkammer 5 aufweist. Dabei zeigt die 3 der Zeichnung den gleichen Ausschnitt des Schwingungsdämpfers wie dieser in 2 dargestellt ist. In dem in 3 dargestellten Ausschnitt sind unmittelbar unter dem Zylinderdeckel 27 noch Zusatzentgasungsöffnungen 32 in dem Zylinderinnenrohr 1 bis zur Gasdruckkammer 9 eingebracht, die auch als Mikrobohrungen ausgebildet sind. Diese entsprechen genau den Ausführungen wie die Entgasungsöffnungen 28 des ersten Entgasungssystems im Elektrodenrohr 7 und sind ebenfalls abgestimmt auf die Viskosität der verwendeten elektrorheologischen Flüssigkeit.
Diese Zusatzentgasungsöffnungen 32 sind vorzugsweise auch als Mikrobohrungen von 3 μm Durchmesser ausgeführt und vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen am Umfang des Zylinderinnenrohrs 1 angeordnet. Dabei sind zu einer relativ schnellen Entgasung vorhandener Luft- oder Gasbläschen vorzugsweise 10 bis 500 Mikrobohrungen entlang des Umfangs des Zylinderinnenrohrs 1 angebracht. Diese sind vorzugsweise in einem axialen Abstand unterhalb des Zylinderdeckels 27 von 0,5 mm bis 5 mm vorgesehen, um einen sicheren Austritt aller vorhandenen Luft- oder Gasbläschen am axial höchsten Bereich der Ausfahrkammer 5 zur Gasdruckkammer 9 zu gewährleisten. Dabei wäre es auch denkbar, im Zylinderdeckel 1 einen ringförmigen Gassammelbereich durch eine Hinterschneidung einzuarbeiten, um die Luft- und Gasbläschen dort zu zentralisieren, wobei dann weniger Entgasungsöffnungen 28 nötig wären. Da derartige Zusatzentgasungsöffnungen 32 auch durch Laserbohrungen durchgeführt werden könnten, wäre ein derartiges zweites Entgasungssystem in der Ausfahrkammer 5 sehr einfach realisierbar.

Claims

Schwingungsdämpfer zur Dämpfung von Ein- und/oder Ausfederkräften an Kraftfahrzeugen, der einen Druckmittelinnenzylinder (1) enthält, in dem ein Kolben (2) mit einer Kolbenstange (3) axial verschiebbar angeordnet ist, der den Druckmittelinnenzylinder (1) in eine Einfahrkammer (4) und eine Ausfahrkammer (5) unterteilt, in denen als Druckmittel eine elektrorheologische Flüssigkeit enthalten ist, wobei die Einfahrkammer (4) und die Ausfahrkammer (5) durch mindestens einen Ventildrosselspalt (6) zwischen dem Zylinderinnenrohr (1) und einem koaxial dazu angeordneten Elektrodenrohr (7) verbunden ist, wobei der Ventildrosselspalt (6) am axial oberen Ende der Ausfahrkammer (5) durch eine elektrisch isolierende Elektrodenhalterung (26) zwischen dem Innen- und Elektrodenrohr (7) abgedichtet ist, wobei der axial untere Rand der Elektrodenhalterung (26) am axial oberen Bereich einer Einlassöffnung (15) des Ventildrosselspalts (6) in die Ausfahrkammer (5) endet und dass das Elektrodenrohr (7) koaxial von einem beabstandeten weiteren Außenrohr (8) umgeben ist, das mit dem Elektrodenrohr (7) eine Gasdruckkammer (9) bildet, die mit der Einfahrkammer (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wand des Elektrodenrohrs (7) axial unmittelbar unter der Elektrodenhalterung (26) mindestens eine Entgasungsöffnung (28) vorgesehen ist, dessen Auslassquerschnitt so bemessen ist, dass das in mindestens einem der Drosselspalte (6) befindliche gasförmige Druckmittel in die Gasdruckkammer (9) ausströmen und das die elektrorheologische Flüssigkeit aufgrund ihrer Viskosität nicht durch die Entgasungsöffnung (28) austreten kann.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entgasungsöffnungen (28) aus mindestens 1 bis 100 Mikrobohrungen bestehen, die jeweils einen Durchmesser von 2 bis 10 μm aufweisen, wobei die elektrorheologische Flüssigkeit aus dispergierten polarisierbaren Mikropartikeln und einer nicht leitenden Trägerflüssigkeit besteht.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrobohrungen (28) am Umfang des Elektrohrs (7) innerhalb jedes Ventildrosselspaltes (6) verteilt angeordnet sind, wobei der axiale Abstand zur Elektrodenhalterung (26) einen Abstand von 0,1 bis höchsten 5 mm beträgt.
Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenhalterung (26) axial am Ende des oder der Ventildrosselspalten (6) zwischen der Außenwand des Zylinderinnenrohrs (1) und der Innenwand des Elektrodenrohrs (7) elektrisch isolierend und pneumatisch abdichtend angeordnet ist.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenhalterung (26) aus einem Haltering (21) und einem Kunststoffring (29) besteht, wobei mindestens der Kunststoffring (29) zwischen der Außenwand des Zylinderinnenrohrs (1) und der Innenwand des Elektrodenrohrs (7) angeordnet ist und dass dessen unterer Rand oberhalb der Einlassöffnunge (15) der Ventildrosselspalte (6) zur Ausfahrkammer (5) endet.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltering (21) an der Außenwand des Zylinderinnenrohrs (1) befestigt ist und eine axial nach unten offene Ringnut (30) aufweist, in die der Kunststoffring (29) axial nach oben fixiert ist.
Schwingungsdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass axial am oberen Ende der Ausfahrkammer (5) mindestens eine Entgasungsverbindung zur Gasdruckkammer (9) vorgesehen ist, in der ein gedrosseltes Rückschlagventil (14) oder mindestens eine Zusatzentlüftungsöffnung (32) angeordnet ist.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzentgasungsöffnungen (32) aus mindestens 1 bis 100 Zusatzmikrobohrungen bestehen, die unmittelbar unterhalb des Zylinderdeckels (27) mindestens am einem axial höchst gelegenen Ausfahrkammerbereich in die Wand des Zylinderinnenrohrs (1) zur Gasdruckkammer (9) eingebracht sind.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmikrobohrungen (32) in der Wand des Zylinderinnenrohrs (1) einen Durchmesser von 2 bis 10 μm aufweisen und bis höchstens 5 mm unterhalb des unteren Randes des Zylinderdeckels (27) entlang des Umfangs des Zylinderinnenrohrs (1) angeordnet sind.