DE10204956A1

DE10204956A1 - Dämpfersystem insbesondere für magnetorheologische Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE10204956A1
Application number: DE2002104956
Authority: DE
Inventors: Ulrich Vomhof
Original assignee: Fuchs Petrolub SE
Current assignee: Fuchs SE
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2003-08-14
Also published as: WO2003067118A1; AU2003215502A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dämpfersystem, aufweisend zumindest eine Drosselstelle, wobei sich von der Drosselstelle weg Flüssigkeitsräume veränderlichen Volumens erstrecken, enthaltend eine Dämpfungsflüssigkeit und die Fließeigenschaften der Dämpfungsflüssigkeit durch Einwirkung eines Feldes veränderlich ist und die Kraftaufnahme für die zu dämpfende Bewegung an zumindest zwei Haltepunkten erfolgt, wobei ein Haltepunkt unmittelbar an der Drosselstelle liegt.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Dämpfersystem aufweisend zumindest eine Drosselstelle, wobei sich von der Drosselstelle weg Flüssigkeitsräume veränderlichen Volumens erstrecken, enthaltend eine Dämpfungsflüssigkeit und die Fließeigenschaften der Dämpfungsflüssigkeit durch Einwirkung eines Feldes veränderbar sind.
Magnetorheologische Flüssigkeiten, die unter Einwirkung von Magnetfeldern ihre Fließverhalten verändern, sind bekannt. Die Veränderbarkeit der Fließeigenschaften, insbesondere der Viskosität, wird z. B. durch die Beimengung von kleinsten ferromagnetischen Partikeln in einer Trägerflüssigkeit realisiert. Bei Anlegen eines Magnetfeldes kommt es zur Ausrichtung der Partikel, Bildung von Netzwerken und dadurch bedingt zu einer Veränderung der Verschiebbarkeit von Flüssigkeitssegmenten der mit Partikel beladenen Flüssigkeit gegeneinander.
Bei Verwendung von magnetorheologischen Flüssigkeiten in herkömmlichen Dämpfungssystemen kommt es wegen der Besonderheiten magnetorheologischer Flüssigkeiten zu einer Reihe von konstruktiven Problemen. Durch Reibkontakte der bewegten Bauteile mit den ferromagnetischen Partikeln ist ein starker Abrieb und daraus resultierend ein hoher Verschleiß der Bauteile unvermeidbar. Weiterhin kann es, wegen der in der Regel nicht vollständig gegebenen Sedimentationsstabilität derartiger hochadditivierter partikulärer Flüssigkeiten, zur Ablagerung der Partikel am Dämpferboden nach längeren Stillstandszeiten kommen, was zum Aussetzen der eigentlichen Funktionalität der Flüssigkeit führt.
Ein weitere Nachteil ist, dass bei geringen magnetischen Feldstärken häufig die Ansprechzeiten für eine Viskositätsänderung lang sind und darüber hinaus eine Hysteresis beobachtet wird.
Ein Schwingungsdämpfer mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit ist beispielsweise aus der DE 198 16 549 bekannt. Diese beschreibt herkömmliche Schwingungsdämpfer mit einer Kolbenstange für den Krafteintrag. Die Flüssigkeit strömt mit veränderbarer Viskosität durch die Drosselstellen, wobei die Viskosität durch Anlegen von magnetischen Feldkräften einstellbar ist.
Die bekannten Systeme haben gemeinsam, dass ein Kolben in einem Zylinder bewegt wird, der dann durch unterschiedliche hydraulische Systeme in seiner aufgezwungenen Bewegung gebremst wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Dämpfungssystem bereitzustellen, das die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere keinen Kolben zur Krafteintragung, keine Luft im Dämpfersystem und eine geringe Reibung zwischen den Bauteilen bei guten Ansprechzeiten aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Dämpfersystem aufweisend zumindest eine Drosselstelle, wobei sich von der Drosselstelle weg Flüssigkeitsräume veränderlichen Volumens erstrecken, enthaltend eine Dämpfungsflüssigkeit und die Fließeigenschaft der Dämpfungsflüssigkeit durch Einwirkung eines Feldes veränderbar ist und die Kraftaufnahme für die zu dämpfende Bewegung an zumindest zwei Haltepunkten erfolgt, wobei ein Haltepunkt unmittelbar an der Drosselstelle liegt bzw. in im wesentlichen ungedämpfter Wirkverbindung mit der Drosselstelle steht.
Vorzugsweise ist der Flüssigkeitsraum beiderseits der Drosselstelle - eine Flüssigkeitssäule ausbildend - vollständig mit der Dämpfungsflüssigkeit ausgefüllt und hermetisch abgeschlossen. Weiterhin bewegt sich vorzugsweise das die Drosselstelle enthaltende Bauteil die Drossel axial über die Flüssigkeitssäule.
Die im erfindungsgemäßen Dämpfersystem enthaltene Flüssigkeit mit veränderbarer Viskosität ist vorzugsweise eine magnetorheologische Flüssigkeit. Geeignete magnetorheologische Flüssigkeit sind z. B. in der WO 98/29521 oder auch in der WO 94/10693 beschrieben, die hiermit auch zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Flüssigkeitsraum veränderlichen Volumens einen Faltenbalg, der als Stahl- oder Kunststoffkörper ausgebildet sein kann, auf. Die Flüssigkeitsräume können verschließbare Befüllöffnungen aufweisen.
Wird der Flüssigkeitsraum des erfindungsgemäßen Dämpfersystems durch Faltenbalgen gebildet wird gleichzeitig bei Beanspruchung des Dämpfersystems die Dämpfungsflüssigkeit durch die Seitentaschen der Faltenbälge wirkungsvoll verwirbelt. Der Flüssigkeitsraum ist vorteilhafterweise vollständig mit der Dämpfungsflüssigkeit gefüllt und enthält somit keine Luft. Hierdurch wird ein Aufschäumen der Flüssigkeit an der Phasengrenzfläche und eine dadurch bedingte Eigenschaftsänderung des Dämpfungssystems vermieden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Dämpfersystemen erfolgt die Kraftübertragung im erfindungsgemäßen System nicht axial über eine Kolbenstange. Die zu dämpfende Kraft wird in dem erfindungsgemäßen Dämpfersystem nach einer bevorzugten Ausführungsform über einen äußeren Zylinder, in der koaxial ein innerer Zylinder entlang von Führungen läuft, von außen in das Dämpfersystem an der Drosselstelle eingetragen, wobei der äußere Zylinder mit zumindest einem Flüssigkeitsraum in Wirkverbindung steht und die beiden Zylinder somit gegeneinander beweglich sind. Die Zylinder müssen hierbei nicht als Hohlkörper ausgebildet sein, sondern können auch durch mehrere Stangen gebildet sein.
Damit die Dämpfungsflüssigkeit durch die Drossel strömen kann, ist nach einer Ausführungsform jeweils im wesentlichen ober- und im wesentlichen unterhalb der Spuleneinheit, ggf auch zusätzlich seitlich, d. h. etwa rechts und links, je ein Faltenbalg drucksicher angebracht. An den beiden Enden der Faltenbalgen sind dann Befestigungen für die Haltepunkte vorgesehen. Bevorzugt stehen jeweils zwei Faltenbälge miteinander in Fließverbindung.
Zentrale Einheit des Dämpfungssystems ist die Drosselstelle. Die Drossel der Drosselstelle weist zumindest eine Durchtrittsöffnung über die sich die Flüssigkeitsvolumina der Flüssigkeitsräume beiderseits der Drosselstelle austauschen und die beim Austauschen der Flüssigkeitsvolumina dem Fließen der Dämpfungsflüssigkeit einen in Abhängigkeit vom einwirkenden Feld einen Fließwiderstand entgegenstellt.
Die Drossel der Drosselstelle weist Bohrungen auf, die verschieden angeordnet und geführt sein können. Dies können etwa axial oder diagonal zur Längsachse angeordnete Bohrungen sein, weiterhin sind Bohrungen mit Richtungswechseln, etwa in Zickzackform oder schneckenförmige Bohrungen möglich.
Die Drossel kann selbst aus einem magnetisierbaren Material gefertigt sein oder aber nicht selbst magnetisierbar und für das magnetische Feld durchlässig ausgebildet sein. Geeignete magnetisierbare Werkstoffe sind etwa Stahlguss oder Elektroblech.
Für das magnetische Feld durchlässige Werkstoffe sind etwa Keramik oder temperaturbeständige Kunststoffe wie Polyfluortetraethylen (Teflon®) Letztgenannte Werkstoffe sind immer dann vorteilhaft, wenn schnelle Ansprechzeiten und eine geringe Hysterese gefordert sind.
Weiterhin Gegenstand des Dämpfersystems ist die Spuleneinheit um mit Feldkräften magnetischer und/oder elektrischer Art auf die Dämpfungsflüssigkeit einzuwirken. Vorzugsweise ist die Spuleneinheit in der Nähe, besonders bevorzugt unmittelbar an der Drosselstelle bzw. die Durchtrittsöffnungen radial umgebend angeordnet. Bevorzugt sind Spuleneinheiten die ein magnetisches Feld erzeugen.
Die Spuleneinheit kann z. B. gesteuert durch Intensität, Ausschlag und Frequenz mit unterschiedlicher magnetischer Feldstärke auf die Dämpfungsflüssigkeit einwirken. Dies wird am geeignetsten durch des Speisestroms aber auch durch Variation der Anzahl und/oder des Ortes der angesteuerten Windungen bewirkt werden. Weiterhin kann die Spuleneinheit durch mehrere Spulen gebildet sein, die ihrerseits eine oder mehrere Drosselstellen umgeben und z. B. in der Art eines Baukastensystems miteinander kombiniert sind.
Das erfindungsgemäße Dämpfungssystem weist somit eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Dämpfern auf:

- Regelbarkeit des Dämpfungssystems durch von außen angelegte Einflussgrößen;
- kein Verschleiß durch eisenhaltige Dämpfungsöle, da abgesehen von der Drossel (Flüssigkeitsreibung) kein Reibkontakt vorliegt;
- geringe Reibung, und damit sehr gutes Ansprechverhalten, da keine Abdichtung im Bereich einer Kolbenstange notwendig ist;
- kein Einfluss von kompressionsfähiger Luft auf die Dämpfkräfte;
- kein Ölverlust, keine Korrosion und Alterung, da hermetisch abgeschlossen,
- keine Sedimentation der Eisenpartikel durch erzwungene Bewegung, besonders effektiv bei Ausgestaltung mit Faltenbalgen;
- geringe Anzahl an beweglichen Einzelteilen, somit einfacher Fertigungsprozess;
- ein konventionellen Dämpfern ähnlicher äußerer Aufbau (soweit gewünscht).

Das erfindungsgemäße Dämpfersystem kann mit herkömmlichen Fahrwerkskomponenten gekoppelt sein, vorzugsweise parallel oder in Reihe geschaltet. Herkömmliche Fahrwerkskomponenten können dabei beispielsweise Federn oder Kolbenstangen-Stoßdämpfer sein. Die Dämpfersysteme können baulich verbunden oder als Einzelkomponenten eingesetzt werden. Bei Einsatz mit herkömmlichen Dämpfern ist es bevorzugt, wenn der herkömmliche Dämpfer den größeren Teil der Lasttragefunktion, z. B. der Seitenlasten, übernimmt.
Die erfindungsgemäßen Dämpfersysteme können in allen Anwendungen in industriellen, automotiven sowie in maritimen Bereichen, bei denen eine Veränderung der Dämpfungskräfte, unabhängig von der Geschwindigkeit, als Folge veränderter Betriebsbedingungen während des Betriebes, von außen herbeigeführt werden sollen, eingesetzt werden.
Durchströmt die Dämpfungsflüssigkeit die Drossel und erzeugt der Spulenkörper unter dem Einfluss eines angelegten Stromes ein Magnetfeld, so steigt die Viskosität durch Ausrichtung der ferromagnetischen Teilchen und erhöht den hydraulischen Fließwiderstand. Damit erhöht sich gleichzeitig der Dämpfungswiderstand des gesamten Dämpfungssystems. Die Dämpfkräfte sind feinst regelbar.
Die Drosselstelle kann auch so ausgebildet sein, dass die Dämpfung durch einen Fließwiderstand bewirkt wird, der im wesentlichen durch einen Quetschmodus hervorgerufen wird, etwa wenn die Dämpfungsflüssigkeit durch Bohrungen der Drossel tritt, um in im wesentlichen gerader Fließverbindung gegen eine Prallfläche als weiteres Teil der Drossel zu stoßen und schlussendlich entlang der Prallfläche abzufließen. Selbstverständlich können Fließmodus und Quetschmodus gleichzeitig eingesetzt werden, etwa wenn die Dämpfung durch entlang der Flüssigkeitssäule hintereinander geschaltete Zonen, in denen jeweils Fließmodus bzw. Quetschmodus dominieren, bewirkt wird.
Die erfindungsgemäßen Dämpfersysteme können in allen Anwendungen im industriellen, automotiven sowie in maritimen Bereichen, bei denen die Veränderung der Dämpfungskräfte, unabhängig von der Geschwindigkeit, als Folge veränderter Betriebsbedingungen während des Betriebes, von außen herbeigeführt werden sollen, eingesetzt werden. Im folgenden sind zwei Einsatzmöglichkeiten beispielhaft erläutert.
Die erfindungsgemäßen Dämpfersysteme können als Motorenlager z. B. in Motorbooten verwendet werden. Die Antriebsmaschine eines Motorbootes überträgt während ihres Laufes Schwingungen über die eingebaute Lagerung auf den Bootskörper. Dieser wirkt wie ein Resonanzkörper und verstärkt die Schwingungen zu hörbaren Geräuschen. Durch die Auswahl der Motorlagerung ist man bei herkömmlichen Dämpfersystemen auf einen gewissen Drehzahlbereich der Antriebsmaschine beschränkt und ist somit in der Lage nur den "Hauptdrehzahlbereich" schwingungstechnisch optimal zu dämpfen. Der Einsatz des erfindungsgemäßen Dämpfungssystems ermöglicht es, die Schwingungen in Abhängigkeit der Drehzahl der Antriebsmaschine zu dämpfen. Somit entfallen lästige Dröhngeräusche über den gesamten Betriebsbereich der Antriebsmaschine. Ebenso können Motoren in Kraftfahrzeugen, Waschmaschinen etc. gedämpft werden.
Weiterhin können die erfindungsgemäßen Dämpfungssysteme als Stoßdämpfer verwendet werden. Der herkömmliche "Stoßdämpfer" im Kraftfahrzeug besitzt, auf Grund seiner Konstruktion, eine von innen fest eingestellte Dämpfungscharakteristik. Diese wird bestimmt durch:

- Einstellung der Ventilsysteme
- Geometrische Abmessungen des Dämpfers
- Viskositätslage und Temperaturverhalten des eingesetzten Dämpferöles
- Kinematik des Betriebspunktes

Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Systems kann das Fahrzeug aufgrund manueller, wie auch automatischer, Einwirkung jederzeit auf die erforderlichen Dämpfungscharakteristik je nach Fahrsituation und Straßenqualität eingestellt werden.
Die Figuren dienen der beispielhaften Erläuterung des erfindungsgemäßen Dämpfersystems, ohne die Erfindung zu beschränken:
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Dämpfersystem.
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Innenzylinders.
In Fig. 3 ist ein Schnitt durch das Dämpfersystem entlang der in Fig. 1 gekennzeichneten Linie AA zu erkennen.
Fig. 4 stellt einen Schnitt durch das Dämpfersystem entlang der Linie BB dar.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dämpfersystems abgebildet, bestehend aus einem Außenzylinder (6) und einem in diesem geführten koaxial und beweglich angeordneten Innenzylinder (5). In dem Innenzylinder (5) sind zwei Flüssigkeitsräume (1) angeordnet, die von je einem Faltenbalg gebildet werden und nach oben bzw. unten durch verschlossene Befüllöffnungen (9) begrenzt sind.
Die beiden Flüssigkeitsräume stehen über die Drosseln (3) und (4) in hydrodynamischer Wirkverbindung. Zwei Drosseln (3, 4), Spuleneinheit (2), bestehend aus zwei Spulen, und Aufnahme für die Halterung (8) bilden eine Einheit, die Drosselstelle.
Mit Hilfe der Spulen wird das magnetische Feld erzeugt, das auf die Dämfungsflüssigkeit, die durch die Drosseln fließt einwirkt. Die Drosselstelle ist über die Aufnahmen (8) mit Halterungen (10) im Innenzylinder (6) entlang von Schlitzbohrungen beweglich gelagert. Dies wird besonders deutlich aus der Seitenansicht gemäß Fig. 2 und der in Fig. 4 dargestellten Schnittfläche entlang der Linie BB. Die Führungen (10) sind am Außenzylinder befestigt. Der Innenzylinder (5) bewegt sich somit durch die Dämfungsstelle gedämpft im Außenzylinder (6), wobei die Dämfungsstelle mit dem Außenzylinder (6) durch die Halterungen (10) fixiert ist und der Innenzylinder (5) oben und unten im Außenzylinder (6) durch die Führungen (7) geführt wird, wie besonders deutlich in Fig. 3 dargestellt. Die Führungen (7) sind als Innenzylinder (5) und Außenzylinder (6) beabstandende Gleitpolster ausgebildet.

Claims

1. Dämpfersystem aufweisend zumindest eine Drosselstelle, wobei sich von der Drosselstelle weg Flüssigkeitsräume veränderlichen Volumens erstrecken, enthaltend eine Dämpfungsflüssigkeit und die Fließeigenschaften der Dämpfungsflüssigkeit durch Einwirkung eines Feldes veränderbar ist und die Kraftaufnahme für die zu dämpfende Bewegung an zumindest zwei Haltepunkten erfolgt, wobei ein Haltepunkt unmittelbar an der Drosselstelle liegt.

2. Dämpfersystem gemäß Anspruch 1, wobei der/die Flüssigkeitsräume vollständig mit der Dämpfungsflüssigkeit mit veränderbaren Fließeigenschaften gefüllt und hermetisch abgeschlossen sind.

3. Dämpfersystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Drosselstelle axial über die sich ausbildende Flüssigkeitssäule bewegt.

4. Dämpfersystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungsflüssigkeit mit veränderbaren Fließeigenschaften eine magnetorheologische Flüssigkeit ist.

5. Dämpfersystem gemäß Anspruch 4, wobei die Dämpfungsflüssigkeit eine Flüssigkeitszusammensetzung ist, enthaltend

A) als Basisflüssigkeit einen oder mehrere Kohlenwasserstoffverbindungen

B) einen oder mehrere partikuläre Feststoffe; wobei der mittlere Durchmesser der Partikel kleiner 50 µm ist,

C) einen oder mehrere Polyharnstoffverbindungen, die mindestens 3 und höchstens 20 -NH-C(=O)-NH-Gruppen aufweisen.

6. Dämpfersystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der die Flüssigkeitsräume zumindest einen Faltenbalg aufweisen bzw. daraus bestehen.