DE10318018A1

DE10318018A1 - Kolbendämpfventil

Info

Publication number: DE10318018A1
Application number: DE10318018A
Authority: DE
Inventors: Manfred Grundei
Original assignee: ZF Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2003-04-19
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2023-04-20
Also published as: DE10318018B4

Abstract

Kolbendämpfventil an einer Kolbenstange, wobei ein axial beweglicher Kolbenring am Kolbendämpfventil einen Strömungsweg zwischen zwei Arbeitsräumen eines Schwingungsdämpfers beeinflusst, wobei der Kolbenring von mindestens einer Feder in einer definierten Lage zum Kolbendämpfventil gehalten wird und damit einen Strömungsquerschnitt des Strömungswegs bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kolbendämpfventil entsprechend dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Die DE 195 23 397 C1 beschreibt ein Kolbendämpfventil, dessen Kolbenring axial beweglich zum Kolbenkörper gelagert ist. Mit dieser Axialbewegung wird ein richtungsabhängiger Strömungsquerschnitt beeinflusst. Funktional stellt der Kolbenring einen hydraulischen Schalter dar.

Mit der DE 43 42 755 A1 wird der Versuch unternommen, einen möglichst weichen Dämpfkraftverlauf bei Umkehr der Bewegungsrichtung der Kolbenstange zu erzielen. Dieser Versuch funktioniert zwar in der Theorie, doch treten in der Praxis deutlich hörbare Schaltgeräusche auf, wenn der Kolbenring am Kolben am Ende der Axialbewegung anschlägt.

Die Ursache für diese Geräusche ist damit zu erklären, dass bei einer Axialbewegung der Kolbenstange nicht nur eine reibkraftbedingte Relativbewegung zwischen dem Kolbenring und dem Kolben auftritt, sondern ein erhebliches Druckgefälle an den axialen Stirnseiten des Kolbenringes wirksam ist. Die Wandstärke multipliziert mit dem mittleren Radius ergibt eine vergleichsweise große druckbeaufschlagte Fläche. Bei einem Einrohrschwingungsdämpfer treten durchaus Betriebsdrücke von mehr als 40 bar auf. Selbst bei kleinsten Kolbenstangenbewegungen schnellt der Kolbenring damit in eine Anschlagposition am Kolben an. Diese Anschlagbewegung kann man sogar bei einem Versuchträger hören, der von Hand bewegt wird. Bei einer Anwendung in einem Fahrzeug ist ein derartiger Kolbenring akustisch nicht akzeptabel.

Prinzipbedingt stellt sich der Effekt ein, dass eine weiche Dämpfkrafteinstellung nur bei einer Umkehr der Bewegungsrichtung der Kolbenstange erreicht werden kann. Wenn z. B. ein Rad leicht eingefedert ist und danach nochmals weiter einfedert, stellt sich kein weicher Dämpfkrafteinlauf ein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schwingungsdämpfer zu realisieren, bei dem eine weiche Dämpfkrafteinstellung bei einer einsetzenden Kolbenstangenbewegung ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Kolbenring von mindestens einer Feder in einer definierten Lage zum Kolbendämpfventil gehalten wird und damit einen Strömungsquerschnitt des Strömungswegs bestimmt.

Die Feder übernimmt zwei Funktionen. Zum einen stellt die Feder eine der hydraulischen Kraft entgegengesetzt gerichtete Kraftkomponente zur Verfügung. Damit wird das hörbare Anschlagen des Kolbenringes wirksam verhindert.

Des weiteren richtet die Feder den Kolbenring am Ende der Kolbenstangenbewegung wieder in eine definierte Position zum Kolben wieder aus. Das hat zur Folge, das bei einer erneuten Kolbenstangenbewegung in dieselbe Richtung wie vorher wiederum der Axialweg des Kolbenringes zur Verfügung steht und ein weiches Einlaufen in die Dämpfkraftkennlinien des Kolbendämpfventils möglich ist. Weiter gilt es zu berücksichtigen, dass mit der Feder eine hubunabhängige Schließfunktion des Kolbenringes realisiert werden kann. Bei den beiden Schriften aus dem Stand der Technik kann ohne Berücksichtigung der hydraulischen Kräfte nur ein geringer Hubweg der Kolbenstange mit einer geringen Dämpfkraft erzielt werden. Wenn aber mindestens eine Feder verwendet wird, dann ist es möglich, dass selbst bei wirksamen hydraulischen Kräften über einen größeren Hubweg ein geöffneter Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht. Bei einer entsprechend geringen Druckbeaufschlagung kann der Strömungsquerschnitt sogar über den gesamten Hubweg offen sein. Es kommt lediglich auf das Kräfteverhältnis von der wirksamen Druckkraft auf den Kolbenring und der entgegengesetzt wirksamen Federkraft an.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung lässt eine erste Feder eine Federkraft bei einer Bewegungsrichtung der Kolbenstange in Ausfahrrichtung und eine zweite Feder eine Federkraft bei einer Einfahrrichtung wirksam werden. Damit lässt sich ein asymmetrischer Dämpfkraftverlauf des Kolbendämpfventils erreichen.

Im Hinblick auf einen möglichst geringen axialen Bauraum sind die beiden Federn auf einer Kolbenhälfte angeordnet sind.

Des weiteren kann man vorsehen, dass der Kolbenring bis zur Abstützung an der Feder einen Totweg ausführt, oder der maximale Axialweg des Kolbenrings richtungsabhängig unterschiedlich groß dimensioniert ist. Es bestehen sehr viele Gestaltungsmöglichkeiten bei der Auslegung der Dämpfkraftkennlinien für die Ein- und Ausfahrrichtung der Kolbenstange.

So kann es z. B. sehr sinnvoll sein, dass der Kolbenring nur in Einfahrrichtung der Kolbenstange eine Axialbewegung ausführen kann. Die Zugdämpfung wird bei einem Schwingungsdämpfer stets sehr viel größer ausgelegt als die Druckdämpfung, da die Druckdämpfung als Komfortkriterium für die Fahrzeuginsassen spürbar ist.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die beiden Federn eine unterschiedliche Federrate aufweisen.

Bei einer Ausführungsvariante weist der Kolbenring axial über eine Mantelfläche des Kolbens einen Überstand auf, an dem die mindestens eine Feder angreift. Dieser Überstand des Kolbenringes weist wiederum radial verlaufende, zumindest segmentartige Stützflächen auf, die eine Nut bilden, in die mindestens eine Feder mit einem Ende eingreift. Damit kann die Feder je nach Gestaltung der Nut Rückstellkräfte gegen beide Bewegungsrichtungen des Kolbenringes ausführen, insbesondere dann, wenn die mindestens eine Feder in der Nut des Kolbenringes verspannt ist.

Bei der Verwendung von zwei Federn, die in entgegengesetzte Richtungen wirken sollen, sind zwischen den beiden Federn auswechselbare Distanzscheiben angeordnet. Dazu kann der Abstand zwischen den beiden Federn im Bereich der Distanzscheiben größer sein als im Eingriffsbereich in der Nut des Kolbenringes. Des weiteren ist es ggf. sinnvoll, dass der maximale Axialverschiebungsweg des Kolbenringes ausgehend von einer Ruhelageposition bei Stillstand der Kolbenstange bezogen auf eine Bewegungsrichtung der Kolbenstange größer ist als der Abstand der mindestens zwei Federn. Es wird eine stufenweise Erhöhung der Federkraft erreicht. Ausgehend von einer Ruhelage wirkt nur eine der Federn der hydraulischen Druckkraft entgegen. Bei einer Steigerung der hydraulischen Kraft kommt die erste Feder auf der zweiten Feder zur Anlage, so dass dann beide Federn wirksam sind.

Aus Bauraumgründen ist die Feder für den Kolbenring als eine Scheibenfeder ausgeführt ist. Die Scheibenfeder bietet zusätzlich den Vorteil, dass eine gleichmäßige Krafteinleitung und eine geringe Flächenpressung auf den Kolbenring wirken.

Alternativ kann das Kolbendämpfventil eine umlaufende Nut für den Kolbenring aufweisen, wobei sich die mindestens eine Feder an einer Seitenwand der Nut abstützt.

Aus Gründen der Montagefreundlichkeit ist die Feder radial elastisch ausgeführt ist. Sie lässt sich dann leichter über den Kolben aufweiten und in die Nuten einrasten.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigt:
Fig. 1 Erfindungsgemäßes Kolbendämpfventil mit einer Feder;
Fig. 2 Federkraftkennlinie der am Kolbenring angreifenden Feder;
Fig. 3 Kolbendämpfventil mit zwei vorgespannten Federn;
Fig. 4 Federkraftkennlinie zur Fig. 3;
Fig. 5 Kolbendämpfventil mit gestufter Federkraftkennlinie der Federn Fig. 6 Federkraftkennlinie zur Fig. 5;
Fig. 7 Kolbendämpfventil mit einem axial beweglichen Kolbenring innerhalb einer Nut.
Die Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Schwingungsdämpfer 1, wobei die Erfindung sowohl beim Einrohr- als auch beim Zweirohrschwingungsdämpfer einsetzbar ist.
Innerhalb eines Zylinders 3 ist ein Kolbendämpfventil 5 an einer axial beweglichen Kolbenstange 7 angeordnet. Ein Kolben 9 trennt den Zylinder in zwei Arbeitsräume 11; 13, wobei eine Strömungsverbindung 15 zwischen den beiden Arbeitsräumen von mindestens einer Ventilscheibe 17 abgedeckt wird. Des weiteren besteht ein hydraulisch parallelgeschalteter Strömungsweg 19 zwischen einer Mantelfläche 21 des Kolbens 9 und einem axial beweglichen Kolbenring 23. Der Strömungsweg kann durch randseitige axial verlaufende Aussparungen im Kolben oder über Nuten an der Innenwandung des Kolbenringes hergestellt werden. Der Kolbenring verfügt über Halteflächen 25; 27, die auf der über 29 - und Unterseite 31 des Kolbens angreifen. Des weiteren erstrecken sich ausgehend von einem Überstand 33 zumindest segmentartig parallele Stützflächen 35; 37 die eine Nut 39 bilden, in die mit ihrem äußeren Rand eine Feder 41 in der Bauform einer Scheibenfeder eingreift. In einer definierten Ausgangsstellung der Kolbenstange zu dem Kolbenring liegt oberhalb und unterhalb ein Abstandsmaß zu den Stützflächen vor, das kleiner ist als der Abstand zwischen den Halteflächen zu der jeweiligen Ober- und Unterseite. In der Fig. 1 sind Maßhinweise S_z; S_D und t_Z; t_D eingetragen, wobei gelten soll, dass s größer als t sein soll.
Die Einstellung des Maßes t_Z; t_D kann durch Abstimmscheiben 43 erreicht werden, die zwischen einer Stützplatte 45 und der Feder 41 eingelegt sind.
Bei einer Kolbenstangenbewegung in Richtung des kolbenstangenfernen Arbeitsraums 13 ist ausgehend von einer Ruhestellung die Strömungsverbindung entlang der Ventilscheiben 17 verschlossen, jedoch der Strömungsweg 19 geöffnet. Folglich wird die Dämpfkraft allein von dem momentanen Strömungsquerschnitt des Strömungswegs bestimmt.
Aufgrund der angreifenden Dämpfkräfte am Kolbenring 23, die druckbeaufschlagte Fläche entspricht dem Querschnitt im Bereich der Mantelfläche, und der Reibkräfte zur Wandung des Zylinders 3 wird der Kolbenring in Richtung des oberen Arbeitsraums 11 bewegt und kommt nach einem Leerhub t_D in einem ersten Schritt an der Unterseite der Feder 41 zur Anlage. Bei einer weiteren Einfahrbewegung der Kolbenstange wirkt die Federkraft der Feder dem hydraulischen Druck im unteren Arbeitsraum 11 entgegen. Dabei kann das Dämpfmedium im unteren Arbeitsraum zwischen der Oberseite der Feder und der Unterseite des Kolbens strömen, da die Feder nicht dargestellte Ausklinkungen aufweist.
Wenn die untere Haltefläche 27 des Kolbenrings aufgrund der wirksamen hydraulischen Druckkräfte an der Unterseite 31 des Kolbens 9 anliegt, dann öffnet sich bei weiterer Drucksteigerung die Strömungsverbindung 15 im Bereich der Ventilscheibe.
Durch die symmetrische Ausgestaltung der Halteflächen 25; 27 zum Kolben 9 und der Stützflächen 35; 37 zur Feder 41 stellt sich ein gleiches Funktionsverhalten des Kolbenringes ein, wenn die Kolbenstange ausgehend von der Ruhelage in Richtung des kolbenstangenseitigen Arbeitsraums 11 ausfährt.
In der Fig. 2 wird die Kraftkennlinie der Feder verdeutlicht. Ausgehend von der Ausgangsposition entwickelt die Feder bis zum Ende eines Totweges T_D in Einfahrrichtung und T_Z in Ausfahrrichtung bedingt durch den Abstand der Feder zu den Stützflächen keine Gegenkraft. Bis zur Anlage der Halteflächen des Kolbenringes an der Ober- oder Unterseite des Kolbens steigt die Gegenkraft permanent an.
Der Aufbau des Kolbens 9 und des Kolbenrings 23 gemäß der Fig. 3 entspricht dem Beschriebenen. Ein ganz wesentlicher Unterschied besteht darin, dass zwei Federn 41a; 41b eingesetzt werden, die auf einer Kolbenhälfte angeordnet sind, obwohl eine Feder 41a Gegenkräfte bei einer Kolbenstangenbewegung nach oben und eine Feder 41b Gegenkräfte bei einer Kolbenstangenbewegung nach unten entwickelt. Anstelle einer einzigen Feder 41a oder 41b kann man auch Federpakete verwenden.
Die Federn 41a; 41b werden von Distanzscheiben 47 an ihrem inneren Rand auf Abstand gehalten. Dieser innenseitige Abstand ist geringfügig größer als am äußeren Rand in der Nut 39, dessen Breite von den Stützflächen 35; 37 bestimmt wird. Damit ist der Kolbenring 23 in beide Axialbewegungsrichtungen von den Federn 41a; 41b vorgespannt. Die dargestellte Ruhelage des Kolbenringes wird bei jedem Stillstand unabhängig von der nächsten Kolbenstangenbewegung aufgrund der angreifenden Federkräfte eingenommen.
Ein weiterer Unterschied zur Fig. 1 besteht darin, dass die Schaltwege S_Z und S_D unterschiedlich groß ausgeführt sind. Der Schaltweg S_Z ist kleiner als der Abstand x zwischen den beiden Federn 41a; 41b, hingegen ist der Schaltweg S_D größer als das Maß X zwischen den beiden Federn, auch bei Stillstand der Kolbenstange Zusätzlich kann man Federn 41a; 41b mit einer unterschiedlichen Federrate C_Z; C_D vorsehen.
Bei einer Kolbenstangenbewegung in Richtung des kolbenstangenseitigen Arbeitsraums 11 wirkt die Feder 41a ohne einen Totweg dem hydraulischen Druck im Arbeitsraum 11 entgegen. Bevor die Feder 41a in Kontakt mit der unteren Feder 41b kommen kann, ist der Schaltweg S_Z zurückgelegt, wobei man sich in Erinnerung rufen muss, dass der Schaltweg nicht dem Kolbenstangenweg entsprechen muss. Der Kolbenstangenweg, der zurückgelegt wird, bis der Schaltweg vom Kolbenring durchlaufen wurde, wird nur von der resultierenden Kraft des hydraulischen Drucks in den Arbeitsräumen und der Reibkraft des Kolbenringes auf der einen und der entgegengesetzten Federkraft auf der anderen Seite bestimmt.
Eine Kolbenstangenbewegung in Einfahr- oder in Druckrichtung hat zur Folge, dass die untere Feder 41b sofort der Kolbenringbewegung entgegenwirkt und nach einem Kolbenringweg x die untere Feder 41b an der oberen Feder 41a zur Anlage kommt und danach eine überlagerte Federkraft beider Feder der Kolbenringbewegung einen Widerstand bietet, bis die Haltefläche 27 an der Unterseite 31 des Kolbens 2 zur Anlage kommt. Solange die Halteflächen 27; 25 nicht an einer Seite des Kolbens zur Anlage kommt, ist der Strömungsweg 19 zwischen dem Kolbenring und dem Kolben geöffnet. Arn Ende einer jeden Kolbenbewegung nimmt der Kolbenring aufgrund der angreifenden Federkräfte und der fehlenden Druckkraft in den Arbeitsräumen stets die dargestellte Grundposition ein.
In der Fig. 4 wird der Zusammenhang der Federraten und der Schaltweg nochmals verdeutlicht.
Die Ausführung nach Fig. 5 stellt eine Abwandlung zur Fig. 3 dar. Ein wesentlicher Unterschied zur Fig. 3 besteht darin, das die untere Feder 41b durch die Anzahl der Abstimmscheiben 47 den Kolbenring 23 mit seiner oberen Haltefläche 25 in der Ruheposition auf die Oberseite 29 des Kolbens 9 vorspannt. Damit ist der Schaltweg S_Z in Ausfahrrichtung der Kolbenstange 7 gleich null. Der Sinn dieser Maßnahme ist darin zu sehen, dass für das Komfortempfinden die Dämpfung in Einfahrrichtung maßgeblich ist, folglich eine große Dämpfkraft in Zugrichtung ohne Komforteinbußen möglich ist.
Der Abstand zwischen den beiden Stützflächen 35; 39 ist kleiner als der Schaltweg S_D. Bei einer Kolbenstangenbewegung in Einfahrrichtung wirkt, wie auch die Fig. 6 verdeutlichen soll, bis zu einem von den Distanzscheiben vorgegebenen Abstand x nur die untere Feder 41b. Danach stützt sich die untere Feder 41b an der oberen Feder 41a ab, so dass dann ebenfalls eine Überlagerung beider Federkräfte gegen die weitere Kolbenringbewegung wirkt.
Mit der Fig. 7 soll gezeigt werden, dass die Erfindung nicht an die Kolbenringquerschnittsform der Fig. 1, 3 oder 5 gebunden ist. Bei der Variante nach der Fig. 7 verfügt der Kolben 9 über eine umlaufende Nut 49 für den Kolbenring, wobei die axiale Erstreckung des Kolbenringes um einen Schaltweg S kleiner ist als die Breite der Nut. Zwischen einer unteren und oberen Stirnfläche 23a; 23b des Kolbenringes und einer Nutseitenwand 49a; 49b sind wiederum Federn 41a; 41b angeordnet, die den Kolbenring bei stillstehender Kolbenstange in eine definierte Ruhelage vorspannen, bei der der Strömungsweg 19 zumindest in eine Richtung geöffnet ist. Die Federn sind ebenfalls als Scheibenfedern ausgeführt, jedoch zur besseren Montage u. U. geschlitzt. Die Frage, ob die Feder geschlitzt werden muss oder nicht ergibt sich aus den vorliegenden Bauraumvorgaben in der Nut des Kolbens und den zu verwenden den Federn am Kolbenring. In der zeichnerischen Darstellung hat der Kolbenring seine Schließstellung bei einer Ausfahrbewegung der Kolbenstange eingenommen. Auch bei dieser Variante sind durch den Einsatz von Federpaketen an den Stirnseiten 23a; 23b des Kolbenringes gestufte Kraftkennlinien der Federn möglich. Des weiteren kann man z. B. durch den einseitigen Einsatz einer Feder erreichen, dass nur ein Schaltweg des Kolbenringes für eine Bewegungsrichtung der Kolbenstange vorliegt.

Claims

1. Kolbendämpfventil an einer Kolbenstange, wobei ein axial beweglicher Kolbenring am Kolbendämpfventil einen Strömungsweg zwischen zwei Arbeiträumen eines Schwingungsdämpfers beeinflusst, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (23) von mindestens einer Feder (41; 41a; 41b) in einer definierten Lage zum Kolbendämpfventil (5) gehalten wird und damit einen Strömungsquerschnitt des Strömungswegs (19) bestimmt.

2. Kolbendämpfventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Feder (41a) eine Federkraft bei einer Bewegungsrichtung der Kolbenstange (7) in Ausfahrrichtung und eine zweite Feder (41b) eine Federkraft bei einer Einfahrrichtung wirksam werden lässt.

3. Kolbendämpfventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Federn (41a; 41b) auf einer Kolbenhälfte angeordnet sind.

4. Kolbendämpfventil nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (23) bis zur Abstützung an der Feder (41) einen Totweg (t_D; t_z) ausführt.

5. Kolbendämpfventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Axialweg (S_z; S_D) Kolbenrings (23) richtungsabhängig unterschiedlich groß dimensioniert ist.

6. Kolbendämpfventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (23) nur in Einfahrrichtung der Kolbenstange (7) eine Axialbewegung (S_D) ausführen kann.

7. Kolbendämpfventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Federn (41a; 41b) eine unterschiedliche Federrate (C_z; C_D) aufweisen.

8. Kolbendämpfventil nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (23) axial über eine Mantelfläche (21) des Kolbens (9) einen Überstand (33) aufweist und an diesem Überstand die mindestens eine Feder (41; 41a; 41b) angreift.

9. Kolbendämpfventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Überstand (33) des Kolbenringes (23) radial verlaufende, zumindest segmentartige Stützflächen (35; 37) aufweist, die eine Nut (39) bilden, in die mindestens eine Feder (41a; 41b; 41) mit einem Ende eingreift.

10. Kolbendämpfventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Feder (41; 41a; 41b) in der Nut (39) des Kolbenringes (23) verspannt ist.

11. Kolbendämpfventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Federn (41a; 41b) auswechselbare Distanzscheiben (47) angeordnet sind.

12. Kolbendämpfventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den beiden Federn (41a; 41b) im Bereich der Distanzscheiben (47) größer ist als im Eingriffsbereich in der Nut (39) des Kolbenringes (23).

13. Kolbendämpfventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Axialverschiebungsweg (S_D; S_z) des Kolbenringes (23) ausgehend von einer Ruhelageposition bei Stillstand der Kolbenstange (7) bezogen auf eine Bewegungsrichtung der Kolbenstange größer ist als der Abstand (x) der mindestens zwei Federn (41; 41b).

14. Kolbendämpfventil nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (41) für den Kolbenring (23) als eine Scheibenfeder ausgeführt ist.

15. Kolbendämpfventil nach einem der Ansprüche 1; 2 oder 4-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbendämpfventil (7) eine umlaufende Nut (49) für den Kolbenring (23) aufweist, wobei sich die mindestens eine Feder (41a; 41b) an einer Seitenwand (49a; 49b) der Nut (49) abstützt.

16. Kolbendämpfventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das die Feder (41a; 41b) radial elastisch ausgeführt ist.