DE19512866C2 - Schwingungsdämpfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer entsprechend dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Ein Schwingungsdämpfer aus der DE-PS 33 03 293 umfaßt u. a ein Druckrohr, in dem ein Kolben mit einer Kolbenstange axial beweglich angeordnet ist und das Druckrohr in einen oberen und einen unteren Arbeitsraum unterteilt. Der obere Arbeitsraum ist über eine Fluidenverbindung mit einem Ölsumpf eines Ausgleichs­ raums verbunden. Innerhalb des Kolbens sind Dämpfventile für beide Durchströ­ mungsrichtungen angeordnet. Zwischen einer Anschlußöffnung im oberen Ar­ beitsraum und dem Ölsumpf verfügt die Fluidenverbindung über ein gesteuertes Durchlaßventil. Das Durchlaßventil besitzt zwei Schaltstellungen und wird vom Druck im unteren Arbeitsraum in Einfahrrichtung des Kolbens geöffnet und ver­ bindet den oberen Arbeitsraum mit dem Ölsumpf. In Zugrichtung wird das Durchlaßventil durch eine Feder in die Schließstellung gebracht. Dabei ist das Durchlaßventil am Boden des Schwingungsdämpfers angeordnet. Der gesamte Volumenstrom muß in Zugrichtung und in Druckrichtung durch den Kolben strö­ men. Entsprechend große Durchströmquerschnitte müssen im Kolben ausgeführt sein, wodurch sich zwangsläufig relativ kleine Stege am Kolben bzw. Kolbenkör­ perquerschnitte ergeben, die sich insbesondere bei Dämpfkraftspitzen negativ auf die Festigkeit des Kolbenkörpers auswirken. Als weiterer Nachteil ist die spezielle Ausführung des Durchlaßventils anzusehen. Es besteht aus einem Ventilschieber, der sich zwischen einer Durchlaß- und einer Sperrstellung aufgrund der Druckver­ hältnisse im unteren Arbeitsraum axial bewegt. Die Axialbewegung in Verbindung mit der Masse des Ventilschiebers führt zwangsläufig zu Poltergeräuschen, die sich praktisch nicht beherrschen lassen.

Die DE 43 20 446 A1 und die EP 0 322 608 A2 beschreiben einen Schwin­ gungsdämpfer, umfassend ein Druckrohr, in dem ein Kolben mit einer Kolben­ stange axial beweglich angeordnet und das Druckrohr in einen oberen und einen unteren Arbeitsraum unterteilt, wobei der obere Arbeitsraum über eine Fluiden­ verbindung, die durch die konzentrische Anordnung von dem Druckrohr und ei­ nem das Druckrohr einhüllende Zwischenrohr gebildet wird und, ausgehend von Anschlußöffnung(en) unter Umgehung des Druckrohres, mit einem Ölsumpf eines Ausgleichsraums verbunden ist, mindestens ein Dämpfventil zumindest für die Durchströmungsrichtung vom oberen zum unteren Arbeitsraum im Kolben, ein Durchlaßventil zwischen einer Anschlußöffnung im oberen Arbeitsraum und dem Ölsumpf, ein Rückschlagventil innerhalb eines Bodenventilkörpers, das den unte­ ren Arbeitsraum mit dem Ausgleichsraum verbindet, wobei zusätzlich mindestens ein Dämpfventil zu dem/den Kolbenventil(en) ausgeführt ist und in Einfahrrich­ tung eine Dämpfung vom Dämpfventil einsetzt, die in Abhängigkeit der Volumen­ stromverteilung aufgrund der Strömungswiderstände in den Ventilen erfolgt, so daß sich eine überlagerte Druckdämpfung der Ventile ergibt, wobei durch das Dämpfventil maximal das verdrängte Volumen des unteren Arbeitsraums und mi­ nimal das verdrängte Volumen der Kolbenstange strömt und der Durchflußwider­ stand innerhalb der Fluidenverbindung in der Strömungsrichtung vom Ölsumpf in den oberen Arbeitsraum durch ein richtungsabhängig wirksames Durchlaßventil geringer ist als in entgegengesetzter Durchströmungsrichtung.

Diese beiden Schriften zeigen prinzipielle Lösungen auf, um das Verhältnis der Dämpfkraft Druckrichtung/Zugrichtung beliebiger gestalten zu können, ohne daß die Gefahr der Kavitation besteht. Es werden aber keine konstruktiven Vorschlä­ ge offenbart, Ausnahme Fig. 1 der EP 0 322 608 A2.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für das Prinzip der Kavitationsvermei­ dung, wie es aus dem Stand der Technik bekannt, konstruktive Ausgestaltungen zu realisieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem die Fluidenverbindung durch die konzentrische Anordnung von dem Druckrohr und einem das Druckrohr einhüllende Zwischenrohr gebildet ist, wobei das richtungsabhängige Durchlaß­ ventil innerhalb der kreisringsförmigen Fluidenverbindung angeordnet ist, und das richtungsabhängige Durchlaßventil aus einer Einschnürung in der Fluidenverbin­ dung mit einem axial beweglichen Ventilkörper. Dabei übernimmt der die Fluiden­ verbindung bildende Körper noch die Zusatzfunktion, daß er Bestandteil des rich­ tungsabhängigen Durchlaßventils ist.

In konsequenter Weiterentwicklung erstreckt sich die Einschnürung über die we­ sentliche Länge der Fluidenverbindung bis zur Anschlußöffnung. Der Vorteil die­ ses Merkmals besteht darin, daß der Betriebsdruck innerhalb der Fluidenverbin­ dung für eine hydraulische Stützkraft auf den die Fluidenverbindung bildenden Körper ausübt, wobei die hydraulische Stützkraft aus dem Produkt des Betriebs­ drucks und der projizierten Fläche der Einschnürung resultiert.

Aufgrund der Tatsache, daß der Schwingungsdämpfer ein Bodenventil mit einem Bodenventilkörper umfaßt, erstreckt sich dieser vorteilhafterweise ausgehend vom Druckrohr radial bis in die Fluidenverbindung und ist Bestandteil des rich­ tungsabhängigen Durchlaßventils.

Vor dem Hintergrund, daß sich die Schwingungsdämpfer immer stärker standar­ disieren lassen müssen, weist der Bodenventilkörper in der Fluidenverbindung eine axiale Stützfläche auf, auf die sich ein separater Ventilring als Bestandteil des richtungsabhängigen Durchlaßventils abstützt. Optional kann für einen belie­ bigen Schwingungsdämpfer das richtungsabhängige Durchlaßventil eingesetzt werden oder auch entfallen, wobei jeweils derselbe Bodenventilkörper eingesetzt wird.

In Verbindung mit einer Einschnürung der Fluidenverbindung ist das Zwischenrohr axial schwimmend gelagert und stützt sich an der Kolbenstangenführung ab.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher beschrieben werden.

Es zeigt.

Fig. 1. Prinzipdarstellung des Schwingungsdämpfers nach dem genann­ ten Stand der Technik,

Fig. 2 Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers,

Fig. 3a-c Detaildarstellungen des Schwingungsdämpfers.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird kurz die Funktionsweise des in der Beschreibungseinleitung aus dem Stand der Technik bekannten Schwingungs­ dämpfers beschrieben. Die Fig. 1 zeigt ganz allgemein einen Schwingungsdämp­ fer 1 mit einem Druckrohr 3, in dem ein Kolben 5 an einer Kolbenstange 7 mit dem Querschnitt A_KS axial beweglich angeordnet ist und das Druckrohr in einen oberen und einen unteren Arbeitsraum 9; 11 unterteilt. Der obere Arbeitsraum 9 mit Querschnitt A_R ist über eine Fluidenverbindung 13 mit einem Ölsumpf 15 ei­ nes Ausgleichsraums 17 verbunden. Des weiteren sind die beiden Arbeitsräume über mindestens ein Dämpfventil 19 für die Zug- und die Druckrichtung im Kol­ ben 5 miteinander verbunden. Den unteren Abschluß des unteren Arbeits­ raums 11 mit dem Querschnitt A_K bildet ein Bodenventilkörper 21 mit einem Rückschlagventil 27, das bei einer Kolbenbewegung in Zugrichtung den Aus­ gleichsraum mit dem unteren Arbeitsraum 11 verbindet. Auch die Fluidenverbin­ dung 13 ist mit einem Durchlaßventil 28 ausgestattet. Bei diesem Ventil handelt es sich um ein vom Druck des Arbeitsraums 11 angesteuertes 3/2-Wegeventil, das in Einfahr- bzw. Druckrichtung vom Druck innerhalb des Arbeitsraums 11 in die Schließ- und von einer Feder 30 in die Durchlaßstellung gebracht wird.

Bei einer Kolbenbewegung in Zugrichtung entsteht zwangsläufig ein Druckgefälle zwischen dem oberen und dem unteren Arbeitsraum. Der relativ niedrige Druck im unteren Arbeitsraum 11 in Verbindung mit der Feder 30 bewegt das Durch­ laßventil 28 in die Schließstellung mit der Wirkung, daß die Fluidenverbindung 13 von den Arbeitsräumen abgetrennt ist. Der gesamte Volumenstrom V_R als Pro­ dukt aus dem Querschnitt A_R des oberen Arbeitsraums und der Kolbengeschwin­ digkeit v muß durch die Kolbenventile 19 fließen. Das Volumen des unteren Ar­ beitsraums ist zwangsläufig um das im oberen Arbeitsraum verbleibenden Kol­ benstangenvolumen größer als das Volumen des oberen Arbeitsraums. Folglich muß durch das Rückschlagventil 27 ein Volumenstrom Q₂₇ entsprechend dem ausfahrenden Kolbenstangenquerschnitt A_KS multipliziert mit der Kolbenge­ schwindigkeit aus dem Ölsumpf 15 in den unteren Arbeitsraum nachströmen.

In Druck- bzw. Einfahrrichtung der Kolbenstange baut sich im unteren Arbeits­ raum ein Druck auf, der über eine Steuerleitung 32 das Durchlaßventil 28 öffnet. Damit ist der obere Arbeitsraum 9 über die Fluidenverbindung 13 mit dem Öl­ sumpf 15 verbunden. Gleichzeitig schließt das Rückschlagventil 27. Der gesamte Volumenstrom Q_K (A_{K *}v) wird durch die Ventile 19 in den oberen Arbeitsraum 9 verdrängt, der um das momentane Kolbenstangenvolumen kleiner ist als der un­ tere Arbeitsraum. Folglich fließt durch das geöffnete Durchlaßventil 28 über die Fluidenverbindung 13 ein Volumenstrom Q₁₃ entsprechend dem Produkt A_KS der einfahrenden Kolbenstange und der Kolbengeschwindigkeit v. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, daß insbesondere für die Druckdämpfung größere Durchströ­ mungsquerschnitt vorgesehen sein müssen, um auch geringere Dämpfkräfte rea­ lisieren zu können. Im übrigen besteht durch die Druckansteuerung des Durchlaß­ ventils das Problem, das der Durchlaßquerschnitt stets abhängig ist vom Druck im unteren Arbeitsraum mit der Folge, daß das Nachströmvolumen ebenfalls druckabhängig ist.

In Übereinstimmung mit dem Stand der Technik zeigt die Fig. 2 ganz allgemein einen Schwingungsdämpfer 1 mit dem Druckrohr 3, in dem der Kolben 5 an der Kolbenstange 7 mit dem Querschnitt A_KS axial beweglich angeordnet ist und das Druckrohr in den oberen und den unteren Arbeitsraum 9; 11 unterteilt. Der obere Arbeitsraum 9 mit Querschnitt A_R ist über die Fluidenverbindung 13 mit dem Öl­ sumpf 15 eines Ausgleichsraums 17 verbunden. Des weiteren sind die beiden Arbeitsräume über mindestens ein Dämpfventile 19 zumindest für die Zugrich­ tung, aber bevorzugt für die Zug- und die Druckrichtung im Kolben 5 miteinander verbunden. Den unteren Abschluß des unteren Arbeitsraums 11 mit dem Quer­ schnitt A_K bildet ein Bodenventilkörper 21 mit einem zusätzlichen Dämpfventil 25 und dem Rückschlagventil 27, wobei letzteres bei einer Kolbenbewegung in Zu­ grichtung den Ausgleichsraum mit dem unteren Arbeitsraum 11 verbindet. Auch die Fluidenverbindung 13 steht einem Durchlaßventil 29 in Verbindung, wobei das Durchlaßventil wahlweise als ganz allgemein als richtungsabhängiges Durch­ laßventil mit zwei verschiedenen Durchlaßquerschnitten oder als Rückschlagventil ausgeführt sein kann.

In einer ersten Betrachtung wird davon ausgegangen, daß das Durchlaßventil 29 als ein Rückschlagventil ausgeführt ist. Bei einer Kolbenstangenbewegung in Zu­ grichtung fließt das gesamte verdrängte Volumen aus dem oberen Arbeitsraum 9 als Q_AR durch die Kolbenventile 19, da das Rückschlagventil geschlossen ist. Der Ölsumpf ist vom oberen Arbeitsraum 11 abgetrennt, so daß keine Möglichkeit für einen Abfluß des verdrängten Volumens unter Umgehung der Kolbenventile be­ steht. Gleichzeitig fließt über das Rückschlagventil 27 im Bodenventilkörper das Volumen des ausgefahrenen Kolbenstangenvolumens in den unteren Arbeits­ raum 11 nach.

Abweichend zum aufgezeigten Stand der Technik teilt sich in Druckrichtung das zu verdrängende Volumen (A_{K *}v) in einen Volumenstrom Q₂₅ des Dämpfven­ tils 25 und einen Volumenstrom Q₁₉ durch das Kolbenventils 19 in den oberen Arbeitsraum 11 auf.

A_{K *}v = Q₁₉ + Q₂₅ (I)

Der sich mit der Geschwindigkeit v des Kolbens vergrößernde obere Arbeits­ raum 11 mit dem Querschnitt A_R wird durch das geöffnete Durchlaßventil 29 mit dem Volumenstrom Q₂₉ über die Fluidenverbindung 13 aus dem Ölsumpf 15 auf­ gefüllt.

A_{R *}v = Q₁₉ + Q₂₉ (II)

Es ist bekannt, daß

A_{KS *}v + A_{R *}v = A_{K *}v (III)

ist.

Aus den Gleichungen (I) und (II) eingesetzt in Gleichung (III) ergibt sich, daß durch das Dämpfventil 25 der Volumenstrom

Q₂₅ = A_{KS *}v + Q₂₉ (IV)

strömt. Daraus ergibt sich die Auslegung des Bodenventils, denn wenn im Um­ kehrschluß das Bodenventil weniger als die in Gleichung (IV) berechnete Menge durchläßt, schließt durch den Überfluß von Dämpfmedium im oberen Arbeitsraum in die Fluidenverbindung das Durchlaßventil 29, wobei der absolute Grenzfall bei

Q₂₅ = A_{KS *}v

liegt.

Durch das Dämpfventil 25 muß aufgrund der Volumenverhältnisse zwischen dem oberen und dem unteren Arbeitsraum zumindest das Volumen der einfahrenden Kolbenstange verdrängt werden.

Diese Prinzipdarstellung beschränkt sich nicht nur auf Zweirohr-Dämpfer, sondern kann auch bei Einrohr-Dämpfern in Verbindung mit einem Bodenventil zum Aus­ gleichsraum benutzt werden. Es muß nicht sein, daß der Ausgleichsraum unmit­ telbar am Schwingungsdämpfer ausgeführt ist. Hinsichtlich der Fluidenverbindung lassen sich Rohrkörper in starrer aber auch flexibler Form, beispielsweise als Schlauch, verwenden. Wesentlich ist, daß die Fluidenverbindung das Bodenventil umgeht, damit im Bodenventil nur das Rückschlagventil 27 und das Dämpfven­ til 25 angeordnet werden müssen.

Das richtungsabhängige Durchlaßventil 29 muß nicht zwangsläufig als ein Rück­ schlagventil ausgeführt sein. Es gibt auch die sinnvolle Anwendung, daß in Ein­ fahrrichtung des Kolbens keine und in Zugrichtung eine nennenswerte Drosselung innerhalb des richtungsabhängigen Durchlaßventils 29 eingesetzt wird. Dadurch entsteht eine Reihenschaltung, umfassend die Kolbenventile 19 und das Durch­ laßventil 29. Insbesondere bei verstellbaren Kolbenventilen ergibt sich durch das Ergebnis der Gleichung (IV), daß der Volumenstrom Q₂₅ durch einen sehr kleinen Drosselquerschnitt oder im anderen Extremfall, wenn Q₁₉ gleich null ist, also ein hydraulisch dichter Kolben, eine sehr große Variabilität in der Einstellung der Druckdämpfung, ohne daß die Gefahr der Kavitation besteht, die durch den Vo­ lumenstrom Q₂₉ vom Ölsumpf in den oberen Arbeitsraum beherrscht wird. Zu­ sammengefaßt gilt:

A_{KS *}v Q₂₅ A_{K *}v

Geht man von einem konventionellen Schwingungsdämpfer ohne Dämpfkraftver­ stellung aus, so ist der Grenzfall A_{KS *}v uninteressant, da dabei keine Kavitation auftreten kann.

Die Fig. 3a beschränkt sich auf den Abschluß des oberen Arbeitsraums 9, der von einer Kolbenstangenführung 31 gebildet wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Schwingungsdämpfer 1 als ein Zweirohr-Dämpfer dargestellt. Konzen­ trisch zum Druckrohr 3 ist ein das Druckrohr einhüllendes Zwischenrohr 33 an­ geordnet, das zusammen mit dem Druckrohr die Fluidenverbindung 13 zum Aus­ gleichsraum 17 bildet. Die Fluidenverbindung beginnt bei einer Anschlußöff­ nung 35, die wahlweise als Kanal innerhalb der Kolbenstangenführung und/oder in Kombination mit Öffnungen im Druckrohr ausgeführt ist. Eine wesentliche An­ forderung besteht darin, daß die Anschlußöffnung einen Querschnitt besitzt, der keine Drosseleffekte mit sich bringt. Deshalb können auch mehrere Anschlußöff­ nungen eingesetzt werden.

Die Fig. 3b zeigt das Ende der Fluidenverbindung unmittelbar vor dem Eintritt in den Ölsumpf 15. Das verwendete Zwischenrohr enthält eine Einschnürung 37 des Querschnitts, die einer Schließfeder 39 als Abstützung dient. Die Schließfe­ der 39 spannt eine Ventilscheibe 41 als Ventilkörper auf einen Ventilsitz 43 vor, der Bestandteil einer radialen Erstreckung des Bodenventilkörpers 21 ist. Bei die­ ser Ausführungsform erstreckt sich die Einschnürung 37 über die wesentliche Länge der Fluidenverbindung 13 bis zur Anschlußöffnung 35. Die Fläche des pro­ jizierten Querschnitts der Einschnürung 37 multipliziert mit dem Betriebsdruck innerhalb der Fluidenverbindung stellt eine hydraulische Druckkraft dar, die sich auf dem Bodenventilkörper 21 abstützt und das Zwischenrohr in Richtung der Kolbenstangenführung 31 drückt. Folglich läßt sich das Zwischenrohr auch schwimmend lagern, wodurch Längentoleranzen des Zwischenrohres wesentlich an Bedeutung verlieren. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Ventilscheibe 41 nur eine geringe Vorlast durch die Schließfeder benötigt. Der Betriebsdruck inner­ halb des unteren Arbeitsraum spielt für das Öffnungsverhalten des Durchlaßven­ tils praktisch keine Rolle.

In der Fig. 3c wird eine Abwandlung der Fig. 3b gezeigt. Der konstruktive Un­ terschied besteht darin, daß das richtungsabhängige Durchlaßventil 29 einen Ventilring 43 aufweist, der sich auf eine vom Bodenventilkörper 21 gebildete Stützfläche 45 abstützt.

Claims (5)

1. Schwingungsdämpfer, umfassend ein Druckrohr, in dem ein Kolben mit einer Kolbenstange axial beweglich angeordnet und das Druckrohr in einen oberen und einen unteren Arbeitsraum unterteilt, wobei der obere Arbeitsraum über eine Fluidenverbindung, die durch die konzentrische Anordnung von dem Druckrohr und einem das Druckrohr einhüllende Zwischenrohr gebildet wird und, ausgehend von Anschlußöffnung(en) unter Umgehung des Druckrohres, mit einem Ölsumpf eines Ausgleichsraums verbunden ist, mindestens ein Dämpfventil zumindest für die Durchströmungsrichtung vom oberen zum un­ teren Arbeitsraum im Kolben, ein Durchlaßventil zwischen einer Anschlußöff­ nung im oberen Arbeitsraum und dem Ölsumpf, ein Rückschlagventil inner­ halb eines Bodenventilkörpers, das den unteren Arbeitsraum mit dem Aus­ gleichsraum verbindet, wobei zusätzlich mindestens ein Dämpfventil zu dem/den Kolbenventil(en) ausgeführt ist und in Einfahrrichtung eine Dämp­ fung vom Dämpfventil einsetzt, die in Abhängigkeit der Volumenstromvertei­ lung aufgrund der Strömungswiderstände in den Ventilen erfolgt, so daß sich eine überlagerte Druckdämpfung der Ventile ergibt, wobei durch das Dämpf­ ventil maximal das verdrängte Volumen des unteren Arbeitsraums und mini­ mal das verdrängte Volumen der Kolbenstange strömt und der Durchflußwi­ derstand innerhalb der Fluidenverbindung in der Strömungsrichtung vom Öl­ sumpf in den oberen Arbeitsraum durch ein richtungsabhängig wirksames Durchlaßventil geringer ist als in entgegengesetzter Durchströmungsrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das richtungsabhängige Durchlaßventil (29) innerhalb der kreisringförmi­ gen Fluidenverbindung angeordnet ist, wobei das richtungsabhängige Durch­ laßventil (29) aus einer Einschnürung (37) in der Fluidenverbindung (13) mit einem axial beweglichen Ventilkörper (41) besteht.

2. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Einschnürung über die wesentliche Länge der Fluidenverbindung bis zur Anschlußöffnung (35) erstreckt.

3. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sich der Bodenventilkörper (21) ausgehend vom Druckrohr (3) radial bis in die Fluidenverbindung (13) erstreckt und Bestandteil des richtungsabhängigen Durchlaßventils (29) ist.

4. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodenventilkörper in der Fluidenverbindung eine axiale Stützfläche (45) auf­ weist, auf die sich ein separater Ventilring (43) als Bestandteil des richtungs­ abhängigen Durchlaßventils (29) abstützt.

5. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenrohres (33) axial schwimmend gelagert ist und sich an der Kolben­ stangenführung (31) abstützt.