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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer, wie
er bei einer Kraftfahrzeug-Aufhängung
verwendet werden kann. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
einen Schwingungsdämpfer,
dessen Dämpfungsfluid
keine Hydraulikflüssigkeit,
sondern ein Gas ist.
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Hydraulische
Stoßdämpfer werden
seit langem mit großem
Erfolg in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt. Trotz ihres erfolgreichen
Einsatzes sind hydraulische Stoßdämpfer jedoch
nicht problemfrei. Ein Problem besteht darin, hydraulische Schwingungsdämpfer für die Frequenz
der Schwingungen empfindlich zu machen. Es wurden bereits komplizierte
Systeme entwickelt, um hydraulische Schwingungsdämpfer zu erzeugen, die bei
hochfrequenten Schwingungen relativ weich und bei niederfrequenten
Schwingungen relativ steif sind. Ein weiteres Problem hydraulischer
Schwingungsdämpfer
besteht darin, daß ihre
Dämpfungskräfte von
Temperaturänderungen
der Hydraulikflüssigkeit
abhängen.
Wenn sich die Temperatur der Hydraulikflüssigkeit ändert, ändert sich auch ihre Viskosität, was die
Dämpfungseigenschaften
der Flüssigkeit
merklich beeinflußt. Auch
kann die Funktionsweise eines hydraulischen Schwingungsdämpfers dadurch
beeinträchtigt
werden, daß ein
kompressibles Gas (Luft) in die imkompressible Hydraulikflüssigkeit
eindringt. Außerdem erhöht die Hydraulikflüssigkeit
das Gewicht des Schwingungsdämpfers.
Schließlich
wirft der Einsatz von Hydraulikflüssigkeit auch Umweltprobleme
auf.
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Aus
DE 25 33 482 A1 ist
bereits ein mit Druckluft gefüllter
Schwingungsdämpfer
bekannt, der ein eine Arbeitskammer bildendes Druckrohr und einen
Kolben aufweist, der die Arbeitskammer in einen oberen Kammerabschnitt
und einen unteren Kammerabschnitt unterteilt. Der Schwingungsdämpfer ist mit
Druckluft gefüllt,
wobei ein ständig
offener Druckkanal und ein durch ein Einwegventil gesteuerter Zugkanal
zwischen den Kammerabschnitten der Arbeitskammer vorgesehen sind.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungsdämpfer dieser
Gattung so weiterzubilden, dass in der Zugstufe eine zweistufige
Dämpfungskraft
erzeugt wird.
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Diese
Aufgabe wird durch den in Patentanspruch 1 definierten Schwingungsdämpfer erzielt.
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Bei
dem erfindungsgemäß ausgebildeten Schwingungsdämpfer sind
mehrere Druckkanäle
und mehrere Zugkanäle
vorgesehen, die jeweils durch den Kolbenkörper des Kolbens hindurch verlaufen. Das
Druckventil weist eine angrenzend am Kolbenkörper angeordnete Ventilplatte
auf, die von einer Ventilfeder zum Schließen der Druckkanäle gegen den
Kolbenkörper
vorgespannt wird.
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Der
erfindungsgemäß ausgebildete
Schwingungsdämpfer
hat den Vorteil, daß er
mit einem Gas, insbesondere Luft, betrieben werden kann. Hierdurch werden
die oben erwähnten
Nachteile hydraulischer Schwingungsdämpfer vermieden. Insbesondere
ergibt sich bei Verwendung von Luft als Dämpfungsmedium ein frequenzabhängiger Schwingungsdämpfer, der
nicht temperaturempfindlich ist, der nicht durch eine „Belüftung" im Laufe der Zeit
nachteilig beeinflußt
wird, der ein relativ geringes Gewicht hat und der die durch Hydrauliköl bedingten
Umweltprobleme vermeidet.
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Anhand
der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht eines Fahrzeuges mit mehreren Schwingungsdämpfern;
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2 eine
Seitenansicht eines pneumatischen, frequenzabhängigen Schwingungsdämpfers;
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3 eine
vergrößerte Querschnittsansicht des
in 2 mit dem Kreis 3 bezeichneten Bereiches des
Schwingungsdämpfers;
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4 eine
vergrößerte Schnittansicht
des in 2 mit dem Kreis 4 bezeichneten Bereiches
des Schwingungsdämpfers;
und
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5 ein
Diagramm, in dem die Schwingungsfrequenz über der Dissipation sowohl
für einen hydraulischen
wie auch einen pneumatischen Schwingungsdämpfer aufgetragen ist.
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Das
in 1 dargestellte Fahrzeug 10 ist mit einem
hinteren Aufhängungssystem 12,
einem vorderen Aufhängungssystem 14 und
einem Fahrzeugkörper 16 versehen.
Das hintere Aufhängungssystem 12 besteht
aus zwei unabhängigen
Aufhängungen
für die
Hinterräder 18.
Jede hintere unabhängige Aufhängung ist
an dem Fahrzeugkörper 16 mittels
eines Schwingungsdämpfers 20 und
einer Schraubenfeder 22 verbunden. In der gleichen Weise
besteht das vordere Aufhängungssystem 14 aus
zwei unabhängigen
Aufhängungen
für die
beiden Vorderräder 24.
Jede unabhängige
vordere Aufhängunge
ist mit dem Fahrzeugkörper 16 mittels
eines Schwingungsdämpfers 26 und
einer Schraubenfeder 28 verbunden. Die Schwingungsdämpfer 20 und 26 dienen
dazu, Relativbewegungen zwischen dem ungefederten Teil des Fahrzeuges 10 (dem
vorderen und hinteren Aufhängungssystem 12 bzw. 14)
und dem gefederten Teil (.d.h. dem Fahrzeugkörper 16) des Fahrzeuges 10 zu
dämpfen.
Wenn auch das Fahrzeug 10 als Personenfahrzeug mit unabhängigen vorderen
und hinteren Aufhängungen
dargestellt wurde, können die
Schwingungsdämpfer 20, 26 auch
bei anderen Fahrzeugtypen mit anderen Aufhängungstypen eingesetzt werden,
beispielsweise bei Fahrzeugen mit Luftfedern, Blattfedern, nicht
unabhängigen
vorderen und/oder nicht abhängigen
hinteren Aufhängungssystemen,
usw. Bin wichtiges Merkmal der zu beschreibenden Schwingungsdämpfer besteht
darin, daß sie,
wenn sie mit einer Luftfeder kombiniert werden, die Luftfeder und
der Schwingungsdämpfer
getrennte Einheiten sein können.
Eine Verbindung zwischen der Luftfeder und dem Schwingungsdämpfer ist
nicht erforderlich. Ferner ist unter dem Ausdruck „Schwingungsdämpfer", wie er hier verwendet
wird, Dämpfer
ganz allgemein zu verstehen, unter Schwingungsdämpfer fallen somit auch Mac-Pherson-Federbeine,
Federsitz-Einheiten wie auch andere Dämpferkonstruktionen.
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In 2 ist
der hintere Schwingungsdämpfer 20 genauer
dargestellt. Es versteht sich jedoch, daß der vordere Schwingungsdämpfer 26 in
entsprechender Weise ausgebildet werden kann. Der vordere Schwingungsdämpfer 26 unterscheidet
sich dann von dem hinteren Schwingungsdämpfer 20 lediglich in
der Art und Weise, in der er mit den gefederten und ungefederten
Teilen des Fahrzeuges 10 verbunden wird. Wie dargestellt,
besteht der Schwingungsdämpfer 20 aus
einem Druckrohr 30, aus einem Kolben 32, einer
Kolbenstange 34 und einer Kolbenstangenführung 36.
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Das
Druckrohr 30 bildet eine Arbeitskammer 42, die
mit einem Gas, vorzugsweise Luft, eines vorgegebenen Drucks, das
bzw. die als Dämpfungsmedium
wirkt, gefüllt
ist. Der Kolben 32, der in der Arbeitskammer 42 gleitend
angeordnet ist, unterteilt die Arbeitskammer 42 in einen
oberen Kammerabschnitt 44 und einen unteren Kammerabschnitt 46.
Zwischen dem Kolben 32 und dem Druckrohr 30 ist
eine Dichtungsanordnung 48 vorgesehen, die eine reibungsarme
Gleitbewegung des Kolbens 32 relativ zu dem Druckrohr 30 ermöglicht und
außerdem
den oberen Kammerabschnitt 44 gegenüber dem unteren Kammerabschnitt 46 abdichtet.
Die Kolbenstange 34, die an dem Kolben 32 befestigt
ist, verläuft
durch den oberen Kammerabschnitt 44 und durch die Kolbenstangenführung 36,
die das obere Ende des Druckrohres 30 schließt. Das
dem Kolben 32 entgegengesetzte Ende der Kolbenstange 34 kann
an dem gefederten Abschnitt des Fahrzeuges 10 befestigt werden.
Das der Kolbenstangenführung 36 entgegengesetzte
Ende des Druckrohres 34 kann mit dem ungefederten Abschnitt
des Fahrzeuges 10 verbunden werden. Stattdessen ist es
jedoch auch möglich, die
Stange 34 mit dem ungefederten Abschnitt und das Druckrohr 30 mit
dem gefederten Abschnitt des Fahrzeuges 10 zu verbinden,
falls dies erwünscht
ist.
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Wie
aus 2 und insbesondere 3 hervorgeht,
weist der Kolben 32 einen Kolbenkörper 54 und ein Druckventil 56 auf.
Die Kolbenstange 34 hat einen Abschnitt 58 verringerten
Durchmessers, auf dem das Druckventil 56 und der Kolbenkörper 54 angeordnet
sind. Eine Mutter 60 und eine Beilagscheibe 62 sichern
den Kolben 32 auf dem Abschnitt 58 der Kolbenstange 34,
wobei das Druckventil 56 an einer Schulter 64 der
Kolbenstange 34 anliegt, der Kolbenkörper 54 an dem Druckventil 56 anliegt
und die Beilagscheibe 62 mit der Mutter 60 an
dem Kolbenkörper 54 anliegt.
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Die
Dichtungsanordnung 48 besteht aus einem ersten Dichtring 70,
der zwischen dem Kolbenkörper 54 und
dem Druckrohr 30 an einer Stelle angrenzend an dem oberen
Kammerabschnitt 44 angeordnet ist, und einem zweiten Dichtring 72,
der zwischen dem Kolbenkörper 54 und
dem Druckrohr 30 an einer Stelle benachbart zu dem unteren
Kammerabschnitt 46 angeordnet ist. Der Dichtring 70 wird von
mehreren Nuten 74 im Kolbenkörper 54 gehalten und
dient zum Abdichten des oberen Kammerabschnittes 44 in
der Zugstufe, also während
einer Ausfahrbewegung des Schwingungsdämpfers 20. Der Dichtring 72 wird
von einem Halter 76 gehalten, der sowohl an dem Dichtring 72 wie
auch dem Kolbenkörper 54 befestigt
ist, und dient zum Abdichten des unteren Kammerabschnittes 46 in
der Druckstufe, also während
einer Einfahrbewegung des Schwingungsdämpfers 20. Wenngleich
die Dichtungsanordnung 48 als mehrteilige Komponente dargestellt
ist, können
die Dichtringe 70 und 72 jedoch auch als einteilige
Komponente ausgebildet werden, falls dies zweckmäßig ist. Die Dichtungsanordnung 48 ermöglicht eine
reibungsarme Bewegung des Kolbenkörpers 54 relativ zu
dem Druckrohr 30 und dient gleichzeitig als Abdichtung
zwischen dem oberen Kammerabschnitt 44 und dem unteren
Kammerabschnitt 46. Diese doppelte Funktion der Dichtungsanordnung 48 ist
für den
pneumatischen Schwingungsdämpfer
extrem wichtig, und zwar wegen der höheren Drücke in den Kammerabschnitten 44 und 46 und wegen
des ständigen
Erfordernisses, die Reibkräfte zwischen
Kolben 32 und Druckrohr 30 so gering wie möglich zu
halten.
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Der
Kolbenkörper 54 ist
mit mehreren Druckkanälen 80 und
mehreren Zugkanälen 82 versehen. In
der Zugstufe strömt
Gas zwischen dem oberen Kammerabschnitt 44 und dem unteren
Kammerabschnitt 46 durch die Zugkanäle 82, wie später noch genauer
beschrieben wird. In der Druckstufe strömt Gas zwischen dem unteren
Kammerabschnitt 46 und dem oberen Kammerabschnitt 44 sowohl
durch die Druckkanäle 80 wie
auch durch die Zugkanäle 82, wie
ebenfalls später
noch genauer beschrieben wird. Das Druckventil 56 hat einen
Anschlag 84, eine Ventilfeder 86 und ein Ventilglied
in Form einer Ventilplatte 88. Die Ventilplatte 88 wird
gegen den Kolbenkörper 54 von
der Ventilfeder 86 vorgespannt, die an dem Anschlag 84 ab gestützt ist,
um die Druckkanäle 80 normalerweise
zu schließen.
In der Druckstufe des Schwingungsdämpfers 20 wird das
Gas in dem unteren Kammerabschnitt 46 einschließlich des
Gases innerhalb der Druckkanäle 80 komprimiert.
Da die Zugkanäle 82 immer
offen sind, ist eine gedrosselte Gasströmung zwischen dem unteren Kammerabschnitt 46 und
dem oberen Kammerabschnitt 44 möglich, wenn das Gas in dem
unteren Kammerabschnitt 46 komprimiert wird. Das komprimierte Gas
in den Druckkanälen 80 übt eine
Kraft auf die Ventilplatte 88 aus, so daß sie in
ihrer Schließlage bleibt
und die Druckkanäle 80 schließt, bis
die von dem Gasdruck erzeugte Kraft die Vorspannung der Ventilfeder 86 überwindet
und die Ventilplatte 88 von dem Kolbenkörper 54 abhebt, so
daß zusätzliches Gas
aus dem unteren Kammerabschnitt 46 durch die Druckkanäle 80 in
den oberen Kammerabschnitt 44 strömen kann. In der Zugstufe wird
somit eine zweistufige Dämpfungskraft
erzeugt. Bei der Anfangsbewegung und/oder kleineren Bewegungen des
Kolbens 32 strömt
das Gas nur durch die Zugkanäle 82. Bei
größeren und/oder
schnelleren Bewegungen des Kolbens 32 öffnet das Druckventil 56,
so daß Gas durch
beide Kanäle 80 und 82 strömen kann.
Die zweistufige Dämpfungskraft
wechselt dann von einer relativ harten Dämpfung zu einer relativ weichen Dämpfung.
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In
der Zugstufe des Schwingungsdämpfers 20 bleibt
das Druckventil 56 geschlossen, so daß kein Gas durch die Druckkanäle 80 strömen kann. Die
gesamte Gasströmung
in der Zugstufe erfolgt durch die Zugkanäle 82, und die Größe der Zugkanäle 82 bestimmt
die Dämpfungseigenschaften
des Schwingungsdämpfers.
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Es
wird nun auf die 2 und 4 Bezug genommen.
Die in 4 genauer dargestellte Kolbenstangenführung 36 erfüllt sowohl
eine Dichtungsfunktion wie auch eine Schmierfunktion. Die Kolbenstangenführung 36 besteht
aus einem Hauptgehäuse 90,
einer oberen Dichtungsanordnung 92, einer unteren Dichtungsanordnung 94 und
einem Halter 96. Das Hauptgehäuse 90 ist in das
Druckrohr 30 passend eingesetzt, wobei zwei Dichtungen 98 die
Zwischenfläche
zwischen dem Hauptgehäuse 90 und dem
Druckrohr 30 abdichten. Der Halter 96 sichert das
Hauptgehäuse 90 in
dem Druckrohr 30. Das Gehäuse 90 bildet einen
ersten Hohlraum 100, in dem die obere Dichtungsanordnung 92 vorgesehen
ist.
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Die
obere Dichtungsanordnung 92 besteht aus einer dynamischen
Dichtung 102, die zwischen dem Hauptgehäuse 90 und der Kolbenstange 34 angeordnet
ist, einer statischen Dichtung 104, die zwischen der Dichtung 102 und
dem Hauptgehäuse 90 angeordnet
ist, und einem Halter 106, der an dem Hauptgehäuse 90 befestigt
ist, um die obere Dichtungsanordnung 92 innerhalb des Hohlraumes 100 zu
halten.
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Das
Hauptgehäuse 90 bildet
einen zweiten Hohlraum 110, in dem sich die untere Dichtungsanordnung 94 befindet.
Die untere Dichtungsanordnung 94 besteht aus einer Dichtung 112,
die angrenzend an der Kolbenstange 34 angeordnet ist, einem
Dichtungsgehäuse 114,
einem Abstandsstück 116 und
einem Halter 118, der an dem Hauptgehäuse 90 befestigt ist,
um die untere Dichtungsanordnung 94 innerhalb des zweiten
Hohlraumes 110 zu halten. Das Dichtungsgehäuse 114 ist
innerhalb des Hauptgehäuses 90 so
angeordnet, daß ihre
Zwischenfläche durch
eine Dichtung 122 abgedichtet wird. Die Dichtung 112 ist
zwischen der Kolbenstange 34 und dem Dichtungsgehäuse 14 angeordnet.
Das Abstandsstück 116 ist
angrenzend an sowohl dem Dichtungsgehäuse 114 wie auch der
Dichtung 112 angeordnet, um die Dichtung 112 beim
Einbau des Halters 118 zu schützen und um für eine vorgegebene
Kompression zwischen der Dichtung 112 und dem Dichtungsgehäuse 114 zu
sorgen.
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Das
Hauptgehäuse 90,
die obere Dichtungsanordnung 92 und die untere Dichtungsanordnung 94 bilden
zusammen eine Kammer 120, die mit Schmieröl gefüllt ist,
um für
die Abdichtung und Schmierung der Kolbenstange 34 bei ihrer
Bewegung durch die Kolbenstangenführung 36 zu sorgen. Die
zwischen dem Hauptgehäuse 90 und
dem Dichtungsgehäuse 114 angeordnete
Dichtung 122 isoliert die Kammer 120 gegenüber dem
oberen Kammerabschnitt 44. Beim Zusammenbau des Schwingungsdämpfers 10 wird
die Kammer 120 mit einer vorgegebenen Menge an Schmiermittel
gefüllt.
Die obere Dichtungsanordnung 92 isoliert die Kammer 120 gegenüber der
Umgebung, und die untere Dichtungsanordnung 94 isoliert
die Kammer 120 gegenüber
dem oberen Kammerabschnitt 44. Das Schmieimittel innerhalb
der Kammer 120 des Schwingungsdämpfers 20 dichtet
somit die Arbeitskammer 42 ab, damit der ursprüngliche
Gasinhalt erhalten bleibt, während
es gleichzeitig die Kolbenstange 34 schmiert.
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Der
oben beschriebene pneumatische Schwingungsdämpfer 20 ist ein frequenzabhängiger Dämpfer, der
auf spezielle Betriebserfordernisse für spezielle Anwendungszwecke
abgestimmt werden kann. Bei vorbekannten Hydraulikschwingungsdämpfern bewegt
sich die Flüssigkeit
in der Druck- und Zugstufe vom oberen Kammerabschnitt in den unteren
Kammerabschnitt und umgekehrt. Die Folge ist eine Frequenz/Dissipations-Kurve,
die immer stärker
ansteigt, wenn die Frequenz der gedämpften Schwingung größer wird,
was zu einer exponentiellen Kurvenform bei höheren Frequenzen führt. Bei dem
oben beschriebenen Schwingungsdämpfer
dagegen kann diese Kurve abgeflacht werden, wie aus 5 hervorgeht.
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Die
Abflachung dieser Kurve beruht auf der Kompressibilität des Gases
im Gegensatz zu der Inkompressibilität einer Flüssigkeit. Bei Bewegungen kleiner
Geschwindigkeit oder niedriger Frequenz des Schwingungsdämpfers 20 kommt
es zu einer minimalen Kompression des Gases, und bei einer Bewegung
des Kolbens 32 wird das Gas zwischen dem unteren und oberen
Kammerabschnitt 44 bzw. 46 des Druckrohres 30 übertragen.
Wenn die Frequenz der Bewegung größer wird, erhöht sich
die Kompression des Gases ebenfalls, ändert sich die Dissipation,
da sich dann das komprimierte Gas wie eine Gasfeder verhält. Der
spezielle Punkt, an dem die Kurve des pneumatischen Schwingungsdämpfers sich
von der des hydraulischen Schwingungsdämpfers wegbewegt, kann durch
Wahl unterschiedlicher Größen eingestellt
werden. Zusätzlich
zu einer Änderung
der Form der Kurve, wie in 5 gezeigt,
kann die Höhe der
Kurve durch Einstellen des Anfangsdruckes innerhalb der Arbeitskammer 42 vorgegeben
werden.
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Diese
beiden Einstellpunkte des Schwingungsdämpfers 20 bieten die
Möglichkeit,
den Schwingungsdämpfer 20 sowohl
an die natürliche Frequenz
des Fahrzeugkörpers
wie auch die natürliche
Frequenz der Radaufhängung
anzupassen, um das Betriebsverhalten des Schwingungsdämpfers 20 bei
diesen beiden Frequenzen zu optimieren. Die vorbekannten hydraulischen
Schwingungsdämpfer konnten
auf ein spezielles Ansprechverhalten abgestimmt werden, das verbleibende
Frequenzan sprechverhalten war jedoch eine Folge der Kurvenform,
die nicht geändert
werden konnte.