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"Frequensselektiver Schwingungsdämpfer für Kraftfahrzeuge Die Erfindung
betrifft einen frequenzselektiven Schwingungsdämpfer zur Dämpfung der Schwingungen
von Kraftfahrzeugen mit einem mit Öl und Gas gefüllten Arbeitszylinder, einer aus
dem Arbeitszylinder ausfahrenden Kolbenstange und einem auf der Kolbenstange starr
befestigten, den Arbeitsraum abschließenden Kolben, in dem ein Ventil vorhanden
ist.
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In der Kraftfahrzeugindustrie hat sich der hydraulische telestopische
Schwingungsdämpfer allgemein verbreitet, wobei von beinen beiden Enden das eine
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Aufbau (zur Karesserie),das andere dem Laufwerk amgeschlossen
ist- Der Dänprer wird durch die @elative Bewegung der beiden Znden gesteuert und
der Bewegungsgeschwindigkeit entsprechend wird cii. Dämpfungskraft ausgeübt. Mit
Hinsicht darauf, dass das Laufwerk und der Aufbau - und damit die beiden Endan des
Schwin ungsdämpfers -- sich bei jedwelcher Frequenz gegebeinander notwendigerweise
bewegen,funktionieren die bekannten Schwingung, -dämfer binnen des ganzen Frequenzbereich
auf gleiche Art und Weise. Demzufloge befriedigen die herkömmlichen Schwingungsdämpfer
die gegensätzlichen Forderungen an Reisebequemlichkeit und Optimalisierung der Fahrtztabilität
mit einem gewissen Kompromiss.
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Durch die entsprechende frequenzselektive Däifungder Kraftfahrei zeugschwingungen
kann erreicht werden, dass die Schwingungs -dämpfer bloss in der Umgebung der Resonanzfrequenzen
Funktion ieren,wodurch sowohl die Reisebequemlichkeit,wie auch die Fahrtstabilität
- nit den herkömmlichen Lösungen verglichen - verbessert werden können.
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Es sind auch Schwingungsdämpfersysteme zu Kraftfahr -zeugen bekannt,die
die Schwingungen diverser Frequenz verschiedend dämpfen, wie das in der englischen
Patentschrift ( Reg.Nro.
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1 040 816) bekanntgegebene System. Bei dieser Lösung ist nit den zwischen
dem Laufwerk und den Aufbau vorhandenen Schwingungsdlipfcr ein elastisches Element
in Reihe geschaltet, weiterhin wird auf den ungefederten Laufwerk iit Hilfe einer
über das parallel geschaltete,elastische Element und den Schwingungs-
Dämpfer
sich anschliessenden Zusatrmasse eine dynamische Schwingungsdrosselung ausgestaltet.
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Die zwischen dem Aufbau und dem Laufwerk in Reihe geschltete Federn
und der Schwingungsdämpfer sichern bei niedrigen Schwingungsfrequenzen die gewüsnschte
relstive Dämpfung,die bei zunehmender Frequenz immer nehr sich vermindert; dadurch
kann es erreicht werden,dass die Dämpfungskraft einen woraus bestimmten Wert nicht
über schreitet und die Schwingungen des Laufwerkes von relativ grosser Frequenz
die Reisebequemlichkeit nicht bedeutend beeinträchtigen.
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Als Folge der bei zunehmender Frequenz monotonerweise sich ver ei
hindernden relativen Dämpfung würde in der Umgebung der relativ hohen Eigenfrequenz
des Laufwerkes ein undämpfbarer Zustand des Systems eintreffen, deshalb wird eben
die auf dem Laufwerk angebaute und auf dessen Eigenfrequenz abgeztimmte Schwingungsdrosselung
angewendet.
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Die in der Patentschrift # englische Patentschrift No. 1 04. 816)
beschriebene Dämpfung verfügt über die vorteilhafte Ekigenzchaft, dass infolge der
Frequenzselektivität --mit dem traditionellen Dämfungssystemen verglichen -- eine
bessere Re@sebequemlichkeit und höhere Fahrtstabilität gewährleistet wird.Dagegen
bringt die Lösung den Nachteil lit sich,dass die Produktionakesten diejenigen der
herkömmlichen Schwingungsdämpfer überschrieten,die allgemeine Einführung bei den
gegenwlkrtig in Produktion sich befindenden traftfahrzeugen eine bedeutend Konstruktionsänderung
beanspruchen
würde,weiterhin würde bei schweren Kraftfahrzeugen'bei
der Dämpfung von ungefederten Massen,die Dämfung durch eine Schwingungsdrosselung
das Einbauen von Hilfmassen erfordern, die die dynamischen und wirtschaftlichen
Charakteristiken des Kraftfahrzeuges beeinträchtigen würden Infolge der obenerwähnten
Nachteile konnte das System bloss bei Personenkraftwagen oder bei spezialen Kraftwagen
angewendet werden.
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Ziel und Zweck gegenwärtiger Erfindung ist einen derartigen Frequenzselektiven
Schwingungadämpfer zu entwickeln, bei den die Gestaltung,die Kompliziertheit und
die Produktionskosten unbedeutend von denen der herkömmlichen und sich ver -breiteten
Schwingungsdämpfer abweichen und der hauptsächlich in der Umgebung der Resonanzfrequenzen
des Aufbaus und des Laufwerks wirkt.
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Bei der Erfindung wird die allgemeine Eigenartigkeit der relativeh
Bewegung des Aufbaues und des Laufwerkes zunutze gemacht. dass die in der Umgebung
der Eigenfrequenz des Aufbaues entstandene Resonanzstelle eine rasche Zunatune der
Bewiegung bervorruft,dagegen ist die Eigenfrequenz des Laufwerks - neben einer geringen
Bewegung - durch die kraktvolle Zunahme der Schwingungsgeschwindigkeit charakterisiert.
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Das Wesentliche des s erfindungsgemässen Schtingungsdämpfer besteht
darin,dass auf der aus den mit 01 aufgefüllten Arbeitszylinder ausfahrenden Kolbenstange
ein Kolben befestigt ist,auf der selben Kolbenstange ein Schwebekolben vorhanden
ist,
der sich über die in Reihe geschaltete und direkt wirkend Feder
und die wegverzögerte Feder der Kolbenstange anschliesst, weiterhin ist zwischen
den beiden Kolben ein doppelwirkendes Ventil vorhanden infolge der Funktion des
genannten Ventils üben die beiden Kolben in der Abhängigkeit der Schwingungs -frequenz
und der Amplitude abwechselnd eine dämpfende Titigkeit aus,wobei diese Dämpfung
durch die Lage der wegverzögerten Feder zur Grundstellung des Schwebekolbens,sowohl
durch die Federsteife geändert werden kanne Die lunktion des erfindungsgemässen
Schwingungsdämpfers weicht dadurch von der Funktion der herkömmlichen Schwingungsdämpfer
ab,dass in der Umgebung der Eigenfrequenz des Aufbaus bloss die Schwingungen mit
einer den Schwellenpegel überschreitenden Amplitude,aus den Schwingungen mit einer
den Schwellenpegel unterschrietenden Amplitude bolss diejenige mit grosser Geschwindigkeit
wirksam gedämpft werden. Obige in Betracht nehmend findet die Dämpfung hauptsächlich
in der Umgebung der Resonanzstellen statt Die Frequenzselektivität wird durch die
Empfindlichkeit des Schwingungswegs gesichert.
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Der Dämpfer funktioniert in einer Richtung,die entscheidende Mehrheit
der Dämfungstätigkeit findet bei der voneinander sich entfernden Bewegung der beiden
Enden des Dämpfers statt.
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In der beiliegenden Zeichnung wird die Anordnung des erfindungsgemässen
frequenzselektiven schwingungsdämpfers mit den,hinsichtlich der Funktion wesentlichen
Elementen dargestellt.
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Die Elementen des Schwingungsdämpfers befinden sich in den mit Öl
aufgefüllten Arbeitszylinder 1, woraus unter Anwendung der Dichtung 2 die Kolbenstange
3 r- - fährt. Auf der Kolbenstange ist der Kolben + steif befestigt, in dessen Mitte
der kontinuiuliche Durchfluß mischen dem unteren Arbeitsraum 5 und dem mittleren
Arbeitsraum 6 durch Drosselung 7 und Bohrung 8 gesichert auf ist. Weiterhin ist
dem Kolben 4 ein mit der schwachen Feder 9 belastetes,über einen grossen Durchflussquerschnitt
verfügendes Ventil 10 angeordnet Auf der Kolbenstange 3 ist der locker angepasste
Schwebekolben 11 montiert, worauf über die direkt wirkende Feder 12 und über die
mit Wegverzögerung funktionierende Feder 13 die Bewegung der Kolbenstange 3 tLbertragen
wird. Der zwischen den Kolben sich befindende Arbeitsraum 6 wird von dem über den
Kolben liegenden Ölspeicherraum 14 durch das mit Feder 15 belastete,doppelwirkende
Ventil 16 und durch das Bit der schwachen Feder belastete,über einen gorssen Durchflussquerschnittverfügende
Ventil 18 abgetrennt,gleichzeitig stehen über die ii Ventil 16 gebildete kleine
Spalte die Arbeitsräume 6 und 14 in stetiger VerbindungS Während des Betriebes schliesst
sich der Schwingungsdämpfer über die Gummifedern 19 und 20 u dem Kraftfahrzeug an
In der Hinsicht der Funktion ist noch das in oberen Teil des Ölspeicherraumes eingesperrte
Überdruckgas massgebend.
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@er erfindungsgemässe frequenzselektive Schwingungsdämpfer funktioniert,wie
folgt
Die Funktion des Schwingungsdämpfers bei einem grossen Schwingungsweg:
Bei einer ausfedernden Bewegung entfernen sich die beiden Enden des Schwingungsdämpfers
voneinander,die aud dem Arbeitszylinder ausfahrende Kolbenstange 3 fährt abwärts.
Das im Arbeitszylinder 1 sich befindliche Öl ist vom Aussenraum durch die,neben
der aus dem Innenraum herausfabrenden Kolbenstange 3 angebrachte Hochdruckdichtung
2 abgedichtet. Der mit der Kolbenstange steif zusammengebundene Kolben 4 strebt
sich das ii unteren Arbeitraum 5 sich befindende Öl zusammenzudrücken, wodurch der
Öldruck sich erhöht und durch Drosselung 7 und Bohrung 8 in den mittleren Arbeitsraum
6 strömt. Die Drosselung 7 raft an beiden Seiten des Kolbens 4,zwischen den Arbeitsräumen
5 und 6; eine Druckdifferenz hervor. Das in den Arbeitsraum 6 einströmende Öl kann
gegen den oberen Speicherraum 14 nur durch die kleine,im doppeiwirkenden Ventil
vorhanden Spalte weiterströmen,deizu -folge nimmt del Oldruck auch in dem mittleren
Arbeitsraum b zu und bewegt den Schwebekolben 11 gegen die Feder 12; sobald die
Bewegung des Schwebekolbens 11 die Feder 13 erreicht hat, deren Federsteife diejenige
der Feder 12 überschreitet, beginnt die Federkraft schnell sich zu erhöhen,und der
damit proportional zunehmende Öldruck öffnet das mit Feder 15 belastete doppelwirkend
Ventil 16, wodurch das Öl in den oberen Speicherraum 14 strömt.
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Gleichzeitig behebt das doppeiwirkende Ventil 16 die Drosselung 7.
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wedurch die an den beiden Seiten des Kolbens, zwischen den Arbeitsräumen
5 und 6 bestehende Druckdifferenz ausgeglichen wirkt Im Laufe der weiteren,nach
aussen sich vollziehenden Bewegung spielt der an Kolbenstange 3 steif befestigte
Kolben 4 keine Rollo; die Dämpfungskraft wird durch die Charakteristik des Ventils
16 und die Charakteristik der Feder 12,13, die mit dem Schwebekolben 11 in Reihe
geschaltet sinn, bestimmt, dadurch ist die wirksame Dämpfung der in der Umgebung
der Eigenfrequenz des Aufbaus auftretenden Schwingungen mit grosser Amplitude gesichert.
Die entsizanden,mit dem öldruck proportionale Dämpfungskraft wird durch Gummifedern
19,20 auf das Kraftfahrzeug über an tragen.
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Die infolge der Bewegung der Kolbenstange 3 entstandene Gesamtvelumenänderung
wird von dem in oberem Speicherraum 14 eingeschlossenen Gas 21 aufgenommen. Zwischen
dem Cl und dem Gas ist keine Trennwand vorhandensso ist im Interesse der stetigen
Olauffüllung der Arbeitsräwne die Lage des Schwingungsdämpfers derart angeordnet,
@ass die Kolbenstange abwärts von Arbeits -zylinder ausfährt.
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Dem im zwischen dem mittleren Arbeitsraum 6 und den oberen Speicherraum
14 befindlichen doppelwirkenden Ventil 16 ausgestalteten, ständig offenen Spalts
wurde die Rolle zuerteilt,den Öldruck bis zum Ventilöffnen
und zwecks Erleichterung der Montage die mit geringer Kraft durchführbare Fortbewegung
der Kolbenstange zu sichorne
Wechselt sich nach der beschriebenen
Arbeitsphase das Verzeichen der relativen Geschwindigkeit der beiden Enden des Schwingungsdämfers
( Einfederung: die beiden Enden des Dämpfers nähern sich zu einander),so schliesst
sich das Ventil 16 zu.
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Die Ölauffüllung des unteres Arbeitsräumes 5 mit zu -nehmendem Volumen
wird durch das vom Arbeitsraum 6 zurückströmende 01 gesichert,wobei das 01 durch
das im Kolben 4 befindliche, gegen die schwache Feder 9 öffnende Ventil 10 strömt.
Die zur Rückströmung benötigte Druckdifferenz wird solange vom Schwsbekolben ll,der
mit den Federn 12 und 13 belastet ist,beigestellt, bis der Schwebekolben seine Grundstellung
wieder nicht aufnimmt.
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Ii Laufe der weiteren Fortbewegung ändert sich der Raumgehalt des
mittleren Arbeitsruames nicht, und die Ölauffüllung des untoren Arbeitsraumes 5
findet im oberen Speicherraum 14 statt: unter dem Einfluss des geringen Uberdrucks
des Gasraumes 21 , sowohl des hydrostatischen Druckes fliesst das Öl durch das gegen
die schwache Feder 17 öffnende Ventil 18 in den mittleren Arbeitsraum 6 ,dorther
fliesst es auf die bekannte Weise dem unteren Arbeitsraum 5 zu. Nach der Beendigung
der Einfederungsbewegung sind die Arbeitsräume des Dämpfers mit Öl aufgefüllt und
die Ventile 10 und 18 schliessen sich zu.
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Im Laufe zu dsr der Einfederungsbewegung entstehen kleine Druckdifferenzen,dementsprechend
ist auch die Dämpfungskraft gering.
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Die Funktion des Schwingungsdämpfers bei einem geringen Schwingungweg:
Bei der ausfederungsbewegung strömt das in dem unteren Arbeitsraum sich befindende
Öl durch Drosselung 7 und Bohrungen 8 in den mittleren Arbeitsraum hinein und bewegt
den Schwebekolben il gegen die Feder 123 Der Schwingungsdämpfer übt der Charakteristik
der Drosselung 7 geiäss eine,dem Quadrat der Schwingungege -schwindigkeit proportionale
Dämpfungskraft aus Bei geringen Schwingungswegen ist die Fortbewegung des WSchwebekolbens
11 auf der Kolbenstange 3 zum Erreichen der Feder 13 ungenügand, so erreicht der
Öldruck in dem mittleren Arbeitsraum 6 den Öffnungsdruck des Ventils 18 nicht. Den
in Reihe geschalteten Gummifedern 19 und 20 wird die Rolle zuerteilt -falls die
Schwingungsfrequenzen die Eigenschwingungszahl des Laufwerks überschreiten - bei
Zunahme der Frequenz den Dämpfungs -faktor zu vermindern.
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Bei der Einfederungsbewegung kehrt der vorher von seiner Grundstellung
fortbewegte Schwebekolben 11 in seine Grundstellung zurUck,wobei das Öl von dci
Arbeitsraum 6 durch das Ventil 10 in den unteren Arbeitsraum 5 strömt. Während der
Dauer der Aus-und Einfederungsbewegung - um das durch die im doppelwirkenden Ventil
vorhandene, geöffnete Spalte fortlaufend in den oberen Speicherraum strömende Öl
zu ersetzen - öffnet sich unter dem Einfluß des Druckes des Gasraums 21 das Ventil
18,wodurch das Öl vom oberen Speicherraum 14 in den mittleren Arbeitsraum 6 strömt
von da
durch das offene Ventil 10 in den unteren Arbeitsraum 5
stromend sichert das Öl die vollständige Auffüllung. Nach Boondigung der Bewegung
schliessen sich die Ventile 10 und 18 zu.
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Vom Standpunkt der Funktion des Schwingungsdämpfers aus betrachtet
hängt die Grösse des Schwingungswegs von der Grösse des Fortbewegunswegs des Schwebekolbens
11 bis zum Erreichen der Feder 13 ab,wobei die durch Aenderung des Fortbowegungswegs
modifiziert werden kann.
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Der erfindungsgemässe Schwingungsdämpfer bietet die bereits beschriebenen
Vorteile der frequenzselektiven Schwingungsdämpfung an,dabei weicht dieser in der
Hinsicht der Abmessungen, der Kompliziertheit und Zahl der Bestandteiledes Gewichts
und der Einbauart nur in geringen Nasse von den berkömmlichen,auf nicht frequenzselektiven
Prinzip arbeitenden Schwingungsdämpfen ab.