DE2344693C2 - Arbeitskolben von hydraulischen Pralldämpfern, insbesondere für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieh* sich a-J einen Arbeitskolben von hydraulischen Pralldäsnpfern zum Abbremsen von Prallstößen, insbesondere auf Ba- teile von Kraftfahrzeugen, der in einem Arbeitszylinder einen Arbeitsraum auf der einen von einem Abflußraum auf der anderen Seite des Arbeitskolbens trennt, mit einem durch eine zylindrische Schraubenfeder belasteten Ventilkörper, der eine den Arbeitsraum und den Abflußraum verbindende koaxiale Drosselöffnung im Ruhezustand verschließt und bei einem Prallstoß freigibt, wobei ein Flüssigkeitsstrahl auf einen zwischen dem Ventilkörper und der Schraubenfeder angeordneten Federteller trifft und diese Ventilanordnung die Höhe der Dämpfungskräfte steuert.

Der erfindungsgemäße Arbeitskolben soll für Pralldämpfer mit konstanter Dämpfungskraft unabhängig von der Kolbengeschwindigkeit Verwendung Finden. Ein dadurch verwirklichbares weitestgehend rechteckiges Kraft-Weg-Diagramm eines Pralldämpfers wird gefordert, um bei gleichbleibender Beanspruchung der Bauteile eines Kraftfahrzeuges eine höchstmögliche Arbeitsaufnahme bei einem Prallstoß zu erzielen.

Aus der DE-PS 10 37 771 ist ein Arbeitskolben der eingangs beschriebenen Gattung mit einer zentralen Drosselöffnung für Schwingungsdämpfer von Kraftfahrzeugen bekannt, wobei zur Erzeugung von Dämpfungskräften ein mit einem Federteller integrierter ^M Ventilkörper in einem Hohlraum des Arbeitskolbens angeordnet ist und der Durchmesser der Schraubenfeder und des Ventiltellers den Durchmesser der Drosselöffnung nicht wesentlich übersteigt.

Mit der bekannten Ventilkonstruktion werden Diffe- &5 renzdrücke von maximal etwa 40 kp/cm² gesteuert. Sie dürfen wegen der Gefahr einer zu großen Erwärmung de* Schwingungsdämpfers infolge der sich ständig wiederholenden Umsetzung von Schwingungsenergie in Wärme nicht größer sein. Die bei dieser Ventilkonstruktion erfolgende Zunahme der Dämpfungskraft mit zunehmender Kolbengeschwindigkeit ist für Schwingungsdämpfer von Kraftfahrzeugen erwünscht und entsteht einmal durch die mit zunehmender Kolbengeschwindigkeit zunehmende Federkraft der Schraubenfeder bei steigendem Ventilhub und außerdem durch eine Zunahme des in der Drosselöffnung selbst umgesetzten Anteils an Druckenergie in Stre oiungsgeschwindigkeit gegenüber dem im Umfangsspalt zwischen Ventilkörper und Ventilsitz umgesetzten Anteil. Wird der bekannte Arbeitskolben in einem Pralldämpfer verwendet, ergibt sich ein trapezförmiges Kraft-Weg-Diagramm mit einer größeren Dämpfungskraft beim Beginn des Bremsvorganges und einer kleineren bei dessen Ende. Dem Fachmann ist geläufig, daß ein mehr rechteckiges Diagramm realisiert werden kann, wenn die Kennlinie der Schraubenfeder möglichst weich und die Drosselöffnung möglichst groß gewählt wird, um dadurch die beiden geschilderten Einflüsse klein zu halten. Diese Maßnahmen lassen sich jedoch im vorliegenden Fall nicht verwirklichen, denn:

Bei einem Pralldämpfer können wegen der nur in größeren Zeitabständen erfolgenden Betätigung die von dem Ventilkörper gesteuerten Differenzdrücke ohne Rücksicht auf Erwärmung durch Umsetzung der vernichteten Energie in Wärme bis an die Grenze der Materialfestigkeit des Arbeitszylinders bei großer Wandstärke der verwendeten Rohre gehen und 500 kp/cm² und mehr betragen, um die geforderten kleinen Abmessungen verwirklichen zu können. Der Durchmesser einer Schraubenfeder, die mit einer entsprechend großen Federkraft den Ventilkörper belasten muß, wird erheblich größer als der Durchmesser der zugehörigen Drosselöffnung, auch wenn die Materialfestigkeit der Feder bis an die äußerste Grenze ausgenutzt wird. Das bedingt zugleich einen entsprechend großen Durchmesser des Ventiltellers.

Der Einbauraum der Schraubenfeder ist dadurch begrenzt, daß der Kolben aus Festigkeitsgriinden starkwandig sein muß und Raum für die Verwirbelung der Flüssigkeit nach dem Passieren der Ventileinrichtung vorhanden sein muß. Dadurch liegt der größtmögliche Durchmesser der Schraubenfeder fest, ebenso die größtmögliche Federkraft und die größtmögliche Drosselöffnung. Es läßt sich leicht nachweisen, daß die Drosselöffnung auch dann noch so klein ausfällt, daß sich bei den von Sicherheitsbehörden geforderten risikolosen Aufprallgeschwindigkeiten von beispielsweise 2,2 m/s, das sind 8 km/h, an der Druckumsetzung teilnimmt und daß außerdem eine weiche Federkennlinie nicht verwirklichbar ist, ohne daß die Feder unzulässig lang wird. Demgemäß bleibt das Kraft-Weg-Diagramm trapezförmig.

Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe, das Kraft'Weg*Diagramm eines Pralldämpfers weitestgehend rechteckig zu gestalten, bei einem Arbeitskolben der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch, daß der Federteller an seiner dem Ventilkörper zugewandten Stirnfläche im wesentlichen gleichmäßig über diese verteilte Nuten sowie einen koaxialen Durchbruch aufweist, wobei die Nuten im wesentlichen radial vom äußeren Rand des Federtellers bis zum Durchbruch durchgehend verlaufen.

Durch die Erfindung wird mit einfachen Mitteln ein Druckausgleich auf beiden Seiten des Federtellers und dadurch ein weitestgehend rechteckiges Kraft-Weg-

Diagramm des Pralldämpfers erreicht Durch die an der dem Ventilkörper zugewandten Stirnfläche des Federtellers vorgesehenen bevorzugten radialen Nuten, welche vom äußeren bis zum inneren Rand des Federtellers durchgehend verlaufen, also an ihren Enden offen sind, wird der gewünschte Druckausgleich während der gesamten öffnungsdauer des PraJldämpferventils jeweils sofort und kontinuierlich herbeigeführt.

Es hat sich gezeigt, daß die auf einen erfindungsgemäßen Federteller durch den Flüssigkeitsstrahl ausgeübten Staukräfte in vorteilhafter Weise den Einfluß der in der Drosselöffnung selbst umgesetzten Druckenergie und den Einfluß der zunehmenden Federkraft kompensieren, wobei die Staukraft bei hoher K.olbengeschwindigkeit, also bei Beginn des Bremsvorganges, entsprechend größer ist als bei kleiner Kolbengeschwindigkeit am Ende des Bremsvorganges. Überraschenderweise ergibt sich dieser Effekt nicht auf jeden Fall nicht in ausreichendem Maße, bei einem glatten Federteller ohne Schlitze und Durchbrüche. Eine Erklärung kann sein, daß bei einem glätten Federteller die Flüssigkeit am Federteller vorbeischießt und beim Vorhavidensein von Schlitzen und Durchbrüchen auf den Federteller hingeleitet wird, wodurch erst Staukräfte in größerem Maße in Erscheinung treten können. Bei dem bekannten Kolben ist dieser Einfluß von Staukräften auch deshalb nicht zu erwarten, weil der Ventilteller im Vergleich zur Drosselöffnung keine große Stirnfläche aufweist

Die Wirkung der Erfindung, nämlich die gleichmäßige Erreichung eines Druckausgleichs auf beiden Seiten des Federtellers, kommt besonders gut zur Geltung, wenn der Ventilkörper in an sich bekannter Weise als Ventilkugel ausgebildet ist

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der Ventilkörper einteilig mit dem Federteller ausgeführt. Hierdurch wird die Wirkung der Erfindung mit noch weiter erhöhter Sicherheit herbeigeführt

Aus der DE-AS 10 16 508 ist es zwar grundsätzlich bekannt, daß bei einem Ventil des Arbeitskolbens eines hydraulischen Teleskop-Stoßdämpfers als umlaufende kreisförmige, also jeweils in sich geschlossene Rillen ausgebildete Nuten am Federteller oder am Ventilsitz vorgesehen sind, wobei ferner der Federteller einen koaxialen ringförmigen Durchbruch aufweist. Die vorgesehenen Rillen dienen dabei jedoch zur Vermeidung eines erhöhten Widerstandes (Klebeeffekt) beim Ventilöffnen sowie ~ur gleichmäßigen Verteilung des Flüssigkeitsdrucks auf die Fläche des Ventiltellers beim Öffnen des Ventils, zumal b<;i dem bekannten Ventil die Flüssigkeit durch in einem Sektor des Kolbens, also exzentrisch vorgesehene Längsbohrungen heranströmt. Die bekannten Rillen sowie auch der Durchbruch des Federtellers unterscheiden sich also in konstruktiver und funktioneller Hinsicht grundsätzlich von der vorliegenden Erfindung und konnten somit zu dieser nichts beitragen.

Ferner ist es aus der US-PS 20 35 954, insbesondere Aiisiührungsform nach figur4, zwar grundsätzlich bekannt, daß der Ventilkörper von im Arbeitskolbcn eines Schwingungsdämpfer? vorgesehenen Ventilen als ventilkugel ausgebildet sein kann. Bei der bekannten Konstruktion sind jedoch die Ventilfeder und der Federteller in ein separates Führungsgehäuse mit einer seitlichen engen Dinchtrittsbohrung eingepaßt derart, daß bei einer Betätigung des Ventils das verdrängte Flüssigkeitsvolumen aus j-nn Führungsgehäuse durch die enge Durcbtrittsbohrang herausgedrückt bzw, durch diese wieder in das Führungsgehäuse hineingesaugt wird. Die Wirkung der vorliegenden Erfindung, nämlich ein Druckausgleich auf beiden Seiten des Federtellers, liegt bei der bekannten Anordnung jedoch keinesfalls vor. Vielmehr wird bei der bekannten Anordnung gerade das Gegenteil, nämlich durch Drosselung eine unterschiedliche Druckverteilung an beiden Seiten des Federtellers erreicht

ίο Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Pralldämpfer im Teilschnitt mit einem erfindungsgemäßen Arbeitskolben,

is Fi g. 2 ein Kraft-Weg-Diagramm und ein Geschwindigkeits-Weg-Diagramm für einen Pralldämpfer nach Fig. 1,

Fig.3 ein Kraft-Weg-Diagramm für einen Pralldämpfer, der in Abweichung von dem Pralldämpfer

nach F i g. 1 e'nen glatten Federteller aufweist

Ein Arbeitszylinder 1 und eine aus diesem tretende Kolbenstange 3 eines Pralldämpfer nach F i g. 1 sind mit ösen 2 bzw. 4 zur Befestigung an einem nicht gezeichneten Fahrzeugrahmen bzw. einer nicht ge-

zeichneten Stoßstange versehen. Ein mittels Kolbenring 6 gegenüber der Zylinderwand gedichteter Arbeitskolben 5 am inneren Ende der Kolbenstange 3 trennt im Arbeitszylinder 1 einen Arbeitsraum 7 von einem Abflußraum 8. Eine Drosselöffnung 9 in einem Ventilsitz 10 des Arbeitskolbens 5 verbindet einen Ventilraum 17 im inneren des Arbeitskolbens 5 mit dem Arbeitsraum 7 und ist durch eine Ventilkugel 11 verschlossen, die über einen Federteller 12 durch eine sich am Arbeitskolben 5 abstützende zylindrische Schraubenfeder 13 belastet ist, wobei diese in einem besonderen Führungstopf 14 geführt ist Öffnungen 18 im Mantel des Arbeitskolbens 5 verbinden den Ventilraum 17 mit dem Abflußraum 8. Der Federteller 12 weist Schlitze 15 und einen Durchbruch 16 auf, die die Räume auf seinen beiden Seiten, nämlich den anteiligen Ventilraum 20 zwischen Ventilkugel 11 und Federteller 12 und den Innenraum 19 der Schraubenfeder 13 miteinander verbinden.

Erfolgt ein Prallstoß auf die ösen 2 oder 4, baut sich im Arbeitsraum 7 ein Druck auf, der durch die Querschnittsfläche der Drosselöffnung 9 und die Schließkraft der Schraubenfeder 13 bestimmt ist.

Die Ventilkugel 11 wird schlagartig abgehoben und ein Flüssigkeitsstrahl schießt durch den von Ventilkugel 11 und Ventilsitz 10 gebildeten Umfangsspalt in den

so anteiligen Ventilraum 20 und trifft auf den Federteller 12. Der Ventilhub der Ventilkugel 11 ist dabei durch zwei Gesetze bestimmt. Einmal muß nach der Kontinuitätsgleichung der Strömungslehre die dem UmfanjHSpalt und der Strömungsgeschwindigkeit proprotionale Strömungsmenge des Flüssigkeitsstrahles gleich der der Fläche des Arbeitskolbens und der Kolbengeschwindigkeit proportionalen Vcrdrängungsinenge des Arbeitskolbens 5 ein. Andererseits müssen die auf die von der Ventilkugel 11 und dem Federteller 12 gebildete Ventilki;rpereinheit wirkenden Strömungskräfte mit der Federkraft der Schraubenfeder 13 im Gleichgewicht sein. Das Kraft-Weg-Diagramm ''Kurvenzug 68) und das Geschwindigkeits-Weg Diagramm (Kurvenzug 58) nach F i g. 2 sind für einer, Fall

<>■> dargestellt, daß ein Prallstoß auf die öse 4 gegen ein rechts befindliches festes Hindernis erfolgt und der Arbeitszylinder 1 durch das Fahrzeug in Richtung des Pfeiles 40, beginnend bei Weg 41 relativ zum

Arbeitskolben 5 verschoben wird. Nach einer kurzen Alllaufstrecke von Weg41 bis Weg42 zur Überwindung von Elastizitäten wird der Bremsvorgang bei gleicher Kraft von Weg 42 bis Weg 44 betrachtet, wobei die Geschwindigkeit von einer Anfangsgeschwindigkeit 52 parabelförmig bis zum Stillstand des Fahrzeuges bei Weg 44 auf den Wert Null abnimmt. Das nahezu rechteckige Kraft-Weg-Diagramm beginnt mit einer Kraft 62 und endet mit einer Kraft 64. Als Zwischenwerte sind Kraft 63 und Geschwindigkeit 53 bei einem Weg 43 eingetragen, der 10% des Weges 42 bis 44 vor Stillstand entspricht.

An einem die wahren Verhältnisse vereinfachenden Zahlenbeispiel mit einer Anfangsgeschwindigkeit 52 von 2,2 m/s und einem Bremsweg 42 bis 44 von 5 cm seien die Verhältnisse für einen Arbeitskolben nach Fig. 1 von 5cm² Kolbenfläche erläutert, wobei die angegebenen Werte im wesentlichen nur in ihrer steigenden oder fallenden Tendenz wichtig sind.

Es so" der Nachweis erbracht wcrdcri, daß die von der Ventileinrichtung gesteuerten Differenzdrücke zwischen Arbeitsraum 7 und Abflußraum 8 unabhängig von der Kolbengeschwindigkeit bei Weg 42 und Weg 43 einander gleich sind und beispielsweise 500 kp/cm² betragen, woraus gleiche Kräfte 62 und 63 entstehen, wenn der Einfachheit halber im Abflußraum 8 ein gleichbleibender Druck von beispielsweise 20 kp/cm² angenommen wird, der auch im Ventilraum 17 und im Innenraum 19 der Feder 13 herrschen möge. Der absolute Druck im Arbeitsraum 7 beträgt dann 520 kp/cm². Die durchströmte Fläche der Drosselöffnung 9 betrage 0,07 cm². Ebenso groß sei die Kreisfläche der Ventilkugel, auf die der statische Druck des Flüssigkeitsstrahls wirkt.

Unter diesen Annahmen wird bei Weg 42 die Drosselöffnung 9 mit einer Geschwindigkeit von 150 m/s durchströmt und erzeugt dabei einen Druckabfall von 100 kp/cm². wenn normales Stoßdämpferöl vorausgesetzt ist, so daß vor der Ventilkugel U ein statischer Druck von 420 kp/cm² herrscht und daraus eine auf die Feder 13 wirkende statische Teilkraft von 28 kp folgt. In dem durch einen entsprechenden Venfiihub entstandenen Umfangsspalt müssen die restlichen 400 kp/cm² bis auf den Druck von 20 kp/cm² im Ventilraum 17 umgesetzt werden. Unter Annahme einer verlustlosen Druckumsetzung in Geschwindigkeit muß die gesamte Druckdifferenz von 500 kp/cm² in Geschwindigkeit des den Umfangsspalt verlassenden Strahles umgesetzt sein, woraus sich diese Geschwindigkeit zu 330 m/s ergibt Der Flüssigkeitsstrahl trifft auf die Ventilkörpereinheit von Ventilkugel 11 und Federteller 12 un-J möge auf diese eine Staukraft von 15 kp ausüben, so daß insgesamt eine Kraft von 43 kp auf den Federteller 12 entsteht der die entsprechend zusammengedrückte Feder 13 mit 43 kp Federkraft das Gleichgewicht hält

Bei Weg 43. der oben mit 10% vor Stillstand definiert ist ist eine Kolbengeschwindigkeit 53 von 0.7 m/s vorhanden, wird die Drosselöffnung 9 mit einer Geschwindigkeit von 48 m/s durchströmt und erzeugt einen Druckabfall von 10 kp/cm², so daß vor der Ventilkuge! ein statischer Druck von 510 kp/cm² herrscht und daraus eine auf die Feder 13 wirkende statische Teilkraft von 34 kp erfolgt In dem nunmehr durch einen kleineren Ventilhub entsprechend kleineren Umfangsspalt müssen die restlichen 490 kp/cm² umgesetzt werden. Unter den gleichen Annahmen wie oben ist die Geschwindigkeit des den Umfangsspalt verlassenden Strahles wiederum 330 m/s. Der Flüssigkeitsstrahl, dessen Energie wegen der geringer. Durchfluß-

'< menge nunmehr kleiner ist, möge auf die Ventilkörpereinheit jetzt eine Slaukrafi von 5 kp ausüben, so daß insgesamt eine Kraft von 39 kp auf den Federteller 13 entsteht, der die weniger zusammengedrückte Feder mit 39 kp das Gleichgewicht hält. Damit ist ein

i" Nachweis erbracht, in welcher Weise die Drücke im Arbeitsraum 7 bei Weg 42 und Weg 43 gleich sein können.

Die in dem BciimcI erhaltenen Federkräfte und die erhaltene Federkraftdifferenz von 4 kp entsprechen den

i' Daten einer in dem vorhandenen Finbaur.uim unterbringbaren Feder 13, was nicht besonders nachgewiesen werden soll. Ob der angenommene etwa der Kolbengeschwindigkeit proportionale Unterschied der .Staukräfte von 3 : 1 zutrifft, sei dahingestellt ist aber wahrschein·

Strahlgeschwindigkeit von 300 m/s auch der Durchflußmenge, d. h.der Kolbengeschwindigkeit proportional ist und etwa 3 : 1 beträgt. Auf jeden (-all ist durch die nachgewiesene Tendenz einem Versuchsingenieur die

.') Möglichkeit gegeben, durch entsprechende Bemessung des Federtellers 13. der Schlitze 15 und der Durchbrüche 16 gleichbleibende Kräfte 62 und 63 einzustellen.

Es liegt auf der Hand, daß auch die /.wischenwerte der Krii:e einander etwa gleich sind, wenn dies für die

H) Kräfte 62 und 62 zutrifft Bei Weg 44. also Stillstand wird im Moment des Schließens der Ventilkugel die Staukraft Null und ist der Drück vor der Ventilkugel gleich dem Druck im Arbeitsraum 7.

Jetzt möge die Federkraft der Feder 13 um 2 kp kleiner sein als bei Weg 43 und demgemäß 37 kp betragen. Daraus resultiert ein Druck im Arbeitsraum von 550 kp/cm². so daß bei Hubende ein Ansteigen der Dämpfungskraft 64 zu erwarten wäre. Dies tritt jedoch bei dem Diagramm nach F i g. 2 nicht in Erscheinung, da durch Undichtheiten des Arbeitskolbens 5. insbesondere durch den Schlitz des Kolbenringes 6 Druck abgebaut wird.

Der Schlitz des Kolbenringes ermöglicht eine Rückst.ömung der Flüssigkeit aus dem Abflußraum 8 in

•»5 den Arbeitsraum 7, so daß der Pralldämpfer nach erfolgter Betätigung in seine Ausgangstage zurückkehren kann. Um die Rückströmung zu erleichtern kann eine gegenüber dem Kolbenring Flankenspie! und Rückenspiel aufweisende Kolbenringnute mit Unterbrechungen in der dem Arbeitsraum 7 zugewandten Flanke versehen werden, durch die eine Verbindung von Abflußraum 8 mit dem Arbeitsraum 7 geschaffen wird.

Die Schraubenfeder 13 ist in dem Führungstopf 14

zweckmäßig sehr eng geführt, um ein Ausknicken der Feder 13 zu verhindern. Schlitze 24 können im Führungstopf als zusätzliche Verbindung vom Innenraum 19 der Feder 13 zum Ventilraum 17 vorgesehen sein. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann auch Einfluß auf Geräuschprobleme und das Auftreten

W von Federschwingungen genommen werden.

Das Kraft-Weg-Diagramm nach Fig.3 mit einem Kurvenzug 78 der Kraft über dem Weg 70 ist deutlich trapezförmig, wenn die erfindungsgemäßen Maßnahmen fortgelassen werden und der Federteller 13 glatt

" ausgeführt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   !,Arbeit ^olben von hydraulischen Pralldämpfern zum Abbremsen von PrallstöBen, insbesondere auf Bauteile von Kraftfahrzeugen, der in einem Arbeitszylinder einen Arbeitsraum auf dar einen von einem Abflußraum auf der anderen Seite des Arbeitskolbens trennt, mit einem durch eine zylindrische Schraubenfeder belasteten Ventilkörper, der eine den Arbeitsraum und den Abflußraum verbindende ι ο koaxiale Drosselöffnung im Ruhezustand verschließt und bei einem Prallstoß freigibt, wobei ein Flüssigkeitsstrahl auf einen zwischen dem Ventilkörper und der Schraubenfeder angeordneten Federtel-Ier trifft und diese Ventilanordnung die Höhe der Dämpfungskräfte steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Federteller (12) an seiner dem Ventilkörper zugewandten Stirnfläche im wesentlichen gleichmäßig über diese verteilte Nuten (15) sowie einen koaxialen Durchbrach (16) aufweist, wobei die Nuten (15) im wesentlichen radial vom äußeren Rand des Federtellers (12) bis zum Durchbruch (16) durchgehend verlaufen.
2. 2. Arbeitskolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper in an sich bekannter Weise als Ventilkugel (11) ausgebildet ist.
3. 3. Arbeitskolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vcmilkörper einteilig mit dem Federteller ausgeführt ist

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