DE3535287C2

DE3535287C2 -

Info

Publication number: DE3535287C2
Application number: DE3535287A
Authority: DE
Inventors: Heinz 5208 Eitorf De Knecht; Bernd Dipl.-Ing. 5249 Hamm De Moser
Original assignee: Boge GmbH
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1985-10-03
Filing date: 1985-10-03
Publication date: 1989-05-11
Also published as: FR2588343B1; FR2588343A1; US4749069A; DE3535287A1; IT8621220A0; JPH0427414B2; IT1213454B; JPS6283208A; BR8603791A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schwingungsdämpfungssystem für Fahrzeuge, bestehend aus mindestens einem hydraulischen, regelbaren Schwingungsdämpfer und einer Tragfeder, wobei der Schwingungsdämpfer mit einem an einer Kolbenstange befestigten Arbeitskolben den Arbeitszylinder in zwei mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllte Arbeitsräume unterteilt, wobei parallel zum Arbeitszylinder ein in einem Bypass angeordnetes, aus einem mit einem eine Federscheibe aufweisenden Durchlaß zusammenarbeitenden, axial beweglichen, steuerbaren Ventilkörper bestehendes, einen Elektromagneten aufweisendes und über eine angepaßte Elektronik ansteuerbares Dämpfungsventil vorgesehen ist, welches je nach Schaltzustand eine obere und untere Dämpfungskraft im Verhältnis zur jeweiligen Kolbengeschwindigkeit erzeugt.

Es sind hydraulische Stoßdämpfer bekannt (z. B. DE-AS 12 42 945, DE-AS 14 05 781, FR-PS 11 75 293), deren Dämpfungscharakteristik durch Ändern des Flusses des hydraulischen Dämpfungsmittels durch die Dämpfungsventile elektromagnetisch regelbar ist. Dabei werden zwei Bypassverbindungen vorgesehen, von denen die erste Verbindung generell zur Regelung der Dämpfungskraft in der Zugstufe gegenüber der Druckstufe dient. Zur Änderung der Dämpfungskraft bei unterschiedlichen Straßenbedingungen in der Zugstufe ist zusätzlich eine weitere Bypassverbindung vorgesehen, in der ein elektromagnetisch steuerbares Ventil angeordnet ist. Nachteilig ist hierbei, daß eine Beeinflussung der Dämpfungskraft in der Druckstufe nicht vorgesehen ist. Darüber hinaus lassen sich mit einem Elektromagneten, der entweder in Auf- oder Zustellung schaltbar ist, nur eine entsprechende obere und untere Dämpfungskraftkennlinie erzielen. Zwischenwerte sind dabei nicht erreichbar.

Darüber hinaus sind hydraulische, einstellbare Dämpfer bekannt (z. B. DE-OS 21 19 531), bei denen ein erstes Dämpfungselement und zusätzlich eine mit einem Regelventil ausgestattete Leitung vorgesehen ist. Dabei ist in einer geschlossenen Schleife ein Regelventil und ein Dämpfungselement jeweils separat angeordnet. Die Einstellung des Regelventiles erfolgt manuell oder durch die Wirkung eines der Fahrzeugorgane. Dabei ist von Nachteil, daß ein Betätigen des Regelventiles wiederum lediglich eine obere und eine untere Dämpfungskraftkennlinie erzielbar ist, wobei zwischen diesen beiden Grenzwerten eventuell gewünschte Dämpfungswerte durch ein bloßes Ein- und Ausschalten des Regelventiles nicht erzielt werden können. Außer den gegebenen Grenzwertlinien ist eine weitere Variabilität nicht gegeben.

Es ist aus der eine ältere Anmeldung betreffenden nachveröffentlichten DE-OS 34 34 877 bekannt, ein Dämpfungsventil eines Schwingungsdämpfers variabel anzusteuern, um eine verstellbare Dämpfung der Zug- und Druckstufe zu erzielen. Durch die konstruktiven Gegebenheiten ist eine Verstellung von zwei verschiedenen Kennlinien pro Dämpfungsventil gegeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Bypassventil eines Stoßdämpfers elektronisch so anzusteuern, daß sowohl in der Zug- als auch in der Druckstufe zwischen zwei fest definierten Grundkennlinien eine gewünschte, variierbare Dämpfungskraft erzielt wird und darüber hinaus kurze Umschaltzeiten zu gewährleisten.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Elektromagnet über ein wählbares Tastverhältnis getaktet ist, so daß sich als Dämpfungskraft der Wert der oberen Dämpfungskraft abzüglich der Differenz der oberen Dämpfungskraft und der unteren Dämpfungskraft multipliziert mit dem Tastverhältnis einstellt.

Bei dieser Ausbildung erfolgt eine schnelle Dämpfungskraftbeeinflussung durch Modulation der Dauer des Einschaltimpulses des Dämpfungsventiles im Bypasskanal. Dies bedeutet, daß sich durch Änderung des Tastverhältnisses zwischen Öffnen und Schließen des Ventilkörpers die Dämpfungskraft zwischen zwei fest definierten Grundkennlinien in effektiver Weise variieren läßt. Die Grundkennlinien der Dämpfungskraft sind dabei durch die mechanischen Bauteile wie z. B. die Dämpfungsventile und den Querschnitt des Bypasses bestimmt. Das Tastverhältnis ist dabei das Verhältnis zwischen der eingeschalteten Zeit des Elektromagneten zu einer konstanten Zeitperiode.

Für den Fall, daß eine Dämpfungskraft bei einer bestimmten Kolbengeschwindigkeit geometrisch genau zwischen der oberen und der unteren Dämpfungskraftkennlinie gewünscht wird, ist ein Tastverhältnis von 50% anzustreben. Das bedeutet, daß innerhalb einer bestimmten Periodendauer der Ventilkörper die Hälfte der Zeit den Durchlaß öffnen und die übrige Hälfte verschließen muß. Die Stellgenauigkeit für die zwischen den Grenzwerten liegenden effektiven gewünschten Dämpfungskräfte ist dabei von der Höhe der Taktfrequenz des Elektromagneten abhängig. Das bedeutet, daß eine entsprechende Auflösung vorhanden sein muß, woraus sich ergibt, daß, je kleiner die Zeitkonstanten ausführbar sind, auch eine entsprechend bessere Auflösung erzielt werden kann.

Nach einem weiteren wesentlichen Merkmal ist vorgesehen, daß mindestens zwei Dämpfungsventile parallel im Bypass angeordnet sind. Dabei kann mit Vorteil der Dämpfungskraftsprung zwischen dem oberen und dem unteren festen Grenzwert reduziert werden. Bei der Verwendung von z. B. zwei DämpfungsVentilen mit entsprechender elektronischer Ansteuerung läßt sich das durch die Impulsbreiten-Modulation beeinflußbare Verstellfeld in drei Teilfelder mit jeweils reduzierten Dämpfungskraftsprüngen aufteilen. Die drei Verstellfelder werden durch die vier möglichen Dämpfungskraftkennlinien erzeugt. Diese vier Dämpfungskraftkennlinien ergeben sich aus der Schaltkombination der beiden Dämpfungsventile, wobei z. B. beide Ventilkörper geschlossen, das erste Ventil offen und das zweite Ventil geschlossen, das zweite Ventil offen und das erste Ventil geschlossen, und als vierte Möglichkeit die Ventilkörper beider Dämpfungsventile offen sein können. Durch diese Schaltkombinationen ergeben sich die entsprechenden Dämpfungskraftbereiche, so daß Dämpfungskräfte in diesen drei einzelnen Verstellfeldern durch die Ansteuerung eines einzelnen oder beider Ventile zugleich einstellbar sind.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Ventilkörper eine kleine Dichtfläche aufweist, deren Innendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser des Ventilkörpers. Darüber hinaus kann vorgesehen werden, daß der Außendurchmesser der Dichtfläche größer ist als der Außendurchmesser des Ventilkörpers.

Hierbei ist von Vorteil, daß sich eine stabile, vom Arbeitsdruck des Stoßdämpfers geringfügig unterstützte Schließposition des Dämpfungsventiles ergibt. Im geöffneten Zustand des Ventilkörpers wirkt der vom Dämpfungsventil des Bypasses bestimmte Druck über die äußere Fläche des Ventilkörpers und unterstützt somit den Schließvorgang des Ventilkörpers. Die geometrischen Verhältnisse des Ventilkörpers lassen sehr kurze Umschaltzeiten zu. In Abstimmung der Teilflächen der gesamten Ventilkörperdichtfläche liegt die Möglichkeit, die Umschaltzeiten hydraulisch günstig zu beeinflussen. Diese hydraulische Unterstützung erlaubt darüber hinaus den Einsatz einer Ventilkörper-Rückstellfeder mit sehr geringen Rückstellkräften. Damit erhöht sich die für die Schaltzeit des Elektromagneten wichtige, freie Magnetkraft am Anker des für das Dämpfungsventil maßgebenden Elektromagneten.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in den Figuren schematisch dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen hydraulischen Stoßdämpfer mit einem Dämpfungsventil, teils geschnitten

Fig. 2 ein Dämpfungsventil mit einem Elektromagneten, als Einzelteil geschnitten

Fig. 3 ein Kraftgeschwindigkeitsdiagramm eines verstellbaren Stoßdämpfers mit einem Bypass-Ventil

Fig. 4 ein Diagramm einer Dämpfungskraftbeeinflussung an der Stelle Vx (Kolbengeschwindigkeit) in Fig. 3

Fig. 5 ein weiteres Kraftgeschwindigkeitsdiagramm mit vier verschiedenen Grundkennlinien und drei entsprechenden Teilverstellfeldern.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Schwingungsdämpfungssystem handelt es sich um ein Federbein in Zweirohrausführung. Das Prinzip der Erfindung kann allerdings auch in anderen Stoßdämpfertypen wie z. B. Einrohrstoßdämpfer, Gasdruckdämpfer oder dergleichen angewendet werden. Das in Fig. 1 dargestellte Federbein 1 besteht im wesentlichen aus dem Arbeitskolben 2, der Kolbenstange 3 und dem Arbeitszylinder 4. Der Arbeitskolben 2 unterteilt den Arbeitszylinder 4 in den oberen Arbeitsraum 5 und den unteren Arbeitsraum 6. Der Arbeitskolben 2 ist desweiteren mit Dämpfungsventilen bestückt. Im Boden des Arbeitszylinders 4 sind weitere Dämpfungsventile angeordnet, über deren Querschnitte das durch die Kolbenstange 3 verdrängte Volumen in den Ausgleichsraum 16 verdrängt wird. Der Ausgleichsraum 16 wird durch die Wandung des Arbeitszylinders 4 und die Innenwandung des Mantelrohres 17 gebildet.

Vom oberen Arbeitsraum 5 über die Bohrung 18, den Bypass 8 und über das Dämpfungsventil 7 ist eine Strömungsverbindung in den Ausgleichsraum 16 vorgesehen. In dieser Strömungsverbindung steuert das Dämpfungsventil 7 einen variablen Flüssigkeitsumlauf.

In der Fig. 2 ist ein Dämpfungsventil 7 als Einzelheit gezeigt, wobei ausgehend vom Bypasskanal 8 die Dämpfungsflüssigkeit durch den Durchlaß 9 vorbei am Ventilkörper 10 über die Bohrungen 19 am Federscheibenventil 20 vorbei in den Ausgleichsraum 16 strömt. Der Ventilkörper 10 ist gleichzeitig der Anker für den Elektromagneten 11. Der Ventilkörper 10 ist auf seiner dem Durchlaß 9 zugewandten Seite mit einer Dichtfläche 12 versehen, die gegenüber dem Durchlaß 9 abdichtet. Die Bohrung 21 des Ventilkörpers 10 gewährleistet, daß auf der Rückseite des Ventilkörpers an der Stirnseite 22 ein entsprechender Arbeitsdruck aufgebaut wird. Die Dichtfläche 12 des Ventilkörpers 10 weist einen Innendurchmesser 13 auf, dessen Fläche kleiner ist als die Stirnfläche der Stirnseite 22, so daß durch den Arbeitsdruck des Stoßdämpfers eine geringfügig unterstützte Schließkraft auf den Ventilkörper 10 wirkt.

Durch die Abstimmung der Fläche der Stirnseite 22 gegenüber der Fläche des Innendurchmessers 13 besteht die Möglichkeit, die Umschaltzeiten des Elektromagneten hydraulisch günstig zu beeinflussen. Diese hydraulische Unterstützung des Ventilkörpers 10 erlaubt zudem den Einsatz einer Schaltventilrückstellfeder 23 mit sehr geringen Rückstellkräften. Damit erhöht sich die für die Schaltzeit wichtige, freie Magnetkraft am Anker (Ventilkörper 10) des Dämpfungsventiles 7.

Im geöffneten Zustand des Ventilkörpers 10 wirkt der von den Federscheiben 20 des Dämpfungsventiles 7 bestimmte Druck über die vom Außendurchmesser 14 und 15 des Ventilkörpers 10 gebildete Ringfläche unterstützend auf den Schließvorgang des Ventilkörpers 10 des Dämpfungsventiles 7.

In Fig. 3 ist ein Kraftgeschwindigkeitsdiagramm des in Fig. 1 gezeigten Federbeines 1 dargestellt. Dabei ist die Dämpfungskraft gegenüber der Kolbengeschwindigkeit aufgetragen. Die Kennlinie I stellt die Dämpfergrundkennlinie bei geschlossenem Ventilkörper 10 dar. Die Kennlinie II ist bei geöffnetem Ventilkörper 10 aufgenommen. Zwischen der Kennlinie I und der Kennlinie II ergibt sich ein Verstellfeld, welches Dämpfungskräfte abdeckt, die bei entsprechend beaufschlagtem Elektromagneten 11 erzielt werden können. Soll z. B. die Dämpfungskraft Fx bei einer Kolbengeschwindigkeit Vx erzielt werden, so ist nach Fig. 4 ein entsprechendes Testverhältnis Tv einzustellen.

In Fig. 4 ist ein Beispiel für die Dämpfungskraftbeeinflussung an der Stelle Vx gezeigt. Dabei wird zum Zweck einer anschaulicheren Darstellungsform angenommen, daß Vx über eine längere Zeit t konstant ist. Die Dämpfungskraftkennlinie Fo _x. ist ein Punkt aus der Grundkennlinie I der Fig. 3. Die Dämpfungskraft Fu _x stellt an der gleichen Stelle Vx einen Punkt der Grundkennlinie II der in Fig. 3 gezeigten Kennlinie dar. In diesem Diagramm ist das Tastverhältnis ein wichtiges Kriterium. Dabei ist das Tastverhältnis mit

definiert.

In prozentualer Form:

Bei einem Tastverhältnis von 100% wird die Grundkennlinie I erzielt, da der Bypass über den Ventilkörper 10 geschlossen ist. Die Schließzeit ist zu 100% während einer konstanten, vorgegebenen Zeitperiode t ⁰ gegeben. Wird bei einem Tastverhältnis von 0 der Bypass 8 über den Ventilkörper 10 für die gesamte Zeit der Zeitkonstanten t ⁰ geöffnet, so stellt sich die untere Grundkennlinie II ein. Soll nun als Beispiel ein geometrischer Mittelwert exakt zwischen der oberen Grundlinie I und der unteren Grundlinie II erzielt werden, so ist ein Tastverhältnis von 50% notwendig. Bei einem Tastverhältnis von 50% ist während der Hälfte der Periode t ⁰ der Ventilkörper 10 geschlossen und während der übrigen Hälfte geöffnet.

Aus der Fig. 4 ist erkennbar, daß sich die Dämpfungskraft Fx je nach Wahl des Tastverhältnisses Tv zwischen Fo und Fu _x variieren läßt. Die Variation erfolgt nach der Formel

Fx = Fo _x-(Fo _x-Fu _x) × Tv

Es bedeutet dabei:

Fx =zu erzielende Dämpfungskraft
Fo _x =obere Dämpfungskraft bei einer Kolbengeschwindigkeit Vx
Fu _x =untere Dämpfungskraft bei einer Kolbengeschwindigkeit Vx
Tv =Tastverhältnis

Nach dieser Formel läßt sich jede beliebige weitere Kennlinie zwischen den Grundkennlinien erzielen, indem die Formel nach dem Tastverhältnis aufgelöst wird und der entsprechende Wert zur Ansteuerung des Elektromagneten 11 verwendet wird. Dabei ist erkennbar, daß die Stellgenauigkeit für den Elektromagneten 11 für den jeweils zwischen der oberen und der unteren Grenze liegenden Wert der effektiven Dämpfungskraft Fx von der Höhe der Taktfrequenz des Elektromagneten abhängig ist.

Bei der in Fig. 4 dargestellten idealisierten Form des des Kraftverlaufes F über der Zeit t liegt im praktischen Einsatzfall nicht vor, da die Aufbau- und achsseitigen Befestigungselemente des Stoßdämpfers, Reifen und sonstige Lagerungen in der Ausführungsgeometrie durch ihr elastisches Verhalten eine verrundete Verlaufsform bewirken.

Beim Kraftgeschwindigkeitsdiagramm der Fig. 5 handelt es sich um Kennlinien, die bei Verwendung von z. B. zwei Dämpfungsventilen 7 entstehen. Das Ziel dieser Anwendung ist den Dämpfungskraftsprung zwischen Fo und Fu zu reduzieren. Bei Verwendung von zwei Dämpfungsventilen 7 läßt sich das durch Impulsbreiten-Modulation beeinflußbare Verstellfeld in drei Teilfelder mit jeweils reduzierten Dämpfungskraftsprüngen aufteilen. Es zeigen dabei die Dämpfungskraftgrundkennlinien I bis IV, die durch die Schaltkombination zweier Dämpfungsventile 7 entstehen.

Bei der Grundkennlinie I sind beide Ventilkörper 10 geschlossen, die Grundkennlinie II zeigt einen ersten Ventilkörper 10 geöffnet und den zweiten geschlossen, die Kennlinie III bedeutet, daß der zweite Ventilkörper 10 geöffnet und der erste Ventilkörper dagegen geschlossen ist. In der Grundkennlinie IV sind beide Ventilkörper 10 geöffnet. Durch diese Schaltkombination ergibt sich die Möglichkeit der Kennlinienvariation in den einzelnen Teilverstellfeldern.

Das Teilverstellfeld 1 wird abgedeckt durch elektronische Beaufschlagung des Elektromagneten 11 des ersten Dämpfungsventiles 7, wogegen das zweite Dämpfungsventil 7 geschlossen bleibt. Das Teilverstellfeld 2 wird abgedeckt dadurch, daß beide Dämpfungsventile 7 über ihre Elektromagneten 11 arbeiten, wobei die Signale invers zueinander verlaufen. Beim Teilverstellfeld 3 ist das zweite Dämpfungsventil ständig geöffnet, während das erste Dämpfungsventil 7 über seinen Elektromagneten den Ventilkörper 10 gesteuert beaufschlagt. Auch in diesem Diagramm wird eine gewünschte Dämpfungskraft Fx bei der Geschwindigkeit Vx über die vorher genannte Formel:

Fx = Fo _x-(Fo _x-Fu _x) × Tv

erreicht. Die Einstellung der Dämpfungskräfte ist somit jeweils in einem Teilverstellfeld gewährleistet und extreme Dämpfungskraftsprünge können dabei vermieden werden.

Claims

1. Schwingungsdämpfungssystem für Fahrzeuge, bestehend aus mindestens einem hydraulischen, regelbaren Schwingungsdämpfer und einer Tragfeder, wobei der Schwingungsdämpfer mit einem an einer Kolbenstange befestigten Arbeitskolben den Arbeitszylinder in zwei mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllte Arbeitsräume unterteilt, wobei parallel zum Arbeitszylinder ein in einem Bypass angeordnetes, aus einem mit einem, eine Federscheibe aufweisenden Durchlaß zusammenarbeitenden, axial beweglichen, steuerbaren Ventilkörper bestehendes, einen Elektromagneten aufweisendes und über eine angepaßte Elektronik ansteuerbares Dämpfungsventil vorgesehen ist, welches je nach Schaltzustand eine obere und untere Dämpfungskraft im Verhältnis zur jeweiligen Kolbengeschwindigkeit erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (11) über ein wählbares Tastverhältnis (Tv) getaktet ist, so daß sich als Dämpfungskraft (Fx) der Wert der oberen Dämpfungskraft (Fo _x) abzüglich der Differenz der oberen Dämpfungskraft (Fo _x) und der unteren Dämpfungskraft (Fu _x) multipliziert mit dem Tastverhältnis (Tv) einstellt.

2. Schwingungsdämpfungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Dämpfungsventile (7) parallel im Bypass (8) angeordnet sind.

3. Schwingungsdämpfungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (10) eine kleine Dichtfläche (12) aufweist, deren Innendurchmesser (13) kleiner ist als der Außendurchmesser (14) des Ventilkörpers (10).

4. Schwingungsdämpfungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (15) der Dichtfläche (12) größer ist als der Außendurchmesser (14) des Ventilkörpers (10).