DE3688598T2

DE3688598T2 - Vorrichtungen zur Dämpfung von Kolbenbewegungen.

Info

Publication number: DE3688598T2
Application number: DE89108270T
Authority: DE
Inventors: David Allen Williams; Peter Godfrey Wright
Original assignee: Group Lotus PLC
Current assignee: Group Lotus PLC
Priority date: 1985-02-08
Filing date: 1986-02-07
Publication date: 1993-10-07
Anticipated expiration: 2006-02-08
Also published as: EP0190944B2; DE3675024D1; JPH0692203B2; EP0190944B1; JPS61235210A; DE3688598D1; CA1256131A; US4753328A; EP0190944A3; EP0190944A2; CA1292482C

Description

Die Erfindung betrifft Anordnungen zur Dämpfung von Kolbenbewegungen, die allgemein angewandt werden, jedoch insbesondere bei der Erzielung von Dämpfung der Kolben der hydraulischen Betätigungsglieder von Fahrzeugrad-Aufhängevorrichtungen in aktiven Aufhängesystemen nützlich sind.
Die Veröffentlichung US-A-3124368, die dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 entspricht, zeigt ein aktives Aufhängesystem, das ein Ventil zum Steuern eines Betätigungsgliedes aufweist, bestehend aus einer Kolben- und Zylinderanordnung, mit zwei Zylinderräumen, jeweils oberhalb und unterhalb des Kolbens. Im Normalbetrieb verbindet das Ventil einen Zylinderraum des Betätigungsgliedes mit einer Druckfluid-Versorgungsleitung, während der andere mit einer Fluid-Rückführleitung verbunden ist. Das aktive Aufhängesystem erfordert in allen normalen Betriebszuständen von der Druckfluidleitung eine Fluidversorgung. Das Ventil hat einen ausfallsicheren Zustand, in welchem beide Zylinderräume miteinander über das Ventil in Verbindung stehen, wobei keine Notwendigkeit für die Versorgung mit Druckfluid besteht, aber dies ist kein normaler Betriebszustand. Dies ist auch ineffizient, da die Querschnittsflächen der Kolbenflächen in den zwei unterschiedlichen Kammern nicht gleich sind, und der Strom in oder aus einer Kammer bei der Bewegung des Kolbens in oder aus der Kammer kann nicht Fluidstrom, der von der anderen Kammer benötigt wird, passen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Dämpfung der Kolbenbewegung in einem Zylinder, wobei die Dämpfvorrichtung eine Ventileinrichtung bestehend aus einem Servoventil aufweist, das Räume innerhalb des Zylinders auf entgegengesetzten Seiten des Kolbens mit Druckfluid und/oder Rückführleitungen verbinden kann, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Ventileinrichtung wahlweise betrieben werden kann, um simultan beide Zylinderräume mit einer Fluidrückführleitung zu verbinden, so daß Kräfte auf den Kolben Fluid aus einem der Zylinderräume in eine Fluidrückführleitung heraus treiben können, oder Fluid in einen der Zylinderräume aus einer Rückführleitung einziehen können, wodurch die Ventileinrichtung betrieben werden kann, um ein ausgewähltes Dämpfen auf die Bewegung des Kolbens aufzubringen.
Derartige Dämpfungsanordnungen können bei einer Fahrzeug- Radaufhängungsvorrichtung, in der Kolben und Zylinder eingebaut sind, angewendet werden und die Anordnungen können in dem Fahrzeug-Aufhängesystem der Erfindung eingebaut sein.
Ob in irgendeiner Art von Fahrzeug-Aufhängesystem eingebaut oder nicht, erlaubt die Dämpfungsanordnung gemäß der Erfindung, daß die Bewegung eines Kolbens in einem Zylinder durch Fluiddruck entweder positiv oder negativ und bis zu einem ausgewählten Grad, gedämpft wird. Die vorliegende Erfindung schafft eine Ventilposition, in der beide Zylinderräume gleichzeitig an eine Druckfluid-Rückführleitung angeschlossen sind, so daß die Bewegung des Kolbens ohne die Notwendigkeit, daß Fluid aus der Druckfluid-Versorgungsleitung genommen wird, gedämpft werden kann.
Die Erfindung wird weiterhin im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben, in denen zeigt:
Fig. 1A und 1B zusammen eine Vorderansicht im Schnitt einer Fahrzeug-Radaufhängevorrichtung zur Verwendung in einem aktiven Aufhängesystem, wobei die Einrichtung aufweist ein hydraulisches Betätigungsglied, dessen Kolben wahlweise durch Dämpfungsanordnungen, die die Erfindung enthalten, gedämpft werden kann;
Fig. 2 in schematischer Darstellung die Aufhängevorrichtung gemäß Fig. 1, die in einem ersten Fahrzeug-Radaufhängesystem eingebaut ist;
Fig. 3 in schematischer Darstellung die Aufhängevorrichtung gemäß Fig. 1, die in einem zweiten Fahrzeug- Radaufhängesystem eingebaut ist;
Fig. 4 in schematischer Darstellung die Dämpfungsanordnungen für den Kolben des hydraulischen Betätigungsgliedes in einer Position zum Beaufschlagen mit einem ersten Dämpfungseffekt,
Fig. 5 und 6 gleichen Fig. 4, zeigen jedoch Dämpfungsanordnungen in Positionen jeweils zum Beaufschlagen mit zweiten und Dritten Dämpfungseffekten; und
Fig. 7 eine graphische Angabe der Beziehungen zwischen der Geschwindigkeit des Betätigungskolbens und der Last an diesem.
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Fahrzeug-Radaufhängevorrichtung 1 hat eine Armatur 2 am unteren Ende, die mit einer Öse 4 ausgebildet ist, um die Einrichtung an eine Fahrzeugachsenmontagegruppe (nicht dargestellt) anzuschließen.
An der Oberseite hat die Armatur 2 eine Aussparung zur operativen Aufnahme einer Meßdose 6 zwischen der Armatur und einem Kopfelement 8. Das Kopfelement 8 hat an seiner Oberseite eine stufenförmige Aussparung ausgebildet, in welcher drei konzentrische Rohre 14, 22, 28 aufgenommen sind, die jeweils gegenüber dem Kopfelement mittels eines außenliegenden O-Ringes od. ähnlicher Dichtung abgedichtet sind.
Das Rohr 22 hat zu den Rohren 14 und 28 einen Abstand, um entsprechende Zwischenräume 20 und 26 zu definieren. Die Baueinheit mit den Rohren 14, 22, 28 ist an dem Kopfelement 8 mittels einer gespaltetenen Gewindemuffe 32 aus Stahl befestigt. An seinem oberen Ende ist das Innenrohr 14 dichtend an einem Verlängerungsabschnitt 34 des Außenrohres 28 befestigt, dessen oberes Ende geschlossen ist.
Mittels Dichtungsringen 39 bildet ein Ring 38 eine gleitende Dichtung an der Außenseite des Verlängerungsabschnittes 34. Eine Armatur 42 am oberen Ende hat einen unteren rohrförmigen Endabschnitt 40, der am Ring 38 befestigt ist. Die Armatur 42 ist an ihrem oberen Ende durch einen Abschnitt 44 mit verringertem Durchmesser geschlossen, der Abschnitt ist mit einem Gewindeloch versehen, um das mit einem Gewinde versehene Endelement 45 zum Verbinden der Einrichtung 1 mit einem Fahrzeugchassis aufzunehmen. Um das untere Ende des Endabschnittes 40 ist ein Außenring 54 mittels einer Schraubenverbindung befestigt. Innerhalb des unteren Endes des Ringes 54 ist eine Hülse 56 befestigt, deren oberes Ende am Endabschnitt 40 und dem Ring 38 anschlägt. Die Hülse 56 ist somit eine Verlängerung nach unten der Endarmatur 42 und bildet an ihrem unteren Ende mit der Außenseite des Außenrohres 28 mittels Dichtelementen 58, die durch einen Endring 60 gehalten sind, welcher an den Hülsenenden mittels eines Außenringes 62 befestigt ist, eine gleitende Dichtung. Das Außenrohr 28 hat unterhalb dem Verlängerungsrohr 34 einen Abschnitt 64 mit großem Durchmesser, der mit der Hülse 56 mittels der Dichtelemente 66 eine gleitende Dichtung bildet, und der als ein Kolben wirkt.
Der Raum 20 zwischen dem Innenrohr 14 und dem mittleren Rohr 22 steht über einen Durchlaß 24 im Kopfelement 8 mit der Ventileinrichtung, die anhand der Fig. 2 bis 6 beschrieben wird, in Verbindung, und der äußere Ringspalt 26 zwischen dem mittleren Rohr und dem Außenrohr 28 aus nicht rostendem Stahl steht über einen Durchlaß 30 in dem Kopfelement mit der Ventileinrichtung in Verbindung. Öffnungen 68 am unteren Ende des Kolbenabschnittes 64 stehen mit dem Raum 26 zwischen den Rohren 22 und 28, mit dem Raum 70 zwischen dem Rohr 28 und der Hülse 56, in Verbindung. Die Öffnungen 72 am oberen Ende des Abschnittes 64 stehen ebenfalls mit dem Raum 20 zwischen den Rohren 14 und 22, mit dem Raum 74 zwischen dem Verlängerungsrohr 34 und der Hülse 56 in Verbindung.
Die Vorrichtung 1 kann daher als ein doppelt wirkender hydraulischer Betätiger funktionieren. Druckfluid, welches von einer geeigneten Druckfluidquelle in den Raum 70 mittels der Ventileinrichtung, des Durchlasses 30, des Ringspaltes 26 und der Öffnungen 68 eingeleitet wird, wird auch auf die Stirnflächen des Raumes 70 einwirken, um die Einrichtung zu verkürzen. Druckfluid, welches über die Ventileinrichtung, den Durchlaß 24, den Ringspalt 20 und die Öffnungen 72 in den Raum 74 eingeleitet worden ist, wird innerhalb des Raumes 74 so wirken, daß die Einrichtung verlängert wird.
Auch das Innere der Endarmatur 42 bildet eine Arbeitskammer 46, welche durch eine Öffnung 47 Fluid unter Druck zugeführt werden kann. Das Volumen des Körpers des hydraulischen Fluids in der Arbeitskammer 46 kann somit wahlweise eingestellt werden, um die Durchbiegungscharakteristiken der Einrichtung 1 zu verändern.
Der Zustand der Einrichtung 1 wird nicht nur durch die Belastungsdose 6, sondern auch durch einen linearen variablen Verschiebungstransformer 90 erfaßt, dessen Statorteil in einem Gehäuse aufgenommen ist, das in der Armatur 2 und am Kopfelement 8 befestigt ist, während der bewegbare Kern- oder Jochteil an der Hülse 56 befestigt ist. Der Ausgang am Transformer 90 ist somit abhängig von der Länge und den Längenveränderungen der Einrichtung 1, repräsentiert durch die Position und Bewegung des Kolbenabschnittes 64 in der Hülse 56. Der Transformer 90 liefert somit Signale, die wenigstens entweder für die Geschwindigkeit, die Beschleunigung oder die Position des Kolbenabschnittes 64 anzeigend sind.
In der Fig. 2 ist die Öffnung 57 in der Arbeitskammer 46 über ein Ventil 49 mit drei Öffnungen mit einer Druckfluidquelle 50 mittels eines hydraulischen Akkumulators 51 verbunden. Die Fig. 2 zeigt auch in schematischer Darstellung die Ventileinrichtung, die mit den Durchlässen 24 und 30 in dem Kopfelement 8 in Verbindung steht. Die Ventileinrichtung hat ein Servoventil 80, das mit einer Druckfluidquelle 86 in Verbindung steht, die eine von der Quelle 50 mittels Druckfluid-Versorgungs- und Rückführleitungen 84 und 85 getrennte Quelle sein kann, dies aber nicht muß. Das Servoventil 80 ist parallel zu einem elektrisch gesteuerten Proportional-Ventil mit zwei Öffnungen geschaltet, wobei das Proportional-Ventil einerseits mit den Durchlässen 24 und 30 im Kopfelement in Verbindung steht.
Die Ausgänge an der Belastungsmeßdose 6 und des linear variablen Verschiebungs-Transformers 90 werden dem Steuerschaltkreis 95 zugeführt, der angeordnet ist, um Steuersignale zu erzeugen, die den Ventilen 49, 80 und 82 zugeführt werden. Der Steuerschaltkreis 95 hat allgemein die Art, wie sie in der vorstehend genannten Veröffentlichung EP- 0114757A beschrieben ist. Der Steuerschaltkreis und auch die Charakteristiken der Ventile des vorliegenden Systems sind jedoch so ausgewählt und angeordnet, daß während eines ruhenden Lastzustandes, in welchem die Hauptdruckunterschiede am Kolbenabschnitt 64 Null sind, das Dämpfen der Einrichtung 1 primär durch das Ventil 82 mit den zwei Öffnungen gesteuert wird. Diese Steuerung kann passiv oder adaptiv sein, indem sie proportional zum elektrischen Steuersignal ist, das durch den Steuerschaltkreis 95 zugeführt worden ist.
Der Schaltkreis 95 ist angeordnet, um das Ventil 49 mit den drei Öffnungen mit Steuersignalen in Abhängigkeit von der Last, mit der die Einrichtung 1 beaufschlagt wird, oder in Abhängigkeit von dem Druckunterschied am Kolbenabschnitt 64, versorgt. Plötzliche Änderungen der Last, mit der die Einrichtung 1 beaufschlagt wird, die infolge einer Änderung der Nutzlast des Fahrzeuges, in welchem das System eingebaut ist, und/oder infolge der Trägheitskräfte bei der Beschleunigung oder die Gefahren auftreten können, werden durch das Servoventil 80 solange aufgenommen, bis das Ventil 49 auf die Steuersignale anspricht, um das Volumen des Druckfluids in der Kammer 46 einzustellen, um die Abweichung der Gasfeder, die durch diese Kammer und den hydraulischen Akkumulator 51 gebildet ist, zu ändern.
Wie im zweiten System der Erfindung, das in der Fig. 3 gezeigt ist, sind Teile die ähnlich denen des in der Fig. 2 gezeigten Systems sind, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Das zweite System unterscheidet sich von dem ersten durch zwei Modifikationen, von denen jede bei dem ersten System unabhängig voneinander durchgeführt werden könnte.
Als erstes ist das elektrisch gesteuerte Ventil 49 mit den drei Öffnungen durch ein Ventil 149 mit drei Öffnungen ersetzt, das in Abhängigkeit von dem Druckunterschied an dem Kolbenabschnitt 64, der dem Ventil über Verbindungsleitungen 150 zugeführt wird, hydraulisch gesteuert ist.
Zweitens ist das elektrisch gesteuerte Ventil 82 mit zwei Öffnungen durch ein asymmetrisch strömungsbegrenzendes Ventil 182 ersetzt, an dem Sicherheitsventile befestigt sind.
Die Sicherheitsventile können stattdessen in den Kolbenabschnitt 64 selbst eingebaut sein. Die Charakteristiken dieser Ventilanordnung sind ähnlich denen von Dämpfungsventilen in einem Stoßdämpfer.
Das System gemäß Fig. 3 ist so angeordnet, daß es im wesentlichen auf die gleiche Art und Weise wie das gemäß Fig. 2 auf Beharrungszustand und den Zustand mit verändernder Last reagieren kann, wobei die Einstellung der Positionen des Kolbenabschnittes 64 gegenüber der Einstellung des Volumens des Druckfluids in der Kammer 46 bevorzugt wird oder die Priorität gegeben wird.
Wenn es gewünscht ist, Dämpfungseigenschaften zu erhalten, die einen Energieeingang auf das System erfordern, ist der Steuerschaltkreis 95 so angeordnet, daß dem Servoventil 80 ein Signal zugeführt wird, um, wie erforderlich, eine Beschleunigung oder Abbremsung der Betätigeroperation zu bewirken.
Somit zeigen die Fig. 4, 5 und 6 in schematischer Darstellung das Servoventil 80 als mit einem Kolbenelement 100 versehen, das vier Ventilkolben aufweist, die mit Öffnungen zusammenwirken können, die mit den Druck- und Rückführleitungen 84 und 85 und mit den Fluidleitungen 88 und 89, die zum Ventil 82 führen, in Verbindung stehen und damit mit den Zwischenräumen 70 und 74 des Betätigungsabschnittes der Einrichtung 1 in Verbindung stehen. Die Leitungen 88 und 89 stehen über die entsprechenden Einwegventile 101, 102 mit der Rückführleitung 85 in Verbindung.
In der Fig. 4 ist die Position des Servoventil-Kolbenelementes 100 so, daß beide Leitungen 88 und 89 mit der Rückführleitung 85 in Verbindung stehen. Die Verbindung zwischen der Druckleitung 84 und den Leitungen 88 und 89 ist blockiert. Der Kolbenabschnitt 64 bewegt sich nach unten, wie dies durch den Pfeil 104 angegeben ist, so daß Fluid aus der Rückführleitung 85 in den Raum 74 und in diesen aus dem Raum 70 strömen kann. Weil die Fluidbewegung nur zur und von der Rückführleitung erfolgt, ist der Kolbenabschnitt 64 im wesentlichen gebremst oder stark gedämpft.
In der in der Fig. 5 gezeigten Position des Kolbenelementes 100 wird der Kolbenabschnitt 64, der sich nach oben bewegt, beschleunigt, d. h. er ist negativ gedämpft. Dies erfolgt deshalb, weil die Position der Ventilspindel so ist, daß die Druckleitung 84 mit der Leitung 89 in Verbindung steht, so daß der Fluiddruck im Raum 70 in Richtung der Bewegung des Kolbenabschnittes wirkt. Der Raum 74 steht über die Leitung 88 mit der Rückführleitung 85 in Verbindung, damit das Fluid, welches durch die Bewegung des Kolbenabschnittes verdrängt wird, entweichen kann.
In der Fig. 6 nimmt das Servoventil-Kolbenelement 100 eine Position ein, in der weder die Druckleitung 84 noch die Rückführleitung 85 mit der Leitung 89 in Verbindung stehen. Die Leitung 88 steht mit der Rückführleitung 85 in Verbindung. Der Kolbenabschnitt 64 bewegt sich nach oben, wie dies durch den Pfeil 106 angegeben ist, und aus dem Raum 74 wird Fluid über die Leitung 88 schnell ausgestoßen.
Das entsprechende Fluidvolumen wird in den Raum 70 nur durch das Einwegventil 102 gesogen, das die Rückführleitung 85 mit der Leitung 89 verbindet. Der Kolbenabschnitt 64 wird daher gedämpft, aber in einem geringeren Grad, als wenn Fluid direkt aus der Rückführleitung 85 gesogen wird, wie dies bei der in Fig. 4 gezeigten Situation der Fall ist.
Daher ist zu ersehen, daß durch eine geeignete Positionierung des Kolbenelementes 100 und der Steuerung des Steuerschaltkreises 95, eine Dämpfung und negative Dämpfung in gewünschtem Maß der Bewegung des Kolbenabschnittes 64 in jeder Richtung beaufschlagt werden kann.
In der Fig. 7 sind die Charakteristiken der Kombination des hydraulischen Betätigerabschnittes der Einrichtung 1 und des Servoventils 80 graphisch dargestellt. Die Geschwindigkeit des Kolbenabschnittes 64 ist entlang der Y-Achse im Verhältnis zur Last am Kolben an der X-Achse für verschiedene Prozentsätze des Nennstroms aufgetragen, wobei der "verbrauchte Strom" durch die schraffierten Flächen angegeben ist.
Obwohl die primäre Intention für die Verwendung in Straßenfahrzeugen war, ist es offensichtlich, daß die Anwendung des Aufhängesystems, das die Erfindung enthält, nicht derartig begrenzt ist.
Sowohl das Fahrzeugaufhängesystem, als auch das Dämpfsystem gemäß der Erfindung können auf zahlreiche andere Arten und Weisen als gemäß der vorstehenden Beschreibung und begleitenden Figuren eingebaut werden.

Claims

1. Dämpfungssystem zum Dämpfen der Bewegung eines Kolbens (64) innerhalb eines Zylinders mit einer Ventilvorrichtung (80, 101, 102), die ein Servoventil (80) aufweist, welches Räume (70, 74) innerhalb des Zylinders auf entgegengesetzten Seiten des Kolbens mit Fluid- und/oder Rückführleitungen (84, 85) verbinden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilvorrichtung (80, 101, 102) wahlweise betrieben werden kann, um simultan beide Zylinderräume (70, 74) mit einer Fluidzuführleitung (85) zu verbinden, so daß Kräfte auf den Kolben Fluid aus einem der Zylinderräume (70, 74) in eine Fluid- Rückführleitung (85) heraustreiben können, oder Fluid einbringen können in einen der Zylinderräume aus einer Fluid- Rückführleitung (85), wodurch die Ventilvorrichtung betrieben werden kann, um ein ausgewähltes Dämpfen auf die Bewegung des Kolbens aufzubringen.

2. Dämpfungssystem nach Anspruch 1, bei welchem einer der Zylinderräume (70, 74) direkt mit der Fluid-Rückführleitung (85) verbunden ist über ein Einweg-Ventil (101, 102).

3. Dämpfungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß beide Zylinderräume (70, 74) direkt verbunden sind mit einer Fluiddruck-Rückführleitung (85) über jeweilige Einwegventile (101, 102).

4. Dämpfungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß die Ventilvorrichtung wahlweise betrieben werden kann, um einen der Zylinderräume (70, 74) mit einer Fluid-Rückführleitung alleine über ein Servoventil (80) zu verbinden und einen zweiten der Zylinderräume (70, 74) mit einer Fluid-Rückführleitung allein über ein Einweg-Ventil (101, 102)

5. Dämpfungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das Servoventil (80) bewegbar ist in eine Stellung, in welcher beide Zylinderräume (70, 74) in Verbindung stehen mit einer Fluid-Rückführleitung über ein Servoventil (80)

6. Dämpfungsssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das Servoventil (80) ein Vielspulenventil ist, das über ein Paar von Fluidleitungen (88, 89) mit dem jeweiligen Zylinderraum (70, 74) verbunden ist, wobei jede Fluidleitung mit einer Fluid-Rückführleitung (85) verbunden ist über ein jeweiliges Einwegventil (101, 102).

7. Verwendung eines Dämpfungssystems nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem aktiven Aufhängungssystem für ein Fahrzeug, wobei das System eine Radaufhängung (1) aufweist, die einen einstellbaren hydraulischen Betätiger aufweist, der aus dem Kolben (64) und dem Zylinder des Dämpfungssystems besteht.

8. Verwendung nach Anspruch 7, wobei das Servoventil (80) betätigt werden kann in Antwort auf Kräfte, die zwischen dem Kolben (64) und dem Zylinder wirken.

9. Verwendung nach Anspruch 8, worin das Servoventil elektrisch gesteuert ist und die Geschwindigkeit des Kolbens (64) gesteuert wird durch Variieren des Stromes zum Servoventil (80)

10. Dämpfungsventil nach Anspruch 7, worin der einstellbare hydraulische Betätiger zusammenwirkt mit einer Gasfeder mit variabler Vorspannung im Radaufhängungssystem (1).