DE3712349A1 - Vorrichtung zur daempfung von bewegungsablaeufen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Dämpfung von Bewe­ gungsabläufen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon eine solche Vorrichtung bekannt (DE-0S 34 43 183), bei der sich die Fließeigenschaften des Dämpfungsfluids durch Anlegen elektrostati­ scher Felder verändern lassen. Als Dämpfungsfluid wird dabei eine elektro-rheologische Flüssigkeit verwendet. Das zwischen den beiden Arbeitsräumen der Vorrichtung überströmende Dämpfungsfluid wird an plattenförmigen Elektroden vorbei geleitet und ändert dabei seine Fließeigenschaften, wodurch sich die Dämpfungseigenschaften der Vorrichtung in der gewünschten Weise verändern lassen. Je höher die an den Elektroden anliegende Spannung, desto größer wird die Scher­ spannung der elektro-rheologischen Flüssigkeit an den Elektroden­ oberflächen und desto größer ist die Dämpfung der Vorrichtung.

Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist, daß der mit der be­ kannten Vorrichtung realisierbare Dämpfungsbereich recht klein ist und nicht allen auftretenden Fahrsituationen gerecht werden kann.

Außerdem fällt bei Ausfall der Elektroden oder deren elektrischer Ansteuerung die Scherspannung des Dämpfungsfluids auf einen Minimal­ wert ab, nämlich den Wert der normalen Scherspannung, wodurch die Vorrichtung die geringstmögliche Dämpfung aufweist. Bei plötzlichem Auftreten eines solchen Defektes kann ein mit dieser Vorrichtung ausgerüstetes Fahrzeug in gefährliche Fahrsituationen kommen, zumin­ dest jedoch stellt sich eine für den Notfahrbetrieb ungünstige Fahr­ werkscharakteristik ein.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, daß die Spann­ weite des realisierbaren Dämpfungsbereiches größer ist als bei her­ kömmlichen Vorrichtungen, wodurch auch in außergewöhnlichen Fahrsi­ tuationen angemessene Dämpfungswerte eingestellt werden können. Durch die gleitende Lagerung einer der Elektroden wird nicht nur die Fließeigenschaft des Dämpfungsfluides verändert, sondern auch die Größe eines Überströmquerschnittes verändert. Dadurch wird eine weit größere Spannweite der Dämpferwerte ermöglicht als bei der bekannten Vorrichtung.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 ange­ gebenen Vorrichtung möglich.

Vorteilhaft ist es insbesondere, die Vorrichtung so auszubilden, daß bei Ausfall der Elektroden oder der elektrischen Ansteuerung der Elektroden die maximal mögliche Dämpfung auftritt, was für den Not­ fahrbetrieb eines Fahrzeuges die beste Lösung darstellt.

Vorteilhaft ist es außerdem, die eine Elektrode als Hülse auszubil­ den, welche koaxial im Stoßdämpfer gelagert ist. Dies ermöglicht eine kompakte Bauform des Stoßdämpfers.

Vorteilhaft ist weiterhin, die Steuerung des Überströmquerschnittes durch einen Schieber zu realisieren, wodurch bei nur geringer Stell­ bewegung eine große Variation des Überströmquerschnittes ermöglicht wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig. 1 der Zeich­ nung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 2 zeigt den Verlauf der Scherspannung des Dämpfungsfluides an den Oberflächen der Elektroden über der Strö­ mungsgeschwindigkeit des Dämpfungsfluides bei verschiedenen Elektro­ denspannungen, Fig. 3 zeigt den Verlauf der Dämpfung der Vorrich­ tung über der Kolbengeschwindigkeit für verschiedene Elektrodenspan­ nungen.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

Fig. 1 zeigt einen zwischen einer Fahrzeugachse 1 und einem Fahr­ zeugaufbau 2 angeordneten Stoßdämpfer 3, der neben seiner schwin­ gungsdämpfenden Funktion auch eine Tragfunktion, etwa im Rahmen ei­ ner hydraulischen Federung, haben kann und der den wesentlichen Be­ standteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dämpfung von Bewe­ gungsabläufen bildet. Der Stoßdämpfer 3 hat einen ersten Arbeitsraum 5 und einen zweiten Arbeitsraum 6, der durch eine als Kolben 7 aus­ gebildete bewegliche Wand von dem ersten Arbeitsraum 5 getrennt ist. Mit dem Kolben 7 ist eine als Betätigungsstange dienende Kolben­ stange 8 verbunden, die den zweiten Arbeitsraum 6 durchragt und ab­ gedichtet aus dem Stoßdämpfer 3 herausgeführt sich an dem Fahrzeug­ aufbau 2 abstützt. Bei zusätzlicher Verwendung als Tragelement er­ gibt sich die Tragkraft der Anordnung aus dem statischen Druck in den Arbeitsräumen 5 und 6 und der Fläche der Kolbenstange 8. Der Kolben 7 gleitet axial in einem inneren Mantelrohr 9, welches an seiner einen Stirnseite, den Arbeitsraum 5 einschließend, durch ei­ nen Boden 10 abgeschlossen ist. Das innere Mantelrohr 9 ist axial von einer zylindrischen Zwischenwand 11 umgeben, wobei sich zwischen dem inneren Mantelrohr 9 und der Zwischenwand 11 ein ringförmiger Ausgleichsraum 12 befindet, welcher in Richtung zum Fahrzeugaufbau 2 durch eine Ringscheibe 13 abgeschlossen ist. Der Ausgleichsraum 12 ist nur bis zu einem Teil seiner Höhe mit Dämpfungsfluid gefüllt. Der restliche, dem Fahrzeugaufbau 2 zugewandte Raum ist mit einem Gas 14 gefüllt und dient zur Kompensation des einfahrenden Volumens der Kolbenstange 8.

Ein äußeres Mantelrohr 15 umgibt die Zwischenwand 11 und das innere Mantelrohr 9, wobei zwischen der Zwischenwand 11 und dem äußeren Mantelrohr 15 ein Ringkanal 16 besteht, welcher einerseits mit dem zweiten Arbeitsraum 6 in Verbindung steht und welcher andererseits durch eine Stirnscheibe 19 abgeschlossen ist, an welcher ebenfalls die Zwischenwand 11 stirnseitig anliegt.

Der Stoßdämpfer 3 verfügt über Rückschlagventile, von denen sich ein erstes Rückschlagventil 21 auf der Oberseite des Kolbens 7 befindet, während ein zweites Rückschlagventil 22 den Boden 10 des inneren Mantelrohres 9 verschließt. Das erste Rückschlagventil 21 ist nur in Richtung zum zweiten Arbeitsraum 6 durchströmbar, während das zweite Rückschlagventil 22 nur eine Durchströmung aus dem Ausgleichsraum 12 in den ersten Arbeitsraum 5 ermöglicht. Entsprechend öffnet sich bei einem Ausfahren der Kolbenstange 8 das zweite Rückschlagventil 22 und bei einem Einfahren der Kolbenstange 8 das erste Rückschlagven­ til 21. Die Größe der Strömungsquerschnitte der Rückschlagventile 21 und 22 bestimmt die Grunddämpfung des Stoßdämpfers 3. Zum Fahrzeug­ aufbau 2 hin ist der Stoßdämpfer 3 durch eine weitere Stirnscheibe 24 abgeschlossen, welche in einer zentralen Bohrung 25 die Kolben­ stange 8 dichtend führt und welche an ihrem äußeren Durchmesser mit dem äußeren Mantelrohr 15 abschließt.

Unter möglichst gleichem radialen Abstand zum äußeren Mantelrohr 15 und zur Zwischenwand 11 ist im als Steuerraum dienenden Ringkanal 16 eine Hülse 30 angeordnet. Zwischen der Hülse 30 und der Zwischenwand 11 einerseits sowie dem äußeren Mantelrohr 15 andererseits befinden sich an der Zwischenwand 11 bzw. am äußeren Mantelrohr 15 befestigte Gleitelemente 31, welche die Hülse 30 in axialer Bewegungsrichtung führen. Die Gleitelemente 31 bestehen aus einem elektrisch isolie­ renden Material. An einer der Fahrzeugachse 1 zugewandten ersten Stirnseite 33 der Hülse 30, in welcher einige radial verlaufende Strömungsöffnungen 34 eingearbeitet sind, liegt ein Steuerschieber 35 an, welcher andererseits durch die Kraft mindestens einer Feder 37 belastet ist, die an der Stirnscheibe 19 anliegt. Der Steuer­ schieber 35 weist die Form eines kurzen Zylinderrohres oder eines Ringes auf und kann mit seiner inneren Mantelfläche auf der äußeren Mantelfläche der Zwischenwand 11 axial gleiten. Dabei wird je nach axialer Lage des Steuerschiebers 35 ein mehr oder weniger großer Teil einer Öffnung 39 in der Zwischenwand 11 überdeckt. Der nicht überdeckte Teil bildet einen Überströmquerschnitt 40, welcher den Ringkanal 16 mit dem Ausgleichsraum 12 bzw. über das zweite Rück­ schlagventil 22 mit dem ersten Arbeitsraum 5 verbindet. Der Steuer­ schieber 35 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material und ist in der dargestellten Form statisch druckausgeglichen. Dem Fahr­ zeugaufbau 2 zugewandt ist eine zweite Stirnseite 43 der Hülse 30, wobei zwischen der zweiten Stirnseite 43 der Hülse 30 und der das äußere Mantelrohr 15 verschließenden weiteren Stirnscheibe 24 in je­ der axialen Stellung der Hülse 30 ein Strömungskanal verbleibt.

Die axiale Bewegung der Hülse 30 in Richtung auf den Fahrzeugaufbau 2 hin wird durch Anschläge 44 begrenzt. Die Geometrie von Hülse 30, Steuerschieber 35, Öffnungen 39 und Anschlägen 44 relativ zueinander ist so bemessen, daß bei Anlage der Hülse 30 mit ihrer zweiten Stirnseite 43 an den Anschlägen 44 der Überströmquerschnitt 40 eine minimale Größe aufweist. Je weiter die Hülse 30 in Richtung auf die Fahrzeugachse 1 hin bewegt wird, desto größer wird der Überström­ querschnitt 40. Die axiale Stellung der Hülse 30 bestimmt also die Größe des Überströmquerschnittes 40 und damit die Größe der Dämpfung des Stoßdämpfers 3.

Die Stellung der Hülse 30 innerhalb des Stoßdämpfers 3 hängt von der Kraft ab, welche das entlang der Hülse 30 innerhalb des Ringkanals 16 in Richtung auf den Steuerschieber 35 hin strömende Dämpfungs­ fluid infolge der Wandschubspannung auf die zylindrischen Wände der Hülse 30 ausübt. Verantwortlich für diese Kraft ist die Scherspan­ nung in der Grenzschicht des an der Hülse 30 vorbeiströmenden Dämp­ fungsfluids. Das der Erfindung zugrundeliegende physikalische Prin­ zip beruht nun auf der Tatsache, daß die Scherspannung der als Dämp­ fungsfluid verwendeten elektro-rheologischen Flüssigkeit durch Anle­ gen eines elektrostatischen Feldes verändert werden kann. Bei der­ artigen elektro-rheologischen Flüssigkeiten handelt es sich in der Regel um Suspensionen kleiner Partikel in Öl. Die Feldstärken der erforderlichen elektrostatischen Felder liegen bei wenigen kV/mm, beispielsweise 2 bis 4 kV/mm.

Das die Scherspannung σ _s der elektro-rheologischen Flüssigkeit beeinflussende elektrostatische Feld muß zwischen mindestens zwei unterschiedlich polarisierten Elektroden gebildet werden. Im vorlie­ genden Ausführungsbeispiel dient die Hülse 30 als eine erste Elek­ trode, welche über einen elektrischen Anschluß 46 mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle bzw. einem Steuergerät verbunden ist (Fig. 1). Ein Längenausgleich 47 innerhalb der elektrischen Zulei­ tung stellt den elektrischen Kontakt zwischen der Hülse 30 und dem elektrischen Anschluß 46 bei jeder axialen Stellung der Hülse 30 sicher.

Als zweite Elektrode kommt entweder die Zwischenwand 11 oder die In­ nenwand des äußeren Mantelrohres 15 zur Anwendung oder es werden, wie in der Zeichnung dargestellt, beide verwendet. Wird die zweite Elektrode als Masseelektrode ausgeführt, so ist ein zusätzlicher elektrischer Anschluß hierfür nicht notwendig.

In Fig. 2 ist der Verlauf der Scherspannung σ _s über der Strö­ mungsgeschwindigkeit V _F der elektro-rheologischen Flüssigkeit in­ nerhalb des Ringkanals 16 für verschiedene elektrische Feldstärken E aufgetragen. Man erkennt, daß die Scherspannung σ _s mit der Strö­ mungsgeschwindigkeit V _F nur gering, mit der angelegten elektri­ schen Feldstärke E jedoch stark zunimmt. Diese physikalische Eigen­ schaft der elektro-rheologischen Flüssigkeit ermöglicht es bei der vorliegenden Erfindung, durch entsprechende Größe des auf das Dämp­ fungsfluid einwirkenden elektrostatischen Feldes die Scherspannung s _s an der Hülse 30, mithin die axiale Auslenkung der Hülse 30 entgegen der Kraft der Feder 37 und damit die Größe des die Dämpfung bestimmenden Überströmquerschnittes 40 festzulegen. Die die Größe des Überströmquerschnittes 40 festlegende Kraft auf den Steuerschie­ ber 35 ist dabei die Resultierende aus der einerseits des Steuer­ schiebers 35 angreifenden Kraft auf die Hülse 30 und der entgegen­ wirkenden Kraft der Feder 37 (Schwer- und Trägheitskräfte sind hier­ bei nicht berücksichtigt).

In Fig. 3 ist der Verlauf der Dämpfung D über der Geschwindigkeit V _K des Kolbens 7 für verschiedene Feldstärken E aufgetragen. Die stärkste Dämpfung tritt bei abgeschalteten Elektroden auf (E=0), die geringste Dämpfung D bei voller Stärke des elektrostatischen Feldes (E _max). Bei einem Ausfall der elektrischen Ansteuerung der Elektroden wird die Vorrichtung entlang der strichpunktierten Linie (E=0) arbeiten, also mit der größtmöglichen Dämpfung. Für den Not­ fahrbetrieb stellt dies die beste Lösung dar, da unter Verzicht auf Fahrkomfort eine große Fahrsicherheit erhalten bleibt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Dämpfung von Bewegungsabläufen, insbesondere bei Fahrzeugen, mit einem an einer Kolbenstange befestigten Kolben, der zwei mit einem elektro-rheologischen Dämpfungsfluid angefüllte Ar­ beitsräume unterteilt, sowie mit einem von zwei, ein elektrostati­ sches Feld erzeugenden, plattenförmigen Elektroden gebildeten Steuerraum, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (30) in Strömungsrichtung verschiebbar angeordnet und mit einem Steuerorgan (35) verbunden ist, welches die Größe eines Überströmquerschnittes (40) für das Dämpfungsfluid steuert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan (35) von der Kraft der ersten Elektrode (30) und von der entgegengesetzt wirkenden Kraft einer Feder (37) beaufschlagt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (30) als koaxial zum Kolben (7) angeordnete Hülse (30) ausgebildet ist, welche sich in dem den Kolben (7) axial umge­ benden Steuerraum (16) befindet, der die Form eines Ringkanals (16) aufweist und von dem mindestens eine Wand (11, 15) die zweite Elek­ trode bildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Steuerorgan (35) an einer Stirnseite der Hülse (30) befindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan (35) als Steuerschieber ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Überströmquerschnittes (40) minimal ist, wenn keine elek­ trische Spannung an den Elektroden (30, 11, 15) anliegt.