DE3835917A1 - Hydraulischer stossdaempfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Stoßdämpfer für Kraftfahrzeuge, bei welchem der Stoßdämpferkolben in einem Rohr gleitet und die am Stoßdämpferkol­ ben befestigte Stange in einem Rohrende geführt wird.

Bisher bekannt gewordene Erfindungen zu Stoßdämpfern beschäftigten sich

• - mit der Dämpferkennlinie;
• - Bemessung der Größe der Dämpfungskraft; Aufteilung auf Ein- und Ausfederung;
• - Minimierung der durch Abnutzung bedingten Änderungen der Funktion;
• - Verbesserung der Herstellbarkeit.

Allgemein werden heute Dämpferkennlinien mit linear sich zur Geschwindigkeit verhaltender Dämpferkraft angewendet. Dabei ist die Dämpferkraft bei Ausfede­ rung 2- bis 3mal höher als bei Einfederung.

Die Größe der Dämpfung wird vor allem durch die Forderung nach guter Boden­ haftung des Rades bestimmt. Bei zu schwach gedämpften Schwingungen neigt das Rad zu vielfachem Abspringen vom Boden, wodurch die Bodenhaftung stark beein­ trächtigt wird. Es besteht Übereinstimmung in der Einschätzung, daß straffe Dämpfung die Bodenhaftung verbessert, den Federungskomfort jedoch mindert. Die Bemessung der Dämpfung ist bislang ein Kompromiß zwischen beiden ge­ nannten Eigenschaften geblieben.

Der Widerspruch zwischen Bodenhaftung und Fahrkomfort resultiert aus der Tat­ sache, daß Stoßdämpfer mit den bisher verwendeten Dämpferkennlinien stets die Einleitung einer Schwingung verstärken. Überrollt das Rad eine Boden­ erhöhung, so verstärkt die Dämpferkraft den Anstieg der Federkraft. Wird eine Vertiefung überfahren, so verstärkt die Dämpferkraft den Abfall der Feder­ kraft.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diesen Widerspruch zwischen Bodenhaftung und Komfort aufzulösen. Hierzu ist ein Dämpfungsgesetz zu finden, durch welches der Stoßdämpfer in der Einleitungsphase nicht stoß- bzw. schwingungsver­ stärkend wirkt.

Um die erfindungsgemäße Aufgabe zu lösen, muß zunächst Klarheit über den Verlauf der Dämpferkennlinie geschaffen werden. Wenn in der Einleitungsphase keine Beeinflussung der Federkraft bzw. Federkennlinie erfolgen soll, so folgt daraus, daß in dieser Einleitungsphase keine oder nur eine geringe Dämpferkraft wirksam sein darf. Bei der Rückfederung in die Mittellage muß dann sofort eine zunächst starke und dann abnehmende Dämpferkraft einsetzen, die dann, weil in entgegengesetzter Richtung wirkend, den eingelei­ teten Schwingungsimpuls nahezu aufzehrt.

Wenn bei der Ausfederung aus der Mittellage die Dämpferkraft gleich Null sein soll, dann muß sie bei der Rückfederung zur Mittellage Null werden.

Das Dämpfungsgesetz lautet also: Dämpfungskraft nur bei Rückfederung zur Mittellage von einem Maximalwert linear zu Null werdend.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Stoßdämpferkolben über Ölsäulen, z.B. Leitungen, mit einem in einem Rohr gleitendem Freikolben hydraulisch verbunden ist, der durch ein gegenläufiges Federnpaar in seiner Mittellage gehalten wird. Der Stoßdämpferkolben kann auch direkt mit einer Feder verbunden sein, an deren anderen Ende ein Freikolben befestigt. Die Enden der Rohre sind mit Leitungen verbunden , die zum Freikolben hin öff­ nende Rückschlagventile aufweisen. Die vom Freikolben beaufschlagten Ventile wirken als Druckventile, die parallel zu den Rückschlagventilen angeordnet sind.

Damit der Freikolben nach einigen Sekunden wieder seine Mittellage erreichen kann, ist dieser mit einer feinen Düse versehen.

Aus Gründen baulicher Vereinfachung ist es vorteilhaft, wenn Stoßdämpferkolben und Freikolben in einem Rohr angeordnet sind. Die zwischen beiden angeordnete Feder ist mit dem Stoßdämpferkolben nicht direkt sodern mit einem Ventilkör­ per verbunden, der als Doppelsitz-Druckventilkörper mit einem mittleren Bund ausgebildet ist. Dieser Bund legt sich an eine obere oder untere Kreis­ ringfläche eines Ventilgehäuses an und wirkt so als Druckventil in Abhängig­ keit der Federkraft. Das Ventilgehäuse besitzt 2 weitere, äußere Kreisring­ flächen und Querbohrungen dazwischen und darunter, die zusammen mit 2 inneren Kreisringflächen des Dämpferkolbens ein doppeltwirkendes Rückschlagventil bil­ den, welches parallel zum doppeltwirkenden Druckventil angeordnet ist.

Es ist eine weitere vorteilhafte Lösung, wenn die Befestigung der Feder am Freikolben um die Beträge (+)Z _A und (-)Z _A verschiebbar angeordnet ist. Die Feder wird dabei an einem kleinen Kolben befestigt, der einen oberen und einen unteren Zapfen, die mit Flächen versehen sind, aufweist. Der Freikolben ist als kurzer Zylinder ausgebildet, der oben und unten mit Deckeln ver­ schlossen ist, in welchen die Zapfen des kleinen Kolbens gleiten.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze der Erfindung,

Fig. 4 ein konstruktives Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 und 3 sowie 5 bis 7 Diagramme, die die erfindungsgemäße Funktion darstellen.

Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Stoßdämpfer mit dem Rohr 1 und dem Stoßdämpferkolben 2 mit Stange 3. In das obere und untere Ende des Rohres 1 führen je eine Leitung 4 und 4 a über Rückschlagventile 5 und 5 a in einen oberen und unteren Raum 6 und 6 a. Diese Räume sind durch einen Frei­ kolben 7 voneinander getrennt, der durch Federn 8 und 8 a in seiner Mittellage gehalten wird. Damit der Freikolben 7, beispielsweise nach einer Beladungs­ änderung, nach einem Zeitraum von mehreren Sekunden wieder in seine Mittel­ lage zurückkehren kann, enthält der Freikolben 7 eine feine Düse 7 a. Die Federn 8 und 8 a belasten Druckventilkörper 9 und 9 a.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Dämpfungskraft F _D über dem Stoßdämpferhub z, der dem Relativweg zwischen Rad- und Aufbaumasse entspricht.

In Fig. 3 ist die Dämpfungskraft F _D zur Federkraft F addiert.

Fig. 4 zeigt ein konstruktives Ausführungsbeispiel, bei welchem das gesonder­ te Rohr eingespart ist. In einem Rohr 1 gleitet wiederum ein Stoßdämpferkol­ ben 2 mit einer Stange 3. Der Freikolben 7 ist mit dem Stoßdämpferkolben 2 durch eine Zug- und Druckkräfte übertragende Feder 8 verbunden. Der Stoß­ dämpferkolben ist so aufgebaut, daß er die Funktionen der Rückschlagventile entsprechend 5 und 5 a in Fig. 1 sowie der Druckventile entsprechend 9 und 9 a in Fig. 1 in sich aufnimmt.

Der Bund des mit der Feder 9 verbundenen Ventilkörpers 10 kann sich entspre­ chend der Kraft dieser Feder 9 auf eine obere oder untere Kreisringfläche 11 a bzw. 11 b des mit der Stange 3 verbundenen Ventilgehäuses 11 abstützen. Das Ventilgehäuse 11 besitzt weiterhin äußere Kreisringflächen 11 c und 11 d mit dazwischen liegenden Bohrungen 11 e und 11 f. Die Kreisringflächen 11 c und 11 d können je nach Bewegungsrichtung des Stoßdämpferkolbens 2 mit dessen Kreisringflächen 1 a und 1 b in Berührung kommen.

Der Freikolben 7 ist zwecks Erzielung einer zusätzlichen Funktion mehrglied­ rig ausgeführt. Die Feder 6 greift an einem kleinen Kolben 12 mit 2 Zapfen 12 a und 12 b an, die mit Flächen 12 c und 12 d versehen sind. Der Freikolben 7 ist oben und unten durch Deckel 13 und 13 a verschlossen, durch welche die Zapfen 12 a und 12 b gleitend hindurchragen. Kleine Federn 14 und 14 a halten den kleinen Kolben 12 in seiner Mittellage. Diese Federn 14 und 14 a legen außerdem ringförmige Ventilkörper 15 und 15 a an die Deckel 13 und 13 a an, wodurch die Bohrungen letzterer verschlossen werden.

Die Wirkungsweise sei zunächst anhand der Prinzipskizze nach Fig. 1 beschrieben.

Beim Überfahren einer Bodenerhebung bewegt sich der Stoßdämpferkolben nach oben. Dadurch strömt Flüssigkeit in den oberen Raum 6 ohne wesentlichen Wi­ derstand, weil die Feder 8 entlastet ist. Gleichzeitig kann Flüssigkeit aus dem unteren Raum 6 a über das Rückschlagventil 5 a wiederum ohne Widerstand fließen. Es wird somit während der Ausfederung nach oben keine Dämpferkraft erzeugt. Wie aus dem Diagramm Fig. 2 zu ersehen, wirkt während dieser Aus­ federung nur die Federkraft F _F der Feder 8, die vernachlässigbar gering ist und praktisch der Federkraft der Wagenfeder zugerechnet werden kann.

Der Stoßdämpferkolben 2 bewege sich nun wieder von seiner obersten Stellung aus der Mittellage zu. Nun strömt die Flüssigkeit aus dem unteren Raum 1 b über das Druckventil 9 a in den Raum 6 a. Die das Druckventil 9 a belastende Feder 8 a baut einen von der Federkraft abhängigen Druck im Raum 1 b auf. Dieser Druck bewirkt eine nach unten gerichtet Dämpfungskraft. Die Dämpfer­ kraft F _D verhält sich zur Federkraft F _F der Feder 8 a wie die Quadrate der Durchmesser D _k und D _v des Stoßdämpferkolbens und des Ventilkegels des Druck­ ventils 9 a. Verhalten sich die Durchmesser wie 5:1, so verhalten sich die Kräfte wie 25:1.

Da die Federkraft F _F der Feder 8 a linear zur Mittellage (=statische Ein­ federung) hin abnimmt und dort gleich Null ist, hat auch die Dämpfungskraft F _D den gleichen Verlauf, wie aus Fig. 2 zu ersehen. Bei dieser Rückfederung zur Mittellage kann die Flüssigkeit aus dem Raum 6 oberhalb des Freikol­ bens 7 über das Rückschlagventil 5 in den Raum 1 a fließen.

Schwingt der Stoßdämpferkolben 2 über seine Mittellage nach unten, so übt das Druckventil 9 a infolge entspannter Feder 6 a keinen Widerstand mehr aus. Aus dem oberen Raum 6 kann die Flüssigkeit weiterhin drucklos über das Rückschlagventil 5 in den Raum 1 a strömen. Bei dieser Ausfederung in die un­ tere Endlage wirkt also wiederum keine Dämpfungskraft F _D . Bei der Rückfede­ rung des Dämpfungskolbens nach oben zur Mittellage übt das Druckventil 9 einen Widerstand entsprechend der Federkraft F _F der Feder 8 aus und erzeugt eine nach oben gerichtete Dämpfungskaft F _D , die zur Mittellage hin wieder linear abnimmt und Null wird. Schwingt der Stoßdämpferkolben weiterhin über die Mittellage aus, so wiederholt sich der beschriebene Vorgang.

Wesentlich ist, daß sich infolge der im Freikolben 7 angeordneten feinen Düse 7 a der Freikolben 7 unabhängig vom Beladungszustand stets in seine Mittellage einstellen kann. Ist dies nicht der Fall, wird die Dämpfung instabil.

Überrollt das Rad eine Bodenvertiefung, so läuft der gleiche Vorgang in um­ gekehrter Richtung des Dämpferhubes und der Dämpferkraft ab.

Der gleiche Dämpfungsverlauf ergibt sich auch bei dem konstruktiven Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 4. Bewegt sich der Stoßdämpferkolben 2 beim Über­ rollen einer Bodenerhöhung nach oben, so legt er sich mit seiner inneren, oberen Kreisringfläche 2 a an die entsprechende Kreisringfläche 11 c des Ven­ tilgehäuses an und übt so die Funktion des Rückschlagventils 5 in Fig. 1 aus. Trotzdem kann die Flüssigkeit aus dem oberen Raum 1 a zwischen Ventilkörper 10 und Ventilgehäuse 11 und weiter durch die Bohrungen 11 e zwischen Stoß­ dämpferkolben 2 und Ventilkörper in den unteren Raum 1 b strömen. Keine Däm­ pfungskraft! Bewegt sich der Stoßdämpferkolben 2 wieder nach unten, so legt sich der Stoßdämpferkolben mit seiner unteren Kreisringfläche 2 b an die entsprechende Kreisringffläche 11 d des Ventilgehäuses 11 an und wirkt so­ mit als Rückschlagventil. Die Flüssigkeit muß nun durch die Bohrungen 11 f strömen und wirkt von unten gegen den Bund 10 a des Ventilkörpers 10. Die öff­ nende Kraft auf den Ventilkörper 10 ergibt sich aus der Kreisringfäche, die vom Durchmesser des unteren zylindrischen Endes des Ventilkörpers 10 und dem wirksamen Durchmesser des Bundes 10 a gebildet wird. Das Verhältnis des Stoßdämpferkolben-Querschnitts zu der genannten Kreisringfläche bildet wieder den Multiplikator zwischen der Federkraft der Feder 6 und der Dämpfungskraft. Der Ventilkörper hat zwecks Druckausgleich zwischen seinen Stirnflächen eine Längsbohrung 10 b.

Es ist zu erkennen, daß Ventilkörper 10 und Ventilgehäuse 11 zusammen die Funktion der beiden Druckventile 9 und 9 a nach Fig. 1 übernommen haben. Ven­ tilgehäuse 1 und Stoßdämpferkolben 2 wirken zusammen als Rückschlagventil, ebenfalls in beiden Richtungen.

Für die Funktion des Druckventils ist bedeutsam, daß es im Augenblick der Bewegungsumkehr, d.h. Stillstand des Stoßdämpferkolbens, geschlossen ist und langsam mit zunehmender Geschwindigkeit öffnet. Dadurch wird ein Über­ schwingen des Ventilkörpers vermieden.

Bewegt sich der Stoßdämpferkolben weiter zur Mittellage, so nimmt die Feder­ kraft der Feder ebenfalls ab und wird in der Mittellage gleich Null und die Dämpferkraft ebenfalls. Der Verlauf der Dämpferkraft ist somit der gleiche wie bei Fig. 1.

Für den praktischen Dämpfungsverlauf gibt es geringe Einschränkungen, die in den Diagrammen 5-7 dargestellt sind. Bei kurzen Schwingungsausschlägen werden die Druckventile nicht ansprechen, so daß hier wie in Fig. 5 dar­ gestellt keine Dämpfungskraft wirkt. Tatsächlich wird bei größeren Ausschlägen als a die Dämpferkraft durchgängig bis Null zur Mittellage ab­ nehmen. Für die Berechnung des Schwingungsverlaufes nach Fig. 8 ist der Ein­ fachheit halber der in Fig. 5 angenommene Dämpfungsverlauf verwendet.

Weiter kann nicht vermieden werden, daß beim Strömen der Flüssigkeit um Kan­ ten und durch Bohrungen eine von der Geschwindigkeit abhängige Dämpferkraft entsteht, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Die Gesamt-Dämpferkraft verläuft dann so wie in Fig. 7 angegeben.

Die etwas komplizierte Ausbildung des Freikolbens 7 hat folgenden Zweck. Bei Überfahren einer Bodenerhebung erhält die Aufbaumasse einen Impuls, der auch nicht durch die erste Rückdämpfung ausgeglichen wird. Die Folge davon ist, daß die Aufwärtsbewegung der Aufbaumasse über mehrere Schwingungen der Radmasse anhält. Um dieses zu vermeiden, muß die obere Anlenkung der Feder 8 bei der ersten Einfederung um den Betrag +Z _A nach oben und bei einer ersten Ausfederung um den Betrag -Z _A nach unten verschoben werden.

Wenn sich der Stoßdämpferkolben nach oben bewegt, so übt die Feder 8 auf den kleinen Kolben 12 eine nach oben wirkende Kraft aus. Nach oben kann die Flüssigkeit durch die Flächen 12 c am Zapfen 12 a austreten, und von unten läßt der untere Ventilring 15 a durch die Bohrungen des Deckels 13 a Flüssig­ keit eintreten. Bewegt sich der Stoßdämpferkolben 2 nach unten über die Mittellage hinweg, dann kann der kleine Kolben 12 nur langsam nach unten folgen, weil dann der als Rückschlagventil wirkende Ventilring 15 a schließt.

Erfolgt zuerst eine Bewegung des Dämpfungskolbens nach unten, so ergibt sich der analoge Verlauf in umgekehrter Richtung.

Bei der Berechnung des Schwingungsverlaufes nach Fig. 8 wurden verschieden große Dämpfungen für die Rückbewegung des kleinen Kolbens 12 angenommen. Gleiches gilt auch für die Ausschläge Z _A nach oben und unten.

Der in Fig. 8 dargestellte Schwingungsverlauf von Rad- und anteiliger Auf­ baumasse bei Überfahren einer Bodenerhebung bzw. -Vertiefung entsprechend den Hinweisen von Prof. Dr. Marquard "Schwingungsdynamik des schnellen Straßenfahrzeugs" (1952) berechnet, zeigt die äußerst vorteilhafte Wirkung des neuen Dämpfungsgesetzes. Die Schwingungsweite der Aufbaumasse ist auf ein Viertel gegenüber der alten Dämpfung reduziert, die Schwingungszahl der Aufbaumasse - bei gleicher Federkonstante der Wagenfeder - nur halb so groß.

Die neue Dämpfung bietet noch einen weiteren regelungstechnischen Vorteil.

Infolge veränderlicher Beladung des Fahrzeugs stimmt die statische Ein­ federung nur selten mit der optimalen Mittellage überein. Durch Verstel­ lung des oberen Angriffpunktes der Feder 8 zusätzlich um einen Betrag Z _A bei statischer Einfederung nach oben und bei statischer Ausfederung nach unten, wird erreicht, daß die Aufbaumasse bis zum Erreichen der Mittellage nach unten bzw. nach oben gepumpt wird.

Claims (4)

1. Hydraulischer Stoßdämpfer für Kraftfahrzeuge mit einem in einem Rohr glei­ tenden Stoßdämpferkolben, dessen Stange im unteren Ende des Rohres geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoßdämpferkolben über Ölsäulen z.B. Leitungen mit einem in einem Rohr gleitenden Freikolben verbunden ist, der durch ein gegenläufiges Federpaar in seiner Mittellage gehalten wird, oder es ist der Stoßdämpferkolben direkt mit einer Feder verbunden, an de­ ren anderem Ende der Freikolben befestigt ist, wobei die Enden der Rohre über Leitungen und zum Freikolben hin öffnende Rückschlagventile verbun­ sind und die vom Freikolben beaufschlagten Federn bzw. beaufschlagte Feder einen Ventilkörper belasten, der als Druckventil parallel zum Rückschlag­ ventil angeordnet ist.

2. Stoßdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Freikolben mit einer feinen Düse versehen ist, so daß er unabhängig von der Stellung des Stoßdämpferkolbens durch die Federn oder die Feder in seine Mittellage ge­ schoben wird.

3. Stoßdämpfer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frei­ kolben und der Stoßdämpferkolben unter Zwischenschaltung einer auf Zug und Druck belastbaren Feder in einem Rohr angeordnet sind, wobei die Feder mit dem Stoßdämpferkolben nicht direkt sondern mit einem Ventilkörper ver­ bunden ist, wobei der Ventilkörper als Doppelsitz-Druckventilkörper mit einem mittleren Bund ausgebildet ist, der sich entsprechend der Federkraft entweder an eine obere oder eine untere Kreisringfläche eines Ventilge­ häuses anlegt, wobei das Druckventil entsprechend der Federkraft das Über­ strömen der Flüssigkeit aus dem Raum oberhalb in den Raum unterhalb des Stoßdämpferkolbens oder umgekehrt druckabhängig steuert.

4. Stoßdämpfer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder nicht direkt mit dem Freikolben sondern mit einem kleinen Kolben verbun­ den ist, der in dem Freikolben, der als kurzer Zylinder ausgebildet ist, gleitend angeordnet ist, wobei der kleine Kolben mit Flächen versehene Zapfen besitzt, die in Deckeln, die den Freikolben oben und unten ver­ schließen, geführt sind und der kleine Kolben durch 2 kleine gegenläufige Federn in seiner Mittellage gehalten wird.