DE3939650A1 - Hydraulische daempferanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Dämpferanordnung, insbesondere einen Lenkungsdämpfer für Kraftfahrzeuge, mit einem hydraulischen Verdrängeraggregat, insbesondere einem Kolben-Zylinder-Aggregat, welches zwischen einem bewegungsmäßig zu dämpfenden Element, z. B. einem Lenkgestänge­ teil, und einem relativ stationären Element, z. B. einer Fahrzeugkarosserie oder einem Fahrzeugrahmen, einsetzbar ist und dessen innerhalb eines Gehäuses bzw. Zylinders verschieb­ bar angeordneter Verdränger bzw. Kolben bei einer Verschiebung Hydraulikmedium durch mindestens einen Kanal hindurchdrängt.

Konventionelle Lenkungsdämpfer arbeiten wenig frequenzselektiv, d. h. der auf die relative Geschwindigkeit zwischen bewegtem und stationärem Element des Dämpfers bezogene Widerstand, welcher unerwünschten Bewegungen - in der Regel Schwingungen in einem nach oben und unten abgegrenzten Frequenzbereich (z. B. liegen Lenkgestängeschwingungen je nach Fahrzeug bei ca. 10 Hz bis 25 Hz) - entgegengesetzt wird, unterscheidet sich nicht wesent­ lich von dem entsprechenden Widerstand, den der Lenkungsdämpfer den normalen Lenkbewegungen entgegensetzt.

An sich ist jedoch bei Fahrzeuglenkungen eine stark frequenz­ selektive Dämpfung erwünscht, d. h. in einem für die Lenkung kritischen Frequenzbereich ist eine starke Dämpfung erwünscht; darunter und darüber ist dagegen ein größerer Dämpfungswider­ stand unnötig bzw. unerwünscht, weil dadurch einerseits der Lenkwiderstand erhöht würde und andererseits relativ leicht hochfrequente Vibrationen übertragen werden können.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine hydraulische Dämpferanordnung mit ausgeprägt frequenzselektivem Verhalten zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verdränger oder das Gehäuse über eine in Reihe dazu ange­ ordnete elastische Federung mit dem zu dämpfenden Element schwingungsfähig verbunden ist, wobei die Federkonstante der Federung, die Masse des mit der Federung verbundenen Teiles der Dämpferanordnung, die Masse des bei Relativbewegungen zwischen Verdränger und Gehäuse bewegten Hydraulikmediums sowie das Verhältnis zwischen dem Querschnitt des Kanales bzw. der Kanäle und dem Wirkungsquerschnitt des Verdrängers bzw. Kolbens so bemessen sind, daß die Resonanzfrequenz von Schwingungen dieser Massen relativ zum stationären Teil der Dämpferanordnung nahe des Frequenzbereiches unerwünschter Schwingungen des zu dämpfenden Elementes ist, und daß der Kanal bzw. die Kanäle einen mit der Strömungsgeschwindigkeit stark bzw. überproportional ansteigenden Drosselwiderstand aufweisen.

Bei der erfindungsgemäßen Dämpferanordnung sind also beweg­ liche Massen über die Federung schwingungsfähig mit dem bewegungsmäßig zu dämpfenden Element derart gekoppelt, daß die schwingungsfähigen Massen von dem bewegungsmäßig zu dämpfenden Element zu Resonanzschwingungen angeregt werden können, die aufgrund ihrer hohen Bewegungsgeschwindigkeit zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten des hydraulischen Mediums im Kanal bzw. in den Kanälen führen, so daß deren Drossel­ wirkung eine große Energiedissipation verursacht, d. h. dem bewegungsmäßig zu dämpfenden Element wird viel Bewegungs­ energie entzogen.

Bei sehr langsamen Relativbewegungen zwischen Verdränger und Gehäuse können die Elastizität der Federung sowie der Drosselwiderstand des Kanales bzw. der Kanäle weitestgehend vernachlässigt werden, d. h. das bewegungsmäßig zu dämpfende Element und das relativ stationäre Element können nahezu ohne Widerstand relativ zueinander bewegt werden.

Wenn auf die Dämpferanordnung Schwingungen mit sehr hoher Frequenz, d. h. mit einer Frequenz deutlich oberhalb der Resonanzfrequenz, einwirken, werden der stationäre Teil der Dämpferanordnung einerseits und die relativ dazu schwingbeweg­ lichen Massen andererseits durch die Federung voneinander schwingungsmäßig weitestgehend entkoppelt, so daß der den Kanal bzw. die Kanäle durchsetzende Volumenstrom des Hydrau­ likmediums stark abnimmt, wobei die Größe der Energiedissipa­ tion entsprechend gering wird bzw. gegen Null geht und durch die Federung eine Übertragung hochfrequenter Schwingungen zwischen dem bewegungsmäßig zu dämpfenden Element und dem stationären Element verhindert wird. Auf diese Weise kann die akustische Übertragung von Geräuschen zwischen dem bewegungs­ mäßig zu dämpfenden Element und dem stationären Element wei­ testgehend verhindert werden.

Der Kanal bzw. die Kanäle bilden eine Drosselanordnung, die z. B. im Verdränger bzw. Kolben angeordnet sein kann.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnung verwiesen, in der eine bevorzugte Ausführungsform schematisiert dargestellt ist.

Dabei zeigt die einzige Figur einen Axialschnitt einer als Kolben-Zylinder-Aggregat ausgebildeten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpferanordnung.

Die Dämpferanordnung 1 ist zwischen einer nur schematisch dargestellten Fahrzeugkarosserie 2 mit der relativ großen Masse M und einem Element der ebenfalls nur schematisch wiedergegebenen Fahrzeuglenkung 3 mit der im Vergleich zur Masse M der Karosserie 2 kleinen Masse m angeordnet. Die Fahrzeugkarosserie 2 mit der großen Masse M kann für die weitere Betrachtung als "stationär" aufgefaßt werden, während die Fahrzeuglenkung 3 mit der kleinen Masse m ein gegenüber der stationären Karosserie 2 bewegliches System bzw. Element bildet, dessen Bewegungen relativ zur Fahrzeug­ karosserie 2 mit der Dämpferanordnung 1 frequenzselektiv gedämpft werden sollen.

Die Dämpferanordnung 1 besitzt einen mit der Karosserie 2 weitestgehend unbeweglich bzw. im wesentlichen nur gelenkig verbundenen Zylinder 4 sowie einen darin verschiebbar ange­ ordneten Kolben 5, welcher innerhalb des Zylinders 4 zwei Kammern 4′ und 4′′ voneinander abteilt. Diese Kammern 4′ und 4′′, welche mit Hydraulikmedium ausgefüllt sind, sind über mindestens einen den Kolben 5 durchsetzenden Kanal 6 mit­ einander verbunden. Darüber hinaus ist in einer Kammer, beispielsweise in der oberen Kammer 4′′, zum Ausgleich des von der Kolbenstange 7 verdrängten Hydraulikmediums eine Druckgasfüllung 8 angeordnet, so daß das Hydraulikmedium in den Kammern 4′ und 4′′ des Zylinders 4 unter leichtem Überdruck gehalten wird.

Der Kolben 5 ist über eine Schraubenfeder 9 mit der Kolben­ stange 7 verbunden, deren aus dem Zylinder 4 herausragendes Ende im wesentlichen fest bzw. nur gelenkig mit der Lenkung 3 bzw. einem Gestängeteil derselben verbunden ist.

Aufgrund der Anordnung des Kolbens 5 an der Schraubenfeder 9 vermag der Kolben 5 relativ zur Lenkung 3 Schwingungen auszu­ führen. Dabei wird die Resonanzfrequenz durch die Federkonstan­ te der Schraubenfeder 9 sowie die effektiven schwingfähigen Massen innerhalb der Dämpferanordnung 1 bestimmt. Diese effek­ tiven schwingfähigen Massen werden im wesentlichen durch die Masse des Kolbens 5, einschließlich der Masse eines gegebenen­ falls zwischen der Schraubenfeder 9 und dem Kolben 5 angeord­ neten Kolbenstangenteiles, sowie die effektive Masse des im Kanal 6 aufgenommenen Hydraulikmediums bestimmt.

Die effektive Masse des mit dem Kolben 5 schwingenden Hydrau­ likmediums wird im wesentlichen durch das Volumen des Kanales 6 bzw. - bei mehreren Kanälen - der Kanäle 6 sowie das Verhält­ nis zwischen dem Querschnitt des Kolbens 5 und dem Querschnitt des Kanales bzw. der Kanäle 6 bestimmt.

Bei gleichem Volumen des jeweiligen Kanales 6 ist die effektive Masse des darin aufgenommenen Hydraulikmediums um so größer, je enger der Kanalquerschnitt im Vergleich zum Querschnitt des Kolbens 5 ist. Dies beruht darauf, daß bei einer Verschiebung des Kolbens 5 innerhalb des Zylinders 4 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit innerhalb des Kanales bzw. der Kanäle 6 um so größere Strömungsgeschwindigkeiten auftreten müssen, je enger der Kanalquerschnitt ist.

Im übrigen bleibt bei vorgegebenem Querschnitt des Kolbens 5 und vorgegebener Länge des Kanales 6 bzw. der Kanäle 6 die effektive Masse des mit dem Kolben 5 schwingenden Hydraulik­ mediums weitestgehend konstant, wenn der Querschnitt des Kanales 6 bzw. der Kanäle 6 verändert wird. Denn die Strö­ mungsgeschwindigkeit des Hydraulikmediums im Kanal 6 bzw. in den Kanälen 6 ändert sich umgekehrt proportional zu Änderungen des Kanalquerschnittes.

Die insgesamt wirksame effektive Masse m_w ist proportional zu m_k (A_z/A_k)², wobei m_k die Masse des Hydraulikmediums im Kanal 6 bzw. in den Kanälen 6 und A_z sowie A_k die Querschnitte des Innenraumes des Zylinders 4 sowie des Kanales 6 bzw. der Kanäle 6 bedeuten. Die Resonanzfrequenz f_o der Dämpferanordnung ist proportional zu (1/m_w)^1/2.

Mit einer Veränderung des Querschnittes des Kanales 6 bzw. der Kanäle 6 wird in der Regel eine erhebliche Veränderung des jeweils wirksamen Drosselwiderstandes bewirkt, da der Strö­ mungswiderstand in einem Kanal ganz erheblich vom Querschnitt sowie der Strömungsgeschwindigkeit abhängt.

Die erfindungsgemäße Dämpferanordnung funktioniert nun wie folgt:
Bei langsamen Relativbewegungen zwischen der Lenkung 3 und der Fahrzeugkarosserie 2 kann die Dämpfung weitestgehend vernachlässigt werden, weil der Kolben 5 den langsamen Bewegungen der Lenkung 3 praktisch ohne jede Phasenver­ schiebung folgen kann. Bei den auftretenden langsamen Bewegungen wirkt nämlich auf den Kolben 5 innerhalb des Zylinders 4 nur ein sehr geringer hydraulischer Widerstand, so daß auch die Schraubenfeder 9 praktisch nicht verformt wird.

Bei schnelleren Bewegungen der Lenkung 3, insbesondere bei schnellen Schwingungen derselben, wird nun der Kolben 5 zu Schwingungen angeregt, wobei gleichzeitig Schwingungen des hydraulischen Mediums im Kanal 6 bzw. in den Kanälen 6 auftreten. Je näher die Frequenz der Schwingungen der Lenkung 3 an die Resonanzfrequenz der Dämpferanordnung 1 kommt, um so größer werden die Schwingungsamplituden des Kolbens 5 sowie die Strömungsgeschwindigkeiten des hydrau­ lischen Mediums im Kanal 6 bzw. in den Kanälen 6. Die zur Anregung der Schwingungen des Kolbens 5 sowie des hydrau­ lischen Mediums im Kanal 6 bzw. in den Kanälen 6 notwendige Energie wird der Bewegungsenergie der Lenkung 3 entzogen, d. h. deren Schwingungen werden entsprechend abgeschwächt; gleichzeitig wird die Bewegungsenergie des Kolbens 5 sowie des hydraulischen Mediums innerhalb des Kanales 6 bzw. der Kanäle 6 aufgrund des bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten deutlich wirksamen Strömungswiderstandes ständig in Wärme umgewandelt, d. h. es erfolgt eine merkliche Energiedissi­ pation.

Im überkritischen Bereich, d. h. bei Schwingungen, deren Frequenz deutlich oberhalb der Resonanzfrequenz der Dämpfer­ anordnung liegt, werden die Lenkung 3 und die Fahrzeug­ karosserie 2 schwingungsmäßig voneinander entkoppelt, so daß praktisch keine akustischen Schwingungen übertragen werden können.

Bei der Abstimmung der erfindungsgemäßen Dämpferanordnung ist unter anderem folgendes zu berücksichtigen:
Wenn der Kanal 6 bzw. die Kanäle 6 einen großen Querschnitt aufweisen und/oder die Kanalein- und -ausgänge so strömungs­ günstig geformt sind, daß dort nur eine geringe Verwirbelung des Hydraulikmediums auftritt, erleiden Schwingungen des Kolbens 5 im Zylinder 4 bzw. des hydraulischen Mediums im Kanal 6 bzw. in den Kanälen 6 nur eine vergleichsweise geringe Dämpfung, d. h. die Dämpferanordnung 1 zeigt ein besonders ausgeprägtes Resonanzverhalten. Dies ist gleichbedeutend damit, daß der Lenkung 3 bei Schwingungen nahe der Resonanz­ frequenz der Dämpferanordnung 1 große Mengen an Bewegungsener­ gie entzogen werden, wogegen bei Frequenzen, die einen gewissen Abstand von der Resonanzfrequenz haben, vergleichsweise wenig Bewegungsenergie von der Lenkung 3 auf die Dämpferanordnung 1 übertragen und dort durch Energiedissipation "vernichtet", d. h. in Wärme umgewandelt wird. In einem schmalbandigen Frequenzbereich in der Umgebung der Resonanzfrequenz der Dämpferanordnung kann dagegen die Lenkung 3 besonders viel Bewegungsenergie an die Dämpferanordnung 1 abgeben.

Bei großen Querschnitten des Kanales 6 bzw. der Kanäle 6 bzw. bei strömungsgünstiger Form der Kanalein- und -ausgänge tritt also eine schmalbandige Dämpfung von Schwingungen der Lenkung 3 bei einem stark ausgeprägten Maximum der Energieübertragung von der Lenkung 3 auf die Dämpferanordnung 1 auf.

Wenn dagegen der Kanal 6 bzw. die Kanäle 6 einen engeren Querschnitt haben und/oder die Kanalein- und -ausgänge so aus­ geführt sind (z. B. mit Plättchen oder mit kantiger Form), daß eine ausgeprägte Verwirbelung des Hydraulikmediums erfolgt, so werden Schwingungen des Kolbens 5 sowie des Hydraulikmediums im Kanal 6 bzw. in den Kanälen 6 stärker bedämpft, mit der Folge, daß im Falle einer Anregung der Resonanzfrequenz geringe­ re Schwingungsamplituden auftreten. Dementsprechend ist auch die im Falle der Resonanzschwingungen mögliche Energiedissipation geringer; jedoch schwächt sich die mögliche Energiedissipation bei Schwingungen mit einer von der Resonanzfrequenz mehr oder weniger weit abweichenden Frequenz weniger stark ab. Dement­ sprechend kann von der Lenkung 3 innerhalb eines vergleichs­ weise breiten Frequenzbandes wirksam Bewegungsenergie an die Dämpferanordnung 1 abgegeben und dort durch Energiedissipation "vernichtet" werden. Dagegen ist das Maximum der möglichen Über­ tragung von Bewegungsenergie von der Lenkung 3 auf die Dämpfer­ anordnung 1 weniger ausgeprägt.

Hinsichtlich des Strömungs- bzw. Drosselwiderstandes des Kanales 6 bzw. der Kanäle 6 ist zu berücksichtigen, daß bei gleichen Gesamtquerschnitten mehrere parallelgeschaltete Kanäle 6 einen größeren Widerstand aufweisen als ein einziger Kanal 6, weil der Drossel- bzw. Strömungswiderstand mit kleiner werdendem Querschnitt eines Kanales überproportional ansteigt. Auf diese Weise kann bei gleichen effektiven Massen des in den Kanälen 6 aufgenommenen Hydraulikmediums ein unterschiedlicher Strömungs­ bzw. Drosselwiderstand erreicht werden.

Im übrigen ändert sich der Drossel- bzw. Strömungswiderstand eines Kanales 6 auch mit dessen Länge, wobei der Widerstand annähernd proportional mit der Länge ansteigt.

Um auch bei axial kurzem Kolben 5 eine gewünschte Kanallänge zu ermöglichen, werden der Kanal 6 bzw. die Kanäle 6 z. B. schraubenförmig od. dgl. angeordnet. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den Kanal 6 bzw. die Kanäle 6 gegebenenfalls über die Kolbenstirnseiten hinaus durch rohrförmige Stutzen zu verlängern.

Um bei Verschiebung des Kolbens 5 relativ zum Zylinder 4 an den offenen Enden des Kanales 6 bzw. der Kanäle 6 sprunghafte Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit des hydraulischen Mediums sowie Kavitation (Auftreten von Dampfblasen im Hydrau­ likmedium aufgrund örtlich sehr geringen Druckes) zu vermeiden, können sich die Enden des Kanales 6 bzw. der Kanäle 6 trompe­ tenförmig erweitern.

Abweichend von der dargestellten Ausführungsform können der Kanal 6 bzw. die Kanäle 6 auch als zylinderseitige Bypaßkanäle ausgebildet sein, die die Kammern 4′ und 4′′ außerhalb des Bewegungsbereiches des Kolbens 5 miteinander verbinden, so daß ein Kolben 5 ohne jegliche Durchbrüche angeordnet werden kann.

Außerdem ist es möglich, die Schraubenfeder 9 außerhalb des Zylinders 4 an der Kolbenstange 7 anzuordnen.

Darüber hinaus kann insbesondere bei dieser letzteren Aus­ führungsform mit außerhalb des Zylinders 4 angeordneter Feder 9 vorgesehen sein, beidseitig des Kolbens 5 eine nach außen aus dem Zylinder 4 herausgeführte Kolbenstange anzuordnen, so daß die den Kammern 4′ und 4′′ jeweils zugewandten Wirkflächen des Kolbens 5 gleiche Größe haben. Bei einer derartigen Ausfüh­ rungsform kann die Druckgasfüllung 8 entfallen bzw. wesentlich kleiner dimensioniert sein, so daß sie im wesentlichen nur die Volumensänderungen des Hydraulikmediums aufgrund von Tempera­ turänderungen auszugleichen gestattet.

Im übrigen ist es auch möglich, den Zylinder 4 mit dem Lenk­ gestänge 3 (= kleine Masse m) und die Kolbenstange 7 mit der Karosserie 2 (= große Masse M) zu verbinden.

Außerdem könnten grundsätzlich auch beide Kammern 4′ und 4′′ mit der Druckgasfüllung 8 auf einer Seite des Kolbens 5 ange­ ordnet sein, wobei dann zwischen den Kammern 4′ und 4′′ eine zylinderfeste Abtrennung mit dem Kanal 6 bzw. den Kanälen 6 angeordnet ist.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß die erfindungsgemäße Dämpferanordnung 1 ausgeprägt frequenzselektiv arbeitet, indem das bewegungsmäßig zu dämpfende Element, im dargestell­ ten Beispiel die Lenkung 3, nur bei Bewegungen bzw. Schwingun­ gen innerhalb eines durch die Konstruktion bzw. Bemessung der Dämpferanordnung 1 vorgegebenen Frequenzbandes Bewegungsenergie in größerem Umfang auf die Dämpferanordnung 1 übertragen und damit den Kolben 5 sowie das hydraulische Medium im Kanal 6 bzw. in den Kanälen 6 zu Schwingungen anzuregen vermag, wobei dann die Energie der angeregten Schwingungen durch Energie­ dissipation, d. h. durch Verwirbelung an den Kanalein- und -ausgängen sowie durch Reibung des Hydraulikmediums im Kanal 6 bzw. in den Kanälen 6, "vernichtet" (d. h. in Wärme umgewandelt und nach außen abgeführt) wird.

Bei entsprechender Abstimmung der Dämpferanordnung 1 wird dieselbe also nur bei kritischen Bewegungs- bzw. Schwingungs­ zuständen der Lenkung 3 bzw. des bewegungsmäßig zu dämpfenden Elementes wirksam; im übrigen kann der Einfluß der Dämpfer­ anordnung 1 mehr oder weniger vernachlässigt werden.

Claims (4)

1. Hydraulische Dämpferanordnung, insbesondere Lenkungs­ dämpfer für Kraftfahrzeuge, mit einem hydraulischen Verdrängeraggregat, insbesondere einem Kolben-Zylinder- Aggregat, welches zwischen einem bewegungsmäßig zu dämpfenden Element, z. B. einem Lenkgestängeteil einer Fahrzeuglenkung, und einem relativ stationären Element, z. B. einer Fahrzeug­ karosserie oder einem Fahrzeugrahmen, einsetzbar ist und dessen innerhalb eines Gehäuses bzw. Zylinders verschiebbar angeordneter Verdränger bzw. Kolben bei einer Verschiebung Hydraulikmedium durch mindestens einen Kanal hindurchdrängt, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger bzw. Kolben (5) oder das Gehäuse bzw. der Zylinder (4) über eine in Reihe dazu angeordnete elastische Federung (9) mit dem zu dämpfenden Element (Lenkung 3) schwingungsfähig verbunden ist, wobei die Federkonstante der Federung (9), die Masse des mit der Federung (9) verbun­ denen Teiles (Kolben 5) der Dämpferanordnung (1), die Masse des bei Relativbewegungen zwischen Verdränger bzw. Kolben (5) und Gehäuse bzw. Zylinder (4) bewegten Hydraulikmediums sowie das Verhältnis zwischen dem Querschnitt des Kanales bzw. der Kanäle (6) und dem Wirkungsquerschnitt des Verdrängers bzw. Kolbens (5) so bemessen sind, daß die Resonanzfrequenz von Schwingungen dieser Massen relativ zum stationären Teil (Zylinder 4) der Dämpferanordnung (1) nahe des Frequenz­ bereiches unerwünschter Schwingungen des zu dämpfenden Elementes (3) ist, und daß der Kanal bzw. die Kanäle (6) einen mit der Strömungsgeschwindigkeit stark bzw. überpropor­ tional ansteigenden Drosselwiderstand aufweisen.

2. Dämpferanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) mit der Federung (9) in Reihe angeordnet ist.

3. Dämpferanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten des Kolbens (5) mit Hydraulikmedium gefüllte Kammern (4′, 4′′) angeordnet sind, die miteinander über mindestens einen eine Drosselanordnung bildenden Kanal (6) verbunden sind.

4. Dämpferanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (6) bzw. die Kanäle (6) im Kolben (5) angeordnet sind.