DE4318558C1 - Ausgeprägt frequenzselektiv arbeitende hydraulische Dämpferanordnung - Google Patents

Ausgeprägt frequenzselektiv arbeitende hydraulische Dämpferanordnung

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Description

Die Erfindung betrifft eine ausgeprägt frequenzselektiv arbeitende hydraulische Dämpferanordnung, im wesentlichen bestehend aus einem hydraulischen Kolben-Zylinder-Aggregat mit einem einseitig mit einer Kolbenstange verbundenen Kolben, zwei vom Kolben im Zylinder voneinander abgeteilten Kammern, einem diese Kammern miteinander verbindenden Kanal und den Kammern zugeordneten volumenelastischen Elementen, wobei die volumenelastischen Elemente sowie die Länge und der Querschnitt des Kanals derart bemessen sind, daß das hydraulische Medium im Kanal mit einer vorgebbaren Resonanz­ frequenz entsprechend der Frequenz einer kritischen Schwingung eines zu dämpfenden Systems - z. B. Fahrzeug­ lenkung - schwingen und den kritischen Schwingungen nach Art eines Tilgers entgegenwirken kann.
Aus der DE 39 39 650 C2 ist eine entsprechende Dämpferan­ ordnung bekannt, welche sich insbesondere als Lenkungs­ dämpfer für Kraftfahrzeuge eignet.
Lenkungsdämpfer sollen bekanntlich Stöße und Schwingungen unterbinden, die sich als Drehschwingungen im Lenkrad bemerkbar machen. Diese Schwingungen treten typischerweise mit Frequenzen von etwa 10 bis 15 Hz und mit Amplituden von Bruchteilen eines Millimeters, beispielsweise mit 0,2 mm, am Lenkungsdämpfer auf.
Bei entsprechender Abstimmung kann mit der Dämpferanordnung der DE 39 39 650 C2 erreicht werden, daß im wesentlichen nur im Bereich der vorgenannten Frequenzen eine wirksame Dämpfung auftritt, während außerhalb dieses Frequenzbe­ reiches nahezu vernachlässigbare Dämpferkräfte vorhanden sind, wie es bei einer Fahrzeuglenkung grundsätzlich er­ wünscht ist. Denn die vom Fahrer vorgenommenen Lenkmanöver sollen durch den Lenkungsdämpfer möglichst wenig behindert werden. Dies ist gleichbedeutend damit, daß die Dämpfer­ wirkung bei Frequenzen bis etwa 3 Hz möglichst minimal sein bzw. verschwinden soll.
Bei der aus der DE 39 39 650 C2 bekannten hydraulischen Dämpferanordnung werden die Schwingungen des hydraulischen Mediums im Kanal dadurch ermöglicht, daß entweder der Kolben mit der Kolbenstange oder der Zylinder mit seinem am Fahrzeugaufbau bzw. an Lenkungsorganen angeordneten Widerlager elastisch verbunden ist. Dies kann jedoch unter ungünstigen Umständen dazu führen, daß die tilgerwirksamen Schwingungen des hydraulischen Mediums im Kanal nicht in einem wünschenswerten Maße angeregt werden können.
Die DE-AS 10 06 276 sowie das Lehrbuch von J. Reimpell und H. Stoll "Fahrwerktechnik: Stoß- und Schwingungsdämpfer", 2. Auflage, Würzburg, Vogel-Verlag, 1989, Seiten 265 bis 271 (ISBN 3-8023-0202-8), zeigen nach Art hydraulischer Kolben- Zylinder-Aggregate ausgebildete Lenkungsdämpfer, bei denen das bei Kolbenhüben zwischen zwei Kammern ausgetauschte hydraulische Medium einen Drosselwiderstand überwinden muß. Dazu stehen die genannten Kammern über Drosselstrecken mit­ einander in Verbindung, die durch entsprechend enge Kanäle bzw. an den Kanälen angeordnete Dämpferventile gebildet werden. Die Drosselwiderstände sind derart bemessen, daß Resonanzschwingungen des hydraulischen Mediums ausge­ schlossen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, bei einer hydraulischen Dämpferanordnung der eingangs angegebenen Art eine besonders gute Tilgerwirkung zu erreichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zylinder und die mit dem Kolben fest verbundene Kolbenstange jeweils über Verbindungselemente mit sehr hoher Federrate in das zu dämpfende System eingebunden sind, daß der kolbenstangenseitigen Kammer des Zylinders ein relativ weiches erstes volumenelastisches Element zum Ausgleich der Verdrängerwirkung der Kolbenstange zu­ geordnet ist und daß in der von der Kolbenstange abge­ wandten Kammer des Zylinders ein im Vergleich zum ersten volumenelastischen Element steifes weiteres volumenelasti­ sches Element angeordnet ist.
Aufgrund der steifen Verbindungselemente werden Schwin­ gungen zwischen einer bewegungsmäßig zu dämpfenden (kleinen) Masse und einer relativ stationären (großen) Masse des zu dämpfenden Systemes ohne nennenswerte Abschwächung auf den Zylinder bzw. den Kolben übertragen, so daß Schwingungen im zu dämpfenden System zu wirksamen Relativbewegungen zwischen Kolben und Zylinder und damit zu einer besonders wirksamen Anregung von Schwingungen des hydraulischen Mediums im Kanal führen. Durch das relativ weiche erste volumenelastische Element, welches in erster Linie lediglich die Verdrängerwirkung der Kolbenstange ausgleichen soll, wird - aufgrund seiner Weichheit - zwangsläufig gewährleistet, daß sich der statische hydraulische Druck im Zylinder bei Verschiebung von Kolben und Kolbenstange praktisch nicht ändert und auf Werte eingestellt werden kann, welche einerseits ausreichen, Kavitation bei Relativbewegungen zwischen Kolben und Zylinder zu vermeiden, und andererseits die Möglichkeit bieten, die Kolbenstange gegenüber dem Zylinder mit reibungsarmen Dichtungen abzuschließen, welche aufgrund ihrer geringen Reibung in der Regel nur geringen Drücken standhalten.
Da das weiche volumenelastische Element der kolbenstangen­ seitigen Kammer des Zylinders zugeordnet ist, werden auf die Kolbenstangendichtungen wirkende dynamische Druck­ spitzen abgeschwächt.
Die Resonanzfrequenzen der erfindungsgemäßen Dämpferan­ ordnung werden damit einerseits durch die Bemessungen von Kanal und Kolbenquerschnitt und andererseits im wesentlichen durch das weitere volumenelastische Element bestimmt, welches aufgrund der Weichheit des ersten volumenelastischen Elementes eine vergleichsweise große Steifheit aufweisen muß bzw. kann.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, das weitere volumenelastische Element nach Art eines Dehnkörpers auszubilden, welcher im wesentlichen aus einem gegen möglichst geringen Wider­ stand verformbaren Balg und einer den Balg expandierenden Feder, beispielsweise einer im Balg angeordneten Schrau­ bendruckfeder, besteht. Damit ist die Volumenelastizität dieses Elementes praktisch von der Temperatur unabhängig.
Das andere volumenelastische Element kann im wesentlichen in grundsätzlich bekannter Weise als hydropneumatischer Druckspeicher ausgebildet sein, wobei in einer den Zylin­ der ringförmig umschließenden Ringkammer eine diese Kammer unterteilende Schlauchmembran angeordnet ist, die außen­ seitig vom pneumatischen Medium und innenseitig vom hydrau­ lischen Medium beaufschlagt wird.
Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung einer in der Zeichnung dargestellten vorteil­ haften Ausführungsform verwiesen.
Dabei zeigt die einzige Figur einen Axialschnitt eines entsprechend der Erfindung ausgebildeten Lenkungsdämpfers.
Der dargestellte Lenkungsdämpfer besitzt einen Zylinder 1 sowie einen darin verschiebbaren Kolben 2, welcher fest mit einer Kolbenstange 3 geringen Quer­ schnittes verbunden ist, die einen (in der Zeichnung linken) Boden 4 des Zylinders 1 durchsetzt. Der Boden 4 besitzt einerseits eine die Kolbenstange 3 führende zentrale Öffnung und andererseits eine in einem Ringraum des Bodens 4 untergebrachte, die Kolbenstange 3 dicht um­ schließende Ringdichtung 5, welche zur Unterstützung ihrer Dichtwirkung vom Druck im Zylinder 1 beaufschlagt wird. Dazu ist der zur Unterbringung der Ringdichtung 5 dienende Ringraum mit dem Innenraum des Zylinders 1 über einen Axialkanal 6 verbunden.
An der Kolbenstange 3 sind mit dem Boden 4 zusammen­ wirkende Anschläge 7 und 8 angeordnet. Der Anschlag 7 verhindert, daß der Kolben 2 sowie die Kolbenstange 3 über die dargestellte eingeschobene Endlage hinaus nach rechts verschoben werden können, während der An­ schlag 8 in Ausschubrichtung von Kolben 2 und Kolben­ stange 3 wirksam wird, sobald der Kolben 2 seine andere Endlage 2′ erreicht hat.
Die genannten Endlagen bzw. an diese Endlagen angenäherte Lagen können nur dann erreicht werden, wenn die Lenkung eines Fahrzeuges extrem weit nach rechts oder links ein­ geschlagen wird. Im normalen Fahrbetrieb nehmen dagegen Kolben 2 und Kolbenstange 3 eine mittlere Lage zwischen den vorgenannten Endlagen ein. In der Praxis braucht der Lenkungsdämpfer auch nur in einer derartigen mittleren Lage dämpferwirksam zu werden, weil die vom Lenkungs­ dämpfer zu unterdrückenden Schwingungen nur bei höheren Geschwindigkeiten auftreten, die sich nur in Geradeaus­ stellung der Lenkung bzw. bei geringeren Lenkeinschlägen erreichen lassen.
Die außerhalb des Verschiebebereiches des Kolbens 2 liegenden Endbereiche des Zylinders 1 kommunizieren mit­ einander über eine außerhalb des Zylinders 1 angeordnete Rohrleitung 9, welche eine relativ große Länge besitzen und dazu den Zylinder 1 schraubenförmig umwinden kann. Im übrigen werden die Bemessung sowie der Zweck der Rohr­ leitung 9 weiter unten erläutert.
An der in der Zeichnung linken Hälfte des Zylinders 1 ist eine dem Zylinder 1 ummantelnde Manschette 10 dicht ange­ ordnet, welche eine den Zylinder 1 umschließende Ring­ kammer bildet. Diese Ringkammer ist durch eine zwischen den axialen Enden der Manschette 10 und dem Außenumfang des Zylinders 1 dicht festgehaltene Schlauchmembran 11 in einen außenseitig der Schlauchmembran 11 verbleibenden Druckgasraum 12 und einen innenseitig der Membran 11 ver­ bleibenden Hydraulikraum 13 unterteilt, welcher über mindestens eine Radialbohrung im Zylinder 1 mit dessen Innenraum kommuniziert.
Innerhalb des rechten Endes des Zylinders 1 ist an dessen rechtem Boden 14 ein volumenelastisches Dehnelement 15 angeordnet.
Dieses besteht im wesentlichen aus zwei Stirnplatten 16, die dicht mit einem zwischen ihnen angeordneten, axial sehr nachgiebigen Balg 17 dicht verbunden sind und durch eine zwischen ihnen innerhalb des Balges 17 angeordnete Schraubendruckfeder 18 elastisch auseinandergedrängt werden, d. h. die Schraubendruckfeder 18 sucht das Volumen des Dehnelementes 15 zu vergrößern.
Mittels eines an der einen Stirnplatte 16 angeordneten Schraubbolzens ist das Dehnelement 15 in eine entsprechende Gewindesackbohrung am Boden 14 des Zylinders 1 eingedreht und festgehalten.
Der Hydraulikraum 13, die Rohrleitung 9 sowie der Innen­ raum des Zylinders 1 (beidseitig des Kolbens 2) sind mit Hydraulikmedium gefüllt.
Dieses Hydraulikmedium wird durch den Druck des im Druck­ gasraum 12 eingeschlossenen Druckgases unter einem ge­ wissen Überdruck gehalten, welcher ausreicht, Kavitationen bei Verschiebebewegungen des Kolbens 2 zu vermeiden.
Bei Verschiebebewegungen des Kolbens 2 wird hydraulisches Medium über die Rohrleitung 9 zwischen den beidseitig des Kolbens 2 verbleibenden Räumen im Zylinder 1 ausgetauscht, wobei bei einer Verschiebung des Kolbens 2 nach rechts von der Kolbenstange 3 verdrängtes Hydraulikmedium vom Hydraulikraum 13 aufgenommen wird, aus dem dann bei umge­ kehrter Verschieberichtung des Kolbens 2 Hydraulikmedium wiederum in den Zylinder 1 nachgeführt wird.
Die Federrate des im Druckgasraum 12 eingeschlossenen Druckgases ist recht gering, so daß der Gasdruck sich nur relativ wenig ändert, wenn der Hydraulikraum 13 hydrau­ lisches Medium aufnimmt bzw. abgibt. Dies ist gleichbe­ deutend damit, daß der Druckgasraum 12 eine große Volumen­ elastizität besitzt, welche das Verhältnis zwischen Volumenänderung und Druckänderung darstellt.
Bei langsamen Verschiebebewegungen des Kolbens 2 wird das Dehnelement 15 praktisch nicht wirksam, weil seine Volumenelastizität vergleichsweise groß ist.
Zylinder 1 und Kolben 2 sind mittels steifer Verbindungs­ elemente 19, d. h. über solche mit hoher Federrate, einer­ seits mit dem Fahrzeugaufbau (relativ stationäre Masse) und andererseits mit beweglichen Teilen der Fahrzeug­ lenkung (schwingungsmäßig zu dämpfende kleine Masse) verbunden. Außerdem arbeiten die Ringdichtung 5 sowie die Führung der Kolbenstange und der Kolben 2 im Zylin­ der 1 mit (möglichst) geringer Reibung. Dementsprechend führen Schwingungen der Lenkung relativ zum Fahrzeugaufbau auch bei relativ geringen Kräften zu entsprechenden Relativbewegungen zwischen Kolben 2 und Zylinder 1.
Dies hat zur Folge, daß das Hydraulikmedium in der Rohr­ leitung 9 zu entsprechenden Bewegungen angeregt wird.
Durch entsprechende Bemessung von Länge und Querschnitt der Rohrleitung 9 sowie die Bemessung der Volumenelastizi­ täten des Druckgasraumes 12 und - insbesondere - des Dehn­ elementes 15 wird die Möglichkeit geschaffen, die Resonanz­ frequenz der Schwingungen des hydraulischen Mediums in der Rohrleitung 9 entsprechend der Frequenz einer störenden Schwingung des Lenksystems relativ zum Fahrzeugaufbau zu bemessen.
Sollten also derartige Schwingungen des Lenksystems auf­ treten, so regen diese aufgrund der steifen Verbindungs­ elemente 19 sowie der geringen Reibung zwischen Teilen des Zylinders 1 und dem Kolben 2 bzw. der Kolbenstange 3 sehr schnell entsprechende Schwingungen des hydraulischen Mediums in der Rohrleitung 9 an. Das schwingende Hydrau­ likmedium in der Rohrleitung 9 wirkt dann als Tilgermasse, deren Schwingungen den Schwingungen des Lenksystems ent­ gegenwirken.
Diese Wirkung ist stark frequenzabhängig, d. h. im wesent­ lichen wird lediglich in der Nähe der Resonanzfrequenz der Dämpferanordnung eine hohe Dämpferwirkung erreicht. Bei langsamen Relativbewegungen zwischen Kolben 2 und Zylinder 1 kann dagegen die Dämpferwirkung vernachlässigt werden.
Für die Resonanzfrequenz gilt
ω₀ = [AK (k₁ + k₂)/ρ lK k₁ k₂]1/2.
Hierbei bedeuten
AK Querschnitt des von der Rohrleitung 9 gebildeten Kanales
lK Länge des von der Rohrleitung 9 gebildeten Kanales
k₁ Volumenelastizität des Druckgasraumes 12
k₂ Volumenelastizität des Dehnelementes 15
ρ Dichte des hydraulischen Mediums.
Für die Tilgerwirkung des in der Rohrleitung 9 schwingenden hydraulischen Mediums ist in erster Linie dessen wirksame (effektive) Masse mw maßgeblich, für die gilt
mw = (π/4) lK ρ dV⁴/dK².
Dabei bedeuten
dV Durchmesser des Kolbens 2
dK Durchmesser des von der Leitung 9 gebildeten Kanales.
Für die Resonanzfrequenz ω₀ ist also vor allem das Ver­ hältnis zwischen Querschnitt und Länge des von der Lei­ tung 9 gebildeten Kanales wichtig. Die wirksame Masse mw wächst stark progressiv mit dem Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Kolbens 2 und dem Durchmesser dieses Kanales.

Claims (5)

1. Ausgeprägt frequenzselektiv arbeitende hydraulische Dämpferanordnung, im wesentlichen bestehend aus einem hydraulischen Kolben-Zylinder-Aggregat mit einem einseitig mit einer Kolbenstange verbundenen Kolben, zwei vom Kolben im Zylinder voneinander abgeteilten Kammern, einem diese Kammern miteinander verbindenden Kanal und den Kammern zugeordneten volumenelastischen Elementen, wobei die volumenelastischen Elemente sowie die Länge und der Quer­ schnitt des Kanals derart bemessen sind, daß das hydrau­ lische Medium im Kanal mit einer vorgebbaren Resonanzfrequenz entsprechend der Frequenz einer kritischen Schwingung eines zu dämpfenden Systems (Fahrzeuglenkung) schwingen und den kritischen Schwingungen nach Art eines Tilgers entgegen­ wirken kann,
dadurch gekennzeichnet,
daß
  • - der Zylinder (1) und die mit dem Kolben (2) fest verbundene Kolbenstange über Verbindungselemente (19) mit hoher Feder­ rate in das zu dämpfende System eingebunden sind,
  • - der kolbenstangenseitigen Kammer des Zylinders (1) ein relativ weiches erstes volumenelastisches Element (12) zum Ausgleich der Verdrängerwirkung der Kolbenstange (3) zugeordnet ist, und
  • - in der von der Kolbenstange (3) abgewandten Kammer des Zylinders (1) ein im Vergleich zum ersten volumenelasti­ schen Element (12) steifes weiteres volumenelastisches Element (15) angeordnet ist.
2. Dämpferanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastizität des ersten volumenelastischen Elementes durch einen Druckgasraum (12) gebildet wird.
3. Dämpferanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite volumenelastische Element als Dehnelement (15) ausgebildet ist, welches aus einem dicht mit zwei Stirnplatten (16) verbundenen Balg (17) besteht, welcher eine die Stirnplatten (16) axial auseinanderdrängende Schraubendruckfeder (18) aufnimmt.
4. Dämpferanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (2) gegen geringe Reibung im Zylinder (1) verschiebbar ist.
5. Dämpferanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (1) durch eine reibungsarme Dichtung (5) gegenüber der Kolbenstange (3) abgedichtet ist.
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