DE4327358C2 - Frequenzselektiv wirkender Schwingungsdämpfer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen frequenzselektiv wirkenden Schwingungsdämpfer, bestehend aus einem mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllten Arbeitszylinder, der von einem an einer Kolbenstange befestigten, Drosselventile aufweisenden Kolben in zwei Arbeitsräume unterteilt ist.

Es sind bereits frequenzabhängig wirkende Schwingungs­ dämpfer (z. B. DE-OS 40 29 596) bekannt, mit denen es möglich ist, auf mechanischem Wege die beiden charak­ teristischen Eigenfrequenzen von Fahrzeugaufbau und Fahrzeugrädern stark zu dämpfen. Um dies zu erreichen, sind sowohl in der hohlen Kolbenstange als auch in einer parallel zum Außenzylinder des Schwingungsdämpfers ange­ ordneten Bypaßleitung sogenannte Einmassenschwinger vor­ gesehen. Diese bestehen aus je einem axial verschieb­ baren Trägheitskörper und daran befestigten federnden Verbindungen. Dabei ermöglichen die Trägheitskörper in ihren Ruhestellungen sowie bei kleinen Auslenkungen den Flüssigkeitsdurchtritt von der oberen zur unteren Arbeitskammer und versperren ihn, sobald sie in Resonanz schwingen. Die Resonanzfrequenzen der Trägheitskörper­ systeme sind auf die Eigenfrequenzen des Fahrzeuges abgestimmt.

Darüber hinaus sind Vorrichtungen zur Dämpfung von Bewegungsabläufen (z. B. DE-OS 40 24 966) bekannt, bei denen eine dynamische Radlast durch Eingriff in das Dämpfungselement mittels frequenzabhängiger Erhöhung der passiven Federsteifigkeit des Federelementes reduzierbar ist, um die dynamischen Radlasten im Sinne einer Ver­ minderung zu verändern.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfachen, kosten­ günstigen Schwingungsdämpfer für Kraftfahrzeuge zu realisieren, bei dem in fahrzeugrelevanten Frequenz­ bereichen die Schwingungen optimal angepaßt gedämpft werden und die Fahrzeugschwingungen anderer Frequenzen deutlich geringer gedämpft werden, ohne daß zusätzlicher Aufwand, wie Elektronik, Sensorik usw. aufgewendet werden muß.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorge­ sehen, daß dem Arbeitszylinder als passive Bauelemente mindestens zwei hydraulische und/oder mechanische Kapazitäten (Ch) zugeordnet sind, von denen eine über eine hydraulische Induktivität (Rh) mit dem kolben­ stangenseitigen Arbeitsraum verbunden ist und zusammen mit den Drosselventilen im Kolben ein hydraulisches Netzwerk bilden, das durch sein Gesamtschwingungs­ verhalten und ohne zusätzliche Dämpfkraftverstellung die Fahrzeugschwingungen in dem Rad- und Aufbaueigen­ frequenzbereich stärker dämpft, als die Fahrzeug­ schwingungen anderer Frequenzbereiche.

Bei dieser Ausbildung ist von Vorteil, daß mit passiven, hydraulischen Bauelementen die Fahrzeugschwingungen im Rad- und Aufbaueigenfrequenzbereich optimal gedämpft werden. Die Fahrzeugschwingungen anderer Frequenzen werden erheblich geringer gedämpft. Somit wird ein deutlicher Fahrkomfort unter Beibehaltung der Fahr­ sicherheit erzielt, mit dem Vorteil, daß kein Aufwand an Sensorik, Elektronik, Logik, Plausibilität und Sicher­ heitsüberwachung betrieben werden muß, wie beispiels­ weise bei Systemen mit elektronischer Dämpfkraftver­ stellung.

Es werden mit Vorteil passive, hydraulische Bauelemente, wie beispielsweise Rohrelemente, als Träger von Bewegungsenergie (hydraulische Induktivitäten) und Hydrospeicher als Träger potentieller Energie (hydraulische Kapazitäten) und hydraulische Widerstände als Energieverbraucher in Form eines komplexen hydrau­ lischen Netzwerkes derart dimensioniert und geschaltet, daß sich als Summenwirkung eine frequenzselektive Dämpfung einstellt.

Nach einem wesentlichen Merkmal ist vorgesehen, daß dem Arbeitszylinder drei hydraulische Kapazitäten zugeordnet sind. Mit Vorteil ist dabei vorgesehen, daß der der Kolbenstangenseite abgewandte Arbeitsraum mit einer hydraulischen Kapazität und der kolbenstangenseitige Arbeitsraum mit zwei hydraulischen Kapazitäten versehen ist.

In Ausgestaltung der Erfindung ist als hydraulische Kapazität ein mit Druckgas vorgespannter Hydrospeicher vorgesehen.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die hydraulische Kapazität als ein mit Gasdruck vorge­ spannter und über einen Trennkolben vom Arbeitsraum abgegrenzter Ausgleichsraum ausgebildet ist. Vorteilhaft ist hierbei, daß der in einem Einrohr-Gasdruckdämpfer vorgesehene Ausgleichsraum prinzipiell verwendet werden kann.

Hierbei ist von Vorteil, daß der Ausgleichsraum axial in Verlängerung des der Kolbenstangenseite abgewandten Arbeitsraumes angeordnet ist oder daß der Ausgleichsraum radial um den Arbeitszylinder herum angeordnet ist.

Eine Ausgestaltung sieht vor, daß der Trennkolben als Ringtrennkolben im Ausgleichsraum ausgeführt ist.

Eine günstige Ausführungsform sieht vor, daß als mechanische Kraft ein elastisches Gummielement vorge­ sehen ist.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß als mechanische Kapazität ein elastisches Gummielement vorgesehen ist.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als hydraulische Induktivität eine Strömungsverbindung vorgesehen ist. In vorteilhafter Weise ist die Strömungsverbindung dabei als Rohr- und/oder Schlauch­ leitung ausgebildet.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau eines frequenz­ selektiv wirkenden Schwingungsdämpfers mit Ausge­ staltungen 1a und 1b,

Fig. 2 ein Wirkschaltbild des in Fig. 1 dargestellten Schwingungsdämpfers,

Fig. 3 ein aus Fig. 2 resultierender Hydraulikplan,

Fig. 4 Meßergebnisse des in Fig. 1 dargestellten Schwingungsdämpfers.

In der Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Schwingungsdämpfers dargestellt, bei dem der Arbeitsraum 1 durch einen, an einer Kolbenstange 9 befestigten Kolben 8 in zwei Arbeitsräume 1a und 1b unterteilt wird. Basishydraulisch handelt es sich um ein Einrohr- Gasdruckschwingungsdämpfersystem, bei dem im oberen Teil des Arbeitszylinders 3 ein mit Gas gefüllter Ausgleichs­ raum 2 vorgesehen, der über einen Trennkolben 10 gegen­ über dem unteren Arbeitsraum 1b abgeteilt ist. Der Kolben 8 ist mit Realwiderständen 7 zur Erzeugung der Zug- bzw. Druckdämpfung versehen.

Der untere Arbeitsraum 1a ist einerseits mit einem Hydrospeicher 6 und andererseits über eine Strömungsver­ bindung 4 mit einem Hydrospeicher 5 verbunden.

Das gesamte hydraulische System besteht somit aus den Kapazitäten Ch1 (Hydrospeicher 5), Ch2 (Hydrospeicher 6) und Ch3 (Hydrospeicher 2), einer Induktivität Lh (Strömungsverbindung 4) und den im Kolben 8 integrierten hydraulischen Widerständen RhZ und RhD (Drosselventile 7) und bildet, in Anlehnung an die elektronische Terminologie, ein hydraulisches Netzwerk.

Dieser Schwingungsdämpfer arbeitet nach folgendem Wirk­ prinzip. Die nach außen abgegebene Summenkraft F resultiert stets aus der Druckdifferenz (p2 - p1) und dem jeweils vorhandenen Druck p1. In der Zugstufe ist p2 größer p1, in der Druckstufe ist p2 kleiner p1. Diese Druckdifferenzen resultieren aus den durch die Funktionsweise des hydraulischen Netzwerkes erzwungenen Volumenströmen bei Relativbewegung der Kolbenstange 9 zum Arbeitszylinder 3. Die Dämpfungskräfte werden von dem anteiligen Volumenstrom bestimmt, der durch die Drosselventile 7 in der Zug- bzw. Druckstufe fließt. Um beispielsweise hohe Dämpfung bei den fahrzeugrelevanten charakteristischen Resonanzfrequenzen bzw. Frequenz­ bändern (Rad- und Aufbaueigenfrequenzbereich) zu realisieren, muß dafür gesorgt werden, daß bei diesen Frequenzen entsprechend viel Volumenstrom durch die Drosselventile 7 gelangt. Bei anderen Frequenzen muß dem Drosselventil 7 entsprechend weniger Volumenstrom zur Verfügung gestellt werden.

Das vorgenannte Wirkprinzip ist realisiert mit passiven, hydraulischen Bauelementen in Verbindung mit einer geeigneten hydraulischen Schaltungstechnik, im folgendem Netzwerk genannt.

Fig. 2 zeigt das Wirkschaltbild, Fig. 3 den daraus resultierenden Hydraulikplan. Das Netzwerk weist zwei charakteristische Resonanzstellen auf. Isoliert be­ trachtet bildet die Rohrinduktivität Lh1 mit der Kapazität Ch1 und der Rohrleitungsdämpfung Rh1 einen hydraulischen Reihenschwingkreis mit der frequenz­ abhängigen Impedanz Z1 (erster Resonator).

Die Kapazität Ch2 bildet mit dem Widerstand Rh2 die Reihenimpedanz Z2. Die Impedanzen Z1 und Z2 sind parallel geschaltet und bilden einen Parallelschwing­ kreis (zweiter Resonator). Die Dämpfungswiderstände RhZ und RhD sind ebenfalls parallel zu den Impedanzen Z1 und Z2 geschaltet.

Bei Z1 liegt an der Resonanzstelle, bedingt durch die Reihenschaltung, ein Impedanzminimum vor, mithin fließt an dieser Stelle der größtmögliche Volumenstrom (erste Resonanzstelle). Im Parallelschwingkreis liegt bei Resonanz ein Impedanzmaximum vor, mithin tritt dort der geringstmögliche Volumenstrom auf (zweite Resonanz­ stelle). Gemäß der Fig. 1 sind die Bauelemente derart dimensioniert, daß die erste Resonanzstelle genau zwischen den beiden charakteristischen Resonanz­ frequenzen eines Kraftfahrzeuges liegen. Dort wird dem Kolben 8 ein Maximum an Volumenstrom entzogen, weil die Impedanz Z1 ein Minimum beinhaltet, was gleichbedeutend ist mit geringer Dämpfung.

Die zweite Resonanzstelle liegt im Bereich der Radeigen­ frequenz. Dort ist, bedingt durch die Parallelresonanz, ein Impedanzmaximum, womit dem Kolben 8 wiederum der größtmögliche Volumenstrom zur Verfügung steht, was wiederum zu maximaler Dämpfung führt. Mit steigender Frequenz sperrt die induktive Reaktanz XLh mehr und mehr den Volumenstrom im Z1-Glied, während gleichzeitig die kapazitive Reaktanz XCh2 stetig abnimmt. Somit wird dem Kolben 8 immer mehr Volumenstrom entzogen, und die Dämpfungskraft wird im Bereich oberhalb der Radeigen­ frequenz mit zunehmender Frequenz wiederum geringer.

Fig. 4 zeigt Meßergebnisse von den Meßreihen eines Prototypes, gemessen auf einem geeigneten Hydropulser. Die Dämpfungskräfte sind über der Frequenz linear dargestellt bei einer konstanten Prüfgeschwindigkeit von 0,52 m/s. Man erkennt deutlich die erreichten Dämpfungsmaxima in den beiden charakteristischen Eigen­ frequenzbereichen, das Dämpfungsminimum zwischen den beiden Eigenfrequenzbereichen, sowie die abfallende Dämpfung mit zunehmender Frequenz über die Radeigen­ frequenz hinaus.

Bezugszeichenliste

1 - Arbeitsräume
2 - Ausgleichsraum
3 - Arbeitszylinder
4 - Strömungsverbindung
5 - Hydrospeicher
6 - Hydrospeicher
7 - Drosselventile
8 - Kolben
9 - Kolbenstange
10 - Trennkolben

Claims (11)

1. Frequenzselektiv wirkender Schwingungsdämpfer, be­ stehend aus einem mit Dämpfungsflüssigkeit ge­ füllten Arbeitszylinder, der von einem an einer Kolbenstange befestigten, Drosselventile aufweisen­ den Kolben in zwei Arbeitsräume unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arbeitszylinder (3) als passive Bauelemente mindestens zwei hydraulische und/oder mechanische Kapazitäten (Ch) zugeordnet sind, von denen eine über eine hydraulische Induktivität (Rh) mit dem kolbenstangenseitigen Arbeitsraum (1a) verbunden ist und zusammen mit den Drosselventilen im Kolben ein hydraulisches Netzwerk bilden, das durch sein Gesamtschwingungsverhalten und ohne zusätzliche Dämpfkraftverstellung die Fahrzeugschwingungen in dem Rad- und Aufbaueigenfrequenzbereich stärker dämpft, als die Fahrzeugschwingungen anderer Frequenzbereiche.

2. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arbeitszylinder (3) drei hydraulische Kapazitäten (Ch1, Ch2, Ch3) zugeordnet sind.

3. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der der Kolbenstangenseite abgewandte Arbeits­ raum (1b) mit einer hydraulischen Kapazität (Ch3) und der kolbenstangenseitige Arbeitsraum (1a) mit zwei hydraulischen Kapazitäten (Ch1, Ch2) versehen ist.

4. Schwingungsdämpfer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als hydraulische Kapazität (Ch) ein mit Druck­ gas vorgespannter Hydrospeicher (5, 6) vorgesehen ist.

5. Schwingungsdämpfer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Kapazität (Ch) als ein mit Gasdruck vorgespannter und über einen Trennkolben (10) vom Arbeitsraum abgegrenzter Ausgleichsraum (2) ausgebildet ist.

6. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichsraum (2) axial in Verlängerung des der Kolbenstangenseite abgewandten Arbeits­ raumes (1b) angeordnet ist.

7. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichsraum (2) radial um den Arbeits­ zylinder herum angeordnet ist.

8. Schwingungsdämpfer nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkolben (10) als Ringtrennkolben im Ausgleichsraum ausgeführt ist.

9. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als mechanische Kapazität ein elastisches Gummielement vorgesehen ist.

10. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als hydraulische Induktivität (Lh) eine Strömungsverbindung (4) vorgesehen ist.

11. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Strömungsverbindung (4) eine Rohr- und/oder Schlauchleitung vorgesehen ist.