DE4334007C2 - Pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine pneumatische Feder-Dämpfer- Einheit, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem doppeltwirkenden Verdrängerorgan, dessen Verdrängerkammern ein sich je nach Hubrichtung vergrößerndes bzw. verkleinern­ des Gesamtvolumen aufweisen, wobei sich die Volumen zumindest zweier Verdrängerkammern, zwischen denen gedrosselte Über­ strömkanäle angeordnet sind, gegensinnig ändern und die Überströmkanäle - zumindest teilweise - durch Ventile mit als Verschlußorgan angeordneten, aus magnetisierbarem Material bestehenden Ventilfederplättchen gesteuert werden, die in Schließlage mit zugeordneten Anlageflächen zusammen­ wirken.

Derartige pneumatische Feder-Dämpfer-Einheiten sind aus dem DE-U 84 13 300 bekannt. Sie ermöglichen einerseits eine federnde Abstützung und andererseits die Dämpfung von Feder­ bewegungen einer gefederten Masse.

Grundsätzlich ist es wünschenswert, die Dämpfungscharak­ teristik sowie die dynamischen Eigenschaften derartiger Feder-Dämpfer-Einheiten durch Steuerung des Drosselwider­ standes der Überströmkanäle verändern zu können.

Vergleichbares ist bei hydraulischen Stoßdämpfern grund­ sätzlich bekannt, vgl. beispielsweise die DE 37 31 228 A1. Danach sind parallel zu Überströmkanälen mit ungeregelten, durch Federkraft belasteten Ventilen steuerbare Ventile vorgesehen, die in Abhängigkeit von getakteten Steuersig­ nalen in schneller Folge periodisch geöffnet und geschlossen werden. Das Öffnen und Schließen erfolgt mittels einer Verstelleinrichtung mit einem aus Spule und Anker bestehenden Elektromagneten, der sich aufgrund der taktweisen Strombeauf­ schlagung nur vergleichsweise wenig erwärmt.

Aus der DE 33 37 259 A1 ist ein elektromagnetisch betätig­ tes Durchflußsteuerventil für gasförmige Medien bekannt, bei dem eine ferromagnetische Ventilplatte mittels einer mechanischen Feder in Schließrichtung gedrängt wird und mittels eines Elektromagneten aus der Schließlage ausge­ hoben werden kann, wobei dann die Ventilplatte in Offen­ stellung auf Anlageflächen anliegt, die die Pole des Elektromagneten bilden. Die Spule des Elektromagneten ist an einen Impulsgenerator mit einstellbarem Tastverhältnis angeschlossen. Auf diese Weise kann das zeitliche Verhältnis zwischen Öffnungs- und Schließzeiten verändert werden, um die relative Öffnungsdauer des Ventiles zu steuern.

Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform kann nach der DE 33 37 259 A1 vorgesehen sein, die mechanische Schließ­ feder der Ventilplatte wegzulassen und durch einen weiteren Elektromagneten zu ersetzen, der an den Gegentaktausgang des Impulsgebers angeschlossen ist. Auf diese Weise liegt die Ventilplatte entweder am einen oder anderen Elektro­ magneten an, entsprechend der jeweils gewünschten Offen- oder Schließstellung.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine pneumatische Feder- Dämpfer-Einheit mit gut reproduzierbarer veränderlicher Abstimmung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer pneumatischen Feder-Dämpfer-Einheit der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß die Ventilfederplättchen normal ihre Schließ­ lage einnehmen, daß die Schließkraft mittels eines durch steuerbaren elektrischen Gleichstrom beaufschlagbaren Elektromagenten veränderbar ist, dessen magnetischer Fluß über die Anlageflächen und das bzw. die Ventilfeder­ plättchen verläuft, und daß der elektrische Gleichstrom im Sinne einer niederfrequenten Schwankung der Schließ­ kraft gesteuert wird und/oder das Magnetfeld im Bereich der Anlageflächen bzw. der damit zusammenwirkenden Flächen des Ventilfederplättchens ungleichförmig ist, insbesondere mit räumlich alternierender Feldstärke.

Bei der Erfindung ist also vorgesehen, die die Ventilplätt­ chen beaufschlagenden Schließkräfte zu steuern, welche beim Überströmen des pneumatischen Mediums zwischen zwei Ver­ drängerkammern überwunden werden müssen und den dabei wirksamen Drosselwiderstand bestimmen. In diesem Zusammen­ hang ist erfindungsgemäß vorgesehen, die durch magnetische Kräfte zwischen den Ventilfederplättchen und den Anlage­ flächen gesteuerten Schließkräfte zeitlich und/oder räum­ lich alternierend zu verändern. Dadurch liegen räumliche oder zeitliche Schließkraftschwankungen vor, die bewirken, daß die Ventile der Überströmkanäle weich öffnen und schließen, mit der Folge, daß die Feder-Dämpfer-Einheit ein Kraft-Weg-Diagramm ohne Welligkeit aufweist.

Vermutlich dürften durch zeitliche Schließkraftschwankungen bei entsprechenden Druckdifferenzen an den Überströmkanälen Mikrobewegungen der Ventilfederplättchen auftreten, mit der Folge, daß auch in Schließlage der Ventilfederplättchen für das pneumatische Medium ein gewisser (stark gedrosselter) Bypaß geschaffen wird. In ähnlicher Weise dürften räumlich alternierend schwankende Schließkräfte wirksam werden. Hier kann zwischen den jeweiligen Ventilfederplättchen und den zugeordneten Anlageflächen im Bereich schwächerer Schließ­ kräfte noch eine gewisse Undichtigkeit auftreten, die eben­ falls als Bypaß wirkt.

Hierauf dürfte zurückzuführen sein, daß ein gutes Betriebs­ verhalten der Feder-Dämpfer-Einheit erreichbar ist, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Anlageflächen bzw. die damit zusammenwirkenden Flächen des Ventilfederplättchens genutet sind, so daß einerseits immer eine gewisse Durchlässigkeit verbleibt und andererseits im Bereich der Nuten verminderte magnetisch erzeugte Schließ­ kräfte auftreten.

Die niederfrequenten Schwankungen der Schließkraft können beispielsweise dadurch erzeugt werden, daß der die magne­ tischen Schließkräfte bewirkende Gleichstrom entsprechend gepulst wird.

Statt dessen kann dem Gleichstrom auch ein Wechselstrom - auch in Form eines Rauschens - überlagert werden.

Schließlich besteht die Möglichkeit, einen gepulsten Gleich­ strom mit hoher Pulsfrequenz einzusetzen und das Impuls- Pausen-Verhältnis mit geringer Frequenz zu modulieren.

Vorteilhaft ist, daß bei der Erfindung zur Steuerung der Feder-Dämpfer-Einheit praktisch keine beweglichen Teile notwendig sind.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Er­ läuterung vorteilhafter Ausführungsformen verwiesen, die anhand der Zeichnung dargestellt werden.

Dabei zeigt

Fig. 1 einen schematisierten Axialschnitt einer pneumatischen Feder-Dämpfer-Einheit,

Fig. 2 einen Axialschnitt eines zugehörigen Kolbens mit erfindungsgemäß gesteuertem Ventil und

Fig. 3 ein Kraft-Weg-Diagramm, welches die Dämpferkraft in Abhängigkeit vom Hubweg wiedergibt.

Die pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit 1 besitzt einen Zylinder 2, welcher durch einen Kolben 3 mit einseitig angeordneter Kolbenstange 4 in zwei Pneumatikkammern 5 und 6 unterteilt ist, deren Volumen sich bei Kolbenhüben gegensinnig ändert. Außerdem ist zwischen Teilen an der Kolbenstange 4 und der zugewandten Stirnseite des Zylinders 2 eine weitere, durch einen Rollbalg 7 abgeschlossene Pneuma­ tikkammer 8 vorgesehen, welche normalerweise über nicht dargestellte Verbindungskanäle in der Kolbenstange 4 mit der Kammer 5 kommuniziert.

Die Kammern 5 und 6 sind miteinander über ventilgesteuerte Überströmkanäle 9 verbindbar.

Durch den Pneumatikdruck in den Kammern 5, 6 und 8 wird die Abstützkraft der Feder-Dämpfer-Einheit bestimmt.

Durch Steuerung der Drosselwiderstände der Überströmkanäle 9 läßt sich die Dämpferwirkung verändern.

Gemäß Fig. 2 werden die Überströmkanäle 9 gebildet durch kreisförmig an der Kolbenoberseite angeordnete Axialboh­ rungen 10, welche die Kammer 6 oberhalb des Kolbens 3 mit einem im Kolben 3 angeordneten Ringraum 11 verbinden, welcher über einen relativ breiten ringförmigen Spalt mit einer Zen­ tralöffnung 12 auf der Unterseite des Kolbens 3 und damit mit der Kammer 5 kommunizieren kann.

Innerhalb des ringförmigen Spaltes ist ein durch ringförmig angeordnete Stifte 13 zentriert gehaltertes ringscheiben­ förmiges Ventilfederplättchen 14 angeordnet, welches mit der Unterseite seines Außenumfangsbereiches gegen eine untere ringförmige Anlagefläche 15 und mit der Oberseite seines Innenumfangsbereiches gegen eine obere ringförmige Anlagefläche 16 gespannt ist.

Das Ventilfederplättchen 14 nimmt normalerweise die darge­ stellte Schließlage ein. Wenn der Kolben 3 in Aufwärtsrichtung bewegt wird und damit zwischen den Kammern 5 und 6 ein hin­ reichend großes Druckgefälle in Richtung der Kammer 5 er­ zeugt wird, so hebt der Innenrand des Ventilfederplättchens 14 von der oberen Anlagefläche 16 ab, so daß Luft aus der Kammer 6 in die Kammer 5 überströmen kann. Wenn bei umgekehrter Hub­ richtung des Kolbens 3 ein hinreichender Überdruck in der Kammer 5 relativ zur Kammer 6 auftritt, so hebt der äußere Rand des Ventilfederplättchens 14 von der unteren Anlage­ fläche 15 ab, so daß Pneumatikmedium von der Kammer 5 zur Kammer 6 überströmen kann. Beim Überströmen des Pneumatik­ mediums muß jeweils ein mehr oder weniger großer Drossel­ widerstand überwunden werden, welcher im Sinne einer Dämpfung der Kolbenhübe wirkt.

Das Ventilfederplättchen 14 besteht aus ferromagnetischem Material. Entsprechendes gilt auch für die die Anlageflächen 15 und 16 bildenden Teile des Kolbens 3 sowie daran an­ schließende Kolbenteile. Gegebenenfalls kann jedoch die Oberfläche der Anlageflächen 15 und 16 mit einer dünnen Schicht aus Kunststoff oder einem sonstigen nicht magneti­ sierbaren Material belegt sein.

Innerhalb des Kolbens 3 ist eine Ringspule 17 angeordnet, so daß der Kolben 3 einen Elektromagneten darstellt, dessen magnetische Pole durch die Anlageflächen 15 und 16 gebildet werden, d. h. das Ventilfederplättchen 14 wird von dem den Ringspalt zwischen den Anlageflächen 15 und 16 überbrücken­ den magnetischen Fluß F durchsetzt.

Je nach Stärke eines die Ringspule 15 durchsetzenden steuerbaren elektrischen Gleichstromes werden dann die Innenrandzone sowie die Außenrandzone des Ventilfederplätt­ chens 14 mit mehr oder weniger großer Kraft von den Anlageflächen 15 und 16 magnetisch angezogen. Diese mag­ netischen Anziehungskräfte überlagern sich der mechanischen Federspannung, mit der sich das Ventilfederplättchen 14 ebenfalls auf die Anlageflächen 15 und 16 zu drängen sucht.

Erfindungsgemäß kann nun vorgesehen sein, dem elektrischen Gleichstrom, welcher die Ringspule 17 steuerbar beaufschlagt, einen Wechselstrom zu überlagern.

Die Form des Wechselstroms kann periodisch, beispielsweise sinusförmig oder rechteckförmig sein.

Statt dessen ist es jedoch auch möglich und vorteilhaft, einen nicht periodischen Wechselstrom in Form eines Rauschens einzusetzen. Dadurch wird die Gefahr von Resonanzanregungen und entsprechenden Geräuschen ver­ mindert.

Durch den den Gleichstrom überlagernden Wechselstrom läßt sich erreichen, daß das Ventilfederplättchen 14 vergleichsweise sanft - insbesondere ohne schlagartige Bewegung - von den Anlageflächen 15 und 16 abheben bzw. sich auf die Anlageflächen 15 und 16 auflegen kann.

Dies beruht offenbar darauf, daß der Wechselstrom zu einer analogen Veränderung der magnetischen Anziehungskräfte zwischen den Anlageflächen 15 und 16 und dem Ventil­ federplättchen 14 führt, wodurch der Einfluß der sich verändernden Breite des Spaltes zwischen dem Ventilfeder­ plättchen 14 und jeweils einer der Anlageflächen 15 und 16 beim Öffnen oder Schließen des Ventilfederplättchens 14 gemildert wird.

Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, daß die Anlagefläche 15 und/oder die Anlagefläche 16 mit radialen Nuten versehen sind, so daß auch in Schließlage des Ventil­ federplättchens 14 noch eine gedrosselte Verbindung zwischen den Kammern 5 und 6 verbleibt.

In Fig. 3 sind verschiedene Kraft-Weg-Diagramme dargestellt, wobei jeweils die Dämpferkraft f in Abhängigkeit vom Hubweg s des Kolbens wiedergegeben wird.

Im Teil A der Fig. 3 werden die Verhältnisse wiedergegeben, wie sie sich bei Anlageflächen 15 und 16 ohne Nuten sowie Bestromung der Ringspule 17 mit konstantem Gleichstrom einer vorgebbaren Stromstärke einstellen. Man erkennt insbe­ sondere beim Rückhub des Kolbens eine ausgeprägte Welligkeit der Dämpferkraft in Abhängigkeit vom Hubweg.

Der Teil B der Fig. 3 zeigt die Verhältnisse, wenn dem die Ringspule 17 beaufschlagenden elektrischen Gleichstrom ein Wechselstrom überlagert wird. Der Zusammenhang zwischen Dämpferkraft und Hubweg ist frei von störender Welligkeit.

Ähnliche Verhältnisse ergeben sich gemäß dem Teil C der Fig. 3, wenn die Anlageflächen 15 und 16 genutet sind.

Abweichend von der zuvor beschriebenen Ausführungsform können anstelle der Anlageflächen 15 und 16 auch die Ober- bzw. Unterseite des Ventilfederplättchens 14 genutet sein.

Durch die Nutung wird eine örtliche Veränderung des magne­ tischen Flusses zwischen den Anlageflächen 15 und 16 und dem Ventilfederplättchen 14 erreicht, mit der Folge, daß sich dieses sanft auf die Anlageflächen 15 und 16 auflegen bzw. davon abheben kann.

Gegebenenfalls können die Nuten mit einem Kunststoffmaterial oder einem sonstigen Material ausgefüllt sein, welches nicht ferromagnetisch ist. Damit können die Ventilfederplättchen dicht auf den zugeordneten Anlageflächen aufsitzen. Gleichwohl wird durch die örtliche Veränderung des magnetischen Flusses im Bereich der Nuten erreicht, daß dort auf das jeweilige Ventilfederplättchen verminderte magnetische Kräfte wirken.

Anstelle der Nuten kann auch vorgesehen sein, die Anlageflächen bzw. die damit zusammenwirkenden Flächen des jeweiligen Ventil­ federplättchens wellig auszubilden und die Welligkeit durch eine Kunststoffschicht auszugleichen. Auch hierdurch werden räumlich alternierende Inhomogenitäten des magnetischen Flusses erreicht.

Schließlich ist es auch möglich, das Material der Anlage­ flächen bzw. der zugehörigen Federplättchen mit Inhomogeni­ täten zu versehen, um einen räumlich alternierenden magne­ tischen Fluß zu erreichen.

Claims (8)

1. Pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem doppeltwirkenden Verdränger­ organ, dessen Verdrängerkammern ein sich je nach Hubrichtung vergrößerndes bzw. verkleinerndes Gesamtvolumen aufweisen, wobei sich die Volumen zumindest zweier Verdrängerkammern, zwischen denen gedrosselte Überströmkanäle angeordnet sind, gegensinnig ändern und die Überströmkanäle - zumindest teilweise - durch Ventile mit als Verschlußorgan ange­ ordneten, aus magnetisierbarem Material bestehenden Ventilfederplättchen gesteuert werden, die in Schließ­ lage mit zugeordneten Anlageflächen zusammenwirken, dadurch gekennnzeichnet,

• 1. daß die Ventilfederplättchen (14) normal ihre Schließ­ lage einnehmen,
• 2. daß die Schließkraft mittels eines durch steuerbaren elektrischen Gleichstrom beaufschlagbaren Elektro­ magneten (17) veränderbar ist, dessen magnetischer Fluß über die Anlageflächen (15, 16) und das bzw. die Ventilfederplättchen (14) verläuft, und
• 3. daß der elektrische Gleichstrom im Sinne einer nieder­ frequenten Schwankung der Schließkraft gesteuert wird und/oder das Magnetfeld im Bereich der Anlageflächen (15, 16) bzw. der damit zusammenwirkenden Flächen des Ventilfederplättchens (14) ungleichförmig ist, insbe­ sondere mit räumlich alternierender Feldstärke.

2. Feder-Dämpfer-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlageflächen (15, 16) oder damit zusammenwirkende Flächen des Ventilfederplättchens (14) genutet sind.

3. Feder-Dämpfer-Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federplättchen (14) und/oder die Anlageflächen (15, 16) bereichsweise aus magnetisch unterschiedlichem Material bestehen.

4. Feder-Dämpfer-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Federplättchen (14) und/oder die Anlageflächen (15, 16) unebene bzw. wellige Oberflächen aufweisen, deren Unebenheiten durch eine Beschichtung aus Kunststoff od. dgl. ausgeglichen sind.

5. Feder-Dämpfer-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom niederfrequente Pulse enthält.

6. Feder-Dämpfer-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gleichstrom ein Wechselstrom überlagert ist.

7. Feder-Dämpfer-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dem elektrischen Gleichstrom überlagerte Wechselstrom nicht periodisch, z. B. als Rauschen, ausgebildet ist.

8. Feder-Dämpfer-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Federplättchen (14) als Ringscheiben ausgebildet sind, deren Innenumfang mit einer ersten ringförmigen Anlagefläche (16) und deren Außenumfang mit einer zweiten ringförmigen Anlagefläche (15) zusammenwirkt, wobei Innenumfang sowie erste Anlagefläche (16) bei Strömung in der einen Richtung und Außenumfang sowie zweite Anlagefläche (15) bei Strömung in der anderen Richtung voneinander getrennt werden, und daß die Anlageflächen (15, 16) die Pole eines Elektromagenten (17) bilden bzw. damit magnetisch gekoppelt sind.