DE60123769T2

DE60123769T2 - Magnetorheologische Flüssigkeitsdämpfer mit Mehrfach- Ringströmungsspalten

Info

Publication number: DE60123769T2
Application number: DE2001623769
Authority: DE
Inventors: Chandra S. Troy Namuduri; Joseph Madison Heights Madak; Alexander A. Alexandridis; David S. Orchard Lake Rule
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2001-06-19
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: EP1270989A1; DE60123769D1; EP1270989B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Dämpfungsvorrichtungen, welche bei gesteuerten Dämpfungsanwendungen wie beispielsweise halbaktiven Fahrzeugaufhängungssystemen verwendet werden. Im Spezielleren betrifft die vorliegende Erfindung gesteuerte Hochleistungs-Dämpfungsvorrichtungen mit magnetorheologischem Fluid (MR-Fluid).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Magnetorheologische Fluide, welche Suspensionen von magnetischen Partikeln wie beispielsweise Eisen oder Eisenlegierungen in einem Fliessmedium enthalten, sind allgemein bekannt. Das Fliessverhalten dieser Fluide kann sich innerhalb von Millisekunden um mehrere Größenordnungen ändern, wenn sie einem geeigneten Magnetfeld ausgesetzt werden, und zwar aufgrund der in Suspension gehaltenen Partikel. Die ferromagnetischen Partikel bleiben unter dem Einfluss von Magnetfeldern und von angewendeten Kräften in Suspension. Es hat sich gezeigt, dass solche magnetorheologische Fluide wünschenswerte elektromagnetomechanische, interaktive Eigenschaften aufweisen, und zwar im Hinblick auf eine vorteilhafte Nutzung bei einer Vielfalt von magnetorheologischen (MR) Dämpfungsvorrichtungen, wie etwa bei Drehvorrichtungen einschließlich Bremsen und Kupplungen, und bei linear arbeitenden Vorrichtungen zur Dämpfung von linearer Bewegung oder zur Schaffung von kontrollierbaren Ableitungskräften entlang der Dämpferachse.
Gesteuerte Hochleistungs-Dämpfungsanwendungen wie sie beispielsweise bei Personenfahrzeug-Aufhängungssystemen verwendet werden, schaffen vorzugsweise aus Gründen des Komforts eine relativ geringe Dämpfungs kraft bei geringen Geschwindigkeiten und aus Gründen einer sicheren Handhabung des Fahrzeugs eine relativ hohe Dämpfungskraft bei höheren Geschwindigkeiten. Somit haben kontinuierlich variable Echtzeit-Dämpfungsbetätigungselemente (CV-RTD) zunehmend Verbreitung gefunden. Die Dämpfungsleistung eines MR-Fluid-basierten, variablen Echtzeit-Dämpfungsbetätigungselements ist in hohem Masse abhängig von den Kraft/Geschwindigkeit-Kennlinien des Dämpfers. 1 veranschaulicht die optimalen Kraft/Geschwindigkeit-Kennlinien eines in Kraftfahrzeuganwendungen verwendeten Dämpfers. Die Steigung der Kraft/Geschwindigkeit-Kurve im Aus-Zustand sollte zur Gewährleistung einer ruhigen Fahrt so gering wie möglich sein, wobei ein wünschenswerter Wert bei annähernd 600 N-s/m liegt. Die Kraft/Geschwindigkeit-Kurve im Ein-Zustand hat vorzugsweise eine Anfangssteigung in dem Bereich von 5-30 kN-s/m bis zu einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 0,4 m/s und eine Endsteigung, die jener im ausgeschalteten Zustand ähnelt. Die wünschenswerte Maximalkraft im eingeschalteten Zustand sollte auf einen geeigneten Wert (z.B. 4500N) bei 2 m/s begrenzt sein. Das Verhältnis der Dämpfungskraft wenn der Dämpfer sich im Ein-Zustand befindet (Ein-Kraft) zu der Dämpfungskraft wenn der Dämpfer sich im Aus-Zustand befindet (Aus-Kraft) bei einer gegebenen Geschwindigkeit ist als Einschaltverhältnis bekannt. Es ist im Sinne einer guten Kontrolle über die Dynamik der Fahrzeugkarosserie wünschenswert, über ein Einschaltverhältnis von zumindest 3 bis 6 bei einer Geschwindigkeit von 1 m/s zu verfügen.
2 zeigt einen bekannten Einrohr-MR-Dämpfer 10 mit einem Kolben 12, der in einem mit MR-Fluid gefüllten Rohr 14 verschiebbar ist. Der Kolben 12 ist an einem hohlen Stab 18 befestigt, welcher in einem abgedichteten Lager 20 an einem Ende des Körpers des Dämpfers 10 verschiebbar ist. Der Kolben 12 enthält eine Spule 22, die einen variablen Strom führt und somit ein variables Magnetfeld über einen Strömungs spalt 24 hinweg zwischen einem inneren Kern 26 und einer äußeren Schale bzw. einem Flussring 28 des Kolbens 12 generiert. Ein Lager 30 mit einer relativ geringen Reibung ist zwischen dem Flussring 28 und dem Rohr 14 angeordnet. Der Flussring 28 und der innere Kern 26 des Kolbens 12 werden durch verspeichte Endplatten 32 in Position gehalten. Die Anschlüsse 34 der Spule 22 verlaufen durch den hohlen Stab 18 hindurch und sind mit einer für die Verbindung mit einer elektrische Stromquelle geeigneten Isolierung ausgestattet. Ein Endabschnitt 36 des Rohrs 14 ist mit inertem Gas gefüllt, welches durch einen schwebenden Kolben 38 von dem MR-Fluid getrennt ist. Der schwebende Kolben 38 und das inerte Gas passen sich während der Bewegung des Kolbens an das veränderliche Stabvolumen an. Das U.S.-Patent Nr. 5 277 281 offenbart einen ähnlichen MR-Dämpfer.
3 veranschaulicht die Kraft/Geschwindigkeit-Kennlinien des MR-Dämpfertyps, wie er in 2 offengelegt ist. Offensichtlich sind im Vergleich zu den bevorzugten Kurven aus 1 Verbesserungen bei den Kraft/Geschwindigkeit-Kennlinien von herkömmlichen MR-Dämpfern wünschenswert. Die oben beschriebenen, herkömmlichen MR-Dämpfer mögen zwar bei bestimmten Anwendungen eine angemessene Leistung bringen, sie erreichen jedoch nicht das Einschaltverhältnis und die im Wesentlichen haftreibungsfreie Leistung bei einer Geschwindigkeit nahe Null, wie sie für realitätsnahe Kraftfahrzeuganwendungen erforderlich sind. Herkömmliche Einrohr-Dämpfer bieten nicht genügend Abstimmungsmöglichkeit, um die Dämpfungsmerkmale auf wirksame Weise zu kontrollieren, welche beispielsweise durch die Steigung der Kraft/Geschwindigkeit-Kurven dargestellt sind. Außerdem weisen herkömmliche Dämpfer eine für eine gegebene Leistung unnötig lange Länge auf.
Ein herkömmlicher magnetorheologischer Dämpfer ist in dem am weitesten an die Erfindung heranreichenden Stand der Technik, dem U.S.-Patent Nr. 6 095 486, an Ivers et al., gezeigt und beschrieben. In den 15a-15c dieses Patents wird ein Dämpfer gezeigt und beschrieben, bei welchem zwei konzentrische, großteils ringförmige Durchgänge 42t und 42t' durch den Kolben hindurch vorgesehen sind. Aber ein jeder dieser Durchgänge ist jeweils mit einem Einweg-Rückschlagventil 34t bzw. 34t' ausgestattet; und die Rückschlagventile begrenzen den Durchfluss durch die Durchgänge 42t und 42t' auf entgegengesetzte Richtungen, so dass die Durchgänge abwechselnd in Betrieb sind. Dies erfolgt deshalb, um ein unterschiedliches Fliessverhalten in den beiden entgegengesetzten Richtungen zu schaffen. Das Ergebnis ist jedoch, dass zu jedem gegebenen Zeitpunkt immer nur ein Strömungsdurchgang aktiv ist; und das erhöhte Einschaltverhältnis, die kompakte Konstruktion und andere Vorteile, welche durch parallele für im Wesentlichen ungehinderte Strömung in beiden Richtungen offene, ringförmige Strömungsspalte geschaffen werden, werden damit nicht erreicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beheben und einen magnetorheologischen Fluiddämpfer (MR-Fluiddämpfer) zu schaffen, der in der Lage ist, annähernd ideale Leistungserfordernisse zu erfüllen, indem in wirksamer und vorhersagbarer Weise ein gewünschter Dämpfungseffekt erzielt wird, und dabei gleichzeitig die Größe des Dämpfers minimiert wird.
Dieses und andere Ziele werden durch die Bereitstellung eines Dämpfers erreicht, welcher folgendes umfasst: einen Zylinder, der ein magnetorheologisches Fluid enthält und eine Kolbenanordnung, die verschiebbar montiert ist, um sich in dem Zylinder hin- und her zu bewegen, so dass eine auf einer Seite der Kolbenanordnung positionierte, erste Kammer und eine auf einer entgegengesetzten Seite der Kolbenanordnung positionierte, zweite Kammer gebildet sind. Die Kolbenanordnung umfasst eine Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen, konzentrisch zueinander positionierten Strömungsspalten, wobei jeder Strömungsspalt zwischen einander gegenüberliegenden Flächen eines magnetischen Materials ausgebildet ist und jeder der Strömungsspalte eine Strömung zwischen der ersten und der zweiten Kammer in beiden Richtungen erlaubt. Die Kolbenanordnung umfasst weiterhin eine Magnetanordnung, die entsprechend angepasst ist, um ein sich durch alle der Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten hindurch erstreckendes Magnetfeld zu generieren, um zu bewirken, dass das durch die Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten strömende, magnetorheologische Fluid einen magnetorheologischen Effekt erfährt, welcher den Fluss des magnetorheologischen Fluids durch die Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten hindurch beeinflusst, wobei ein jeder der Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten eine durch diesen hindurch erfolgende Strömung in beiden Richtungen zwischen der ersten und der zweiten Kammer erlaubt. Die Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten kann drei im Wesentlichen ringförmige Strömungsspalte umfassen. Die Kolbenanordnung kann weiterhin eine Mehrzahl von ringförmigen, konzentrisch positionierten Flussringen umfassen, um die Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten zu bilden. Der Dämpfer kann auch eine an einem Ende der Kolbenanordnung befestigte, erste Endplatte und eine an einem zweiten Ende der Kolbenanordnung befestigte, zweite Endplatte umfassen. Die Platten können aus einem nichtmagnetischen Material gefertigt sein und können radiale Fortsätze umfassen, welche mit der Mehrzahl von ringförmigen Flussringen verbunden sind. Ein jeder der radialen Fortsätze umfasst vorzugsweise Rillen zur Aufnahme der Mehrzahl von Flussringen. Ein Zentralabschnitt eines jeden der Flussringe kann eine aus einem nichtmagnetischen Material gebildete Magnetflusssperre umfassen, um einen Nebenschluss zu verhindern. Die Kolbenanordnung kann weiterhin ein Kolbenlager umfassen, welches auf der Anordnung montiert ist und zur Gänze axial zu der Anordnung zwischen einem axialen Zentrum der Anordnung und einer der Kammern, der ersten oder der zweiten, positioniert ist. Die Kolbenanordnung kann weiterhin einen Kolbenkern und einen mit der ersten Endplatte verbundenen Stab umfassen. Die erste Endplatte verläuft vorzugsweise axial zwischen dem Stab und dem Kolbenkern, um den Stab zu isolieren und in einer bestimmten axialen Beabstandung von dem Kolbenkern zu positionieren und dabei gleichzeitig eine gesamte axiale Stirnseite des Kolbenkerns abzudecken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Dämpfungskraft und der Dämpfergeschwindigkeit für einen idealen MR-Dämpfer in einer Kraftfahrzeuganwendung zeigt;
2 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen MR-Dämpfers;
3 ist ein Graph der Beziehung zwischen der Dämpferkraft und der Dämpfergeschwindigkeit für den herkömmlichen MR-Dämpfer aus 2;
4A ist eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht des erfindungsgemäßen MR-Dämpfers mit mehreren Strömungsspalten; und
4B ist eine Endansicht der Kolbenanordnung des MR-Dämpfers aus 4A.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In den 4A und 4B, auf welche nun Bezug genommen wird, ist der allgemein mit 100 angegebene, erfindungsgemäße, magnetorheologische Fluiddämpfer gezeigt, welcher dafür ausgelegt ist, die Dämpfungsleistung über einen ausgedehnten dynamischen Bereich hinweg wirksam zu verstärken, indem ein erhöhtes Einschaltverhältnis erzielt wird und dabei gleichzeitig eine wirksame Abstimmung der Kraft/Geschwindigkeit-Kennlinien ermöglicht wird. Der Dämpfer 100 umfasst einen Zylinder 102, der magnetorheologisches Fluid enthält, eine Kolbenanordnung 104, die verschiebbar montiert ist, um sich in dem Zylinder 102 hin- und herzubewegen, und eine Mehrzahl von ringförmigen Strömungsspalten 106, um ein Einschaltverhältnis für eine Kolbenanordnung mit einer gegebenen Länge wirksam zu erhöhen bzw. eine geringere Kolbenlänge bei einem gegebenen Einschaltverhältnis zu ermöglichen. Der Ausdruck "Strömungsspalt" wird hier verwendet, um einen Fluidströmungsdurchgang durch einen Dämpferkolben zu bezeichnen, durch den infolge einer Axialbewegung des Kolbens in dem Dämpfer Fluid unter Druck hindurchfließt, um so eine Dämpfungskraft zu erzeugen.
In 4A, auf welche nun Bezug genommen wird, unterteilt die Kolbenanordnung 104 den Zylinder 102 in eine auf einer Seite der Kolbenanordnung 104 positionierte, erste Kammer 108 und eine auf einer entgegengesetzten Seite der Kolbenanordnung 104 positioniere, zweite Kammer 110. Die Kolbenanordnung 104 umfasst einen Kolbenkern 112 und eine Magnetanordnung 114. Die Magnetanordnung 114 umfasst eine Spule 116, die an einem Zentralabschnitt des Kolbenkerns 112 montiert ist, Durch fluss-Polschuhe 118, die von dem Kolbenkern 112 an beiden Seiten der Spule 116 gebildet werden, und eine Mehrzahl von ringförmigen Flussringen 120, die um den Umfang des Kolbenkerns 112 herum verlaufen. Die Kolbenanordnung 104 umfasst auch eine Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten 106, die zwischen zwei Flussringen bzw. zwischen einem Flussring und dem Kolbenkern 112 positioniert sind. Ein jeder der Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten 106 verläuft axial durch die Kolbenanordnung 104, um einen Fluidaustausch zwischen der ersten Kammer 108 und der zweiten Kammer 110 zu ermöglichen. Der magnetorheologische Dämpfer 100 umfasst auch einen zylindrischen Stab 122, welcher mit der Kolbenanordnung 104 in Wirkverbindung steht, um Axialkräfte auf die Kolbenanordnung 104 zu übertragen. Der Stab 122 umfasst auch eine Zentralbohrung 124, welche elektrische Leitungen 126 enthält, um elektrischen Strom an die Spule 116 abzugeben. Ein Kolbenlager 128 ist an der äußeren ringförmigen Oberfläche der Kolbenanordnung 104 montiert, um einen ruhigen Gleitkontakt entlang dem Zylinder 102 zu ermöglichen und dabei gleichzeitig eine Fluid-Abdichtung zwischen der ersten Kammer 108 und der zweiten Kammer 110 zu schaffen.
Im Wesentlichen strömt während einer Dämpfung magnetorheologisches Fluid, welches in einer der Kammern des Zylinders 102 vorhanden ist, durch die Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten 106 von beispielsweise der zweiten Kammer 110 in die erste Kammer 108, wenn sich die Kolbenanordnung 104 nach links bewegt, wie in 4A gezeigt. Bei dem magnetorheologischen Fluid kann es sich um jedes beliebige, herkömmliche Fluid mit magnetischen Partikeln, beispielsweise aus Eisen oder Eisenlegierungen, handeln, welche kontrollierbar in dem Fluid in Suspension gehalten werden können, und zwar durch Regulieren eines sich über die Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungs spalten 106 hinweg erstreckenden Magnetfeldes, wodurch das Fliessverhalten des Fluids durch die Strömungsspalte 106 hindurch variiert wird. Der an die Spule 116 angelegte elektrische Strom wird variabel gesteuert, um das Magnetfeld und damit den Magnetfluss in den Strömungsspalten 106 zu verändern, wodurch wiederum das Fliessverhalten des magnetorheologischen Fluids kontrolliert wird, um einen gewünschten Dämpfungseffekt für eine gegebene Anwendung zu erzielen.
Wichtig hierbei ist, dass die Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten 106 so funktioniert, dass eine erhöhte Dämpfungskraft geschaffen wird, wenn der Dämpfer sich im Ein-Zustand befindet (Ein-Kraft), wodurch ein erhöhtes Einschaltverhältnis geschaffen wird und dabei gleichzeitig eine Abstimmung der Kraft-Geschwindigkeits-Dämpfungskennlinien ermöglicht wird und dadurch die Dämpfung optimiert und eine außergewöhnlich gute Kontrolle über beispielsweise die Dynamik der Fahrzeugkarosserie geschaffen wird. Der erfindungsgemäße MR-Dämpfer kommt näher an die in 1 gezeigten, idealen Leistungs- und Kraft/Geschwindigkeit-Kennlinien heran als die Kraft/Geschwindigkeit-Kennlinien herkömmlicher MR-Dämpferentwürfe, wie in 3 gezeigt.
Bei herkömmlichen MR-Dämpferentwürfen wurde davon ausgegangen, dass sich die in dem MR-Dämpfer erzeugte Kraft im Aus-Zustand strikt linear zu der Geschwindigkeit verhält. Diese Annahme ist jedoch unkorrekt, insbesondere bei höheren Dämpfergeschwindigkeiten. Es wurde entdeckt, dass die in einem MR-Dämpfer mit konzentrischer, ringförmiger Strömung erzeugte Kraft im Aus-Zustand (F_off) sich wie folgt ergibt: Foff = (12 μ0 Aeff 2 Vd h)/(Ag L g2) + x Af(Af – 1)Aeff ρ Vd y (1)wobei,

μ₀: = die MR-Fluidviskosität
A_eff: = die nutzbare Querschnittfläche des Kolbens (d.h. Kolbenfläche – Stabfläche)
V_d: = die Dämpfergeschwindigkeit
h: = die axiale Länge des ringförmigen Strömungsspalts
A_g: = die Querschnittfläche des ringförmigen Strömungsspalts
L_g: = die radiale Länge des ringförmigen Strömungsspalts (r₂ – r₁)
r: = der mittlere Radius des ringförmigen Strömungsspalts (r₂ + r₁)/2
r₂: = der Außenradius des ringförmigen Strömungsspalts
r₁: = der Innenradius des ringförmigen Strömungsspalts
A_f: = der Verstärkungsfaktor (A_eff/A_g)
ρ: = die Dichte des MR-Fluids
x: = der dynamische Durchflusskoeffizient (0 < x < 1,5)
y: = der dynamische Durchflusskoeffizient (0 < y < 2,5)

Die Anfangskraft im Ein-Zustand (F_init) bei Geschwindigkeit Null ist abhängig von der Fliessspannung des MR-Fluids, welche ihrerseits von der Magnetflussdichte in dem ringförmigen Strömungsspalt abhängig ist. Die Anfangskraft im Ein-Zustand ergibt sich wie folgt: Finit = (2 τ0 Aeff hm)/(Lg) (2)wobei,

τ₀: = die Fliessspannung des MR-Fluids (Funktion einer Betriebsflussdichte B_g)
A_eff: = die nutzbare Querschnittfläche des Kolbens (d.h. Kolbenfläche – Stabfläche)
h_m: = die aktive, magnetische Länge des ringförmigen Strömungsspalts
L_g: = die radiale Länge des ringförmigen Strömungsspalts (r₂ – r₁)

Die Gesamtkraft im Ein-Zustand (F_on) bei höheren Kolbengeschwindigkeiten V_d kann wie folgt approximiert werden: Fon = Finit + Foff (3)
Ausgehend von den Gleichungen (1) und (3) ergibt sich das Einschaltverhältnis (TU) bei Geschwindigkeit Y_d wie folgt: TU = (Finit/Foff) + 1 (4)
Somit lässt sich ein grösseres Einschaltverhältnis über eine Reduzierung bei F_off und/oder durch Verbessern/Erhöhen von F_init erzielen.
Die Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten 106 hat die Funktion, das Einschaltverhältnis zu erhöhen, und zwar durch Erhöhen der Anfangskraft im Ein-Zustand F_init und somit auch der Gesamtkraft im Ein-Zustand F_on. Im Spezifischen erhöht die Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten 106 wirksam die Dämpfungskraft, indem die insgesamt nutzbare Oberfläche des ringförmigen Strömungsspalts eines herkömmlichen MR-Dämpferentwurfs vergrössert wird. Diese Vergrösserung der Oberfläche des ringförmigen Strömungsspalts bei dem vorliegenden Dämpfer wird ohne Erhöhung der axialen Länge des ringförmigen Strömungsspalts und somit der Länge der Kolbenanordnung erzielt, indem die besagte Mehrzahl von relativ zueinander konzentrisch positionierten, ringförmigen Strömungsspalten 106 gebildet wird. Daraus resultiert, dass in dem vorliegenden Entwurf eine grössere Fluidmenge beim Hindurchströmen durch einen in geeigneter Weise kon zipierten, ringförmigen Strömungsspalt dem magnetorheologischen Effekt ausgesetzt wird, wodurch die Dämpfungskraft für eine gegebene Kolbenlänge erhöht wird.
Es wurde durch eine mathematische Analyse der durch den Kolben fließenden Strömung entdeckt, dass wenn ein Kolben n (n = 2, 3, 4 ...) ringförmige Strömungsdurchgänge (Spalte) von jeweils einer radialen Länge
und einer axialen Länge
aufweist (wobei Lg und h die entsprechenden Abmessungen eines herkömmlichen Kolbens mit einem einzigen Spalt darstellen), der Kolben mit n Spalten sich in Bezug auf seine Leistung im Wesentlichen identisch wie der herkömmliche Kolben mit einem einzigen Spalt verhält. Für n = 2 bedeutet dies, dass ein Kolben mit zwei ringförmigen Spalten mit jeweils einer radialen Länge von 0,707 Lg und einer axialen Länge von 0,707 h annähernd eine um 30% kürzere (Kolben-)Länge aufweist, in Bezug auf die Leistung jedoch einem herkömmlichen Kolben mit einem einzigen Spalt entspricht. Dies wurde von den Erfindern in einem Experiment gezeigt. Im Fall von n = 3 reduziert sich die Kolbenlänge bei gleicher Leistung auf 0,577 h.
Im Spezifischen umfasst die Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten 106 einen zwischen dem ersten Flussring 132 und dem Kolbenkern 112 ausgebildeten, ersten ringförmigen Strömungsspalt 130. Ein zweiter Flussring 134 ist konzentrisch um den ersten Flussring 132 herum montiert, um einen zweiten, ringförmigen Strömungsspalt 136 zu bilden, der zwischen dem zweiten Flussring 134 und dem ersten Flussring 132 positioniert ist. Obwohl gezeigt werden konnte, dass ein Entwurf mit zwei Flussringen und mit zwei ringförmigen Strömungsspalten effizient ist, kann die bevorzugte Ausführungsform aus 4A auch einen dritten Flussring 138 umfassen, der um den zweiten Flussring 134 herum und von diesem beabstandet positioniert ist, um einen dritten, ringförmigen Strömungsspalt 140 zu bilden, der zwischen dem dritten Flussring 138 und dem zweiten Flussring 134 positioniert ist. Der erste, der zweite und der dritte Flussring 132, 134 und 138 sind durch eine erste Endplatte 142 und eine zweite Endplatte 144 mit dem Kolbenkern 112 verbunden und gesichert, um eine relative Bewegung zu verhindern und so jeweils die präzise radiale Länge eines jeden Strömungsspalts aufrechtzuerhalten. Die erste und die zweite Endplatte 142 und 144 sind beide entsprechend dimensioniert, um eine jede der jeweiligen Stirnflächen des Kolbenkerns 112 zur Gänze abzudecken, ohne den Fluss durch die Mehrzahl von ringförmigen Strömungsspalten 106 hindurch zu behindern. Die erste und die zweite Endplatte 142 bzw. 144 umfassen jeweils radiale Fortsätze 146, die sich radial nach außen erstrecken und über den Umfang der jeweiligen Platte beabstandet sind, um mit der Mehrzahl von ringförmigen Flussringen 120 in Eingriff zu treten. Im Spezifischen umfassen die radialen Fortsätze 146 Rillen 148, um die Enden des ersten, zweiten und dritten Flussrings 132, 134 und 138 aufzunehmen, um so die Flussringe in festen axialen Positionen und Querpositionen zu sichern, um eine relative Bewegung zueinander zu verhindern und dadurch eine gewünschte Querbreite, d.h. radiale Länge Lg in Gleichung (1), des ersten, zweiten und dritten, ringförmigen Strömungsspalts 130, 136 und 140 aufrechtzuerhalten. Die erste Endplatte 142 hat auch die Funktion, das Magnetfeld in der Mehrzahl von ringförmigen Strömungsspalten 106 zu maximieren, indem sie den Streufluss minimiert und damit die Anfangskraft im Ein-Zustand F_init erhöht, und zwar dadurch, dass sie als magnetische Trennwand zwischen dem Kolbenkern 112 einerseits und dem Stab 122 und dem Zylinder 102 andererseits fungiert. Die vorteilhafte Weise, in der die erste Endplatte 142 konzipiert ist und als Vorrichtung zur Reduktion des magnetischen Streuflusses fungiert, ist in dem ebenfalls angemeldeten U.S.-Patent mit dem Titel "Magnetorheological Fluid Damper With Optimum Damping", welches dem Abtretungsempfänger der vorliegenden Erfindung übertragen und an demselben Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde, detailliert beschrieben. Im Allgemeinen dient die erste Endplatte 142 insofern dazu, den magnetischen Streufluss zu reduzieren, als sie die Stirnseite des Kolbenkerns 112 zur Gänze abdeckt, als sie aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt ist, und als sie zwischen dem Stab 122 und dem Kolbenkern 112 positioniert ist, um den Stab 122 zu isolieren. Die erste Endplatte 142 hat auch die Funktion, die Flusserzeugung zu maximieren, indem sie eine Verbindung des Stabs 122 mit der Kolbenanordnung 104 ermöglicht, ohne dass der Stab direkt in den Kolbenkern 112 eindringt, wodurch das Magnetmaterial des Kerns maximiert wird. Die zweite Endplatte 144 fungiert ebenfalls effizient als Vorrichtung zur Reduktion des magnetischen Streuflusses und hält dabei gleichzeitig die Fluss-Polschuhe 118 und die Mehrzahl von ringförmigen Flussringen 120 in Position. Im Spezifischen umfasst die zweite Endplatte eine flache Platte 147 und eine nichtmagnetische Mutter 149. Die Mutter deckt einen aus dem Kolbenkern 112 herausragenden Vorsprung zur Gänze ab und tritt mit ihm in schraubbaren Eingriff, wodurch der Streuverlust aus dem Kolbenkern 112 minimiert wird. Die erste und die zweite Endplatte 142 und 144 können auch innere, ringförmige, gebogene Oberflächen 150 umfassen, um den Fluidstrom ruhig in die Mehrzahl von ringförmigen Strömungsspalten 106 hinein und wieder aus diesen heraus zu leiten, wodurch die laminare Strömung verbessert und die Turbulenzbildung beim Durchströmen der Spalte minimiert wird, so dass der magnetorheologische Effekt in den Spalten optimiert wird, wie dies in dem ebenfalls angemeldeten, weiter oben zitierten U. S.-Patent mit dem Titel "Magnetorheological Fluid Damper With Optimum Damping", eingehender besprochen wird.
Alternativ dazu kann die Mehrzahl von ringförmigen Flussringen 120 durch einen entsprechenden, gewellten Einsatz, der in jedem Strömungsspalt positioniert ist, an dem Kolbenkern 112 befestigt sein, wie in der U.S.-Patentanmeldung mit der Anwalts-Registernummer H-205318 und mit dem Titel "Magnetorheological Fluid Damper", dem Abtretungsempfänger der vorliegenden Anmeldung übertragen und an demselben Tag eingereicht wie die vorliegende Anmeldung, offenbart ist. Wenn zur Befestigung der Flussringe 120 Endplatten verwendet werden, so kann, wie in der weiter oben erwähnten Anmeldung H-205318 offenbart, zur weiteren Verbesserung der Dämpfung in einem oder in mehreren der Strömungsspalte ein im Allgemeinen glatter, dünnwandiger, zylindrisch geformter Einsatz montiert werden. Außerdem umfassen der erste Flussring 132 und der zweite Flussring 134 jeweils Magnetflusssperren, die aus einem nichtmagnetischen Material gebildet sind und ringförmig entlang einem Zentralabschnitt eines jeden der Flussringe positioniert sind. Die Magnetflusssperren 152 haben die Funktion, die Flusslinien davon abzuhalten, axial durch den ersten und den zweiten Flussring 132 und 134 hindurch zu wandern, ohne sich über den dritten, ringförmigen Strömungsspalt 140 hinweg zu erstrecken. Indem sie diesen Fluss-Nebenschluss verhindern, haben die Magnetflusssperren 152 die Funktion, den Fluss-Strömungspfad entsprechend zu kontrollieren, um die Flusslinien durch den dritten, ringförmigen Strömungsspalt 140 zu lenken, wodurch ein gewünschter magnetorheologischer Effekt in dem dritten, ringförmigen Strömungsspalt 140 sichergestellt und die Dämpfung generell optimiert wird.
Der erfindungsgemäße Dämpfer 100 verwendet die Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten 106 zur Erreichung mehrerer wichtiger Vorteile. Erstens resultiert die Erhöhung der insgesamt nutzbaren Oberfläche des ringförmigen Strömungsspalts bei Verwendung mehrerer Strömungsspalte relativ zu einem Dämpfer mit einem einzigen Strö mungsspalt, wie weiter oben angemerkt, in einer höheren Kraft im Ein-Zustand und somit in einem höheren Einschaltverhältnis, was wiederum gegenüber einem Ein-Rohr-Entwurf eine verbesserte Dämpfung bei einer gegebenen Kolbenlänge zur Folge hat. Der Begriff "Oberfläche des ringförmigen Strömungsspalts" in dem vorangegangenen Satz bezieht sich auf die Oberflächengröße der Wände innerhalb des ringförmigen Strömungsspalts, über den hinweg das Fluid strömt. Somit wird durch die Schaffung eines zweiten ringförmigen Strömungsspalts mit derselben axialen Länge die Oberfläche des ringförmigen Strömungsspalts durch die Schaffung zweier weiterer Oberflächen innerhalb des Strömungsspalts annähernd verdoppelt. Zweitens ermöglicht der erfindungsgemäße Dämpfer mit mehreren Strömungsspalten einen Kolben mit einer geringeren Länge als ein Kolben eines Dämpfers mit einem einzigen Spalt, und zwar bei Erzielung derselben Kraft-Spezifikation. Folglich ermöglicht der erfindungsgemäße Dämpfer mit mehreren Strömungsspalten eine beträchtliche Reduzierung der Kolbenlänge um beispielsweise 30 % im Vergleich zu Entwürfen mit einem einzigen Spalt, und schafft dabei gleichzeitig einen längeren Hub, was bei manchen Anwendungen vorteilhaft ist. Drittens wird mit dem erfindungsgemäßen Dämpfer mit mehreren Strömungsspalten eine bessere Linearität während des Dämpfens erzielt, wodurch eine weiterreichende Annäherung an die in 1 gezeigten, idealen Leistungsanforderungen erfolgt, und zwar durch die Schaffung einer größeren Anzahl von Entwurfsvariablen, welche eine verbesserte Abstimmungsmöglichkeit zur Kontrolle von Kraft/Geschwindigkeit-Kurven, insbesondere bei geringen und mittleren Geschwindigkeiten, erlaubt. Herkömmliche Dämpferentwürfe mit einem einzigen Spalt erlauben beispielsweise nur eine Abänderung der axialen Länge und der radialen Länge des Strömungsspalts, um die Kraft/Geschwindigkeit-Kennlinien des Dämpfers zu regeln. Darüber hinaus kann die Kontrolle über die axiale und/oder radiale Länge des Spalts durch Einschränkungen bei der Konfektionierung begrenzt sein. Der erfindungsgemäße Dämpfer mit mehreren Strömungsspalten erlaubt es, die einzelnen Abmessungen der Strömungsspalte gleichermaßen individuell wie auch relativ zueinander abzustimmen, wodurch zahlreiche Möglichkeiten zur Einstellung der Steigung der in 1 gezeigten Kurven geschaffen werden. Folglich ermöglicht der vorliegende Dämpfer eine Entwurf-Optimierung im Hinblick auf ein maximales Einschaltverhältnis, eine verbesserte Linearität des Dämpfungskraft-Ansprechverhaltens (bei höheren Kolbengeschwindigkeiten) und ein Abstimmen (Formen) der Kurven (bei niedrigen und mittleren Kolbengeschwindigkeiten).
Der erfindungsgemäße Dämpfer mit mehreren Strömungsspalten erzielt, wie in 1 angezeigt, auch bei Geschwindigkeiten nahe Null ein optimiertes Dämpfungsverhalten, wodurch ein haftreibungsfreies Verhalten im Ein-Zustand erzielt wird, um ein ruckartiges Verhalten zu minimieren. Dieses Ziel wurde erreicht, indem die Kraft/Geschwindigkeit-Kurve im Ein-Zustand zwangsläufig durch den Nullpunkt geführt wird. Eine durch den Nullpunkt verlaufende, lineare Kraft/Geschwindigkeit-Kurve wird durch die Verwendung von laminarer Strömung des MR-Fluids durch magnetisch im Wesentlichen neutrale Strömungsnebenkanäle erzielt, welche durch die Kolbenanordnung 104 hindurch verlaufen. Die Anfangssteigung der Kraft/Geschwindigkeit-Kurve aus 1 wird kontrolliert durch geeignete Auswahl der Querschnittfläche der Nebenkanäle. Die Nebenkanäle können beispielsweise, wie in 4B gezeigt, zumindest einen, und vorzugsweise zwei, der mehreren in dem dritten Flussring 138 ausgebildeten, äußeren Strömungsnebenkanäle 154 sowie die sich zur Gänze durch die Kolbenanordnung 104 hindurch erstreckenden und somit in dem Kolbenkern 112 und in der ersten und zweiten Endplatte 142 und 144 ausgebildeten, inneren Strömungsnebenkanäle 156 umfassen. Die äußeren Strömungsnebenkanäle 154 können mit einem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt ausgebildet sein, während die inneren Strö mungsnebenkanäle 156 mit runden oder ovalen Querschnittformen ausgebildet sein können. Somit erfolgt die Strömung im Ein-Zustand für Anfangsgeschwindigkeiten im Wesentlichen durch die Nebenkanäle 154, 156, wobei eine Null-Geschwindigkeit eine Null-Kraft zur Folge hat und wobei während die Geschwindigkeit sich wesentlich über Null erhöht der Druckabfall über die Nebenkanäle hinweg den durch den magnetorheologischen Effekt und die Mehrzahl von Strömungsspalten 106 bedingten Druckabfall übersteigt, so dass die nachfolgende Kraftkennlinie von den magnetorheologischen Eigenschaften beim Durchfluss durch die Strömungsspalte 106 und somit von den Abmessungen der Strömungsspalte abhängig ist.
Es sei hier auch darauf hingewiesen, dass der Dämpfer 100 den aktiven Magnetfluss und somit F_init durch strategisches Positionieren des Lagers 128 maximiert. Im Spezifischen ist das Lager 128 an dem dritten Flussring 138 (bzw. an dem jeweils an äußerster Position angeordneten Flussring) montiert, um die primäre magnetische Oberfläche in dem Zentrum des Flussrings 138, wo der Fluss konzentriert wird, zu maximieren. Vorzugsweise ist das Lager 128, wie in 4A gezeigt, an einem Ende des dritten Flussrings 138 axial entlang der Kolbenanordnung 104 zur Gänze zwischen einem axialen Zentrum des Kolbenkerns 112 und der ersten Kammer 108 positioniert. Alternativ dazu kann das Lager 128 jedoch auch links von dem Zentrum positioniert sein, wie in 4A gezeigt. In jeder Versatzposition ist die primäre magnetische Oberfläche des dritten (bzw. äußersten) Flussrings 138 maximiert, um den Magnetfluss und letztendlich das Einschaltverhältnis zu erhöhen.

Claims

Dämpfer, welcher folgendes umfasst: einen Zylinder (102), der magnetorheologisches Fluid enthält, eine Kolbenanordnung (104), die verschiebbar montiert ist, um sich in dem Zylinder hin- und herzubewegen, so dass eine auf einer Seite der Kolbenanordnung positionierte, erste Kammer (108) und eine auf einer gegenüberliegenden Seite der Kolbenanordnung positionierte, zweite Kammer (110) gebildet sind, wobei die Kolbenanordnung eine Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten (130, 136, 140) umfasst, die konzentrisch zueinander positioniert sind, wobei ein jeder der Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen aus magnetischem Material ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenanordnung weiterhin eine Magnetanordnung (114) umfasst, welche geeignet ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, welches sich durch alle der Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten hindurch erstreckt, um zu bewirken, dass magnetorheologisches Fluid, welches durch die Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten fließt, einem magnetorheologischen Effekt ausgesetzt wird, welcher den Fluss des magnetorheologischen Fluids durch die Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten beeinflusst, wobei ein jeder der Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten einen durch ihn hindurch verlaufenden Fluss in beide Richtungen zwischen der ersten und der zweiten Kammer erlaubt.
Dämpfer nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten zwei im Wesentlichen ringförmige Strömungsspalte umfasst.
Dämpfer nach Anspruch 1, wobei die Kolbenanordnung weiterhin eine Mehrzahl von ringförmigen Flussringen (132, 134, 138) umfasst, die konzentrisch positioniert sind, um die Mehrzahl von im Wesentlichen ringförmigen Strömungsspalten zu bilden.
Dämpfer nach Anspruch 3, welcher weiterhin eine an einem Ende der Kolbenanordnung befestigte, erste Endplatte (142) und eine an einem zweiten Ende der Kolbenanordnung befestigte, zweite Endplatte (144) umfasst, wobei die erste und die zweite Endplatte aus nichtmagnetischem Material gebildet sind und radiale Fortsätze (146) umfassen, welche mit der Mehrzahl von ringförmigen Flussringen verbunden sind.
Dämpfer nach Anspruch 4, wobei ein jeder der radialen Fortsätze Rillen (148) zur Aufnahme der Mehrzahl von Flussringen umfasst.
Dämpfer nach Anspruch 3, wobei ein Zentralabschnitt eines jeden der Flussringe eine aus einem nichtmagnetischen Material gebildete Magnetflusssperre (152) umfasst.
Dämpfer nach Anspruch 1, wobei die Kolbenanordnung weiterhin ein Kolbenlager (128) umfasst, welches an der Kolbenanordnung montiert ist und axial entlang der Kolbenanordnung zur Gänze zwischen einem axialen Zentrum der Kolbenanordnung und einer der Kammern, der ersten oder der zweiten, positioniert ist.
Dämpfer nach Anspruch 1, wobei die Kolbenanordnung weiterhin einen Kolbenkern (112) und eine mit der Kolbenanordnung verbundene, nichtmagnetische Endplatte (142) umfasst, und diese weiterhin einen mit der nichtmagnetischen Endplatte verbundenen Stab (122) umfasst, wobei die nichtmagnetische Endplatte axial zwischen dem Stab und dem Kolbenkern positioniert ist, um den Stab zu isolieren und in einer bestimmten axialen Beabstandung von dem Kolbenkern zu positionieren.
Dämpfer nach Anspruch 1, wobei die Kolbenanordnung einen Kolbenkern (112) umfasst und die Magnetanordnung einen ersten Flussring (132) umfasst, der konzentrisch um den Kolbenkern herum positioniert ist, um einen ersten (130) der Mehrzahl von ringförmigen Strömungsspalten zu bilden, welcher radial zwischen dem Kolbenkern und dem ersten Flussring positioniert ist, und weiterhin einen zweiten Flussring (134) umfasst, der konzentrisch um den ersten Flussring herum positioniert ist, um einen zweiten (136) der Mehrzahl von ringförmigen Strömungsspalten zu bilden, welcher radial zwischen dem ersten Flussring und dem zweiten Flussring positioniert ist.
Dämpfer nach Anspruch 9, wobei die Magnetanordnung weiterhin einen dritten Flussring (138) umfasst, der konzentrisch um den zweiten Flussring herum positioniert ist, um einen dritten (140) der Mehrzahl von ringförmigen Strömungsspalten zu bilden, welcher radial zwischen dem zweiten Flussring und dem dritten Flussring positioniert ist.
Dämpfer nach Anspruch 9, welcher weiterhin eine an einem ersten Ende der Kolbenanordnung befestigte, erste Endplatte (142) und ei ne an einem zweiten Ende der Kolbenanordnung befestigte, zweite Endplatte (144) umfasst, wobei die erste und die zweite Endplatte aus nichtmagnetischem Material gebildet sind und radiale Fortsätze (146) umfassen, welche mit dem ersten und dem zweiten ringförmigen Flussring verbunden sind.
Dämpfer nach Anspruch 11, wobei ein jeder der radialen Fortsätze Rillen (148) zur Aufnahme eines jeden der Flussringe, des ersten und des zweiten, umfasst.
Dämpfer nach Anspruch 9, wobei ein Zentralabschnitt eines jeden Flussringe, des ersten und des zweiten, eine aus einem nichtmagnetischen Material gebildete Magnetflusssperre (152) umfasst.
Dämpfer nach Anspruch 9, wobei die Kolbenanordnung weiterhin ein Kolbenlager (128) umfasst, welches an der Kolbenanordnung montiert ist und axial entlang der Kolbenanordnung zur Gänze zwischen einem axialen Zentrum der Kolbenanordnung und einer der Kammern, der ersten oder der zweiten, positioniert ist.
Dämpfer nach Anspruch 9, wobei die Kolbenanordnung weiterhin eine mit der Kolbenanordnung verbundene, nichtmagnetische Endplatte (142) umfasst, und weiterhin einen mit der nichtmagnetischen Endplatte verbundenen Stab (122) umfasst, wobei die nichtmagnetische Endplatte axial zwischen dem Stab und dem Kolbenkern positioniert ist, um den Stab zu isolieren und in einer bestimmten axialen Beabstandung von dem Kolbenkern zu positionieren.