EP2247457A1

EP2247457A1 - Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung

Info

Publication number: EP2247457A1
Application number: EP09707474A
Authority: EP
Inventors: Peter Pelz; Jens RÖSNER
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2008-02-05
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2010-11-10
Also published as: WO2009098064A1; DE102008007566A1; DE102008007566B4

Abstract

Bei einer Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung insbesondere für ein Fahrzeug, in die eine Schwingungslast einleitbar ist und die einen Arbeitskolben aufweist, dessen Wirkfläche zum Verändern einer der Schwingungslast entgegenwirkenden Fluiddämpfer- und/oder -federkraft vergrößerbar und/oder verkleinerbar ist, ist vorgesehen, daß ein elektrisch betriebener Stellantrieb an dem Arbeitskolben angeordnet ist, um eine bewegliche Außenseite des Arbeitskolbens zu verlagern, so daß die Wirkfläche erweitert und/oder reduziert wird.

Description

Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung

Die Erfindung betrifft eine Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung insbesondere für Fahrzeuge, wie Kraftfahrzeuge, beispielsweise Fahrräder, Motorräder, Automobile, etc. Außerdem kann die Erfindung auch Schwingungslager betreffen, die beispielsweise in der Bautechnik insbesondere bei Brücken oder in der Labortechnik eingesetzt werden können.

Bei den Anwendungsgebieten bleibt die an der Schwingungsfluiddämpfung und/oder - federung anliegende Schwingungslast häufig nicht konstant, sondern kann sich je nach Betriebsbedingung ändern. In der Vergangenheit wurden daraufhin Federdämpfungssysteme entwickelt, welche eine sich ändernde Feder-/Dämpfungskennlinie bereitstellen können. Dabei wird zwischen einer passiven Federkennlinienänderung und einer aktiven Federkennlinienänderung unterschieden.

Eine passive Federdämpfungskennlinienänderung kann beispielsweise dadurch gebildet sein, daß eine Kolbenzylinderanordnung verwendet wird, wobei der Kolben eine konische Außenseite hat. Bei axialer Verlagerung des Kolbens ändert sich aufgrund der Konizität die effektive radiale Wirkfläche des Verdrängungskolbens, wodurch sich die Feder- /Dämpfungskennlinie im Verlauf des axialen Hubs des Kolbens direkt proportional zum Stellweg des Kolbens ändert. Ein Beispiel für eine derartige konische Kolbenstruktur ist aus EP 1 541 386 Al bekannt.

DE 199 52 799 Al offenbart einen sogenannten Tandemkolben, bei dem zwei in Dämpfungs- und/oder Federungslängsrichtung hintereinander, miteinander starr gekoppelte Arbeitskolbenköpfe mit jeweils einer Wirkfläche eingesetzt werden. Die Arbeitskolbenköpfe haben jeweils eine konische Längsaußenseite, wodurch die passive Federdämpfungskennlinienände- rung bereitgestellt ist. Die effektive Gesamtwirkfläche der Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung gemäß DE 199 52 799 Al ist durch Differenz der jeweiligen Wirkflächen des Kolbenkopfpaars definiert.

- 64.302 - Ein Feder-Dämpfungssystem mit der Möglichkeit einer aktiven Änderung der Federdämpfungskennlinie, also beispielsweise in Abhängigkeit von den Fahrbedingungen eines Kraftfahrzeugs und unabhängig vom Stellweg des Arbeitskolbens, ist aus DE 41 35 900 C2 bekannt. Die gewünschte Federdämpfungskennlinie wird dadurch eingestellt, daß eine bewegliche Kolbenwand des Arbeitskolbens radial verlagert wird, um damit die effektive Wirkfläche des Abrollkolbens zu vergrößern, an dem ein Abrollbalg angebracht ist. Das Ausfahren der Außenseite des Abrollkolbens wird dadurch erreicht, daß in einem Kanalsystem im Arbeitskolben ein pneumatischer Stelldruck erzeugt wird, der die Verlagerung von die Kolbenlängsaußenwand bildenden Lamellen bewirkt.

Es zeigte sich, daß wegen der Kompressibilität der Stellpneumatik die aktive Veränderung der Federdämpfungskennlinien in der Reaktion auf dynamische Schwinglasten im Zeitmaßstab der Schwingdauer des Systems häufig nur unzureichend realisiert werden kann. Die bekannten Systeme sind zu träge.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, insbesondere eine Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung insbesondere für Fahrzeuge bereitzustellen, mit der eine aktive Dämpfungs-Federkennlinienänderung in Abhängigkeit von den Fahrbedingungen des Kraftfahrzeugs im Zeitmaßstab der Schwingdauer des Systems erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Danach ist eine Schwingungsfluiddämpfung und/oder -feder insbesondere für ein Fahrzeug vorgesehen, wobei in die Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung eine Schwingungslast einleitbar sein soll. Die Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung hat einen Arbeitskolben, dessen Wirkfläche zum Verändern einer der Schwingungslast entgegenwirkenden Fluiddämpfer- und/oder -federkraft vergrößerbar und/oder verkleinerbar ist. Erfindungsgemäß ist an dem Arbeitskolben ein elektrisch betriebener Stellantrieb angeordnet, um eine bewegliche Außenseite des Arbeitskolbens insbesondere radial zu verlagern, so daß die Wirkfläche erweitert und/oder beschränkt oder reduziert wird. Als elektrisch betriebener Stellantrieb können elektromecha- nische Stellantriebe, wie elektrisch betriebene Schneckengetriebe, verwendet werden. Besonders bevorzugt sind piezoelektrische Stellantriebe, wie sie im Folgenden beschrieben sind. Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme können bei der beispielhaften Anwendung in Kraftfahrzeugen die Federdämpfungskennlinie eines Federbeins im Zeitmaßstab der Schwingdauer der Schwingungslast angepaßt werden. Auf diese Weise kann eine höhere Last durch das Federbein bei unveränderter Federbeinlänge getragen werden. Durch das elektrische Betreiben des Stellantriebs können kürzeste Regelungszyklen eingehalten werden. Auf diese Weise wird eine aktive Federbeinkennlinienänderung erreicht, indem Energie in das Federdämpfungssystem eingebracht wird, um es gezielt zu beruhigen, wobei das Federbein in dessen Herstellung kostengünstig bleibt und es einer Voreinstellung der Federbeinlänge nicht bedarf.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein hydropneumatisches Federdämpferbein, das adaptro- nisch eingestellt werden kann. Im Allgemeinen ist ein Federdämpferbein kein ausschließliches Dämpfungssystem sondern ein System auch zum Übertragen von Tragkräften zweier zueinander beweglicher Komponenten, wie Radachse und Karosserie. Die Erfindung bezieht sich also auch auf ein Schwingungsfluiddämpfungs- und Federungssystem, bei dem Tragkräfte über einen Arbeits- oder Tragkolben zwischen einer Krafteintragsseite und Kraftaustrags- seite des Systems, insbesondere bei einem Federbein zwischen der Radachse und der Karosserie, übertragen werden sollen. Durch die Veränderbarkeit der Wirkfläche des Arbeits- oder Tragkolbens kann die Tragkraft des Schwingungsdämpfungs- und Federungssystems, insbesondere des Federbeins, eingestellt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Stellantrieb in einen Hohlraum einer Kolbenstange untergebracht oder an deren Außenseite angebracht. Auf diese Weise ist ein besonders platzsparender Aufbau erreichbar. Auch der Wartungsaufwand des Systems ist aufgrund der geschützten Unterbringung in dem Hohlraum der Kolbenstange reduziert.

Vorzugsweise ist der Arbeitskolben als ein Abrollkolben ausgeführt, wobei ein flexibler Abrollbalg, der eine Abrollfalte bildet, an der beweglichen Außenseite angebracht ist. Die effektive Wirkfläche des Abrollkolbens wird durch die einem Arbeitsfluid ausgesetzten radialen Flächekomponenten definiert. Bei hydraulischen Federdämpfungssystemen haben sich besonders elektrorheologische Flüssigkeiten bewährt, deren Viskosität durch das Anlegen eines elektrischen Feldes veränderbar ist.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die bewegliche Außenseite des Abrollkolbens durch eine einrollbare Hülse gebildet, deren Umfangsenden sich überlappen. Durch die einrollbare Hülsenstruktur ist eine relativ stabile Struktur bereitgestellt, die ein gezieltes konzentrisches Aufweiten der beweglichen Außenseite des Abrollkolben zuläßt. Vorzugweise bleibt eine Überlappung der Umfangsenden der Hülse auch bei maximaler Weitung der beweglichen Außenseite bestehen.

Bei einer alternativen Ausführung der Erfindung ist die bewegliche Außenseite des Abrollkolbens durch mehrere separate, im wesentlichen konzentrische zueinander angeordnete Hülsenabschnitte gebildet. Die Hülsenabschnitte sind für deren radialen Verlagerung an den e- lektrisch betriebenen Stellantrieb gekoppelt. Bei Anbringung des Abrollbalgs an der Außenseite der Hülsenabschnitte sind zusätzliche Umfangsfalten für den Abrollbalg vorzusehen, damit beim Weiten der Hülsenabschnitte der Abrollbalg nicht auf Zug beansprucht wird und eine fluiddichte Arbeitskammer gewährleistet bleibt.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die bewegliche Außenseite des Abrollkolbens durch mehrere in Dämpfungs- und/oder Federungslängsrichtung ausgerichtete Lamellen gebildet, die durch den Stellantrieb radial verlagerbar sind und in einem radialen ausgefahrenen Zustand in einem Umfangsabstand zueinander angeordnet sind.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist wenigstens ein piezoelektrisches Bauteil des Stellantriebs eine vorbestimmte größte Ausdehnungslängsrichtung auf. Bei Ausdehnung oder Schrumpfung des Bauteils wirkt es mit einer Übersetzungsgetriebestruktur derart zusammen, daß eine Ausdehnungs- oder Schrumpfungsamplitude des Bauteils getriebeüber- setzungsgemäß in eine vergrößerte oder verkleinerte radiale Stellbewegungsamplitude umgewandelt wird, um die effektive Wirkfläche entsprechend einzustellen. Auf diese Weise können insbesondere die üblicherweise kleinen piezoelektrischen Bewegungsamplituden verstärkt werden, um die gewünschte Wirkflächenadaption zu erreichen.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Bauteil in einem das Bauteil im wesentlichen vollständig umgebenden Behälter untergebracht, der durch zwei in Ausdehnungslängsrichtung auseinander bewegbaren starren Schalenteilen, insbesondere Halbschalen, gebildet ist. Zwischen einer im wesentlichen parallel zur Ausdehnungslängsrichtung verlaufenden Längsseite des Bauteils und einer der Längsseite zugewandten Innenlängsseite des Behälters ist ein Freiraum vorgesehen, der zum Kompensieren von radialen Ausdehnungen des e- lektrisierten piezoelektrischen Materials dient. Vorzugsweise sind das Bauteil und zumindest eine Innenseite des Behälters formkomplementär zylindrisch, wobei ein Außendurchmesser des Bauteils kleiner als der Durchmesser der Innenseite ist, um den Kompensationsfreiraum zu schaffen.

Vorzugsweise ist eine Längsausdehnung des Bauteils größer als eine Längsausdehnung der in Ausdehnungslängsrichtung aneinanderliegenden Schalenteile.

Vorzugsweise ist das piezoelektrische Bauteil durch ein Paket von gestapelten Scheiben aus piezoelektrischem Material gebildet, wobei die Ausdehnungslängsrichtung der Stapelrichtung entspricht. Auf diese Weise wird eine starke Ausdehnung des Stapels in einer bestimmten Richtung bereitgestellt.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung hat die Übersetzungsgetriebestruktur einen elastisch verformbaren Verdrängungskörper, dessen Formgebung bei Verformung durch das Bauteil eine getriebeübersetzungsgemäß verstärkte Radialbewegung veranlaßt. Dabei kann der Verdrängungskörper einer den Verdrängungskörper umgebenden, starren, axial gerichteten Einschnürung derart zugeordnet sein, daß bei Ausdehnung des Bauteils der Verdrängungskörper radial in die Einschnürung gedrängt wird. Es ist die Einschnürung, welche die getriebeübersetzungsgemäße umleitende Vergrößerung der Stellbewegungsamplitude des piezoelektrischen Materials bewirkt.

Vorzugsweise liegt die Ausdehnungslängsrichtung des piezoelektrischen Bauteils parallel zur Dämpfungs- und/oder Federungslängsrichtung.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Bauteil in einem Hohlraum einer Kolbenstange untergebracht, wobei sich das piezoelektrische Bauteil einerseits an einer starren Innenfläche andererseits an dem verformbaren Verdrängungskörper abstützt.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist an einem radialen Außenende des Verdrängungskörpers insbesondere auf radialer Höhe der Einschnürung wenigstens ein sich radial erstreckender Stellzapfen geführt, der mit einer beweglichen Außenseite des Arbeitskolbens verbunden ist. Bei einer bevorzugten Ausfuhrung der Erfindung ist der elektrisch betriebene Stellantrieb durch wenigstens eine Ringstruktur, vorzugsweise zwei zueinander parallele Ringstrukturen, gebildet, die mehrere piezoelektrische Bauteile aufweist. Die Ausdehnungslängsrichtung der piezoelektrischen Bauteile ist im wesentlichen in Umfangsrichtung der Ringstruktur ausgerichtet. Die piezoelektrischen Bauteile sind in einem elastisch verformbaren, ringförmigen Mantel aufgenommen. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von elektrischen Bauteilen eingesetzt werden, was zu einer relativ großen radialen Stellbewegungsamplitude führen kann. Vorzugsweise kann sich die Ringstruktur an einer Kolbenstange um letztere herum angebracht abstützen.

Bei einem eigenständigen und mit der oben beschriebenen Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung kombinierbaren Aspekt der Erfindung ist ein Tandemkolben 31 mit zwei in Dämpfungs- und/oder Federungslängsrichtung hintereinander, miteinander starr gekoppelte Arbeitsköpfe mit jeweils einer Wirkfläche vorgesehen. Eine effektive Gesamtwirkfläche der Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung ist durch Differenz der Wirkfläche der Kolbenköpfe definiert. Erfindungsgemäß ist die Wirkfläche eines oder beider Kolbenköpfe zum Verändern einer der Schwingungslast entgegenwirkenden Fluiddämpfer- und/oder -federkraft in Reaktion auf die Schwingungslast gemäß deren Zeitmaßstab veränderbar.

Bei einem weiteren eigenständigen oder mit den oben genannten Erfindunsgegenständen kombinierbaren Aspekt der Erfindung ist eine Schwingungsfluiddämpfung- und/oder - federung vorgesehen, bei der eine der Außenseiten des Arbeitskolbens, vorzugsweise eine im wesentlichen axiale Längsseite des Arbeitskolbens, gegenüber der Dämpfungs- und/oder - federlängsrichtung zum Bilden einer Konizität geneigt werden kann, wobei der Neigungsgrad der Außenseite einstellbar ist. Vorzugsweise hat die Außenseite einen regenschirmförmigen Aufbau.

Bei Weiterbildung der Erfindung ist die Außenseite durch mehrere schwenkbar, an einem Träger des Arbeitskolbens angelenkte Lamellen gebildet. An der Außenseite der Lamellen ist ein Abrollbalg zur Bildung eines fluiddichten Arbeitsraums befestigt.

Vorzugsweise stellt der Stellantrieb, der zwischen einer Kolbenstange und den Lamellen angeordnet ist, die Neigung der Lamellen ein. Dabei kann der Stellantrieb einem Schwenkge- lenk der Lamellen zugeordnet sein. Vorzugsweise ist der elektrisch betriebene Stellantrieb mit einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung verbunden.

Weitere Eigenschaften, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der Erfinder anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:

Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht eines hydropneumati- schen Federbeins mit einem Einkolbenaufbau;

Figur 2 eine schematische Querschnittsansicht eines hydropneu- matischen Federbeins in einer weiteren Ausführung mit einem Tandemkolben;

Figuren 3a bzw. 3b eine Draufsicht eines Abrollkolbens in einem beschränkten Betriebszustand bzw. einem geweiteten Betriebszustand;

Figuren 4a bzw. 4b eine Draufsicht eines radial weitbaren Außenmantel eines Abrollkolbens in einem eingezogenen Betriebszustand bzw. in einem geweiteten Betriebszustand;

Figur 5 eine teilweise aufgeschnittene, perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Stellantriebs zum Verändern der Wirkfläche eines Abrollkolbens;

Figur 6 eine Draufsicht des Stellantriebs gemäß Figur 5;

Figur 7 eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie VII-VII gemäß Figur 6;

Figur 8 eine teilweise aufgeschnittene, perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Bauteils, das für einen Stellantrieb zum Verändern der Wirkfläche eines Abrollkolbens geeignet ist; Figur 9 eine Seitenansicht des piezoelektrischen Bauteiles gemäß

Figur 8;

Figur 10 eine Querschnittsansicht des piezoelektrischen Bauteils entlang der Schnittlinie X-X nach Figur 9;

Figuren I Ia bzw. I Ib schematische Querschnittsansichten einer piezoelektrischen

Bauteilgruppe zur Bildung eines Stellantriebs, die zur Kolbenstange konzentrisch angeordnet ist und in einem beschränkten Betriebszustand bzw. einem geweiteten Betriebszustand dargestellt ist;

Figur 12 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines

Abrollkolbens mit einer neigbaren Axiallängsseite, die in einem neigungsfreien Zustand dargestellt ist;

Figur 13 eine Querschnittsansicht des Abrollkolbens gemäß Figur 12;

Figur 14 eine teilweise aufgeschnittene, perspektivische Ansicht des Kolbens gemäß den Figuren 12 und 13, wobei die Längsseite gegenüber der Axiallängsachse geneigt ist; und

Figur 15 eine Querschnittsansicht des Abrollkolbens gemäß Figur 14.

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes hydropneumatisches Federbein für ein Kraftfahrzeug im allgemeinen mit der Bezugsziffer 1 versehen. Das Federbein 1 hat einen karosserieseitigen und einen radseitigen Anschluß 3, 5. Das Federbein 1 umfaßt außerdem einen in einer axialen Feder-/Dämpfungsrichtung F verlagerbaren Einzelkolben 7, der innerhalb eines zylindrischen karosserieseitig geschlossenen Gehäuses 9 konzentrisch aufgenommen ist. Der schwingungs- lastseitige Anschluß 5 ist an dem Einzelkolben 7 befestigt.

Ein Teil der Außenseite des Einzelkolbens 7, eine Innenseite 13 des zylindrischen Gehäuses 9 sowie ein eine Außenlängsseite 11 des Einzelkolbens 7 mit der Innenlängsseite des zylindrischen Gehäuses 9 verbindender Abrollbalg 15 begrenzen eine geschlossene hydraulische Ar- beitskammer 17, an die über Dissipationskanäle 21 ein Ausgleichsbehälter 19 angeschlossen ist. In dem Ausgleichsbehälter 19 ist ein kompressibles Gasvolumen 23 vorgesehen.

Wie in Figur 1 durch den Doppelpfeil A angedeutet ist, ergibt sich eine effektive Wirkfläche des Einzelkolbens 7, der als Abrollkolben bezeichnet werden kann, aus dem Durchmesser des Einzelkolbens 7 und der radialen Breite des sich zwischen der Längsaußenseite 11 , dem Einzelkolben 7 und dem zylindrischen Gehäuse 9 bildenden Zwischenraums 24 konstant umlaufender Breite.

Bei einer Lastschwingung L wird der Einzelkolben 7 axial in die und aus der Arbeitskammer 17 gedrückt, wodurch die hydraulische Flüssigkeit über die Dissipationskanäle 21 in den Ausgleichsbehälter 19 und heraus strömt, wodurch ein Dämpfungseffekt erzielt wird. Eine Federwirkung ruft die Kompressibilität des Gasvolumens 23 hervor.

Das erfindungsgemäße Federbein 1 hat innerhalb eines Hohlraums 25 im Einzelkolben 7 einen elektrisch betriebenen Stellantrieb, der in der in Figur 1 gezeigten Ausführung durch zwei piezoelektrische Ringbauteile 27, 29 (siehe auch Figuren I Ia, 1 Ib) gebildet ist.

Bei elektrischer Aktivierung dehnen sich die piezoelektrischen Ringbauteile 27, 29 aus, wodurch eine bewegliche Außenlängsseite 11 des Einzelkolbens 7 radial nach außen verlagert wird, so daß der sich zwischen der Außenseite 11 und dem zylindrischen Gehäuse 9 bildende Zwischenraum 24 verkleinert und damit die effektive Wirkfläche A der Einzelkolbens 7 vergrößert wird. Auf diese Weise kann die Feder-Dämpfungskennlinie des Federbeins 1 sogar im Betrieb des Kraftfahrzeugs eingestellt werden, also das intelligente erfindungsgemäße Federdämpfungssystem des Federbeins 1 kann auf dynamische Lasten L im Zeitmaßstab der Schwingdauer des Systems reagieren und entsprechend angepaßt werden.

In Figur 2 ist eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen hydropneumatischen Federbeins dargestellt. Zur besseren Lesbarkeit der Figurenbeschreibung werden im Hinblick auf die Ausführungen zu Figur 1 für ähnliche oder identische Bauteile die gleichen Bezugsziffern für das Federbein gemäß Figur 2 verwendet.

Das Federbein 1 gemäß Figur 2 unterscheidet sich von dem nach Figur 1 dadurch, daß der Arbeitskolben als sogenannter Tandemkolben 31 ausgebildet ist. Der Tandemkolben 31 hat zwei Kolbenköpfe, nämlich einen schwingungslastseitigen Kolbenkopf 33 und einen karosse- rieseitigen Kolbenkopf 35. Der schwingungslastseitige Kolbenkopf 33 ist entsprechend dem Einzelkolben 7 gemäß Figur 1 ausgebildet. Der schwingungslastseitige Kolbenkopf 33 ist über eine Kolbenstange 37 mit dem karosserieseitigen Kolbenkopf 35 starr verbunden.

Die effektive Wirkfläche des Federbeins 1 gemäß Figur 2 definiert sich aus der Differenz der effektiven Einzelwirkflächen A und B der Kolbenköpfe 33 und 35.

Auch der karosserieseitige Kolbenkopf 35 beinhaltet in dessen Hohlraum 39 zwei piezoelektrische Ringstrukturen 41, 43, welche bei deren Aktivierung eine Beschränkung oder Weitung der beweglichen axialen Außenlängsseite 45 des Kolbenkopfs 35 bewirken.

Es zeigte sich, daß eine Tandemkolbenkonstruktion gemäß Figur 2 sich besonders dann gut eignet, wenn rasche Federkennlinienänderungen notwendig sind.

Figuren 3a und 3b zeigen einen Kolbenaufbau 40 mit einer radial beweglich gelagerten Außenseite 45, die durch vier Hülsenabschnitte 47 bis 50 im wesentlichen gleichen Aufbaus gebildet ist. Im eingefahrenen Betriebszustand gemäß Figur 3 a liegen die Hülsenabschnitte 45 bis 49 auf einer kreisförmigen Umfangslinie aneinander und konzentrisch zur Längsachse S einer Kolbenstange 37. Die Kolbenstange 37 nimmt innenseitig einen nicht näher dargestellten Stellantrieb auf, der mit den Hülsenabschnitten 47 bis 50 über radial vorstehende Stellzapfen 51 bis 57 gekoppelt ist. Die Stellzapfen 51 bis 57 erstrecken sich vom Inneren der Kolbenstange 51 radial durch die Stangenwand nach außen und sind mit einer Innenseite des jeweiligen Hülsenabschnitts 47 bis 50 verbunden.

Um die Wirkfläche des Abrollkolbens 41 zu vergrößern, werden die Stellzapfen 51 bis 57 radial nach außen verlagert, wie in Figur 3b angedeutet ist. Dabei werden auch die Hülsenabschnitte 45 bis 49 radial nach außen mitgenommen, wodurch die Wirkfiäche des Arbeitskolbens 41 deutlich vergrößert wird. In den Figuren 3a und 3b ist nicht dargestellt, daß ein Abrollbalg (15, Bezugszeichen, siehe Figur 1 und 2) an der Außenseite der Hülsenabschnitte 47 bis 50 zur Bildung eines fluiddichten Arbeitsraumes befestigt ist.

In den Figuren 4a und 4b ist ein weiteres Grundprinzip einer beweglichen Außenseite 45 für einen weitbaren Kolbenaufbau 40 gezeigt. Die bewegliche Außenseite 45 des Kolbenaufbaus 40 ist durch eine im wesentlichen konzentrisch eingerollte Hülse 61 mit zwei sich überlappenden, zueinander verschiebbaren Umfangsenden 65 gebildet. An der Außenseite der nicht geschlossenen Hülse 61 ist der Abrollbalg (15, Figur 1 und 2) zur Bildung des fluiddichten Arbeitsraums befestigt. Beim Auftreten von radialen Kräften kann sich die Hülse 61 in Radialrichtung weiten, wodurch die Wirkfläche des Abrollkolbens vergrößert wird, ohne daß die hülsenförmige Außenstruktur des Arbeitskolbens aufgegeben werden muß.

Ein in Figur 5 dargestellter piezoelektrischer Antrieb 67 kann insbesondere für den Abrollkolbenaufbau gemäß den Figuren 3a und 3b eingesetzt werden. Der piezoelektrische Stellantrieb 67 ist größtenteils innerhalb einer Kolbenstange 37 untergebracht, die eine Längsachse S definiert. In einem rotationsförmigen, etwa kreisförmigen Hohlraum der Kolbenstange 37 sind zwei piezoelektrische Stapel 69, 71 untergebracht, deren maximale Ausdehnungsrichtung mit der Längsachse S der Kolbenstange 37 zusammenfällt. Die Stapel 69, 71 stützen sich an diametral gegenüberliegenden radialen Innenflächen des Hohlraums der Kolbenstange 37 starr ab. Etwa in der axialen Mitte des Hohlraums der Kolbenstange 37 ist ein elastisch verformbarer Verdrängungskörper 73 angeordnet, auf den die piezoelektrischen Stapel 69, 71 verformend einwirken können.

Der Hohlraum mündet am Umfangsaußenbereich der Kolbenstange 37 in eine axiale Einschnürung 75, in der jeweils ein Stellzapfen 51 bis 57 radial geführt ist.

Der Verdrängungskörper 73 dient als eine Art Übersetzungsgetriebe für eine Umwandlung der axialen Ausdehnungsamplitude der piezoelektrischen Stapel 69, 71 in eine vergrößerte radiale Bewegungsamplitude der Stellzapfen 51 bis 57. Wenn die piezoelektrischen Stapel 69, 71 elektrisch aktiviert werden, dehnen sie sich in Längsrichtung aus und drücken auf den Verdrängungskörper 73, der in Radialrichtung hin zur Einschnürung 75 ausweicht. Aufgrund der Einschnürung 75 wird die Bewegung der Stellzapfen 51 bis 57 verstärkt.

In den Figuren 8 bis 10 ist ein piezoelektrisches Bauteilelement im Detail dargestellt, das im allgemeinen mit der Bezugsziffer 79 versehen und einen piezoelektrischen Stapel 71 aus mehreren, aufeinander gestapelten piezoelektrischen Scheiben 81 aufweist. Bei elektrischer Aktivierung dehnt sich jede Scheibe 81 unter anderem in deren Breitenrichtung, also in Längsrichtung des Stapels 71 aus. Mit der Aufsummierung der Einzelausdehnungen der Scheiben 81 kommt es zu einer nicht vernachlässigbaren Längsausdehnung des piezoelektrischen Bauteilelements 79.

Wie in Figur 10 ersichtlich, ist der piezoelektrische Stapel 71 von zwei Halbschalen 83, 85 eingehäust. Eine Längsausdehnung eines Innenraums, den beide axial aneinanderliegende Halbschalen 83, 85 bilden würden, ist kleiner als die Längsausdehnung des unaktivierten piezoelektrischen Stapels 71, so daß die Bodeninnenseiten der Halbschalen 83, 85 in Kontakt mit dem piezoelektrischen Stapel 71 sind, ohne daß sich die Endschalenränder berühren.

Wie in Figur 8 und 10 ersichtlich ist, besteht in Radialrichtung zwischen der gerillten Außenlängsseite des piezoelektrischen Stapels 71 und der Innenlängsseite der Halbschalen 83, 85 ein Spalt 84. Der Spalt 84 dient dazu, die durch Strombeaufschlagung veranlaßten, Außen- durchmesseränderungen zuzulassen, ohne daß sich die radiale, zylindrische Außenabmessung des Bauteilelements 79 ändern. Dadurch kann das Bauteilelement 79 ohne weiteres in einen radial formkomplementären, zylindrischen Hohlraum in der Kolbenstange 37 eingesetzt werden, ohne daß es zu ungewünschten Innenspannungen aufgrund der unweigerlichen Außen- durchmesseränderungen des piezoelektrischen Stapels 69, 71 kommen kann.

In den Figuren 1 Ia und 1 Ib ist eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Stellantriebs dargestellt. Der Stellantrieb ist im allgemeinen mit der Bezugsziffer 87 versehen und umfaßt einen geschlossenen, dehnbaren Elastomertragring 89. An einer Um- fangsaußenseite 91 des Elastomertragrings 89, die kreisförmig verläuft, sind mehrere Scharniergelenke 93 in gleichem Umfangsabstand zueinander eingebracht, an denen - in den Figuren I Ia und I Ib nicht dargestellt - axial erstreckende Lamellen schwenkbar anbringbar sind. An der Umfangsinnenseite 92 des Elastomerrings 89 stehen im gleichen Umfangsabstand zueinander Vorsprünge 95 radial nach innen vor, die in Umfangsrichtung, radial nach innen offene Abteile begrenzen. In jedem Abteil zwischen zwei benachbarten Innen vorsprängen 95 ist ein piezoelektrischer Stapel 97 angeordnet. Der piezoelektrische Stapel 97 hat eine maximale Ausdehnungsrichtung, die im wesentlichen in Umfangsrichtung des Stellantriebs 97 ausgerichtet ist.

Wie in den Figuren I Ia und I Ib gezeigt ist, sind an der Zahl elf piezoelektrische Stapel 97 vorgesehen, es können allerdings mehr oder weniger einsetzt werden. Alle piezoelektrischen Stapel 97 können individuell oder gemeinschaftlich mit elektrischem Strom beaufschlagt werden.

In Figur I Ia sind die piezoelektrischen Stapel 97 stromlos, während in Figur I Ib die piezoelektrischen Stapel 97 bestromt sind. Aufgrund der elektrischen Aktivierung dehnen sich die piezoelektrischen Stapel 97 vor allem in deren Längsrichtung aus, wodurch eine elastische Verformung des Elastomerrings 89 einhergeht. Wie in Figur 1 Ib ersichtlich ist, veranlaßt die Ausdehnung der piezoelektrischen Stapel 97 eine Quetschung der Innenvorsprünge 95 und eine radiale Weitung des Elastomertragrings 89, wodurch eine Wirkflächenvergrößerung eines nicht näher dargestellten Kolbens erreichbar ist, dessen bewegliche Außenseite mit dem Stellantrieb 87 zusammen wirkt.

In den Figuren 12, 13, 14 und 15 ist ein erfindungsgemäßer Abrollkolben 101 im Detail dargestellt. Die Besonderheit des Abrollkolbens 101 besteht darin, daß eine Wirkflächenänderung durch Änderung einer Neigung der beweglichen Außenseite 102 des Abrollkolbens 101 gegenüber einer Federungs- und/oder Dämpfungslängsrichtung D erreichbar ist.

Der in den Figuren 12 bis 15 dargestellte Abrollkolben 101 hat eine teilweise dargestellte Kolbenstange 103, um die herum sich zwei ringförmige, zueinander parallel verlaufende piezoelektrische Stellantriebe 105, 107 an der starren Außenseite der Kolbenstange abstützen, wie sie in den Figuren I Ia und I Ib dargestellt sind.

Die piezoelektrischen Stellantriebe 105, 107 können unabhängig voneinander betrieben werden. Hinsichtlich des Detailaufbaus der ringförmigen piezoelektrischen Stellantriebe 105, 107 wird auf die Beschreibung zu den Figuren 1 Ia und 1 Ib verwiesen.

An der Außenseite der ringförmigen Stellantriebe 105, 107 sind mehrere Lamellenplatten 109 angeordnet, die die starre bewegliche axiale Außenseite 102 des Abrollkolbens 101 definieren. An dem unteren piezoelektrischen Stellantrieb 107 ist ein Schwenkgelenk 111 zur An- lenkung jeweils einer Lamellenplatte 109 vorgesehen. An der Außenseite der Lamellenplatten 109 ist ein vollumlaufender Abrollbalg 113 fluiddicht befestigt, der eine Abrollfalte 115 bildet. Der Abrollbalg 113 ist an ein nicht näher dargestelltes Zylindergehäuse fluiddicht befestigt. Sollte nun ausschließlich der ringförmige Stellantrieb 105 aktiviert werden, so geht eine rein radiale Weitung der Außenseite des Stellantriebs 105 einher. Aufgrund der schwenkgelenkigen Anbindung werden die Lamellenplatten 109 gegenüber der Federungs- und/oder Dämpfungslängsrichtung D geneigt. Auf diese Weise bildet der Arbeitskolben 101 mit den geneigten Lamellenplatten 109 weitere radiale Außenseitenkomponenten, welche die effektive Wirkfläche des Abrollkolbens 101 vergrößern lassen.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Bezugszeichenliste

1 hydropneumatisch.es Federbein

3, 5 karosserieseitiger und radlastseitiger Anschluß

7 Einzelkolben

9 Gehäuse

11 Längsseite

13 Innenseite

15 Abrollbalg

17 hydraulische Arbeitskammer

19 Ausgleichsbehälter

21 Dissipationskanäle

23 Gasvolumen

24 Zwischenraum

25 Hohlraum

27, 29 piezoelektrische Ringbauteile

31 Tandemkolben

33 Kolbenkopf

35 Kolbenkopf

37 Kolbenstange

39 Hohlraum

40 Kolbenaufbau

41, 43 Ringstrukturen

45 Außenlängsseite

47 bis 50 Hülsenabschnitte

51 bis 57 Stellzapfen

61 Hülse

65 Umfangsenden

67 piezoelektrischer Stellantrieb

69, 71 piezoelektrische Stapel

73 Verdrängungskörper

75 Einschnürung 79 piezoelektrisches Bauteilelement

81 piezoelektrische Scheiben

83, 85 Halbschalen

84 Spalt

87 Stellantrieb

89 Elastomertragring

91 Umfangsaußenseite

92 Umfangsinnenseite

93 Scharniergelenke

95 Innenvorsprünge

97 piezoelektrischer Stapel

101 Abrollkolben

102 Außenseite

103 Kolbenstange

105, 107 Stellantriebe

109 Lamellenplatten

111 Schwenkgelenk

113 Abrollbalg

115 Abrollfalte

A, B Einzelwirkflächen

D Feder- und/oder Dämpfungslängsrichtung

L Schwingungslast

S Längsachse

Claims

Ansprüche

1. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung insbesondere für ein Fahrzeug, in die eine Schwingungslast (L) einleitbar ist und die einen Arbeitskolben aufweist, dessen Wirkfläche zum Verändern einer der Schwingungslast (L) entgegenwirkenden Fluid- dämpfer- und/oder -federkraft vergrößerbar und/oder verkleinerbar ist, dadurch g e kennzeichnet, daß ein elektrisch betriebener Stellantrieb an dem Arbeitskolben angeordnet ist, um eine bewegliche Außenseite des Arbeitskolbens zu verlagern, so daß die Wirkfläche erweitert und/oder reduziert wird.

2. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß der Stellantrieb (67, 87) piezoelektrisch oder elektromecha- nisch betrieben ist.

3. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb in einem Hohlraum einer Kolbenstange (37) untergebracht oder an deren Außenseite angebracht ist.

4. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitskolben als ein Abrollkolben (7, 31, 101) ausgeführt ist, wobei ein flexibler Abrollbalg (15) an der beweglichen Außenseite angebracht ist, wobei einem Arbeitsfluid ausgesetzte radiale Flächenkomponenten des Abrollkolbens (7, 31, 101) die Wirkfläche definieren.

5. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach Anspruch 4, dadurch g e- kennzeichnet, daß die bewegliche Außenseite des Abrollkolbens (7, 31, 101) durch eine einrollbare Hülse (61) gebildet ist, deren Umfangsenden (65) sich überlap-

- 64J₆₂ - pen, wobei insbesondere eine Überlappung der Umfangsenden (65) auch bei maximaler Weitung der beweglichen Außenseite bestehen bleibt.

6. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach Anspruch 4, dadurch g e- kennzeichnet, daß die bewegliche Außenseite des Abrollkolbens (7, 31, 101) durch mehrere separate, im wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnete Hülsenabschnitte (47 bis 50) gebildet ist, die für eine radiale Verlagerung an dem Stellantrieb gekoppelt sind.

7. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Außenseite des Abrollkolbens (7, 31, 101) durch mehrere in Dämpfungs- und/oder Federungslängsrichtung (D) ausgerichtete Lammellen (109) gebildet ist, die durch den Stellantrieb radial verlagerbar sind und in einem radial ausgefahrenen Zustand in einem Umfangsabstand zueinander angeordnet sind.

8. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennze ichnet, daß wenigstens ein piezoelektrisches Bauteil des Stellantriebs eine vorbestimmte größte Ausdehnungslängsrichtung aufweist und bei Ausdehnung oder Schrumpfung des Bauteils mit einer Übersetzungsgetriebestruktur derart zusammenwirkt, daß eine Ausdehnungs- oder Schrumpfungsamplitude des Bauteils getriebeübersetzungsgemäß vergrößert oder verkleinert wird, um die Wirkfläche zu weiten oder zu beschränken.

9. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach Anspruch 8, dadurch g e- kennzeichnet, daß das Bauteil in einem das Bauteil im wesentlichen vollständig umgebenden Behälter untergebracht ist, der aus zwei in Ausdehnungslängsrichtung auseinander bewegbaren starren Schalenteilen (83, 85) gebildet ist, wobei zwischen einer im wesentlichen parallel zur Ausdehnungslängsrichtung verlaufenden Längsseite des Bauteils und einer der Längsseite zugewandte Innenlängsseite des Behälters ein Freiraum vorgesehen ist.

10. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach Anspruch 9, dadurch g e- kennzeichnet, daß das Bauteil und zumindest eine Innenseite des Behälters zy- lindrisch ist, wobei ein Außendurchmesser des Bauteils kleiner als der Durchmesser der Innenseite ist.

11. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Längsausdehnung des Bauteils größer als eine Längsausdehnung der in Ausdehnungslängsrichtung aneinanderliegenden Schalenteile (83, 85) ist.

12. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennze i chnet, daß das Bauteil durch ein Paket von gestapelten Scheiben (81) aus piezoelektrischem Material gebildet ist, wobei die Ausdehnungslängsrichtung der Stapelrichtung entspricht.

13. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersetzungsgetriebestruktur einen elastisch verformbaren Verdrängungskörper (73) aufweist, dessen Formgebung bei Verformung durch das Bauteil eine getriebeübersetzungsgemäße verstärkte radiale Bewegung veranlaßt.

14. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzei chnet, daß der Verdrängungskörper (73) einer den Verdrängungskörper (73) umgebenden, starren, radialen Einschnürung (75) derart zugeordnet ist, daß bei Ausdehnung des Bauteils der Verdrängungskörper (73) in die Einschnürung (75) gedrängt wird.

15. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungslängsrichtung des Bauteils parallel zur Dämpfungs- und/oder Federungslängsrichtung (D) liegt.

16. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil in einem Hohlraum einer Kolbenstange (37) untergebracht ist und sich einerseits an einer starren Innenfläche andererseits an dem verformbaren Verdrängungskörper (73) abstützt.

17. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch ge kennze ichnet, daß an einem radialen Außenende des Verdrängungskörpers (73) insbesondere auf radialer Höhe der Einschnürung (75) ein sich radial erstreckender Stellzapfen (51 bis 57) angeordnet ist, der mit einer bewegliche Außenseite des Arbeitskolbens verbunden ist.

18. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb durch wenigstens eine Ringstruktur, vorzugsweise zwei zueinander parallele Ringstrukturen, gebildet ist, die mehrere piezoelektrische Bauteile aufweist, deren Ausdehnungslängsrichtung im wesentlichen in Umfangsrichtung der Ringstruktur ausgerichtet ist und die in einem elastisch verformbaren Mantel aufgenommen sind.

19. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach Anspruch 18, dadurch g e- kennzeichnet, daß die Ringstruktur um eine Kolbenstange (37) herum befestigt ist.

20. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung insbesondere für ein Fahrzeug, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 19, in die eine Schwingungslast (L) einleitbar ist und die einen Tandemkolben (31) mit zwei in Dämpfungs- und/oder Federungslängsrichtung (D) hintereinander, miteinander starr gekoppelte Kolbenköpfe (33, 35) mit jeweils einer Wirkfläche (A, B) aufweist, wobei eine effektive Gesamtwirkfläche der Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung durch eine Differenz der Wirkflächen (A, B) der Kolbenköpfe (33, 35) definiert ist, dadurch g e- kennzeichnet, daß die Wirkfläche eines oder beider Kolbenköpfe (33, 35) zum Verändern einer der Schwingungslast (L) entgegenwirkenden Fluidämpfer- und/oder -federkraft in Reaktion auf die Schwingungslast (L) gemäß deren Zeitmaßstab veränderbar ist.

21. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung insbesondere für ein Fahrzeug, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 20, in die eine Schwingungslast (L) einleitbar ist und die einen Arbeitskolben (101) aufweist, dessen Wirkfläche zum Verändern einer der Schwingungslast (L) entgegenwirkenden Fluidämpfer- und/oder -federkraft veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Außenseiten (102) des Arbeitskolbens (101), vorzugsweise eine im wesentlichen axiale Längsseite, gegenüber der Dämpfungs- und/oder Federungslängsrichtung (D) zur Bildung einer Konizität geneigt werden kann, wobei ein Neigungsgrad der Außenseite (102) einstellbar ist.

22. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach Anspruch 21, dadurch g e- kennze ichnet, daß die Außenseite einen regenschirmförmigen Aufbau aufweist.

23. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite (102) durch mehrere schwenkbar an einem Träger des Arbeitskolbens angelenkte Lamellen (100) gebildet ist, an deren Außenfläche ein Abrollbalg 113 befestigt ist.

24. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellantrieb (105, 107), der zwischen einer Kolbenstange (103) und den Lamellen (109) angeordnet ist, die Neigung der Lamellen (109) einstellt.

25. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb (105, 107) einem Schwenkgelenk (111) der Lamellen (109) zugeordnet ist.

26. Schwingungsfluiddämpfung und/oder -federung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch ge ke nnze i chne t, daß der Stellantrieb (105, 107) mit einer Steue- rungs- und/oder Regelungseinrichtung verbunden ist.