ES2961133T3 - Amortiguador con regulación simultánea de la carga hidráulica en función de la velocidad y la frecuencia - Google Patents

Amortiguador con regulación simultánea de la carga hidráulica en función de la velocidad y la frecuencia Download PDF

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Abstract

La invención describe un amortiguador con regulación de carga hidráulica con un vástago (1) terminado en una espiga (2) que incorpora un canal (22) longitudinal, de forma que el amortiguador comprende un amplificador frecuencial (28) que, a su vez, comprende una carcasa (18),un pistón flotante (19) que desliza por el interior de la carcasa (18) manteniendo la estanqueidad y una válvula controladora de presión (20, 36) donde la válvula controladora de presión (20, 36) está configurada para abrirse al alcanzar la cámara del amplificador (29) un nivel de presión determinado, permitiendo la salida de fluido de la cámara del amplificador (29), de forma que la presión de la cámara del amplificador (29) actúa sobre el pistón flotante (19), que se desplaza para regular el paso de fluido por el pistón (10)a través de un elemento elástico (25) que actúa sobre unas válvulas (23, 24).

Description

DESCRIPCIÓN
Amortiguador con regulación simultánea de la carga hidráulica en función de la velocidad y la frecuenciaObjeto de la invención
La presente invención se refiere a un amortiguador capaz de regular la carga generada por un dispositivo hidráulico en función de la velocidad y la frecuencia a las que está sometido simultáneamente, tanto para movimientos de compresión como de extensión.
La presente invención es particularmente aplicable en el campo de la industria relacionada con amortiguadores que usan un fluido como agente amortiguador, centrándose especialmente en la industria del automóvil.
Problema técnico a resolver y antecedentes de la invención
Un amortiguador es un dispositivo destinado a atenuar las oscilaciones de la suspensión mediante la disipación de energía cinética hasta que dicha suspensión recupere la posición de equilibrio de la misma. Un caso de desarrollo muy común se centra en la aplicación en automóviles.
Con enfoque en el sector del automóvil, el amortiguador tiene un impacto decisivo tanto en la estabilidad como en la comodidad. De hecho, el ajuste de la carga hidráulica que genera representa un compromiso entre ambos factores: - en términos de estabilidad, el control dinámico del vehículo se realiza a bajas velocidades de extensión y compresión de la suspensión y bajas frecuencias de oscilación, correspondiente a la frecuencia natural de la masa suspendida (cabina), que normalmente está en el intervalo de 1-2 Hz para turismos. En este régimen operativo, un alto nivel de amortiguación, es decir, altas cargas hidráulicas, se requiere;
- en términos de comodidad, el control está relacionado principalmente con velocidades medias y altas de extensión y compresión de la suspensión que se producen a frecuencias de oscilación medias o altas. La frecuencia de referencia es la frecuencia natural de la masa no suspendida (rueda/suspensión), que normalmente está en el intervalo de 8-15 Hz para turismos. Un mayor grado de comodidad está sujeto a un nivel reducido de amortiguación, lo que permite desacoplar el movimiento de las ruedas de las oscilaciones del chasis.
Por lo tanto, es deseable que el amortiguador pueda ajustar su nivel de carga a las características de las oscilaciones que debe atenuar.
Por lo tanto, por un lado, el amortiguador debe poder adaptarse en función de la velocidad de oscilación de la suspensión. En el estado de la técnica, la configuración interna del amortiguador y sus válvulas está concebida para generar un mayor coeficiente de amortiguación para velocidades bajas que para velocidades medias y altas. La función que vincula la carga de un amortiguador con la velocidad de oscilación del mismo es la principal característica del mismo y la curva sobre la que se actúa para optimizar el compromiso entre estabilidad y comodidad.
La figura 14 se refiere a un gráfico que representa la fuerza de amortiguación en función de la velocidad de oscilación de un amortiguador. La pendiente indica el coeficiente de amortiguación. Cuanto más inclinada sea la pendiente, mayor será el coeficiente de amortiguación. Por lo tanto, el coeficiente de amortiguación, es decir, la pendiente de la curva, es mayor a velocidades bajas que a velocidades medias y altas.
Por otra parte, el amortiguador debe poder adaptarse en función de la frecuencia de oscilación de la suspensión. Los gráficos de las figuras 15a y 15b representan la variación de la fuerza de amortiguación en función de la carrera del pistón sin incorporación de ningún dispositivo de ajuste de frecuencia y con la incorporación de un dispositivo de ajuste de frecuencia, respectivamente, donde se puede comprobar que, aunque no hay variación a baja frecuencia, a alta frecuencia, para una misma longitud de carrera, la fuerza disminuye cuando se usa un dispositivo de ajuste de frecuencia, es decir, el nivel de amortiguación se reduce considerablemente, obteniendo así una suspensión más suave, lo que conlleva un aumento de la comodidad.
El amortiguador convencional no es capaz de adaptar su respuesta a la frecuencia de oscilación. En el estado de la técnica, existen soluciones que incorporan esta característica al amortiguador como se indicó anteriormente. Un primer tipo consiste en añadir al pistón principal del amortiguador una válvula dispuesta en paralelo que permite el paso del fluido tras una determinada frecuencia de oscilación.
Uno de estos dispositivos se describe en el documento US7395907. El objeto de este documento es un amortiguador hidráulico al que se le instala en el extremo del pasador de la varilla un dispositivo auxiliar encargado de regular la carga de amortiguación en función de la frecuencia.
Sin embargo, esta invención presenta una serie de problemas o limitaciones.
En primer lugar, solo realiza la regulación de frecuencia de la amortiguación generada en la carrera de extensión.
En segundo lugar, ya que es un dispositivo añadido al extremo del pasador de la varilla, ocupa espacio adicional axialmente, siendo necesario reducir la carrera máxima del amortiguador o haciendo inviable su implementación en algunas suspensiones por falta de espacio. La reducción de la carrera del amortiguador conlleva una disminución de la comodidad, ya que se alcanza con mayor frecuencia el final de carrera de la suspensión.
En tercer lugar, la instalación en paralelo de la válvula de frecuencia requiere perforar un agujero de dimensiones considerables en el pasador de la varilla para que el sistema siga siendo eficiente a velocidad media, donde los caudales a intercambiar son importantes. Esto reduce la fuerza del pasador, limitando el estrés hidráulico y mecánico que puede soportar.
En cuarto lugar, para alcanzar un buen compromiso entre la sección de paso del agujero y la resistencia del pasador de la varilla, el efecto de frecuencia está limitado para movimientos de alta velocidad.
En quinto lugar, la cámara de control de frecuencia está conectada con la cámara de tracción del amortiguador ubicada encima del pistón mediante un pequeño paso esencialmente simétrico en ambos sentidos de circulación del fluido. El principio operativo de la invención se basa en que dicho conducto impone una fuerte restricción al acceso del fluido a la cámara de frecuencia, de modo que el retardo asociado permita realizar la regulación de frecuencia. Este retardo está igualmente presente en el retorno del fluido desde la cámara de frecuencia a la cámara de tracción, un flujo que es esencial para restablecer la posición inicial del sistema después de una operación de baja frecuencia. La regulación de la amortiguación de alta frecuencia está, por tanto, limitada por el tiempo necesario para que la invención vuelva a su posición inicial, algo que es particularmente grave en un regulador de frecuencia. Así mismo, la combinación de presiones de las cámaras de tracción y de compresión durante el movimiento de extensión del amortiguador favorece el llenado de la cámara de frecuencia, pero no el vaciamiento de la misma, ni durante el movimiento de extensión ni durante el movimiento de compresión.
Cuando el amortiguador funciona a bajas frecuencias, la cámara de frecuencia está llena y debe vaciarse posteriormente para que esté disponible lo antes posible. El problema radica en que el retardo del sistema descrito en este documento no permite que el fluido regrese rápidamente a la cámara de tracción, lo que condiciona la respuesta del amortiguador si posteriormente se somete a alta frecuencia.
El documento US9534653 describe un amortiguador con pistón capaz de mejorar la comodidad en situaciones de viaje actuando tanto en una situación de alta frecuencia como en una situación de baja frecuencia del amortiguador. Con ese fin, el pasador de la varilla incorpora un canal de derivación longitudinal, formado por medio de dos rebajes planos realizados en el pasador de la varilla. El pistón tiene una cámara de frecuencia que a su vez está dividida en dos subcámaras, que se conectan con respectivos agujeros practicados en un casquillo instalado en el pasador de la varilla, siendo dicha cámara de frecuencia responsable de regular el amortiguador en función de la frecuencia.
El documento US9534653 soluciona parcialmente algunos de los problemas del documento US7395907 de la forma que se indica a continuación.
Por un lado, se elimina el agujero del pasador de la varilla, sustituyéndolo por caras planas que suponen una mejor reducción de la resistencia mecánica del pasador.
Por otra parte, requiere menos espacio axial dentro del amortiguador, permitiendo carreras más largas de la suspensión.
Sin embargo, una serie de puntos siguen sin resolverse. Por ejemplo, como el documento anterior, solo realiza la regulación de frecuencia de la amortiguación generada en la carrera de extensión, sin que sea posible su implementación en la carrera de compresión.
Así mismo, la reducción de la amortiguación de alta frecuencia se basa todavía en descargar el fluido a través de un pasaje que funciona en paralelo al de la válvula principal que regula la amortiguación de baja frecuencia. La sección de pasaje disponible sigue siendo muy limitada, lo que reduce considerablemente el efecto de frecuencia para velocidades medias y altas.
El retorno del sistema a su posición inicial es lento dada la dificultad para llenar la subcámara de frecuencia superior y vaciar la inferior después de una operación de baja frecuencia. Nuevamente, la diferencia de presión entre las subcámaras de frecuencia y de tracción es favorable para la regulación del amortiguador durante los movimientos de extensión, pero desfavorable para permitir que el sistema recupere la posición de espera. Todo esto vuelve a limitar su efecto regulador en altas frecuencias.
El documento WO/2017/112978, considerado como la técnica anterior más cercana, describe un amortiguador que tiene una cámara de frecuencia que actúa directamente contra la válvula principal del pistón, regulando así la carga de amortiguación en función de la frecuencia. En este documento, el flujo de salida paralelo a la válvula principal del amortiguador, como elemento regulador de amortiguación en función de la frecuencia descrito en los documentos anteriores, se elimina. Esto soluciona por tanto los siguientes problemas presentes en dichos documentos:
- Es capaz de realizar regulación de frecuencia de la amortiguación generada tanto en la carrera de extensión como en la carrera de compresión.
- La eliminación del flujo de fluido paralelo, como elemento regulador, minimiza los problemas asociados para mantener el efecto de frecuencia a altas velocidades, dado que se usan los conductos y la válvula principal del pistón con una sección de pasaje significativamente mayor.
Sin embargo, el amortiguador descrito en el documento WO/2017/112978 todavía presenta algunos de los problemas anteriores e incluso añade otros problemas adicionales tales como:
- La devolución del sistema a su posición de espera sigue siendo tan costosa como en los demás documentos, porque la cámara de frecuencia sigue unida a la cámara de tracción mediante un pasaje estrecho que retrasa el llenado de la misma, para permitir así activar la regulación de frecuencia. Por lo tanto, todo lo que a este respecto se considera problemático en los documentos anteriores sigue siendo aplicable y limita la capacidad del sistema para realizar la regulación a altas frecuencias de trabajo. El amortiguador descrito en el documento WO/2017/112978 propone una mejora basada en una válvula de retención, pero cuya aplicación conlleva elevados costes debido a su complejidad, dimensión y geometría intrincada, así como graves problemas de dispersión en el comportamiento frecuencial obtenido.
- Un problema importante añadido al amortiguador descrito en el documento WO/2017/112978 radica en el hecho de que la presión de la cámara de frecuencia se aplica directamente y sin límite a la válvula principal del pistón, aumentando la restricción al paso de fluido que impone este último. Esto a su vez aumenta la presión en la cámara de frecuencia, configurando así un sistema de retroalimentación. Esto pone en peligro la resistencia mecánica de algunos componentes de la invención y del amortiguador para movimientos de alta velocidad y/o amplitud. Así mismo, limita en gran medida la correcta distribución de la amortiguación en función de la velocidad, haciendo imposible tener coeficientes de amortiguación altos a baja velocidad y coeficientes de amortiguación bajos a alta velocidad. La figura 16 muestra cómo varía la regulación del amortiguador debido a la retroalimentación. Dado que la fuerza se aplica directamente a la válvula principal, se impone una restricción al funcionamiento del amortiguador, lo que afecta a las velocidades medias y altas, donde la fuerza de amortiguación más baja posible, y por lo tanto la restricción, es de interés para mejorar la comodidad y obtener una suspensión suave. Esto no ocurre en los sistemas anteriores porque la característica de amortiguación en función de la velocidad para baja frecuencia es completamente independiente de la característica de amortiguación en función de la velocidad para alta frecuencia, ya que los dispositivos son dispositivos desacoplados. Por lo tanto, aunque provoca una mejora de la comodidad según la frecuencia, provoca una comodidad reducida en función de la velocidad. En otras palabras, el amortiguador descrito en el documento WO/2017/112978 se ajusta dependiendo de la frecuencia pero a expensas de degradar el ajuste en función de la velocidad.
- Finalmente, el documento considera el acoplamiento completo entre la válvula principal del amortiguador y la retroalimentación del sistema de frecuencia, que se basan en una válvula de frecuencia única. Por lo tanto, la presión generada en la cámara de frecuencia se aplica directamente a la válvula principal, sin ningún hueco entre los componentes, disminuyendo así el potencial de reducción de la amortiguación, especialmente para frecuencias medias, pero también para altas frecuencias.
El documento WO2017112978A1 divulga un conjunto de pistón en función de la frecuencia para un amortiguador que comprende: un pistón dispuesto dentro de un cilindro y que divide el volumen encerrado en una primera cámara y una segunda cámara. El pistón comprende un primer canal de flujo que conecta la primera cámara con la segunda cámara. El conjunto de pistón comprende además un primer acumulador de fluido y un primer canal de fluido que conecta el primer acumulador de fluido con el lado del pistón que está ubicado más cercano al primer acumulador. Un primer conjunto de válvula controla el paso de fluido desde la primera cámara a la segunda cámara y está configurado de tal manera que su fuerza de precarga se controla por el primer acumulador de fluido.
El documento US 2018/187738 A1, que se considera la técnica anterior más cercana, divulga un amortiguador según el preámbulo de la reivindicación 1.
La presente invención soluciona estas limitaciones permitiendo además regular la carga de amortiguación teniendo en cuenta la frecuencia y la velocidad mediante la capacidad del amplificador de frecuencia de vaciarse rápidamente, lo que permite dejar el amortiguador preparado para recibir un movimiento de alta frecuencia después de un movimiento de baja frecuencia, así como la limitación de presión del amplificador de frecuencia, lo cual se logra mediante el uso de dos válvulas independientes, una válvula primaria y otra válvula secundaria, además de las válvulas de control de presión en el amplificador de frecuencia, compuestas por una válvula reguladora de presión.
Descripción de la invención
Para alcanzar los objetivos y prevenir los inconvenientes antes mencionados, la presente invención describe un amortiguador con regulación simultánea de la carga hidráulica en función de la velocidad y la frecuencia, tal como se establece en el conjunto de reivindicaciones adjunto. El amortiguador, además de un pasador de la varilla que comprende un canal longitudinal con la función que se describirá a continuación, incorpora un casquillo guía, una válvula primaria, una válvula secundaria, un elemento elástico y un amplificador de frecuencia que comprende, entre los elementos principales, una carcasa, un pistón flotante y una válvula de control de presión.
La carcasa se fija rodeando el pasador de la varilla y tiene una configuración cilíndrica formada mediante una base y una pared concéntrica con el pasador de la varilla.
El casquillo guía también se fija rodeando el pasador de la varilla, superponiéndose a parte del canal longitudinal y dejando libre un extremo por el que un fluido, ubicado en el otro lado del pistón, puede acceder directamente, a través de un agujero pasante del pistón, al canal longitudinal a lo largo del interior del casquillo guía. El casquillo guía también está sujeto a la carcasa en el otro extremo, permitiendo, ya sea mediante un conducto estrecho creado por una configuración con muescas del extremo del casquillo guía o mediante un disco de alivio ubicado en el extremo del casquillo guía, que un fluido acceda al exterior del casquillo guía desde el canal longitudinal para llegar al interior del volumen formado por la carcasa.
El elemento elástico rodea el casquillo guía. En aras de la versatilidad, se trata preferentemente de un conjunto de arandelas Belleville, que se puede configurar en términos de elasticidad, diámetro exterior y número, permitiendo una definición amplia a la hora de configurar tensiones en el sistema.
La válvula primaria se coloca en contacto con el pistón, preferentemente a través de un disco de alivio. La válvula secundaria está a su vez ubicada entre dos espaciadores, uno que la separa de la válvula primaria y otro que la separa del elemento elástico. El espaciador puede ser, por ejemplo, una arandela.
Para permitir la flexión de la válvula primaria cuando es presionada por la válvula secundaria, el diámetro exterior de la válvula secundaria es menor que el diámetro exterior de la válvula primaria.
El conjunto formado por la válvula primaria, la válvula secundaria, el disco de alivio y los espaciadores puede disponerse en dos posiciones. Una de ellas rodea el casquillo guía y se ubica entre el pistón y el elemento elástico. La otra está empotrada entre el pistón y el casquillo guía.
Por último, el pistón flotante está ubicado en el volumen formado por la carcasa. Es capaz de deslizarse entre el casquillo guía y la pared de la carcasa, manteniendo la estanqueidad durante el deslizamiento, para lo cual usa un par de elementos de sellado tal como, por ejemplo, juntas tóricas, una para el diámetro interior y otra para el diámetro exterior.
El pistón flotante tiene una base escalonada que, junto con el casquillo guía y la carcasa, configura una cámara amplificadora que, a medida que la presión aumenta debido a la entrada de fluido, aumenta de volumen a medida que se empuja el pistón flotante para deslizarse a lo largo del casquillo guía. El otro lado del pistón flotante está en contacto con el elemento elástico, que presiona contra la base de la carcasa.
El pistón flotante puede comprender un canal de salida que lo atraviesa, preferentemente en paralelo al eje de la varilla que se abre por un lado hacia la cámara amplificadora y se cierra por el otro lado mediante una válvula de control de presión que, en una realización no reivindicada, es una válvula limitadora de presión. En este caso, el casquillo guía comprende un diámetro reducido en un área intermedia de su longitud configurando un tope limitante a modo de escalón, en donde el extremo que hace contacto con la carcasa es el extremo que tiene un diámetro menor, para lo cual el pistón flotante incorpora además en el diámetro interior una proyección a modo de escalón, cuya forma está, sin embargo, invertida con respecto al escalón formado por el tope limitante del casquillo guía, de modo que los dos escalones sean complementarios, es decir, el lado del pistón flotante más cercano a la carcasa tiene un diámetro interior mayor que el lado más cercano al pistón. Por lo tanto, el deslizamiento del pistón flotante a lo largo del casquillo guía está limitado a una longitud determinada marcada por el tope limitante.
Como alternativa, el pistón flotante no tiene ningún canal que lo atraviese, más bien la carcasa es lo que comprende un paso que se cierra con una válvula de control de presión que, según la invención, es una válvula reguladora de presión que se activa al ser sometida a una presión de trabajo específica. En este caso, el desplazamiento del pistón flotante está limitado por el valor de la presión en la cámara amplificadora, la cual dejará de aumentar cuando se active la válvula reguladora de presión cuando se alcance la presión de trabajo.
Dependiendo de si el movimiento es movimiento de extensión o movimiento de compresión, la presión en la cámara de tracción o cámara de compresión, respectivamente, se transmite al otro lado del pistón, provocando la deformación de la válvula primaria, para el paso del fluido. Esta presión también se transmite a través del canal y del conducto estrecho, provocando también un aumento en el volumen de la cámara amplificadora, empujando el pistón flotante que a su vez empuja el elemento elástico y este último la válvula secundaria, que está acoplada con la válvula primaria, limitando su deformación por la presión directa del fluido.
Sin embargo, el empuje del pistón flotante, y por lo tanto del elemento elástico, en la válvula secundaria, que a su vez actúa sobre la válvula primaria, está limitado, ya que, debido al tope limitante o a la válvula reguladora de presión, según la configuración del amplificador de frecuencia, el desplazamiento del pistón flotante es limitado, como se ha descrito. De forma similar, ya que el desplazamiento del pistón flotante es limitado, en el caso de existir un tope limitante, un aumento adicional de presión a través del canal se traduce en un aumento de presión en la cámara amplificadora. Sin embargo, esta presión no puede aumentar indefinidamente, dado que los componentes del amplificador pueden no ser capaces de soportar la tensión mecánica. Para evitar este aumento indefinido de presión, la presión en la cámara amplificadora está limitada por una válvula limitadora de presión no reivindicada en el caso de usar el tope limitante, para crear una limitación mecánica para limitar el desplazamiento del pistón flotante, o, según la invención, por una válvula reguladora de presión, para crear una regulación hidráulica para regular la presión en la cámara amplificadora que, en cualquiera de los dos casos, se abre, permitiendo que el fluido salga a la cámara en la que está dispuesto el amplificador de frecuencia, es decir, ya sea la cámara de compresión o la cámara de tracción, cuando se alcanza una presión específica.
De este modo se resuelve uno de los problemas indicados en los documentos de la técnica anterior. En el documento WO2017112978, considerado como el estado de la técnica más cercano, no existe ningún elemento que limite el desplazamiento de la cámara de frecuencia, lo que provoca una degradación de la característica de amortiguación en función de la velocidad, provocando así una reducción de la comodidad. Dado que el documento WO2017112978 no impone ninguna limitación al desplazamiento de la cámara de frecuencia, una baja amortiguación a velocidades medias y altas para maximizar la comodidad es muy difícil de lograr, ya que la ganancia aplicada por el sistema de frecuencia seguirá aumentando de manera ilimitada con el aumento de presiones asociadas al aumento de velocidad.
De forma similar, como resultado de las válvulas de control de presión que controlan la presión dentro del amplificador de frecuencia, la presente invención protege con éxito los elementos del amortiguador. Esto no ocurre en la invención descrita en el documento WO2017112978, lo cual no asegura la integridad de los componentes del mismo.
Es más, la invención mostrada en el documento de patente US-9534653_B2 puede parecer visualmente similar a la invención cuando incorpora el amplificador de frecuencia con la válvula reguladora de presión. Sin embargo, la funcionalidad es completamente diferente. En el caso de la patente US-9534653_B2, tiene la función de limitar la presión máxima dentro de la cámara (401), mientras que la función de la válvula reguladora de presión, además de esta última, es controlar la fuerza en las válvulas principales, lo cual no ocurre en el documento US-9534653_2, por lo que la función de esta válvula reguladora de presión es controlar la amortiguación en todo el intervalo de velocidades.
Es más, el grado de estrangulamiento del paso de fluido que ofrece la válvula primaria se puede configurar mediante una serie de elementos que incluyen, entre otras cosas, el elemento elástico, a través de su coeficiente de elasticidad, diámetro exterior, y número de arandelas que lo configuran, la válvula secundaria, en términos de elasticidad y tamaño, que puede formarse por uno o más discos, el espaciador ubicado entre la válvula primaria y la válvula secundaria, en términos de diámetro exterior y espesor, la ubicación del tope limitante a lo largo de la longitud del casquillo guía, que definirá la posición máxima del pistón flotante sobre el resto de componentes, así como el valor de trabajo de la válvula reguladora de presión, o por supuesto mediante varios de los elementos anteriores al mismo tiempo.
El amplificador de frecuencia puede ubicarse en la cámara de tracción, en la cámara de compresión, o en ambas. Así mismo, también puede ubicarse en la válvula de soporte en contacto directo con la cámara de reserva.
Breve descripción de las figuras
Para completar la descripción de la invención, y con el fin de ayudar a hacer más fácilmente comprensibles sus características, según un ejemplo de realización preferido de la misma, se incluye un conjunto de dibujos donde, a modo de ilustración y no de limitación, se han representado las siguientes figuras:
- La figura 1 representa una vista en sección longitudinal del amortiguador de la invención en versión bitubo para movimientos de extensión.
- La figura 2 representa una vista en sección longitudinal del amortiguador de la invención en versión bitubo para movimientos de compresión y extensión en una primera realización.
- La figura 3 representa una vista en sección longitudinal del amortiguador de la invención en versión bitubo para movimientos de compresión y extensión en una segunda realización.
- La figura 4 representa una vista en sección longitudinal del amortiguador de la invención en versión monotubo únicamente para movimientos de extensión.
- La figura 5 representa una vista en sección longitudinal del amortiguador de la invención en versión monotubo para movimientos de compresión y extensión.
- La figura 6 representa una vista en sección longitudinal del detalle del área del pistón del amortiguador de la figura 1 en situación de espera según una realización no reivindicada.
- La figura 7 representa una vista del amortiguador de la figura 6 en una segunda realización en la que las válvulas están ubicadas en una configuración deslizante con respecto al casquillo guía en lugar de estar incrustadas en el mismo.
- La figura 8 representa una vista del amortiguador de la figura 6 iniciando el movimiento de extensión de baja frecuencia con la válvula primaria y la válvula secundaria todavía desacopladas.
- La figura 9 representa una vista del amortiguador de la figura 8 con las válvulas ya acopladas.
- La figura 10 representa una vista del amortiguador de la figura 9, mostrando la limitación de retroalimentación con el tope limitante y liberando presión mediante la apertura de la válvula limitadora de presión no reivindicada. - La figura 11 representa una vista del amortiguador de la figura 8 una vez finalizado el movimiento de extensión, cuando el sistema inicia el viaje de regreso a su posición de espera.
- La figura 12 representa una vista del amortiguador de la figura 8 en un movimiento de extensión de alta frecuencia. - La figura 13 representa una vista del amortiguador de la figura 9, que muestra la limitación de retroalimentación en una segunda realización con una válvula reguladora de presión según la invención.
- La figura 14 muestra un gráfico con la fuerza de amortiguación en función de la velocidad de oscilación de un amortiguador.
- La figura 15a muestra un gráfico con la variación de la fuerza de amortiguación en función de la carrera del pistón sin incorporar ningún dispositivo de regulación de frecuencia.
- La figura 15b representa un gráfico con la variación de la fuerza de amortiguación en función de la carrera del pistón incorporando un dispositivo de ajuste de frecuencia.
- La figura 16 muestra cómo varía la regulación del amortiguador debido a la retroalimentación cuando no está limitado.
A continuación se proporciona una lista de las referencias usadas en las figuras:
1. Varilla.
2. Pasador de la varilla.
3. Retenedor.
4. Guía.
5. Tubo exterior.
6. Tubo interior.
7. Cámara de reserva.
8. Cámara de tracción.
9. Cámara de compresión.
10. Pistón.
11. Cubierta inferior.
12. Gas.
13. Fluido.
14. Nivel de fluido.
15. Válvula de retención.
16. Soporte de válvula.
17. Válvula de compresión.
18. Carcasa.
19. Pistón flotante.
20. Válvula limitadora de presión.
21. Casquillo guía.
22. Canal.
23. Válvula primaria.
24. Válvula secundaria.
25. Elemento elástico.
26. Conducto estrecho.
27. Canal de salida.
27a. Primera abertura permanente.
28. Amplificador de frecuencia.
29. Cámara amplificadora.
30. Tope limitante.
31. Agujero pasante de extensión.
32. Agujero pasante de compresión.
33. Disco de alivio.
34. Espaciador.
35. Elemento de sellado.
36. Válvula de regulación de presión.
37. Paso.
37a. Segunda abertura permanente
Descripción de una realización preferida de la invención
Como se indica, la presente invención, tal como se establece en el conjunto de reivindicaciones adjunto, se refiere a un amortiguador capaz de regular la carga generada por un dispositivo hidráulico en función de la velocidad y la frecuencia al que está sometido simultáneamente.
Las figuras 1 a 5 representan diversas realizaciones del amortiguador de la invención según estén destinados a funcionar únicamente durante la carrera de extensión o durante las carreras de compresión y extensión, en amortiguadores bitubo y monotubo.
La figura 1 representa una sección longitudinal de un amortiguador bitubo según la invención, capaz de regular la carga solo durante la carrera de extensión.
Las figuras 2 y 3 representan una sección longitudinal de un amortiguador bitubo según la invención, capaz de regular la carga durante los movimientos de compresión y extensión en dos realizaciones diferentes.
La figura 4 representa una sección longitudinal de un amortiguador monotubo según la invención, capaz de regular la carga solo durante la carrera de extensión.
La figura 5 representa una sección longitudinal de un amortiguador monotubo según la invención, capaz de regular la carga durante las carreras de compresión y extensión.
Antes de explicar el funcionamiento del amortiguador de la invención, se describirá el amortiguador para permitir la comprensión de cada uno de sus componentes, cómo están colocados y cómo se relacionan entre sí. El amortiguador que se describirá es indistintamente un amortiguador monotubo o bitubo para movimiento de extensión. El funcionamiento se puede deducir fácilmente de esta descripción para los casos en los que el amortiguador trabaja solo para el movimiento de compresión, por lo que ni siquiera se ha mencionado en las figuras, o para ambos.
Una vez entendidos los componentes del amortiguador y su forma de funcionar, las figuras 1 a 5 se describirán brevemente a continuación.
Por lo tanto, el amortiguador de la invención puede basarse en un amortiguador bitubo, sin la extensión a un amortiguador monotubo, tal como los conocidos en el estado de la técnica, formado por un tubo exterior (5) cerrado por uno de sus extremos y con una abertura en el otro extremo para el paso de la varilla (1), lo que plantea un problema. Entre la varilla (1) y el extremo del tubo exterior (5) se coloca un retenedor (3) para asegurar la estanqueidad en esta abertura.
Se dispone de forma concéntrica con el tubo exterior (5) un tubo interior (6) con un extremo firmemente fijado al extremo cerrado del tubo exterior (5) y cuyo otro extremo incorpora una guía (4) para su fijación al tubo exterior (5) y para guiar la varilla (1) en su movimiento longitudinal. Se forma entre el tubo exterior (5) y el tubo interior (6) un espacio que es una cámara de reserva (7) que se llenará con fluido (13) hasta un nivel específico (14) por encima del cual la cámara de reserva (7) se llena de gas (12).
El extremo cerrado del tubo exterior (5) está unido a un extremo del tubo interior (6) que incorpora un soporte de válvula (16) con agujeros que comunican la cámara de compresión (9) con la cámara de reserva (7). Algunos agujeros se cierran mediante una válvula de retención (15) y otros agujeros se cierran mediante una válvula de compresión (17), de manera que la correspondiente válvula (15, 17) se abre dependiendo si el movimiento es movimiento de extensión o movimiento de compresión, respectivamente.
Un extremo de la varilla (1) termina en un pasador de la varilla (2) donde se ensambla un pistón (10) que se desliza de forma encajada a lo largo del tubo interior (6) e incorpora agujeros pasantes de extensión (31) y agujeros pasantes de compresión (32) que comunican la cámara de tracción (8) con la cámara de compresión (9). Una segunda válvula de compresión (17) que descansa sobre los agujeros pasantes de compresión (32) está ubicada en el pistón (10) en el lado de la cámara de tracción (8).
El amortiguador de la invención comprende, en el pasador de la varilla (2), además del pistón (10), una válvula primaria (23), una válvula secundaria (24) y un amplificador de frecuencia (28) que comprende una parte principal de los componentes que forman la invención.
El amplificador de frecuencia (28) comprende, como elementos principales, un casquillo guía (21), con una configuración cilíndrica y rodeando el pasador de la varilla (2), una carcasa (18) que rodea también el pasador de la varilla (2) y un pistón flotante (19). La carcasa (18) tiene una configuración cilíndrica, formada por medio de una base y una pared concéntrica con el pasador de la varilla (2) y fijada al mismo, creando un volumen donde se ubican otros componentes móviles. El pasador de la varilla (2) incorpora al menos un canal interior (22) en toda su longitud que se extiende desde el pistón (10) en un extremo hasta la carcasa (18) en el otro extremo. En el espacio formado entre la carcasa (18) y el casquillo guía (21) está dispuesto el pistón flotante (19) capaz de deslizarse a lo largo del casquillo guía (21) y la pared de la carcasa (18) de forma estanca, para lo cual usa un par de elementos de sellado (35) tales como, por ejemplo, juntas tóricas, una para el diámetro interior y otra para el diámetro exterior. El pistón flotante (19) tiene una base con una sección escalonada que, junto con la carcasa (18) y el casquillo guía (21), determinan una cámara amplificadora (29), cuyo volumen puede variarse a medida que el pistón flotante (19) se desliza a lo largo del casquillo guía (21).
En una primera realización del amplificador de frecuencia (28), el pistón flotante (19) comprende un canal de salida (27) que puede cerrarse parcialmente mediante una válvula limitadora de presión (20) no reivindicada que comunica la cámara amplificadora (29) con la cámara de compresión (9), dado que siempre queda una primera abertura permanente (27a), como se representa en la figura 7. A su vez, el casquillo guía (21) presenta un diámetro exterior reducido en un área intermedia de su longitud configurando un tope limitante (30) a modo de escalón, de manera que el pistón flotante (19) sea capaz de deslizarse entre la base de la carcasa (18) y dicho tope limitante (30), actuando a modo de limitación mecánica para limitar la fuerza de deformación que puede actuar sobre el elemento elástico (25). Cuando el pistón flotante (19) alcanza el tope límitante (30), la presión en la cámara amplificadora (29) aumentará hasta un nivel en el que se ajusta la válvula limitadora de presión (20), provocando su apertura para que la presión en la cámara amplificadora (29) no siga aumentando.
En una segunda realización del amplificador de frecuencia (28), la carcasa (18) comprende un paso (37) sobre el que actúa una válvula reguladora de presión (36). Esta válvula reguladora de presión (36) se abre cuando la presión en la cámara amplificadora (29) alcanza un valor específico, regulando hidráulicamente la presión máxima en la cámara amplificadora (29), y por lo tanto la fuerza aplicada por el elemento elástico (25) sobre la válvula secundaria (24). En cualquier caso, tiene una segunda abertura permanente (37a). Esta realización tiene la ventaja respecto a la anterior de que no se requiere control dimensional asociado al conjunto formado por el tope limitante (30) y el pistón flotante (19) .
Existe una diferencia sustancial entre estas dos realizaciones. En la primera realización, la válvula limitadora de presión (20) está ajustada a un nivel alto de límite de presión, solo para evitar que los componentes se rompan, sin intervenir en el control de carga del sistema, el cual será causado por la deformación impuesta al elemento elástico (25). En la segunda realización, sin el tope limitante (30), la válvula reguladora de presión (36) realiza la función principal de regular la fuerza que ejercerá el amplificador sobre la válvula primaria (23). Está fijado en un límite de presión muy bajo y determina la función hidráulica del amortiguador.
En ambas realizaciones, la válvula primaria (23) descansa sobre los agujeros pasantes de extensión (31), preferentemente mediante un disco de alivio (33) que establece una sección de paso permanente para el fluido, y está empotrado entre el pistón (10) y uno de los extremos del casquillo guía (21) en una realización adicional. El otro extremo del casquillo guía (21) descansa sobre la carcasa (18) y tiene en su extremo unos conductos estrechos (26). Un elemento elástico (25), que rodea el casquillo guía (21) y se extiende hasta hacer contacto con la válvula secundaria (24) en el otro extremo, descansa sobre el pistón flotante (19).
El casquillo guía (21) rodea parte de un canal superficial longitudinal (22) que comprende el pasador de la varilla (2) por el cual la cámara de tracción (8) se comunica hidráulicamente con la cámara amplificadora (29). Los conductos estrechos (26) del casquillo guía (21) comunican la cámara amplificadora (29) con el canal (22) del pasador de la varilla (2), y finalmente, con la cámara de tracción (8). En una realización, los conductos estrechos (26) están formados por medio de una terminación con muescas del casquillo guía (21). En una realización alternativa, el extremo del casquillo guía (21) no tiene conductos estrechos (26), sino que descansa sobre un segundo disco de alivio (33) que incorpora los conductos de comunicación.
La válvula primaria (23) está ubicada en contacto con el pistón (10), preferentemente a través de un disco de alivio (33). La válvula secundaria (24) está a su vez ubicada entre dos espaciadores (34), uno que la separa de la válvula primaria (23) y otro que la separa del elemento elástico (25), determinando la rigidez de la válvula secundaria (24). El espaciador (34) puede ser, por ejemplo, una arandela. La válvula primaria (23) y la válvula secundaria (24) quedan por tanto separadas mediante un espaciador (34) dejando entre ellas un espacio configurable en función de su espesor y diámetro exterior.
Como se muestra en la figura 7, en una segunda realización, la válvula primaria (23) y la válvula secundaria (24), junto con el disco de alivio (33) y los espaciadores (34), se encuentran rodeando el casquillo guía (21), sobre el que pueden deslizarse, en lugar de incrustarse.
El funcionamiento del amortiguador es el que se indica a continuación en referencia a las figuras 6 a 10, representando el pistón (10), la válvula primaria (23), la válvula secundaria (24) y el amplificador de frecuencia (28) acoplados en el pasador de la varilla (2), deslizándose a lo largo del tubo interior (6) del amortiguador de forma secuencial.
Hay que tener en cuenta que, para evitar la pérdida de claridad y la introducción de elementos excesivos en las figuras, las líneas de flujo se han representado solo en uno de los lados de las secciones representadas en estas figuras, cuando en realidad también se encontrarían al otro lado.
Las figuras 6 y 7 representan una situación del amortiguador de reserva en las dos realizaciones donde las válvulas (23, 24) están ubicadas de manera que quedan empotradas entre el pistón (10) y uno de los extremos del casquillo guía (21) y rodeando el casquillo guía (21), respectivamente.
Una vez introducida presión en la cámara de tracción (8), como se representa en la figura 8, la válvula primaria (23) comienza a doblarse de manera que tiende a hacer contacto con un espaciador (34) a medida que dicho espaciador la separa de la válvula secundaria (24). Esta flexión provocada por los movimientos de extensión del amortiguador genera un pasaje de fluido por dos caminos que operan en paralelo. El pasaje primario es desde la cámara de tracción (8) a la cámara de compresión (9) a través de la válvula primaria (23). El pasaje secundario canaliza el fluido ubicado en la válvula primaria (23) a través del canal longitudinal (22) y el conducto estrecho (26) hasta la cámara amplificadora (29). Una vez aquí, el amplificador permite que parte del fluido entrante salga hacia la cámara de compresión (9) a través del canal de salida (27) mediante la válvula limitadora de presión (20), que no es hermética, ya que incorpora la primera abertura permanente (27a), y permite que el fluido salga hacia la cámara de compresión (9) o a través de la válvula reguladora de presión (36), que tampoco es hermética, ya que incorpora la segunda abertura permanente (37a), según la realización del amplificador de frecuencia (28). Esta configuración genera un aumento de presión en la cámara de tracción (8) respecto a la cámara de compresión (9) que se transmite parcialmente a la cámara amplificadora (29). El exceso de presión en la cámara amplificadora (29) con respecto a la cámara de compresión (9) se aplica sobre el pistón flotante (19), haciendo que se deslice, empujando así el elemento elástico (25) que a su vez empuja la válvula secundaria (24). La existencia de un espaciador (34) entre la válvula primaria (23) y la válvula secundaria (24) hace que el deslizamiento del pistón flotante (19) no se transfiera inmediatamente a la válvula primaria (23).
Las extensiones del amortiguador que se realizan a baja frecuencia proporcionan tiempo suficiente para que la válvula secundaria (24) entre en contacto con la válvula primaria (23).
Una situación posterior se representa en la figura 9 que muestra cómo el desplazamiento del pistón flotante (19), que empuja el elemento elástico (25) y la válvula secundaria (24), ahora es suficiente para lograr el contacto entre la válvula primaria (23) parcialmente abierta y la válvula secundaria (24). Con esta configuración, la fuerza ejercida por el exceso de presión en la cámara amplificadora (29) se transfiere a la válvula primaria (23), provocando que se estrangule en mayor medida el pasaje de fluido entre la cámara de tracción (8) y la cámara de compresión (9). La mayor diferencia de presión se transfiere a la cámara amplificadora (29), aumentando el flujo que ingresa a la cámara, lo que nuevamente aumenta la estrangulación ejercida por la válvula primaria (23) sobre el pasaje de fluido. Este fenómeno de retroalimentación aumenta la diferencia de presión que se establece entre la cámara de tracción (8) y la cámara de compresión (9), y por lo tanto la fuerza de resistencia al movimiento de extensión generado por el amortiguador. Se puede entender que la existencia de la válvula secundaria (24) es de suma importancia, ya que, en su ausencia, el ciclo de retroalimentación se activa desde el inicio del movimiento de extensión del amortiguador, dificultando enormemente el control de frecuencia de la fuerza que proporciona. En otras palabras, es muy difícil conseguir diferentes respuestas del amortiguador para un movimiento de 1 Hz respecto a otro movimiento de 10 Hz, dado que el proceso sería muy rápido.
Si la frecuencia del movimiento es lo suficientemente baja y/o la velocidad de extensión es lo suficientemente alta como para transferir el volumen requerido de fluido a la cámara amplificadora (29), el pistón flotante (19) se desliza, considerando la primera realización del amplificador de frecuencia (28), hasta que entre en contacto con el tope limitante (30), como se muestra en la figura 9, o hasta que la cámara amplificadora (29) alcance la presión de regulación establecida por la válvula reguladora de presión (36). En este instante, el fenómeno de retroalimentación es limitado, evitando que se transfiera fuerza adicional desde el amplificador de frecuencia (28) a la válvula primaria (23). Dicho límite a la fuerza transferida es esencial tanto para garantizar la integridad estructural como para respetar la función principal del amortiguador mostrado en la figura 14, expresado como una curva de fuerza de amortiguación en función de la velocidad de oscilación. Como se menciona, la única función de la válvula limitadora de presión (20) es proteger los componentes del sistema, estando la deformación máxima permitida por el tope limitante (30) del elemento elástico (25) determinada por la curva fuerza-velocidad, siendo por tanto limitada. Sin embargo, en el caso de la válvula reguladora de presión (36), de hecho, realiza ambas funciones de garantizar la integridad estructural de los componentes del sistema y reproducir la curva fuerza-velocidad sin limitación.
La retroalimentación está configurada para no alcanzar su límite a baja velocidad, de modo que los altos valores de amortiguación requeridos para este régimen operativo puedan ser mejorados por el amplificador de frecuencia (28). En el caso de la válvula limitadora de presión (20), la limitación se usa para velocidades operativas medias y particularmente altas del amortiguador, aunque no es estrictamente necesario en el caso de la válvula reguladora de presión (36), cuya abertura a baja velocidad podría ser de interés. En el caso de la válvula reguladora de presión (36), su abertura puede configurarse para movimientos de baja velocidad porque, además de limitar la fuerza máxima de retroalimentación, también gestiona la respuesta del amortiguador en todo el rango de funcionamiento del mismo. Esta gestión de la válvula reguladora de presión (36) se consigue dotándola de una configuración similar a la de la válvula primaria (23), que se adapta perfectamente para generar el nivel de amortiguación óptimo para cada velocidad. Por lo tanto, dado que el amplificador de frecuencia (28) se puede configurar para proporcionar la mayor parte de la estrangulación del fluido en la válvula primaria (23), su limitación permite combinar el alto grado de amortiguación necesario a baja velocidad para proporcionar estabilidad al vehículo con un bajo coeficiente de amortiguación a alta velocidad capaz de minimizar la transferencia de las irregularidades del terreno a la cabina, lo que a su vez maximiza la comodidad. Por lo tanto, la invención actúa tanto en el dominio de la frecuencia como en el campo de la velocidad.
Considerando la primera realización del amplificador de frecuencia (28), una vez que el pistón flotante (19) alcanza el tope limitante (30), el volumen de la cámara amplificadora (29) es fijo, sin posibilidad de que aumente. Si el ciclo de extensión del amortiguador persiste en condiciones adecuadas, la presión en la cámara amplificadora (29) aumenta, acercándose a la presión de la cámara de tracción (8). La presencia de las aberturas permanentes (27a, 37a) impide que ambas presiones se nivelen completamente, asegurando un caudal de salida mínimo a través del amplificador de frecuencia (28). Esta limitación de presión puede ser insuficiente para movimientos de alta velocidad, por lo que se debe incluir una válvula limitadora de presión (20). Como se muestra en la figura 10, ya que se somete a presión diferencial entre la cámara amplificadora (29) y la cámara de compresión (9) por medio de los canales de salida (27), dicha válvula limitadora de presión (20) termina abriéndose para un valor preestablecido de la mencionada diferencia de presión, permitiendo que salga más fluido de la cámara amplificadora (29) hacia la cámara de compresión (9). Los componentes del amplificador de frecuencia (28) están por lo tanto protegidos de sobrepresiones en la cámara amplificadora (29), asegurando así su resistencia y durabilidad respecto a un amplio intervalo de velocidades en el movimiento del amortiguador. Esto también ocurre al considerar la segunda realización del amplificador de frecuencia (28) con la válvula reguladora de presión (36) que, a través de su función reguladora de amortiguación, ejerce el mismo efecto.
Cuando finaliza el movimiento de extensión del amortiguador, la velocidad del mismo disminuye, reduciéndose el caudal que pasa a través de la válvula primaria (23). Esto implica una reducción en la diferencia de presión entre la cámara de tracción (8) y la cámara de compresión (9) que a su vez está asociada con una reducción de presión en la cámara amplificadora (29). Con ese fin, el sentido de circulación del fluido se invierte en el conducto estrecho (26), saliendo de la cámara amplificadora (29) hacia la cámara de tracción (8). Esto se ilustra en la figura 11, con el fluido saliendo de la cámara amplificadora (29) tanto a través del conducto estrecho (26) como del canal de salida (27), a través de la primera abertura permanente (27a), o como se representa en la figura 13, a través de la segunda abertura permanente (37a). El canal de salida (27) y la válvula reguladora de presión (36) son los principales caminos de salida del fluido en la fase final del movimiento de extensión, en las dos realizaciones del amplificador de frecuencia (28) debido a la mayor diferencia de presión entre la cámara amplificadora (29) y la cámara de compresión (9) que entre la cámara amplificadora (29) y la cámara de tracción (8). Esto se debe a que durante un movimiento de extensión, la presión en la cámara de tracción (8) es siempre mayor que la presión en la cámara de compresión (9). Cuando el amortiguador inicia la fase de compresión, esta relación se invierte, estando la mayor presión diferencial entre la cámara amplificadora (29) y la cámara de tracción (8), y convirtiendo el canal estrecho (26) en el camino preferido para vaciar la cámara amplificadora (29).
Mientras se llena la cámara amplificadora (29), el fluido entra por el conducto estrecho (26) y sale por las aberturas permanentes (27a, 37a), tal que la sección de llenado efectivo, que es el elemento fundamental para regular la rapidez con la que se desliza el pistón flotante (19), es la resta de ambos. Cada una de las secciones puede por tanto tener una dimensión mayor, dado que es la diferencia entre ellas, que debe ser una pequeña sección, que controla el comportamiento de frecuencia del amplificador de frecuencia (28). Esto supone una fabricación más sencilla y robusta de los canales de control asociada a su mayor dimensión en comparación con las soluciones existentes en el estado de la técnica. Adicionalmente, su funcionamiento simultáneo para permitir la salida del fluido de la cámara amplificadora (29) durante la fase final del movimiento de extensión y durante toda la carrera de compresión significa que se trata de una sección de pasaje de gran tamaño, es decir, la suma de ambos, lo que asegura un rápido retorno del pistón flotante (19) a la posición de espera del mismo. La duración de este movimiento hasta la recuperación de la posición de espera debe ser la más corta posible, de modo que el sistema esté siempre listo para realizar regulación de alta frecuencia, donde el ciclo es muy rápido. Esta construcción es ventajosa por su facilidad de implementación y permite que la invención tenga frecuencias de operación muy superiores a las que debe regular.
Cuando el movimiento de extensión se produce a alta frecuencia, la distribución del caudal no se altera respecto a la distribución desarrollada con movimientos de baja frecuencia mostrada en la figura 8: se establece un flujo primario entre la cámara de tracción (8) y la cámara de compresión (9) a través de la válvula primaria (23). Un segundo flujo atraviesa la cámara amplificadora (29), saliendo el fluido por la parte superior de la válvula primaria (23) para llegar a la cámara amplificadora (29) por medio del canal (22) del pasador (2) y el conducto estrecho (26). Parte del fluido entrante sale de dicha cámara (29) a la cámara de compresión (9) a través del canal de salida (27) a través de la primera abertura permanente (27a) o la segunda abertura permanente (37a). La figura 10 muestra esta disposición de flujo para un ciclo de alta frecuencia con la válvula limitadora de presión (20). La diferencia entre ambos movimientos es la duración del mismo, lo cual es muy corto en el caso de un ciclo de alta frecuencia. Para que el amplificador de frecuencia (28) inicie el ciclo de retroalimentación, el pistón flotante (19) debe desplazarse en la dirección para aumentar el volumen de la cámara amplificadora (29). De hecho, la retroalimentación no se activa hasta que el desplazamiento del pistón flotante (19) es suficiente para que la válvula secundaria (24) entre en contacto con la válvula primaria (23), las cuales están separadas por el espaciador (34). La presión necesaria para conseguir ese desplazamiento del pistón flotante (19) depende del espesor y diámetro del espaciador (34), la rigidez de la válvula secundaria (24) y la rigidez del elemento elástico (25). A su vez, el volumen de fluido que debe ingresar a la cámara amplificadora (29) para permitir ese mínimo desplazamiento del pistón flotante (19) depende de la sección transversal de dicha cámara. Por último, el tiempo necesario para completar este llenado depende de la diferencia de presión establecida entre la cámara de tracción (8), la cámara de compresión (9) y la cámara amplificadora (29), así como las restricciones impuestas a la entrada de fluido por el conducto estrecho (26) y a la salida por las aberturas permanentes (27a, 37a).
Las aberturas permanentes (27a, 37a) permiten llenar la cámara amplificadora (29) mucho más lentamente que vaciarla.
Para realizar la regulación de frecuencia de la amortiguación, la cámara amplificadora (29) debe llenarse lentamente y vaciarse con relativa rapidez, permitiendo que el sistema esté listo para un nuevo ciclo.
En el caso de un movimiento de extensión, la diferencia de presión entre la cámara de tracción y la cámara de compresión es alta, por lo que los sistemas actuales usan una pequeña sección de acceso a la cámara de frecuencia que permite llenar dicha cámara lentamente. Sin embargo, mediante el uso de una pequeña sección de llenado, se dificulta el vaciado de la cámara de frecuencia. El vaciado de la cámara de frecuencia se produce como consecuencia de la mayor presión de la cámara de frecuencia con respecto a la cámara de tracción; sin embargo, esta diferencia de presión es menor que la que llena la cámara de frecuencia durante la fase de extensión, por lo que el vaciado es más lento que el llenado. Si el sistema no se vacía completamente antes de comenzar el siguiente ciclo de alta frecuencia, el regulador pierde eficiencia.
En el sistema de la presente invención, la incorporación de una abertura permanente (27a, 37a) para la salida controlada de fluido en la cámara amplificadora (29) permite usar secciones más grandes, ya que dicha salida controlada de fluido dificulta el llenado de la cámara (29). Por lo tanto, la cámara (29) se llena lentamente y se vacía rápidamente, lo que permite tener el sistema listo para un nuevo ciclo sin que la efectividad del mismo se vea afectada.
Dado que la duración de los movimientos de alta frecuencia es corta, el volumen de fluido transferido a la cámara amplificadora (29) puede ser insuficiente para que el deslizamiento del pistón flotante (19) haga que la válvula secundaria (24) entre en contacto con la válvula primaria (23). En tal caso, no hay retroalimentación y las cargas del amortiguador están determinadas por la configuración del agujero pasante de extensión (31) y la válvula primaria (23). Si la amplitud del movimiento o la velocidad del mismo es mayor, el volumen de fluido transferido a la cámara amplificadora (29) será mayor, donde incluso se puede iniciar el proceso de retroalimentación, como se muestra en detalle en la figura 9. Los parámetros configurables de la invención, mencionados en el párrafo anterior, se seleccionan de manera que no haya tiempo suficiente para que el proceso de retroalimentación llegue a su límite con movimientos a una frecuencia superior a la preestablecida. Por lo tanto, la fuerza generada por el amortiguador contra movimientos de alta frecuencia es menor que la asociada con movimientos de baja frecuencia en ambos casos.
La válvula primaria (23) se puede configurar con una baja predeformación y una baja rigidez para minimizar la fuerza de resistencia al movimiento generado por el amortiguador a alta frecuencia. Por lo tanto, minimizando la transmisión de irregularidades en la carretera típicamente asociadas con altas frecuencias de oscilación, se maximiza la comodidad.
Otro factor que condiciona la velocidad a la que aumenta la presión es el volumen de la propia cámara (29) o la combinación de la rigidez de la válvula secundaria (24) y del elemento elástico (25). La rigidez del elemento elástico (25) y de la válvula secundaria (24) permite configurar el grado de acoplamiento entre la válvula primaria (23) y la válvula secundaria (24). De forma similar, junto con la distancia establecida por el espaciador (34) entre la válvula primaria (23) y la válvula secundaria (24), el sistema cuenta con una configuración muy versátil.
Para un movimiento de baja frecuencia de 1 Hz, por ejemplo, el sistema se puede configurar para que el desplazamiento del pistón flotante (19) alcance el tope limitante (30). Este punto establece un límite de carrera para el pistón flotante (19), de tal manera que la fuerza máxima transferida por el amplificador (28) a la válvula primaria (23), a través del elemento elástico (25) y la válvula secundaria (24), está limitada. En otras palabras, independientemente de cuán larga sea la duración del movimiento o cuán grande sea la magnitud de la presión aplicada a la válvula primaria (23), la ganancia de fuerza máxima proporcionada por el amplificador de frecuencia (28) es limitada, ya que el ciclo de retroalimentación es interrumpido por el tope limitante (30). Esto permite aplicar ganancias significativas a baja velocidad, dado que se limitan a alta velocidad.
Posteriormente, como se representa en la figura 10, la cámara de tracción (8) ha superado un nivel específico de presión. El pistón flotante (19) ya ha tocado el tope limitante (30) y ya no puede moverse, por lo que la cámara amplificadora (29) ya no puede aumentar de volumen y presión, conduciendo el fluido ubicado en el canal de salida (27) para provocar la apertura de la válvula limitadora de presión (20) de manera que el aumento de presión sea contrarrestado por el fluido que sale de la cámara amplificadora (29). Esto ocurre en la primera realización del amplificador de frecuencia (28). En la segunda realización que se muestra en la figura 13, al llegar a la cámara amplificadora (29) a la presión de regulación deseada, la válvula reguladora de presión (36) se abre, siendo la presión contrarrestada por el fluido que sale de la cámara amplificadora (29). Por este motivo, también es limitada la fuerza que tanto el elemento elástico (25) como la válvula secundaria (24) reciben del pistón flotante (19), ya que el desplazamiento está limitado ya sea mecánicamente por el tope limitante (30) o hidráulicamente por la limitación de la presión ejercida desde la cámara amplificadora (29) a través de la válvula reguladora de presión (36), y por lo tanto la fuerza que ejercen sobre la válvula primaria (23). Como se muestra en la figura 10, esto significa que la válvula primaria (23) se doblará aún más debido al aumento de presión en la cámara de tracción (8) y a la fuerza limitada que recibe de la válvula secundaria (24), como se ha descrito. De este modo se evita superar la resistencia de las partes implicadas en situaciones de alta presión.
Una vez superado el instante de presión máxima en la cámara de tracción (8), el pistón flotante (19) inicia el desplazamiento hacia la posición de espera. La duración de este movimiento debe ser la más corta posible, de modo que el sistema esté siempre listo para realizar regulación de alta frecuencia, donde el ciclo es muy rápido. En esta situación, la figura 11 representa el flujo de distribución de fluido durante el período de vaciado de la cámara amplificadora (29), en donde la invención tiene tanto la primera abertura permanente (27a) como el conducto estrecho (26) para que el fluido salga de la cámara amplificadora (29).
Como se muestra en la figura 8, mientras se llena la cámara amplificadora (29), la primera abertura permanente (27a) permite que el fluido salga hacia la cámara de compresión (9), de manera que este caudal se reste del caudal que entra a la cámara amplificadora (29) a través del conducto estrecho (26) del casquillo guía (21).
Sin embargo, mientras se vacía la cámara amplificadora (29), las salidas de fluido se establecen tanto por las aberturas permanentes (27a, 37a) como por el conducto estrecho (26) del casquillo guía (21) debido, respectivamente, a las menores presiones generadas por un aumento de volumen en la cámara de tracción (8) debido al desplazamiento del pistón (10), provocando que se produzca el flujo de fluido desde la cámara amplificadora (29) hacia la cámara de tracción (8), además de a través del canal (22) del pasador de la varilla (2), también a través del canal de compresión (32) ubicado en el pistón (10), ya que la válvula de compresión (17) estará abierta por el mismo motivo. Por lo tanto, a diferencia de la fase de llenado, en la fase de vaciado los caudales de fluido a través de ambas secciones (26, 27) se suman para permitir un rápido vaciado de la cámara amplificadora (29) y una rápida recuperación de la posición de espera del sistema.
Esta construcción es ventajosa por su facilidad de implementación y permite que la invención tenga frecuencias de operación muy superiores a las que debe regular. Por lo tanto, el hecho de que el amortiguador tenga dos salidas para el fluido al final del ciclo de extensión hace que el amplificador de frecuencia (28) vuelva a su posición de espera muy rápidamente. La velocidad de recuperación de la cámara amplificadora (29) depende del dimensionamiento del conducto estrecho (26) y del conjunto formado por el canal de salida (27) junto con el diseño a nivel de tensiones de la válvula limitadora de presión (20) o la válvula reguladora de presión (36).
La descripción de las figuras 10 y 13 muestra claramente la importancia de que el movimiento del pistón flotante (19) quede limitado mediante el tope limitante (30) o la válvula reguladora de presión (36), respectivamente. De lo contrario, si la presión de la cámara de tracción (8), y por lo tanto de la cámara amplificadora (29), aumenta excesivamente, el movimiento del pistón flotante (19) no estaría limitado y no dejaría de presionar sobre el elemento elástico (25), este elemento elástico en la válvula secundaria (24), y esta válvula secundaria en la válvula primaria (23), donde no solo puede provocar el cierre del agujero pasante de extensión (31), sino que también puede dañar algunos de los componentes mencionados debido al excesivo estrés mecánico al que estarían sometidos. Es más, debido a la incorporación del tope limitante (30) o de la válvula reguladora de presión (36) en el amplificador de frecuencia (28), la cámara amplificadora (29) no puede aumentar de volumen, por lo que la presión en esta cámara (29) está limitada mediante la incorporación de las válvulas de control de presión (20, 36), configuradas para abrirse cuando se alcanza un nivel específico de presión.
Las situaciones descritas en las figuras se consideran válidas para amortiguadores que trabajan a bajas frecuencias. Sin embargo, en una situación de alta frecuencia, el tiempo del ciclo es muy corto y el amortiguador no tiene tiempo de enviar el fluido por un camino bastante largo y que requiere demasiado tiempo para completarse, por lo que el fluido no tiene tiempo de llenar la cámara amplificadora (29), y por lo tanto desplazar el pistón flotante (19). Esta es la razón por la que el amplificador de frecuencia no funciona en alta frecuencia.
La forma de trabajar en un ciclo de extensión de alta frecuencia se puede considerar en la figura 12. En esta situación, la válvula primaria (23) es responsable de proporcionar la carga de amortiguación. Parte del fluido tenderá hacia la cámara amplificadora (29) a través del canal (22), aunque se puede considerar que el pistón flotante (19) no se desplazará en su mayor parte por falta de tiempo de reacción, y todo el efecto de amortiguación se realiza mediante la válvula primaria (23).
La separación entre la válvula primaria (23) y la válvula secundaria (24) mediante el espaciador (34), así como la rigidez de dichas válvulas (23, 24), permiten ajustar la carga del amortiguador en función de la frecuencia.
Con respecto a las figuras 1 a 5, una vez entendido que el amortiguador de la invención se basa en la incorporación de un amplificador de frecuencia (28) con límite de amplificación y la válvula primaria (23) y válvula secundaria (24), se puede afirmar lo siguiente:
- La figura 1 incorpora un amplificador de frecuencia (28) unido al pistón (10) en la cámara de compresión (9), por lo que está destinado a trabajar en extensión.
- La figura 2 incorpora dos amplificadores de frecuencia (28), cada uno ubicado en un lado del pistón (10), por lo que están destinados a trabajar en extensión y en compresión.
- La figura 3 incorpora dos amplificadores de frecuencia (28), uno unido al pistón (10) en la cámara de compresión (9), por lo que está destinado a trabajar en extensión, y el otro ubicado en el soporte de válvula (16), destinado a trabajar en compresión.
- La figura 4 incorpora un amplificador de frecuencia (28) unido al pistón (10) en la cámara de compresión (9) de un amortiguador monotubo, por lo que, como en la figura 1, está destinado a trabajar en extensión.
- La figura 5 incorpora dos amplificadores de frecuencia (28), cada uno ubicado en un lado del pistón (10) en un amortiguador monotubo, así pues, como en la figura 1, están destinados a trabajar en extensión y en compresión.
No se han representado amortiguadores con un único amplificador de frecuencia (28) unido al pistón (10) en la cámara de tracción (8) para movimientos de compresión porque el razonamiento es el mismo que el descrito cuando está ubicado en la cámara de compresión (9).
En el caso representado en la figura 3 en el que el amplificador de frecuencia (28) para el movimiento de compresión se encuentra ubicado en el soporte de válvula (16) con acceso directo a la cámara de reserva (7), el funcionamiento es el mismo que en el caso en el que el amplificador de frecuencia (28) se coloca de manera que esté unido al pistón (10) en la cámara de tracción (8).
La invención comprende por tanto dos válvulas, una válvula primaria (23) y una válvula secundaria (24), soportadas en un elemento elástico (25), con un nivel de acoplamiento parcial y configurable, y un escalón de amplificación hidráulico-mecánico que se realiza mediante el resto de componentes del amplificador de frecuencia (28).
La válvula primaria (23) es la misma que las usadas en el estado de la técnica para un amortiguador convencional. De forma opcional, puede incorporar una salida permanente controlada y tiene una rigidez y deformación configurables previamente para obtener la característica de amortiguación deseada. En las figuras, la válvula primaria (23) se representa unida a un disco de alivio (33) que hace contacto con el pistón (10) y establece un nivel de salida controlado. La válvula primaria (23) es la encargada de definir la característica de amortiguación en altas frecuencias.
La válvula secundaria (24), en combinación con el elemento elástico (25), es responsable de definir la característica de amortiguación en bajas frecuencias. El elemento elástico (25), en una representación preferida, es una pila de arandelas de disco que configuran un resorte, también conocido como Belleville o resorte de disco, ya que proporciona una gran versatilidad de configuración. En primer lugar, proporciona una relación entre carga, carrera y compacidad que no es posible con los resortes de compresión helicoidales o con los conocidos como resortes ondulados. En segundo lugar, su rigidez se reduce al comprimirse, lo que permite combinar altos niveles de amortiguación a baja velocidad con bajos niveles de amortiguación a alta velocidad, dotando a la invención de la capacidad de regular simultáneamente los comportamientos de frecuencia y velocidad de la forma más ventajosa para el vehículo. Esto es clave para mejorar la comodidad del viaje, mejorando el efecto de regulación de frecuencia.
El acoplamiento de la válvula primaria (23) y la válvula secundaria (24) se puede configurar además con el tamaño y las características de las dos válvulas (23, 24) eligiendo, por ejemplo, el diámetro exterior de la válvula secundaria (24), de manera que la flexión de la válvula primaria (23) respecto de la misma sea posible una vez alcanzada la carrera máxima del pistón flotante (19). Esto contribuye a minimizar el aumento de la amortiguación a alta velocidad.
El acoplamiento también se puede configurar mediante el espesor o el diámetro del espaciador (34), lo que provocará que el esfuerzo que debe realizar la válvula secundaria (24) para contactar con la válvula primaria (23) sea variable.
El acoplamiento también se puede configurar jugando con la flexibilidad de la válvula secundaria (24) y el elemento elástico (25), dado que los dos elementos son flexibles. Por lo tanto, al elegir una válvula secundaria (24) muy rígida y un elemento elástico (25) muy flexible, se requerirá un mayor desplazamiento del pistón flotante (19) para transferir la fuerza desde el amplificador (28) a la válvula primaria (23). La configuración opuesta permite que se produzca la transmisión de fuerza para desplazamientos más pequeños del pistón flotante (19). Estas posibilidades de configuración dotan al sistema de una gran versatilidad.
El acoplamiento también se puede configurar mediante la ubicación del tope limitante (30) a lo largo de la longitud del casquillo guía (21), de manera que una ubicación más cercana a la carcasa (18) implica un menor desplazamiento máximo del pistón flotante (19), y por lo tanto, la deformación máxima del elemento elástico (25) será menor, por lo que la válvula secundaria (24) ejercerá menos presión máxima sobre la válvula primaria (23). Esto permite reducir la carga máxima del amortiguador, que es la obtenida para movimientos de baja frecuencia.
El conducto estrecho (26) y la primera abertura permanente (27a), que establecen el nivel de restricción en la entrada y salida de fluido de la cámara amplificadora (29), respectivamente, también se pueden configurar de manera que, si la diferencia en sus secciones de pasaje es pequeña, el movimiento ascendente del pistón flotante (19) es lento, mientras que una gran diferencia en las secciones de pasaje permite movimientos más rápidos del pistón flotante (19). Esta configuración permite ajustar la respuesta del sistema en función de la frecuencia del movimiento aplicado al amortiguador.
Por último, debe tenerse en cuenta que la presente invención no debe estar limitada por la realización descrita en el presente documento. Los expertos en la técnica pueden llevar a cabo otras configuraciones basándose en la presente descripción. Por consiguiente, el alcance de la invención está definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Un amortiguador con regulación simultánea de la carga hidráulica en función de la velocidad y la frecuencia, que comprende una varilla (1) con un extremo que termina en un pasador de la varilla (2) en la que va fijado un pistón (10) que separa una cámara de tracción (8) de una cámara de compresión (9) en el interior del amortiguador y que comprende un agujero pasante (31, 32) que permite la comunicación entre ambas cámaras (8, 9), en donde el pasador de la varilla (2) comprende un canal longitudinal (22) y en donde el amortiguador comprende:
- una válvula primaria (23) ubicada en contacto con el pistón (10),
- un casquillo guía (21), fijado al pasador de la varilla (2), que rodea parte del canal (22), permitiendo el paso de fluido a través del canal (22) entre los dos extremos del casquillo guía (21) y colocado entre el pistón (10) y una carcasa (18), permitiendo la comunicación hidráulica entre el canal (22) y una cámara amplificadora (29),
- un elemento elástico (25) que rodea el casquillo guía (21), estando el elemento elástico (25) en contacto con un pistón flotante (19), y
- un amplificador de frecuencia (28) que a su vez comprende:
- la carcasa (18), fijada al pasador de la varilla (2), configurada mediante una base y una pared concéntrica con el pasador de la varilla (2),
- el pistón flotante (19) capaz de deslizarse entre el casquillo guía (21) y la pared de la carcasa (18), que comprende una base escalonada que, junto con el casquillo guía (21) y la carcasa (18), configura la cámara amplificadora (29), y - una válvula reguladora de presión (36),
estando el amortiguadorcaracterizado por que:
- el pistón flotante (19) tiene capacidad para mantener la estanqueidad durante el deslizamiento,
- una válvula secundaria (24) está ubicada en contacto con la válvula primaria (23) mediante un espaciador (34), y con el elemento elástico (25),
- la válvula de control de presión (36) incorpora una abertura permanente (37a) que permite que el fluido salga de la cámara amplificadora (29) y está configurada para abrirse cuando la cámara amplificadora (29) alcanza un nivel específico de presión, permitiendo que el fluido salga de la cámara amplificadora (29) a un caudal mayor, de manera que la presión de la cámara amplificadora (29) actúa sobre el pistón flotante (19), que se desplaza presionando sobre el elemento elástico (25) que a su vez actúa sobre la válvula secundaria (24) y regula la abertura de la válvula primaria (23) hasta un nivel específico de presión, controlado por la válvula de control de presión (36) que tiene la forma de una válvula reguladora de presión (36).
2. El amortiguador con regulación simultánea de la carga hidráulica en función de la velocidad y la frecuencia según la reivindicación 1,caracterizado por quela carcasa (18) comprende un paso (37) parcialmente cerrado por la válvula reguladora de presión (36) debido a la existencia de una segunda abertura permanente (37a), y que se abre cuando se alcanza una presión específica en la cámara amplificadora (29).
3. El amortiguador con regulación simultánea de la carga hidráulica en función de la velocidad y la frecuencia según la reivindicación 1,caracterizado por quela válvula primaria (23) y la válvula secundaria (24) deben seleccionarse entre la válvula incrustada entre el pistón (10) y el casquillo guía (21) y la válvula que rodea el casquillo guía (21).
4. El amortiguador con regulación simultánea de la carga hidráulica en función de la velocidad y la frecuencia según la reivindicación 3,caracterizado por quela deformación de la válvula primaria (23) se define mediante la configuración de un elemento a seleccionar entre:
- el elemento elástico (25),
- la válvula secundaria (24),
- el espaciador (34) ubicado entre la válvula primaria (23) y la válvula secundaria (24),
- la ubicación del tope limitante (30) a lo largo de la longitud del casquillo guía (21),
- el valor de activación de la válvula reguladora de presión (36), y
- una combinación de los anteriores.
5. El amortiguador con regulación simultánea de la carga hidráulica en función de la velocidad y la frecuencia según la reivindicación 4, caracterizado por queel casquillo guía (21) se une a la carcasa (18) mediante una configuración a seleccionar entre la incorporación de un disco de relieve y una terminación con muescas del extremo del casquillo guía (21) donde se configura al menos un conducto estrecho (26).
6. El amortiguador con regulación simultánea de la carga hidráulica en función de la velocidad y la frecuencia según la reivindicación 4, caracterizado por queel elemento elástico (25) es un conjunto de resortes de disco configurables en términos de elasticidad, diámetro exterior y número.
7. El amortiguador con regulación simultánea de la carga hidráulica en función de la velocidad y la frecuencia según la reivindicación 2,caracterizado por quela válvula secundaria (24) se puede configurar en términos de elasticidad y tamaño.
8. El amortiguador con regulación simultánea de la carga hidráulica en función de la velocidad y la frecuencia según la reivindicación 2,caracterizado por queel diámetro exterior de la válvula secundaria (24) se configura dependiendo de la presión deseada en la válvula primaria (23).
9. El amortiguador con regulación simultánea de la carga hidráulica en función de la velocidad y la frecuencia según la reivindicación 4, caracterizado por queel espaciador (34) puede configurarse en términos de diámetro exterior y espesor.
10. El amortiguador con regulación simultánea de la carga hidráulica en función de la velocidad y la frecuencia según la reivindicación 1,caracterizado por queel amplificador de frecuencia (28) está ubicado en una posición a seleccionar de la cámara de tracción (8), la cámara de compresión (9) y ambas.
11. El amortiguador con regulación simultánea de la carga hidráulica en función de la velocidad y la frecuencia según la reivindicación 1,caracterizado por queun segundo amplificador de frecuencia (28) está ubicado en la válvula de soporte (16) en contacto directo con la cámara de reserva (7).
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