DE10320005B3

DE10320005B3 - Schwingungsdämpfer mit feldkraftabhängig regelbarer Dämpfkraft

Info

Publication number: DE10320005B3
Application number: DE2003120005
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl.-Ing. Pradel (FH)
Original assignee: ZF Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-05-07

Abstract

Schwingungsdämpfer mit verstellbarer Dämpfkraft, umfassend einen Zylinder, in dem eine Kolbenstange mit einem Kolben axial verschiebbar gelagert ist, mit einer die Dämpfkraft des Schwingungsdämpfers beeinflussenden Mediumfüllung, deren Viskosität sich in Abhängigkeit von der Ansteuerung eines elektrisch versorgten Feldkrafterzeugungselements ändert, wobei zumindest der Teil des Feldkrafterzeugungselements, der mit einer elektrischen Stromversorgung verbunden ist, außerhalb des Zylinders angeordnet ist und die Feldkraft durch den geschlossenen Zylinder geleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Verstellbare Schwingungsdämpfer verfügen in der Regel über einen Aktuator, der einen Ventilkörper innerhalb eines Dämpfventils rotatorisch oder translatorisch bewegt. Als Aktuatoren kommen häufig elektromagnetische Antriebe oder auch fluidische Antriebe, z. B. Druckluft zur Anwendung. Diese Art der Dämpfventile verlangen nach sehr genau gefertigten Bauteilen, die zur Kompensation von Fertigungstoleranzen häufig schon im Zuge der Fertigung auf ihre Funktion überprüft und dabei ggf. justiert werden.

Im Vergleich zu diesen komplizierten verstellbaren Dämpfventilen gestaltet sich der Aufbau eines Schwingungsdämpfers mit feldkraftabhängiger Dämpfkraft deutlich einfacher. So verfügt der Schwingungsdämpfer gemäß der EP 0 534 327 B1 über ein elektrisch gespeistes Feldkrafterzeugungselement, dass auf ein elektro- rheologisches Steuermedium einwirkt. Bei einem derartigen Schwingungsdämpfer kommen vergleichsweise einfache Dämpfventilbauteile zur Anwendung.

Neben dem inneren Aufbau eines verstellbaren Dämpfventils ist die Energieversorgung für den Aktuator des Dämpfventils von Bedeutung. In der EP 0 534 327 wird lediglich prinzipiell die Stromversorgung über Schaltsymbole offenbart. Die US 5,277,281 beschreibt als Feldkrafterzeugungselement eine Spule, die durch die hohle Kolbenstange eine Kabelverbindung aufweist. Insbesondere bei Kolbenstangen mit einem Ringgelenk stellen sich neue Schwierigkeiten ein, da die Kabelverbindung um den Gelenkbolzen geführt werden muss.

Aus der EP 0 750 133 A1 ist ein Schwingungsdämpfer mit elektro-rheologischem Dämpfmedium bekannt, wobei das Feldkrafterzeugungselement über Kabelanschlüsse im Behälterrohr des Schwingungsdämpfers versorgt wird.

Die DE 1 030 625 B offenbart einen Schwingungsdämpfer mit verstellbarer Dämpfkraft, wobei der Schwingungsdämpfer einen Zylinder umfasst, in dem eine Kolbenstange mit einem Kolben axial verschieblich gelagert ist. Die Viskosität der Mediumfüllung des Schwingungsdämpfers kann durch Ansteuerung eines elektrisch versorgten Feldkrafterzeugungselements verändert werden, wobei zumindest der Teil des Feldkrafterzeugungselements, der mit der elektrischen Stromversorgung verbunden ist, außerhalb des Zylinders angeordnet ist und die Feldkraft durch den geschlossenen Zylinder geleitet wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schwingungsdämpfer mit verstellbarer Dämpfkraft zu realisieren, bei dem die Energieversorgung des Feldkrafterzeugungselements einfach ausgeführt ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe für eine erste Ausführungsform durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Der große Vorteil besteht darin, dass man aufgrund des geschlossenen Zylinders keine Leckagen an bisher notwendigen Durchtrittsöffnungen befürchten muss. Des weiteren lässt sich auch eine einfache Vollmassivkolbenstange verwenden. Letztlich liegen einerseits der geschlossene Zylinder als eine erste Baugruppe und der Teile des Feldkrafterzeugungselements, der mit der elektrischen Stromversorgung verbunden ist als eine zweite separat handhabbare Baugruppe vor. Für die Erfindung ist es ohne Belang, ob als Mediumfüllung ein magneto-rheologisches oder ein elektro-rheologisches Medium verwendet wird, wobei es weiter offen bleiben kann, ob man ein Übertragungsmedium, z. B. ein einfaches Öl und zusätzlich ein Steuermedium, wie z. B. in der EP 0534 327 B1 oder ausschließlich ein Medium mit willkürlich veränderbarer Viskosität verwendet wird.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass man nicht ständig mit der Frequenz der ein- und ausfahrenden Kolbenstange eine Neueinstellung des Feldkrafterzeugungselements vornehmen muss, um z. B. bewegungsrichtungsabhängig unterschiedliche Dämpfkräfte zu erhalten.

Gemäß einem vorteilhaften Unteranspruch wird die Drosselstrecke von einem Drosselstreckeinsatz gebildet, der im Bereich der Feldkraft des Feldkrafterzeugungselements angeordnet ist. Der Drosselstreckeneinsatz muss im Bereich der Drosselstrecke möglichst exakt gefertigt sein, da dann die möglichen Viskositätsänderungen besser ausgeschöpft werden können.

Es besteht die Möglichkeit, dass der Ringraum zwischen dem Druckrohr und dem Zylinder zwei durch den Kolben getrennte Arbeitsräume des Schwingungsdämpfers miteinander verbindet. Damit kann eine einzige Drosselstrecke für zwei Durchströmungsrichtungen also bei ein- und ausfahrender Kolbenstange verwendet werden.

Zur Trennung der Strömungspfade ist der Drosselstreckeneinsatz mit einem Rückschlagventil versehen, das einen Verbindungskanal steuert, der außerhalb des Wirkungsbereichs des Feldkrafterzeugungselements liegt. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass der Ringraum weiterhin für beide Strömungsrichtungen zur Verfügung steht.

Im Hinblick auf eine kurze Baulänge des Schwingungsdämpfers ist in dem Ringraum ein Ausgleichskörper für das verdrängte Volumen der aus- und einfahrenden Kolbenstange angeordnet.

Für die Herstellung des Drosselstreckeneinsatzes bestehen vielfältige Möglichkeiten. Insbesondere bei der Verwendung einer magneto-rheologischen Mediumfüllung ist es vorteilhaft, wenn der Drosselstreckeneinsatz von einem Sinterkörper oder einem Stanzblechpaket gebildet wird. Beide Versionen verbinden günstige Herstellungskosten mit sehr großer Fertigungsgenauigkeit.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Drosselstreckeneinsatz als Trennscheibe zwischen einem Arbeitsraum des Schwingungsdämpfers und einem weiteren Raum des Schwingungsdämpfers ausgeführt ist. Diese Variante bietet sich insbesondere für einen Schwingungsdämpfer nach dem Einrohrprinzip an.

Für die Anwendung bei einem Schwingungsdämpfer mit einer elektro-rheologischen Mediumfüllung ist es vorteilhaft, wenn das Feldkrafterzeugungselement eine erste Spule umfasst, die außerhalb und eine zweite Spule die innerhalb des Zylinders angeordnet ist, wobei die zweite Spule leitend mit dem Drosselstreckeneinsatz verbunden ist.

Es besteht dann nämlich die Möglichkeit, dass die erste Spule eine deutlich kleinere Windungszahl aufweist als die zweite Spule, so dass funktional ein Transformator vorliegt, der die für die Anwendung der elektro-rheologischen Mediumfüllung notwendigen Hochspannungen erst innerhalb des Schwingungsdämpfers erzeugt. Die ansonsten notwendige besondere Isolation und Abschirmung der Kabelverbindung und des Schwingungsdämpfers können entfallen.

Zur Gewichtsreduzierung und der freien Auswahl des Werkstoffs für das Druckrohres, wird der Drosselstreckeneinsatz von mindestens einem Isolatorring zum Druckrohr getrennt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung stützt sich die zweite Spule axial auf einem Isolator des Drosselstreckeneinsatzes ab.

Um insgesamt eine einfache Anordnung der Bauteile zu erreichen, wird der Drosselstreckeneinsatz von einem Stützrohr axial zum Zylinder fixiert.

Im Hinblick auf eine minimale Anzahl von Kabelverbindungen und Anschlüssen ist der Zylinder mit der zweiten Spule elektrisch verbunden und dient als Leiter.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigt:
1 Schwingungsdämpfer mit magneto-rheologischer Mediumfüllung;
2 Detaildarstellung aus 1;
3 Draufsicht zur 2;
4 Detaildarstellung zur 1;
5 Schwingungsdämpfer mit elektro-rheologischer Mediumfüllung;
Die 1 zeigt einen Schwingungsdämpfer 1 mit einem Zylinder 3, in dem eine Kolbenstange 5 axial beweglich geführt ist. Koaxial zum Zylinder 3 ist zwischen einem Boden 7 des Zylinders und einer Kolbenstangenführung 9 ein Druckrohr 11 verspannt, in dem ein Kolben 13 an der Kolbenstange 5 das Druckrohr 11 in einen kolbenstangenseitigen und einen kolbenstangenfernen Arbeitsraum 15, 17 unterteilt. Das Druckrohr und ein von dem Druckrohr und dem Zylinder gebildeter Ringraum 19 sind bis auf einen Ausgleichskörper 21, der das verdrängte Volumen der ein- und ausfahrenden Kolbenstange kompensiert, vollständig mit einem Medium gefüllt, des sen Viskosität in Abhängigkeit eines Feldkrafterzeugungselements 23; 25 veränderbar ist, das mit einer Boardspannung eines Kfz verbunden ist.
Innerhalb der Kolbenstangenführung 9 ist ein Überführungskanal 27 von dem kolbenstangenseitigen Arbeitsraum 15 zum Ringraum 19 vorgesehen. Auch der kolbenstangenferne Arbeitsraum 17 ist über mindestens eine Fluidöffnung 29 an den Ringraum angeschlossen.
Der Kolben kann als einfacher Verdrängen, aber auch mit an sich bekannten Dämpfventilen 31 bestückt sein. Dieser Aufbau entspricht bis auf die Mediumfüllung einem konventionellen Schwingungsdämpfer. Zusätzlich verfügt der Schwingungsdämpfer über das Feldkrafterzeugungselement 23; 25 in der Bauform einer Ringspule 33; 35, die außenseitig auf den Zylinder angeordnet ist. Innerhalb des Ringraums ist eine Drosselstrecke 37; 39 als Teil eines Drosselstreckeneinsatzes 41; 43 im Wirkbereich des Feldkrafterzeugungselements angeordnet. Der Drosselstreckeneinsatz besteht aus einem feldkräfteleitenden Werkstoff. Beispielhaft ist der Drosselstreckeneinsatz unterhalb der Kolbenstangenführung befestigt. In den 2 und 3 ist ein Ausschnitt bzw. eine Draufsicht des Ausschnitts aus dem Schwingungsdämpfer im Bereich des Feldkrafterzeugungselements 33 und des Drosselstreckeneinsatzes 41 vergrößert dargestellt. Im Hinblick auf die radial schmale Drosselstrecke wird der Drosselstreckeneinsatz bevorzugt aus einem Sinterwerkstoff oder aus einem Stanzblechpaket gebildet. Die radialen schmalen Drosselstrecke ermöglichst eine laminare Durchströmung der Drosselstrecke. Die Spule als Feldkrafterzeugungselement wird von einem Rückschlusskörper 45 z. B. aus Stahl eingehüllt wodurch in Verbindung mit dem feldkräfteleitenden Drosselstreckeneinsatz ein Magnetfeld entsprechend den eingezeichneten Magnetfeldlinien entsteht.
Die Mediumfüllung des Schwingungsdämpfers besteht aus einer magneto-rheologischen Flüssigkeit, die bei Anlegen eines Magnetfelds sehr rasch ihre Viskosität ändern kann. Praktisch stellt damit der Drosselstreckeneinsatz den Ersatz für ein verstellbares Dämpfventil dar. Der Zylinder 3 kann z. B. aus Aluminium als ein magnetisch transparenter Werkstoff hergestellt sein. Wesentlich ist, dass der gesamte Schwingungsdämpfer wie ein konventioneller nicht verstellbarer Schwingungs dämpfer vollständig verschlossen ist und über keinerlei Anschlussöffnungen für Kabel- oder Fluidleitungen verfügt.
Aufgrund der Kolbenbewegung wird die Mediumfüllung innerhalb des Ringraums 19 richtungsabhängig umgepumpt. In Abhängigkeit der Bestromung der Feldkrafterzeugungselemente 23; 25 ändert sich die Viskosität der Mediumfüllung innerhalb der Drosselstrecke 37, 39, so dass sich eine Dämpfkraftveränderung einstellt.
Wie aus der 1 weiter zu entnehmen ist, verfügt der Schwingungsdämpfer 1 über zwei Feldkrafterzeugungselemente 23; 25 und zwei Drosselstreckeneinsätze 41; 43, die getrennt ansteuerbar sind. Damit kann einerseits eine Redundanz bei Ausfall eines Feldkrafterzeugungselements erreicht werden, aber auch eine Trennung der Dämpfkrafteinstellung in Abhängigkeit der Durchströmungsrichtung des Ringraums 19 bei unveränderter Bestromung des jeweiligen Feldkrafterzeugungselements 23; 25. Dazu verfügen die beiden Drosselstreckeneinsätze, wie die 4 zeigt, über Verbindungskanäle 47, 49, die außerhalb des Wirkungsbereichs des jeweiligen Feldkrafterzeugungselements liegen und jeweils über ein Rückschlagventil 48, 50 verfügen. Zur funktionalen Trennung der Verbindungskanäle zu den Drosselstrecken ist innerhalb der Drosselstreckeneinsätze ein Isolator 51; 53 angeordnet.
Die 5 zeigt einen Schwingungsdämpfer 1, der für die Anwendung einer Mediumfüllung mit einer elektro-rheologischen Viskositätsänderung ausgelegt ist. Der prinzipielle Aufbau mit dem Druckrohr 11, dem Ringraum 19 und dem Zylinder 3 stimmt mit der Ausführung nach 1 überein. Abweichend kommt innerhalb des Ringraums 19 eine zweite Spule 55 zur Anwendung die leitend mit dem Drosselstreckeneinsatz 41 verbunden ist. Die erste Spule 33 des Feldkrafterzeugungselements 23 weist eine deutlich kleine Windungszahl als die zweite Spule 55 im Ringraum 19 auf. Dadurch bilden die beiden Spulen einen Transformator, der die Bord-Spannung des Fahrzeugs auf die benötigte Hochspannung für das elektro-rheologische Medium innerhalb des Schwingungsdämpfers erzeugt. Die Sekundärspule 55 ist elektrisch mit dem Zylinder 3 verbunden, so dass der Zylinder als Masseleiter benutzt wird.
Der Drosselstreckeneinsatz 41 ist als ein Rohrkörper ausgeführt, der über mindestens einen Isolator 57, 59 zum Druckrohr zentriert wird. Die Sekundärspule 55 und der Drosselstreckeneinsatz 41 sind auf einem Stützrohr 61 axial zwischen dem Boden 7 des Zylinders 3 und der Kolbenstangenführung 9 fixiert.
Zwischen dem Stützrohr 61 und dem Zylinder 3 ist der Ausgleichskörper 21 angeordnet. In Abhängigkeit der Bestromung der ersten Spule 33 stellt sich ein Viskositätsniveau der Mediumfüllung innerhalb der Drosselstrecke 37 ein, wodurch die Dämpfkraft innerhalb der Drosselstrecke willkürlich veränderbar ist.

Claims

Schwingungsdämpfer mit verstellbarer Dämpfkraft, umfassend ein Druckrohr, in dem eine Kolbenstange mit einem Kolben axial verschiebbar gelagert ist, sowie einen, das Druckrohr koaxial umgebenden Zylinder mit einer die Dämpfkraft des Schwingungsdämpfers beeinflussenden Mediumfüllung, deren Viskosität sich in Abhängigkeit von der Ansteuerung mindestens eines elektrisch versorgten Feldkrafterzeugungselements ändert, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Teil des Feldkrafterzeugungselements (23), der mit einer elektrischen Stromversorgung verbunden ist, außerhalb des Zylinders (3) angeordnet ist und die Feldkraft durch den geschlossenen Zylinder (3) geleitet wird, wobei im Bereich der Feldkraft des Feldkrafterzeugungselements (23) innerhalb des Zylinders (3) eine Drosselstrecke (37; 39) für die die Dämpfkraft des Schwingungsdämpfers beeinflussende Mediumfüllung ausgeführt und jeweils ein Feldkrafterzeugungselement (23; 25) für die Strömung der Mediumfüllung bei Aus- und Einfahrbewegung der Kolbenstange (5) vorgesehen ist.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstrecke (37; 39) von einem Drosselstreckeneinsatz (41; 43) gebildet wird, der im Bereich der Feldkraft des Feldkrafterzeugungselements (23; 25) angeordnet ist.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (19) zwischen dem Druckrohr (11) und dem Zylinder (3) zwei durch den Kolben getrennte Arbeitsräume (15; 17) des Schwingungsdämpfers (1) miteinander verbindet.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselstreckeneinsatz (23; 25) mit einem Rückschlagventil (48; 50) versehen ist, das einen Verbindungskanal (47; 49) steuert, der außerhalb des Wirkungsbereichs des Feldkrafterzeugungselements (41; 43) liegt.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ringraum (19) ein Ausgleichskörper (21) für das verdrängte Volumen der aus- und einfahrenden Kolbenstange (5) angeordnet ist.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselstreckeneinsatz (41; 43) von einem Sinterkörper gebildet wird.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselstreckeneinsatz (41; 43) von einem Stanzblechpaket gebildet wird.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselstreckeneinsatz (41) als Trennscheibe zwischen einem Arbeitsraum (17) des Schwingungsdämpfers 1 und einem weiteren Raum (65) des Schwingungsdämpfers ausgeführt ist.
Schwingungsdämpfer nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldkrafterzeugungselement (23) eine erste Spule (33) umfasst, die außerhalb und eine zweite Spule (55) die innerhalb des Zylinders (3) angeordnet ist, wobei die zweite Spule (55) leitend mit dem Drosselstreckeneinsatz (41) verbunden ist.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule (23) eine deutlich kleinere Windungszahl aufweist als die zweite Spule (55).
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselstreckeneinsatz (41) von mindestens einem Isolatorring (57, 59) zum Druckrohr getrennt wird.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Spule (55) axial auf einem Isolator (57) des Drosselstreckeneinsatzes (41) abstützt.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselstreckeneinsatz (41) von einem Stützrohr (61) axial zum Zylinder (3) fixiert wird.
Schwingungsdämpfer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (3) mit der zweiten Spule (55) elektrisch verbunden ist und als Leiter dient.