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Die
Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch
1.
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Aus
der
DE 100 41 199
C1 ist der gattungsbildende Schwingungsdämpfer bekannt.
Funktional erfüllt
dieses Konstruktionsprinzip die Aufgabe hochfrequente, kleinamplitudige
Anregungen auszufiltern und damit einen Komfortvorteil im Vergleich
zu einem konventionellen Schwingungsdämpfer zu bieten. Ein Problem
besteht jedoch dann, wenn ungünstige Durchmesserverhältnisse,
also ein großer
Kolbenstangendurchmesser in Verbindung mit einem kleinen Zylinderinnendurchmesser
vorliegen, wie es z. B. bei einem Schwingungsdämpfer in der Bauform eines
radführenden
Aggregats, z. B. einem Federbein, häufig vorkommt.
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Aus
der JP 10-339 345 A ist ein Schwingungsdämpfer bekannt, in dessen Zylinder
eine Kolbenstange axial beweglich geführt ist. An der Kolbenstange
ist ein erster Kolben ortsfest und ein zweiter Kolben in Grenzen
axial beweglich angeordnet. Der zweite Kolben verfügt über elastische
Ventilscheiben und kann gegen die Federkraft von Federn eine axiale
Verschiebebewegung ausführen.
Der Zylinder weist einen kolbenstangenseitigen und einen kolbenstangenfernen
sowie einen Arbeitsraum zwischen den beiden Kolben auf, wobei ventilbestückte Durchlassöffnungen
eine Verbindung zwischen den Arbeitsräumen steuern.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsbildenden Schwingungsdämpfer derart
weiterzuentwickeln, dass auch Bauformen mit großen Kolbenstangendurchmessern
in Verbindung mit kleinen Zylinderinnendurchmessern realisierbar sind.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruch 1 gelöst.
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Die
mindestens eine Wellfeder benötigt
nur einen sehr kleinen radialen Bauraum. Des weiteren kann ein von
einer Wellfeder vorgespannte Ventilscheibe eine einfache, biegefreie
Hubbewegung ausführen,
so dass auch bei Ventilscheiben mit einem kleinen Flächeninhalt
ein vergleichsweise großer Öffnungsquerschnitt
an den Durchtrittsquerschnitten im zweiten Kolben ausgenutzt werden
können.
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Des
weiteren ist mit der Erfindung der Vorteil verbunden, dass die Führungshülse an ihrem
Innendurchmesser reibkraftoptimiert ausgeführt sein kann. Auch bei einem
sehr flachen Kolben wird eine gute Ausrichtung und Winkelgenauigkeit
zur Kolbenstange gewährleistet.
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Mit
der Stützscheibe
wird eine funktionale Trennung zwischen der mindestens einen Feder,
die den zweiten Kolben zum ersten Kolben positioniert und der Federanordnung,
die die mindestens eine Ventilscheibe am zweiten Kolben vorspannt,
erreicht.
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Die
Stützscheibe
wird einfach in einen Führungsansatz
der Führungshülse eingelegt,
wobei die Führungslänge des
Führungsansatzes
größer ist
als ein möglicher
Abhubweg des Ventilkörpers
und damit der Stützscheibe.
Der mögliche
Abhubweg wird von den auf die Stützscheibe
wirksamen entgegengesetzt gerichteten Federkräfte bestimmt.
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Zusätzlich kann
vorgesehen sein, dass der Innendurchmesser der Stützscheibe
größer ist
als der Außendurchmesser
der Kolbenstange. Dadurch soll verhindert werden, dass zwischen
der Stützscheibe
und der Kolbenstange eine Kantenpressung auftreten kann.
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Bei
einer erfinderischen Alternativvariante wird die ventilbestückte Durchlassöffnung im
ortsfesten Kolben und/oder im axial beweglichen zweiten Kolben von
mindestens einer Ventilscheibe abgedeckt, auf der sich abströmseitig
ein Ventilkörper
mit mindestens einer Stützfläche auf
einem ersten Teilkreisdurchmesser abstützt, wobei der Ventilkörper auf
seiner Rückseite
auf einem zweiten größeren Teilkreisdurchmesser
eine Auflagefläche
für mindestens
eine Vorspannfeder aufweist.
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Der
Vorteil dieser Maßnahme
besteht darin, dass man trotz eines vergleichsweise kleinen Ringraums
zwischen der Kolbenstange und der Zylinderinnenwandung einen großen Hebelarm
realisieren kann, mit dem eine Ventilscheibenbewegung auf eine Vorspannfeder übertragen
wird.
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Dabei
ist vorgesehen, dass die mindestens eine Vorspannfeder von einer
Scheibenfeder gebildet wird, die sich auf einem kleineren Teilkreisdurchmesser,
der kleiner ist als der erste Teilkreisdurchmesser der Stützfläche des
Ventilkörpers
an einer Stützscheibe
abstützt.
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Die
Stützscheibe
muss nicht unbedingt die selbe Größe aufweisen wie die mindestens
eine Scheibenfeder. Dazu ist dann zwischen der Scheibenfeder und
der Stützscheibe
eine Federstützscheibe
angeordnet, deren Durchmesser größer ist
als der Durchmesser der Stützscheibe.
Die Stützscheibe dient
als Federteller für
die mindestens eine Feder, die den zweiten Kolben zum ortsfesten
ersten positioniert. Dadurch ist die Stützscheibe vergleichsweise großen Biegebelastungen
ausgesetzt. Die zusätzliche
Federstützscheibe
sorgt für
eine klare Trennung der Federkraft ausgehend von der Feder zwischen den
beiden Kolben und der Scheibenfeder.
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Für eine definierte
Begrenzung der Biegebelastung der Scheibenfeder ist zwischen der
Scheibenfeder und der Federstützscheibe
mindestens eine Kippscheibe angeordnet.
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Um
einerseits den Federweg der Scheibenfeder und unabhängig davon
die Vorspannung der Scheibenfeder vornehmen zu können, ist zwischen der Federstützscheibe
und der Stützscheibe
mindestens eine Toleranzausgleichsscheibe angeordnet.
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Es
zeigt:
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1 Schwingungsdämpfer in
Einrohrbauweise mit axial beweglichem Kolben
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2 Ausschnitt
aus dem Schwingungsdämpfer
im Bereich des axial beweglichen zweiten Kolbens
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3 Alternativvariante
des axial beweglichen zweiten Kolbens.
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Die 1 zeigt
einen Schwingungsdämpfer 1 in
Einrohrbauweise, der einen Zylinder 3 aufweist, in dem
eine Kolbenstange 5 axial beweglich geführt ist. Prinzipiell ist die
Erfindung nicht auf die Anwendung bei einem Einrohrschwingungsdämpfer beschränkt.
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An
der Kolbenstange
5 ist ein erster Kolben
7 ortsfest
angeordnet. Der Kolben verfügt über Durchlassöffnungen,
die mit Dämpfventilen
9;
11 bestückt sind.
Ein derartigen Kolben ist beispielsweise aus der
DE 197 35 249 C1 oder
DE 197 35 248 C1 bekannt,
wobei der Inhalt dieser beiden Patente im Hinblick auf den Aufbau
des ersten Kolbens Teil dieser Beschreibung sein soll.
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Zu
dem ortsfesten ersten Kolben 7 ist an der Kolbenstange 5 ein
zweiter, axial beweglicher Kolben 13 angeordnet. Der zweite
Kolben 13 entspricht mit seinen Dämpfventilen 15; 17 in
seinem wesentlichen Aufbau dem ersten Kolben 7. Zwei Rückstellfedern 19; 21 halten
den zweiten Kolben 13 bei stationärer Kolbenstange in einer Normallage.
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Insgesamt
verfügt
der Zylinder über
3 Arbeitsräume.
Ein erster kolbenstangenferner Arbeitsraum 23 erstreckt
sich von einem Ausgleichsraum 25 bis zum ortsfesten Kolben 5.
Ein zweiter Arbeitsraum 27 besteht zwischen den beiden
Kolben. Der zweite Kolben 13 begrenzt einen kolbenstangenseitigen
Arbeitsraum 29. Alle Arbeitsräume sind mit einem Dämpfmedium
gefüllt.
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Bei
einer Ausfahrbewegung der Kolbenstange baut sich im Arbeitsraum 29 ein
Staudruck vor dem Dämpfventil 15 auf.
Ein kleiner dauernd geöffneter,
nicht dargestellter Voröffnungsquerschnitt
ermöglicht
einen Dämpfmediumübertritt
vom Arbeitsraum 29 in den Arbeitsraum 27. Je nach
Geschwindigkeit der ausfahrenden Kolbenstange und dem damit verbundenen
Staudruck im Arbeitsraum 29 bewegt sich der zweite Kolben 13 gegen
die Kraft der Rückstellfeder 21 in
Richtung des ersten ortsfesten Kolbens 7. Dadurch verkleinert
sich der Abstand zwischen den beiden Kolben und der Arbeitsraum 27 verkleinert sich
im selben Maße,
wobei Dämpfmedium
zumindest durch einen ebenfalls nicht dargestellten Voröffnungsquerschnitt
des Dämpfventils 9 strömt. Je nach Abhängigkeit
des Kolbenstangenhubes kann die Rückstellfeder 21 auf
Block gehen oder eine Führungshülse 31 des
zweiten Kolbens 13 stützt
sich auf dem ersten Kolben ab. Bei kleinen hochfrequenten Hüben, wie
sie z. B. bei Überfahren
einer Kopfsteinpflasterstraße
auftreten, wirkt der zweite Kolben 13 aufgrund seiner Axialbeweglichkeit
nur mit seinem Voröffnungsquerschnitt.
Man kann allerdings auch eine Auslegung der Rückstellfeder und der Dämpfventile 15; 17 vornehmen,
die nur einen sehr kleinen Voröffnungsquerschnitt
aufweisen und insgesamt auf große
Dämpfkräfte ausgelegt
sind, so dass bei der beschriebenen Anregung nur ein Dämpfmediumaustausch
zwischen dem Arbeitsraum 27 und 23 stattfindet.
Wenn man sich vorstellt, dass das Dämpfmedium inkompressibel ist
und das Dämpfventil 15 im
Extremfall vollständig
geschlossen ist, dann erzeugt nur der erste Kolben mit seinem Dämpfventil 9 eine Dämpfkraft.
Die Kolbenstange bewegt sich dann zusammen mit dem ersten Kolben
relativ zu dem stillstehenden zweiten Kolben, der sich an der Säule des Dämpfmediums
im Arbeitsraum 29 abstützt.
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Damit
wird ein Effekt erzielt, als wenn die Rückstellfeder 21 eine
Zuganschlagfeder wäre,
die sich an einem ortsfesten Anschlag, z. B. einer Kolbenstangenführung abstützt. Messbar
ist dann in Summe die Dämpfkraft
des ersten Kolbens und eine Federkraft der Rückstellfeder 21. Bei
einem Fahrzeug mit jeweils mindestens einem Schwingungsdämpfer pro
Rad und Achse tritt die Wirkung auf, dass bei einer Wankbewegung
des Fahrzeugs um seine Längsachse
an einer Fahrzeugseite eine ausfahrende und an der anderen Fahrzeugseite
eine einfahrende Kolbenstange mit identischen Hubgeschwindigkeiten
vorliegt. Wenn die Kolbenstange bei einer sehr schnellen Ausfahrbewegung
des einen Schwingungsdämpfer
von dem zweiten Kolben durch die Rückstellfeder 21 abgefedert
wird, dann wird die einfahrende Kolbenstange an der anderen Fahrzeugseite
von der Rückstellfeder 19 abgefedert.
Beide Federkräfte
der Rückstellfedern 19; 21 stellen
ein Moment dar, dass dem Wankmoment entgegenwirkt und dass Fahrzeug
in die Horizontallage zurückbewegen will.
Man kann diese Wirkung auch zwischen den Schwingungsdämpfern der
Vorderachse und der Hinterachse eines Fahrzeugs beim Brems- oder
Anfahrnicken ausnutzen.
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Bei
größeren Kolbenstangenhüben in Verbindung
mit einer geringeren Kolbenstangengeschwindigkeit wird der zweite
Kolben bis zu einem Anschlag bewegt, der von der Blocklänge der
Rückstellfedern
oder der Führungshülse 31 bestimmt
wird. In Abhängigkeit
der Kolbenstangengeschwindigkeit öffnen sich die Dämpfventile 15, 17 des
zweiten Kolbens und die Dämpfventile 9; 11 des
ersten Kolbens.
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Zu
den Rückstellfedern
ist noch anzumerken, dass man auch Federpakete oder progressive Federn
einsetzen kann, damit man keinen spürbaren Anschlag des zweiten
Kolbens feststellen muss. Des weiteren errechnet sich die Federrate
der beiden Rückstellfedern 19; 21 aus
der Summe der Einzelfederraten. Damit stellt sich eine Abhängigkeit
der beiden Rückstellfedern
für die
beiden Axialbewegungsrichtungen des zweiten Kolbens 13 ein.
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Die 2 zeigt
einen Ausschnitt im Bereich der Kolbenstange 5 aus dem
Schwingungsdämpfer nach 1,
jedoch ohne den ortsfesten ersten Kolben 9. Die Funktionsweise
ist identisch mit dem zur 1 Beschriebenen.
Der zweite Kolben 13 verfügt über die bereits erwähnten Dämpfventile 15; 17,
die jeweils mindestens eine axial bewegliche Ventilscheibe 32; 33 aufweisen,
die von einer Federanordnung 35; 37 in der Bauform
einer Wellfeder gegen Ventilsitzflächen des zweiten Kolbens 13 vorgespannt
werden. In diesem konkreten Fall verfügt die Federanordnung über zwei
in Reihe geschichtete Wellfedern, oder einer gewickelten Wellfeder.
Beide Federanordnungen liegen endseitig an einer Stützscheibe 39; 41 an.
Die Stützscheiben 39; 41 sind
mit der Führungshülse 31 fest
verbunden, so dass eine vormontierbare Baueinheit, umfassend die
Stützscheiben,
die Führungshülse, den
mit der Führungshülse fest
verbundenen zweiten Kolben, sowie den beiden zwischen den Stützscheiben
und den Ventilsitzen angeordneten Ventilscheiben mit den jeweiligen
Federanordnungen vorliegt.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, dass die Stützscheibe 39; 41 in
Grenzen relativ zu der Führungshülse 31 verschiebbar
gelagert ist, wobei die maximale Federkraft der Federanordnung 35; 37 kleiner
ist als die Federkraft der Feder 19; 21, gegen die
der Kolben 13 axial verschiebbar ist. Die Stützscheibe 39; 41 wird
einfach in einen Führungsansatz der
Führungshülse 31 eingelegt,
wobei die Führungslänge des
Führungsansatzes
größer ist
als ein möglicher
Abhubweg des Ventilkörpers 32; 33 und damit
der Stützscheibe 39; 41.
Der mögliche
Abhubweg wird von den auf die Stützscheibe 39; 41 wirksamen
entgegengesetzt gerichteten Federkräften bestimmt.
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Dabei
weisen die Stützscheiben 39; 41 einen größeren Innendurchmesser
auf als der Außendurchmesser
der Kolbenstange. In Abwandlung zur 1 sind die
Rückstellfedern 19; 21 zwischen
Federtellern 43; 45 verspannt, die in beliebiger
Form axial fest zur Kolbenstange 5 ausgeführt sind,
so dass die beschriebene Baugruppe unabhängig von einer bestimmten Kolbenbauform
des ersten Kolbens ausgeführt
sein kann.
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Die 3 zeigt
eine Alternativvariante zur 2, bei der
anstatt einer Wellfeder 35; 37 eine Hebelarmübersetzung
umgesetzt ist. Auf der Ventilsitzfläche des zweiten Kolbens 13,
man kann dieses Konstruktionsprinzip bei jedem Kolben, ob axial
beweglich oder axial fest verwenden, liegt mindestens eine Ventilscheibe 47 auf,
die die Austrittsseite der Durchlassöffnung 48 z. B. zwischen
den Arbeitsräumen 27; 29,
auch auf der Unterseite des zweiten Kolbens ist spiegelbildlich
der selbe Ventilaufbau angeordnet, jedoch nicht dargestellt, zumindest
teilweise abdeckt. Auf der Ventilscheibe 47 liegt ein Ventilkörper 49 auf,
der sich mit mindestens einer Stützfläche 51 auf
einem ersten Teilkreisdurchmesser abstützt, wobei der Ventilkörper 49 auf
seiner Rückseite
auf einem zweiten größeren Teilkreisdurchmesser
eine Auflagefläche 52 für mindestens
eine Vorspannfeder 53 aufweist. Der erste Teilkreisdurchmesser
befindet sich in etwa in der Mitte der Ventilsitzfläche der
Ventilscheibe 47. Die mindestens eine Vorspannfeder wird
von einer Scheibenfeder gebildet, die sich auf einem Teilkreisdurchmesser,
der kleiner ist als der erste Teilkreisdurchmesser der Stützfläche 51 des
Ventilkörpers
an einer Stützscheibe,
abstützt.
Dadurch ergibt sich für
die Druckkraft, die in den Durchlassöffnungen 48 auf die
Ventilscheibe 47 wirkt, ein wirksamer Hebelarm, der sich
aus der Differenz der Radien des zweiten Teilkreisdurchmessers des
Ventilkörpers und
dem kleinsten der drei Teilkreisdurchmesser im Bereich des Innendurchmessers
der Vorspannfeder(n) 53 berechnet.
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Zwischen
der Scheibenfeder 53 und der Stützscheibe 39 ist eine
Federstützscheibe 55 angeordnet,
deren Durchmesser größer ist
als der Durchmesser der Stützscheibe 39.
Zwischen der Scheibenfeder 53 und der Federstützscheibe 55 ist
wiederum mindestens eine Kippscheibe 57 angeordnet. Durch
die Wahl der axialen Höhe
der Auflagefläche 52 am
Ventilkörper 49,
gebildet durch einen umlaufenden Rand oder entsprechende Segmente,
der Anzahl der Scheibenfedern 53, der Anzahl der Kippscheiben 57 und
ggf. von Toleranzausgleichsscheiben 59 zwischen der Federstützscheibe 55 und
der Stützscheibe 39 wird
die Vorspannung und die Federcharakteristik der Scheibenfeder(n)
bestimmt. Die Anzahl der Kippscheiben 57 definiert die
maximale Schirmung und damit die Öffnungsbewegung der Scheibenfedern 53.
Unabhängig
davon kann durch die Toleranzscheiben die Vorspannung der Scheibenfedern
eingestellt werden.
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Damit
sich zwischen dem Ventilkörper 49 und
der Ventilscheibe 47 und/oder der mindestens einen Scheibenfeder 53 kein
Dämpfmedium
druckvorgespannt sammeln kann, ist innerhalb des Ventilkörpers mindestens
eine Verbindungsöffnung 61; 63 eingearbeitet,
die den Bereich radial innerhalb und außerhalb der Stützfläche 51 verbindet.
Man kann auch Einprägungen
in die Stützfläche 51 und
die Auflagefläche 52 einarbeiten
und erreicht den selben Effekt.
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In
dieser vergrößerten Darstellung
ist bildlich erkennbar, dass die Stützscheibe ebenso wie zu 2 beschrieben
ist, einen größeren Innendurchmesser
aufweist als die Kolbenstange.