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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Stoßdämpfer, insbesondere für Kraftfahrzeuge, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Zum grundsätzlichen Aufbau des Stoßdämpfers gehören ein Zylinder, ein Kolben sowie eine Einrichtung zur Beeinflussung der Dämpfung. Diese weist ein Steuerventil mit einem Hauptventilkörper auf, wobei der Hauptventilkörper in einem Strömungsraum angeordnet ist, welcher einen kolbenstangenseitigen Fluidraum des Zylinders mit einem von der Kolbenstange abgewandten Fluidraum verbindet. Ferner umfasst die Einrichtung zur Beeinflussung der Dämpfung ein Vorsteuerventil mit einem Vorsteuerventilkörper sowie einer Zuhalteeinrichtung zur Ausübung einer veränderbaren, auf den Vorsteuerventilkörper wirkenden Schließkraft. Die Zuhalteeinrichtung arbeitet vorzugsweise elektromagnetisch und weist eine stromdurchflossene Spule auf, wobei durch den Erregerstrom die Zuhaltekraft steuerbar ist. Zur Ventilanordnung gehört ferner eine Vorsteuerventilkammer, die von einer Rückfläche des Hauptventilkörpers sowie einer Steuerfläche des Vorsteuerventilkörpers begrenzt ist und durch Kanäle, die jeweils mit einem Rückschlagventil ausgestattet sind, mit Fluidräumen des Zylinders beidseits des Kolbens so verbunden ist, dass bei einer Kolbenbewegung in Druckrichtung Hydraulikflüssigkeit aus dem von der Kolbenstange abgewandten Fluidraum in die Vorsteuerkammer gelangt und bei einer Kolbenbewegung in Zugrichtung Hydraulikflüssigkeit aus dem kolbenstangenseitigen Fluidraum zufließt. Die Kolbenbewegung in Zugrichtung wird im Folgenden auch als ”Zugstufe”, die Kolbenbewegung in Druckrichtung als ”Druckstufe” bezeichnet.
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Der Hauptventilkörper weist eine erste Wirkfläche auf, die bei geschlossenem Steuerventil von dem Druck des Fluidraums der von der Kolbenstange abgewandt ist, beaufschlagt wird. Diese Wirkfläche wird im Folgenden auch als ”Druckstufenfläche” des Hauptventilkörpers bezeichnet. Der Hauptventilkörper weist ferner eine zweite Wirkfläche auf, die bei geschlossenem Steuerventil von Hydraulikflüssigkeit aus dem kolbenstangenseitigen Fluidraum des Zylinders beaufschlagt ist und daher auch als Wirkfläche für die Zugstufe bzw. ”Zugstufenfläche” des Hauptventilkörpers bezeichnet wird.
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Ein hydraulischer Stoßdämpfer mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen ist aus
EP 0 508 466 B1 bekannt. Eine im Kolbengehäuse vorgesehene Ventilanordnung ermöglicht die Einstellung einer Dämpfungskennlinie, die dadurch gekennzeichnet ist, dass Kolbenbewegungen in Zugrichtung stärker gedämpft werden als Kolbenbewegungen in Druckrichtung. Höhere Zugstufenkräfte und niedrigere Druckstufenkräfte werden aus Gründen des Fahrkomforts angestrebt. Das Verhältnis der in der Zugstufe wirkenden Dämpfungskräfte und der in der Druckstufe wirkenden Dämpfungskräfte kann beeinflusst werden durch das Flächenverhältnis der am Hauptventilkörper vorgesehenen Druckstufenfläche und Zugstufenfläche. Bei der bekannten Anordnung weist der Vorsteuerventilkörper des Vorsteuerventils eine Wirkfläche auf, die sowohl in der Druckstufe als auch in der Zugstufe von Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird. Diese Wirkfläche des Vorsteuerventilkörpers bestimmt den Öffnungsdruck des Vorsteuerventils bei vorgegebener schließender Magnetkraft der Zuhalteeinrichtung. Der Öffnungsdruck des Vorsteuerventils ist somit für die Zugstufe und Druckstufe identisch. In der Zugstufe kommt es durch den Volumenstrom durch das Vorsteuerventil zu einem unerwünschten, abknickenden Kennungsverlauf, bevor das Hauptsteuerventil öffnet. Dieser Kennlinienverlauf wirkt sich nachteilig auf die Funktion des Stoßdämpfers aus, da bei kleinen Kolbenbewegungen harmonisch hohe Dämpferkräfte aufgebaut werden sollen, um den Aufbau des Fahrzeuges zu stabilisieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dämpfungscharakteristik des hydraulischen Stoßdämpfers zu verbessern. Im Bereich kleiner Kolbengeschwindigkeiten sollen sich in der Zugstufe und der Druckstufe harmonisch hohe Dämpferkräfte aufbauen, um den Aufbau eines mit dem Stoßdämpfer ausgerüsteten Fahrzeuges zu stabilisieren.
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Gegenstand der Erfindung und Lösung dieses Aufbaus ist ein hydraulischer Stoßdämpfer nach Anspruch 1. Zugrunde liegt ein hydraulischer Stoßdämpfer mit den eingangs beschriebenen Merkmalen. Erfindungsgemäß umfasst die Einrichtung zur Beeinflussung der Dämpfung zusätzlich einen Stößel, der in einer Durchgangsbohrung des Hauptventilkörpers axial verschiebbar angeordnet ist und sich innerhalb der Vorsteuerventilkammer bis zu dem Vorsteuerventilkörper erstreckt. Auf das freie Ende des Stößels wirkt der an der ersten Wirkfläche des Hauptventilkörpers herrschende Fluiddruck. Der Stößel überträgt die daraus resultierende Kraft auf den Vorsteuerventilkörper. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung werden in der Zug- und Druckstufe unterschiedliche Wirkflächen bereitgestellt. Bei einer Bewegung des Kolbens in Zugrichtung ist die wirksame Steuerfläche des Vorsteuerventilköpers kleiner als bei einer Kolbenbewegung in Druckrichtung. Bei einer Bewegung des Kolbens in Zugrichtung gelangt Hydraulikflüssigkeit aus dem kolbenstangenseitigen Fluidraum in die Vorsteuerventilkammer und beaufschlagt die dort angeordnete Steuerfläche des Vorsteuerventilkörpers. Bei einer Bewegung des Kolbens in Druckrichtung strömt Hydraulikflüssigkeit aus dem von der Kolbenstange abgewandten Fluidraum des Zylinders in die Vorsteuerventilkammer und beaufschlagt dort die Steuerfläche des Vorsteuerventilkörpers. Zusätzlich wird auch die Stirnfläche an dem freien Ende des Stößels von diesem Druck beaufschlagt. Die daraus resultierende Kraft wird über den Stößel unmittelbar an den Vorsteuerventilkörper übertragen. Die wirksame Steuerfläche ergibt sich somit aus der in der Vorsteuerventilkammer angeordneten Fläche des Vorsteuerventilkörpers und der Stirnfläche am freien Ende des Stößels. Die resultierende Wirkfläche ist daher größer als die Steuerfläche, die bei einer Kolbenbewegung in Zugrichtung auf den Vorsteuerventilkörper wirkt. Erfindungsgemäß wird erreicht, dass in der härteren Zugstufe das Vorsteuerventil aufgrund der geringeren Wirkfläche erst bei höheren Drücken öffnet. Dies kann als zusätzlicher Konstruktionsfreiheitsgrad genutzt werden, um die Kräfteverteilung der Ventilanordnung zu beeinflussen. So kann die öffnende Zugstufenfläche am Hauptventilkörper vergrößert werden, was zu einer geringeren Dämpfungskraft der Minimalkennlinie führt. Die Spreizung des Kennlinienfeldes, d. h. der Abstand zwischen minimaler Kennlinie und maximaler Kennlinie in der Zugstufe, kann vergrößert werden. Ferner wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung erreicht, dass die Öffnungsdrücke zwischen dem Vorsteuerventil und dem Steuerventil auch in der Zugstufe näher beieinander liegen. Das hat zur Folge, dass der Vorsteuervolumenfluss, der durch das sich öffnende Vorsteuerventil abfließt, den Kennlinienverlauf bei geringen Kolbengeschwindigkeiten wesentlich geringer beeinflusst. Auch bei niedrigen Kolbengeschwindigkeiten können harmonisch hohe Dämpfungskräfte erzeugt werden, die beispielsweise zur Stabilisierung des Fahrzeugaufbaus erforderlich sind.
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Die Vorsteuerventilkammer ist in einem Ventilgehäuse angeordnet. Die Steuerfläche des Vorsteuerventils ist eine Ringfläche, die von dem Schaft des Stößels und einer Sitzfläche des Ventilgehäuses begrenzt ist. Die Steuerfläche des Vorsteuerventils und die Stirnfläche am freien Ende des Stößels stehen vorzugsweise in einem Flächenverhältnis zwischen 0,7 und 1,8. Vorzugsweise sind die Steuerfläche des Vorsteuerventils und die Stirnfläche am freien Ende des Stößels etwa gleich groß.
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Der Stößel kann fest mit dem Vorsteuerventilkörper verbunden sein. Der Vorsteuerventilkörper und der Stößel können als einstückiges Teil gefertigt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Stößel jedoch ein separates Bauteil und weist einen Kopf auf, der mit einem Ventilsitz des Vorsteuerventils zusammenwirkt und an dem Vorsteuerventilkörper anliegt bzw. von diesem beaufschlagt ist.
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Zweckmäßig ist der Vorsteuerventilkörper an einer in Öffnungsrichtung wirkenden Rückstellfeder abgestützt. Die Stellung des Vorsteuerventilkörpers ergibt sich aus dem Kräftegleichgewicht zwischen der Rückstellfeder und der von der Zuhalteeinrichtung auf den Vorsteuerventilkörper ausgeübten Schließkraft.
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Das Vorsteuerventil weist vorzugsweise mit Rückschlagventilen verschlossene Strömungskanäle zur Ableitung der aus der Vorsteuerventilkammer abfließenden Hydraulikflüssigkeit auf. Die Rückschlagventile sind so angeordnet, dass sie bei einer Kolbenbewegung in Druckrichtung den Strömungsweg zum kolbenstangenseitigen Fluidraum des Zylinders und bei einer Kolbenbewegung in Zugrichtung den Strömungsweg zum kolbenstangenabgewandten Fluidraum freigeben.
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Der Hauptventilkörper weist zwei Wirkflächen auf. Die erste Wirkfläche ist in der Druckstufe wirksam. Die zweite Wirkfläche ist in der Zugstufe wirksam und wird mit einer Zugbewegung des Kolbens von Hydraulikflüssigkeit aus dem kolbenstangenseitigen Fluidraum beaufschlagt. Die zweite Wirkfläche ist vorzugsweise als Ringfläche ausgebildet, welche die erste Wirkfläche umgibt und zu dieser axial versetzt angeordnet ist. Zwischen den beiden Wirkflächen ist eine ringförmige Dichtungsfläche vorgesehen, die bei geschlossenem Steuerventil an einem Ventilsitz anliegt.
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Die den Stößel führende Durchgangsbohrung durchsetzt die erste Wirkfläche des Hauptventilkörpers. Der Hauptventilkörper kann an einer in Schließrichtung wirkenden Rückstellfeder abgestützt sein.
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Die beschriebene Einrichtung zur Beeinflussung der Dämpfung ist zweckmäßig in einem Einbauraum des Kolbens angeordnet. Alternativ kann die Einrichtung zur Beeinflussung der Dämpfung auch ein externes Modul bilden, das hydraulisch mit dem Fluidraum des Zylinders gekoppelt ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch:
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1 ausschnittsweise einen hydraulischen Stoßdämpfer nach dem Stand der Technik,
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2 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Stoßdämpfers, ebenfalls ausschnittsweise,
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3a die Dämpfungscharakteristik des in 1 dargestellten Stoßdämpfers nach dem Stand der Technik,
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3b die Dämpfungscharakteristik des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Stoßdämpfers.
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Die 1 zeigt einen hydraulischen Stoßdämpfer nach dem Stand der Technik. Zum grundsätzlichen Aufbau des Stoßdämpfers gehören ein Zylinder 1 sowie ein Kolben 2, der ein an eine Kolbenstange 3 angeschlossenes Kolbengehäuse 4 mit einem Einbauraum für eine Einrichtung 30 zur Beeinflussung der Dämpfung aufweist. Die im Kolbengehäuse 4 vorgesehene Einrichtung 30 zur Beeinflussung der Dämpfung umfasst ein Steuerventil 5 mit einem Hauptventilkörper 6, ein Vorsteuerventil 7 mit einem Vorsteuerventilkörper 8 sowie einer elektromagnetischen Zuhalteeinrichtung 9 zur Ausübung einer veränderbaren, auf den Vorsteuerventilkörper 8 wirkenden Schließkraft sowie eine Vorsteuerventilkammer 10. Der Hauptventilkörper 6 des Steuerventils 5 ist in einem Strömungsraum angeordnet, der einen kolbenstangenseitigen Fluidraum 11 des Zylinders 1 mit einem von der Kolbenstange 3 abgewandten Fluidraum 12 verbindet. Die in einem Ventilgehäuse 31 angeordnete Vorsteuerventilkammer 10 ist von einer Rückfläche 13 des Hauptventilkörpers 6 sowie einer Steuerfläche 14 des Vorsteuerventilkörpers 8 begrenzt und durch Kanäle 15, 16, die jeweils mit einem Rückschlagventil 17 ausgestattet sind, mit den Fluidräumen 11, 12 des Zylinders 1 beidseits des Kolbens 2 verbunden. Die Rückschlagventile 17 sind so geschaltet, dass bei einer Kolbenbewegung in Druckrichtung Hydraulikflüssigkeit aus dem von der Kolbenstange abgewandten Fluidraum 12 in die Vorsteuerkammer 10 gelangt und bei einer Kolbenbewegung in Zugrichtung Hydraulikflüssigkeit aus dem kolbenstangenseitigen Fluidraum 11 der Vorsteuerkammer 10 zufließt. Der Hauptventilkörper 6 weist eine erste Wirkfläche 18 auf, die bei geschlossenem Steuerventil 5 von dem Druck in dem von der Kolbenstange abgewandten Fluidraum 12 beaufschlagt ist und daher auch als Druckstufenfläche bezeichnet wird. Der Hauptventilkörper 6 weist ferner eine zweite Wirkfläche 19 auf, die bei geschlossenem Steuerventil 5 von Hydraulikflüssigkeit aus dem kolbenstangenseitigen Fluidraum 11 des Zylinders 1 beaufschlagt ist und daher auch als Zugstufenfläche bezeichnet wird. Das Vorsteuerventil 7 weist mit Rückschlagventilen 20 verschlossene Strömungskanäle 21, 22 zur Ableitung der aus der Vorsteuerventilkammer 10 abfließenden Hydraulikflüssigkeit auf. Die Rückschlagventile 20 geben bei einer Kolbenbewegung in Druckrichtung den Strömungsweg zum kolbenstangenseitigen Fluidraum 11 des Zylinders und bei einer Kolbenbewegung in Zugrichtung den Strömungsweg zum kolbenstangenabgewandten Fluidraum 12 frei.
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Der Darstellung in 1 ist zu entnehmen, dass die zweite Wirkfläche 19 des Hauptventilkörpers 6 als Ringfläche ausgebildet ist, welche die erste Wirkfläche 18 umgibt und zu dieser axial versetzt angeordnet ist. Zwischen den beiden Wirkflächen 18, 19 ist eine ringförmige Dichtungsfläche vorgesehen, die bei geschlossenem Steuerventil 5 an einem Ventilsitz anliegt. Ferner entnimmt man der Darstellung in 1, dass der Vorsteuerventilkörper 8 an einer in Öffnungsrichtung wirkenden Rückstellfeder 23 abgestützt ist und dass der Hauptventilkörper 6 von einer in Schließrichtung wirkenden Rückstellfeder 24 beaufschlagt ist.
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In 3a ist die Dämpfungscharakteristik des in 1 dargestellten hydraulischen Stoßdämpfers dargestellt. Aufgetragen ist die Dämpfungskraft in Zugrichtung (F > 0) und Druckrichtung (F < 0) in Abhängigkeit der Kolbengeschwindigkeit bei einer Bewegung des Kolbens 2. Das Kennlinienfeld umfasst in der Zugstufe und der Druckstufe eine Vielzahl von Kennlinien, wobei mittels der elektromagnetischen Zuhalteeinrichtung 9 jeweils eine Kennlinie in der Zugstufe sowie eine dazu korrespondierende Kennlinie in der Druckstufe einstellbar ist. Die Dämpfung bei einer Kolbenbewegung in Zugrichtung ist größer als die Dämpfung bei einer Bewegung des Kolbens in Druckrichtung. Das Verhältnis zwischen der Dämpfungskraft der Zugstufe und der Druckstufe kann durch Einstellung unterschiedlich großer Wirkflächen 18, 19 für die Zugstufe und Druckstufe so gestaltet werden, dass das Steuerventil 5 für einen vorgegebenen Druck in der Vorsteuerventilkammer 10 in der Zugstufe bei höheren Drücken öffnet als in der Druckstufe. Nachteilig ist, dass diese Funktionalität auch für die Minimalkennlinie des Kennlinienfeldes gilt. Die Weichkennung der Zugstufe ist gegenüber der Druckstufe angehoben.
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Aus 1 geht hervor, dass an dem Vorsteuerventilkörper 8 eine Steuerfläche 14 vorgesehen ist, die sowohl in der Druckstufe als auch in der Zugstufe von der in die Vorsteuerventilkammer 10 einströmenden Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird. Diese Steuerfläche 14 bestimmt den Öffnungsdruck des Vorsteuerventils 7 bei gegebener schließender Magnetkraft der elektromagnetischen Zuhalteeinrichtung 9. Der Öffnungsdruck des Vorsteuerventils 7 ist somit für die Zugstufe und Druckstufe identisch. Wenn das Vorsteuerventil 7 öffnet, kommt es allerdings durch den Vorsteuervolumenstrom des aus der Vorsteuerventilkammer 10 abströmenden Hydraulikflüssigkeit zu einem unerwünschten abknickenden Kennungsverlauf im Bereich kleiner Kolbengeschwindigkeiten. Der unstete Kennlinienverlauf wirkt sich nachteilig auf die Dämpfungscharakteristik des hydraulischen Stoßdämpfers aus. Im Bereich kleiner Kolbengeschwindigkeiten sollen harmonisch hohe Dämpfungskräfte aufgebaut werden, um den Fahrzeugaufbau zu stabilisieren. Der unstete Kennlinienverlauf ließe sich zwar grundsätzlich dadurch verringern, dass durch die Ventilgestaltung der Vorsteuervolumenstrom reduziert wird. Aus Komfortgründen wird jedoch ein vergleichsweise hoher Vorsteuervolumenstrom gewünscht, denn dieser verbessert den Fahrkomfort bei weicher Dämpfereinstellung durch sehr geringe und harmonisch ansteigende Dämpfungskräfte im Bereich kleiner Dämpfergeschwindigkeiten.
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Die 2 zeigt einen erfindungsgemäß ausgebildeten hydraulischen Stoßdämpfer. Dieser weist den zuvor beschriebenen Aufbau auf. Zusätzlich ist ein Stößel 26 vorgesehen, der in einer Durchgangsbohrung des Hauptventilkörpers 6 axial verschiebbar angeordnet ist und sich innerhalb der Vorsteuerventilkammer 10 bis zu dem Vorsteuerventilkörper 8 erstreckt. Auf das freie Ende 27 des Stößels 26 wirkt der an der ersten Wirkfläche 18 des Hauptventilkörpers 6 herrschende Fluiddruck. Der Stößel 26 überträgt eine daraus resultierende Kraft auf den Vorsteuerventilköper 8. Bei einer Kolbenbewegung in Zugrichtung strömt aus dem kolbenstangenseitigen Fluidraum 11 des Zylinders Hydraulikflüssigkeit in die Vorsteuerventilkammer 10 ein und beaufschlagt dort eine ringförmige Steuerfläche 28 des Vorsteuerventils 7, die einerseits von dem Schaft des Stößels 26 und andererseits von einer Sitzfläche 29 des Ventilgehäuses 31 begrenzt ist. Die Steuerfläche 28 des Vorsteuerventils 7 und die Stirnfläche am freien Ende 27 des Stößels 26 weisen ein Flächenverhältnis zwischen 0,7 und 1,8 auf und sind vorzugsweise etwa gleich groß.
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Im Falle einer Kolbenbewegung in Druckrichtung strömt Hydraulikflüssigkeit aus dem von der Kolbenstange abgewandten Fluidraum 12 des Zylinders in die Vorsteuerventilkammer 10 ein und beaufschlagt dort die zuvor beschriebene Ringfläche 28. Zusätzlich beaufschlagt die Hydraulikflüssigkeit auch die Stirnfläche am freien Ende 27 des Stößels 26, wobei die resultierende Kraft über den Stößel 26 auf den Vorsteuerventilkörper 8 übertragen wird. Die resultierende Wirkfläche ergibt sich folglich aus der Summe der Ringfläche 28 und der Stirnfläche am freien Ende des Stößels 27 und ist größer als die Wirkfläche, die bei einer Bewegung des Kolbens in Zugrichtung maßgebend ist. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Dämpfungseinrichtung 30 wird durch unterschiedliche Wirkflächen für die Zug- und Druckstufe erreicht, dass in der härteren Zugstufe das Vorsteuerventil 7 aufgrund der geringeren Wirkfläche erst bei höheren Drücken öffnet. Dadurch ergibt sich ein zusätzlicher Konstruktionsfreiheitsgrad, um die Kräfteverteilung, die für das Zusammenwirken von Vorsteuerventil 7 und Steuerventil 5 maßgebend ist, zu beeinflussen. Die öffnende Wirkfläche 19 für die Zugstufe am Hauptventilkörper 6 kann vergrößert werden, was wiederum zu einer geringeren Dämpfungskraft der Minimalkennlinie führt. Die Spreizung zwischen der minimalen Kennlinie und der maximalen Kennlinie des Kennlinienfeldes (3b) kann vergrößert werden. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegen ferner die Öffnungsdrücke zwischen dem Vorsteuerventil 7 und dem Steuerventil 5 auch in der Zugstufe näher beieinander. Das hat zur Folge, dass der abfließende Vorsteuervolumenstrom die harten Kennlinien wesentlich geringer beeinflusst. Als Ergebnis können auch bei niedrigen Kolbengeschwindigkeiten des Stoßdämpfers hohe Dämpfungskräfte erzeugt werden, die zur Stabilisierung des Fahrzeugaufbaus erforderlich sind. Die Dämpfungskräfte haben auch im Bereich kleiner Dämpfergeschwindigkeiten einen harmonischen Verlauf. Es wird ein hohes Dämpfungskraftpotential zur Fahrzeugstabilisierung im Bereich kleiner Kolbengeschwindigkeiten erreicht.
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Im Ausführungsbeispiel weist der Stößel 26 einen Kopf 32 auf, der mit der Sitzfläche 29, d. h. dem Ventilsitz des Vorsteuerventils 7, zusammenwirkt und an dem Vorsteuerventilkörper 8 anliegt. Der Stößel 26 und der Vorsteuerventilkörper 8 sind separate Elemente.
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Im Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 30 zur Beeinflussung der Dämpfung im Kolbengehäuse 4, d. h. in einem Einbauraum des Kolbens 2, angeordnet. Die Einrichtung 30 zur Beeinflussung der Dämpfung kann jedoch auch ein externes Modul bilden, das hydraulisch mit dem Fluidraum 11, 12 des Zylinders 1 gekoppelt ist.