DE4418120A1 - Pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine pneumatische Feder-Dämpfer- Einheit, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem doppeltwirkenden pneumatischen Verdrängerorgan sowie zumindest zwei Verdrängerkammern, deren Gesamtvolumen sich je nach Hubrichtung des Verdrängers vergrößert oder verkleinert, wobei sich die Volumen von zumindest zwei Verdrängerkammern gegensinnig ändern, sowie mit zwischen diesen Verdrängerkammern angeordneten ventilgesteuerten Überströmkanälen.

Derartige Feder-Dämpfer-Einheiten sind aus der DE 36 41 623 A1 sowie der DE 38 24 932 C1 bekannt. Sie ermöglichen einerseits eine federnde Abstützung und andererseits die Dämpfung von Federbewegungen einer gefederten Masse. Um die Dämpfungscharakteristik sowie die dynamischen Eigenschaften dieser Feder-Dämpfer-Einheiten zu verändern, wurde schon versucht, das Öffnungsverhalten der Ventile in den Überströmkanälen zu steuern, derart, daß die Ventile unterhalb eines einstellbaren Schwell­ wertes der Druckdifferenz zwischen den ihr Volumen bei Federungshüben gegensinnig ändernden Verdrängerkammern geschlossen bleiben.

Hierbei stellt sich jedoch ein nicht optimales Betriebs­ verhalten ein. Einerseits wird bei großen Federungshüben eine hohe Dämpfungswirkung erreicht, wenn die Ventile in den Überströmkanälen erst bei relativ großen Druckdifferenzen zwischen den Verdrängerkammern öffnen. Andererseits bleiben bei derartiger Einstellung der Ventile die Dämpferwirkungen verschwindend gering, solange das Maß der Federungshübe nicht ausreicht, um zwischen den Verdrängerkammern eine den Schwell­ wert überschreitende Druckdifferenz zu erzeugen.

Darüber hinaus ist auch das Betriebsverhalten hinsichtlich der Steifigkeit verbesserungsbedürftig. Solange die zum Öffnen der Ventile der Überströmkanäle notwendige Druck­ differenz nicht überschritten wird und die Ventile dem­ entsprechend geschlossen bleiben, ergibt sich eine ver­ gleichsweise sehr hohe Federsteifigkeit, welche dann beim Öffnen der Ventile, d. h. beim Überschreiten der genannten Druckdifferenz, deutlich absinkt.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit mit deutlich verbessertem Betriebsver­ halten zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ventile in linearer und/oder nichtlinearer Abhängigkeit von der Hubgeschwindigkeit und/oder dem Hubweg der Federhübe steuerbar sind.

Bei der Erfindung besteht die vorteilhafte Möglichkeit, auch bei geringen Federungshüben eine deutliche Dämpfungswirkung zu erzielen, indem die Ventile der Überströmkanäle bereits bei geringen Druckdifferenzen öffnen und durch steuerbare Drosselung der Gasströmung zwischen den Verdrängerkammern eine steuerbare Dämpfung bewirken.

Bei Bedarf, d. h. bei großen Hubgeschwindigkeiten und/oder bei großen Federungshüben, wird der Schließdruck der Ventile erhöht, so daß neben einer erhöhten Dämpfungswirkung auch eine erhöhte Federsteifigkeit erreichbar wird.

Der Schließdruck kann dabei vom Federungshub und/oder der Federungsgeschwindigkeit linear oder auch nichtlinear abhängen.

Ein besonderer Vorzug der Erfindung liegt darin, daß die Dämpfungswirkung in einem großen Verstellbereich und weit­ gehend unabhängig von der Federsteifigkeit beeinflußt werden kann.

Zweckmäßigerweise werden die Überströmkanäle mit Ventilen gesteuert, bei denen als Verschlußorgan angeordnete, aus magnetisierbarem Material bestehende Ventilfederplättchen vorgesehen sind, deren Schließkraft mittels eines steuerbaren Elektromagneten veränderbar ist, dessen magnetischer Fluß über das bzw. die Ventilfederplättchen sowie damit in Schließlage zusammenwirkende Anlageflächen verläuft.

Gegebenenfalls kann der Elektromagnet mit einem Permanent­ magneten kombiniert sein, durch welchen eine Grundeinstellung der Schließkraft der Federplättchen bewirkt wird, wobei dann die Schließkraft mittels des Elektromagneten verstärkt sowie vermindert werden kann, je nachdem in welcher Richtung der Elektromagnet bestromt wird.

Im übrigen wird hinsichtlich vorteilhafter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsformen verwiesen, die auch in der Zeichnung dargestellt sind.

Dabei zeigt

Fig. 1 einen schematisierten Axialschnitt einer pneumatischen Feder-Dämpfer-Einheit,

Fig. 2 einen Axialschnitt eines zugehörigen Kolbens mit erfindungsgemäß gesteuertem Ventil und

Fig. 3 verschiedene Kraft-Weg-Diagramme für unterschiedliche Betriebsweisen.

Die pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit 1 besitzt einen Zylinder 2, welcher durch einen Kolben 3 mit einseitig ange­ ordneter Kolbenstange 4 in zwei Pneumatikkammern 5 und 6 unterteilt ist, deren Volumen sich bei Kolbenhüben gegen­ sinnig ändert. Außerdem ist zwischen Teilen an der Kolben­ stange 4 und der zugewandten Stirnseite des Zylinders 2 eine weitere, durch einen Rollbalg 7 abgeschlossene Pneumatik­ kammer 8 vorgesehen, die normalerweise über nicht darge­ stellte Verbindungskanäle in der Kolbenstange 4 mit der Kammer 5 kommuniziert.

Die Kammern 5 und 6 sind miteinander über ventilgesteuerte Überströmkanäle 9 verbindbar.

Durch den Pneumatikdruck in den Kammern 5, 6 und 8 wird die Abstützkraft der Feder-Dämpfer-Einheit bestimmt.

Durch Steuerung der Ventile in den Überströmkanälen 9 lassen sich die Dämpferwirkung sowie die Federsteifigkeit verändern.

Gemäß Fig. 2 werden die Überströmkanäle 9 durch kreisförmig an der Kolbenoberseite angeordnete Axialbohrungen 10 gebildet, welche die Kammer 6 oberhalb des Kolbens 3 mit einem im Kolben angeordneten Ringraum 11 verbinden, der über einen relativ breiten ringförmigen Spalt mit einer Zentralöffnung 12 auf der Unterseite des Kolbens 3 und damit mit der Kammer 5 kommunizieren kann.

Innerhalb des ringförmigen Spaltes ist ein durch ringförmig angeordnete Stifte 13 od. dgl. zentriert gehaltertes ring­ scheibenförmiges Ventilfederplättchen 14 angeordnet, welches mit der Unterseite seines Außenumfanges gegen eine untere ringförmige Anlagefläche 15 und mit der Oberseite seines Innenumfanges gegen eine obere ringförmige Anlagefläche 16 gespannt ist.

Das Ventilfederplättchen 14 wird durch eine in der Regel schwache Federspannung in die dargestellte Schließlage gespannt. Wenn der Kolben 3 in Aufwärtsrichtung bewegt wird und damit zwischen den Kammern 5 und 6 ein gewisses Druck­ gefälle in Richtung der Kammer 5 erzeugt wird, so hebt der Innenrand des Ventilfederplättchens 14 von der oberen Anlage­ fläche ab, gleichzeitig strömt Luft aus der Kammer 6 in die Kammer 5 über. Wenn bei umgekehrter Hubrichtung des Kolbens 3 ein hinreichender Überdruck in der Kammer 5 relativ zur Kammer 6 auftritt, so hebt der äußere Rand des Ventilfeder­ plättchens 14 von der unteren Anlagefläche 15 ab, wobei dann Pneumatikmedium von der Kammer 5 zur Kammer 6 über­ strömen kann. Beim Überströmen des Pneumatikmediums muß jeweils ein von dem Federplättchen 14 bewirkter Drossel­ widerstand überwunden werden, welcher im Sinne einer Dämpfung der Kolbenhübe wirkt.

Das Ventilfederplättchen 14 besteht aus ferromagnetischem Material. Entsprechendes gilt auch für die die Anlageflächen 15 und 16 bildenden Teile des Kolbens 3 sowie daran an­ schließende Kolbenteile. Gegebenenfalls kann jedoch die Oberfläche der Anlageflächen 15 und 16 mit einer dünnen Schicht aus Kunststoff oder einem sonstigen nicht magnetisier­ baren Material belegt sein.

Innerhalb des Kolbens 3 ist eine Ringspule 17 angeordnet, so daß der Kolben 3 einen Elektromagneten darstellt, dessen magnetische Pole durch die Anlageflächen 15 und 16 gebildet werden, d. h. das Ventilfederplättchen 14 wird von dem den Ringspalt zwischen den Anlageflächen 15 und 16 überbrückenden magnetischen Fluß F durchsetzt.

Je nach Stärke eines die Ringspule 15 durchsetzenden elek­ trischen Stromes werden dann die Innenrandzone sowie die Außenrandzone des Ventilfederplättchens 14 mit mehr oder weniger großer Kraft von den Anlageflächen 15 und 16 magne­ tisch angezogen. Diese magnetischen Anziehungskräfte verstärken nun die mechanische Schließkraft des Federplättchens 14.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, die magnetisch erzeugten Schließkräfte in Abhängigkeit von der Hubgeschwindigkeit der Federungshübe zu steuern, derart, daß die Schließkraft mit zunehmender Hubgeschwindigkeit ansteigt und bei ver­ schwindender Hubgeschwindigkeit einen sehr geringen Wert hat.

In Fig. 3 sind nun verschiedene Kraft-Weg-Diagramme darge­ stellt, wobei die jeweils wirksame Abstützkraft F in Abhängig­ keit vom Hubweg S des Kolbens wiedergegeben wird.

Im Teil A der Fig. 3 zeigt die Kurve A₁ die Verhältnisse, die sich ergeben, wenn die Schließkraft der Ventile einen sehr geringen Wert hat und unabhängig von der Hubgeschwin­ digkeit bzw. vom Hubweg des Kolbens unverändert bleibt. Auf dem kurzen Weg von X₁ bis X₂ steigt die Abstützkraft relativ steil an, weil die Überströmkanäle durch die zugehörigen Ventile noch geschlossen gehalten werden. Bei X₂ wird ein zum Öffnen der Ventile hinreichender Differenzdruck erreicht, so daß bei einem weiteren Einfederhub auf dem Weg X₂ bis X₃ die Abstützkraft mit geringerer Steilheit ansteigt, weil nun­ mehr die Überströmwege ständig offen bleiben.

Beim Rückhub sinkt die Abstützkraft auf dem Weg von X₃ nach X₄ vergleichweise steil, weil nunmehr die Ventile der Überströmkanäle aufgrund vorübergehend sehr geringer Druck­ differenzen schließen. Danach öffnen die Ventile wiederum, da nunmehr eine relativ große Druckdifferenz in entgegenge­ setzter Richtung ansteht.

Insgesamt ergibt sich eine recht geringe Hysterese, weil die Ventile der Überströmkanäle sich vergleichsweise leicht öffnen lassen.

Die Kurven A₂, A₃ usw. zeigen die Verhältnisse, wenn bei einer sinusförmigen Anregung von Federhüben die Schließ­ kraft der Ventile der Überströmkanäle mit zunehmender Hubgeschwindigkeit unterschiedlich stark ansteigt, wobei das Hubgeschwindigkeitsmaximum immer etwa in der Mitte zwischen X₂ und X₃ bzw. zwischen X₄ und X₁ erreicht wird. Bei Hubrichtungsumkehr durchlaufen die Kurven A₂, A₃ usw. jeweils die Punkte X₁ und X₂ bzw. X₃ und X₄.

Entsprechend den ausgeprägten Hysterese-Erscheinungen wird eine starke Dämpfung erreicht.

Dabei bleibt jedoch die mittlere Federsteifigkeit, welche im wesentlichen durch eine die Punkte X₁ und X₃ durchsetzende Gerade graphisch wiedergegeben werden kann, praktisch unver­ ändert.

Soweit die Ventile eine unbefriedigende Dynamik haben sollten, läßt sich dies durch elektronische Maßnahmen - Filterung des Ventilsteuersignales - kompensieren.

Im Teil B der Fig. 3 sind nun die Verhältnisse dargestellt, wie sie sich einstellen, wenn die Schließkraft der Ventile in Abhängigkeit vom Hubweg, d. h. in Abhängigkeit von der Abweichung der Hublage des Kolbens von einer Mittellage, gesteuert wird.

Zunächst wird die Mittellage bei Y₁ in Richtung einer Einfederung verlassen, wobei die Abstützkraft auf dem Weg nach Y₂ mehr oder weniger ansteigt, je nachdem wie stark die Schließkraft der Ventile der Überströmkanäle mit dem Federungshub ansteigt.

Beim Rückhub fällt die Abstützkraft auf dem Weg von Y₂ nach Y₃ zunächst sehr steil ab. Dabei sollen die Ventile der Überströmkanäle 9 geschlossen bleiben, so daß sich Druckdifferenzen zwischen den verschiedenen Kammern schnell abbauen können, bis bei Y₃ ein Druckausgleich erfolgt ist.

Beim weitergehenden Rückhub sinkt dann die Abstützkraft zwischen Y₃ und Y₁ nur noch wenig ab, weil aufgrund der ab Y₃ weitestgehend offenen Ventile in den Überström­ kanälen 9 in allen Pneumatikkammern ein ähnlicher Druck auftritt.

Sobald dann der Rückhub über die Normal- bzw. Mittellage des Kolbens hinausgeht, wird die Schließkraft der Ventile der Überströmkanäle wiederum erhöht, so daß die Abstütz­ kraft zwischen Y₁ und Y₄ entsprechend stark absinkt. Entsprechend der eingestellten Schließkraft der Ventile treten dabei zwischen den Kammern größere Druckdifferenzen auf.

Sobald dann wiederum eine Hubumkehr erfolgt, verändert sich die Abstützkraft zwischen Y₄ und Y₅ vergleichsweise stark, weil die Ventile der Überströmkanäle 9 geschlossen bleiben und damit die Druckdifferenzen zwischen den Pneumatikkammern der Feder-Dämpfer-Einheit 1 abgebaut werden. Beim weiteren Hub steigt dann die Abstützkraft zwischen Y₅ und Y₁ nur mäßig an, weil die Ventile der Überströmkanäle 9 jetzt geöffnet werden und zwischen den Kammern der Feder-Dämpfer- Einheit keine nennenswerten Druckdifferenzen auftreten. Der Anstieg der Abstützungskraft verändert sich dabei analog dem sich vermindernden Gesamtvolumen der Pneumatik­ kammern.

Entfernt sich der Kolben 3 von der Mittellage Y₁, so läßt sich die Abstützkraft in gewünschter Weise steuern. Bei Annäherung an die Mittellage Y₁ kann dies immer nur auf dem Umweg über Y₃ erfolgen. Der Punkt Y₃ kann beispiels­ weise über einen Differenzdruckschalter erfaßt werden, welcher auf die Druckdifferenz zwischen den Kammern 5 und 6 reagiert und insbesondere den Vorzeichenwechsel dieser Druckdifferenz "merkt", der auftritt, wenn der Kolben 3 die Mittellage Y₃ überfährt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die zu Y₃ gehörige Hubstellung des Kolbens 3 zu berechnen. Y₃ ist der Schnittpunkt der durch die Gerade Y₁Y₃ gebildeten "weichen" Kennlinie für geöffnete (bzw. wenig gedrosselte) Überströmwege 3 mit der durch die Gerade Y₂Y₃ gebildeten "harten" Kennlinie für geschlossene Überströmkanäle 9.

Je nachdem, in welchem Maß die Schließkraft der Ventile der Überströmkanäle mit Entfernung des Kolbens aus seiner Mittellager ansteigt, hat eine die Punkte Y₄ und Y₂ durch­ setzende Gerade eine unterschiedliche Steilheit, d. h. die mittlere Federcharakteristik ist unterschiedlich steif.

Die Steuerungsweisen, wie sie in den Teilen A und B der Fig. 3 dargestellt wurden, können auch überlagert einge­ setzt werden, um je nach Bedarf eine hohe Federsteifigkeit und/oder eine verstärkte Dämpfung zu erzielen.

Claims (5)

1. Pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem doppeltwirkenden pneuma­ tischen Verdrängerorgan sowie zumindest zwei Verdränger­ kammern, deren Gesamtvolumen sich je nach Hubrichtung des Verdrängers vergrößert oder verkleinert, wobei sich die Volumen von zumindest zwei Verdrängerkammern gegensinnig ändern, sowie mit zwischen diesen Kammern angeordneten ventilgesteuerten Überströmkanälen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (14) in linearer und/oder nichtlinearer Abhängigkeit von der Hubgeschwindigkeit und/oder dem Hubweg der Federhübe steuerbar sind.

2. Pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ventile bei geringer Hubgeschwindigkeit bereits bei geringem bzw. verschwindendem Differenzdruck und bei höherer Hubgeschwindigkeit erst bei höherem Differenzdruck öffnen.

3. Pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ventile bei einem Differenzdruck öffnen, der mit der Entfernung des Verdrängers aus einer Mittellage ansteigt.

4. Pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmkanäle zumindest teilweise durch Ventile mit als Verschlußorgan angeordneten, aus magnetisierbarem Material bestehenden Ventilfederplättchen (14) gesteuert werden, die in Schließlage mit zugeordneten Anlageflächen (15, 16) zusammenwirken und deren Schließkraft mittels eines durch steuerbaren elektrischen Strom beaufschlagbaren Elektromagneten (17) veränderbar ist, dessen magnetischer Fluß (F) über die Anlagefläche bzw. -flächen (15, 16) und das bzw. die Ventilfederplättchen (14) verläuft.

5. Pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließkraft der Ventile mittels eines Elektromagneten veränderbar ist, der parallel zu einem Permanetmagneten wirksam wird und zum Feld des Permanent­ magneten gleichgerichtete sowie entgegengerichtete, steuer­ bare magnetische Felder zu erzeugen vermag.