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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, durch eine elektromagnetische Ventilanordnung gesteuerten Überströmkanälen.
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Eine derartige Einheit ist aus der
SU 568 770 A bekannt
und besitzt eine nach Art eines Schieberventiles ausgebildete elektromagnetische
Ventilanordnung, welche in Abhängigkeit
von Beschleunigungen der gefederten Masse gesteuert wird.
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Weitere pneumatische Feder-Dämpfer-Einheiten
sind aus der
DE 36
41 623 A1 sowie der
DE 38 24 932 C1 bekannt. 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 Schwellwertes der Druckdifferenz zwischen
den ihr Volumen bei Federungshüben
gegensinnig ändernden
Verdrängerkammern
geschlossen bleiben.
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Hierbei stellt sich jedoch ein nicht
optimales Betriebsverhalten 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 Schwellwert überschreitende
Druckdifferenz zu erzeugen.
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Darüber hinaus ist auch das Betriebsverhalten
hinsichtlich der Steifigkeit verbesserungsbedürftig. Solange die zum Öffnen der
Ventile der Überströmkanäle notwendige
Druckdifferenz nicht überschritten
wird und die Ventile dementsprechend geschlossen bleiben, ergibt
sich eine vergleichsweise sehr hohe Federsteifigkeit, welche dann
beim Öffnen der
Ventile, d.h. beim Überschreiten
der genannten Druckdifferenz, deutlich absinkt.
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Aus dem
DE 84 13 300 U1 ist eine
pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit bekannt,
welche drei Pneumatikkammern aufweist, von denen eine im wesentlichen
nur als Federkammer wirkt, während
die beiden anderen Kammern, deren Volumen sich bei Federungshüben gegensinnig ändern, zur
Bewegungsdämpfung
dienen und dazu miteinander über eine
Drosselweg kommunizieren. Zur Anpassung an unterschiedliche Betriebssituationen
kann der Pneumatikdruck der Federkammer mittels eines Niveauschalters
verändert
werden.
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Bei einem aus der
DE 37 30 000 A1 bekannten
pneumatischen Stoßdämpfer ist
vorgesehen, die Kolbenkraft progressiv mit der Kolbengeschwindigkeit
ansteigen zu lassen und den Innendruck des Dämpfers in Abhängigkeit
von einer Niveauregulierung zu steuern.
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Nach der
DE 38 10 841 A1 ist bei
einem pneumatischen Dämpfer
vorgesehen, zwei Pneumatikkammern, deren Volumen sich bei Federungshüben gegensinnig ändern, nur
bei Bewegungsumkehr des Federungshubes miteinander zu verbinden,
um eine besonders wirksame Dämpfung
zu erzielen.
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Alle diese bekannten Konstruktionen
haben noch kein zufriedenstellendes Betriebsverhalten.
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Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung,
eine Hinsichtlich ihres Betriebsverhaltens deutlich verbesserte
pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit
zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Ventilanordnung in Abhängigkeit
von der Hubgeschwindigkeit und/oder dem Hubweg der Federhübe durch
Hilfskraft steuerbar ist, indem die Überströmkanäle zumindest teilweise durch Ventile
mit als Veschlußorgan
angeordneten, aus magnetisierbarem Material bestehenden und in Schließlage mit
zugeordneten Anlageflächen
zusammenwirkenden Ventilfederplättchen
gesteuert werden, deren Schließkraft
mittels eines durch steuerbaren elektrischen Strom beaufschlagbaren
Elektromagneten veränderbar
ist, dessen magnetischer Fluß über die
Anlagefläche
bzw. -flächen
und das bzw. die Ventilfederplättchen
verläuft.
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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.
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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.
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Der Schließdruck kann dabei vom Federungshub
und/oder der Federungsgeschwindigkeit linear oder auch nichtlinear
abhängen.
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Ein besonderer Vorzug der Erfindung
liegt darin, daß die
Dämpfungswirkung
in einem großen Verstellbereich
und weitgehend unabhängig
von der Federsteifigkeit beeinflußt werden kann.
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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.
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Gegebenenfalls kann der Elektromagnet
mit einem Permanentmagneten 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.
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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.
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Dabei zeigt
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1 einen
schematisierten Axialschnitt einer pneumatischen Feder-Dämpfer-Einheit,
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2 einen
Axialschnitt eines zugehörigen Kolbens
mit erfindungsgemäß gesteuertem
Ventil und
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3 verschiedene
Kraft-Weg-Diagramme für
unterschiedliche Betriebsweisen.
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Die pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit 1 besitzt
einen Zylinder 2, welcher durch einen Kolben 3 mit
einseitig angeordneter Kolbenstange 4 in zwei Pneumatikkammern 5 und 6 unterteilt
ist, deren Volumen sich bei Kolbenhüben gegensinnig ändert. Außerdem ist
zwischen Teilen an der Kolbenstange 4 und der zugewandten
Stirnseite des Zylinders 2 eine weitere, durch einen Rollbalg 7 abgeschlossene Pneumatikkammer 8 vorgesehen,
die normalerweise über
nicht dargestellte Verbindungskanäle in der Kolbenstange 4 mit
der Kammer 5 kommuniziert.
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Die Kammern 5 und 6 sind
miteinander über ventilgesteuerte Überströmkanäle 9 verbindbar.
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Durch den Pneumatikdruck in den Kammern 5, 6 und 8 wird
die Abstützkraft
der Feder-Dämpfer-Einheit
bestimmt.
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Durch Steuerung der Ventile in den Überströmkanälen 9 lassen
sich die Dämpferwirkung
sowie die Federsteifigkeit verändern.
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Gemäß 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.
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Innerhalb des ringförmigen Spaltes
ist ein durch ringförmig
angeordnete Stifte 13 od.dgl. zentriert gehaltertes ringscheibenförmiges 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.
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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
Druckgefälle
in Richtung der Kammer 5 erzeugt wird, so hebt der Innenrand
des Ventilfederplättchens 14 von
der oberen Anlagefläche
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 Ventilfederplättchens 14 von
der unteren Anlagefläche 15 ab,
wobei dann Pneumatikmedium von der Kammer 5 zur Kammer 6 überströmen kann.
Beim Überströmen des Pneumatikmediums
muß jeweils
ein von dem Federplättchen 14 bewirkter
Drosselwiderstand überwunden
werden, welcher im Sinne einer Dämpfung
der Kolbenhübe
wirkt.
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Das Ventilfederplättchen 14 besteht
aus ferromagnetischem Material. Entsprechendes gilt auch für die die
Anlageflächen 15 und 16 bildenden
Teile des Kolbens 3 sowie daran anschließende Kolbenteile.
Gegebenenfalls kann jedoch die Oberfläche der Anlageflächen 15 und 16 mit
einer dünnen
Schicht aus Kunststoff oder einem sonstigen nicht magnetisierbaren
Material belegt sein.
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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.
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Je nach Stärke eines die Ringspule 15 durchsetzenden
elektrischen Stromes werden dann die Innenrandzone sowie die Außenrandzone
des Ventilfederplättchens 14 mit
mehr oder weniger großer
Kraft von den Anlageflächen 15 und 16 magnetisch
angezogen. Diese magnetischen Anziehungskräfte verstärken nun die mechanische Schließkraft des
Federplättchens 14.
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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 verschwindender
Hubgeschwindigkeit einen sehr geringen Wert hat.
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In 3 sind
nun verschiedene Kraft-Weg-Diagramme dargestellt, wobei die jeweils wirksame
Abstützkraft
F in Abhängigkeit
vom Hubweg S des Kolbens wiedergegeben wird.
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Im Teil A der 3 zeigt die Kurve A1 die
Verhältnisse,
die sich ergeben, wenn die Schließkraft der Ventile einen sehr
geringen Wert hat und unabhängig von
der Hubgeschwindigkeit 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 nunmehr die Überströmwege ständig offen
bleiben.
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Beim Rückhub sinkt die Abstützkraft
auf dem Weg von X3 nach X4 vergleichweise
steil, weil nunmehr die Ventile der Überströmkanäle aufgrund vorübergehend
sehr geringer Druckdifferenzen schließen. Danach öffnen die
Ventile wiederum, da nunmehr eine relativ große Druckdifferenz in entgegengesetzter
Richtung ansteht.
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Insgesamt ergibt sich eine recht
geringe Hysterese, weil die Ventile der Überströmkanäle sich vergleichsweise leicht öffnen lassen.
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Die Kurven A2,
A3 usw, zeigen die Verhältnisse, wenn bei einer sinusförmigen Anregung
von Federhüben
die Schließkraft
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.
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Entsprechend den ausgeprägten Hysterese-Erscheinungen
wird eine starke Dämpfung
erreicht.
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Dabei bleibt jedoch die mittlere
Federsteifigkeit, welche im wesentlichen durch eine die Punkte X1 und X3 durchsetzende
Gerade graphisch wiedergegeben werden kann, praktisch unverändert.
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Soweit die Ventile eine unbefriedigende
Dynamik haben sollten, läßt sich
dies durch elektronische Maßnahmen – Filterung
des Ventilsteuersignales – kompensieren.
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Im Teil B der 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.
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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.
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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.
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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 Überströmkanälen 9 in
allen Pneumatikkammern ein ähnlicher
Druck auftritt.
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Sobald dann der Rückhub über die Normal- bzw. Mittellage
des Kolbens hinausgeht, wird die Schließkraft der Ventile der Überströmkanäle wiederum
erhöht,
so daß die
Abstützkraft
zwischen Y1 und Y4 entsprechend
stark absinkt.
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Entsprechend der eingestellten Schließkraft der
Ventile treten dabei zwischen den Kammern größere Druckdifferenzen auf.
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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 Pneumatikkammern.
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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
beispielsweise 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.
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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 durchsetzende
Gerade eine unterschiedliche Steilheit, d.h. die mittlere Federcharakteristik
ist unterschiedlich steif.
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Die Steuerungsweisen, wie sie in
den Teilen A und B der 3 dargestellt
wurden, können
auch überlagert
eingesetzt werden, um je nach Bedarf eine hohe Federsteifigkeit
und/oder eine verstärkte Dämpfung zu
erzielen.