DE69120008T2

DE69120008T2 - Schnellreagierender verstellbarer Schwingungsdämpfer und System

Info

Publication number: DE69120008T2
Application number: DE69120008T
Authority: DE
Inventors: Frederick J Furrer; Charles D Lemme
Original assignee: Hyrad Corp
Current assignee: Hyrad Corp
Priority date: 1990-09-11
Filing date: 1991-09-03
Publication date: 1996-12-19
Anticipated expiration: 2011-09-04
Also published as: JP3141037B2; CA2051058C; DE69120008D1; JP2000097276A; CA2051058A1; EP0475660B1; HK1005891A1; JPH04244629A; EP0475660A2; EP0475660A3; ATE139012T1; US5113980A; AU8374291A; AU637027B2; JP2000097275A

Description

Diese Erfindung betrifft einen verstellbaren, hydraulischen Schwingungsdämpfer und ein System, das eine fluidbetriebene Betätigungseinrichtung verwendet, um die Dämpfungscharakteristik des Schwingungsdämpfers einzustellen.
Das US Patent 4,838,394 offenbart einen einstellbaren Schwingungsdämpfer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein System, das fluidbetriebene Betätigungseinrichtungen, wie Kolben, verwendet, um die Dämpfungscharakteristik des Schwingungsdämpfers zu steuern. Die Schwingungsdämpfer, die in dem '394 Patent geoffenbart sind, verwenden drei unterschiedliche Einrichtungen zur Energievernichtung: (1) eine langsame Belüftungsöffnung, die von einem abgeschrägten Schlitz und einer Ventilplatte begrenzt ist; (2) ein federbelastetes Ausblaseventil, das die Ventilplatte und eine Feder umfaßt; und (3) eine sehr schnelle Beschränkung, die eine feste Beschränkungsöffnung umfaßt, die durch eine Platte begrenzt ist. Die langsame Belüftungsöffnung ist einheitlich mit dem Abblaseventil, und der maximale Druckabfall über die langsame Belüftungsöffnung wird auf den Druck begrenzt, bei dem das Ausblasventil öffnet. Die sehr schnelle Beschränkung, die durch die Platte vorgesehen ist, ist mit dem Ausblasventil in Reihe und ist deshalb immer wirksam; jedoch ist bei geringen Geschwindigkeiten sein Beitrag zur Energievernichtung vernachlässigbar.
Die sich ergebenden Dämpfungskräfte, die durch diese drei Einrichtungen geliefert werden, sind in den Fig. 7 und 8 des '394 Patents gezeigt. Der steile Anstieg bei niedrigen Geschwindigkeiten wird der Belüftungsöffnung für niedrige Geschwindigkeit zugeteilt, das Knie der Kurve wird dem Anheben des Ausblaseventils zugeteilt und die Zunahme der Dämpfungskraft mit der Kolbengeschwindigkeit für Kolbengeschwindigkeiten größer als das Knie der Kurve wird der sehr schnelle Beschränkung zugeteilt. Natürlich gibt es auch eine konstante Trockenreibungskraft, die im allgemeinen in guten Konstruktionen minimiert wird, weil sie eine rauhe Bewegung erzeugt.
Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist die Gesamtdämpfkraft die Summe mit der Reibung, der Kräfte der Belüftungsöffnung für niedrige Geschwindigkeit und der Kräfte für die sehr schnelle Beschränkung. Nach dem Ausblasen ist sie die Summe der Reibung, von Ausblaskräften und Kräften der sehr schnelle Beschränkung.
In dem in dem '394 Patent dargestellten System werden alle vier Schwingungsdämpfer von einer einzigen, statischen Druckquelle gesteuert (beliebig als eine definiert, die beim Steuerdruck Änderungen bis zum Endausschlag mit einer Frequenz mit nicht mehr als einer Sekunde hat). Alternativ können zwei gesteuerte Steuersysteme vorgesehen werden, wobei jedes seine eigene Druckquelle hat, damit der Fahrer die vorderen und hinteren Schwingungsdämpfer unabhangig voneinander steuern kann. Das '394 Patent schlägt auch vor, daß das einstellbare Druckverringerungsventil durch ein automatisches Steuersystem gesteuert werden kann, um ein Fahrzeug daran zu hindern, beim Bremsen abzutauchen oder beim Beschleunigen abzusinken. Ein solches System würde eine Reaktionszeit von ungefähr 300 ms verlangen.
Eine andere Methode für eine einstellbare Schwingungsdämpferkonstruktion ist, eine parallele Belüftungsöffnung hinzuzufügen, die stets wirksam ist. Wenn diese parallele Belüftungsöffnung veränderbar gemacht wird, kann die Dämpfungskraft veränderbar gemacht werden. Im allgemeinen ist je größer die parallele öffnung um so niedriger die Dämpfungskraft.
Viele Schwingungsdämpfer nach dem Stand der Technik, einschließlich einstellbarer Dämpfer, verwenden diese drei grundsätzliche Mechanismen. Viele einstellbaren Dämpfer verwenden einen Elektromotor oder ein solenoidbetriebenes Ventil, um eine parallele Öffnung zu dem Hauptdämpferventil zu öffnen. Das '394 Patent stellt sowohl die Öffnung als auch die Ausblasepunkte ein, um eine größere Änderungen als diejenigen zu erhalten, die nur durch Ändern der parallelen Öffnungsgrößen erhalten werden, wobei aber die Konstruktion des '394 Patents weiterhin die grundsätzliche dreistufige Ventiltechnik verwendet. Ein Nachteil bei dieser Methode ist, daß die Dämpfungs kraft eine Funktion der Kolbengeschwindigkeit des Dämpfers bleibt. Diese Funktion kann in einstellbaren Dämpfern verändert werden, wobei aber für eine gegebene Festlegung der Einstellung die Dämpfungskraft weiterhin zunimmt, wenn die Kolbengeschwindigkeit zunimmt.
"A novel valve for semi-active vehicle suspension system" von G.A. Parker, u.a.. I MechE (1988) C427/88 offenbart ein Dämpfersystem, das ein elektrisches Rückkopplungssystem verwendet, um den Dämpfungsdruck und deshalb die Dämpfungskraft zu steuern. Ein Magnetventil bei dem Dämpfer moduliert den Dämpfungsdruck des hydraulischen Arbeitsfluids in Reaktion auf elektrische Steuersignale. Diese Methode unterscheidet sich beträchtlich von derjenigen des '394 Patents dahingehend, daß es dort keinen hydraulischen Steuerkreis und keine fluidbetriebene Betätigungseinrichtung gibt, die die Dämpfungseigenschaften des Dämpfers einstellt.
Es wird als vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung angesehen, einen einstellbaren Dämpfer zu schaffen, der eine auf einem Fluiddruck in einem Steuerkreis reagierende, fluidbetriebene Betätigungseinrichtung verwendet, der eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit als das in dem '394 Patent geoffenbarte system hat und zur Verwendung in aktiven Dämpfungssystemen gut geeignet ist.
Diese Erfindung stellt eine Verbesserung bei Schwingungsdämpfern gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 dar.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die fluidbetriebene Betätigungseinrichtung, die auf einen Fluiddruck in einem Steuerkreis reagiert, mit dem im wesentlichen Konstantdruckventil durch eine im wesentlichen unelastische Verbindung so gekoppelt ist, daß Kräfte, die auf die fluidbetriebene Betätigungseinrichtung durch das Steuerfluid in dem Steuerkreis aufgebracht werden, auf das im wesentlichen Konstantdruckventil durch die Verbindung aufgebracht werden, wodurch der Druck des hydraulischen Arbeitsfluids hinter dem Ventil und die Dämpfungseigenschaft des Schwingungsdämpfers eingestellt werden. Eine sehr schnelle Steuereinrichtung für den Druck wird verwendet, um den Fluiddruck in dem Steuerkreis mit einer maximalen Reaktionsfrequenz von mindestens ungefähr 8 Hz zu modulieren, wodurch eine sehr schnelle Einstellung der Dämpfungseigenschaft des Schwingungsdämpfers erreicht wird.
Der Schwingungsdämpfer ist mit zusätzlichen Durchgängen versehen, die so angeordnet sind, daß die Bewegung des Kolbens in dem Zylinder in beiden Richtungen das hydraulische Arbeitsfluid von der ersten Kammer durch einen ersten Durchgang in einer ersten Richtung pumpt. Ein Wärmetauscher ist in dem ersten Durchgang, von dem Schwingungsdämpfer beabstandet, angeordnet, um das hydraulische Arbeitsfluid zu kühlen, das durch den Wärmetauscher in der ersten Richtung bei der Ausdehnung und Komprimierung des Schwingungsdämpfers gepumpt wird. Dieser Wärmetauscher ist stromabwärts eines Strömungsdrosselventils positioniert, das in dem ersten Durchgang angeordnet ist, um eine Dämpfungseigenschaft des Schwingungsdämpfers zu steuern.
Eine Zylinderkopfeinrichtung ist an dem Zylinder angebracht, um ein Ende von ihm abzudichten. Diese Einrichtung schließt einen Körper und eine Abdeckung ein, die als mindestens zwei getrennte Teile hergestellt und zusammengebaut werden, um die Zylinderkopfeinrichtung zu bilden. Die Einrichtung begrenzt eine Verzweigung, die sich zwischen dem Körper und der Abdekkung erstreckt, eine Mehrzahl von ersten Öffnungen in dem Körper, die angeordnet sind, um eine Fluidströmung von dem Zylinder in die Verzweigung zu ermöglichen, und eine zweite Öffnung in Fluidverbindung mit der Verzweigung und dem ersten Durchgang. Die zweite Öffnung ist in dem Körper gebildet und die Verzweigung ist durch die Ringausnehmung in dem Körper begrenzt.
Die vorliegende Erfindung schafft einen aktiven Dämpfer oder Dämpfungssystem, der ohne weiteres bei hohen Frequenzen moduliert werden kann, damit die Dämpfungseigenschaften des Dämpfers während seines Hubes geändert werden. Dieses erwünschte Ergebnis wird mit einer einfachen, kostengünstigen, widerstandsfähigen Konstruktion erreicht, die leicht einen weiten Bereich von Dämpfern, einschließlich von Flugzeugbeinen und Luftkraftverstärkern, angepaßt werden kann und wie bei einer breiten Vielfalt von Fahrzeugen verwendet werden kann. Der aktive Dämpfer, der unten beschrieben ist, liefert einen weiten Einstellbereich, und die Dämpfungseigenschaft kann fortlaufend eingestellt werden, wenn es erwünscht ist. Der Dämpfer kann leicht mit herkömmlichen elektrischen Eingängen gesteuert werden, und die sehr schnelle Regeleinrichtung für den Druck kann ein kleines, relativ preiswertes Servoventil sein, das geringe Stromanforderungen aufweist.
Der obenbeschriebene Wärmetauscher kann auf eine bedeutende Weise mit den Fluidströmungseigenschaften eines Dämpfers mit einer Strömungsrichtung zusammenarbeiten. Da ein Dämpfer mit einer Strömungsrichtung das hydraulische Arbeitsfluid in der gleichen Richtung während der Dämpferausdehnung und des Zusammendrückens pumpt, ist ein Dämpfer mit einer Strömungsrichtung optimal geeignet, das Arbeitsfluid durch einen Wärmetauscher zu pumpen, der getrennt von dem Schwingungsdämpfer angeordnet ist.
Die obenbeschriebene Zylinderkopfeinrichtung ist gut für preiswerte, hohe Massenproduktion geeignet, und sie minimiert die Anzahl zusätzlicher Bearbeitungsvorgänge, die benötigt werden, um die Einrichtung zu vervollständigen. Diese Vorteile werden erhalten, während die Fluidströmungseigenschaften der Zylinderkopfeinrichtung verglichen mit vergleichsweise preiswerten Konstuktionen nach dem Stand der Technik verbessert werden.
Die Erfindung selbst wird zusammen mit weiteren Zielsetzungen und begleitenden Vorteilen am besten unter Bezugnahme auf die folgende, ins einzelne gehende Beschreibung verstanden, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genommen wird.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines aktiven Dämpfungssystems für ein Fahrzeug, das eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung einschließt.
Fig. 2 ist eine Längsschnittansicht eines Schwingungsdämpfers, der zur Verwendung in dem System der Fig. 1 geeignet ist.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 3-3 der Fig. 2 genommen ist.
Fig. 4A ist eine Draufsicht auf den inneren Zylinderkopfkörper der Fig. 2.
Fig. 4B ist eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 4B-4B der Fig. 4A genommen ist.
Fig. 5A ist eine Draufsicht auf die innere Zylinderkopfabdeckung der Fig. 2.
Fig. 5B ist eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 5B-5B der Fig. 5A genommen ist.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die einen Wärmetauscher und einen von außen unter inneren Druck gesetzten Behälter einschließt.
Fig. 7, 8 und 9 sind graphische Darstellungen, die die Dämpfungseigenschaften eines Schwingungsdämpfers ähnlich dem der Fig. 2 darstellen.
Es wird sich nun den Zeichnungen zugewandt, von denen Fig. 1 ein Blockdiagramm eines aktiven Dämpfungssystems 10 zeigt, das eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung einschließt. In diesem System erhält eine elektronische Recheneinheit 12 eine Vielzahl von Eingangssignalen, wie Rückkopplungseingangssignalen von vertikalen Beschleunigungssensoren 14 und Vorwärtseingangssignalen von Brems-, Lenk- und Drosseiklappensensoren 16. Die elektronische Recheneinheit 12 wählt eine gewünschte Dämpfungskraft für jeden der vier Dämpfer oder Stoßdämpfer an einem Fahrzeug aus und liefert ein elektrisches Steuersignal an einen Servoventiltreiber 18 für jeden der Dämpfer. Der Servoventiltreiber 18 wirkt als eine elektrische Schnittstelle zwischen der elektronischen Recheneinheit 12 und einem Niederdruckservoventil 20, wobei ein elektrisches Steuersignal an das Niederdruckservoventil 20 angelegt wird, das die erwünschte Dämpfungskraft für den jeweiligen Dämpfer angibt.
Jedes Servoventil 20 ist in einem hydraulischen Steuerkreis eingeschlossen und zwischen einer Quelle von Steuerdruckfluid, wie einer Servopumpe 22, und dem entsprechenden Dämpfer eingefügt.
Das Servoventil 20 ist mit der Pumpe 22 über Druck- und Rückführleitungen verbunden, und ist auch mit dem entsprechenden Dämpfer über eine Steuerleitung verbunden. Das Servoventil 20 reagiert auf das elektrische Steuersignal, das von dem Treiber 18 zugeführt wird, um den Druck des Steuerfluids einzustellen, der auf den Dämpfer zwischen den Grenzen angewendet wird, die durch die Druck- und Rückführleitungen definiert sind.Um die gesamten Vorteile des aktiven Dämpfens zu erreichen, sollte das Servoventil 20 als eine sehr schnelle Steuereinrichtung für den Druck mit einer maximalen Reaktionsfrequenz von nicht weniger als ungefähr 8 Hz arbeiten. Eine maximale Reaktionsfrequenz von 8 Hz ergibt eine Einstellzeit von der Mitte bis zur Spitze von ungefähr 30 msec (ein viertel der Periode), was eine Größenordnung größer als die Einstellzeit von der Mitte bis zur Spitze ist, die benötigt wird, um das Absinken und Abtauchen einer Fahrzeugkarosserie während der Beschleunigung und des Bremsens zu steuern. Einfach als Beispiel können jeweils die Druck- und Rückführleitung auf einen Druck von 300 bis 0 psi sein, und das Servoventil 20 kann den Druck in der Steuerleitung zwischen 0 und 300 psi mit einer Reaktionsfrequenz von mehr als 8 Hz modulieren. Fig. 1 zeigt die Treiber und Servoventile nicht, die den übrigen Dämpfern dieses Federungssystems zugeordnet sind.
Fig. 2 zeigt eine Längsschnittansicht eines der Dämpfer 30, der durch das Servoventil 20 gesteuert wird. Der Dämpfer 30 ist eine Konstruktion mit Strömung in einer Richtung, der eine Dämpfungseigenschaft aufweist, die durch den hydraulischen Druck in der Steuerleitung gesteuert wird, und ist in gewisser Weise dem in unserem US Patent 4,838,394 gezeigten Dämpfer ähnlich. Jedoch sind die Dämpfungseigenschaften und die fluidbetriebene Betätigungseinrichtung des Dämpfers 30 für eine Reaktion auf hohe Frequenz optimiert worden, so daß der Dämpfer 30 zur Verwendung in einem aktiven Dämpfungssystem geeignet ist.
Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, enthält der Dämpfer 30 eine Basis 32, die einen äußeren Behälterzylinder 34, ein Abwärtsrohr 36 und einen Fuß 38 trägt. Der Fuß 38 wiederum trägt einen inneren Zylinder 40, der innerhalb des und konzentrisch zu dem äußeren Behälterzylinder 34 angeordnet ist. Ein Behälterzylinderkopf 42 ist fest, beispielsweise durch Widerstandsschweißen, an einem oberen Abschnitt des Behälterzylinders 34 angebracht, und die Kopfeinrichtung des inneren Zylinders 44 schließt das obere Ende des Zylinders 40 ab.
Die Kopfeinrichtung des inneren Zylinders 44 besteht aus einem Körper 46 und einer Abdeckung 48, die im einzelnen in den Fig. 4A, 4B, 5A und 5B gezeigt sind. Der Körper 46 begrenzt einen ringförmige Ausnehmung 50, die mit dem Inneren des inneren Zylinders 40 über eine Mehrfachanordnung von Öffnungen 52 in Verbindung steht. Zusätzlich begrenzt der Körper 46 eine weitere Öffnung 54, die einen oberen Abschnitt des Abwärtsrohrs 36 aufnimmt und das Abwärtsrohr 36 mit der ringförmigen Ausnehmung 50 verbindet. Die Abdeckung 48 schließt die ringförmige Ausnehmung 50 ab, um eine ringförmige Verzweigung 56 zu bilden, die die Öffnungen 52 und die weitere Öffnung 54 miteinander verbindet.
Die zweiteilige Kopfeinrichtung 44 des inneren Zylinders liefert eine besonders wirksame Strömungscharakteristik, während die Anzahl von zusätzlichen Bearbeitungsvorgängen minimiert wird. Der Körper 46 und die Abdeckung 48 können beide durch Guß- oder Formungsverfahren hergestellt werden, um Herstellungskosten zu verringern, und können dann zusammengepreßt oder verbunden werden, um die Kopfeinrichtung 44 des inneren Zylinders zu bilden.
Ein Kolben 58 ist in dem inneren Zylinder 40 angeordnet und ist fest an einer Kolbenstange 60 mit einer Gewindemutter 62 angebracht. Ein Kolbenanschlag 64 ist zwischen der Kolbenstange 60 und dem Kolben 58 angeordnet, und der Kolbenanschlag 64 bildet eine Reaktionsfläche für eine Umleitungsfeder 66, die eine Umleitungsventilplatte 68 in eine geschlossene Stellung gegen eine obere Seite des Kolbens 58 vorbelastet. Der Kolben 58 begrenzt eine Mehrfachanordnung von Öffnungen 70, die sich durch den Kolben 58 erstrecken. Die Umleitungsfeder 66 und die Umleitungsventilplatte 68 arbeiten zusammen um ein Rückschlagventil zu bilden, das eine Fluidströmung nach abwärts (wie in Fig. 2 dargestellt) verhindert. Die Kolbenstange 60 geht durch die Kopfeinrichtung 44 des inneren Zylinders und den Behälterzylinderkopf 42 hindurch nach außerhalb des Dämpfers 30. Eine Stangenabdichtung 72 ist angeordnet, um Lecken des hydraulischen Arbeitsfluid zu verhindern, und diese Stangenabdichtung 72 wird in ihrer Lage durch ein Stangendichtungshalteteil 74 und eine Gegendruckfeder 76 gehalten.
Der Fuß 38 begrenzt eine mittlere Öffnung, die selektiv durch ein Auffüllventil 78 abgedichtet ist. Das Auffüllventil 78 ist zur axialen Bewegung in dem inneren Zylinder 40 mittels einer Feder 80 und eines Halteteils 82 angebracht. Das Auffüllventil 78 arbeitet als ein Rückschlagventil, das im wesentlichen einen Fluß des hydraulischen Arbeitsfluid nach unten aus dem inneren Zylinder 40 heraus verhindert, während ein im wesentlichen unbeschränkter Fluidfluß in den inneren Zylinder 40 erlaubt wird.
Ein Bereich zwischen dem Behälterzylinder 34 und dem inneren Zylinder 40 bildet einen Behälter 84, der über einen Durchgang 86 mit dem Bereich 88 in Fluidverbindung steht, in dem die Feder 80 angebracht ist. Die folgende Erörterung der Feder 3 definiert im einzelnen das einstellbare Ventil, das sich in der Basis 32 des Dämpfers 30 befindet. An dieser Stelle ist es ausreichend, anzumerken, daß der Kolben 58 den Bereich innerhalb des Zylinders 40 in eine erste und zweite Kammer 90, 92 unterteilt, die sich oberhalb und unterhalb des Kolbens 58 befindet (wie es in Fig. 2 gezeigt ist). Bei der Ausdehnung des Dämpfers 30 bewegt sich der Kolben 58 nach oben, wie es in Fig. 2 ist, und das hydraulische Arbeitsfluid in dem inneren Zylinder 40 wird daran gehindert, sich quer zu dem Kolben 58 zu bewegen. Das hydraulische Arbeitsfluid in dem ringförmigen Bereich um die Kolbenstange 60 herum wird durch die Öffnungen 52, die Verzweigung 56 und die weitere Öffnung 54 in das Abwärtsrohr 36 gepumpt. Dieses Fluid fließt abwärts (wie in Fig. 2 gezeigt) in die Basis 32, wo eine einstellbare Strömungsbeschränkung vorgesehen ist, um die Dämpfungseigenschaften des Dämpfers 30 zu steuern. Nachdem das Fluid durch die Beschränkung, die unten in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wird, hindurchgegangen ist, geht es in den Bereich 88, von dem es in die zweite Kammer 92 über das nun geöffnete Nachfüllventil 78 oder in den Behälter 84 eintreten kann.
Beim Zusammendrücken des Dämpfers 30 wird der Kolben 58 abwärts (wie in Fig. 2 gezeigt) bewegt, wodurch die Umgehungsventilplatte 68 geöffnet und das Nachfüllventil 78 geschlossen wird. Das Volumen der Kolbenstange 60 verschiebt das hydraulische Arbeitsfluid, und das Stangenverschiebungsvolumen wird durch die Öffnungen 52, die Verzweigung 56 und die weitere Öffnung 54 in das Abwärtsrohr 36 zu der Basis 32 geschickt. Somit pumpt der Dämpfer 30 das hydraulische Arbeitsfluid abwärts (wie es in Fig. 2 gezeigt ist) durch das Abwärtsrohr 36 sowohl beim Zusammendrücken und Ausdehnen des Dämpfers 30.
Es wird sich nun der Fig. 3 zugewandt; die Basis 32 des Dämpfers enthält eine einstellbare Strömungsbeschränkung, die durch eine fluidbetriebene Betätigungseinrichtung gesteuert wird. Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, begrenzt die Basis 32 eine Abwärtsrohrkammer 100, die in einer unbeschränkten Fluidverbindung mit dem Abwärtsrohr 36 der Fig. 2 ist. Man beachte insbesondere, daß die herkömmliche sehr schnelle Beschränkungsöffnung entfernt worden ist. Die Abwärtsrohrkammer 100 steht über ein im wesentlichen Konstantdruckventil, wie ein Abblaseventil 102, in Verbindung, das eine Ventilplatte 104 mit einer Ventilkammer 106 hat. Die Ventilkammer 106 steht in unbeschränkter Fluidverbindung mit dem Bereich 88 der Fig. 2 und dadurch mit dem Behälter 84 und der zweiten Kammer 92 (wenn das Nachfüllventil 78 offen ist). Somit bildet das Abblasventil 102 die einzige merkliche Strömungsbeschränkung des Dämpfers 30 während des Zusammendrückens und der Ausdehnung des Kolbens 58.
Die Ventilplatte 104 ist in die geschlossene Position, die in Fig. 3 gezeigt ist, durch einen Ventilstift 108 vorbelastet, der zur axialen Bewegung durch eine erste Führungseinrichtung 110 geführt wird. Die erste Führungseinrichtung 110 enthält einen inneren O-Ring 112, der eine Gleitdichtung gegenüber dem Ventilstift 108 schafft, und einen äußeren O-Ring 114, der eine statische Dichtung gegenüber der Seitenwand 110 einer Bohrung liefert, die in der Basis 32 gebildet ist. Der innere O- Ring 112 wird in seiner Lage durch eine Halteplatte 118 gehalten, die in ihrer Lage verstemmt ist. Die erste Führungseinrichtung 110 wird in ihrer Lage durch eine erste Hülseneinrichtung 120 gehalten, die in ihrer Lage durch O-Ringe 122 in der Bohrung der Basis 32 abgedichtet ist. Die erste Hülseneinrichtung 120 begrenzt einen Steuerzylinder 123, der einen Steuerkolben 124 für eine beschränkte, axiale Bewegung hält. Der Ventilstift 108 ist in seiner Lage in dem Steuerkolben 124 befestigt und liefert eine unelastische, feste Stange, die den Steuerkolben 124 mit der Ventilplatte 104 verbindet.
Das Volumen zwischen dem Steuerkolben 124 und der ersten Führungseinrichtung 110 wird über eine Belüftungseinrichtung 126, eine Ringnut 128 und eine Öffnung 130 in der ersten Hülseneinrichtung 120 zur Atmosphäre entlüftet. Die entgegengesetzte Seite des Steuerkolbens 124 steht über Öffnungen 125 mit einer Steuerdrucköffnung 132 in unbeschränkter Fluidverbindung, die Steuerdruckfluid unmittelbar von dem Servoventil 20 erhält, das oben beschrieben worden ist.
Während des normalen Betriebs liefert das Servoventil 20 einen ausgewählten Druck bei dem Steuerfluid, das durch die Steuerdrucköffnung 132 eingebracht wird, und dieser Druck erzeugt eine Kraft auf den Steuerkolben 124, die unmittelbar durch den unelastischen Ventilstift 108 auf die Ventilplatte 104 übertragen wird. Diese gesteuerte Kraft auf die Ventilplatte 104 bewirkt, daß das Abblaseventil 102 als ein sehr schneller Druckregler arbeitet, wobei der gesteuerte Druck des hydraulischen Arbeitsfluid im dem Abwärtsrohr 36 geregelt wird. Auf diese Weise kann die elektronische Recheneinheit 12 schnell die erwünschte Dämpfungskraft auswählen, indem das Servoventil 20 gesteuert wird, die erwünschte Vorbelastungskraft auf die Ventilplatte 104 aufzubringen. Da das Abblaseventil 102 die einzige bedeutende Strömungsbeschränkung für das hydraulische Arbeitsfluid ist, wenn es sich zwischen der ersten und zweiten Kammer 90, 92 bewegt, ist die Dämpfungskraft, die durch den Dämpfer 30 geschaffen wird, eine starke Funktion der Vorbelastungskraft, die der Ventilplatte 104 zugeführt wird, ist aber im wesentlichen von der Geschwindigkeit des Kolbens 58 unabhängig. Aus diesem Grund kann die elektronische Recheneinheit ECU 12 die von dem Dämpfer 30 erwünschte Dämpfungskraft schnell, zuverlässig und im wesentlichen unabhängig von der Geschwindigkeit des Kolbens 58 auswählen. Dieses Merkmal des Dämpfers 30 und das System 10 ermöglicht eine genaue sehr schnelle Steuerung der durch den Dämpfer 30 zugeführten Dämpfungskraft.
Der Dämpfer 30 enthält auch ein Sicherungssystem, um sicherzustellen, daß der Dämpfer 30 eine vorausgewählte Dämpfungskraft in dem Fall eines Versagens des Servoventils 20 oder der Pumpe 22 liefert. Dieses Sicherungssystem ist auf der linken Seite der Fig. 3 gezeigt und enthält eine zweite Führungseinrichtung 134, die eine mittlere Öffnung 136 und eine Belüftungsöffnung 138 begrenzt. Diese zweite Führungseinrichtung 134 wird in ihrer Lage durch eine zweite Hülseneinrichtung 140 gehalten, die einen zweiten Steuerzylinder 142 begrenzt. Ein zweiter Steuerkolben 144 ist verschiebbar innerhalb des zweiten Steuerzylinders 142 angeordnet, und ist nach rechts (wie in Fig. 3 gezeigt) durch eine Feder 146 vorbelastet. Ein Vorsprung an dem zweiten Steuerkolben 144 wirkt als ein Führungsdurchmesser für die Feder 146 sowie als ein Zusammendrückanschlag. Eine Stange 148 ist in ihrer Lage an einem zweiten Steuerkolben 144 befestigt und geht durch die mittlere Öffnung 136 hindurch. Die Stange 148 definiert einen kleineren Durchmesserabschnitt 150 näher dem Kolben 144 und einen größeren Durchmesserabschnitt 152 näher dem ersten Steuerkolben 124. Der Abschnitt des zweiten Steuerzylinders 142, der die Feder 146 aufnimmt, wird zur Atmosphäre über eine Belüftungsöffnung 154 entlüftet Die zweite Hülseneinrichtung 140 wird in ihrer Lage durch eine Abdeckung 156 gehalten, die an der Basis 32 durch Abdeckungsschrauben befestigt ist.
Während des normalen Betriebs, wenn der Steuerdruck an der Steuerdrucklffnung 132 durch das Servoventil 20 moduliert wird, wird der Steuerdruck über die mittlere Öffnung 136 und die Belüftungsöffnung 138 in den zweiten Steuerzylinder 142 übertragen, wo er den zweiten Steuerkolben 144 nach links (wie in Fig. 3 gezeigt) bewegt, wodurch die Feder 146 zusammengedrückt wird. Auf diese Weise wird die Stange 148 von dem ersten Steuerkolben 124 entfernt, damit der Dämpfer 30 arbeiten kann, wie es oben beschrieben worden ist.
Jedoch geht in dem Fall, wenn der Steuerdruck an der Steuerdrucköffnung 132 unterhalb eines ausgewählten Wertes während einer längeren Zeitdauer fällt, Fluid durch die Belüftungsöffnung 138 hindurch, damit sich der zweite Steuerkolben 144 nach rechts (wie in Fig. 3 gezeigt) bewegen kann, bis die Stange 148 den ersten Steuerkolben 124 berührt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Federkraft, die von der Feder 146 zugeführt wird, durch die Stange 148 auf den Steuerkolben 124 aufgebracht, um eine vorausgewählte Kraft bereitzustellen, die die Ventilplatte 104 geschlossen vorbelastet. Der kleinere Durchmesserabschnitt 150 der Stange 148 liefert einen Ringdurchgang zwischen der Stange 148 und der zweiten Führungseinrichtung 134, um ein Anheben der Ventilplatte 104 während der Arbeitsweise des Dämpfers zu ermöglichen.
Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung, die gut geeignet ist, durch den Dämpfer 30 erzeugte Wärme zu zerstreuen. Das in Fig. 6 gezeigte System enthält einen Wärmetauscher 160, der ein herkömmlicher Larnellentyp sein kann, und einen externen, unter Druck gesetzten Behälter 162. Der Wärmetauscher 160 ist mit der Ventilkammer 106 der Fig. 3 durch einen Schlauch 134 und durch einen Schlauch 166 mit dem Behälter 162 verbunden. Der Behälter 162 ist durch einen Schlauch 168 mit dem Behälter des Dämpfers 30 verbunden. Alternativ kann der Schlauch 168 mit der Basis 32 gekoppelt sein, um das hydraulische Arbeitsfluid dem Bereich 88 unmittelbar unter dem Nachfüllventil 78 (Fig. 2) zuzuführen.
Wie es oben erwähnt worden ist, ist der Dämpfer 30 eine Konstruktion mit Strömung in einer Richtung, der das hydraulische Arbeitsfluid nach unten durch das Abwärtsrohr 36 während des Zusammendrückens und der Ausdehnung des Dämpfers 30 pumpt. Nachdem dieses hydraulische Arbeitsfluid durch das Abblaseventil 102 in die Ventilkammer 106 gelangt ist, wird es durch den Schlauch 164 zu dem Wärmetauscher 160 geführt, durch den Schlauch 166 zu dem äußeren, unter Druck gesetzten Behälter 162 und dann durch den Schlauch 168 zurück zu dem Dämpfer 30. Vorzugsweise sind die Schläuche 164, 166, 168, der Wärmetauscher 160 und der äußere, unter Druck gesetzte Behälter 162 alle so geformt und ausgestaltet, daß keine merkliche Strömungsbeschränkung geliefert wird. Auf diese Weise bleibt das Abblaseventil 102 die hauptsächliche Strömungsbeschränkung des Dämpfers 30, und der Wärmetauscher 160 stört nicht bei der Arbeitsweise, wie es oben beschrieben worden ist. Der äußere, unter Druck gesetzte Behälter 162 kann vollständig die Notwendigkeit von Druckgas innerhalb des Dämpfers 30 ausschließen.
Der äußere Wärmetauscher 160, der in Fig. 6 gezeigt ist, schafft bedeutende Vorteile gegenüber den Methoden nach dem Stand der Technik, entweder den Schwingungsdämpfer so zu bauen, daß er eine hohe Temperatur zulassen kann, oder einfach den Oberflächenbereich des Schwingungsdämpfers zu erhöhen, der zur Wärmeableitung zur Verfügung steht. Das Zusammenwirken zwischen der Pumpwirkung des Schwingungsdämpfers mit Strömung in einer Richtung und des äußeren Wärmetauschers schafft eine besonders wirksame Wärmeableitung.
Das System 10 und der Dämpfer 30 sind gut für ein aktives Federungssystern geeignet. Sie liefern eine sehr schnelle, preisgünstige, widerstandsfähige Modulation der Dämpfungskraft auf eine im wesentlichen von der Hubgeschwindigkeit des Dämpfers 30 unabhängige Weise. Die unelastische Verbindung, die von dem Ventilstift 108 geschaffen wird, minimiert die Menge an Steuerfluid, das durch das Servoventil 20 hindurchgeht, und minimiert dort die Größe, die Kosten und die Stromanforderungen des Servoventils 20. Ferner ist die von dem Ventilstift 108 geschaffene, steife Kopplung gut für eine sehr schnelle Reaktion geeignet. Das Gesamtsystem schafft den bedeutenden Vorteil, daß der Abblasedruck des Ventils 102 nahezu vollständig von dem Steuerdruck abhängt, der durch das Servoventil 20 geliefert wird. Dies ermöglicht, daß die elektronische Recheneinheit 12 eine bestimmte Dämpfungskraft im wesentlichen ohne Berücksichtigung der Hubgeschwindigkeit des Schwingungsdämpfers verlangen und erhalten kann. Vorzugsweise ist ein einzelner Treiber 18 für jeden der Dämpfer 30 reserviert, um eine einzelne Dämpfersteuerung während des Hubes des Dämpfers 30 zu ermöglichen. Das Servoventil 20 wird entweder unmittelbar an dem Dämpfer 30 oder in unmittelbarer Nähe des Dämpfers 30 an dem Fahrgestell angebracht werden.
Die Fig. 7 bis 9 stellen die Art dar, auf welche die Dämpfungskräfte eingestellt werden können, die von einem dem Dämpfer 30 ähnlichen Dämpfer zugeführt werden. Fig. 7 stellt ein herkömmliches Schleifendiagramm dar, bei dem die Dämpfungs kraft auf der Y Achse und die Ausdehnung des Dämpfers 30 auf der X Achse abgetragen sind. In Fig. 7 stellt jede Teilung auf der Y Achse 200 Pfund dar, und jede Teilung auf der X Achse stellt 0,5 Zoll dar. Die Ablenkzeit war 0,87 Sekunden. So wurde in Fig. 7 ein Dämpfer ähnlich dem Dämpfer 30 mit einer Hubamplitude von 3 Zoll bei einer Frequenz von 69 Zyklen pro Minute betätigt. Der der Steuerdrucköffnung 132 zugeführte Steuerdruck wurde mit drei bestimmten Werten moduliert, durch die drei einzelnen Schleifenkurven der Fig. 7 erzeugt wurden. Man beachte, daß innerhalb jeder Schleife die Dämpfungskraft im wesentlichen unabhängig von der Hubgeschwindigkeit oberhalb einer Schwellengeschwindigkeit ist sich aber stark mit Änderungen beim Steuerdruck ändert.
Fig. 8 zeigt eine Schleifenkurve ähnlich derjenigen der Fig. 7, bei der der Steuerdruck bei 20 Hz unter Verwendung einer Rechteckwelle moduliert worden ist. Man beachte, daß die Dämpfungskraft wiederholt während jeden Hubes moduliert wird. Fig. 8 zeigt klar, daß das System 10 eine Dämpfungskraft liefern kann, die abnimmt, wenn die Hubgeschwindigkeit zunimmt. Dieses Ergebnis ist entgegengesetzt zu demjenigen, das mit vielen herkömmlichen Dämpfern erreicht wird.
Fig. 9 zeigt eine graphische Darstellung, bei der die X Achse der Zeit entspricht, wobei jede Teilung der X Achse gleich 100 Millisekunden ist. Die untere Kurve stellt den Steuereingang zu dem Treiber 18 dar, der eine 40 Hz Rechteckwelle ist. Die obere Kurve stellt die Dämpfungskraft bei einen dem Dämpfer 30 ähnlichen Dämpfer dar, der mit einer Frequenz von 69 Zyklen pro Minute mit einer Hubamplitude von 3 Zoll betrieben worden ist. Man beachte, daß die Dämpfungskraft mit 40 Hz moduliert ist. In dem System, das verwendet wird, die Kurven der Fig. 9 zu erzeugen, wurde der Strom zu dem Servoventil zwischen 0 und 100 mA geändert, was eine Änderung bei dem Steuerdruck zwischen 10 und 200 psi ergab. Fig. 9 stellt in keiner Weise die optimale mit dieser Erfindung erreichbare Leistung dar, und weitere Verbesserungen bei der Reaktionszeit können ohne weiteres erhalten werden.
Einfach kann beispielsweise bei dieser Ausführungsform das Servoventil 20 von der Art sein, wie es von Holley Automotive Division of Colt Industries, Inc. als ihr Variable Force Solenoid Regulator vertrieben wird, und der Servoventiltreiber 14 kann von der Art sein, wie er von Datatran Labs, Inc. als Modell PWM vertrieben wird. Alternativ können der Treiber 18 und das Servoventil 20 von HSC Controls, Inc. als Modell 58C erhalten werden. Die Servoventile 20 liefern den Vorteil fortlaufender Modulation des Steuerdrucks. Jedoch kann es bei einigen alternativen Ausführungsformen bevorzugt werden, Solenoidventile zu verwenden, die eine Vielzahl von einzelnen Steuerdrücken haben. Alternativ kann eine schnellwirkende Pumpe als die sehr schnelle Steuereinrichtung für den Druck verwendet werden, wodurch die Notwendigkeit eines Druckmodulierventils zusätzlich zu der Pumpe ausgeschlossen wird. Da mehrere Bereiche der Basis 32 belüftet werden, wird bevorzugt, korrosionsfeste Materialien, wie rostfreien Stahl, für die Elemente, wie die Feder 146, zu verwenden. Vorzugsweise sind der Körper 46 und die Abdeckung 48 der Kopfeinrichtung 44 für den inneren Zylinder aus einem Material hergestellt, wie gesintertem Eisen, das eine minimale Dichte von mindestens 6,1 Gramm pro Kubikzentimeter mit einer 125 Mikroendbearbeitungsoberfläche aufweist. Die Stangenbohrung des Körpers 46 sollte bevorzugt auf Größe feingeschliffen werden, wobei ein 8 Mikroendbearbeitungsoberfläche gelassen wird. Die Abdeckung 48 kann an dem Körper 46 unter Verwendung eines Klebemittels, wie Loctite (TM) 620, befestigt werden. Das freie Ende der Kolbenstange 60 und die Basis 32 sind ausgestaltet, daß sie in das Federungssystem eines Fahrzeugs, wie eine Autos oder Lastwagens, eingebaut werden können.
Der Druckeingang zu dem Servoventil 20 kann durch eine Vielzahl von Pumpen geliefert werden. Eine besondere Pumpe kann statt der Servopumpe 22 verwendet werden. Alternativ kann, wie es in unserem US Patent 4,838,394 beschrieben ist, hydraulischer Druck von dem Dämpfer 30 abgezogen werden, um einen Akkumulator auf zuladen, der seinerseits dasservoventil 20 beliefert.
Aus dem Vorstehenden sollte es offensichtlich sein, daß ein verbessertes Dämpfungssystem und Dämpfer beschrieben worden sind, die für ein sehr schnelles Ansprechen geeignet sind, das für aktive Dämpfer verlangt wird, und die zuverlässig, widerstandsfähig und relativ preiswert herzustellen sind, und die, wenn es notwendig ist, mit einem äußeren Wärmetauscher zur verbesserten Wärmeableitung verbunden werden können.
Natürlich versteht es sich, daß ein weiter Bereich an Änderungen und Abwandlungen bei der bevorzugten Ausführungsform gemacht werden können, die oben beschrieben worden ist. Beispielsweise können andere Arten von fluidbetriebenen Betätigungseinrichtungen, wie Membranen und Balgen, statt der obenbeschriebenen Steuerkolben verwendet werden. Ähnlich kann das Abblaseventil 102 durch andere Arten von Konstantdruckventilen, wie Kugel- und Sitzventile, ersetzt werden. Ferner können Einzelheiten der Konstruktion abgeändert werden, wie es erwünscht ist, um zu besonderen Anwendungen und bestimmten Herstellungstechniken zu passen. Es ist deshalb beabsichtigt, daß die vorstehende, ins einzelnde gehende Beschreibung als erläuternd statt einschränkend betrachtet werden soll, und daß verstanden wird, daß es die folgenden Ansprüche sind, einschließlich aller Äquivalente, die den Bereich dieser Erfindung definieren sollen.

Claims

1. Ein Schwingungsdämpfer (30), der auf Fluiddruck in einem Steuerkreis (20, 22) reagiert, wobei der genannte Schwingungsdämpfer (30) umfaßt:

einen Zylinder (40);

einen Kolben (58), der in dem Zylinder (40) angeordnet ist, um eine erste und zweite Kammer (90, 92) auf entgegengesetzten Seiten davon zu begrenzen;

mindestens einen Durchgang (52, 54, 56, 100, 106), der die erste und zweite Kammer (90, 92) so verbindet, daß die Bewegung (58) in den Zylinder (40) in einer ausgewählten Richtung ein hydraulisches Arbeitsfluid von der ersten Kammer (90) durch den Durchgang (52, 54, 56, 100, 106) in einer ausgewählten Richtung zwingt;

ein im wesentlichen Konstantdruckventil (102), das in dem Durchgang (52, 54, 56, 100, 106) angeordnet und wirksam ist, die Fluidströmung durch den Durchgang (52, 54, 56, 100, 106) zu beschränken, um eine Dämpfungseigenschaft des Schwingungsdämpfers (30) zu bestimmen;

eine fluidbetriebene Betätigungseinrichtung (124), die auf den Fluiddruck in einem Steuerkreis (20, 22) reagiert;

gekennzeichnet durch eine im wesentlichen unelastische Verbindung (108), die die fluidbetriebene Betätigungseinrichtung (124) und das im wesentlichen Konstantdruckventil (102) so koppelt, daß Kräfte, die durch das Steuerfluid auf die fluidbetriebene Betätigungseinrichtung (124) aufgebracht werden, durch die Verbindung (108) auf das Ventil (102) aufgebracht werden, wodurch der Druck des hydraulischen Arbeitsfluids hinter dem Ventil (102) und die Dämpfungscharakteristik des Schwingungsdämpfers eingestellt werden.

2. Ein Schwingungsdämpfer, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsdämpfer ferner eine Einrichtung (144, 146, 148) umfaßt, die selektiv arbeitet, wenn Fluiddruck in dem Steuerkreis (20, 22) unterhalb eines ausgewählten Wertes während einer ausgewählten Zeitdauer bleibt, um das Ventil (102) geschlossen mit einer ausgewählten Vorbelastungskraft elastisch vorzubelasten.

3. Ein Schwingungsdämpfer, wie in Anspruch 1 oder Anspruch 2 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (102) die hauptsächlichen Strömungsbeschränkung in mindestens einem Durchgang so liefert, daß sich die Dämpfungscharakteristik im wesentlichen weniger mit Änderungen bei der Geschwindigkeit des Kolbens (58) oberhalb einer Schwellengeschwindigkeit als mit Änderungen des Fluiddrucks in dem Steuerkreis (20, 22) ändert.

4. Ein Schwingungsdämpfer, wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die fluidbetriebene Betätigungseinrichtung einen Steuerkolben (124) umfaßt, worin das Ventil (102) eine Ventilplatte (104) umfaßt und worin die Verbindung eine feste Stange (108) umfaßt, die den Steuerkolben (124) und die Ventilplatte (104) miteinander verbindet.

5. Ein Schwingungsdämpfer, wie in irgendeinem vorhergehenden Anspruch beansprucht, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Konstantdruckventil (102), die unelastische Verbindung (108) und die genannte fluidbetriebene Betätigungseinrichtung (124) zusammen als ein fluidbetriebener Druckregler wirken, der mit dem Durchgang (100) gekoppelt ist, um den Fluiddruck in dem Durchgang (100) und deshalb in der ersten Kammer (90) in Reaktion auf den Fluiddruck in dem Steuerkreis (20, 22) so zu steuern, daß sich der Fluiddruck in dem Durchgang (100) im wesentlichen weniger durch Änderungen bei der Geschwindigkeit des Kolbens (58) oberhalb einer Schwellengeschwindigkeit als mit Änderungen beim Fluiddruck in dem Steuerkreis (20, 22) ändert.

6. Schwingungsdämpfer, wie in irgendeinem vorhergehenden Anspruch beansprucht, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (58) das hydraulische Arbeitsfluid durch den Durchgang (52, 54, 56, 100, 106) in derselben Strömungsrichtung unabhängig von der Bewegungsrichtung des Kolbens (58) in den Zylinder (40) so zwingt, daß das Ventil (102) die hauptsächliche Strömungsbeschränkung für die Bewegung des hydraulischen Arbeitsfluids während sowohl der Ausdehnung als auch des Zusammendrückens des Schwingungsdämpfers (30) liefert.

7. Ein Schwingungsdämpfer, wie in Anspruch 2 beansprucht, der ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß die elastische Vorbelastungseinrichtung (144, 146, 148) umfaßt:

eine Feder (146),

eine Verbindung (148), die die Feder (146) mit der fluidbetriebenen Betätigungseinrichtung (124) koppelt; und

eine zweite, fluidbetriebene Betätigungseinrichtung (124), die auf Fluiddruck in dem Steuerkreis (20, 22) reagiert, um die Feder (148) zusammenzudrücken und die Verbindung (146) von der erstgenannten, fluidbetriebenen Betätigungseinrichtung (124) abzukoppeln.

8. Ein aktives Schwingungsdämpfersystem (10) für ein Fahrzeugfederungssystem, wobei das genannte Schwingungsdämpfersystem (10) umfaßt:

einen Schwingungsdämpfer (30) wie er in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 definiert ist; und

einen Steuerkreis (20, 22), der ein Steuerfluid enthalten kann;

wobei das genannte System eine sehr schnelle Drucksteuereinrichtung (20) umfaßt, die wirksam ist, den Fluiddruck in der Steuerschaltung mit einer maximalen Reaktionsfrequenz von mindestens oberhalb 8 Hz zu steuern, wodurch die sehr schnelle Einstellung der Därnpfungscharakteristik des Schwingungsdämpfers (30) durchgeführt wird.

9. Ein System wie in Anspruch 8 beansprucht, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die sehr schnelle Drucksteuereinrichtung (20) für den Schwingungsdämpfer (30) reserviert ist, so daß der Schwingungsdämpfer (30) der einzige Schwingungsdämpfer ist, der von der Steuereinheit gesteuert wird.