DE3535287A1

DE3535287A1 - Schwingungsdaempfungssystem fuer fahrzeuge

Info

Publication number: DE3535287A1
Application number: DE19853535287
Authority: DE
Inventors: Heinz Knecht; Bernd Dipl Ing Moser
Original assignee: Boge GmbH
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1985-10-03
Filing date: 1985-10-03
Publication date: 1987-04-16
Also published as: DE3535287C2; FR2588343B1; FR2588343A1; US4749069A; IT8621220A0; JPH0427414B2; IT1213454B; JPS6283208A; BR8603791A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schwingungsdämpfungssystem für Fahrzeuge, bestehend aus mindestens einem hydraulischen, regelbaren Stoßdämpfer, der mit einem an einer Kolbenstange befestigten Arbeitskolben den Arbeitszylinder in zwei mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllte Arbeitsräume unterteilt, wobei parallel zum Arbeitszylinder ein in einem Bypaß angeordnetes, aus einem mit einem Durchlaß zusammenarbeitenden, axial beweglichen, steuerbaren Ventilkörper bestehendes, einen Elektromagneten aufweisendes und über eine angepaßte Elektronik ansteuerbares Dämpfungsventil vorgesehen ist, welches je nach Schalteinstellung eine obere und untere Dämpfungskraft im Verhältnis zur jeweiligen Kolbengeschwindigkeit erzeugt.

Es sind hydraulische Stoßdämpfer bekannt, (z. B. DE-AS 12 42 945, DE-AS 14 05 781, FR-PS 11 75 293), deren Dämpfungscharakteristik durch Ändern des Flusses des hydraulischen Dämpfungsmittels durch die Dämpfungsventile elektromagnetisch regelbar ist. Dabei werden zwei Bypaßverbindungen vorgesehen, von denen die erste Verbindung generell zur Regelung der Dämpfungskraft in der Zugstufe gegenüber der Druckstufe dient. Zur Änderung der Dämpfungskraft bei unterschiedlichen Straßenbedingungen in der Zugstufe ist zusätzlich eine weitere Bypaßverbindung vorgesehen, in der ein elektromagnetisch steuerbares Ventil angeordnet ist. Nachteilig ist hierbei, daß eine Beeinflussung der Dämpfungskraft in der Druckstufe nicht vorgesehen ist. Darüber hinaus lassen sich mit einem Elektromagneten, der entweder in Auf- oder Zustellung schaltbar ist, nur eine entsprechende obere und untere Dämpfungskraftkennlinie erzielen. Zwischenwerte sind dabei nicht erreichbar.

Darüber hinaus sind hydraulische, einstellbare Dämpfer bekannt (z. B. DE-OS 21 19 531), bei denen ein erstes Dämpfungselement und zusätzlich eine mit einem Regelventil ausgestattete Leitung vorgesehen ist. Dabei ist in einer geschlossenen Schleife ein Regelventil und ein Dämpfungselement jeweils separat angeordnet. Die Einstellung des Regelventiles erfolgt dabei manuell oder durch die Wirkung eines der Fahrzeugorgane. Dabei ist von Nachteil, daß bei Betätigen des Regelventiles wiederum lediglich eine obere und eine untere Dämpfungskraftkennlinie erzielbar ist, wobei zwischen diesen beiden Grenzwerten eventuell gewünschte Dämpfungswerte durch ein bloßes Ein- und Ausschalten des Regelventiles nicht erzielt werden könen. Außer den gegebenen Grenzwertlinien ist eine weitere Variabilität nicht gegeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, daß Bypaßventil eines Stoßdämpfers elektronisch so anzusteuern, daß eine gewünschte, variierbare Dämpfungskraft sowohl in der Zug- wie auch in der Druckstufe zwischen zwei fest definierten Grundkennlinien über die Strombeaufschlagung des Elektromagneten erzielt wird und wobei darüber hinaus durch die Gestaltung des Ventilkörpers kurze Umschaltzeiten gewährleistet sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die zwischen einer oben bei ausgeschaltetem und einer unteren bei eingeschaltetem Dämpfungsventil erzeugte Dämpfungskraft über die Wahl des Tastverhältnisses einstellbar ist und daß die Dämpfungskraft gleich der oberen Dämpfungskraft abzüglich der Differenz von der oberen Dämpfungskraft und der unteren Dämpfungskraft multipliziert mit dem Tastverhältnis ist.

Bei dieser Ausbildung ist von Vorteil, daß eine Dämpfungskraftbeeinflussung durch Modulation der Dauer des Einschaltimpulses des Dämpfungsventiles im Bypaßkanal erreicht wird. Dies bedeutet, daß sich durch Änderung des Tastverhältnisses zwischen Öffnen und Schließen des Ventilkörpers die Dämpfungskraft zwischen zwei fest definierten Grundkennlinien in effektiver Form variieren läßt. Die Grundkennlinien der Dämpfungskraft sind dabei durch die mechanischen Bauteile wie z. B. die Dämpfungsventile und der Querschnitt des Bypasses bestimmt. Das Tastverhältnis ist dabei das Verhältnis zwischen der eingeschalteten Zeit des Elektromagneten zu einer konstanten Zeitperiode.

Für den Fall, daß eine Dämpfungskraft bei einer bestimmten Kolbengeschwindigkeit geometrisch genau zwischen der oberen und der unteren Dämpfungskraftkennlinie gewünscht wird, so ist ein Tastverhältnis von 50% anzustreben, das bedeutet, daß innerhalb einer bestimmten Zeitkonstanten der Ventilkörper die Hälfte der Zeit geöffnet und die übrige Hälfte den Durchlaß verschließen muß. Die Stellgenauigkeit für die zwischen den Grenzwerten liegenden effektiven gewünschten Dämpfungskräfte ist dabei von der Höhe der Taktfrequenz des Elektromagneten abhängig. Das bedeutet, es muß eine entsprechende Auflösung vorhanden sein, woraus sich ergibt, daß je kleiner die Zeitkonstanten gewählt und ausführbar sind auch eine entsprechend bessere Auflösung erzielt werden kann.

Nach einem weiteren wesentlichen Merkmal ist vorgesehen, daß mindestens zwei Dämpfungsventile parallel im Bypaß angeordnet sind. Dabei kann mit Vorteil der Dämpfungskraftsprung zwischen dem oberen und unteren Grenzwert reduziert werden. Bei der Verwendung von z. B. zwei Dämpfungsventilen mit entsprechender elektronischer Ansteuerung läßt sich das durch die Impulsbreiten-Modulation beeinflußbare Verstellfeld in drei Teilfelder mit jeweils reduzierten Dämpfungskraftsprüngen aufteilen. Die drei Verstellfelder werden durch die vier möglichen Dämpfungskraftkennlinien erzeugt. Diese vier Dämpfungskraftkennlinien ergeben sich aus der Schaltkombination der beiden Dämpfungsventile, wobei z. B. beide Ventilkörper geschlossen sein können, das erste Ventil offen und das zweite Ventil geschlossen, das zweite Ventil offen und das erste Ventil geschlossen und als vierte Möglichkeit sind die beiden Ventilkörper beider Dämpfungsventile offen. Durch diese Schaltkombination ergeben sich die entsprechenden Dämpfungskennlinien, so daß Dämpfungskräfte in diesen drei einzelnen Verstellfeldern durch die Ansteuerung eines einzelnen oder beider Ventile zugleich erfolgt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Ventilkörper eine kleine Dichtfläche aufweist.

Eine besonders günstige Ausführungsform sieht vor, daß der Innendurchmesser der Dichtfläche kleiner ist als der Außendurchmesser des Ventilkörpers. Darüber hinaus kann vorgesehen werden, daß der Außendurchmesser der Dichtfläche größer ist als der Außendurchmesser des Ventilkörpers.

Hierbei ist von Vorteil, daß sich eine stabile, vom Arbeitsdruck des Stoßdämpfers geringfügig unterstützte Schließposition des Dämpfungsventiles ergibt. Im geöffneten Zustand des Ventilkörpers wirkt der vom Dämpfungsventil des Bypasses bestimmte Druck über die äußere Fläche des Ventilkörpers und unterstützt somit den Schließvorgang des Ventilkörpers. Die geometrischen Verhältnisse des Ventilkörpers lassen sehr kurze Umschaltzeiten zu. In Abstimmung der Teilflächen der gesamten Ventilkörperdichtfläche liegt die Möglichkeit, die Umschaltzeiten hydraulisch günstig zu beeinflussen. Diese hydraulische Unterstützung erlaubt darüber hinaus den Einsatz einer Ventilkörper-Rückstellfeder mit sehr geringen Rückstellkräften. Damit erhöht sich die für die Schaltzeit des Elektromagneten wichtige, freie Magnetkraft am Anker des für das Dämpfungsventil maßgebenden Elektromagneten.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in den Figuren schematisch dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 einen hydraulischen Stoßdämpfer mit einem Dämpfungsventil teils geschnitten

Fig. 2 ein Dämpfungsventil mit einem Elektromagneten als Einzelteil geschnitten

Fig. 3 ein Kraftgeschwindigkeitsdiagramm eines verstellbaren Stoßdämpfers mit einem Bypaß-Ventil

Fig. 4 ein Diagramm einer Dämpfungskraftbeeinflussung an der Stelle Vx (Kolbengeschwindigkeit)

Fig. 5 ein weiteres Kraftgeschwindigkeitsdiagramm mit vier verschiedenen Grundkennlinien und damit verbunden drei entsprechende Teilverstellfelder

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Schwingungsdämpfungssystem handelt es sich um ein Federbein in Zweirohrausführung. Das Prinzip der Erfindung kann allerdings auch in anderen Stoßdämpfertypen wie z. B. Einrohrstoßdämpfer, Gasdruckdämpfer oder dergleichen angewendet werden. Das in Fig. 1 dargestellte Federbein 1 besteht im wesentlichen aus dem Arbeitskolben 2, der Kolbenstange 3 und dem Arbeitszylinder 4. Der Arbeitskolben 2 unterteilt den Arbeitszylinder 4 in den oberen Arbeitsraum 5 und den unteren Arbeitsraum 6. Der Arbeitskolben 2 ist desweiteren mit Dämpfungsventilen bestückt. Im Boden des Arbeitszylinders 4 sind weitere Ventile angeordnet, über deren Querschnitte das durch die Kolbenstange 3 verdrängte Volumen in den Ausgleichsraum 16 verdrängt wird. Der Ausgleichsraum 16 wird durch die Wandung des Arbeitszylinders 4 und die Innenwandung des Mantelrohres 17 gebildet.

Vom oberen Arbeitsraum 5 über die Bohrung 18, den Bypaß 8 und über das Dämpfungsventil 7 ist eine Strömungsverindung in den Ausgleichsraum 16 vorgesehen. In dieser Strömungsverbindung steuert das Dämpfungsventil 7 einen variablen Flüssigkeitsumlauf.

In der Fig. 2 ist ein Dämpfungsventil 7 als Einzelheit gezeigt, wobei ausgehend vom Bypaßkanal 8 die Dämpfungsflüssigkeit durch den Durchlaß 9 vorbei am Ventilkörper 10 über die Bohrungen 19 am Federscheibenventil 20 vorbei in den Ausgleichsraum 16 strömt. Der Ventilkörper 10 ist gleichzeitig der Anker für den Elektromagneten 11. Der Ventilkörper 10 ist auf seiner dem Durchlaß 9 zugewandten Seite mit einer Dichtfläche 12 versehen, die gegenüber dem Durchlaß 9 abdichtet. Die Bohrung 21 des Ventilkörpers 10 gewährleistet, daß auf der Rückseite des Ventilkörpers an der Stirnseite 22 ein entsprechender Arbeitsdruck aufgebaut wird. Die Dichtfläche 12 des Ventilkörpers 10 weist einen Innendurchmesser 13 auf, dessen Fläche kleiner ist als die Stirnfläche der Stirnseite 22, so daß durch den Arbeitsdruck des Stoßdämpfers eine geringfügig unterstützte Schließkraft auf den Ventilkörper 10 wirkt. Durch die Abstimmung der Fläche der Stirnseite 22 gegenüber der Fläche des Innendurchmessers 13 besteht die Möglichkeit, die Umschaltzeiten des Elektromagneten hydraulisch günstig zu beeinflussen. Diese hydraulische Unterstützung des Ventilkörpers 10 erlaubt zudem den Einsatz einer Schaltventilrückstellfeder 23 mit sehr geringen Rückstellkräften. Damit erhöht sich die für die Schaltzeit wichtige, freie Magnetkraft am Anker (Ventilkörper 10) des Dämpfungsventiles 7.

Im geöffneten Zustand des Ventilkörpers 10 wirkt der vom Dämpfungsventil 20 des Bypaßventiles 7 bestimmte Druck über die vom Außendurchmesser 14 und 15 des Ventilkörpers 10 gebildete Fläche unterstützend auf den Schließvorgang des Ventilkörpers 10 des Dämpfungsventiles 7.

In Fig. 3 ist ein Kraftgeschwindigkeitsdiagramm des in Fig. 1 gezeigten Federbeines dargestellt. Dabei ist die Dämpfungskraft gegenüber der Kolbengeschwindigkeit aufgetragen. Die Kennlinie I stellt die Dämpfergrundkennlinie bei geschlossenem Ventilkörper 10 dar. Die Kennlinie II ist bei geöffnetem Ventilkörper 10 aufgenommen. Zwischen der Kennlinie I und der Kennlinie II ergibt sich ein Verstellfeld, welches Dämpfungskräfte abdeckt, die bei entsprechend beaufschlagtem Elektromagneten 11 erzielt werden können. Soll z. B. die Dämpfungskraft Fx bei einer Kolbengeschwindigkeit Vx erzielt werden, so ist nach Fig. 4 ein entsprechendes Tastverhältnis Tv einzustellen.

In Fig. 4 ist ein Beispiel für die Dämpfungskraftbeeinflussung an der Stelle Vx gezeigt. Dabei wird zum Zweck einer anschaulicheren Darstellungsform angenommen, daß Vx über eine längere Zeit t konstant ist. Die Dämpfungskraftlinie Fo _x ist ein Punkt aus der Grundkennlinie I der Fig. 3. Die Dämpfungskraft Fu _x stellt an der gleichen Stelle Vx einen Punkt der Grundkennlinie II der in Fig. 3 gezeigten Kennlinie dar. In diesem Diagramm ist das Tastverhältnis ein wichtiges Kriterium. Dabei ist das Tastverhältnis mit definiert
In prozentualer Form:

Bei einem Tastverhältnis von 100% wird die Grundkennlinie I erzielt, da der Bypaß über den Ventilkörper 10 geschlossen ist. Die Schließzeit ist zu 100% während einer Zeitkonstanten to gegeben. Wird bei einem Tastverhältnis von 0 der Bypaß 8 über den Ventilkörper 10 für die gesamte Zeit der Zeitkonstanten to geöffnet, so stellt sich die untere Grundkennlinie II ein. Soll nun als Beispiel ein geometrischer Mittelwert exakt zwischen der oberen Grundlinie I und der unteren Grundlinie II erzielt werden, so ist ein Tastverhältnis von 50% notwendig. Bei einem Tastverhältnis von 50% ist die Hälfte der Zeitkonstanten to der Ventilkörper 10 geschlossen und die übrige Hälfte in dieser Zeitkonstanten geöffnet.

Aus der Fig. 4 ist erkennbar, daß sich die Dämpfungskraft Fx je nach Wahl des Tastverhältnisses Tv zwischen Fo und Fu _x variieren läßt. Die Variation erfolgt nach der Formel

Fx = Fo _x - (Fo _x - Fu _x) · Tv

Es bedeuten dabei:
Fx = zu erzielende Dämpfungskraft
Fo _x = obere Dämpfungskraft bei einer Kolbengeschwindigkeit Vx
Fu _x = untere Dämpfungskraft bei einer Kolbengeschwindigkeit Vx
Tv = Tastverhältnis

Nach dieser Formel läßt sich jede beliebige weitere Kennlinie zwischen diesen extremen Grundkennlinien erzielen, indem die Formel nach dem Tastverhältnis aufgelöst wird und der entsprechende Wert zur Ansteuerung des Elektromagneten 11 verwendet wird. Dabei ist erkennbar, daß die Stellgenauigkeit für den Elektromagneten für den jeweils zwischen der oberen und der unteren Grenze liegenden Wert der effektiven Dämpfungskraft Fx von der Höhe der Taktfrequenz des Elektromagneten abhängig ist.

Bei der in Fig. 4 dargestellten idealisierten Form des Kraftverlaufes F über die Zeit t liegt im praktischen Einsatzfall nicht vor, da die Aufbau- und achsseitigen Befestigungselemente des Stoßdämpfers, Reifen und sonstige Lagerungen in der Ausführungsgeometrie durch ihr elastisches Verhalten eine verrundete Verlaufsform bewirken.

Beim Kraftgeschwindigkeitsdiagramm der Fig. 5 handelt es sich um Kennlinien, die bei Verwendung von z. B. zwei Dämpfungsventilen 7 entstehen. Das Ziel dieser Anwendung ist, den Dämpfungskraftsprung zwischen Fo und Fu zu reduzieren. Bei Verwendung von zwei Dämpfungsventilen 7 läßt sich das durch Impulsbreiten-Modulation beeinflußbare Verstellfeld in drei Teilfelder mit jeweils reduzierten Dämpfungskraftsprüngen aufteilen. Es zeigen dabei die Dämpfungskraftgrundkennlinien I bis IV, die durch die Schaltkombination der Dämpfungsventile 7 entstehen.

Bei der Grundkennlinie I sind beide Ventilkörper 10 geschlossen, die Grundkennlinie II zeigt einen ersten Ventilkörper 10 geöffnet und den zweiten geschlossen, die Kennlinie III bedeutet, daß der zweite Ventilkörper 10 geöffnet und der erste Ventilkörper dagegen geschlossen ist. In der Grundkennlinie IV sind beide Ventilkörper 10 geöffnet. Durch diese Schaltkombination ergibt sich die Möglichkeit der Kennlinienvariation in den einzelnen Teilverstellfeldern.

Das Teilverstellfeld 1 wird abgedeckt durch elektronische Beaufschlagung des Elektromagneten 11 des ersten Dämpfungsventiles 7, wogegen das zweite Dämpfungsventil 7 geschlossen bleibt. Das Teilverstellfeld 2 wird abgedeckt dadurch, daß beide Dämpfungsventile 7 über ihre Elektromagneten 11 arbeiten, wobei die Signale invers zueinander verlaufen. Beim Teilverstellfeld 3 ist das zweite Dämpfungsventil 7 geöffnet während das erste Dämpfungsventil 7 über seinen Elektromagneten den Ventilkörper 10 beaufschlagt. Auch in diesem Diagramm wird eine gewünschte Dämpfungskraft Fx bei der Geschwindigkeit Vx über die vorher genannte Formel:

Fx = Fo _x - (Fo _x - Fu _x) · Tv

erreicht. Die Einstellung der Dämpfungskräfte ist somit jeweils in einem Teilverstellfeld gewährleistet und extreme Dämpfungskraftsprünge können dabei vermieden werden.

Bezugszeichenliste 1 - Stoßdämpfer
2 - Arbeitskolben
3 - Kolbenstange
4 - Arbeitszylinder
5 - oberer Arbeitsraum
6 - unterer Arbeitsraum
7 - Dämpfungsventil
8 - Bypaß
9 - Durchlaß
10 - Ventilkörper
11 - Elektromagnet
12 - Dichtfläche des Ventilkörpers
13 - Innendurchmesser der Dichtfläche
14 - Außendurchmesser des Ventilkörpers
15 - Außendurchmesser der Dichtfläche
16 - Ausgleichsraum
17 - Mantelrohr
18 - Bohrung
19 - Bohrung
20 - Federscheibenventil
21 - Bohrung
22 - Stirnseite
23 - Rückstellfeder

Claims

1. Schwingungsdämpfungssystem für Fahrzeuge, bestehend aus mindestens einem hydraulischen, regelbaren Stoßdämpfer, der mit einem an einer Kolbenstange befestigten Arbeitskolben den Arbeitszylinder in zwei mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllte Arbeitsräume unterteilt, wobei parallel zum Arbeitszylinder ein in einem Bypaß angeordnetes, aus einem mit einem Durchlaß zusammenarbeitenden, axial beweglichen, steuerbaren Ventilkörper bestehendes, einen Elektromagneten aufweisendes und über eine angepaßte Elektronik ansteuerbares Dämpfungsventil vorgesehen ist, welches je nach Schaltstellung eine obere und untere Dämpfungskraft im Verhältnis zur jeweiligen Kolbengeschwindigkeit erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen einer oberen (Fo) bei ausgeschaltetem und einer unteren (Fu) bei eingeschaltetem Dämpfungsventil (7) erzeugte Dämpfungskraft (Fx) über die Wahl des Tastverhältnisses (Tv) einstellbar ist und daß die Dämpfungskraft (Fx) gleich der oberen Dämpfungskraft (Fo _x) abzüglich der Differenz von der oberen Dämpfungskraft (Fo _x) und der unteren Dämpfungskraft (Fu _x) multipliziert mit dem Tastverhältnis (Tv) ist.

2. Schwingungsdämpfungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Dämpfungsventile (7) parallel im Bypaß (8) angeordnet sind.

3. Schwingungsdämpfungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (10) eine kleine Dichtfläche (12) aufweist.

4. Schwingungsdämpfungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser (13) der Dichtfläche (12) kleiner ist als der Außendurchmesser (14) des Ventilkörpers (10).

5. Schwingungsdämpfungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (15) der Dichtfläche (12) größer ist als der Außendurchmesser (14) des Ventilkörpers (10).