DE19738617A1 - Gasdruck-Stoßdämpfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasdruck-Stoßdämpfer nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 7.

Ein derartiger Gasdruck-Stoßdämpfer ist aus der DE 39 13 912 A1 bekannt. Der Stoßdämpfer dieser Druckschrift weist einen Arbeitszylinder auf, in dem ein an einer Kolbenstange befestigter Arbeitskolben axial verschieblich gelagert ist. Im Innenraum des Arbeitszylinders befindet sich ein mit Hydrauliköl gefüllter Arbeitsraum, der von dem Arbeitskolben in zwei Kammern geteilt wird. Bei einer axialen Bewegung des Arbeitskolbens durchströmt das Hydrauliköl einen Überströmkanal zwischen den beiden Kammern, wobei der Strömungswiderstand des Hydrauliköls der Bewegung des Arbeitskolbens entgegenwirkt.

Im Anschluß an den Arbeitsraum, zwischen einer der Kammern und der Stirnseite des Zylinders, ist im Innenraum ein gasgefüllter Druckraum angeordnet, der zum Volumenausgleich erforderlich ist und durch einen verschiebbaren Trennkolben von der unmittelbar benachbarten Kammer, der Kolbenkammer, getrennt ist. Eine Druckänderung in der Kolbenkammer, hervorgerufen durch eine Bewegung des Arbeitskolbens, bewirkt auch eine Verschiebung des Trennkolbens bis zum Druckausgleich zwischen dem gasgefüllten Druckraum und der Kolbenkammer.

Damit der Stoßdämpfer voll funktionsfähig ist, muß der Druckraum gegenüber der Kolbenkammer über den gesamten während des Arbeitsbetriebes auftretenden Druckbereich gas- und flüssigkeitsdicht isoliert sein. Dies erfordert eine aufwendig gefertigte Dichtung im Bereich des Trennkolbens, die mit hohem Reibschluß an der Innenwand des Arbeitszylinders anliegen muß, um die benötigte Dichtigkeit zu erreichen. Um den Trennkolben axial verschieben zu können, muß zunächst der Reibschluß der Trennkolben- Dichtung überwunden werden; kleinere Kräfte bewirken keine Verschiebung des Trennkolbens und es findet kein Volumenausgleich statt. Dies bedeutet, daß der Stoßdämpfer erst bei größeren Kräften anspricht und eine relativ hohe Steifigkeit hat. Insbesondere Kräfte höherer Frequenz und kleinerer Amplitude, die beispielsweise bei Radvertikalbewegungen von Kraftfahrzeugen entstehen, werden nur unzureichend gedämpft. Neben einem unerwünschten hohen Energierückfluß, der den Fahrkomfort beeinträchtigt, sind die Bauteile des Stoßdämpfers aufgrund der höheren auf sie wirkenden Kräfte einem erhöhten Verschleiß unterworfen.

Weiterhin ist nachteilig, daß die Dämpfungskennlinie des Stoßdämpfers von der Bewegungsrichtung der Kolbenstange abhängig ist. Beim Ausfedern soll keine Dämpfung wirken, beim Rückhub in die Mittellage soll der Dämpfer wirksam sein. Dies wird durch einen federbelasteten Druckventilkörper erreicht, der je nach Bewegungsrichtung einen ersten, dämpfungsfreien oder einen zweiten, mit Dämpfung behafteten Überströmkanal freigibt. Dieser Dämpfer, dessen Dämpfungseigenschaften von der Bewegungsrichtung abhängig sind, ist jedoch nicht universell einsetzbar. Darüberhinaus ist er konstruktiv kompliziert und störanfällig aufgebaut. Außerdem wird nicht das Problem gelöst, Kräfte unterschiedlicher Größe und Frequenz wirksam zu dämpfen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen gattungsgemäßen Gasdruck-Stoßdämpfer so auszubilden, daß sowohl niederfrequente als auch höherfrequente Schwingungen wirkungsvoll gedämpft werden.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 7 gelöst.

Durch den Einsatz eines separaten Gasspeichers mit elastischer Wandung kann der Trennkolben mit der aufwendigen Dichtung entfallen. Bei einer Druckbeaufschlagung und dadurch bedingter Volumenänderung des Gasspeichers entstehen praktisch keine Reibungskräfte, da lediglich die Form des elastischen Gasspeichers verändert wird, die Position des Gasspeichers im Innenraum des Zylinders sich aber im wesentlichen nicht ändert. Durch den Wegfall der Reibungskräfte kann der Stoßdämpfer auch kleinere Schwingungsamplituden besser dämpfen. Das Ansprechverhalten kann durch eine entsprechende Wahl des Materials der Gasspeicher-Wandung und des Gasspeicher- Innendruckes auf die jeweilige zu erwartende Belastung eingestellt werden.

Durch den Wegfall der Reibungskräfte im Bereich des Druckraumes ist das Kräfteniveau im Stoßdämpfer insgesamt reduziert. Dadurch werden zusätzliche elastische Deformationen der Dichtelemente, die bei kleinen Anregungen versteifend wirken, vermieden. Zudem ist der Verschleiß reduziert und die Standzeit des Stoßdämpfers erhöht.

Zweckmäßig ist die Wandung des Gasspeichers als Gummimembran in Form eines Torus ausgeführt. Die Gummimembran ermöglicht große elastische Deformationen bei hoher Dichtigkeit. Der torusförmige Gasspeicher kann besonders gut in den stirnseitigen Abschnitt im Innenraum des Arbeitszylinders eingesetzt werden, wobei vorteilhaft ein Klemmring im Zylinder angeordnet ist, um die Position des Gasspeichers zu fixieren.

Zur weiteren Verbesserung der Dämpfungscharakteristik können zusätzliche Maßnahmen wie elastische Axiallagerung an der Kolbenstange und besonders reibungsarm ausgebildete Überströmventile vorgesehen sein.

Das Dämpfungsverhalten kann erfindungsgemäß auch dadurch verbessert werden, daß zusätzlich zu dem Überströmkanal ein Überström-Bypass vorgesehen ist, der gegenüber dem Überströmkanal einen verminderten Strömungswiderstand hat. Zu Beginn einer Bewegung bzw. bei kleinen Bewegungen des Arbeitskolbens strömt das Hydraulikfluid zunächst nur durch den zusätzlichen angeordneten Überström-Bypass. Durch den verminderten Strömungswiderstand erfolgt auch nur eine geringe Dämpfung der Bewegung. Der Überström-Bypass kommuniziert mit dem Kolbenringspalt, der zwischen der Mantelfläche des Arbeitskolbens und der Innenwand des Arbeitszylinders ausgebildet ist. Der Kolbenring, der im Kolbenringspalt gelagert ist, kann dabei zwischen einer den Überström-Bypass freigebenden und einer den Überström- Bypass verschließenden Stellung verschoben werden. Bei kleinen Bewegungen befindet sich der Kolbenring zunächst in seiner freigebenden Stellung, so daß das Hydraulikfluid mit nur geringem Strömungswiderstand den Bypass durchströmen kann. Der Hauptströmungsweg durch den Überströmkanal bleibt dagegen aufgrund des größeren Widerstands, verursacht durch kraftbeaufschlagte, den Überströmkanal verschließende Ventilglieder, zunächst unberücksichtigt.

Sobald die Bewegungen des Arbeitskolbens sich wegen größerer, auf die Kolbenstange einwirkender Kräfte verstärken, wird der Widerstand der den Überströmkanal verschließenden Ventilglieder überwunden und das Hydraulikfluid fließt durch den Überströmkanal. Der Kolbenring wird in seine Schließstellung verschoben, in der der Bypass verschlossen ist und nicht mehr von dem Hydraulikfluid durchströmt werden kann. Das Hydraulikfluid muß nun den Weg durch den Überströmkanal nehmen.

Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß höherfrequente Anregungen zweckmäßig gedämpft werden, ohne die Dämpfungseigenschaften in bezug auf größere Amplituden geringerer Frequenz zu beeinträchtigen. Es lassen sich in großen Abstimmungsbereichen frequenzselektive Dämpfer darstellen, die insbesondere bei Kraftfahrzeugen den Fahrzeugaufbau im sicherheitstechnisch erforderlichen Rahmen stabilisieren und zugleich die Radvertikalbewegungen zugunsten des Abrollkomforts geringsten Versteifungen aussetzen.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnungen zu entnehmen, in der ein erfindungsgemäßer Gasdruck-Stoßdämpfer im Schnitt dargestellt ist.

Der insbesondere in Kraftfahrzeugen einzusetzende Gasdruck­ stoßdämpfer 1 besteht aus einem Arbeitszylinder 2, in dem ein Arbeitskolben 4, der an einer Kolbenstange 3 befestigt ist, axial verschieblich gelagert ist. Der Innenraum des Arbeitszylinders 2 ist vom Arbeitskolben 4 in zwei Kammern 5, 6 unterteilt, eine stangenseitige Stangenkammer 5 und eine kolbenseitige Kolbenkammer 6. Die beiden Kammern 5, 6 sind mit einem Hydraulikfluid, insbesondere mit Hydrauliköl, gefüllt. Eine Kolbenstangenbewegung, hervorgerufen durch eine auf die Kolbenstange 3 wirkende Kraft F, hat unmittelbar eine axiale Verschiebung des Arbeitskolbens 4 im Zylinder 2 zur Folge. Im Arbeitskolben 4 sind Zug-/Druckstufen-Überströmventile 15, 16 ausgebildet, die bei einer Bewegung des Arbeitskolbens vom Hydrauliköl durchströmt werden. Der Strömungswiderstand des Hydrauliköls dämpft die Bewegung des Arbeitskolbens 2 und damit auch der Kolbenstange 3.

Zwischen der Kolbenkammer 6 und der Stirnseite 21 des Arbeitszylinders ist im Innenraum ein Druckraum 10 vorgesehen. Der Druckraum 10 befindet sich in unmittelbarer Nachbarschaft zur Kolbenkammer 6 und ist als Gasspeicher 20 ausgebildet. Der Gasspeicher 20 weist eine elastische Wandung 11 auf, die insbesondere als Gummimembran ausgeführt ist. Der Gasspeicher 20 hat die Form eines Torus und liegt unmittelbar an der Innenfläche der Stirnseite 21 des Arbeitszylinders 2 an. Ein Klemmring 12 zwischen dem Gasspeicher 20 und dem Arbeitskolben 4 fixiert den Gasspeicher in seiner Lage im Arbeitszylinder 2.

Eine Druckänderung in der Kolbenkammer 6 bewirkt eine Volumenänderung des Gasspeichers 20. Die elastische und druckdichte, als Gummimembran ausgeführte Wandung 11 des Gasspeichers 20 dehnt sich unter der Wirkung eines geänderten Druckes infolge der Volumenänderung des Gasvolumens aus bzw. zieht sich zusammen. Die Gummimembran ist widerstandsfest und verschleißarm. Bei einer Formänderung des Gasspeichers 20, hervorgerufen durch Druckänderungen in der Kolbenkammer 6, müssen praktisch keine Reibungskräfte überwunden werden.

Anstelle einer Torusform kann der Gasspeicher auch als Ellipsoid oder in sonstiger Weise in Form eines gasgefüllten Druckkissens ausgebildet sein.

Die Überströmventile 15, 16 im Arbeitskolben 4 umfassen jeweils einen Überströmkanal 7, 8 und mehrere aneinander liegende Ventilplatten 17, 18, die die Ventilbeplattung bilden. Die Überströmventile 15, 16 arbeiten richtungsselektiv. Bei einer Bewegung des Arbeitskolbens 4 in Richtung der geschlossenen Stirnseite 21 des Arbeitszylinders 2 durchströmt das Hydraulikfluid das erste Überströmventil 15, dessen Überströmkanal 7 auf der der Kolbenkammer 6 zugewandten Seite offen ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Überströmkanals 7 sind die Ventilplatten 17 angeordnet, die durch den Druck des Hydraulikfluids axial in Richtung Öffnungsstellung verschoben werden und den Weg für das Hydraulikfluid von der Kolbenkammer 6 in die Stangenkammer 5 freigeben. Der Überströmkanal 8 des zweiten Überströmventils 16 ist bei dieser Bewegung durch die Ventilplatten 18 verschlossen.

Bei der umgekehrten Bewegung des Arbeitskolbens 4 in die der Stirnseite 21 entgegengesetzte Richtung strömt das Hydraulikfluid von der Stangenkammer 5 in die Kolbenkammer 6 durch den Überströmkanal 8 des zweiten Überströmventils 16, dessen Ventilplatten 18 in Öffnungsstellung versetzt werden. Zugleich werden die Ventilplatten 17 des ersten Überströmventils 15, die auf der der Stangenkammer 5 zugewandten Seite des Arbeitskolbens 4 gehalten sind, in ihre Schließstellung versetzt; der Weg durch den Überströmkanal 7 des ersten Überströmventils 15 ist damit versperrt.

Um den Öffnungswiderstand der Ventilplatten 17, 18 zu reduzieren, sind die einzelnen scheibenförmigen Ventilplatten mit einer reibungsmindernden Oberflächenschicht, vorzugsweise Teflon, versehen. Unmittelbar aneinander liegende einzelne Ventilplatten können dadurch mit geringem Kraftaufwand von ihrer Schließstellung in ihre die Mündung des Überströmkanals freigebende Öffnungsstellung verstellt werden.

Zusätzlich zur reibungsmindernden Oberflächenschicht oder alternativ hierzu können Distanzscheiben zwischen jeweils zwei einzelnen Ventilplatten angeordnet sein. Dies hat zur Folge, daß die Ölspaltdicke in Schließstellung der Ventilplatten vergrößert und der Öffnungswiderstand reduziert ist. Dies läßt sich gemäß einer weiteren Ausführung auch mit einem konvexen Querschnittsprofil der Ventilplatten erreichen.

Der Arbeitskolben 4 ist über elastische Axiallagerungen 13, 14 an der Kolbenstange 3 befestigt. Die elastische Axiallagerungen 13, 14 sind an beiden Stirnseiten des Arbeitskolbens 4 angeordnet. Jede Axiallagerung 13, 14 besteht aus zwei konvex geformten und einander zugewandten, axial nachgiebigen Lagerscheiben 22, 23.

Die Axiallagerungen bewirken, daß kleinere Anregungsamplituden primär über weichere Lagerverformungen gedämpft werden; es wird vermieden, daß diese kleineren Anregungsamplituden ausschließlich oder hauptsächlich über das härtere Grunddämpfungsverhalten beantwortet werden.

Gegebenenfalls kann zusätzlich ein Axialspiel zwischen Arbeitskolben 4 und Kolbenstange 3 vorgesehen sein.

Als weitere Maßnahme ist vorgesehen, daß die Kolbenstangendichtung 27, über die die Stangenkammer 5 nach außen abgedichtet ist, radial verlängerte Dichtlippen aufweist, um die wirksame Axialsteifigkeit bei unveränderter Dichtungswirkung herabzusetzen. Zu diesem Zweck können auch zusätzliche axiale Nachgiebigkeiten, beispielsweise Wellrohrkonturen, vorgesehen sein.

Jedem Überströmkanal 7, 8 ist ein zusätzlicher Überström- Bypass zugeordnet. Der Überström-Bypass als radial und axial verbreiterter Kolbenringspalt 9 zwischen der Mantelfläche des Arbeitskolbens 4 und der Innenwand 19 des Arbeitszylinders 2 ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist der Überström-Bypass als im wesentlichen radial verlaufendes, unidirektionales Rückschlagventil 25 bzw. 26 zwischen den Überströmkanälen 7, 8 und dem Kolbenringspalt 9 ausgebildet. In beiden Fällen übernimmt der Kolbenring 24 im Kolbenringspalt 9 die Aufgabe, in Abhängigkeit der Größe der Bewegung des Arbeitskolbens 4 den Überström-Bypass offen zu halten oder zu verschließen. Zu Beginn einer Bewegung des Arbeitskolbens 4, insbesondere bei einer Umkehr der Bewegungsrichtung der Kolbenstange 3, ist der Strömungswiderstand über den Überström-Bypass deutlich kleiner als der Widerstand, der der Strömung durch die Ventilplatten 17, 18 der Überströmventile 15, 16 entgegengesetzt wird. Dementsprechend strömt das Hydraulikfluid über den Bypass und die Dämpferkräfte sind sehr klein. Der Strömungsweg über den Bypass ist hierbei durch den Kolbenring 24 nicht behindert.

Größere Bewegungen erfordern entsprechend höhere Dämpferkräfte. Diese werden dadurch erreicht, daß der Kolbenring 24 eine Schließstellung, in der der Bypass verschlossen ist, einnimmt. Der Kolbenring 24, der zunächst bei Beginn der Kolbenbewegung aufgrund der Wandreibung unverändert in seiner Ausgangslage blieb, stößt im weiteren Verlauf der Bewegung an die Seitenwand des Kolbenringspalts 9 und wird von der Seitenwand gegen den Reibungswiderstand des Kolbenrings mitbewegt. In dieser Position befindet sich der Kolbenring in seiner den Bypass blockierenden Schließstellung; das Hydraulikfluid muß den Weg mit dem größeren Strömungswiderstand über das Überströmventil 15, 16 nehmen.

Der Kolbenring 24 ist bezüglich seiner Dimensionierung und seiner bevorzugt rechteckigen Querschnittsform besonders geeignet, den Überström-Bypass zu verschließen. Die axiale Breite des Kolbenrings 24 ist klein gegenüber der axialen Breite des Kolbenringspalts 9, um ausreichend Bewegungsspielraum für den Kolbenring in der ersten Phase kleiner Bewegungen zu schaffen. Die axiale Breite bzw. die radiale Dicke des Kolbenrings 24 ist andererseits groß genug, um sowohl die Strömungsöffnung des radial verlaufenden Rückschlagventils 25, 26 als auch die axiale Strömungsöffnung des Kolbenringspalts 9 verschließen zu können.

Die den Bypass bildenden Rückschlagventile 25, 26 sind unidirektional ausgebildet und ermöglichen nur einen Durchfluß des Hydraulikfluids über jeweiligen Kanal 7, 8 zum Kolbenringspalt 9. Hierfür weist jedes der Rückschlagventile 25, 26 eine in Richtung der Überströmkanäle 7, 8 federbelastete Kugel auf, die in einer Verjüngung des zum jeweiligen Rückschlagventil 25, 26 gehörenden Kanals festsitzt und nur in Richtung des Kolbenringspalts 9 zur Freigabe des betreffenden Kanals verschoben werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Gasdruck-Stoßdämpfer

2

Arbeitszylinder

3

Kolbenstange

4

Arbeitskolben

5

,

6

Kammer

7

,

8

Überströmkanal

9

Kolbenringspalt

10

Gasspeicher

11

Wandung

12

Klemmring

13

,

14

Axiallagerung

15

,

16

Überströmventil

17

,

18

Ventilplatten

19

Innenwand

20

Gasspeicher

21

Stirnseite

22

,

23

Lagerscheiben

24

Kolbenring

25

,

26

Rückschlagventil

27

Kolbenstangendichtung

Claims (10)

1. Gasdruck-Stoßdämpfer, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem in einem Arbeitszylinder (2) bewegbaren, an einer Kolbenstange (3) befestigten Arbeitskolben (4) , der den Arbeitszylinder (2) in zwei mit Hydraulikfluid gefüllte Kammern (5, 6) teilt, welche über mindestens einen Überströmkanal (7, 8) eines Überströmventils (15, 16) miteinander in Verbindung stehen, und mit einem gasgefüllten Druckraum (10) zwischen dem Arbeitskolben (4) und einer der Stirnseiten (21) des Arbeitszylinders (2) , dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (10) ein als separates Bauteil ausgeführter, druckdichter Gasspeicher (20) mit elastischer Wandung (11) ist.

2. Stoßdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (11) des Gasspeichers (20) als Gummimembran ausgeführt ist.

3. Stoßdämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasspeicher (20) torusförmig ausgebildet ist.

4. Stoßdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gasspeicher (20) und dem Arbeitskolben (4) ein Klemmring (12) angeordnet ist.

5. Stoßdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitskolben (4) über eine elastische Axiallagerung (13, 14) an der Kolbenstange (3) befestigt ist.

6. Stoßdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Überströmkanal (7, 8) Teil eines richtungsselektiven Zug-/Druckstufen-Überströmventils (15, 16) mit mehreren, den Überströmkanal (7, 8) verschließenden Ventilplatten (17, 18) ist, die eine reibungsmindernde Oberflächenschicht, insbesondere Teflon, aufweisen.

7. Gasdruck-Stoßdämpfer, insbesondere für Kraftfahrzeuge, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
mit einem in einem Arbeitszylinder (2) bewegbaren, an einer Kolbenstange (3) befestigten Arbeitskolben (4), der den Arbeitszylinder (2) in zwei mit Hydraulikfluid gefüllte Kammern (5, 6) teilt, welche über mindestens einen Überströmkanal (7, 8) eines Überströmventils (15, 16) miteinander in Verbindung stehen,
und mit einem verschiebbaren Kolbenring (24) in einem Kolbenringspalt (9) des Arbeitskolbens (4), dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem Überströmkanal (7, 8) ein mit dem Kolbenringspalt (9) kommunizierender Überström-Bypass (9, 25, 26) mit vermindertem Strömungswiderstand zwischen den beiden Kammern (5, 6) des Arbeitszylinders (2) angeordnet ist, wobei der Kolbenring (24) zwischen einer den Überström-Bypass (9) freigebenden und einer den Überström- Bypass (9) verschließenden Stellung verschiebbar ist.

8. Stoßdämpfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Überström-Bypass (9) der Kolbenringspalt (9) ist, der radial und axial verbreitert ausgebildet ist.

9. Stoßdämpfer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Überström-Bypass (25, 26) als radiales, unidirektionales Rückschlagventil (25, 26) im Arbeitskolbens (4) zwischen dem Überströmkanal (7, 8) und dem Kolbenringspalt (9) ausgebildet ist.

10. Stoßdämpfer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (25, 26) in Richtung des Kolbenringspalts (9) öffnet.