Geräuschoptimierter Schwingungsdämpfer

(Beschreibung)

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen geräuschoptimierten Schwingungsdämpfer gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Bei einem Schwingungsdämpfer wird bei jeder Hubbewegung einer Kolbenstange Dämpfmedium durch ein Dämpfventil verdrängt. Ausgehend von einer Ruhelage der Kolbenstange wird das Dämpfmedium komprimiert. Das in einem Arbeitsraum des Schwingungsdämpfers komprimierte Dämpfmedium wirkt auf alle den Arbeitsraum begrenzenden Bauteile und übt eine Kraft aus, die als Geräusch hörbar sein kann. Dieser Effekt tritt auch dann auf, wenn sich die Druckvorspannung durch das Dämpfventil abgebaut hat. Es kann z. B. sein, dass sich der Zylinder des Schwingungsdämpfers in einem kaum feststellbaren Umfang unter Druck aufweitet und bei einer Entlastung wieder seine Ausgangsform einnimmt.

Stand der Technik

Bei verstellbaren Schwingungsdämpfern hat man daraufhin das Schaltverhalten des Dämpfventils dahingehend verändert, dass z. B. nur bis zu einem bestimmten Druckniveau geschaltet wird. Beispielhaft wird auf die DE 41 13 305 A1 verwiesen. Ein Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass die Dynamik des verstellbaren Dämpfventils leidet.

Ein alternativer Lösungsansatz bestand bisher darin, dass man die Dämpfventile in Richtung eines weicheren öffnungs- und Schließverhalten verändert hat. Des Weiteren kann man den Effekt in Grenzen umgehen, indem man ein amplitudenselektives Dämpfventil verwendet, wie z. B. in der DE 10 2004 015 065 A1 offenbart ist. Hochfrequente Anregungen mit kleiner Hubbewegung der Kolbenstange bewirken praktisch keine Druckerhöhung im Arbeitsraum des Schwingungsdämpfers, so dass auch keine Geräusche auftreten. Der gravierende

Nachteil dieser Lösung besteht jedoch darin, dass man deutlich in die Dämpfkraftkennlinie des Schwingungsdämpfers eingreift und damit u. U. bei einem betont sportlichen Fahrzeug eine zu weiche Dämpfkrafteinstellung hinnehmen müsste.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die insbesondere bei hochfrequenter Anregung des Schwingungsdämpfers auftretenden Geräuschprobleme zu beheben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass zusätzlich zum Ausgleichsraum ein Funktionselement mit mindestens einem Arbeitsraum verbunden ist, wobei das Funktionselement hochfrequente Schwingungen innerhalb des Dämpfmediums elastisch aufnimmt.

Mit dem Funktionselement wird der Schwingungsdämpfer akustisch abgestimmt. An einer klassischen Dämpfkraft-Geschwindigkeitskennlinie wird man keinen Einfluss der Funktionseinheit feststellen und damit auch nicht aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile in Kauf nehmen.

Das Funktionselement weist zumindest ein Gehäuse mit mindestens zwei durch ein Trennelement voneinander abgedichteten Räumen auf, wobei in einem der Räume Dämpfmedium vorliegt. Baulich kann das Funktionselement wie eine Patrone vorgefertigt sein.

Die Funktionseinheit umfasst eine Drosselstelle, die ein Druckgefälle erzeugt, wobei das durch die Drosselstelle verdrängte Dämpfmedium von einem elastisch gelagerten Trennelement abgestützt wird.

Bevorzugt wird das Trennelement von einer Membran gebildet. Die Membran kann randseitig eingespannt sein. Zusätzlich kann man die Membran kissenförmig

ausgeführten, um z. B. eine akustische Bedämpfung auf zwei Anregungsfrequenzen zu erreichen.

Des Weiteren wird die Membran auf der dem Dämpfmedium abgewandten Seite von einer Stützeinrichtung in ihrer Deformation begrenzt, um eine gute Dauerfestigkeit zu erreichen.

Alternativ besteht die Möglichkeit, dass das Trennelement von einer zum Gehäuse abgedichteten, axial beweglichen Platte gebildet wird.

Zur Abdichtung des Trennelements zum Gehäuse bestehen verschiedene Lösungen. Beispielsweise kann das plattenförmige Trennelement von einem flexiblen Element abgedichtet werden, z. B. gemäß einem vorteilhaften Unteranspruch von einer Membran.

Man kann jedoch auch einen Faltenbalg verwenden. Ein wesentliches Entscheidungskriterium für eine bestimmte Ausführungsform liegt in der Baugröße der Funktionseinheit und den zu bedämpfenden Frequenzen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird das Trennelement von einem Gasdruck in dem dem Dämpfmedium abgewandten Raum des Gehäuses vorgespannt wird. Damit lässt sich ein vom Federweg abhängiges Bedampfen der störenden Geräusche erreichen.

Alternativ oder zusätzlich kann das Trennelement von einer mechanischen Feder in dem dem Dämpfmedium abgewandten Raum des Gehäuses vorgespannt werden. Es besteht z. B. die Möglichkeit, dass das Trennelement einen ersten Arbeitsweg gegen einen Gasdruck und im weiteren Arbeitsweg zusätzlich gegen eine mechanische Feder ausführt. Mit dieser Methode lassen sich mehrere Frequenzen bedampfen.

Des Weiteren kann wenigsten einer der Räume der Funktionseinheit zumindest teilweise mit einem schalldämpfenden Stoff gefüllt sein.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Drosselstelle in ihrer Drosselwirkung verstellbar ist.

Gemäß einem vorteilhaften Unteranspruch ist die Funktionseinheit innerhalb einer Druckanschlussverbindung zwischen den beiden Arbeitsräumen angeordnet. Es soll lediglich der Druck im Arbeitsraum auf die Funktionseinheit übertragen werden. Ein nennenswerter Volumenstrom in die Funktionseinheit ist nicht vorgesehen.

Bei einer ersten Variante ist die Druckanschlussverbindung innerhalb der Baugruppe Kolbenstange-Kolben ausgeführt. Der Vorteil besteht darin, dass mit einer Funktionseinheit bei Arbeitsräume und damit beide Bewegungsrichtungen der Kolbenstange akustisch bedämpft werden können.

Alternativ besteht die Möglichkeit, dass die Druckanschlussverbindung in einem Bypass zu mindestens einem Kolbenventil ausgeführt ist.

Man kann das Funktionselement jedoch auch außerhalb des Schwingungsdämpfers anordnen, wenn z. B. der Bauraum im Schwingungsdämpfer für eine interne Lösung nicht zur Verfügung steht.

Man kann die Funktionseinheit an einen druckvorgespannten Ausgleichsraum anschließen, um eine Abstützung des Trennelements zu erreichen.

Eine weitere Variante zeichnet sich dadurch aus, dass beide Arbeitsräume mit einer Funktionseinheit ausgeführt sind, wobei beide Funktionseinheiten in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und für jeweils einen Arbeitsraum ein separates Trennelement vorliegt, wobei die beiden Trennelemente einen Vorspannraum begrenzen.

Dabei besteht die Möglichkeit, dass der Vorspannraum über einem Druckmediumanschluss in seinem Druckniveau einstellbar ist.

Zusätzlich können die beiden Trennelemente eine unterschiedliche elastische Arbeitsbewegung ausführen.

Eine weitere Möglichkeit das Funktionselement im Schwingungsdämpfer zu platzieren besteht darin, dass man es an der Kolbenstange angeordnet.

Das Funktionselement weist eine ringförmige Bauform auf und umschließt damit die Kolbenstange.

Innerhalb des ringförmigen Funktionselements ist mindestens ein gasgefülltes Kissen angeordnet.

Wenn man mindestens eine Mantelfläche des Funktionselements mit mindestens einer Drosselöffnung ausgeführt, kann man die Deckflächen zur axialen Fixierung des Funktionselements an der Kolbenstange nutzen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 ; 3 - 5 Schwingungsdämpfer mit Funktionseinheit in verschiedenen Ausführungsbeispielen

Fig. 2 Beispielhafte Ausführung der Funktionseinheit

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Fig. 1 zeigt das Prinzipschaubild eines Schwingungsdämpfers 1 in Zweirohrbauweise. In einem Zylinder 3 ist eine Kolbenstange 5 mit einem Kolben 7

axial beweglich geführt. Der Kolben 7 unterteilt den Zylinder 3 in einen kolbenstangenseitigen und einen kolbenstangenfernen Arbeitsraum 9; 11 , wobei beide Arbeitsräume vollständig mit einem hydraulischen Dämpfmedium gefüllt sind. Im Kolben 7 und in einem Boden 13 sind allgemein bekannte Dämpfventile 15; 17; 19; 21 ausgeführt, die den Dämpfmediumaustausch zwischen den beiden Arbeitsräumen 9; 11 oder dem kolbenstangenfernen Arbeitsraum 11 und einem Ausgleichsraum 23 drosseln. Der Ausgleichsraum 23 kompensiert das Dämpfmediumvolumen der in den Zylinder 3 aus- und einfahrenden Kolbenstange 5

Bei jeder Anregung, die über den Zylinder 3 bzw. ein den Zylinder einhüllendes Behälterrohr 25 auf die Kolbenstange 5 des Schwingungsdämpfers 1 übertragen wird, wird das Dämpfmedium in einem Arbeitsraum 9; 11 komprimiert. Der Druck wirkt auf alle Flächen des betroffenen Arbeitsraums und öffnet eines der Dämpfventile 15 - 21 im Kolben und/oder im Boden. Während der öffnungsbewegung des Ventils anstehende Druckgradienten können ein Geräusch verursachen, das auch in einem Fahrzeug deutlich vernehmbar ist. In dem vorliegenden Schwingungsdämpfer 1 ist zusätzlich zum Ausgleichsraum 23 mindestens ein Arbeitsraum 9; 11 mit einer Funktionseinheit 27 verbunden, die hochfrequente Schwingungen innerhalb des Dämpfmediums elastisch aufnimmt.

Die Funktionseinheit 27 kann an verschiedenen Positionen am oder im Schwingungsdämpfer ausgeführt sein und umfasst zumindest ein Gehäuse 45 mit mindestens zwei durch ein Trennelement 37 voneinander abgedichteten Räumen 35; 41 , wobei ein Zwischenraum 35 an einen der Arbeitsräume 9; 11 des Schwingungsdämpfers 1 angeschlossen ist. Beispielsweise kann zwischen den beiden Arbeitsräumen 9; 11 eine Druckanschlussverbindung 29; 31 bestehen, innerhalb der die Funktionseinheit 27 angeordnet ist. In der linken Zeichnungshälfte liegt die Druckanschlussverbindung als eine Bypassleitung zu mindestens einem Kolbenventil 15; 17 außerhalb des Schwingungsdämpfers 1 vor. Alternativ kann die Funktionseinheit auch in einer Wandung des Zylinders 3 oder einer Kolbenstangenführung 46 positioniert sein.

Des Weiteren umfasst die Funktionseinheit 27, wie die Fig. 2 zeigt, mindestens eine Drosselstelle 33, die eine Druckdifferenz zwischen einem der Arbeitsräume 9; 11 und dem Zwischenraum 35 innerhalb der Funktionseinheit bewirkt. Die Drosselstelle 33 kann manuelle oder mittels eines nicht dargestellten Aktuators verstellbar sein. Der Zwischenraum wird von einem Trennelement 37, z. B. einer Membran begrenzt und kann eine Betriebsbewegung, z. b. eine elastische Deformationsbewegung, ausführen. Das durch die Drosselstelle 33 verdrängte und von dem Trennelement abgestützte Volumen ist sehr gering und auf einem Dämpfkraft-Geschwindigkeits-Diagramm nicht als Teilbereich der Dämpfkraftkennlinie erkennbar.

Die Membran 37 ist randseitig eingespannt und kann als geschlossene Scheibe oder kissenförmig ausgeführt sein. Auf der dem Dämpfmedium abgewandten Seite wird die Betriebsbewegung des Trennelements bzw. der Membran von einer Stützeinrichtung 43 beschränkt. In der linken Zeichnungshälfte kommt eine ein plattenförmiges Trennelement zur Anwendung, das von einer Vorspannfeder 39 vorgespannt wird. In der rechten Ausführung liegt ein nachgelagerter Druckraum 41 mit einer Gasvorspannung vor. Zusätzlich wird ggf. noch mindestens ein Stützgitter 43 verwendet. Man kann aber auch eine Gasvorspannung und die mechanische Vorspannfeder kombinieren, um mehrere Geräuschfrequenzen zu bedampfen. Zur Abdichtung des plattenförmigen Trennelements zum Gehäuse stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Man kann z. B. eine ringförmige Membran, aber auch einen Faltenbalg 46 verwenden. Die Membran muss keine Eigenelastizität aufweisen, sondern kann auch von einem Gewebe oder einer Folie gebildet werden.

Im Zwischenraum 35 kann zusätzlich ein schalldämpfender Stoff 48 enthalten sein, wie er z. B. zum Verpacken empfindlicher Güter bekannt ist.

Bei einer Kolbenstangenbewegung stützt sich die Dämpfmediumsäule in einem Arbeitsraum an der Drosselstelle 33 ab, wobei in dem Arbeitsraum der Druck p1

vorliegt. Die Drosselstelle 33 bewirkt ein Druckgefälle, so dass in dem Zwischenraum 35 ein im Vergleich zum Druck p1 kleinerer Druck p2 herrscht, der eine Verstell- oder Deformationsbewegung des Trennelements 37 bewirkt. Bei niederfrequenten (< 50 Hz) quasistatischen Dämpferschwingungen sind diese Bewegungen und die damit verursachten änderungen der Volumina im Funktionseinheit 27 im Vergleich mit Dämpferarbeitsräumen vernachlässig klein, so dass der Funktionseinheit 27 kein Einfluss auf Dämpferschwingungen aufweist.

Bei einer öffnungs- bzw. Schließbewegung des Dämpfventils im Kolben oder im Bodenventil findet eine hochfrequente (>100 Hz) Anregung der Dämpferstruktur statt. Diese Anregung wird ebenfalls in Form von Druckimpulsen auf die

Funktionseinheit 27 übertragen, die in der Funktionseinheit 27 Verstell- oder

Deformationsbewegung des Trennelements 37 anregen. Die Schwingungsenergie in einem bestimmten Frequenzbereich wird damit aus der Dämpferstruktur eliminiert. Die hochfrequente Schwingungen (Geräusche) werden von der

Funktionseinheit 27 bedämpft.

Die Schwingungsdämpfung kann am Ausführungsbeispiel Funktionseinheit 27 im oberen Dämpferarbeitsraum 9 folgendermaßen erklärt werden.

Für impulsartiges (mit der Beschleunigung) Verdrängen des öls durch die Drosselstelle ist die notwendige Kraft gleich der Kraft die für die Beschleunigung der Masse des sich in ihr befindenden öls benötigt wird:

dp_9 ^* FFF - dp_A ^* FFF = M ^* W (1 )

mit

FFF - Querschnitt der Drossel 33 (m ² ) dp_9 ^* FFF - die Kraft dämpferseitig (Arbeitsraum 9) (N) dp_A ^* FFF - die Kraft im Funktionselement (Zwischenraum 35) (N)

W - Beschleunigung der masse M (m/sec ² )

M - die Masse des öles in der Drossel 33 (kg)

M = PP ^* FFF ^* LL (2) mit PP (kg/m ³ ) - die Dichte des öls

Es ist bekannt, dass für die sinusförmigen Schwingungen der Masse M die Trägheitskraft (F_in) ist gleich

F_in = M ^* W = - (M ^* ω ² ) ^* dx (3) mit dx - die Schwingungsamplitude des öles in der Drossel 33 (m) ω = 2π*Freq - Kreisfrequenz, (R/s)

Man kann auch für den Druckabfall (dp_9 - dp_A) schreiben:

(dp_9 - dp_A) = dp_in = - PP ^* LL ^* ( M ^* ω ² ) ^* dx (4)

Volumen, das in den Zwischenraum 35 durch die Drossel 33 strömt, ist gleich

dQ = FFF ^* dx (5)

mit dem Ersetzen dx von 5 in 4 folgt

(dp_9 - dp_A) = dp_in = - IND ^* ( M ^* ω ² ) ^* dQ (6)

Die Induktivität (Ind) berechnet sich folgendermaßen

Ind = PP ^* UFFF (kg/m ⁴ ) (7)

Das zusätzliche Volumen, das in den Zwischenraum 35 eintritt, vergrößert den Druck im Zwischenraum 35, wirkt über das Trennelement 37 auf das Luftvolumen 41 und/oder die mechanische Feder 39

dp_A = K_A ^* dQ (8) mit

K_A - ist die volumetrische Steifigkeit des Systems-„Luft - Membran" (PsJm ³ )

Nach dem Ersetzen (6) in (8) liegt folgende Gleichung vor: dp_9 = (K_a - Ind ^* ω ² ) ^* dQ = Kdyn'dQ (9)

Auf diese Weise besteht die volle dynamische Steifigkeit des Funktionselements 27 aus positiver (elastischer) Steifigkeit, die nicht von der Frequenz abhängig ist und negativer (Trägheits-) Steifigkeit, die abhängig von ω ² ist. Auf bestimmte (Resonanz-) Frequenzen kann die Steifigkeit Kdyn durch die Abstimmung K_a und Ind minimiert werden (nah an der Null). Dadurch werden die im Zwischenraum 35 durch Druckschwingungen dp_9 verdrängten Massen sehr groß. Die änderungen des ölvolumens im Zwischenraum 35 werden damit vergleichbar mit denen im Arbeitsraum 9 des Dämpfers, was der Wirkung des Funktionselements auf dieser Frequenz bestimmt. Durch die Abstimmung K_a und Ind wird diese Wirkung frequenzselektiv gemacht.

Der Schwingungsdämpfer 1 in Verbindung mit der Funktionseinheit 27 ist mit einer Orgelpfeife vergleichbar, die durch die Anpassung der Wirkung der Drosselstelle 33, der Größe und der Kraftabstützung des Trennelements 37 derart abstimmbar ist, dass bei einer äußeren Anregung kein Geräusch zu hören ist.

In der Ausführung nach Fig. 3 ist die Funktionseinheit 27 in einem Schwingungsdämpfer 1 nach dem Einrohrprinzip dargestellt. Der Fülldruck des Gases im Ausgleichsraum 23 dient als Abstützung des Trennelements 37 in der Funktionseinheit, in dem zwischen dem Ausgleichsraum 23 und dem Gehäuse 45 der Funktionseinheit die Druckanschlussverbindung 29; 31 vorliegt. Bei einem Einrohrschwingungsdämpfer sind im Kolben Dämpfventile 15; 17 für beide Bewegungsrichtungen ausgeführt, so dass das Dämpfmedium jeweils durch die

Druckanschlussverbindung 29 im kolbenstangenseitigen Arbeitsraum 9 an die Funktionseinheit 27 gekoppelt ist.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des Schwingungsdämpfers 1 , bei der beide Arbeitsräume 9; 11 mit einer Funktionseinheit 27a; 27b in einem gemeinsamen

Gehäuse angeordnet sind. Beide Funktionseinheiten 27a; 27b verfügen über ein separates Trennelement 37a; 37b, die einen Vorspannraum 47 begrenzen. Der

Vorspannraum 47 kann über einen Druckmediumanschluss 49 in seinem

Druckniveau eingestellt werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die beiden Trennelemente 37a; 37bb bedingt durch abweichende geometrische

Abmessungen und/oder Eigenelastizität eine unterschiedliche Arbeitsbewegung ausführen können.

Die Fig. 5 beschränkt sich in der Darstellung auf einen Ausschnitt der Kolbenstange 5 mit dem Kolben 7. Zwischen dem Kolben 7 und einem axialen

Befestigungsmittel auf der Kolbenstange 5 das Funktionselement 27 in ringförmiger

Bauweise angeordnet. In dem ringförmigen Gehäuse 45 sind Drosselöffnungen 33 ausgeführt. Man kann auch eine Gitterstruktur verwenden. In dem Ringraum zwischen dem Gehäuse und der Kolbenstange, der funktional dem Zwischenraum 35 gemäß der Fig. 2 entspricht, ist mindestens ein gasgefülltes Kissen 41 schwimmend angeordnet. Hinsichtlich der Funktion wird ebenfalls auf die Figur 2 verwiesen. Selbstverständlich kann eine derartige Funktionseinheit für beide

Arbeitsräume 9; 11 jeweils oberhalb und unterhalb des Kolbens 7 an der

Kolbenstange 5 und/oder dem Kolben 7 befestigt sein, wobei die Funktionseinheit für ihre eigene Wirksamkeit nicht befestigt sein müsste. Eine einfache schwimmende Lagerung wäre genauso möglich, doch konnten dann mechanische

Anschlaggeräusche auftreten, denen man abhelfen müsste.