Warning: fopen(111data/log202008031754.log): failed to open stream: No space left on device in /home/pde321/public_html/header.php on line 107

Warning: flock() expects parameter 1 to be resource, boolean given in /home/pde321/public_html/header.php on line 108

Warning: fclose() expects parameter 1 to be resource, boolean given in /home/pde321/public_html/header.php on line 113
REGELBARE SCHWINGUNGSEINRICHTUNG - Dokument DE69705951T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69705951T2 04.04.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0907843
Titel REGELBARE SCHWINGUNGSEINRICHTUNG
Anmelder Lord Corp., Cary, N.C., US
Erfinder CARLSON, David, J., Cary, US;
ST. CLAIR, A., Kenneth, Cary, US;
CHRZAN, J., Michael, Apex, US;
PRINDLE, R., Donald, North East, US
Vertreter Zeitler & Dickel Patentanwälte, 80539 München
DE-Aktenzeichen 69705951
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 05.06.1997
EP-Aktenzeichen 979301918
WO-Anmeldetag 05.06.1997
PCT-Aktenzeichen US9710840
WO-Veröffentlichungsnummer 9800653
WO-Veröffentlichungsdatum 08.01.1998
EP-Offenlegungsdatum 14.04.1999
EP date of grant 01.08.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.04.2002
IPC-Hauptklasse F16F 9/46
IPC-Nebenklasse F16F 9/53   F16F 9/36   F16F 9/32   F16F 9/06   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich von regelbaren Schwingungseinrichtungen, wie etwa linear wirkende Fluiddämpfungseinrichtungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Verbesserungen von regelbaren Schwingungseinrichtungen, um geregelte Kräfte bereitzustellen. Bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung besitzen ihren besonderen Anwendungsbereich bei linearen und magneto-rheologischen (MR) Fluiddämpfern.

Hintergrund der Erfindung

Regelbare Schwingungseinrichtungen umfassen regelbare lineare und rotatorische Fluiddämpfer, Halterungen und ähnliches. Insbesondere umfassen magneto- rheologische Fluidvorrichtungen ein magneto-rheologisches Fluid, d. h. ein Medium mit magnetischen weichen Partikeln, die in einem Trägerfluid suspendiert sind. Ein MR-Fluid wird beschrieben in dem übertragenen amerikanischen Patent Nr. 5 382 373 (Carlson et al). MR-Dämpfer sind bekannt und umfassen sowohl rotatorische als auch linear wirkende Unterschiedlichkeiten. Rotatorische Vorrichtungen können zum Einsatz kommen als Bremsen, Kupplungen und ähnliches, um ein variables Drehmoment zur Verfügung zu stellen, während linear wirkende Einrichtungen eingesetzt werden können zum Dämpfen von linearen Bewegungen oder um geregelte Verteilkräfte bereitzustellen, entlang der Achse des Dämpfers. Beispielsweise sind MR-Einrichtungen als zweckmäßig empfunden worden in weiten, verschiedenartigen Bereichen. MR-Dämpfer sind in Fahrzeugmotorhalterungen eingebaut worden. Eine solche Einrichtung wird beschrieben in dem übertragenen amerikanischen Patent Nr. 5 398 917 (Carlson et al). Bei der Halterungsanwendung wird eine rheologische Änderung in dem MR-Fluid eingesetzt zur Steuerung der Motorbewegungen durch die Regelung des Dämpfungsniveaus hierin. Andere MR-Fluideinrichtungen werden beschrieben in den übertragenen amerikanischen Patenten Nr. 5 277 281 und 5 284 330 (Carlson et al), die axial wirkenden (linear) Dämpfer beschreiben, und die Einrichtungen umfassen dichtungslose Aufbauten, während sich das amerikanische Patent Nr. 5 492 312 (Carlson) auf MR- Einrichtungen mit mehreren Freiheitsgraden bezieht.

Die schwebenden Anmeldungen mit dem Aktenzeichen 08/613,704 mit dem Titel "Portable Controllable Fluid Rehabilitation Devices" und dem Aktenzeichen 08/304,005 mit dem Titel "Magneto rheological Fluid Devices and Process of Controlling Force in Exercise Equipment Utilizing Same" (beide Carlson et al) beschreiben rotatorische Dämpfer, die ein regelbares Fluid einsetzen für den Einsatz im Training und der Rehabilitation. Die schwebenden Anmeldungen mit dem Aktenzeichen 08/534,078 mit dem Titel "Controllable Seat Damper Systems and Control Methode Therefor" und dem Aktenzeichen 08/639,139 mit dem Titel "Control Methode for Semi-Active Damper" (beide Catanzarite) beschreiben den Einsatz und die Regelung von Dämpfern.

Eine Anzahl von Problemen sind aufgetreten bei der Entwicklung nutzbarer regelbarer Fluiddämpfer. Zunächst kann die Einbringung eines Ventils in den Kolben eines MR-Dämpfers entsprechend der Darstellung in den Fig. 9a-9d der US-PS 5 284 330 allgemein zu einem großen Bearbeitungsaufwand führen: Ein einzelner Metallblock wird ausgearbeitet, um einen Raum hierin zur Verfügung zu stellen für die Aufnahme der Spule; dann werden MR-Fluiddurchlässe hergestellt durch Bohren oder Bearbeiten mit Bohrern oder Schneidwerkzeugen von sehr kleinem Durchmesser. Eine solche Bearbeitung ist zeitaufwendig und arbeitsintensiv, was zu einem hohen Kostenanteil führt. Dementsprechend wird ein Ventilaufbau benötigt, der magnetisch äquivalent ist und sich einfach herstellen läßt.

Als zweites ist es schwierig, einen elektrischen Strom zu der steuerbaren Einrichtung zur Verfügung zu stellen, um die Kräfteeigenschaften der Einrichtung zu justieren. Die elektrische Verbindung einer Leistungs-/Stromquelle an ein sich bewegendes Element wird in der übertragenen amerikanischen Patentschrift Nr. 5 323 133 angesprochen. Während diese Lösung für manche Anwendungen geeignet ist, führt die Abdichtung der elektrischen Leitung in eine Fluidkammer hinein zu Druckschwierigkeiten. Das Abdichtungsproblem wird in manchen Anwendungen erhöht, wie etwa bei Dämpfern, da der Fluiddruck über 500 psi hinausgehen kann. Eine kosteneffektive und vorzugsweise Hochdruckbehandlungslösung zur Bereitstellung elektrischer Leistung für Schwingungenregeleinrichtungen und insbesondere für elektrisch steuerbare Ventile in Dämpfern wird benötigt. Darüber hinaus ist ein einfacheres und leichteres Herstellen von internen elektrischen Anschlüssen für die steuerbaren Kräftekomponenten (z. B. steuerbare Ventile) ebenfalls gesucht.

Die DE-A-3631107 beschreibt eine regelbare Schwingungseinrichtung mit einem Körper, der eine interne Ausnehmung definiert mit einem Kolben, welcher mit der inneren Ausnehmung zusammen arbeitet, eine Einrichtung zur Unterteilung der inneren Ausnehmung in eine obere Kammer und eine untere Kammer, wobei sich in der oberen und der unteren Kammer ein Fluid befindet, ein elektrisch regelbares Element zur Steuerung des Flusses zwischen der oberen und der unteren Kammer, außerdem mit einer Schaltung zur Führung eines Stromes mit hohem Potential an das elektrisch regelbare Element, wobei die Schaltung einen einzigen elektrischen Leiter umfaßt, der in die innere Ausnehmung hinein führt und eine Einrichtung zum Anschluß des Schaltkreises an ein niedriges Potential.

Als drittes ist es besonders problematisch, eine entsprechende Dichtung vorzusehen zwischen der Kolbenstange und der Öffnung in der Gehäusekappe, die verschiebbar die Kolbenstange aufnimmt, insbesondere bei einer MR- Fluideinrichtung. Die magnetisch weichen Partikel, die in der Fluidsuspension innerhalb eines MR-Fluids gehalten werden, sind beispielsweise nominal zwischen etwa 1 und etwa 6 Micron groß, wobei ein geringer Prozentsatz der Partikel außerhalb dieses Bereiches liegt. Diese Partikel können leicht ihren Weg machen zwischen der Kolbenstange und der Dichtung und als Ergebnis ihrer abrasiven Art können sie rasch die Dichtung abnutzen. Dementsprechend wird eine Lösung zum Dichtungsproblem in einem MR-Dämpfer erforderlich, um eine längere Lebensdauer der Dichtungen zu bewirken.

Als viertes wird ein Fluidakkumulator benötigt zur Aufnahme der Fluidexpansion und der Kolbenstangenverschiebung in einem Dämpfer, wie etwa einem MR- Dämpfer. Herkömmliche Einrichtungen verwenden Akkumulatoren bei Schwingkolben entsprechend der Lehre der übertragenen US-PS 5 284 330. MR-Fluid wird verdrängt durch die Kolbenstange, während diese gleitend in die Fluidkammer eintritt und außerdem aufgrund der Fluidexpansion/-Kontraktion, die sich aus thermischen Effekten ergibt. Der Akkumulator gleicht dies aus, d. h. er nimmt diese Fluidverdrängung/-Expansion auf. Bei einem MR-Dämpfer können die magnetisch weichen Partikel innerhalb des MR-Fluids leicht jede Dichtung abnutzen, die in dem herkömmlichen Akkumulator mit Schwimmkolben enthalten sind. Es ist dann wichtig, den Kontakt zwischen der Dichtung und den magnetisch weichen Partikeln zu minimieren und außerdem die Bewegung des Kolbens zu minimieren, soweit dies irgend möglich ist. Dies wiederum minimiert die Abnutzung. Darüber hinaus erfordern herkömmliche Hochdruckeinrichtungen ein Druckventil, welches teuer ist. Es besteht dementsprechend ein Bedürfnis hinsichtlich eines kostengünstigen und dauerhaften Akkumulatorsystems für MR-Einrichtungen. Jedes derartige Akkumulator-System kann sich gleichermaßen auch bei anderen Dämpfern einsetzen lassen.

Fünftens liegt ein weiterer potentieller Abnutzungsbereich an der Zwischenfläche zwischen dem Kolben und dem Dämpferkörper. Das Anordnen einer entsprechenden abnutzungsreduzierenden Oberfläche und/oder einem Abnutzungsband ist essentiell, um die Lebensdaueranforderungen für Dämpfer zu erfüllen. Darüber hinaus ist es erstrebenswert, ein Abnutzungssystem zu besitzen, welches die Gesamtleistungsfähigkeit der MR-Einrichtung verstärkt. Daher besteht eine strikte Notwendigkeit für ein System zur Reduzierung der Abnutzung bei einem MR- Dämpfer.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf regelbare Schwingungseinrichtungen gerichtet, beispielsweise auf linear regelbare Fluiddämpfer und im besonderen auf magneto- rheologische (MR) Fluiddämpfer.

Die Erfindung besteht aus einer regelbaren Schwingungseinrichtung mit einem Körper mit einem inneren Hohlraum, einer Kolbenstange, einem Kolben, welcher mit der Kolbenstange verbunden ist, und den inneren Hohlraum in eine obere Kammer und eine untere Kammer unterteilt, einem Fluid, welches innerhalb der oberen und der unteren Kammer enthalten ist, und einem elektrisch steuerbaren Ventil, welches den Fluß des Fluids zwischen der oberen und der unteren Kammer steuert, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale umfaßt:

(a) einen Schaltkreis zum Übertragen des elektrischen Starkstroms an das elektrisch steuerbare Ventil, wobei der Schaltkreis einen einsträngigen elektrischen Leiter aufweist, welcher sich in den inneren Hohlraum hinein erstreckt,

(b) Mittel zum Verbinden des Schaltkreises mit einem niedrigen Potential.

(c) Elastomermittel zum flüssigkeitsdichten Abdichten des einsträngigen elektrischen Leiters, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das elastomere Mittel zwischen der Kolbenstange und einem Abschnitt des Kolbens zusammengedrückt ist, so daß das elastomere Mittel in engem Kontakt mit dem einsträngigen elektrischen Leiter und einem anderen Abschnitt des Kolbens kommt.

Wenn die Einrichtung ein MR-Dämpfer ist, kann die Kolbenanordnung der Einrichtung eine Kolbenstange, einen oberen Polschuh aus magnetisch weichem Material, einen umlaufenden äußeren Ring aus magnetisch weichem Material, welcher den oberen Polschuh umgibt, vorzugsweise eine nicht magnetische Brückeneinrichtung, die den oberen Polschuh mit dem äußeren Ring verbindet, eine Spulenanordnung, die sich unterhalb des oberen Polschuhs befindet, einen unteren Polschuh, der an die Kolbenstange angeschlossen ist und die Spulanordnung in ihrer Position relativ zu den Polschuhen verklemmt, umfassen. Die Ausbildung der Kolbenanordnung eliminiert einen großen Teil des Bearbeitens, erleichtert die Montage und reduziert Kosten. Es wird auch in Betracht gezogen, daß der obere Polschuh, der äußere Ring und der untere Polschuh hergestellt werden durch ein Pulverinjektionsformverfahren (PIM) oder ein Metallinjektionsformverfahren (MIM), bei welchem pulverisiertes Metall suspendiert ist in einer Kunstharzmatrix, wobei das Material injektionsgeformt wird in die beabsichtigte Form, das Teil behandelt wird, um das Harz zu entfernen, und dann gesintert wird, um ein hinreichend hochdichtes Metallteil zu erhalten, welches ausgezeichnete magnetische Eigenschaften besitzt. Darüber hinaus wurde gefunden, daß der Einsatz bestimmten gepulverten Metallmaterials für die Polschuhe vergleichbare Ergebnisse zur Verfügung stellt zu den geschmiedeten Polschuhen. Darüber hinaus können der obere Polschuh und der äußere Ring als Einheit hergestellt werden unter Einsatz von PM-Verfahren.

Vorzugsweise ist das elastomere Element hülsenförmig und wird axial zusammengedrückt derart, daß es radial an dem einsträngigen elektrischen Leiter anliegt, um diesen um seine äußere Peripherie herum abzudichten. Alternative Ausführungsformen sind gerichtet auf eine mehrfache einsträngige Leiterausführungsform, wobei ein einsträngiger Weg hereinführt und der andere heraus. Verschiedene Einrichtungen zur Herstellung der inneren elektrischen Anschlüsse werden beschrieben einschließlich einfacher elektrischer Aufschubanschlüsse und des Einsatzes axial gerichteter und elektrisch leitender Stifte, die auf einer Spulenanordnung ausgebildet sind.

Der MR-Fluiddämpfer kann einen Dämpferkörper umfassen mit einem inneren Hohlraum, welcher eine Menge an MR-Fluid enthält, wobei eine Öffnung an einem Ende ausgebildet ist, welches eine Kolbenstange gleitend aufnimmt, und wobei der Dämpfer ein neues System umfaßt, um die Öffnung gegen den Austritt von Fluid abzudichten. Das neue Dichtungssystem umfaßt vorzugsweise eine Kolbenstange, welche eine nominale Oberflächenbearbeitung besitzt, bei welcher die Ritztiefe (Rz) nicht größer ist als der definierte Prozentsatz der Nominalgröße der magnetischen weichen Partikel, die in dem MR-Fluid enthalten sind. Das Dichtungssystem kann darüber hinaus verstärkt werden durch eine Oberflächenbehandlung der Kolbenstange mit Chrom, Bohrkarbid, Molybdän oder Wolfram oder ähnlichen Behandlungen für gehärtete Abnutzungsoberflächen. Die Kolbenstange kann beispielsweise eine Oberflächenrauhigkeit besitzen von Rz 12 Mikrozoll bis etwa Rz 20 Mikrozoll für ein MR-Fluid mit einer nominalen magnetisch weichen Partikelgröße von etwa 2 Mikron.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elastomere Dichtung vorgesehen, die den Kolben umgibt, angrenzend an ein Ende des inneren Hohlraums sowie eine metallische Hülse (Lagerelement), welches außen entlang des Kolbens positioniert ist von der Dichtung und der Lageranordnung. Es wurde gefunden, daß die Herstellung der elastomeren Dichtung aus einem fluorkarbonelastomeren Material, welches eine Härte im Bereich von etwa 65 bis etwa 95 besitzt, darüber hinaus die Lebensdauer des Dichtungssystems in einem MR-Dämpfer verlängert. Außerdem muß bei Systemen, in welchen Seitenbelastungen auf den Dämpfer wichtig sind, das Hülsenelement gute Abnutzungseigenschaften besitzen.

Wenn die Einrichtung ein MR-Fluiddämpfer ist, kann sie einen Dämpferkörper umfassen, der aus magnetisch weichem Material hergestellt ist und einen inneren Hohlraum besitzt, welcher eine Menge eines MR-Fluids hierin aufnimmt, wobei der Dämpferkörper eine Öffnung an einem Ende besitzt und eine Kolbenstange gleitend in die Öffnung eingreift, während eine Einrichtung zur Abdichtung der Kolbenstange innerhalb der Öffnung gegen den Austritt von MR-Fluid vorgesehen ist. Eine Kolbenanordnung ist an einem Ende der Kolbenstange gehalten und der Kolben besitzt eine ein Magnetfeld erzeugende Ventileinrichtung zur Regelung des Flusses des MR-Fluids hierdurch, wobei die Verbesserung umfaßt, daß der Dämpferkörper als ein wesentlicher Teil der magnetischen Schaltung eingesetzt wird. Hierdurch wird der Betrieb des MR-Ventils verbessert.

Gemäß einem anderen Aspekt ist mindestens ein Verschleißband an der Peripherie des Kolbens befestigt, wobei das Verschleißband aus einem magnetisch weichen Material besteht, wodurch sowohl das Verschleißband als auch der Dämpferkörper einen Teil des magnetischen Kreises bilden, welcher eingesetzt wird, um den Fluß des MR-Fluids durch das regelbare Ventil zu steuern. Das Verschleißband besteht vorzugsweise aus Stahl und kann vorzugsweise oberflächenbehandelt sein, um die Reibung zu verringern. Diese Behandlung kann die Form aus poröser Bronze oder porösem Nickel besitzen, wobei der poröse Teil mit fluoriniertem Polyethylen-Polymerem imprägniert ist. Gemäß einem anderen Aspekt kann das Verschleißband eliminiert sein und die Oberflächenbehandlung kann sich auf einen äußeren Teil des umlaufenden Ringes beziehen.

Die Einrichtung kann eine Akkumulatoranordnung umfassen, welche sich angrenzend an eine oder die beiden Arbeitskammern befindet und teilweise eine Akkumulatorkammer definiert, die keine Flüssigkeit enthält und ein unter Druck stehendes kompressibles Gas aufnimmt, wobei die Akkumulatoranordnung in der Lage ist, sich entsprechend der Bewegung des Kolbens zu bewegen und abgedichtet ist durch eine Gleitdichtung, die in einem Körperteil gehalten ist, welcher an der inneren Peripherie des Dämpferkörpers entlang gleitet, wobei die Akkumulatoranordnung darüber hinaus eine flexible Unterteilung umfaßt, die an dem Körperteil befestigt ist, bei welcher es sich vorzugsweise um eine flexible Membran handelt, wodurch die flexible Unterteilung als Fluiddichteunterteilung wirkt zwischen der Akkumulatorkammer und der Arbeitskammer und Bewegungen mit einer niedrigen Amplitude des Kolbens absorbiert, wobei die Bewegung der Dichtung gegen die innere Peripherie des Dämpferkörpers überflüssig wird. Diese Fähigkeit, kleine Amplituden aufzunehmen ohne Bewegung des Körperteils, erspart Abnutzung und Beschädigung der Peripheriedichtung.

Ein weiteres Merkmal bei einem Anwendungsbereich über MR-Dämpfer hinaus ist das Vorsehen eines Einrohrfluiddämpfers, wobei die flexible Membrananordnung angrenzend an eine der beiden Kammern positioniert ist, und eine Akkumulatorkammer definiert, die mit einem kompressiblen Gas gefüllt ist, welches unter Druck steht bis etwa 100-500 psi ohne ein Einfüllventil, wobei die flexible Membrananordnung in der Lage ist sich zu bewegen, entsprechend der Bewegung des Kolbens.

Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß ein elektrischer Anschluß an das regelbare Element (z. B. ein regelbares Ventil) einfach und kostengünstig hergestellt werden kann und hohen Drucken zu widerstehen vermag, wie sie bei linearen Dämpfern vorliegen.

Die vorerwähnten und weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden deutlich aus der begleitenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und der beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil der Beschreibung bilden, erläutern verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Zeichnungen und die Beschreibung zusammen dienen der vollständigen Erläuterung der Erfindung:

Fig. 1a ist ein Teilquerschnitt einer Seitenansicht einer Ausführungsform des MR-Fluiddämpfers gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 1b ist ein Teilquerschnitt einer Seitenansicht des gekröpften Teils der Akkumulatormembran in größerem Maßstab,

Fig. 1c ist ein Teilquerschnitt einer Seitenansicht einer Kolbenanordnung und des Dämpferkörpers in vergrößertem Maßstab zur Erläuterung einer Abschätzung der magnetischen Feldlinien, die in dem äußeren Ring und dem Dämpferkörper vorliegen,

Fig. 1d ist eine perspektivische Ansicht einer Drop-in-Spulenanordnung,

Fig. 2 ist ein Teilquerschnitt einer Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des MR-Fluiddämpfers gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3a ist ein Teilquerschnitt einer Ansicht eines Stabendes mit einem elektrischen Anschluß für den MR-Fluiddämpfer gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3b ist eine teilweise geschnittene Ansicht einer Kolbenstange und einer Dichtung zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Ritztiefe und der Neigung des Führens/Ziehens eines MR-Partikels unter die Dichtung,

Fig. 3c ist eine grafische Darstellung zur Erläuterung der bevorzugten Größenbeziehung zwischen der Oberflächenqualität (Rz) der Kolbenstange und der nominalen MR-Partikelgröße,

Fig. 4a ist ein Teilquerschnitt einer Endansicht des MR-Dämpfers gemäß Fig. 1a, gesehen von unterhalb der Kolbenanordnung,

Fig. 4b ist ein Teilquerschnitt einer Endansicht des MR-Dämpfers gemäß Fig. 1a, gesehen von oberhalb der Kolbenanordnung,

Fig. 4c ist eine geschnittene Seitenansicht eines Verschleißbandes vor der Installation der Kolbenanordnung,

Fig. 4d ist eine Endansicht de Verschleißbandes gemäß Fig. 4c unter Darstellung einer die Reibung reduzierenden Oberflächenbehandlung,

Fig. 4e ist ein herausgeschnittener Abschnitt der Kolbenanordnung unter Wiedergabe der Details des nicht magnetischen Schweiß- und - Stiftkombinationsbrückenelementes,

Fig. 4f ist ein Teilquerschnitt einer Ansicht von oben der Kolbenanordnung, hergestellt durch ein PIM- oder ein MIM-Verfahren,

Fig. 4g ist ein Teilquerschnitt einer Ansicht von oben der Kolbenanordnung unter Darstellung eines punktgeschweißten Edelstahlbrückenelementes,

Fig. 5a ist ein Teilquerschnitt einer Seitenansicht einer Kolbenanordnung mit zwei einsträngigen elektrischen Leitern, einer für den eingehenden und einer für den ausgehenden elektrischen Strom,

Fig. 5b ist eine Unteransicht einer Kolbenanordnung gemäß Fig. 5a und

Fig. 6 und 7 sind grafische Darstellungen zur Erläuterung der Abnutzung (Gewichtsverlust) über verschiedene Materialkombinationen.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Unter Bezugnahme auf die verschiedenen Figuren, in welchen gleiche Bezugsziffern eingesetzt werden wo es möglich ist, um entsprechend Teile zu identifizieren, ist in Fig. 1a ein regelbarer Dämpfer vom Lineartyp dargestellt und im besonderen ein magneto-rheologischer (MR) Fluiddämpfer, der allgemein mit der Bezugsziffer 20a bezeichnet ist. Es leuchtet ein, daß, obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit MR-Dämpfer-Ausführungsformen beschrieben wird, verschiedene Aspekte der Erfindung eine breitere Anwendbarkeit besitzen und zum Einsatz kommen können in anderen fluidgeregelten Einrichtungen, wie etwa elektro-rheologischen (ER) Dämpfern, regelbaren Hydraulikeinrichtungen, Halterungen und anderen regelbaren Schwingungseinrichtungen. Der Dämpfer 20a umfaßt einen im allgemeinen zylindrischen Dämpferkörper oder ein Gehäuse 28a, welches an einem ersten Ende durch eine Endkappe 32a verschlossen ist, während an dem anderen Ende eine obere Kappe 34a vorgesehen ist, wodurch ein innerer Hohlraum gebildet wird. Die obere Kappe 34a besitzt eine mittige Öffnung, die gleitend eine Kolbenstange 24a aufnimmt.

Die Öffnung in der Kappe 34a und die Kolbenstange 24a umfassen verschiedene Merkmale, die einen Teil des neuartigen MR-Abdichtungs- und Lagersystems bilden. Das System umfaßt eine Metallhülse 36a, eine elastomere Dichtung 38a sowie eine definierte Beziehung zwischen der nominalen Oberflächenbearbeitung (Ritztiefe Rz) und der nominalen MR-Fluidpartikelgröße. Als Beispiel und nicht als Einschränkung kann die metallische Hülse 36a eine Garlock DU-Hülse des Typs sein, welcher eine äußere Umhüllung aus Stahl und eine Innenoberflächenschicht aus Bronze besitzt, imprägniert mit Blei und fluoriniertem polyethylenpolymerem (z. B. ein TEFLON®-Material). In ähnlicher Weise ist die elastomere Dichtung 38a vorzugsweise eine Lippendichtung aus Fluorkarbon-Elastomerem mit einer Durometerhärte im Bereich von etwa 65 bis etwa 90, wobei die Lippendichtung vom energetischen Typ ist, d. h. ein O-Ring 39a biegt das Paar der Dichtungslippen nach innen in dichtendem Eingriff mit der Oberfläche der Kolbenstange 24a und nach außen in Eingriff mit dem inneren Umfang der Öffnung in der oberen Kappe 34a. Eine geeignete Dichtung ist identifiziert als eine Parker-Poly-Pack-Dichtung. Die metallische Hülse 36a und die elastomere Dichtung 38a sind jeweils vorzugsweise im Preßsitz in die obere Kappe 34a hineingebracht, wobei der Innendruck innerhalb des Gehäuses 28a die Halterung unterstützt.

Wie bereits zuvor erwähnt wurde, hat sich die Abdichtung dieser MR-Dämpfer als besonders lästig erwiesen. Die weichen magnetischen oder paramagnetischen Partikel, die in dem MR-Fluid suspendiert sind, besitzen z. B. eine nominale Partikelgröße im Bereich von etwa 1 bis etwa 6 Mikron, obwohl einleuchtet, daß Fluide mit anderen Partikelgrößen ebenfalls zum Einsatz kommen können. Eisenpartikel besitzen eine Nominalgröße im Bereich von 1 bis 6 Mikron und weisen einen kleinen Prozentsatz von Partikeln auf, die wesentliche kleiner sind, d. h. in der Größenordnung von einem Mikron oder geringer. Wenn die Tiefe der Ritze in der Oberfläche des Kolbens in der Größenordnung der Partikelgröße des Eisens ist, werden diese Eisenpartikel dazu gebracht, daß man davon ausgeht, daß sie wandern und nach oben gezogen werden zwischen die Dichtung 38a und die Kolbenstange 24a, während der Dämpfer 20a sich ausdehnt, wie unter Bezugnahme auf Fig. 3b beschrieben werden wird. Diese Eisenpartikel sind hoch abrasiv und verschlechtern rasch die elastomere Dichtung 38a, so daß MR-Fluid 23a entkommen kann und ein frühzeitiges Versagen des Dämpfers 20a bewirkt.

Es liegt dementsprechend ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung darin, daß die Oberflächenbearbeitung der Kolbenstange 24a hinreichend glatt ist derart, daß die Einritzungen dieser Partikel nicht aus dem inneren Hohlraum herausgezogen oder geführt werden können von innerhalb des Dämpferkörpers 28a in die Dichtung 38a hinein. Die Fig. 3b zeigt eine Kolbenstange 24a, eine Dichtung 38a und Einritzungen 63a, 63a' und 63a" von in etwa gleicher Größe und Tiefe, die in der Oberfläche der Kolbenstange 24a ausgebildet sind. Partikel 65a, 65a' und 65a" unterschiedlicher Größe sind dargestellt, wie sie in den Einritzungen 63a, 63a' und 63a" vorhanden sind. Wenn die Partikel klein genug sind im Vergleich mit der Einritzungstiefe, dann werden die Partikel unter die Dichtung 38a geführt. Durch die Erfindung wird gezeigt, daß eine geeignete Glätte auf der Oberfläche der Kolbenstange 24a eine nominale Ritztiefe (Rz) bereitstellt, die nicht größer ist als 25% der nominalen Eisenpartikelgröße. Z. B. würde für ein MR-Fluid 23a mit einer Eisenpartikelgröße von etwa 1 bis 6 Mikron und einer nominalen Partikelgröße von etwa 2 Mikron, entsprechend der Darstellung in Fig. 3c, eine nominale Obergrenze 67 der Ritztiefe von 0,5 Mikron von etwa 20 u Zoll ausgewählt (wobei 1 Mikron = 39,37 u Zoll ist). Die nominale Partikelgröße 71 wird definiert durch das Messen der Anzahl von Partikeln jeder Größe und einer grafischen Aufzeichnung der Verteilung. Die Verteilung wird im allgemeinen in einem gewissen Ausmaß rechts geneigt sein. Die Oberflächenbearbeitung, die gegenwärtig zum Einsatz kommt, stellt eine Oberflächenrauhigkeit Rz im Bereich von 12-20 Mikrozoll bereit, wobei 20 Mikrozoll etwa 0,5 Mikron entsprechen, welches die obere Grenze 67 des festgestellten Bereiches ist und 25% der nominalen Partikelgröße von 2 Mikron repräsentiert. Es ist herauszustellen, daß MR-Fluide mit variierenden Partikelgrößen Kolbenstangenbearbeitungen erforderlich machen würden mit unterschiedlichen Oberflächenrauhigkeiten. Die untere Grenze 69 des Bereiches, d. h. 12 Mikrozoll Rz soll ebenfalls erforderlich sein und wird ausgewählt, da eine zu glatte Oberflächenbearbeitung keine Fluidschmierung zu der Dichtung 38a trägt.

Neben der Oberflächengüte kann die Lebensdauer der Dichtung erhöht werden durch Oberflächenbehandlungen, wie etwa Chromplattieren, obwohl man davon ausgeht, daß ein Niederschlag von Bohrkarbid, Wolfram oder Molybdän zu ähnlichen Ergebnissen führt. Das bevorzugte MR-Fluid 23a für diese Ausführungsform, wie auch für alle hierin beschriebenen Ausführungsformen, umfaßt kleine, vorzugsweise sphärische, weiche paramagnetische Partikel, wie etwa Magnetit- Karbonyleisenpulver, Eisenlegierungen, Eisennitrid, Eisenkarbide, Chromdioxid, Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, Siliziumstahl, Nickel, Kobalt oder ähnliches, wobei vorzugsweise der Nominaldurchmesser zwischen etwa 1 und 6 Mikron liegt und die verteilt und suspendiert sind in einer Flüssigkeit mit vorzugsweise niedriger Viskosität, wie etwa Silikonöl, Kohlenwasserstofföl, Paraffinöl, Mineralöl, chlorinierte und fluorinierte Fluide, Kerosin, Glycol oder Wasser.

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1a besitzt die Kolbenstange 24a vorzugsweise eine Axialbohrung 40a hindurch, welche eine bevorzugte Passage für einen einsträngigen elektrischen Leiter 52a bildet, welcher die Verbindung herstellt mit dem elektrisch regelbaren Ventil, das sich innerhalb der Kolbenanordnung 42a befindet. Der Leiter 52a besitzt vorzugsweise eine äußere Ummantelung aus einem isolierten Material 50a, um den einsträngigen Leiter 52a. Der Kolben 42a wird in den Dämpferkörper 28a aufgenommen und unterteilt den inneren Hohlraum in eine obere Kammer 64a und eine untere Kammer 66a. Die untere Kammer 66a trägt benachbart eine Akkumulatorkammer 68a innerhalb des Akkumulators 44a, welcher vorzugsweise eine flexible Membran 76a einschließt. Die Akkumulatorkammer 68a enthält allgemein ein unter hohem Druck stehendes kompressibles Gas, wie etwa Stickstoff.

Die Endkappe 32a besitzt eine Bohrung 62a', die zusammen mit der Bohrung 62a im Stabende 26a es gestatten, daß der Dämpferkörper 28a und die Kolbenstange 24a verbunden werden können mit einem ersten und einem zweiten relativ verschiebbaren Element (nicht dargestellt) derart, daß sie in einem regelbaren Sitzsuspensionssystem oder in einem primären Suspensionssystem eines Fahrzeugs eingesetzt werden können.

Wenn die Endkappe 32a an dem Dämpferkörper 28a montiert ist, wird das Ende des zylindrischen Dämpferkörpers 28a gekröpft, wie dies bei 70a dargestellt ist, um sie an ihrem Platz festzuhalten. Die Kröpfvorgang sichert einen starren Ring 72a zwischen dem Flansch 33a an der Endkappe 32a und eine interne Verstärkungsrippe an dem Dämpferkörper 28a. Ebenfalls eingebunden sind die angeformten Lippen 37a und 37a' (Fig. 1b), der elastischen Membran 76a. Der Einsatz eines starren Ringes 72a, bei welchem es sich vorzugsweise um Stahl handelt, soll ein gewisses Ausmaß an Steifigkeit auf die Kröpfung 70a übertragen für einen geeigneten Belastungsübergang auf den Dämpferkörper 28a und dessen Dichtung.

Die obere Kappe 34a ist mit einem umlaufenden O-Ring 72a' versehen, um die obere Verbindung den Fluidverlust abzudichten, und noch einmal ist der umlaufende Dämpferkörper 28a gekröpft, wie dies bei 70a' gezeigt ist. Ein flexibler Ackordeonbalg 21a erstreckt sich vorzugsweise über das äußere des Dämpferkörpers 28a und das Kolbenstangenende 26a um den Dämpfer 20a vor Staub und Schmutzpartikeln zu schützen, die andernfalls ihren Weg zur Dichtung 38a finden und möglicherweise diese beschädigen könnten.

Die Akkumulatorkammer 68a wird unter Druck gesetzt bis auf ein Niveau zwischen etwa 100 psi und etwa 500 psi, wobei ein Druck von 300 psi bevorzugt ist durch die Durchführung des Kröpfvorganges in einer 100 bis 500 psi Druckkammer. Zunächst wird der Dämpferkörper 28a nach der Installation des Stangenendes 26a, der oberen Kappe 84a, des Kolbens 42a und der Kolbenstange 24a in einer umgedrehten Position mit MR-Fluid 23a gefüllt. Die Membran 76a wird dann eingeführt und die Elemente werden in eine Druckkammer plaziert, die unter Druck gesetzt wird bis auf 100 bis 500 psi in Abhängigkeit von dem Niveau des Drucks, der in dem Dämpfer 20a erwünscht ist, und dann wird die Endkappe 32a an ihrem Platz gekröpft, um die gesamte Einheit abzudichten. Dieses Montageverfahren und der Einsatz einer Membran 76a in den Dämpfer eliminieren die Notwendigkeit für das Ventil 75b, welches in herkömmlichen Dämpfern erforderlich war, so daß hierdurch die Kosten, die Komplexität und die Möglichkeit einer Ventilundichtigkeit herkömmlicher Dämpfer reduziert werden.

Der Kolben 42a enthält eine Spulenanordnung 88a. Die Spulenanordnung 88a umfaßt einen spulenförmigen Körper 89a, auf welchem eine hinreichende Anzahl von Windungen eines elektrisch leitenden Magnetdrahtes 90a aufgespult sind. Ein erstes Ende des Draht 90a erstreckt sich durch eine (nicht dargestellte) Öffnung in der Spule 89a und ist bevorzugt an einen ersten elektrisch leitenden Axialstift 94a angelötet oder um diesen herumgelegt. Das Ende des Drahtes 90a ist unter dem unteren Flansch der Spule 89a hindurchgeführt und vorzugsweise an einem zweiten sich axial erstreckenden elektrisch leitenden Stift 96a angelötet. Die Spulenanordnung 88a wird vervollständigt durch mindestens die teilweise Einhausung eines jeden der vorerwähnten Elemente in einem geformten Element 92a. Das Element 92a umfaßt ein Paar axialer Positioniervorsprünge 91a, die hieran ausgebildet sind und aufgenommen werden in Axialbohrungen 93a und 93a' (Fig. 1a), welche in dem unteren Polschuh 85a ausgebildet sind. Eine perspektivische Ansicht der Spulenanordnung 88a mit der Wiedergabe der Axialstifte 94a, 96a und der Positioniervorsprünge 91a, 91a' findet sich in Fig. 1d. Die elektrische Schaltung umfaßt den einsträngigen Leiter 52a, den Aufschiebanschluß 83a, den ersten Axialstift 94a, den Spulendraht 90a, den zweiten Axialstift 96a, den Anschluß 97a und ist geerdet über den unteren Polschuh 85a, welcher die Verbindung zur Kolbenstange 24a und dem Stahlstabende 26a herstellt. Es leuchtet ein, daß, obwohl der einsträngige Leiter 52a dargestellt ist, indem er in den inneren Hohlraum durch die Kolbenstange 24a eintritt, der einsträngige Leiter 52a auch durch die Wandung des Dämpferkörpers 28a laufen könnte, wenn sich das regelbare Dämpferventil an der Basis eines Doppelrohrdämpfers befindet.

Der obere Polschuh 80a ist angeschlossen an ein umlaufendes Ringelement 82a über eine Mehrzahl von Brückenelementen, und zwar in dieser Ausführungsform über Verschweißungen 29a (Fig. 4b und Fig. 4e). Entsprechend der Darstellung in Fig. 4b und 4e sind die Verschweißungen 29a vorzugsweise nichtmagnetisch und können wahlweise nichtmagnetische Stifte 35a umfassen, um den oberen Polschuh 80a relativ zum Ring 82a zu positionieren und zu halten. Andere nichtmagnetische Brückenelementeinrichtungen werden beschrieben unter Bezugnahme auf Fig. 4g. Die Herstellung des Brückenelementes aus einem nichtmagnetischen Material konzentriert den Magnetfluß, der durch die Erregung der Spulenanordnung 88a (Fig. 1a) erzeugt wird, innerhalb des Arbeitsteiles der Passage 86a (Fig. 1a, Fig. 4e) des MR-regelbaren Ventils. Bevorzugte Materialien für die nichtmagnetische Brücke umfassen austenitische Edelstähle, wie etwa Edelstähle der Qualität 300. Bevorzugte Materialien für den oberen Polschuh 80a, den unteren Polschuh 85a und den umlaufenden Ring 82a sind Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, wie etwa 1018-Stahl oder gepulverte Metallmaterialien, wie hier noch näher beschrieben werden wird.

Wie sich aus Fig. 4b und 1a ergibt, gestattet eine im wesentlichen umlaufende Flußpassage 86a (unterbrochen nur durch die kurzen quer verlaufenden Verschweißungen 29a, die als Brückenelemente wirken), ein Fließen des MR-Fluids 23a durch die (Spalt)-Fluidpassage 86a, die erzeugt wird durch die Kolbenanordnung 42a zwischen dem Ring 82a und dem oberen Polschuh 80a. Der einsträngige Leiter 52a mit der Isolierung 50a wird durch die Bohrung 40a in der Kolbenstange 24a geführt. Wie die Fig. 4e zeigt, können die Spalte in der Passage 86a eingangs bestimmt werden durch vorzugsweise nichtmagnetische Stifte 80a, die in den Spalt zwischen dem Ring 82a und dem oberen Polschuh 80a eingepreßt werden und dann überschweißt werden mit vorzugsweise nichtmagnetischen Verschweißungen 29a (aus austenitischem Edelstahl). Die Verschweißungen 29a können auch gebildet werden durch Hartlöten oder Löten mit einem nichtmagnetischen Material in der gleichen Weise. Es wurde gefunden, daß dies eine entsprechende Ausrichtung und Halterung des Ringes 82a relativ zum Polschuh 80a unterstützt, auch wenn eine oder mehrere der Verschweißungen 29a brechen sollten.

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1a wird der obere Polschuh 80a gleitend aufgenommen und an der Kolbenstange 24a befestigt und kann einen Senkerkegel 81a aufweisen, der mit einer Abschrägung 25a an der Kolbenstange 24a zum Eingriff kommt, um den oberen Polschuh 80a zu sichern und zu halten. Isolatorpositionsvorsprünge 81a und 81a' gestatten es, daß die Spulenanordnung 88a in den unteren Polschuh 85 abgesenkt werden kann, wobei der letztere dann auf das Ende der Kolbenstange 24a aufgeschraubt wird. Ein elastomeres Element 98a, wie eine Dichtung, ein O-Ring oder ähnliches, wird axial komprimiert nach dem Aufschrauben des unteren Polschuhs 85a auf die Kolbenstange 84a, zwischen dem Ende der Kolbenstange 24a und einem Teil des unteren Polschuhs 85a, um es radial zu expandieren in dichtenden Eingriff mit dem unteren Ende 52a' des einsträngigen Leiters 52a. Das elastomere Element 98a isoliert elektrisch und führt zu einer Abdichtung zwischen dem Leiter 52a und einem Teil der Kolbenanordnung 42a, wobei speziell der untere Polschuh 85a und die Kolbenstange 24a abgedichtet werden. Bevorzugte Materialien für das elastomere Element 98a sind ein thermoplastisches Elastomeres (TPE), Silikonelastomer, natürlicher Kautschuk, synthetischer Kautschuk oder Mischungen aus synthetischem und natürlichem Kautschuk und ähnlichem, die eine Härte von etwa 50-90 Durometer besitzen. Das Elastomere muß vorzugsweise flexibel und fluidundurchlässig sein. Es ist zu erwähnen, daß diese Dichtungseinrichtungen untersucht worden sind und Drucke über 500 psi hinaus ertragen, wobei verhindert wird, daß Fluid austritt sowohl um die Isolation des einstängigen Leiters 52a herum oder unter dieser hindurch. Es wurde gefunden, daß es extrem schwierig war, einen Fluß von MR Fluid 23a in mehrsträngigen Leiterdrähten zu eliminieren, da es sehr schwierig und teuer ist, den Fluß um den Draht herum zu eliminieren und ebenso zwischen den Leitern.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 1a und Fig. 4a wird ein elektrisch leitender elektrischer Aufsteckanschluß 83a eingesetzt, um die elektrische Verbindung zwischen dem unteren Ende 52a' des einsträngigen Leiters 52a, der als Quelle eines Hochpotentialstroms dient, und einem ersten axialgerichteten Stift 94a, welcher ein Teil der Spulenanordnung 88a darstellt herzustellen. Der Anschluß der Wahl ist ein Aufsteckanschluß 83a, wobei jedoch auch andere elektrische Anschlüsse zum Einsatz kommen können. Der Aufsteckanschluß 83a erstreckt sich lediglich soweit über das untere Leiterende 52a' hinaus, wie notwendig ist, um eine feste Verbindung herzustellen. Werkzeugeingriffsöffnungen 47a, 47a' (Fig. 4a) werden eingesetzt, um den unteren Polschuh 85a über einen Schlüssel auf die Kolbenstange 24a aufzuschrauben, während des Montagevorganges.

Bei der Installation wird eine Lasche 87a an den Aufsteckanschluß 83a leicht gebogen, um einen sicheren elektrischen Eingriff mit dem unteren Leiterende 52a' herzustellen, und eine Lasche 87a' wird leicht gebogen, um einen sicheren elektrischen Eingriff mit dem ersten elektrisch leitenden Axialstift 94a zu sichern. Wenn er einmal aufgesteckt ist, ist es sehr schwierig, den Aufsteckanschluß 83a von dem Stift 94a und dem Ende 52a' abzuziehen. Eine Isolatorplatte 95a ist zwischen dem Anschluß 83a und dem unteren Polschuh 85a positioniert, um jeden elektrischen Kurzschluß zu verhindern. Der herausgehende zweite elektrisch leitende Axialstift 96a ist elektrisch angeschlossen an den unteren Polschuh 85a über einen nietähnlichen Einpreßanschluß 97a.

Die Kolbenanordnung 42a, die Kolbenstange 24a, das Stangenende 26a und wo auch immer das Stangenende 26a mit verbunden ist, wirkt, wenn es Metall ist, als Niedrigpotential (oder Erdung) für die elektrische Schaltung. Es ist herauszustellen, daß das Erregen der Spulenanordnung 88a innerhalb der elektrischen Schaltungseinrichtung ein Magnetfeld erzeugt innerhalb des magnetischen Kreislaufes einschließlich innerhalb des unteren Polschuhes 85a, des oberen Polschuhes 80a, des Ringes 82a und vorzugsweise eines Teils des Dämpferkörpers 28a (siehe Fig. 1c). Dieser magnetische Fluß erzeugt eine Änderung in den rheologischen Eigenschaften des MR Fluids 23a, welches in dem elektrisch regelbaren Ventil enthalten ist und verhindert einen Fluß durch die Passage 86a. Das MR Fluid füllt vorzugsweise ebenfalls die obere und die untere Kammer 64a und 66a.

Die äußere Peripherie des Kolbens 42a ist vorzugsweise mit einem reibungsreduzierenden Verschleißelemente ausgerüstet. Wie in den Fig. 1a und 2 dargestellt, kann dieses Verschleißelement die Form mindestens eines Verschleißbandes 84a, 84a' und 84b einnehmen. Während dieses Verschleißband 84a, 84a' und 84b die Form eines Nylonbandes besitzen kann, bevorzugt man stattdessen ein metallisches Element aus Gründen, die noch zu erläutern sind. Die bevorzugte Ausgestaltung des Verschleißbandes 84a, 84a' und 84b ist in den Fig. 4c und 4d dargestellt.

Das metallische Verschleißband 84' besitzt eine Zunge 85' sowie einen Schlitz 87', die ineinander eingreifen können, wenn das Verschleißband 84' um die Peripherie des Kolbens 42a oder 42b gelegt wird (Fig. 2). Ein Paar (nicht dargestellter) Punktschweißungen kann zum Einsatz kommen, um die Zunge 85' in dem 87' zu sichern und die Oberfläche der Verschweißungen kann zu einem gleichförmigen Durchmesser bearbeitet werden. Entsprechend der Darstellung in Fig. 4d besitzt das Verschleißband 84' eine Basis oder eine primäre metallische Schicht 84p, bei welcher es sich bevorzugt um Stahl oder ein anderes weiches magnetisches Material handelt, und eine Behandlungs- oder Überzugsschicht 84c bei welcher es sich vorzugsweise um poröse Bronze oder Nickel handelt überzogen mit einem fluorinierten Polyethylen, welches darüber hinaus Bleipolymeres enthalten kann (z. B. Teflon®). Die Dicke t2 der Überzugsschicht 84c ist vorzugsweise signifikant geringer, als die Dicke t1 der Primärschicht 84p.

Der Grund warum ein metallisches Verschleißband 84a bevorzugt wird, liegt darin, wie in Fig. 1c gezeigt ist, daß durch den Einsatz eines weichen magnetischen Materialbandes sich die magnetischen Flußlinien vom dem oberen Polschuh 80a und dem unteren Polschuh 85a ausgehen radial über die Strömungspassage 86a radial in den umlaufenden Ring 82a sowie in das weiche magnetische Metallmaterial des Dämpferkörpers 28a hineinerstrecken und in Längsrichtung entlang der Achse verlaufen. Die abgeschätzten Flußlinien B sind in Fig. 1c gezeigt. Der Einsatz herkömmlicher nicht metallischer Verschleißbänder schränkt das Ausmaß des Flusses ein, welcher in den Dämpferkörper 28a erzeugt wird.

Es ist herauszustellen, daß der Einsatz des Dämpferkörpers 28a als "substantieller" Teil des magnetischen Kreises mit oder ohne Metallverschleißband es ermöglicht, daß das magnetische Feld gestärkt wird. Dies verstärkt die Regelkräfte, die durch Dämpfer 20a erzeugt werden können. Durch den Begriff "substantiell" wird in Betracht gezogen, daß mehr als etwa 40% der Querschnittsfläche des äußeren Magnetflußweges durch den Dämpferkörper 28a verläuft, oder allgemein, daß die Flußdichte in dem Dämpferkörper 28a in etwa 40% oder mehr ausmacht, als in dem umlaufenden Ring 82a vorliegt. Es ist herauszustellen, daß durch den Einsatz des Dämpferkörpers 28a als substantiellen Teil des Magnetkreises dies eine Erhöhung der Größe des Spulendurchmessers erlaubt. Somit kann die Anzahl der Wicklungen des Drahtes 90a in der Spulenanordnung 88a erhöht werden. In gleicher Weise kann die Querschnittsfläche des unteren Polschuhes 85a erhöht werden, welches dabei hilft, die magnetische Sättigung hierin zu eliminieren. Diese beiden Änderungen führen zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit. Allgemein leuchtet ein, daß die Verschleißbänder 84a, 84a' das Metall des umlaufenden Ringes 82a als Primärmetall einsetzen können, so daß der Einsatz eines getrennten Verschleißbandes 84 überflüssig wird. Dies verspricht, daß man sich die kostengünstigste Auswahl leisten kann im allgemeinen ist es erstrebenswert, den äußeren umlaufenden Ring 82a so dünn wie möglich zu machen, um somit einen höheren Prozentsatz des Magnetflusses in den Dämpferkörper 28a zu forcieren. Unter Einsatz des Dämpferkörpers 28a als Teil des magnetischen Kreises besitzt den zusätzlichen Vorteil das Durchblasen des Ventils zu reduzieren. Ein Durchblasen des Ventils existiert infolge des Spiels zwischen dem umlaufenden Ring 82a oder dem Verschleißband 84a, 84a' und dem inneren Durchmesser des Dämpferkörpers 28a, wodurch es ermöglicht wird, daß MR Fluid entkommt hierzwischen, anstatt durch die Passage 86a zu strömen. Der Magnetfluß, der über dieses Spiel hinweg wirkt, dichtet darüber hinaus den Fluß des MR Fluids hierdurch ab und forciert das MR Fluid, im wesentlichen ganz durch die Passage 86a zu strömen. Man geht davon aus, daß hierdurch höhere Betriebsdämpfungskräfte ermöglicht werden.

Während der obere Polschuh 80a, der umlaufende äußere Ring 82a und der untere Polschuh 85a diskutiert wurden in Begriffen herkömmlicher Metalle, leuchtet ein, daß der Einsatz gepulverter Metallmaterialien und Verfahren, wie etwa Pulverinjektionsformen (PIM) und Metallinjektionsformen (MIM) ebenfalls zum Einsatz kommen können, um die Elemente herzustellen. Beispielsweise können der Ring 82a und der obere Polschuh 80a als eine Einheit hergestellt werden mit mehrfachen Brückenelementen 45a', die die Verschweißungen 29a (Fig. 4b) ersetzen können, entsprechend der Darstellung in Fig. 4f. Wenn man in Betracht zieht, daß solche mehrfachen Brückenelemente 45a' zu einer magnetischen Sättigung führen, um nicht als vollständiger Kurzschluß zu wirken für den Strom des Magnetflusses über die Passage 86a'. Es wurde gefunden, daß der obere Polschuh 80a', der umlaufene äußere Ring 82a' und der untere Polschuh 85a hergestellt werden können unter Einsatz von Hochleistungspulvermetallverfahren ähnlich wie PIM oder MIM, ohne jegliche Leistungsfähigkeit zu opfern, verglichen mit einer geschmiedeten Version, wenn man unterhalb der Sättigung arbeitet. Darüber hinaus wurde gefunden, daß Pulvermetallpolschuhe den Vorteil besitzen, hinsichtlich einer Erhöhung der Schallgeschwindigkeit des MR-Ventils wie auch einer Verringerung des remanenten Magnetismus. Es wurde außerdem herausgefunden, daß dann, wenn die Querschnittfläche die verfügbar ist, für die Kolbenanordnung und das MR-Ventil begrenzt ist PIM- oder MIM-Materialien mit einer Dichte von zwischen etwa 7,5 und etwa 7,8 gm/cm³ bevorzugt werden, da niedrigere Dichten dazu neigen, zu weit in die Sättigungszone hineinzuarbeiten.

Wenn PIM oder MIM-Verfahren zum Einsatz kommen, wird gepulvertes Material in einer Kunstharzmatrix verteilt, das Metallharz wird in die bevorzugte Form ausgeformt, das geformte Objekt wird gehärtet und das Harz wird entfernt durch den Einsatz von Wärme oder Lösungsmittel. Schließlich wird der Gegenstand gesintert, um das endgültige Produkt herzustellen. Der Gegenstand kann dann mit den gewünschten Enddimensionen ausgebildet werden, um die geschmiedete Version zu ersetzen mit geringen oder gar keinen sich ergebenden Leistungsverlusten. Darüber hinaus können die PIM-Polschuhe bessere magnetische Eigenschaften besitzen gegenüber herkömmlichen geschmiedeten Metallgegenständen, vorausgesetzt, daß sie sich unterhalb ihres Sättigungspunktes betreiben lassen.

Die Fig. 4 zeigt eine alternative Maßnahme zur Befestigung des Ringes 82a" an dem oberen Polschuh 80a" mit einer vorzugsweise nicht magnetischen Platte 41a" einschließlich sich radial erstreckender Laschen hieran, die die Brückenelemente über die Passage 86a" bilden. Die Platte 41a" wird an dem Ring 82a" befestigt, wie auch an dem oberen Polschuh 80a" über mehrere Punktverschweißungen 43a". Bevorzugte Materialien für die Platte 41a" sind nicht magnetisch, wie etwa ein austenitisches Edelstahlblech.

Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 allgemein mit 20b bezeichnet. Es gibt drei signifikante Unterschiede zwischen dieser Ausführungsform und der ersten Ausführungsform. Als erstes ist der flexible Balg der vorherigen Ausführungsform ersetzt durch eine Staubabdeckung 22d. Als zweites kommt ein in stärkerem Maße herkömmlich isolierter Draht 94b zum Einsatz, um das Ende 52b' des einsträngigen Leiters 52b mit dem Spulendraht 90b zu verbinden, und ein Niet 97b wird verwendet, um das entgegengesetzte Ende 96b des Spulendrahtes 90b mit dem unteren Polschuh 85b zu erden. Die Schaltung mit dem niedrigen Potential läuft von der Kolbenanordnung 42b in die Kolbenstange 24b und die Staubabdeckungskappe 58b. Das Befestigungsmittel 56b schließt dann ein Erdungskabel 54b an die Kappe 58b an, während Isolatorhülsen 46b und 46b' zum Einsatz kommen, um einen Stromfluß aus den Stangenende 26b oder der Endkappe 32b zu verhindern. Ein Einschlußbestandteil 99b kann Verwendung finden, um jegliche freiliegende Drähte usw. zu überziehen. Das Stangenende 26b bei dieser Ausführungform ist hergestellt aus einem Stahlhülsenende 48b angeschweißt an einem Gewindeteil 31b. Das Gewindestangenende 26b auf den Gewindezügen 27b' sichert die Staubschutzkappe 58b an ihrem Platz. In ähnlicher Weise können die Gewindezüge 27b an der Stange 24b in den Polschuh 85b hineingeschraubt werden und halten die Kolbenanordnung 42b hieran.

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 2 ist ein Akkumulator 44b ausgebildet durch einen Akkumulatorkörper 74b, mit einer flexiblen zentralen Membran 76b, die vorzugsweise hieran gebunden ist. Eine O-Ring Dichtung 78b wird eingesetzt, um die äußere Peripherie des Akkumulatorkörperteils 74b abzudichten gegen die innere periphere Oberfläche des Dämpferkörpers 28b. Die flexible Membran 76b, bei welcher es sich vorzugsweise um natürlichen Kautschuk, synthetischen Kautschuk oder eine Kombination hieraus handelt, nimmt die Bewegungen mit niedriger Amplitude der Kolbenanordnung 42b auf, ohne daß es erforderlich ist, daß sich der Akkumulatorkörperteil 44b bewegt. Diese Bewegungsreduzierung führt zu einer Verminderung der Abnutzung und Schädigung der Dichtung 78b, da sich bei niedrigen Amplituden nur die Membran 76b bewegt. Das Ventil 75b kann zum Einsatz kommen, um die Akkumulatorkammer 68b in den Dämpfer 20b unter Druck zu setzen bis zum geeigneten Druck von zwischen etwa 100 psi und etwa 500 psi.

Die Fig. 3a beschreibt eine alternative Stangenendeausgestaltung 26c einschließlich eines elektrischen Anschlußteiles 55c. Der elektrische Anschlußteil 55c führt den Strom zum einsträngigen Leiter 52c. Der elektrische Anschlußteil 55c besitzt einen eingehenden Anschluß 57c zum herstellen eines elektrischen Kontaktes mit dem einsträngigen Leiter 52c und einen ausgehenden Anschluß 59c zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes mit der Kolbenstange 24c. Die Isolation 61c und 61c' verhindert einen Kurzschluß zum Stahlstangenende 26c. Darüber hinaus bildet die Isolation 50c eine Isolierung des einsträngigen Leiters 52c von der Kolbenstange 24c und die Isolatorhülse 46c isoliert das Stangenende 26c von dem Element, an welchem es gehalten ist. Wenn dieses Stangenende 26c zum Einsatz käme, würde eine ähnliche Hülse erforderlich sein an der Endkappe (z. B. 46b' der Fig. 2). Ein mit zwei Spitzen versehener elektrischer Anschluß vom Dichtungstyp (nicht dargestellt) ist elektrisch mit den eingehenden und ausgehenden Anschlüssen 57c und 59c verbunden.

Die Fig. 5a und die Fig. 5b erläutern eine weitere Ausführungsform des linearen Dämpfers 20d mit einem einkommenden einsträngigen Leiter 52d und einem ausgehenden einsträngigen Leiter 52e. Die einsträngigen Leiter 52d und 52e sind durch eine Isolation 50d voneinander isoliert entweder individuell oder gemeinsam, um einen Kurzschluß zur Bohrung 40d in der Kolbenstange 24d zu verhindern. Ein elastomeres Element 98d drückt gegen das Ende der Kolbenstange 24d und gegen den unteren Polschuh 85d nach der Montage, wodurch bewirkt wird, daß das elastomere Element dicht den peripheren Durchmesser der individuellen einsträngigen Leiter 52d und 52e abdichtet. Ein Aufsteckanschluß 83d stellt den elektrischen Anschluß zwischen dem einkommenden einsträngigen Leiter 52d und dem ersten Axialstift 94d her. Eine dickere Isolatorplatte 95d verhindert einen Kurzschluß zum unteren Polschuh 85d. In gleicher Weise bildet der Aufsteckanschluß 83e den elektrischen Anschluß zwischen dem ausgehenden einsträngigen Leiter 52e und dem zweiten Axialstift 96e. Eine kürzere Isolatorplatte 95e verhindert einen Kurzschluß zum Polschuh 85d. Ein Versetzen der Aufsteckanschlüsse 83d und 83e verhindert einen Kurzschluß hierzwischen. Es leuchtet ein, daß diese beiden einsträngigen Ausführungsformen bevorzugt zum Einsatz kommen bei Einsätzen für die Primäraufhängung in einem Fahrzeug.

Die Fig. 6 und 7 repräsentieren die Ergebnisse eines signifikanten Ausmaßes an Untersuchungen, die durchgeführt wurden, um eine angemessene und verschleißfeste Verschleißbandmaterialkombination für einen MR-Dämpfer zu bestimmen. Die Testergebnisse repräsentieren den Verschleiß, d. h. den Gewichtsverlust der Knöpfe und Scheiben mit verschiedenen Verschleißmaterialkombinationen, basierend auf einer Tabor-Abriebsuntersuchung eines unter Federdruck stehenden 2 kg schweren Knopfes gegen eine rotierende Scheibe, um etwa 200.000 Umdrehungen, während die rotierende Scheibe und der Knopf in ein repräsentatives MR Fluid eingetaucht sind. Das Knopfmaterial repräsentiert das Kolbenverschleißband, während das Scheibenmaterial das Material repräsentiert, welches für das Dämpfergehäuse eingesetzt wird. Das repräsentative MR Fluid, welches bei der Untersuchung eingesetzt wurde umfaßt Carbonyleisenpartikel dispergiert in einem Mineralölfluidträger mit einer in etwa 35 volumenprozentigen Ladung von Partikeln und einer nominalen magnetisch weichen Partikelgröße von etwa 2 Mikron. Man geht davon aus, daß dadurch ein typisches MR Fluid repräsentiert wird, welches in linearen MR-Dämpfern zum Einsatz kommen kann. In Fig. 6 ist der Scheibengewichtsverlust und der Knopfgewichtsverlust dargestellt für drei Durchläufe.

In Fig. 7 sind die Scheibengewichtsverluste und Knopfgewichtsverluste für 10 Materialkombinationen dargestellt bei zwei Durchläufen (a und b) jeweils für alle außer der Bronze und 1018 Stahlkombination. Für jede untersuchte Materialkombination wird als erstes das Kolbenverschleißbandmaterial (Knopf) spezifiziert und als zweites das Dämpferkörpermaterial (Scheibe).

z. B. verchromter 4340 Stahl

nickelplattierter 1018 Stahl

Es ist allgemein ersichtlich, daß die überraschende und neue Kombination von 1018 Stahl und dem Garlock Material und im besonderen Garlock DD2 eingetaucht in einem repräsentativen MR Fluid signifikant besser ist als die anderen versuchten Verschleißkombinationen. Garlock DD2 ist allgemein ein Stahlmaterial mit einer Schicht aus poröser Bronze, die imprägniert ist mit einem fluorinierten Polyethylenmaterial.

Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben worden sind, werden verschiedene Modifikationen, Abänderungen, Änderungen und Anpassungen eingeschlossen, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist. Es ist beabsichtigt, daß derartige Modifikationen Abänderungen und Änderungen als Teil der vorliegenden Erfindung anzusehen sind.


Anspruch[de]

1. Regelbare Schwingungseinrichtung (20a) mit einem Körper (28a) mit einem inneren Hohlraum, einer Kolbenstange (24a), einem Kolben (42a), welcher mit der Kolbenstange (24a) verbunden ist und den inneren Hohlraum in eine obere Kammer (64a) und eine untere Kammer (66a) unterteilt, einem Fluid, welches innerhalb der oberen und unteren Kammern (24a und 42a) enthalten ist, und einem elektrisch steuerbares Ventil, welches den Fluß des Fluides zwischen der oberen und unteren Kammer (64a, 66a) steuert, wobei die Vorrichtung ferner folgende umfaßt:

(a) einen Schaltkreis zum Übertragen eines elektrischen Starkstroms an das elektrische steuerbare Ventil, wobei der Schaltkreis einen einsträngigen elektrischen Leiter (52a) aufweist, welcher sich in den inneren Hohlraum hinein erstreckt,

(b) Mittel zum Verbinden des Schaltkreises mit einem niedrigen Potential.

(c) Elastomermittel zum flüssigkeitsdichten Abdichten des einsträngigen elektrischen Leiters,

dadurch gekennzeichnet,

daß das elastomere Mittel (98a) zwischen der Kolbenstange (42a) und einem Abschnitt des Kolbens (42a) zusammengedrückt ist, so daß das elastomere Mittel (98a) in engen Kontakt mit dem einsträngigen elektrischen Leiter (52a) und einem anderen Abschnitt des Kolbens (42a) kommt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastomere Mittel eine Durchführungsdichtung umfaßt, welche den einsträngigen elektrischen Draht umschließt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Vervollständigen der Schaltung wenigstens einen elektrisch leitenden Stift (94a) umfassen, welcher zum Vervollständigen des elektrischen Kontaktes zwischen dem einsträngigen elektrischen Leiter (52a) und dem elektrisch steuerbaren Ventil dient.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Flachsteckeranschluß (83a) vorgesehen ist, welcher auf ein Ende des einsträngigen Drahtes (52a) sowie auf wenigstens einen elektrisch leitenden Stift (94a) greift.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein elektrisch leitender Stift (94a) ein axial ausgerichteter Stift ist, welcher elektrisch mit einer Wickelspule (88a) verbunden ist, welche innerhalb des Mittels zum Vervollständigen der Schaltung in Richtung niedriges Potential angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Vervollständigen der Schaltung in Richtung des niedrigen Potentials einen weiteren elektrisch leitenden Stift (96a) und einen Verbinder (97a) umfaßt, welcher den anderen elektrisch leitenden Stift (96a) mit einem metallischen Abschnitt des Kolbens (42a) verbindet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben einen Polschuh (80a) und einen kreisförmigen Ring (82a) umfaßt, welche mittels mehrerer Brückenelemente (29a) miteinander verbunden sind, wobei die Brückenelemente (29a) voneinander beabstandete, nicht magnetische Zwischenverbindungen umfassen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die voneinander beabstandeten, nicht magnetischen Zwischenverbindungen (29a) nicht magnetische Schweißstellen umfassen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenelemente (29a) nichtmagnetische Stifte umfassen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Polschuh (80a) und der Ring (82a) aus einem pulverisierten Metallwerkstoff hergestellt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (28a) aus einem weichmagnetischen Material hergestellt ist und einen wesentlichen Teil des magnetischen Kreises ausbildet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (82) einen Umfangsabschnitt des Kolbens (42a) ausbildet, welcher mit wenigstens einem Verschleißband (84) ausgebildet ist, welches aus einem weichmagnetischen Material hergestellt ist und einen Teil des magnetischen Kreises ausbildet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Verschleißband (84a) eine reibungsreduzierende Oberfläche aus der Gruppe poröse Bronze, Nickel, fluoriniertes Polyethylenpolymer und Kombinationen dieser aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (24a) eine derartige Oberflächenbeschaffenheit aufweist, daß eine Kratzertiefe dieser Oberfläche kleiner als 25% eines Partikeldurchmessers von weichmagnetischen Partikeln ist, die in einer magneto-rheologischen Flüssigkeit enthalten sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (24a) eine Oberflächenrauhigkeit im Bereich zwischen Rz 12 Mikroinch und Rz 20 Mikroinch aufweist und die weichmagnetischen Partikel einen Durchmesser zwischen 1 Mikron und 6 Mikrons aufweisen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine in dem Körper (28a) ausgebildete Ausnehmung vorgesehen ist, welche gegen den Austritt von magneto-rheologischer Flüssigkeit abgedichtet und gegen Seitenbelastung durch eine Kombination aus einer Metallhülse (36a) und einer elastomeren Dichtung (38a) geschützt ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhülse (36a) eine Metallschicht mit einer Oberflächenbeschichtung aus porösem Werkstoff umfaßt, welcher mit einem verbleiten und fluorinierten Polyethylenpolymer imprägniert ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomerdichtung (38a) eine energiebeaufschlagte Lippendichtung umfaßt, welche aus einem Fluorcarbon-Elastomer-Wirkstoff hergestellt ist, der einen Durometerbereich zwischen 65 und 90 aufweist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Akkumulatoranordnung (44b) benachbart zu dem inneren Hohlraum angeordnet ist, wobei die Akkumulatoranordnung (44b) einen im wesentlichen starren Körperabschnitt (74b) mit einer Dichtung (78b), welche gegen einen inneren Umfang des Körpers (28b) abdichtet, und einen flexiblen Abschnitt (75b) umfaßt, welcher dichtend mit dem Körperabschnitt (74b) verbunden ist, wodurch die Akkumulatoranordnung (44b) Auslenkungen des Kolbens (42a) mit niedriger Amplitude erlaubt, wobei diese Auslenkung mittels des flexiblen Abschnittes (76b) ohne Bewegung der Dichtung relativ zum inneren Umfang anpaßbar ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch steuerbare Ventil eine Spulenanordnung (88) umfaßt, welche einen geformten Abschnitt (92a) aufweist, der wenigstens einen Positioniervorsprung (91a) umfaßt, der in wenigstens einer in dem Kolben ausgebildeten Bohrung aufnehmbar ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (24a) über wenigstens einen Teil ihrer Länge eine Oberfläche aus Chrom, Borcarbid, Molybdän oder Wolfram aufweist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem inneren Hohlraum zusammenwirkende Membrananordnung (44b) vorgesehen ist, welche teilweise eine Akkumulatorkammer (68a) ausbildet, welche von der Flüssigkeit abgetrennt ist, wobei die Membrananordnung in der Lage ist, eine Bewegung in Abhängigkeit von der Bewegung des Kolbens (24a) auszuführen, wobei die Akkumulatorkammer ohne Füllventil unter einen Druck von 100-500 psi gesetzt ist.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com