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Hydraulischer Teleskopstossdämpfer mit einer von der
Kolbenstellung abhängigen Dämpfung
Die Erfindung betrifft Teleskopstossdämpfer, versehen mit einem Zylinder, in welchem sich ein an einer Kolbenstange befestigter Kolben bewegen kann, und mit einer sich ausserhalb des Zylinderraumes befindlichen Kammer, die an den Zylinderraum mittels in der Zylindermantelwand angebrachter Bohrun- gen und mittels mindestens eines in einer Wand des Zylinders angebrachten, mit einem Venril versehenen Kanals angeschlossen ist, wobei der Kolben in bestimmten Lagen diese Bohrungen abschliesst.
Für den Fall, dass das freie Ende der Feder eines Masse-Federsystems einer vorbestimmten. vorzug- weise sinusförmigen Bewegung in Federrichtung unterworfen ist, wird sich die Masse am ändern Ende der Feder ebenso sinusförmig bewegen. Bekanntlich hängt die Amplitude der sich ergebenden Bewegung der Masse von dem Verhältnis der aufgedrückten Frequenz und der Eigenfrequenz des Masse-Federsystems ab, u. zw. derart, dass dann, wenn das Verhältnis kleiner als 1 ist, die Amplitude der Masse stets grösser als die Amplitude der aufgedrückten Bewegung ist (der unterkritisch Bereich), wogegen bei einem Verhältnis, das grösser als 1 ist (im überkritischen Bereich), die Amplitude der Masse kleiner als die der aufgedrückten Bewegung ist.
Wenn ein solches Masse-Federsystem mit einem parallel zur Feder angeordneten Stossdämpfer (vorzugsweise einem Viskose-Stossdämpfer) versehen ist, können die Amplituden der Masse im unrerkritischen und im Resonanzbereich beträchtlich abnehmen. Dies geschieht jedoch auf Kosten einer Zunahme der Amplitude im überkritischen Bereich.
Ist es beabsichtigt, die Bewegung der Masse bei veränderlichen Frequenzen der aufgedrückten Bewegung so klein wie möglich zu halten, so kann die oben genannte unerwünschte Wirkungsweise des Stossdämpfers verringert werden, wenn die Bewegungen der Masse um eine bestimmte feststehende Stellung herum erfolgen, indem ein Stossdämpfer verwendet wird, dessen dämpfende Wirkung nur dann eintritt, wenn die Auslenkung der Masse gegenüber dem freien Federende einen vorbestimmten Wert übersteigt, wogegen der Stossdämpfer im wesentlichen unwirksam bleibt, wenn sich die Masse um eine zentral gelegene Stellung mit kleiner Amplitude bewegt.
Ein solches System, das an Eisenbahnwagen zur Herabsetzung der Schüttelbewegungen verwendet wird, ist in der deutschen Patentschrift Nr. 801522 beschrieben, in der angegeben ist, dass die gewünschte Wirkung dadurch erreicht werden kann, wenn der Arbeitszylinder des Stossdämpfers mit Zirkulationskanälen mit oder ohne Rückschlagventile versehen wird. Die Angaben dieser Patentschrift sind jedoch zu weit gefasst, um aus ihnen eine wirksame Ausführungsform eines solchen Gerätes herleiten zu können, zumal der unerwünschten Tatsache, dass sich durch die in einem solchen Stossdämpfer vorhandene Luft, die für das Volumen der Kolbenstange notwendig ist, Luftschaum bilden wird, keine Beachtung geschenkt worden ist.
Die Erfindung gibt die Lösung der Aufgabe an, einen verbesserten, einwandfrei arbeitenden Stossdämpfer zu schaffen, der nur in einem Teil des Hubes voll wirksam ist. Nach der Erfindung ist ein Stoss- dämpfer der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mit mindestens einem sich in der Bewegungsrichtung des Kolbens erstreckenden, den Durchfluss der Dämpfungsflüssigkeit in beiden Richtungen nicht behindernden Kanal versehen ist.
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Die Fig. l, la, 2, 3, 4. 5. 5a und 5b stellen zum horizontalen Einbau bestimmte Ausführungsbeispiele für den Dämpfer gemäss der Erfindung dar. Mit dicken bzw. dünnen Pfeilen ist jeweils jener Teil des Kolbenhubes angegeben, während welchem Dämpfung bzw. keine (nennenswerte) Dämpfung auftritt.
Gemäss Fig. 1 ist ein mit einem Ventil 4 versehener Kolben 3 hin-und herbewegbar in einem Arbeitszylinder 1 angeordnet, der von einem Vorratsbehälter 2 (Vorratsraum c) umgeben ist. Der Kolben 3 und ein mit einigen durchgehenden Bohrungen 14 versehener Kolben 5 sind mit einer Stange 6 verbunden, die durch ein eng passendes Führungsstück 7 nach aussen führt. An der Aussenseite des Führungsstükkes 7 ist eine Packung 8 vorgesehen, um einen Austritt des Öles aus dem Vorratsraum c zu verhindern.
Die Stange 6 und der Behälter 2 sind mit entsprechenden Befestigungsmitteln für den Dämpfer, wie beispielsweise den Augen 9, versehen. Die Arbeitsweise dieses Stossdämpfers ist folgende :
Während die Stange zusammen mit den Kolben 3 und 5, ausgehend von der neutralen Lage der Kolbenkombination 3-5 (diese Lage ist in der Zeichnung dargestellt), im Arbeitszylinder nach innen (Zeichnung nach oben) bewegt wird, fliesst Öl über die Bohrungen 15 und das Ventil 4 des Kolbens 3 aus dem Raum b in den Raum 22 und von dort durch die Öffnungen 14 des Kolbens 5 in den Raum a zwischen dem Kolben 5 und dem Führungsstück 7 (Bewegung ohne bzw. mit geringem Widerstand).
Während der nächstfolgenden, nach aussen (Zeichnung nach unten) gerichteten Bewegung der Stange ist das Ventil 4 geschlossen, der Kolben 5 überdeckt die Öffnungen 10 in dem Arbeitszylinder und das Öl kann nur durcn die in demKolben3 vorgesehenen (nichl dargestellten) StrömungswiderstÅande nach demRaumb oder durch ein in dem Führungsstück 7 angeordnetes und durch eine Feder belastetes Ventil 11 nach dem Vorratsraum c ausweichen (Bewegung mit Widerstand). Wenn die Stange so weit nach aussen bewegt wird, dass der Kolben 5 die Öffnungen 10 freigibt, kann Öl durch diese Öffnungen in den Raum c abfliessen, so dass während der weiteren Bewegung der Stange nach aussen nur ein kleiner oder kein Widerstand auftritt.
Während kleiner Bewegungen um die neutrale Lage schliesst der Kolben 5 die Auslässe 10 nicht, so dass keine oder praktisch keine Dämpfung vorhanden ist. Die während des nach innen gerichteten Hubes durch die Stange verdrängte Ölmenge strömt über Öffnungen 2 7 dem Vorratsraum c zu, wo sie aufgenommen wird.
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diese Bohrungen in den Raum c, kann jedoch von hieraus nicht in den Zylinderraum zurückgesaugt werden.
Wenn zwei Stossdämpfer symmetrisch gegeneinander angeordnet sind, wie in Fig. la schematisch dargestellt ist, vollzieht sich bei grossem Hub folgender Dämpfungsvorgang :
Ausgehend von der neutralen Lage : der eine Dämpfer wird zusammengedrückt und der andere bei offenen Auslässen 10 ausgedehnt ; keine oder praktisch keine Dämpfung.
Zurück zur neutralen Lage : der ausgestreckte Stossdämpfer dämpft nicht oder praktisch nicht, der zusammengedrückte Stossdämpfer dämpft bis zur neutralen Lage.
In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform dargestellt. Darin sind ein Arbeitszylinder 1 mit Auslässen 10, ein Vorratsbehälter 2, ein Führungsstück 7 und ein federbelastetes Ventil 11 vorgesehen. Die Stange 6 ist jedoch beträchtlich stärker und trägt nur den mit Bohrungen 14 versehenen Kolben 5. Auf der andern Seite des Arbeitszylinders ist ein Ventilgehäuse 13 mit von einem Ventil 12 überwachten, die Räume b und c miteinander verbindenden Öffnungen 29 vorgesehen. In diesem Stossdämpfer wirkt die Stange 6 als Kolben. Während des nach aussen gerichteten Hubes wird Öl aus dem Vorratsraum c in die Räume b und a infolge der Raumvergrösserung über das Ventil 12 angesaugt, das dann angehoben ist.
Während des nach innen gerichteten Hubes verdrängt die Stange 6 das Öl und wirkt wie ein Kolben.
Solange dabei der Kolben die Auslässe 10 überdeckt, kann das Öl nur über einen im Führungsstück 7 vorgesehenen, von einem federbelasteten Ventil 11 überwachten Kanal in den Vorratsraum c strömen. Dies ergibt die erwünschteDämpfung. DerDruek indemArbeitszylinder bleibt erhallen, bis der Kolben 5 dieAm,- lässe 10 freigibt, worauf die Stange ohne oder praktisch ohne Widerstand weiter eingeschoben werden kann.
Die sich ergebende Dämpfungswirkung ist mit Pfeilen wie bei dem Dämpfer nach Fig. 1 angegeben.
Wenn zwei Dämpfer symmetrisch zueinander angeordnet werden, ergibt sich eine freie Bewegung nach aussen und eine Dämpfung während der Rückkehr zur neutralen Lage.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, in der ein mit einer von einem federbelasteten Ventil 11 überwachten Bohrung 15 versehener Kolben 3 und ein mit durchgehenden Bohrungen 14 versehener Kolben 5 verwendet werden und die Gestaltung so getroffen, ist, dass die Dämpfung wiederum während des ersten Teiles des nach innen gerichteten Hubes des Kolbens eintritt. Das durch die Kolbenstange 6 verdrängte Öl strömt während des dämpfenden Hubteiles, in welchem die Öffnungen 10 vom Kolben 5 überdeckt sind, aus dem Raumb über die Bohrungen 14, Bohrung 15, Ventil 11, Raum a und Öffnungen 28 in den Raum c.
Der Vorteil dieser Gestaltung liegt darin, dass mit gleichen Drücken höhere Kräfte als bei dem Dämpfer nach Fig. 2 erreicht werden können.
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Während des zweiten (mit einem dünnen Pfeil angegebenen) Teiles des nach innen gerichteten Hubes sind die Öffnungen10 nicht mehr durch den Kolben5 abgeschlossen, so dass das von der Kolbenstange ver- drängte Öl frei zum Raum c abfliessen kann, ohne dass eine nennenswerte Dämpfung auftritt. Auch wäh- rend des ganzen nach aussen gerichteten Hubes tritt keine nennenswerte Dämpfung auf, weil das Öl über die Öffnungen 28 frei aus dem Zylinderraum a in den Raum c überströmt und dem Zylinderraum b, des- sen Grösse während dieses Hubes zunimmt, über Öffnungen 29, die von dem mit einer schwachen Feder belasteten Ventil 13 freigegeben werden, Öl aus dem Raum c zugeführt wird.
Fig. 4 einerseits und Fig. 5,5a und 5b anderseits zeigen zwei Ausführungen, bei denen eine Dämp- fung in einem Stossdämpfer während einer Bewegung aus beiden extremen Lagen nach der Mittellage zu auftritt, jedoch bei einer Bewegung aus der Mittellage heraus die Dämpfung ausbleibt.
Bewegt sich die Kolbenstange der Ausführung gemäss Fig. 4 aus ihrer extremen Aussenlage auf die in der Figur dargestellte Mittellage zu, so strömt das von der Kolbenstange verdrängte Öl aus dem Zylinder- raum b über Bohrungen 14 des Kolbens 5, Raum 16, Bohrungen 15 des Kolbens 3 (die von dem mit einer sehr schwachen Feder belasteten Ventil 4 freigegeben sind), Zylinderraum a und den mit einem mit einer stärkeren Feder belasteten Ventil 11 versehenen Kanal 33 zum Raum c. Hiebei muss also der Widerstand des Ventils 11 überwunden werden, so dass Dämpfung auftritt. In der in Fig. 4 gezeigten neutralen Lage sind die den Raum 16 mit dem Raum c verbindendenBohrungen 10 vom Kolben 5 freigegeben, was auch während der weiteren Bewegung der Kolbenstange in derselben Richtung der Fall ist.
Das verdrängte Öl strömt aus dem Zylinderraum a nunmehr nicht über den Kanal 33, sondern über die Bohrungen 31, den
Kanal 21, die Bohrungen 30, den Raum 16 und die Bohrungen 10 in den Raum c. Während dieses Hubteiles tritt keine nennenswerte Dämpfung auf.
Geht nun die Kolbenstange aus ihrer extremen inneren Lage in die gezeichnete Mittellagczuriickso tritt wieder Dämpfung auf, weil das vom Kolben 3 aus dem Raum a verdrängte Öl nur über den Kanal 33 in den Raum c abfliessen kann : die Bohrungen 30 sind nämlich während dieses Hubteiles von den Kolben 3 überdeckt, während der weiteren Bewegung in derselben Richtung werden jedoch diese Bohrungen freige- geben, so dass das Öl aus dem Zylinderraum a über die Bohrungen 31, Kanal 21 und Bohrungen 30 in den Raum 16 und von hier aus über Bohrungen 14 des Kolbens 5 in den Zylinderraum b, dessen Volumen ja während dieses Hubes zunimmt, gelangt. Auch strömt Öl aus dem Raum c dem Zylinderraum b während dieses ganzen Hubes zu, u. zw über Bohrungen 29.
Wünscht man die Dämpfung in beiden Hubrichtungen gleich gross zu machen, so muss-der Querschnitt der Kolbenstange 6 gleich dem Kolbenquerschnitt des Zylinderraumes sein.
Die Ausführung gemäss den Fig. 5,5a und 5b ergibt dasselbe Dämpfungsbild wie die Ausführung ge- mäss Fig. 4. Bei dieser Ausführung sind die Kolben 3 und 5 zu einem einzigen Organ 26 zusammengefasst.
Dieses Organ weist längs seines Umfanges je zwei zueinander symmetrisch gelegene Ausnehmungen 25 und 17 auf, die zusammen mit der Zylindermantelwand l Kammern bilden, wobei die Ausnehmungen 17 gegenüber den Ausnehmungen 25 und 900 versetzt sind. Auf diese Weise ist das Organ - in radialer Richtung gesehen-hydraulisch im Gleichgewicht. Die Überschneidungen der seitlichen Flächen der Ausnehmungen mit der zylindrischen Oberfläche des Organs 26 wirken als mit den Bohrungen 10 zusammenwirkende Steuerkanten. Durch diese Ausnehmungen sind gewissermassen Kolben 3 und 5 aus dem Organ 26 herausgearbeitet.
Fig. 5a zeigt die Abwicklung der zylindrischen Oberfläche des Organs 26 mit den Ausnehmungen 25 und 17. Die in dem Arbeitszylinder vorhandene Reihe von Bohrungen 10 ist ebenfalls dargestellt.
Fig. 5b stellt einen Querschnitt durch den Arbeitszylinder, das Organ 26 und die Stange 6 nach Fig. 5 in der Ebene b-b dar.
Die Arbeitsweise dieses Stossdämpfers ist folgende :
Wenn sich das von der dargestellten, neutralen Stellung ausgehende Organ 26 auf das Führungsstück 7 zu bewegt, wird das zwischen dem Kolbenteil 3 und dem Führungsstück in der Kammer eingeschlossene Öl durch die Bohrungen 23-24 ausgetrieben. Das Ventil 18 wird dann gegen die Kraft der Feder 19 ausgelenkt und gibt einen Strömungsdurchtritt durch die Bohrungen 24 zu den Kammern 17 frei, von denen aus das Öl durch die Bohrungen 10 zur Kammer c fliesst. Diese Feder 19 ist nämlich so bemessen, dass das Ventil 18, im Gegensatz zum Ventil 11, sich leicht öffnet. Auf der andern Seite des Kolbens wird nach dem Anheben des Ventils 13 Öl angesaugt. Während dieses Hubes tritt also keine oder nur eine sehr schwache Dämpfung auf.
Während des nächstfolgenden, nach innen gerichteten Hubes wird das Ventil 18 im Organ 26 von der Feder19 geschlossen. Das von der Stange 6 verdrängte Öl kann nunmehr durch die Kanäle 14, die Ausnehmungen 25, die Kanäle 15 und das sich leicht öffnende Ventil 4 strömen. Von der Kammer a kann Öl
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über das Dämpfungsventilll zur Kammer c ausweichen. Durch die Bohrung 23 wirkt der Öldruck auch auf das Ventil 18 ein. Der Druck wird hier aber auf eine kleinere Fläche als auf der andern Seite des Ventils ausgeübt, so dass das Ventil nach unten auf den Sitz gepresst wird und dem Öl den Zutritt zu den Kam- mern 17 verwehrt, von denen aus das Öl durch die Bohrungen 10 ausweichen könnte.
Der Öldruck in den
Kammern 25 kann keinerlei Ölverlust bewirken, weil diese Kammern - in der Aussenlage des Kolbens- nicht mit den Bohrungen 10 in Verbindung stehen. Während des nach innen gerichteten Hubes tritt etwa bis zur dargestellten Lage eine Dämpfung auf. In dieser Lage jedoch und auch während der weiteren Be- wegung des Organs 26 in : den Zylinderraum b hinein liegen die Ausnehmungen 25 den Bohrungen 10 ge- genüber, so dass das Öl aus dem Raum b über die Bohrungen 14, die Ausnehmungen 25 und die Bohrun- gen 10 in den Raum c gelangen kann und keine oder nur eine geringe Dämpfung auftritt.
Wenn das Organ 26 in eine Lage in der Nähe des Ventilgehäuses 12 gebracht und der Kolben nach aussen bewegt wird, schliesst das Ventil 4 und sperrt den Öldurchgang zu den Bohrungen 10 auf dem We- ge über die Ausnehmungen 25. Das Öl im Raum a kommt unter Druck und öffnet das Ventil 18. Das Öl kann wohl die Ausnehmungen 17 erreichen. Aber diese sind während des ersten Teiles dieses Hubes nicht mit den Bohrungen 10 verbunden, so dass das Öl durch das federbelastete Ventil 11 ausweichen muss und
Dämpfung auftritt. Dieser Zustand dauert an bis die Ausnehmungen 17 kurz vor Erreichen der neutralen
Lage die Bohrungenl0 überlappen, worauf die Dämpfung vollständig oder praktisch vollständig verschwin- det.
Die sich ergebende Dämpfungswirkung dieses Stossdämpfers ist folgende :
Der Stossdämpfer bewegt sich von der neutralen Lage aus nach aussen : keine oder praktisch keine
Dämpfung.
Einwärts zur neutralen Lage hin gerichtete Bewegung : Dämpfung.
Von der neutralen Lage ausgehende, einwärts gerichtete Bewegung des Stossdämpfers : keine oder praktisch keine Dämpfung.
Nach aussen gerichtete Bewegung zur neutralen Lage : Dämpfung.
Die Amplitude, innerhalb deren der Stossdämpfer eine dämpfende Wirkung ausübt, ist in diesem Falle von der Lage der Ausnehmungen gegenüber den Auslassöffnungen 10 bestimmt.
Alle Ausführungen zeigen Stossdämpfer, deren Dämpfung in der Nähe der neutralen Lage ganz oder nahezu ganz verschwindet. Durch eine dem Kolben gegenüber andere Lage der Bohrungen in der Zylindermantelwand oder durch Verwendung von Bohrungen, die in dem Arbeitszylinder in Längsrichtung zuein- ander verschoben sind, können auf dieser Grundlage andere Dämpfungswirkungen erreicht werden. Durch Verkleinerung des Durchmessers der Bohrungen ist es ebenso möglich, zu erreichen, dass der Stossdämpfer bei einer bestimmten Kolbenstellung einen andern Widerstand als bei einer ändern Kolbenstellung bei gleichen Bewegungsgeschwindigkeiten bietet.
Die in den Figuren dargestellten Dämpfer können auch senkrecht oder schräg eingebaut werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hydraulischer Teleskopstossdämpfer, versehen mit einem Zylinder, in welchem sich ein an einer Kolbenstange befestigter Kolben bewegen kann, und mit einer sich ausserhalb des Zylinderraumes befindlichen Kammer, die an den Zylinderraum mittels in der Zylindermantelwand angebrachter Bohrungen und mittels mindestens eines in einer Wand des Zylinders angebrachten, mit einem Ventil versehenen Kanals angeschlossen ist, wobei der Kolben in bestimmten Lagen diese Bohrungen abschliesst, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Kolben (5) mit mindestens einem sich in der Bewegungsrichtung des Kolbens erstreckenden, den Durchfluss der Dämpfungsflüssigkeit in beiden Richtungen nicht behindernden Kanal (14) versehen ist.