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Hydropneumatischer Stoßdämpfer Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitspneumatische
Aufhängevorrichtung, die vorzugsweise zur Aufhängung von Fahrzeugen oder Flugzeugen
gedacht ist, die aber auch als elastisches System und Stoßdämpfer an stoßweise arbeitenden
Maschinen Verwendung finden kann, z. B. an Hammerwerken, um dort die Übertragung
von Schwingungen auf den Boden zu verhindern.
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Die Lösung des Problems der Aufhängung von Radfahrzeugen und von Flugmaschinen
beim Starten und Landen gehört zu den schwierigsten Aufgaben, die der Technik gestellt
sind.
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Die verschiedenen elastischen Systeme, die bisher vorgeschlagen worden
sind, waren zunächst denen an pferdebespannten Fahrzeugen nachgebildet.
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Die Unzulänglichkeiten der Blattfedern wurden durch die Erfindung
der Luftreifen in gewissem Maße behoben, da die Luftreifen die kleinen, durch Straßenunebenheiten
bedingten Stöße auffangen und somit verhüten, daß schädliche Stöße auf die Bauteile
des Antriebsmechanismus und der Karosserie übertragen werden.
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Die nach und nach wachsenden Anforderungen an die Bequemlichkeit brachten
es mit sich, daß man sich mit neuen technischen Möglichkeiten befaßte und z. B.
Aufhängevorrichtungen von veränderlicher Biegsamkeit erfand, bei denen die Durchbiegungen
des elastischen Systems unter dem Einfluß von Belastungen diesen nicht mehr proportional
sind. Es wurde auch, um ein anderes Beispiel zu nennen, die durch die Reibung der
Blattfedern unter sich bedingte Dämpfwirkung durch die Anbringung von unter dem
Namen Stoßdämpfer bekanntgewordenen Vorrichtungen verbessert, bei denen die Energieaufnahme
regelbar ist.
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Es sind daher Vorrichtungen bekanntgeworden, die die Stoßdämpfung
mittels Federn ersetzen durch eine hydropneumatische Dämpfung und die im wesentlichen
mittels flüssigkeits- oder gasbeaufschlagter Kolben arbeiten. Derartige bekannte
Stoßdämpfer bestehen normalerweise aus einem in einem Zylinder gleitenden, mit Bohrungen
durchsetzten Kolben, wobei die Bohrungen so bemessen sind, daß ein geringer Teil
des der Druckwirkung durch den bewegten Kolben ausgesetzten Druckfluidums durch
die Bohrungen in den Zylinderraum über dem Kolben entweichen kann.
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Nach einem anderen bekannten System wird so vorgegangen, daß der Kolben
Flüssigkeit aus einem Zylinder verdrängt und diese über ein Drosselventil in einen
ein abgeschlossenes Luftvolumen enthaltenden Behälter drückt.
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Bei einer bekannten derartigen Einrichtung ist z. B. zwischen zwei
sich horizontal paarweise gegenüberliegenden, hydraulisch arbeitenden Stoßdämpfern
ein beweglicher Drehschemel vorgesehen. Jeder Stoßdämpfer weist einen aus zwei Kammern
verschiedenen Durchmessers bestehenden Zylinder auf, wobei jede Kammer einen Kolben
aufnimmt und der eine dieser beiden Kolben schwimmend angeordnet ist.
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Diese bekannten Anordnungen haben unter anderem die Nachteile, daß
ein schwimmender Kolben vorhanden ist oder daß, wenn zwei Dämpfer einer Seite komprimierend
arbeiten, die beiden anderen keine dämpfende Reaktion aufweisen, weil die Kolben
nur in einer Richtung eine Dämpfungswirkung erzeugen.
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Die Erfindung geht darüber hinaus und beseitigt diese Nachteile, und
einer ihrer Hauptvorteile muß darin gesehen werden, daß mit dem Stoßdämpfer nach
der Erfindung eine bei steigender Belastung dieser angepaßte Dämpfung erzielbar
ist, d. h. daß am Anfang ebenso wie zum Ende der von der Normalstellung abweichenden
Lage eine starke und zwischen diesen Endlagen eine weniger starke Dämpfung eintritt.
Die Erfindung besteht .demnach in einem hydropneumatischen Stoßdämpfer, bei dem
durch einen Kolben Flüssigkeit aus einem Zylinder verdrängt und über ein Drosselventil
in einen Behälter gedrückt wird, der ein abgeschlossenes Luftvolumen enthält. Erfindungsgemäß
ist ein Kolben besonderer Gestalt vorgesehen, der den Dämpfungszylinder in zwei
miteinander verbundene Arbeitsräume unterteilt, wobei der Kolben zu beiden Seiten
Hilfskolben kleineren Durchmessers aufweist, die in an den Enden des Zylinders angeordnete
Kammern eintauchen können.
Würde man in einem solchen System den
Teil der Vorrichtung, der den Anfangsstoß erhält, der unmittelbaren Reaktion des
komprimierten Gases aussetzen, so wäre dies mit Nachteilen verbunden; andererseits
kann man jedoch auf die Elastizität des komprimierten Gases nicht verzichten.
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Wenn das Rad von unten nach oben gegen das Chassis geschleudert wird,
so dürfen die Teile nur allmählich nachgeben, bevor sie sich im geringsten Abstand
voneinander befinden, damit der Luftreifen in höherem Maße am Auffangen des Anfangsstoßes
beteiligt wird, als dies bei den gebräuchlichen Aufhängesystemen normalerweise der
Fall ist.
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Andererseits kann aber ein Luftreifen allein auch nicht alle Unebenheiten
abfangen, denn dazu müßte man den Druck in einem solchen Reifen so verringern und
seine Federn so vergrößern, daß die dabei auftretenden Reifeneigenschaften einen
beachtlichen Verlust der Motortreibkraft mit sich bringen würden, und zwar schon
wegen der durch die Gewichtsbelastung allein bedingten Deformation der Reifendecke.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung bezweckt nun, die Wirkung des
Luftreifens zu ergänzen, und zwar mit Hilfe eines flüssigkeitsdynamischen Systems,
das nachstehend an Hand eines in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels
erläutert wird.
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Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch die Gesamtanordnung mit
dem der Aufhängung zugeordneten Zylinder, einem Spezialventil und einem Behälter
für das komprimierte Gas, der auf dem Wagenkasten, am Chassis oder auf den Achsen
angeordnet sein kann; Fig.2 zeigt einen Schnitt durch die Kolbenstange; Fig. 3 zeigt
schematisch die Gesamtanordnung einer Fahrzeugaufhängung mit mehreren, an einen
gemeinsamen Behälter angeschlossenen Einzelvorrichtungen 1, 2, 3, 4, n ...
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Der die viskose Flüssigkeit enthaltende Zylinder besteht aus einem
Rohr 6, dessen Enden mit Kopfstücken 5 und 7 verschlossen oder verschraubt sind;
an dem unteren Kopfstück 7 befindet sich eine Lasche mit einem Auge 8, wodurch der
Zylinder mit einem Winkelstück 9 verbunden werden kann, welches an einem der Teile,
z. B. einem Rad, angeordnet ist.
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Ein in dem Dämpfungszylinder 6 gleitender Dämpfungsdichtkolben 4 trägt
zwei kleinere Kolben 3a und 3b, die jeweils auf seiner oberen und unteren Stirnfläche
angeordnet sind; am Kolben 4 ist weiterhin eine Kolbenstange 1 befestigt, die an
ihrem Ende ein Kopfstück 2 mit einem Auge 12 trägt, das einen ; Bolzen aufnehmen
kann, mit dem die Kolbenstange am Wagenkasten befestigt ist.
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Das Winkelstück 9 kann auch am Chassis befestigt sein, während der
durch das Auge 12 greifende Bolzen am Rad oder, genauer gesagt, an dessen Nabe,
die in ; den Zeichnungen nicht dargestellt ist, angeordnet sein kann.
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Eine Feder 33 dient dazu, das Rückzugselement in seiner Gleichgewichtslage
zu halten; die Spannung der Feder 33 kann durch Verstellen des Gegenlagers 34, an
dem das eine Ende der Feder anliegt, verändert werden; das andere Ende der Feder
stützt sich auf dem Kopfstück 5 ab.
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Der Kolben 4 einerseits und die Kolben 3 a. und 3 b andererseits haben
stark, verschiedenen Querschnitt, und dies ist ein besonderes Merkmal der Erfindung,
wie noch gezeigt werden wird, weil es zum Schluß des Kolbenhubs verschiedene Flüssigkeitsvolumen
zu verschieben gestattet und so die Kompression des Gases bewirkt wird. Die Wirkung
wird dadurch unterstützt, daß die Kolbenstange 1 nach und nach in den Zylinder eingeschoben
wird.
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Aus Fig. 2 ist weiter ersichtlich, daß die Kolben 3 a und 3 b mit
Kanälen 10 versehen sind, deren Querschnitt sich ausgehend von einer gemeinsamen
Basis am großen Kolben 4 bis zum gegenüberliegenden Ende der Kolben 3 a und 3 b
erweitert. Diese Kanäle sind in Anpassung an die Viskosität der benutzten Flüssigkeit
kalibriert.
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Eine Dichtung 11 im Kopfstück 5, die vorzugsweise aus einem Ring aus
einem Superpolyamidharz besteht, schließt die Kolbenstange 1 flüssigkeitsdicht ab.
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Eine Kammer im Kopfstück 5 steht durch' eine Rohrverbindung 13 mit
einem Ventilkörper 15 in Verbindung, der außerdem sowohl über eine Rohrverbindung
14 an der Seite der Rohrverbindung 13 mit einer im unteren Kopfstück 7 vorgesehenen
Kammer als auch über eine Rohrverbindung 19 mit einem Behälter 20 verbunden ist.
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Der Behälter ist mit einem Hahn 21 und einem Manometer 22 ausgestattet,
und diese Ausrüstung dient dazu, den Behälter mit Preßluft zu füllen. Der Druck
der Preßluft hat einen bestimmten Wert, der von der Belastung abhängt, die das Aufhängungselement
aufnehmen soll.
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Im Ventilkörper 15 befindet sich ein bewegliches Ventilteil
16 aus Metall oder aus einem unempfindlichen Superpolyamid.
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In der Fig. 1 sind radiale Kanäle 18' sowie Kanäle 18 zu erkennen,
welche in Richtung der Mantellinien verlaufen und welche zu Beginn der Bewegung,
während sich das Ventilteil 16 in der dargestellten Stellung befindet, das
Durchströmen der Flüssigkeit ermöglichen. In der entgegengesetzten Endlage werden
die Kanäle 18 durch die in der Zeichnung rechts liegende Rückwand der das Ventilteil
16 aufnehmenden Kammer geschlossen. In diesem Augenblick steht für die Flüssigkeitsströmung
und die Druckübertragung nur die kalibrierte Öffnung 17 zur Verfügung.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist wie folgt: Wenn ein Stoß, ein
Stein oder eine Straßenunebenheit das Rad des Fahrzeugs zwingt, sich dem Chassis
zu nähern, dessen Schwerpunkt nach bekannten Gesetzen die Neigung hat, seine vorherige
Bewegungsbahn; z. B. die Horizontale, beizubehalten, so hat dies ein Zusammenrücken
der aus Kolben 4 und Zylinder 6 bestehenden Vorrichtung zur Folge.
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Von seiner in Fig. 1 dargestellten Stellung ausgehend, taucht der
Kolben tiefer in den Zylinder hinein und treibt dieFlüssigkeit, die sich unter demKolben4
und dem kleinen Kolben 3 b befindet, vor sich her. Das Volumen der vom Kolben bei
seiner Bewegung nach unten verdrängten Flüssigkeit ist größer als das von Kolben
und Kolbenstange eingenommene Volumen, so daß nicht nur eine Ausgleichsströmung
durch die Rohrleitungen 13 und 14 fließt und nicht alle verdrängte Flüssigkeit aus
dem unter dem Kolben 4 gelegenen Raum in den über ihm liegenden Raum strömt.
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Da die erwähnten Volumen verschieden sind, muß sich das zu Beginn
der Bewegung verdrängte Öl einen Ausweg durch das Ventil 15 suchen, und dies ist
nur dadurch möglich, daß es durch die Kanäle 18' und 18 sowie durch die Bohrung
17 fließt. Das Öl gelangt 'so in den Behälter 20, wo es das Gas 25 komprimiert.
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Gegen Ende der Bewegung ist das Abströmen der Flüssigkeit in den Behälter
20 dadurch leicht behindert, daß das bewegliche Ventilteil 16 sich nach rechts
bewegt hat und nun die Flüssigkeit nur noch
durch die kalibrierte
Bohrung 17 strömen kann, sobald die Kanäle 18 und 18' durch die Ringfläche des Zylinders
15 verschlossen sind.
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Wenn die Bewegung andauert, so kommt der Augenblick, in welchem der
Kolben 3 b in die Kammer des unteren Kopfstücks 7 eindringt. Nun beginnt eine Doppelbremsung
der Bewegung, und zwar einmal durch die Reibung der zylindrischen Seitenfläche des
Kolbens 4 und seiner Segmente gegen den Hauptzylinder 6 und zum anderen durch die
Reibung des Zylinders 3 b gegen die Seitenwandung der Kammer, in die er eindringt,
wobei die unter dem Kolben 4, z. B. in seiner Stellung 4', zusammengepreßt gehaltene
Flüssigkeit sich durch die Kanäle 10 nach oben drängt, deren Form in Fig. 1 erkennbar
ist.
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Das Durchpressen der Flüssigkeit durch die besonders geformten Kanäle
10 bedingt eine Bremsung, die ebenfalls zur Verlangsamung der Stoßbewegung beiträgt,
bevor der Kolben 4 seine untere Lage erreicht hat.
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Man kann die Flüssigkeitsverdrängung dadurch beeinflussen, daß man
der Kolbenstange 1 einen mehr oder weniger großen Durchmesser gibt, um den Differenzeffekt
der Bewegung zu verstärken oder zu verringern.
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Das System arbeitet also mit leicht anwachsendem Druck, und dies hat
eine Verteilung der Kontraktionsenergie in dem vom Öl durchlaufenen Kreis und insbesondere
in den Krümmungen und Rohrleitungen 13 und 14 zur Folge. Die Reaktionswirkung ist
daher nicht so stark wie dann, wenn es sich um eine Bewegung geringerer Amplitude
handeln würde, und zwar deswegen, weil der Stoß des Rades beim Rückschlagen auf
den Boden nicht so stark und schädlich ist wie bei den bekannten Aufhängungen.
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Darüber hinaus ist es bekannt, daß derartige Stöße besonders schädlich
für den Antriebsmechanismus des Wagens und lästig für die Insassen sind, denn sie
entsprechen starken vertikalen Beschleunigungen. Das Prinzip selbst aller bekannten
Feder-Stoßdämpfer-Systeme bestand bisher darin, vor einem Hindernis nach oben ein
freies Ausweichen zu gestatten und die Rückbewegung des Rades auf den Boden abzubremsen.
Gemäß der Erfindung wird eine vorteilhafte Möglichkeit geboten, welche die Steuerung
der Rückbewegung vereinfacht.
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Die Rückkehr des Systems in seine Normallage durch eine unter der
Wirkung des Überdrucks im Raum 25 erfolgende Ausdehnungsbewegung wird durch eine
Verschiebung des Ventilteils 16 in seiner Kammer 15 nach links sehr erleichtert,
denn das Ventil kommt dabei in eine Stellung, in der die Flüssigkeit schnell durch
die Kanäle 18 und 18' und durch die Bohrung 17 zurückströmt.
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Die Abmessungen des Ventils und die Kalibrierung der Öffnungen beeinflussen
die Wirkung der Vorrichtung, die durch Veränderung dieser Abmessungen verändert
werden kann.
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Die Wirkungsweise der Gesamtanordnung wird auch von den jeweiligen
Gas- und Flüssigkeitsvolumen und damit vom Fassungsvermögen des Behälters beeinflußt;
diese Größen müssen in Anpassung an die Besonderheiten der gerade zu verwirklichenden
Aufhängung berechnet und durch Versuche ermittelt werden.
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Fig.3 zeigt die Anordnung von zwei, drei, vier oder n Aufhängungselementen
28, 29, 30, 31 ..., welche parallel miteinander an einen einzigen Gasbehälter angeschlossen
sind, wodurch eine gegenseitige Anpassung erzielt wird, die etwa mit der Wirkung
von Torsionsstangen oder der Anpassung von Rädern verglichen werden kann.
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Die Ankupplung kann hier auf zwei Rädern beschränkt werden, indem
man z. B. bei einem vierrädrigen Fahrzeug zwei unabhängige Behälter für die Aufhängung
vorsieht.