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Die
Erfindung betrifft einen Schwingungs- oder Stoßdämpfer.
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Gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 weist dieser Dämpfer
einen geschlossenen Zylinder auf, der durch mindestens einen Kolben
in zwei oder mehr Arbeitsräume
unterteilt und mit einem strömungsfähigen Medium
als Dämpfungsmittel
gefüllt ist.
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Während des
Stoßdämpfungsvorganges wird
der Kolben relativ zu dem ihn aufnehmenden Zylinder bewegt. Um den
Kolben entlang der Innenwand des Zylinders zu verschieben, muss
der an ihn angreifende Zug einen Schwellenwert FR,
max = μ0 FN überschreiten.
Bleibt die Zugkraft FZ unter diesem Schwellenwert
FR, max, so bleibt der Körper unabhängig von der Größe FZ in Ruhe. Dabei ist FN die
Normalkraft; μ0 heißt
Haftreibungskoeffizient und FR die Reibkraft.
Um den Kolben mit gleichmäßiger Geschwindigkeit
entlang der Innenwand des Zylinders zu bewegen, muss (ohne Berücksichtigung
der hydrodynamischen Kräfte)
eine konstante Kraft FR wirken, die im wesentlichen
von der Geschwindigkeit unabhängig
ist, FR = μ FN.
Dabei bedeutet FN die Normalkraft und μ ist der
Koeffizient der gleitenden Reibung.
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In
einer Kolben/Zylinder-Anordnung ist die Normalkraft FN aufgrund
der vorgegebenen Passung festgelegt. Deshalb ist eine Beeinflussung
der zwischen Kolben und Zylinder wirkenden Normalkraft nicht möglich.
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Der
Koeffizient μ der
gleitenden Reibung ist immer kleiner als der Haftreibungskoeffizient μ0.
Hieraus resultiert eine Losbrechkraft, die sich besonders bei kleinen
Amplituden des Stoßdämpfers als
hohe Steifigkeit äußert, was üblicherweise
als „Harshness" bezeichnet wird.
Diese Harshness, die insbesondere bei höheren Anregungsfrequenzen und
geringen Amplituden auftritt, ist unerwünscht.
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Zur
Verringerung der Harshness werden die Dichtsysteme klassisch durch
die Verwendung bestmöglicher
Reibverhältnisse
(hochglatte Kontaktpartner mit teilweise strukturierten Oberflächen; geeignete
Reibpartner und reibungsminimierte Auslegung der Dichtlippe) hergestellt.
Hiermit sind hohe Fertigungsanforderungen an die Dichtsysteme mit
progressiver Kostenentwicklung verknüpft, wobei die Haftbeiwerte
nur begrenzt reduziert werden können.
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In
der deutschen Patentschrift
DE 198 01 054 C1 wird ein Schwingungsdämpfer mit
Kolben/Zylinder-Anordnung beschrieben. Das Besondere an dieser Konstruktion
ist eine Ultraschall-Abstandsmess- bzw. Bewegungserfassungs-Anordnung,
wie sie insbesondere von Luftfedern her bekannt ist. Der Ultraschall
sendet Signale, z. B. Impulse, d. h. Informationen, aus. Da keine
nennenswerten Leistungen von dem Ultraschallwandler abgegeben werden,
wird der als Reflektor dienende Kolben von den Ultraschall-Signalen
nicht zu Schwingungen angeregt. Insbesondere werden keinerlei Losbrechkräfte auf den
Kolben übertragen.
D. h.: Zur Überwindung
der Harshness ist diese Konstruktion völlig ungeeignet.
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Die
DE-OS 196 42 827 A1 beschreibt einen Aktuator zur Schwingungsbedämpfung und
zwar eine Anordnung zweier relativ zueinander schwingungsbeweglicher
Massen. Zwischen den Massen sind Mittel zur Schwingungsbewegung
angeordnet, denen mindestens ein Aktuator beigeordnet ist. Der Aktuator
besteht aus mindestens einem ansteuerbaren Piezoelement. Hiermit
will man die Geräusche, die
von schwingenden Bauteilen erzeugt werden, minimieren. Das mit der
Losbrechkraft gegebene Problem wird mit dem piezoelektrischen Aktuator
angegangen. Dieser piezoelektrische Aktuator, der zwischen Schwingungsdämpfer und
Fahrzeugaufbau oder -Rad angeordnet ist, regt die Kolbenstange oder den
Zylinder direkt zu Relativbewegungen an.
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Da
mit einfachen piezoelektrischen Aktuatoren nur geringe Amplituden
zu realisieren sind, wird vorgeschlagen, entweder mehrere Aktuatoren
hintereinander zu schalten, was sehr kostspielig ist, oder mit Hilfe
eines zweiarmigen Hebels eine Vergrößerung der Amplitude zu erzielen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine wirkungsvollere und preiswertere „Losbrech"-Einrichtung für einen
Dämpfer
zu schaffen.
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Das
im Anspruch 1 dargestellte Wirkprinzip der Erfindung zur Minimierung
des bei Hydraulik-Dämpfern
auftretenden Harshness-Effekts, d. h. der Verminderung der Reib- und Losbrechkräfte des hydraulischen
(mit Flüssigkeit
gefüllten)
Dämpfers, beruht
darauf, dass der bestimmungsgemäß zwischen
Kolben und Zylinder vorhandenen Dämpfer-Auslenkung permanent oder in bestimmten
Betriebszuständen
des Fahrzeugs (z. B. Autobahn, Landstraße, – nicht aber Schlaglochstrecke)
eine kinematische Dämpferanregung überlagert
wird. Solche zusätzlichen
Relativgeschwindigkeiten führen
im Dichtungsbereich des Dämpfers
zu einer Vermeidung der Haftreibung (Reibung der Ruhe) und damit zu
einer Minimierung der zwischen Kolben und Zylinder auftretenden
Reibungsbeiwerte in Achsrichtung insgesamt.
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Um
eine einfache und preiswerte Lösung
zu schaffen, bilden die von außen
mit Energie beaufschlagten Bauelemente ein schwingungsfähiges Masse/Feder-System.
Da das Masse/Feder-System in Resonanz betreibbar ist, genügt eine
minimale Anregungsenergie, um aufgrund der Resonanzüberhöhung eine
hinreichend große
Wirkung zu erzielen.
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Die überlagerte
Dämpferanregung
bewirkt nicht nur eine Verminderung der Reibung der Ruhe sondern
auch eine Verringerung der Reibung im Bereich der Reibung der Ruhe.
Dies ist insofern von Bedeutung, da im Nahbereich der Ruhe-Reibung
ebenfalls ein erhöhter
Reibungskoeffizient gegeben ist.
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Vorzugsweise
werden die Relativgeschwindigkeiten als Schwingungen oder Bewegungen
ohne Richtungsänderung
aufgebracht.
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Dabei
kann die Belastung nieder- oder hochdynamisch in Axial- oder Radialrichtung
auf den Dämpfer
aufgebracht werden.
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Als
bevorzugte Wirkprinzipien bzw. Wirk-Orte sind die in den Ansprüchen 3 bis
7 genannten Konzepte anzusehen. Gemäß der in den Ansprüchen 3 bis
6 dargestellten Varianten können
unterschiedliche Dichtungsbereiche durch überlagerte Rotationsbewegungen
beansprucht werden. Dies ist gemäß Anspruch
5 die obere Dämpferabdichtung,
gemäß Anspruch
6 alle Abdichtungen und gemäß Anspruch 3
die Dämpferstange
und der Ventilbereich.
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Bei
der rotierenden Ausführungsform
hat sich eine Drehzahl von 20 – 600
UPM als vorteilhaft erwiesen. Je höher die Drehzahl, desto besser
der Effekt. Je größer der
Durchmesser von Dämpfer
und Kolbenstange, desto geringer darf die Drehzahl sein.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
sieht eine in Axialrichtung angreifende Schwingungsanregung vor,
wobei der Dämpferkörper bzw.
die Dämpferstange
mittels eines Ein-Massen-Schwingers angeregt wird.
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Eine
teure Materialbearbeitung der Reibflächen ist nicht erforderlich.
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Insgesamt
erfolgt durch die erfindungsgemäße Absenkung
der Reibung – insbesondere
für hohe Anregungsfrequenzen
(Harshness-Bereich) – eine Abnahme
der Dämpfersteifigkeit,
wodurch eine wesentliche Verbesserung des Komfort-Verhaltens im Fahrzustand
zu erwarten ist, d. h. insbesondere bei höherfrequenten Fahrbahnanregungen
ergeben sich verbesserte Komforteigenschaften.
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Vorzugsweise
erfolgt eine Anregung des Kolbens mit Ultraschall, wodurch eine
Verminderung der Reib-/Losbrechkräfte erzielt wird.
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Zur
Verbesserung dieses Effekts kann zusätzlich der Kolben als Masse
und die Dämpferstange
als Feder genutzt werden. Wenn dieses Schwingungssystem in Resonanz
mit der Ultraschallquelle gebracht wird, vergrößern sich damit die auf den
Kolben wirkenden Kräfte
und Wege.
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Eine
weitere bevorzugte Möglichkeit,
den mechanischen Reibungskoeffizienten und damit die Losbrechkraft
zwischen Dämpferkörper und
Dämpferstange
zu vermindern, besteht in einer Ultraschall-Anregung der Dämpferflüssigkeit.
Dazu wird ein Ultraschallgeber außen am Dämpfer oder innerhalb des Dämpferkörpers angebracht,
oder direkt in der Flüssigkeit
platziert, so dass sich innerhalb der Flüssigkeit Ultraschallwellen
ausbreiten können.
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Das
erfindungsgemäße Wirkprinzip
lässt sich
grundsätzlich
auf allen rotationssymmetrischen Lagersystemen mit störenden Reibkräften anwenden.
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Im
folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Stoßdämpfers beschreiben.
Es zeigt:
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1 und 2 jeweils einen Stoßdämpfer mit in Axialrichtung
angreifender Schwingungsanregung mittels Ein-Massen-Schwinger,
der
den Dämpferkörper anregt
(1), bzw.
der die
Dämpferstange
anregt (2),
jeweils
im Längsschnitt;
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3 bis 5 jeweils einen Stoßdämpfer, bei denen unterschiedliche
Dichtungsbereiche durch überlagerte
Rotationsbewegungen beansprucht werden, und zwar:
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in 3 die obere Dämpferabdichtung,
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in 4 alle Abdichtungen, und
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in 5 die Dämpferstange und der Ventilbereich.
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5a zeigt den Hystereseverlauf
eines Gasdruck-Stoßdämpfers bei
einer vertikalen Prüffrequenz
von 0,02 Hz
a) ohne zusätzliche
Verdrehung,
b) mit einer Radialdrehung von einer Umdrehung/s. Dabei
gelten die Geschwindigkeiten für
den Dichtbereich bei einem Dichtungsdurchmesser von 32 mm.
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6 zeigt den Längsschnitt
durch einen Stoßdämpfer mit
Drehung/Oszillation der Dämpferstange
innerhalb des Federbeinkopflagers.
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7 bis 9 zeigen Stoßdämpfer im Längsschnitt mit jeweils in Axial-Richtung
angeregter Ultraschall-Schwingung, und zwar:
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7 mit einem in die Dämpferstange
integrierten piezo-keramischen Schwinger,
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8 mit einem in die Dämpferstange
integrierten magneto-striktiven Schwinger, und
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9 einen in den Dämpferzylinder
eingebauten piezo-keramischen Schwinger.
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Der
in 1 dargestellte erfindungsgemäße (Stoß-)Dämpfer 2 basiert
auf einer herkömmlichen Dämpfer-Konstruktion
(Hier dargestellt am Beispiel eines Einrohr-Gasdruckstoßdämpfers. Dabei gilt das, was
für klassische
Einrohr-Dämpfer
gilt, sinngemäß auch für Zweirohrdämpfer):
Ein an einer Kolbenstange 8 befestigter Stoßdämpfer-Kolben 6 ist
axial-verschieblich in einem mit Hydraulik-Flüssigkeit 12a, 12b gefüllten Zylinder
(Dämpferkörper) 4 angeordnet.
Der Kolben 6 weist Durchlassöffnungen 10a, 10b auf,
die jeweils mit Ventilen versehen sind, die abwechselnd in beide
Richtungen orientiert sind.
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In
dem Zylinder 4 befindet sich ein weiterer verschieblicher
Kolben (Trennkolben 36), der die mit Hydraulik-Flüssigkeit 12a, 12b gefüllten Bereiche
gegen ein Gasvolumen 14 abteilt. Während der Zylinder 4 an
der Fahrzeug-Achse 20 befestigt ist, ist der Kolben 6 mittels
der Kolbenstange 8 unter Zwischenschaltung eines elastomerbehafteten
Federbeinkopflagers 16 am Chassis angebracht.
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Erfindungswesentlich
ist, dass an dem Zylinder 4 ein Feder/Masse-System 22/24 angebracht
ist, welches über
einen Aktuator 26 an einem Anbringungspunkt 28 des
Zylinders 4 befestigt ist. Der Aktuator 26 kann
das Feder/Masse-System 22/24 in Schwingungen – vorzugsweise
Resonanzschwingungen – versetzen,
wobei sich diese Schwingungen auf den Zylinder 4 übertragen
und so eine relative Schwingbewegung gegenüber dem Kolben 6 erzeugen.
Diese (mikroskopisch kleine) Schwingbewegung ist der eigentlichen
Stoßdämpfer-Auslenkung überlagert.
Diese Überlagerung
bewirkt, dass zwischen Kolben 6 und Zylinder 4 (außer in den
Umkehrpunkten) niemals eine Relativbewegung Null gegeben ist, so
dass auch niemals die „Reibung
der Ruhe" mit Hilfe
von unkomfortablen Losbrechkräften überwunden
werden muss.
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Der
in 2 dargestellte Stoßdämpfer 2 weist
einen vergleichbaren Grundaufbau auf. Der erfindungswesentliche
Unterschied besteht darin, dass hier ein Feder/Masse-System 22/24 nicht
wie in 1 an dem achsseitigen
Zylinder 4 angebunden ist sondern über einen Aktuator 26 an
dem chassisseitigen Federbeinkopflager 16.
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Auch
hier ist mittels des durch den Aktuator 26 antreibbaren
Feder/Masse-Systems 22/24 eine permanente (Mikro-)Schwingbewegung
zwischen Kolben 6 und Zylinder 4 realisierbar.
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Die
in den 3 bis 5 dargestellten Ausführungsformen
weisen ebenfalls einen vergleichbaren Grundaufbau auf.
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Anstelle
von einer überlagerten
Längsschwingung
ist hier eine überlagerte
Drehbewegung realisierbar. Und zwar befindet sich gemäß 3 am oberen Ende des Zylinders 4 ein
Motorträger 34 mit einem
daran angebrachten Elektromotor mit Getriebeeinheit 30,
womit ein an der Kolbenstange 8 befestigtes drehbares Dichtungssystem
mit z. B. einem Zahnrad 32 antreibbar ist.
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Mit
Hilfe des Elektromotors 30 kann zwischen Kolben 6 und
Zylinder 4 eine Drehbewegung in Form einer Drehschwingung
oder eine reine Drehbewegung ohne Richtungsänderung realisiert werden. D.
h.: Durch diese der Stoßdämpfer-Auslenkung überlagerte
Drehbewegung wird eine ruhende Reibung und damit der sogenannte
Harshness-Effekt vermieden.
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Gemäß 4 ist ein Elektromotor mit
Getriebeeinheit 30 einerseits über eine äußere Stoßdämpferschale mit z. B. Zahnrad 38 am
Zylinder 4 befestigt, während
ein Motorträger 34 über eine
Verbindung Trennkolben mit unterem Dämpferlager 40 mit der
Fahrzeug-Achse 20 verbunden
ist.
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Auch
mit dieser Ausführungsform
ist eine der üblichen
Stoßdämpferbewegung überlagerte
Drehbewegung zwischen Kolben 6 und Zylinder 4 realisierbar.
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Bei
der in 5 dargestellten
Ausführungsform
ist ein Rotationsbauteil am Federbeinkopflager 16 einerseits
und an der Kolbenstange 8 andererseits eingefügt. Dieses
Rotationsbauteil besteht aus einem Gehäuse mit fixiertem Elektromotor 42 und
einem Axial-Rillenkugellager mit Zahnkranz 44. Durch dieses
erfindungsgemäß eingefügte Rotationsbauteil ist
zwischen Kolben 6 und Zylinder 4 ebenfalls sowohl
eine relative Drehbewegung ohne Richtungsänderung als auch eine Drehschwingung
realisierbar. Durch diese „künstlich" erzeugte Grundbewegung wird
auch hier die unerwünschte
Reibung der Ruhe vermieden.
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Die
in 6 dargestellte Ausführungsform basiert
auf der Anwendung eines Federbeinkopflagers 16 mit Axial-Wälzlager,
wie sie für
Mc-Person-Dämpferelemente
Verwendung finden. Wie im Beispiel dargestellt, kann ein Antrieb
oberhalb des Federbeinkopflagers 16 direkt über einen
aufgeflanschten Motor 42 oder mittels Getriebe 44 und Wellenverbindung über einen
im Motorraum befindlichen Motor erfolgen. Ebenso ist eine Antriebseinheit zwischen
Federbeinkopflager 16 und Stoßdämpfergehäuse 4 möglich. Durch
diesen erfindungsgemäß eingefügten Antrieb
ist zwischen Kolben 6 und Zylinder 4 sowie Kolbenstange 8 und
Zylinder 4 ebenfalls sowohl eine relative Drehbewegung
ohne Richtungsänderung
als auch eine Drehschwingung realisierbar. Durch diese „künstlich" erzeugte.
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Grundbewegung
wird auch hier die unerwünschte
Reibung der Ruhe vermieden.
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Ähnlich wie
die erfindungsgemäßen (Stoß-)Dämpfer 2 gemäß 1 bis 6, so basieren auch die (Stoß-)Dämpfer gemäß 7 bis 9 auf herkömmlichen Dämpfer-Konstruktionen (wie z. B. Einrohr-Gasdruckstoßdämpfer):
Auch hier ist ein an einer Kolbenstange 8 befestigter Stoßdämpfer-Kolben 6 axial-verschieblich
in einem mit Hydraulik-Flüssigkeit 12a, 12b gefüllten Zylinder
(Dämpferkörper) 4 angeordnet.
Auch hier weist der Kolben 6 Durchlassöffnungen 10a, 10b auf,
die jeweils mit Ventilen versehen sind, die abwechselnd in beide Richtungen
orientiert sind.
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Auch
in den Zylindern 4 gemäß 7 bis 9 befindet sich jeweils ein verschieblicher
Kolben (Trennkolben 36), der die mit Hydraulik-Flüssigkeit 12a, 12b gefüllten Bereiche
gegen ein Gasvolumen 14 abteilt. Während der Zylinder 4 jeweils
an einer Fahrzeugachse 20 angebracht ist, ist der Kolben 6 der
Kolbenstange 8 jeweils unter Zwischenschaltung eines Federbeinkopflagers 16 chassisseitig
befestigt.
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Die
in der 7 dargestellten
erfindungswesentlichen Merkmale bestehen in einem zwischen Dämpferstange 8 und
Dämpferkolben 6 eingefügten piezo-keramischen
(Ultraschall-)Wandler 46. Dieser Wandler 46 kann über elektrische
Zuleitungen 52a, 52b mit elektrischer Energie
beaufschlagt werden. Über
ein Verbindungselement „Federsteifigkeit" 54 ist der
Wandler 46 mit dem Dämpferkolben 6 verbunden.
Dieses Verbindungselement 54 kann entweder starr oder in
der Weise federnd sein, dass das federnde Verbindungselement 54 in
Verbindung mit der Masse des Kolbens 6 ein schwingungsfähiges System
bilden, dessen Eigenfrequenz auf die Eigenfrequenz (Anregungsfrequenz)
des Wandlers 46 abgestimmt ist.
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Durch
Anregung des Wandlers 46 wird der Kolben 6 und
auch die Kolbenstange 8 in Schwingungen versetzt. Diese
Schwingungen sind der eigentlichen Stoßdämpfer-Auslenkung überlagert. Die Überlagerung
bewirkt auch hier, dass zwischen Kolben 6 und Kolbenstange 8 einerseits
und Zylinder 4 andererseits niemals eine Relativbewegung
Null gegeben ist, so dass auch niemals die Reibung der Ruhe bei einer
Stoßdämpfer-Auslenkung zu überwinden
ist.
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Die
in der 8 dargestellte
Ausführungsform
basiert ebenfalls auf einem herkömmlichen Stoßdämpfer, wobei
die erfindungswesentliche Besonderheit darin besteht, dass hier
ein magneto-striktiver (Ultraschall-)Wandler 50, der über die
elektrischen Zuleitungen 52a, 52b mit elektrischer
Energie beaufschlagt werden kann, in die Dämpferstange 8 integriert
ist.
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Bei
der in 9 dargestellten
Stoßdämpfer-Konstruktion 2 befindet
sich ein (ringförmiger)
piezo-keramischer (Ultraschall-)Wandler 48 innerhalb des
Stoßdämpferkörpers 4.
Auch hier wird der Stoßdämpferkolben 6 zu
einer Grundschwingung angeregt, um den unerwünschten Losbrechvorgang bei der
Stoßdämpfer-Auslenkung
zu vermeiden.
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- 2
- (Stoß-)Dämpfer, Schwingungsdämpfer, Stoßdämpfergehäuse
- 4
- (Stoßdämpfer-)Zylinder, Dämpferkörper
- 6
- (Stoßdämpfer-)Kolben
- 8
- Kolbenstange,
Dämpferstange
- 10a,
10b
- Durchlassöffnungen,
jeweils mit Ventil
- 12a,
12b, 12c, 12d
- Hydraulik-Flüssigkeit
- 14
- Gas
- 16
- Federbein-Kopflager
- 18
- Chassis
- 20
- (Fahrzeug-)Achse
- 22
- Feder
- 24
- Masse
- 26
- Aktuator
- 28
- Anbindungspunkt
- 30
- Elektromotor
-
- mit
Getriebeeinheit (Antriebseinheit, z. B. Schnecke)
- 32
- drehbares
Dichtungssystem
-
- mit
Antriebseinheit, z. B. Zahnrad
- 34
- Motorträger
- 36
- Trennkolben
- 38
- äußere Stoßdämpferschale mit
Zahnrad
- 40
- Verbindung
Trennkolben mit unterem Dämpferlager
- 42
- Gehäuse mit
fixiertem Elektromotor
- 44
- Axial-Rillenkugellager
mit Zahnkranz
- 46,
48
- piezo-elektrischer
Wandler, Ultraschall-Wandler
- 50
- magneto-striktiver
Wandler
- 52a,
52b
- elektrische
Zuleitung
- 54
- Verbindungselement „Federsteifigkeit",
-
- federelastisches
Teilstück
der Dämpferstange 8