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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Energieabsorptionsvorrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Energieabsorptionsvorrichtung
wird insbesondere im Brückenbau
zur Aufnahme und Ableitung von Kräften eingesetzt.
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Bei
der Konstruktion von Brücken
in Erdbebengebieten werden im allgemeinen zwischen der Brücke und
dem Brückenpfeiler
bzw. dem Widerlager Energieabsorptionsvorrichtungen verwendet, die
entweder als blockierendes System arbeiten, d. h. es wird auf diese
lediglich Kraft übertragen,
oder als dämpfendes
System funktionieren, d. h. Kraftstöße werden zusätzlich gedämpft. Das
Prinzip, nach dem solche Energieabsorptionsvorrichtungen funktionieren,
beruht auf der Umwandlung von kinetischer Stossenergie in Wärmeenergie,
wobei die Stossenergie über
einen in einem Hydraulikflüssigkeitsbad gelagerten
Hydraulikkolben auf das Hydraulikflüssigkeitsbad übertragen
wird. Hierdurch wird die Erwärmung
der Hydraulikflüssigkeit
und die Absorption bzw. Dämpfung
von Stößen bewirkt.
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Die
Dämpfungswirkung
von solchen Energieabsorptionsvorrichtungen hängt wesentlich von den Fließeigenschaften
der verwendeten Hydraulikflüssigkeit
ab. Dies liegt daran, dass beim Auftreten von Stößen die Hydraulikflüssigkeit
im Bereich des Hydraulikkolbens durch einen Durchlass strömt und hierdurch
eine Verschiebung des Hydraulikkolbens und damit eine Dämpfung bewirkt
wird. Folglich hängt
die Stärke
der Dämpfung
wesentlich von der Fließgeschwindigkeit
in diesem Durchlassbereich und damit von den Fließeigenschaften
der Hydraulikflüssigkeit
ab.
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Um
die Dämpfungswirkung
von solchen Energieabsorptionsvorrichtungen zu verändern, wurde vorgeschlagen,
als Hydraulikflüssigkeit
eine sogenannte magnetorheologische Flüssigkeit zu verwenden, deren
Fließeigenschaften
durch ein Magnetfeld beeinflusst werden können. Hierfür werden in der Energieabsorptionsvorrichtung
Spulen vorgesehen, wobei die Wicklungen dieser Spulen um den Umfang des
Kolbens herumlaufen und die Querschnittsflächen der Spulendrähte somit
parallel zur axialen Erstreckungsrichtung des Kolbens sind. Das
Magnetfeld dieser Spulen kann verändert werden, so dass durch
Steuerung des Magnetfelds im Durchlassbereich die Fließeigenschaften
der Flüssigkeit
verändert
werden können.
Hierdurch wird eine variable Einstellung der Dämpfungswirkung der Kraftabsorptionsvorrichtung
ermöglicht.
Es erweist sich bei einer solchen Vorrichtung als nachteilig, dass
die Spulen nicht getrennt von dem Kolben gefertigt werden können, da
die Spulenwicklungen in der Umfangsfläche des Kolbens eingelassen
sind und somit um den Kolben gewickelt werden müssen. Wenn lediglich eine Spule
verwendet wird, entsteht als zusätzlicher Nachteil,
dass beim Ausfall dieser Spule die Steuerungsmöglichkeit der Dämpfungswirkung
komplett ausfällt.
Ein weiterer Nachteil tritt auf, wenn die Spulen in Elektrobleche
eingesetzt sind. In diesem Fall verlaufen die von den Spulen erzeugten
Feldlinien senkrecht zu den Schichtungsebenen der Elektrobleche.
Für eine
optimale Wirkung des Magnetfeldes ist es jedoch besser, wenn die
Magnetfeldlinien parallel zu den Schichtungsebenen verlaufen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile zu beseitigen
und eine Energieabsorptionsvorrichtung der eingangs genannten Art
derart zu verbessern, dass die Dämpfungswirkung
der Energieabsorptionsvorrichtung genauer gesteuert werden kann
und die Herstellungskosten der Vorrichtung verringert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Energieabsorptionsvorrichtung gemäß Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
dieser Vorrichtung sind in den Unteransprüchen definiert.
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Die
erfindungsgemäße Energieabsorptionsvorrichtung,
die insbesondere zur Aufnahme und Ableitung von Kräften in
Brückenbauwerken
dient, umfasst ein Gehäuse
mit wenigstens einer mit magnetorheologischer Hydraulikflüssigkeit
gefüllter
Hydraulikflüssigkeitskammer
sowie einen in der Hydraulikflüssigkeitskammer
gelagerten beweglichen Hydraulikkolben, wobei die auf den Hydraulikkolben
wirkenden Kräften
auf die Hydraulikflüssigkeit übertragbar sind.
Im Bereich des Hydraulikkolbens ist ferner ein Durchlass zum Durchfluss
von Hydraulikflüssigkeit zwischen
den Stirnseiten des Hydraulikkolbens vorgesehen und im Bereich des
Durchlasses ist eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung angeordnet,
die eine oder mehrere Magnetspulen umfasst, wobei der Durchlass
ein oder mehrere zwischen dem Gehäuse und der äußeren Umfangsfläche des
Hydraulikkolbens verlaufende Spalte umfasst. Die erfindungsgemäße Energieabsorptionsvorrichtung
zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung
derart angeordnet ist, dass die Querschnittflächen der Magnetspulen im Wesentlichen
tangential zur äußeren Umfangsfläche des
Hydraulikkolbens verlaufen.
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Hierdurch
wird erreicht, dass der Durchlass gleichermaßen innerhalb und außerhalb
der Spulenkörper
von geschlossenen Magnetfeldlinien durchsetzt wird. Hierdurch können die
Fließeigenschaften der
Hydraulikflüssigkeit
im Durchlassbereich durch die Veränderung des Magnetfeldes gleichmäßiger gesteuert
werden. Es wird dadurch eine genaue Steuerung der Dämpfungswirkung
ermöglicht.
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Unter
dem tangentialen Verlauf der Querschnittfläche ist hierbei ein Verlauf
senkrecht zu der radialen Ausdehnungsrichtung des Hydraulikkolbens zu
verstehen, wobei die Querschnittflächen die Umfangsfläche des
Hydraulikkolbens nicht notwendigerweise tangieren müssen. Als
Konsequenz werden die Durchlässe
im Wesentlichen durch die von den Spulenkörpern eingeschlossenen Magnetfeldlinien senkrecht
zur Durchflussrichtung der Hydraulikflüssigkeit durchsetzt. Durch
die Anordnung von insbesondere mehreren um den äußeren Umfang des Hydraulikkolbens
verteilten Spulen werden die Fertigungsmöglichkeiten verbessert, da
die Spulenkörper unabhängig von
dem Hydraulikkolben separat hergestellt werden können und anschließend in
den Kolben eingesetzt werden können.
Die Spulen müssen
nämlich
nicht direkt auf den Kolben gewickelt werden, so dass der Transport
der Kolben zu den Fertigungsbetrieben, die die Spulen herstellen,
entfällt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung sind die Magnetspulen in die äußere Umfangsfläche des
Hydraulikkolbens eingelassen, wobei insbesondere eine Ausnehmung
mit Hinterschnitt zum Einsetzen der Spulen bereitgestellt sein kann und
die Spulen zum festen Halt in diesen Ausnehmungen in ein Harz eingegossen
sein können.
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In
einer weiteren Ausführungsform
können die
Spulen in einem von dem Hydraulikkolben separaten Eisenkern, insbesondere
aus weichmagnetischem Material, eingesetzt sein, wobei dieser Eisenkern
wiederum in dem Hydraulikkolben eingesetzt ist und vorzugsweise
mit diesem verschraubt ist.
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Die
Magnetspulen der Magnetfelderzeugungseinrichtung können unterschiedliche
Formen und Größen aufweisen.
Sie können
insbesondere gleich groß sein,
jedoch ist auch die Verwendung von Spulen mit unterschiedlicher
Größe möglich. Darüber hinaus
ist auch eine versetzte Anordnung der Spulen auf der Umfangsfläche des
Hydraulikkolbens denkbar. Die Spulen selbst können einen kreisförmigen Querschnitt
aufweisen, sie können
aber auch rechteckförmig
ausgestaltet sein. Darüber
hinaus ist auch eine Spulenform möglich, bei der die Spulenwicklungen
mäanderförmig entlang
der äußeren Umfangsfläche des
Hydraulikkolbens verlaufen.
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Um
eine sichere axiale Bewegung des Hydraulikkolbens in der Hydraulikkammer
zu gewährleisten,
wird der Hydraulikkolben vorzugsweise von einer Kolbenstange geführt. In
dem Hydraulikkolben und in dieser Kolbenstange können Kabelkanäle vorgesehen
sein, in denen die elektrischen Leitungen angeordnet sind, welche
die Magnetfelderzeugungsvorrichtung mit einer elektrischen Stromquelle
verbinden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist ferner eine Steuerungseinheit zum Steuern des Magnetfelds der
Magnetfelderzeugungsvorrichtung vorgesehen. Darüber hinaus können ein
oder mehrere Drucksensoren zur Messung der in der Hydraulikflüssigkeitskammer
auftretenden Druckkräfte
und/oder ein Wegmesser zur Bestimmung der Lage des Hydraulikkolbens
in der Hydraulikflüssigkeitskammer
vorgesehen sein. Die Steuerungseinrichtung der Magnetfelderzeugungsvorrichtung
kann dabei derart ausgestaltet sein, dass sie das Magnetfeld in
Abhängigkeit
von den von den Drucksensoren und/oder dem Wegmesser ermittelten
Werten steuert. Hierdurch kann die Dämpfungswirkung an unterschiedliche
bauwerksbedingte Gegebenheiten angepasst werden.
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Zum
Ausgleich von thermischen Volumenschwankungen der Hydraulikflüssigkeit,
die bei auf die Energieabsorptionsvorrichtung wirkenden Stößen sowie
aufgrund schwankender Umgebungstemperaturen auftreten können, ist
vorzugsweise ein mit der Hydraulikflüssigkeitskammer verbundener
Gasausgleichsraum vorgesehen. Dieser Ausgleichsraum kann durch einen
in Hydraulikflüssigkeit
gelagerten, mit Gas gefüllten
elastischen Schlauch gebildet sein.
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In
einer weiteren alternativen Ausführungsform
der Erfindung sind die Magnetspulen in einem separaten Elektroblech
eingesetzt.
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In
einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Energieabsorptionsvorrichtung
umfasst der Durchlass einen oder mehrere Doppelspalte, so dass Hydraulikflüssigkeit
bei der Bewegung des Kolbens an mehreren Stellen im Bereich des
Hydraulikkolbens hindurchfließen
kann.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden durch die
nachfolgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der
beigefügten
Figuren deutlich, bei denen:
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1 einen
Schnitt durch eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Energieabsorptionsvorrichtung
zeigt;
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2 eine
ungeschnittene perspektivische Detailansicht des Hydraulikkolbens
aus 1 zeigt;
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2a ein
Schnitt entlang der Linie A-A des in 2 gezeigten
Hydraulikkolbens ist;
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2b eine
vergrößerte Ansicht
des in 2a mit X bezeichneten Teilausschnitts
ist;
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2c den
Detailausschnitt X einer anderen Ausführungsform des Hydraulikkolbens
zeigt;
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3 eine
vergrößerte Detailansicht
des Hydraulikkolbens aus 1 ist;
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4a–4e die äußere Umfangsfläche des
Hydraulikkolbens für
verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung zeigen;
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5 eine
geschnittene Detailansicht einer weiteren Ausführungsform des Hydraulikkolbens zeigt,
wobei lediglich ein Ausschnitt des Umfangsbereichs des Kolbens dargestellt
ist;
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6 einen
Schnitt durch einen Hydraulikkolben gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung zeigt; und
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6a eine
Detailansicht der 6 ist, die den Umfangsbereich
des Hydraulikkolbens im eingebauten Zustand zeigt.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Dämpfers,
der insbesondere im Brückenbau
zwischen Brücke
und Widerlager bzw. Pfeiler eingesetzt wird und vorzugsweise in
Erdbebenregionen zur Dämpfung
von Erdbebenstößen verwendet
wird. Dieser Erdbebendämpfer
umfasst ein zylindrisches Gehäuse 1,
in dem eine Kolbenstange 2 geführt ist. Die Kolbenstange ist
wiederum mit einem Hydraulikkolben 3 verbunden, der in
axialer Richtung im Zylindergehäuse 1 verschiebbar
ist. Der Hydraulikkolben 3 befindet sich in einem Hydraulikflüssigkeitsbad,
das aus zwei Hydraulikkammern 5 und 6 gebildet
ist. Die Kolbenstange 2 bewirkt die Führung des Hydraulikkolbens
im Gehäuse,
und die Stange ist gegenüber
dem Gehäuse
durch Abdichtungen 4 abgedichtet. Zwischen dem äußeren Umfang
des Hydraulikkolbens und der Innenseite des zylinderförmigen Gehäuses ist
ein Ringspalt 9 ausgebildet, durch den Hydraulikflüssigkeit
strömen kann.
Wirken Stöße auf den Erdbebendämpfer, wird ein
Durchfluss der Hydraulikflüssigkeit
durch den Ringspalt 9 und eine axiale Verschiebung des
Kolbens bewirkt. Hierdurch wird die Stoßdämpfung erreicht. Bei der in
den Hydraulikflüssigkeitskammern 5 und 6 vorgesehenen
Flüssigkeit
handelt es sich um eine sogenannte magnetorheologische Flüssigkeit, deren
Fließeigenschaften über ein
Magnetfeld beeinflusst werden können.
An der äußeren Umfangsfläche des
Hydraulikkolbens sind Magnetspulen 10 vorgesehen, die über Kabel 11,
welche in dem Hydraulikkolben 3 und der Kolbenstange 2 in
Kabelführungen 12 geführt sind,
mit einer Steuervorrichtung zur Steuerung des Magnetfelds verbunden
sind. Durch die Veränderung
des Magnetfelds der Spulen 10 kann nunmehr die Fließeigenschaft
der magnetorheologischen Flüssigkeit
verändert
werden. Als Konsequenz wird die Dämpfungswirkung des Dämpfers beeinflusst,
da unterschiedliche Fließeigenschaften
zu unterschiedlichen Durchflussgeschwindigkeiten im Ringspalt 9 führen. Die
Querschnittflächen
der Magnetspulen sind dabei im wesentlichen tangential zu der äußeren Umfangsfläche des
Hydraulikkolbens angeordnet, was zu einer Erzeugung eines Magnetfelds
mit geschlossenen Feldlinien im Bereich des Ringspaltes führt, wie
weiter unten noch genauer erläutert
wird.
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Der
Erdbebendämpfer
gemäß 1 weist ferner
eine Gasausgleichskammer 7 auf, die aus einem ringförmigen hohlen
Gummischlauch gebildet ist, der mit Inertgas gefüllt ist. Der Gummischlauch
ist in einem im entsprechenden Hohlraum im Gehäuse des Dämpfers angeordnet, wobei dieser
Hohlraum mit Hydraulikflüssigkeit
gefüllt
ist und über
ein Ventil 8 mit der Hydraulikflüssigkeitskammer 6 verbunden ist.
Dieser Gasausgleichsraum dient zum Ausgleich von thermischen Volumenschwankungen
der Hydraulikflüssigkeit,
die bei Temperaturschwankungen der Umgebungsluft sowie bei der Aufnahme
und Ableitung von Kraftstößen auftreten.
Ferner weist der Dämpfer
einen Wegmesser 13 zur Bestimmung der Position des Hydraulikkolbens
im Zylindergehäuse sowie
zwei Drucksensoren 14 und 15 auf, die den Druck
in den Hydraulikflüssigkeitskammern 5 und 6 messen. Über die
Drucksensoren können
die am Zylinder wirksamen Druckkräfte über die Beziehung F = p·A (wobei
F die wirkende Kraft, p der Druck und A die Fläche ist) gemessen werden. Die
Drucksensoren und der Wegmesser sind wiederum mit der Steuerungseinheit
verbunden, so dass eine Steuerung des Magnetfeldes und folglich
der Dämpfungswirkung
des Dämpfers
in Abhängigkeit
von den in der Hydraulikflüssigkeitskammer
wirkenden Kräften
und der Position des Kolbens im Gehäuse möglich ist.
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2 zeigt
die ungeschnittene Ansicht des Hydraulikkolbens aus 1.
Aus dieser Figur wird ersichtlich, dass die Magnetfelderzeugungsvorrichtung
mehrere kreisförmige
Spulen aufweist, die entlang der äußeren Umfangsfläche des
Hydraulikkolbens angeordnet sind. Die Querschnittflächen der Spulen
verlaufen dabei im wesentlichen tangential zur äußeren Umfangsfläche des
Hydraulikkolbens. Durch die Verwendung von mehreren Spulen tritt
lediglich eine geringe Veränderung
des gesamten Magnetfeldes beim Ausfall einer Spule auf, so dass selbst
bei der Fehlfunktion von einer Spule eine ausreichend genaue Steuerung
des Magnetfelds zur Beeinflussung der Dämpfungswirkung gewährleistet
ist. Ferner werden durch die Verwendung von mehreren tangential
auf der Oberfläche
angeordneten Spulen die Fertigungsmöglichkeiten verbessert, da
die Spulen getrennt vom Dämpfer
in Spezialbetrieben hergestellt werden können und anschließend im
mechanischen Fertigungsbetrieb bei der Herstellung des Dämpfers eingesetzt
werden können.
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In 2a ist
eine Schnittansicht entlang der Linie A-A des Kolbens aus 2 gezeigt.
Es wird hieraus ersichtlich, dass insgesamt sechs Spulen um den
Umfang des Kolbens angeordnet sind, wobei die Querschnittflächen der
Spulen tangential zur äußeren Umfangsfläche des
Kolbens, d. h. senkrecht zur radialen Ausdehnungsrichtung des Kolbens,
verlaufen.
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In 2b ist
ein Detailausschnitt X der 2a gezeigt.
Aus dieser Figur geht hervor, dass die Spulen 10 in Ausnehmungen
mit Hinterschnitt in dem Hydraulikkolben 3 eingelassen
sind. Ferner sind die Spulen in Harz eingegossen.
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Aus 2c ist
der gleiche Detailausschnitt X der 2a gezeigt,
jedoch handelt es sich hier um eine andere Ausführungsform der Erfindung. Bei
dieser Ausführungsform
sind die Spulen nicht direkt in dem Hydraulikkolben eingelassen,
sondern sie befinden sich in einem separaten Eisenkern 20,
der wiederum in eine Aussparung im Hydraulikkolben eingesetzt ist
und mit dem Kolben mittels einer Schraube 21 befestigt
ist. Hierdurch wird eine leichtere Auswechselmöglichkeit für die Spulen gewährleistet,
da die Spulen einfach durch Austausch des Eisenkerns 20 bei
Defekt ersetzt werden können.
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Aus 3 ist
der in 1 dargestellte Kolben vergrößert in einer Detailansicht
gezeigt. In dieser Figur wird durch Pfeile die Bewegungsrichtung des
Kolbens angezeigt, und es ist ferner mit dem Bezugszeichen 30 der
Verlauf der von den Spulen 10 erzeugten Magnetfeldlinien
angedeutet. Die Magnetfeldlinien, die den Bereich des Durchlasses 9 durchlaufen,
sind dabei im wesentlichen senkrecht zum Durchlass und liegen in
der von den Spulenkörpern eingeschlossenen
Fläche.
Hierdurch wird ein magnetischer Fluss mit geschlossenen Feldlinien
im Durchlassbereich gewährleistet
und eine genaue Steuerung der Fließeigenschaft der magnetorheologischen Flüssigkeit
ermöglicht.
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Aus
den 4a bis 4e sind
unterschiedliche mögliche
Anordnungen der Spulen 10 auf den Umfangsflächen des
Hydraulikkolbens gezeigt. 4a zeigt
dabei die bereits vorstehend beschriebene Spulenanordnung. In 4b ist
eine alternative Spulenanordnung gezeigt, bei der die Spulen einen kleineren
Durchmesser als in 4a aufweisen und versetzt zueinander
angeordnet sind. 4c zeigt eine Spulenanordnung,
bei der Spulen mit gleicher Größe verwendet
werden, die jeweils paarweise nebeneinander in Axialrichtung der
Oberfläche
des Hydraulikkolbens angeordnet sind. Aus 4d ist
eine weitere alternative Anordnung gezeigt, bei der Spulen mit zwei
unterschiedlichen Größen verwendet werden,
wobei die kleineren Spulen jeweils paarweise nebeneinander in Axialrichtung
der Oberfläche des
Hydraulikkolbens angeordnet sind. 4e zeigt eine
Ausführungsform,
bei der die Spulen nicht kreisförmig,
sondern rechteckförmig
ausgestaltet sind. Aus 4e ist
eine Ausführungsform
gezeigt, bei der eine Spule verwendet wird, deren Wicklungen sich mäanderförmig entlang
der Umfangsfläche
des Hydraulikkolbens erstrecken. Mit allen den in 4a–4e gezeigten
Ausführungsformen
werden die erfindungsgemäßen Vorteile,
insbesondere die Erzeugung eines homogenen Magnetfelds im Bereich
des Durchlasses zwischen Zylinderkolben und Gehäuse erreicht.
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5 zeigt
eine Detailansicht des Umfangsbereichs des Hydraulikkolbens einer
weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Energieabsorptionsvorrichtung.
Bei dieser Ausführungsform sind
die Magnetspulen 10 in Elektroblechen 20' eingesetzt,
wobei die Schichtungsebenen in vertikaler Richtung verlaufen. Hierdurch
wird erreicht, dass die Magnetfeldlinien parallel zu den Schichtungsebenen sind,
was zu einer optimalen Wirkung des Magnetfelds führt.
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6 zeigt
einen Hydraulikkolben 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung. Dieser Hydraulikkolben weist einen Spalt 9' zum Durchlass
von Hydraulikflüssigkeit
auf.
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In 6a ist
eine Detailansicht des Umfangsbereichs des Hydraulikkolbens der 6 gezeigt,
wobei der Kolben in dieser Figur in das Gehäuse 1 eingebaut ist.
Aus der Detailansicht wird insbesondere ersichtlich, dass der Durchlass
für die
Hydraulikflüssigkeit
durch einen Doppelspalt gebildet wird, der aus dem Spalt 9' im Hydraulikkolben
und einem Spalt 9'' zwischen Gehäuse 1 und
Kolben 3 besteht. Ferner ist aus 6a ersichtlich,
dass die Breiten der Spalte 9' und 9'' 0,3
mm betragen.
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Bei
dem in den 6 und 6a gezeigten Ausführungsbeispiel
ist anstelle der geschichteten Elektrobleche ein massiver umlaufender
Weicheisenkern 20'' vorgesehen.
Dieser wird von dem Kolben 3 freitragend gehalten, d. h.
zwischen seiner äußeren Mantelfläche und
der benachbarten Hülse
aus Weicheisenmaterial 20''' befindet sich der Ringspalt 9'. Die Hülse 20''' ist
am Kolben 3 mittels eines Passsitzes gehalten. Zwischen
ihrer äußeren Mantelfläche und
dem Zylinder 1 ist der Ringspalt 9'' vorgesehen.
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Die
Hülse 20''' kann – wie beispielsweise
in der 6a gezeigt ist – auch aus
mehreren Einzelteilen bestehen, z. B. mehreren zusammengesetzten umlaufenden
Ringen oder Ringsegmenten. Diese Ringe oder Ringsegmente können gegeneinander magnetisoliert
sein, um einen magnetischen Kurzschluß zu verhindern. Eine solche
Isolation 22 ist in 6a gezeigt.