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Die
Erfindung betrifft einen geräuschoptimierten
Schwingungsdämpfer
gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Bei
einem Schwingungsdämpfer
wird bei jeder Hubbewegung einer Kolbenstange Dämpfmedium durch ein Dämpfventil
verdrängt.
Ausgehend von einer Ruhelage der Kolbenstange wird das Dämpfmedium
komprimiert. Das in einem Arbeitsraum des Schwingungsdämpfers komprimierte
Dämpfmedium wirkt
auf alle den Arbeitsraum begrenzenden Bauteile und übt eine
Kraft aus, die als Geräusch
hörbar sein
kann. Dieser Effekt tritt auch dann auf, wenn sich die Druckvorspannung
durch das Dämpfventil
abgebaut hat. Es kann z. B. sein, dass sich der Zylinder des Schwingungsdämpfers in
einem kaum feststellbaren Umfang unter Druck aufweitet und bei einer Entlastung
wieder seine Ausgangsform einnimmt.
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Bei
verstellbaren Schwingungsdämpfern
hat man daraufhin das Schaltverhalten des Dämpfventils dahingehend verändert, dass
z. B. nur bis zu einem bestimmten Druckniveau geschaltet wird. Beispielhaft
wird auf die
DE 41
13 305 A1 verwiesen. Ein Nachteil dieser Lösung besteht
darin, dass die Dynamik des verstellbaren Dämpfventils leidet.
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Ein
alternativer Lösungsansatz
bestand bisher darin, dass man die Dämpfventile in Richtung eines
weicheren Öffnungs-
und Schließverhalten
verändert
hat. Des Weiteren kann man den Effekt in Grenzen umgehen, indem
man ein amplitudenselektives Dämpfventil
verwendet, wie z. B. in der
DE 10 2004 015 065 A1 offenbart ist. Hochfrequente
Anregungen mit kleiner Hubbewegung der Kolbenstange bewirken praktisch
keine Druckerhöhung
im Arbeitsraum des Schwingungsdämpfers,
so dass auch keine Geräusche
auftreten. Der gravierende Nachteil dieser Lösung besteht jedoch darin,
dass man deutlich in die Dämpfkraftkennlinie
des Schwingungsdämpfers
eingreift und damit u. U. bei einem betont sportlichen Fahrzeug
eine zu weiche Dämpfkrafteinstellung
hinnehmen müsste.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es die insbesondere bei hochfrequenter
Anregung des Schwingungsdämpfers
auftretenden Geräuschprobleme
zu beheben.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass zusätzlich
zum Ausgleichsraum ein Funktionselement mit mindestens einem Arbeitsraum
verbunden ist, wobei das Funktionselement hochfrequente Schwingungen
innerhalb des Dämpfmediums
elastisch aufnimmt.
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Mit
dem Funktionselement wird der Schwingungsdämpfer akustisch abgestimmt.
An einer klassischen Dämpfkraft-Geschwindigkeitskennlinie
wird man keinen Einfluss der Funktionseinheit feststellen und damit
auch nicht aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile in Kauf
nehmen.
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Das
Funktionselement weist zumindest ein Gehäuse mit mindestens zwei durch
ein Trennelement voneinander abgedichteten Räumen auf, wobei in einem der
Räume Dämpfmedium
vorliegt. Baulich kann das Funktionselement wie eine Patrone vorgefertigt
sein.
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Die
Funktionseinheit umfasst eine Drosselstelle, die ein Druckgefälle erzeugt,
wobei das durch die Drosselstelle verdrängte Dämpfmedium von einem elastisch
gelagerten Trennelement abgestützt wird.
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Bevorzugt
wird das Trennelement von einer Membran gebildet. Die Membran kann
randseitig eingespannt sein. Zusätzlich
kann man die Membran kissenförmig
ausgeführten,
um z. B. eine akustische Bedämpfung
auf zwei Anregungsfrequenzen zu erreichen.
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Des
Weiteren wird die Membran auf der dem Dämpfmedium abgewandten Seite
von einer Stützeinrichtung
in ihrer Deformation begrenzt, um eine gute Dauerfestigkeit zu erreichen.
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Alternativ
besteht die Möglichkeit,
dass das Trennelement von einer zum Gehäuse abgedichteten, axial beweglichen
Platte gebildet wird.
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Zur
Abdichtung des Trennelements zum Gehäuse bestehen verschiedene Lösungen.
Beispielsweise kann das plattenförmige
Trennelement von einem flexiblen Element abgedichtet werden, z.
B. gemäß einem
vorteilhaften Unteranspruch von einer Membran.
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Man
kann jedoch auch einen Faltenbalg verwenden. Ein wesentliches Entscheidungskriterium für eine bestimmte
Ausführungsform
liegt in der Baugröße der Funktionseinheit
und den zu bedämpfenden
Frequenzen.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird das Trennelement von einem
Gasdruck in dem dem Dämpfmedium
abgewandten Raum des Gehäuses vorgespannt
wird. Damit lässt
sich ein vom Federweg abhängiges
Bedämpfen
der störenden
Geräusche erreichen.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann das Trennelement von einer mechanischen Feder in dem dem Dämpfmedium
abgewandten Raum des Gehäuses vorgespannt
werden. Es besteht z. B. die Möglichkeit,
dass das Trennelement einen ersten Arbeitsweg gegen einen Gasdruck
und im weiteren Arbeitsweg zusätzlich
gegen eine mechanische Feder ausführt. Mit dieser Methode lassen
sich mehrere Frequenzen bedämpfen.
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Des
Weiteren kann wenigsten einer der Räume der Funktionseinheit zumindest
teilweise mit einem schalldämpfenden
Stoff gefüllt
sein. Es besteht auch die Möglichkeit,
dass die Drosselstelle in ihrer Drosselwirkung verstellbar ist.
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Gemäß einem
vorteilhaften Unteranspruch ist die Funktionseinheit innerhalb einer
Druckanschlussverbindung zwischen den beiden Arbeitsräumen angeordnet.
Es soll lediglich der Druck im Arbeitsraum auf die Funktionseinheit übertragen
werden. Ein nennenswerter Volumenstrom in die Funktionseinheit ist
nicht vorgesehen.
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Bei
einer ersten Variante ist die Druckanschlussverbindung innerhalb
der Baugruppe Kolbenstange-Kolben ausgeführt. Der Vorteil besteht darin, dass
mit einer Funktionseinheit bei Arbeitsräume und damit beide Bewegungsrichtungen
der Kolbenstange akustisch bedämpft
werden können.
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Alternativ
besteht die Möglichkeit,
dass die Druckanschlussverbindung in einem Bypass zu mindestens
einem Kolbenventil ausgeführt
ist.
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Man
kann das Funktionselement jedoch auch außerhalb des Schwingungsdämpfers anordnen,
wenn z. B. der Bauraum im Schwingungsdämpfer für eine interne Lösung nicht
zur Verfügung
steht.
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Man
kann die Funktionseinheit an einen druckvorgespannten Ausgleichsraum
anschließen, um
eine Abstützung
des Trennelements zu erreichen.
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Eine
weitere Variante zeichnet sich dadurch aus, dass beide Arbeitsräume mit
einer Funktionseinheit ausgeführt
sind, wobei beide Funktionseinheiten in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet
sind und für
jeweils einen Arbeitsraum ein separates Trennelement vorliegt, wobei
die beiden Trennelemente einen Vorspannraum begrenzen.
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Dabei
besteht die Möglichkeit,
dass der Vorspannraum über
einem Druckmediumanschluss in seinem Druckniveau einstellbar ist.
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Zusätzlich können die
beiden Trennelemente eine unterschiedliche elastische Arbeitsbewegung ausführen.
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Eine
weitere Möglichkeit
das Funktionselement im Schwingungsdämpfer zu platzieren besteht darin,
dass man es an der Kolbenstange angeordnet.
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Das
Funktionselement weist eine ringförmige Bauform auf und umschließt damit
die Kolbenstange.
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Innerhalb
des ringförmigen
Funktionselements ist mindestens ein gasgefülltes Kissen angeordnet.
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Wenn
man mindestens eine Mantelfläche des
Funktionselements mit mindestens einer Drosselöffnung ausgeführt, kann
man die Deckflächen
zur axialen Fixierung des Funktionselements an der Kolbenstange
nutzen.
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Anhand
der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Es
zeigt:
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1; 3-5 Schwingungsdämpfer mit
Funktionseinheit in verschiedenen Ausführungsbeispielen
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2 Beispielhafte
Ausführung
der Funktionseinheit
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Die 1 zeigt
das Prinzipschaubild eines Schwingungsdämpfers 1 in Zweirohrbauweise.
In einem Zylinder 3 ist eine Kolbenstange 5 mit
einem Kolben 7 axial beweglich geführt. Der Kolben 7 unterteilt
den Zylinder 3 in einen kolbenstangenseitigen und einen
kolbenstangenfernen Arbeitsraum 9; 11, wobei beide
Arbeitsräume
vollständig
mit einem hydraulischen Dämpfmedium
gefüllt
sind. Im Kolben 7 und in einem Boden 13 sind allgemein
bekannte Dämpfventile 15; 17; 19; 21 ausgeführt, die
den Dämpfmediumaustausch
zwischen den beiden Arbeitsräumen 9; 11 oder
dem kolbenstangenfernen Arbeitsraum 11 und einem Ausgleichsraum 23 drosseln.
Der Ausgleichsraum 23 kompensiert das Dämpfmediumvolumen der in den
Zylinder 3 aus- und einfahrenden Kolbenstange 5
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Bei
jeder Anregung, die über
den Zylinder 3 bzw. ein den Zylinder einhüllendes
Behälterrohr 25 auf
die Kolbenstange 5 des Schwingungsdämpfers 1 übertragen
wird, wird das Dämpfmedium
in einem Arbeitsraum 9; 11 komprimiert. Der Druck
wirkt auf alle Flächen
des betroffenen Arbeitsraums und öffnet eines der Dämpfventile 15-21 im
Kolben und/oder im Boden. Während
der Öffnungsbewegung
des Ventils anstehende Druckgradienten können ein Geräusch verursachen,
das auch in einem Fahrzeug deutlich vernehmbar ist. In dem vorliegenden
Schwingungsdämpfer 1 ist
zusätzlich
zum Ausgleichsraum 23 mindestens ein Arbeitsraum 9; 11 mit
einer Funktionseinheit 27 verbunden, die hochfrequente
Schwingungen innerhalb des Dämpfmediums
elastisch aufnimmt.
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Die
Funktionseinheit 27 kann an verschiedenen Positionen am
oder im Schwingungsdämpfer ausgeführt sein
und umfasst zumindest ein Gehäuse 45 mit
mindestens zwei durch ein Trennelement 37 voneinander abgedichteten
Räumen 35; 41,
wobei ein Zwischenraum 35 an einen der Arbeitsräume 9; 11 des
Schwingungsdämpfers 1 angeschlossen
ist. Beispielsweise kann zwischen den beiden Arbeitsräumen 9; 11 eine
Druckanschlussverbindung 29; 31 bestehen, innerhalb
der die Funktionseinheit 27 angeordnet ist. In der linken
Zeichnungshälfte
liegt die Druckanschlussverbindung als eine Bypassleitung zu mindestens
einem Kolbenventil 15; 17 außerhalb des Schwingungsdämpfers 1 vor.
Alternativ kann die Funktionseinheit auch in einer Wandung des Zylinders 3 oder
einer Kolbenstangenführung 46 positioniert
sein.
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Des
Weiteren umfasst die Funktionseinheit 27, wie die 2 zeigt,
mindestens eine Drosselstelle 33, die eine Druckdifferenz
zwischen einem der Arbeitsräume 9; 11 und
dem Zwischenraum 35 innerhalb der Funktionseinheit bewirkt.
Die Drosselstelle 33 kann manuelle oder mittels eines nicht
dargestellten Aktuators verstellbar sein. Der Zwischenraum wird
von einem Trennelement 37, z. B. einer Membran begrenzt
und kann eine Betriebsbewegung, z. B. eine elastische Deformationsbewegung,
ausführen. Das
durch die Drosselstelle 33 verdrängte und von dem Trennelement
abgestützte
Volumen ist sehr gering und auf einem Dämpfkraft-Geschwindigkeits-Diagramm
nicht als Teilbereich der Dämpfkraftkennlinie erkennbar.
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Die
Membran 37 ist randseitig eingespannt und kann als geschlossene
Scheibe oder kissenförmig
ausgeführt
sein. Auf der dem Dämpfmedium
abgewandten Seite wird die Betriebsbewegung des Trennelements bzw.
der Membran von einer Stützeinrichtung 43 beschränkt. In
der linken Zeichnungshälfte
kommt eine ein plattenförmiges
Trennelement zur Anwendung, das von einer Vorspannfeder 39 vorgespannt
wird. In der rechten Ausführung
liegt ein nachgelagerter Druckraum 41 mit einer Gasvorspannung
vor. Zusätzlich
wird ggf. noch mindestens ein Stützgitter 43 verwendet.
Man kann aber auch eine Gasvorspannung und die mechanische Vorspannfeder
kombinieren, um mehrere Geräuschfrequenzen zu
bedämpfen.
Zur Abdichtung des plattenförmigen Trennelements
zum Gehäuse
stehen mehrere Möglichkeiten
zur Verfügung.
Man kann z. B. eine ringförmige
Membran, aber auch einen Faltenbalg 46 verwenden. Die Membran
muss keine Eigenelastizität aufweisen,
sondern kann auch von einem Gewebe oder einer Folie gebildet werden.
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Im
Zwischenraum 35 kann zusätzlich ein schalldämpfender
Stoff 48 enthalten sein, wie er z. B. zum Verpacken empfindlicher
Güter bekannt
ist.
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Bei
einer Kolbenstangenbewegung stützt sich
die Dämpfmediumsäule in einem
Arbeitsraum an der Drosselstelle 33 ab, wobei in dem Arbeitsraum der
Druck p1 vorliegt. Die Drosselstelle 33 bewirkt ein Druckgefälle, so
dass in dem Zwischenraum 35 ein im Vergleich zum Druck
p1 kleinerer Druck p2 herrscht, der eine Verstell- oder Deformationsbewegung
des Trennelements 37 bewirkt. Bei niederfrequenten (< 50 Hz) quasistatischen
Dämpferschwingungen
sind diese Bewegungen und die damit verursachten Änderungen
der Volumina im Funktionseinheit 27 im Vergleich mit Dämpfer arbeitsräumen vernachlässig klein,
so dass der Funktionseinheit 27 kein Einfluss auf Dämpferschwingungen
aufweist.
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Bei
einer Öffnungs-
bzw. Schließbewegung des
Dämpfventils
im Kolben oder im Bodenventil findet eine hochfrequente (> 100 Hz) Anregung der Dämpferstruktur
statt. Diese Anregung wird ebenfalls in Form von Druckimpulsen auf
die Funktionseinheit 27 übertragen, die in der Funktionseinheit 27 Verstell- oder
Deformationsbewegung des Trennelements 37 anregen. Die
Schwingungsenergie in einem bestimmten Frequenzbereich wird damit
aus der Dämpferstruktur
eliminiert. Die hochfrequente Schwingungen (Geräusche) werden von der Funktionseinheit 27 bedämpft.
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Die
Schwingungsdämpfung
kann am Ausführungsbeispiel
Funktionseinheit 27 im oberen Dämpferarbeitsraum 9 folgendermaßen erklärt werden.
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Für impulsartiges
(mit der Beschleunigung) Verdrängen
des Öls
durch die Drosselstelle ist die notwendige Kraft gleich der Kraft
die für
die Beschleunigung der Masse des sich in ihr befindenden Öls benötigt wird: dp_9·FFF – dp_A·FFF =
M·W (1)mit
- FFF
- – Querschnitt der Drossel 33 (m2)
- dp_9·FFF
- – die Kraft dämpferseitig
(Arbeitsraum 9) (N)
- dp_A·FFF
- – die Kraft im Funktionselement
(Zwischenraum 35) (N)
- W
- – Beschleunigung der masse
M (m/sec2)
- M
- – die Masse des Öles in der
Drossel 33 (kg)
M = PP·FFF·LL (2)mit - PP (kg/m3)
- – die Dichte des Öls
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Es
ist bekannt, dass für
die sinusförmigen Schwingungen
der Masse M die Trägheitskraft
(F_in) ist gleich F_in = M·W = –(M·Ω2)·dx (3)mit
- dx
- – die Schwingungsamplitude
des Öles
in der Drossel 33 (m)
- Ω = 2π·Freq
- – Kreisfrequenz, (R/s)
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Man
kann auch für
den Druckabfall (dp_9 – dp_A)
schreiben: (dp_9 – dp_A) = dp_in = –PP·LL·(M·Ω2)·dx (4)
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Volumen,
das in den Zwischenraum 35 durch die Drossel 33 strömt, ist
gleich dQ = FFF·dx (5)mit dem Ersetzen
dx von 5 in 4 folgt (dp_9 – dp_A)
= dp_in = –IND·(M·Ω2)·dQ (6)
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Die
Induktivität
(Ind) berechnet sich folgendermaßen Ind
= PP·L/FFF
(kg/m4) (7)
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Das
zusätzliche
Volumen, das in den Zwischenraum 35 eintritt, vergrößert den
Druck im Zwischenraum 35, wirkt über das Trennelement 37 auf das
Luftvolumen 41 und/oder die mechanische Feder 39 dp_A = K_A·dQ (8)mit
- K_A
- – ist die volumetrische Steifigkeit
des Systems-„Luft-Membran" (Pa/m3)
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Nach
dem Ersetzen (6) in (8) liegt folgende Gleichung vor: dp_9 = (K_a – Ind·Ω2)·dQ
= Kdyn·dQ (9)
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Auf
diese Weise besteht die volle dynamische Steifigkeit des Funktionselements 27 aus
positiver (elastischer) Steifigkeit, die nicht von der Frequenz
abhängig
ist und negativer (Trägheits-)Steifigkeit,
die abhängig
von Ω2 ist. Auf bestimmte (Resonanz-)Frequenzen
kann die Steifigkeit Kdyn durch die Abstimmung K_a und Ind minimiert
werden (nah an der Null). Dadurch werden die im Zwischenraum 35 durch
Druckschwingungen dp_9 verdrängten Massen
sehr groß.
Die Änderungen
des Ölvolumens im
Zwischenraum 35 werden damit vergleichbar mit denen im
Arbeitsraum 9 des Dämpfers,
was der Wirkung des Funktionselements auf dieser Frequenz bestimmt.
Durch die Abstimmung K_a und Ind wird diese Wirkung frequenzselektiv
gemacht.
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Der
Schwingungsdämpfer 1 in
Verbindung mit der Funktionseinheit 27 ist mit einer Orgelpfeife vergleichbar,
die durch die Anpassung der Wirkung der Drosselstelle 33,
der Größe und der
Kraftabstützung
des Trennelements 37 derart abstimmbar ist, dass bei einer äußeren Anregung
kein Geräusch
zu hören
ist.
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In
der Ausführung
nach 3 ist die Funktionseinheit 27 in einem
Schwingungsdämpfer 1 nach dem
Einrohrprinzip dargestellt. Der Fülldruck des Gases im Ausgleichsraum 23 dient
als Abstützung
des Trennelements 37 in der Funktionseinheit, in dem zwischen
dem Ausgleichsraum 23 und dem Gehäuse 45 der Funktionseinheit
die Druckanschlussverbindung 29; 31 vorliegt.
Bei einem Einrohrschwingungsdämpfer
sind im Kolben Dämpfventile 15; 17 für beide
Bewegungsrichtungen ausgeführt,
so dass das Dämpfmedium
jeweils durch die Druckanschlussverbindung 29 im kolbenstangenseitigen
Arbeitsraum 9 an die Funktionseinheit 27 gekoppelt
ist.
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Die 4 zeigt
eine Ausführungsform
des Schwingungsdämpfers 1,
bei der beide Arbeitsräume 9; 11 mit
einer Funktionseinheit 27a; 27b in einem gemeinsamen
Gehäuse
angeordnet sind. Beide Funktionseinheiten 27a; 27b verfügen über ein
separates Trennelement 37a; 37b, die einen Vorspannraum 47 begrenzen.
Der Vorspannraum 47 kann über einen Druckmediumanschluss 49 in
seinem Druckniveau eingestellt werden. Des Weiteren besteht die
Möglichkeit,
dass die beiden Trennelemente 37a; 37bb bedingt
durch abweichende geometrische Abmessungen und/oder Eigenelastizität eine unterschiedliche
Arbeitsbewegung ausführen
können.
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Die 5 beschränkt sich
in der Darstellung auf einen Ausschnitt der Kolbenstange 5 mit
dem Kolben 7. Zwischen dem Kolben 7 und einem
axialen Befestigungsmittel auf der Kolbenstange 5 das Funktionselement 27 in
ringförmiger
Bauweise angeordnet. In dem ringförmigen Gehäuse 45 sind Drosselöffnungen 33 ausgeführt. Man
kann auch eine Gitterstruktur verwenden. In dem Ringraum zwischen
dem Gehäuse
und der Kolbenstange, der funktional dem Zwischenraum 35 gemäß der 2 entspricht,
ist mindestens ein gasgefülltes
Kissen 41 schwimmend angeordnet. Hinsichtlich der Funktion
wird ebenfalls auf die 2 verwiesen. Selbstverständlich kann eine
derartige Funktionseinheit für
beide Arbeitsräume 9; 11 jeweils
oberhalb und unterhalb des Kolbens 7 an der Kolbenstange 5 und/oder
dem Kolben 7 befestigt sein, wobei die Funktionseinheit
für ihre
eigene Wirksamkeit nicht befestigt sein müsste. Eine einfache schwimmende
Lagerung wäre
genauso möglich,
doch konnten dann mechanische Anschlaggeräusche auftreten, denen man
abhelfen müsste.