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Die
Erfindung betrifft eine Luftfeder- und Dämpfereinheit für Fahrzeuge,
welche mindestens zwei mit Druckluft gefüllte Arbeitsräume aufweist,
bei der mindestens ein Arbeitsraum mindestens teilweise durch bewegliche
Wände in
Form von Rollbälgen begrenzt
wird, die Rollbälge
unter Bildung einer Rollfalte mindestens teilweise auf den Konturen
rotationssymmetrischer Körper
abrollen und bei der die Arbeitsräume untereinander über Strömungskanäle verbunden
sind, welche mit durchströmbaren
Drosselventilen versehen sind, die einen den Querschnitt des Strömungskanals
mit einer Schließkraft
verändernden
Drosselkörper
aufweisen.
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Die
DE 43 34 007 C2 offenbart
eine pneumatische Feder-Dämpfer-Einheit
mit einem doppelt wirkenden Verdrängerkolben, bei welchem die
verbindenden Überströmkanäle mit Ventil-Federscheiben/Ventilfederplättchen versehen
sind, die einen Ringspalt überdecken
und sich an ihrem Innen- und Außenrand
an ringförmigen
Anlageflächen
anlegen. Innerhalb des Kolbens ist Ringspule so angeordnet, dass
der Kolben einen Elektromagneten darstellt, dessen magnetische Pole
durch die ringförmigen
Anlageflächen
gebildet werden. Je nach Stärke
des angelegten elektrischen Gleichstromes werden dann die Innenrandzone
oder die Außenrandzone
der Ventil-Federscheiben an die jeweiligen Anlageflächen angezogen
und somit die Federwirkung verstärkt. Der
Gleichstrom wird dabei im Sinne einer niederfrequenten Spannung
alternierend gesteuert, was aufgrund der alternierend auftretenden
Bypassströmungen
im Ventilanlagebereich zu einem weichen Ansprechverhalten. Bei einem
Stromausfall wird sich jedoch bei einem solchen System eine weiche
Kennung einstellen, was im Hinblick auf den Fahrzustand nachteilig
ist.
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Der
Gegenstand der
DE
10 2004 060 778 A1 betrifft eine Feder-Dämpfereinheit
mit mehreren Dämpfer-
und Federräumen,
die untereinander verbunden sind und in den dazu dienenden Verbindungskanälen Überströmdrosseln,
d.h. Drosselventile aufweisen, die so angeordnet und ausgebildet sind,
dass nur eine Strömungsrichtung
im Gesamtsystem existiert. Dadurch wird eine Umkehrung der Beschleunigung
der Gasvolumina vermieden und die dadurch möglichen Resonanzschwingungen
reduziert. Zur Verstärkung
der Drosselwirkung ist mindestens eines der Drosselventile als Magnetventil
ausgebildet, wobei ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, welches
auf die Drosselscheibe des Magnetventiles wirkt und die Federwirkung
der Drosselscheibe bzw. deren Anlagekraft und damit deren Drosselwirkung
verstärkt.
Bei einem Stromausfall fällt
das System damit nachteiligerweise in die „weiche" Feder- bzw. Drosselkennung zurück, was,
wie bereits dargestellt, im Hinblick auf den Fahrzustand nachteilig
ist.
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Die
DE 100 09 527 C2 offenbart
ein verstellbares Drosselventil mit zwischen zwei Pneumatikkammern
angeordneten federbelasteten Drosselscheiben. Im Ausführungsbeispiel
sind dies zwar federnde Ventilscheiben/Ventilfederplättchen,
umfasst sind vom Schutzumfang aber auch Drosselscheiben, die unter
Belastung einer Schraubenfeder stehen. Der Schließkraft der
Drosselscheiben wird eine über die
Spule eines Elektromagneten erzeugte Magnetkraft entgegengerichtet
und dadurch die Schließkraft reduziert
und der Drossel(scheibe) somit eine weichere Kennung aufgezwungen.
Bei Stromausfall ist zwar hier eine Rückfallposition in eine harte
Kennung erreichbar, die Einstellbarkeit bzw. Variabilität oder Bandbreite
der Schließkraft
in beiden Richtungen, d.h. in die „weichere Kennung" und in die „härtere Kennung" ist jedoch hier
nicht ausreichend ausgeprägt.
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Für die Erfindung
bestand also die Aufgabe, eine Luftfeder-Dämpfungseinheit bereitzustellen,
die in konstruktiv einfacher Weise eine breitbandige Einstellbarkeit
der Schließkraft
in eine weichere und eine härtere
Kennung erlaubt und gleichzeitig eine Rückfallposition bei Stromausfall
bereitstellt, die automatisch zu einer für einen stabilen Fahrzustand
ausreichenden harten Kennung führt.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte
Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Erfindungsgemäß weist
mindestens ein Drosselventil mindestens zwei unterschiedlich einstellbare
und/oder regelbare Magnete auf, durch die der Drosselkörper in
seiner Schließkraft
beeinflussbar ist. Durch eine solche Anordnung eröffnet sich
ein wesentlich breiteres Feld an Einstellmöglichkeiten als mit den bisherigen
Ausführungen
aus dem Stand der Technik, bei denen Magnetventile maximal einen Magneten
aufweisen und somit in der Regel auch nur Magnetkräfte auf
die Drosselkörper
aufbringen können,
die in lediglich einer Richtung mehr oder weniger stark wirken.
Mit der erfindungsgemäßen Ausführung ist
es dagegen möglich,
durch unterschiedliche Anordnung und Ausprägung bzw. Regelung der Magnete
eine weitaus differenziertere Ausbildung der Magnetkraft in verschiedenen
Richtungen zu erreichen.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass der Drosselkörper in
Richtung der Schließkraft federbelastet
ist. Damit ergibt sich eine mechanische „Grundhärte" der Kennung, die durch die federbelastete
Anlage des Drosselkörpers
an seine Dichtkante vorgegeben ist. Üblicherweise werden entweder durch
im Ventilgehäuse
abgestützte
Schraubenfedern belastete Ventilkörper oder aber die bekannten (Feder-)
Scheibenventile als Drosselkörper
verwendet, die z.B. an ihrem Innenumfang fest gespannt sind und
an ihrem Außenumfang
federnd an einer ringförmigen
Dichtkante anliegen.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass mindestens
einer der mindestens zwei unterschiedlich einstellbaren und/oder
regelbaren Magnete den Drosselkörper
in Richtung der Schließkraft
belastet. Damit lässt
sich die Schließkraft
auf einfache Weise verstärken,
insbesondere dann, wenn die Belastung durch die Magnetkraft eines
Elektromagneten erfolgt, der je nach Fahrzustand zugeschaltet werden
kann.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die durch
die Magnete erzeugten Magnetkräfte
dieselbe Wirkrichtung aufweisen. Hierdurch erreicht man ein Maximum
an Schließkraft,
die die mechanische und durch Federwirkung erzeugt Schließkraft der
Drosselkörper
um ein vielfaches erhöhen
kann. Versuche haben gezeigt, dass beispielsweise mit einer solchen
Ausbildung die dynamische Federsteifigkeit von Gasfederdämpfern (Luftfeder-
und Dämpfereinheiten)
um den Faktor 4 erhöht werden
kann. Damit lässt
sich beispielsweise kostengünstig
und auf sehr einfache Art eine hoch wirksame Wankabstützung (Anti-Rolling)
oder Nickabstützung für Fahrzeuge
realisieren, was insbesondere bei schnellen und stark beladenen
Kleintransportern eine wesentliche Sicherheitsmaßnahme darstellen kann.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die durch
die Magnete erzeugten Magnetkräfte
entgegen gesetzte Wirkrichtungen aufweisen. Damit kann das Magnetfeld
bzw. die Magnetkraft eines schaltbaren Magneten zur Kompensation eines
anderen Magnetfeldes genutzt werden, was in geeigneter Anordnung
z. B. zu Einstellung einer weichen Dämpfung genutzt werden kann.
Eine solche Anordnung besteht dann darin, dass die Magnetkraft eines
die Schließkraft
des Drosselkörpers
unterstützenden
Magneten durch die Magnetkraft eines zweiten Magneten kompensiert
wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass das Drosselventil
mindestens einen Permanentmagneten und mindestens einen regelbaren
Elektromagneten aufweist. Dadurch ergeben sich eine sehr einfache
Bauweise und gleichermaßen eine
einfache Regelmöglichkeit.
Wird zum Beispiel mittels eines Permanentmagneten Schließkraft des Drosselkörpers zusätzlich zu
seine mechanischen Federwirkung unterstützt, so kann einerseits die
sich damit ergebende harte Kennung mit einer Kompensation der Magnetkraft
des Permanentmagneten durch Zuschalten eines Elektromagneten, welcher ein
gegengerichtetes Feld aufbaut, in eine weichere Kennung überführt werden.
Das Zuschalten kann auch in der Form erfolgen, bei der z.B. ein
Gleichstrommagnet mehr oder weniger stark bestromt wird und damit
das Magnetfeld zur Kompensation gezielt gesteuert werden kann. Andererseits
ist eine Rückfallposition
in eine Sicherheitsstellung realisiert (Fail Save Position). Wenn
es nämlich
zu einem Stromausfall kommt, entfällt die Kompensationswirkung
des Elektromagneten und es stellen sich die harte Kennung und damit
der „sichere" Fahrzustand ein.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass der Permanentmagnet
als mindestens ein im Drosselventil eingesetzter Stabmagnet ausgebildet
ist. Damit ist eine konstruktiv einfache Möglichkeit vorgegeben, die erfindungsgemäße Lösung auch
für kostengünstige Großserienteile
zu realisieren.
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Anhand
eines Ausführungsbeispieles,
bei dem eine Luftfeder- und Dämpfereinheit
ausgeführt ist,
die die Besonderheit aufweist, dass sowohl in der Druckstufe als
auch in der Zugstufe nur eine Durchströmungsrichtung vorherrscht,
soll die Erfindung näher
erläutert
werden. Natürlich
können
aber die erfindungsgemäßen Drosselventile
sowohl in Druckrichtung, d.h. zur Drosselung der Strömung des
Druckmediums in der Druckstufe, als auch in Zugrichtung, d.h. zur
Drosselung der Strömung
des Druckmediums in der Zugstufe, eingesetzt werden, also auch bei
jedweden Luftfeder- und Dämpfereinheiten,
bei denen sich mit Druck- oder Zugstufe die Strömungsrichtung jeweils umkehrt.
Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Feder-
und Dämpfungseinheit,
halb geschnitten,
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2 den
Aufbau der Drosselventile der Feder- und Dämpfungseinheit nach 1 im
Detail.
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Die 1 zeigt
hierzu also eine pneumatische Feder- und Dämpfungseinheit aus einem Zylindergehäuse 1,
das an einer Seite mit einem Zylinderdeckel 2 druckdicht
verschlossen ist. Dieser Zylinderdeckel 2 besitzt ein Befestigungselement 3 zur
Anlenkung zum Beispiel an einem Karosseriebauteil eines Kraftfahrzeuges.
Auf der vom Zylinderdeckel 2 abgewandeten Seite des Zylindergehäuses 1 ist
an diesem ein querschnittsverengender Bund 4 mit einer
Durchgangsbohrung angeformt. In dieser Durchgangsbohrung des Bundes 4 befindet
sich ein Gleit- und Dichtelement 5.
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Im
Inneren des Zylindergehäuses 1 ist
mit Spiel ein doppeltwirkender Trennkolben 6 mit einer Kolbenstange 7 eingesetzt,
wobei der Trennkolben 6 an seinem Umfang mit einem Gleit-
und Dichtelement 8 ausgestattet ist. Zudem durchdringt
die Kolbenstange 7 den Bund 4 in seiner Durchgangsbohrung. Damit
bilden sich auf der Kolbenseite des Trennkolbens 6 ein
beim Einfedern des Trennkolbens 6 kleiner werdender Dämpferraum 9,
und auf der Kolbenstangenseite des Trennkolbens 6 ein beim
Einfedern desselben größer werdender
Dämpferraum 10 aus.
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An
seinem aus dem Zylindergehäuse 1 herausragendem
Ende besitzt die Kolbenstange 7 ein Befestigungselement 11 zur
Anlenkung der Feder- und Dämpfungseinheit
zum Beispiel an die Radaufhängung
des Fahrzeuges. Mit diesem Befestigungselement 11 und daher
auch mit der Kolbenstange 7 fest verbunden ist ein Abrollkolben 12 mit
einer äußeren Abrollfläche 13 für einen
Rollbalg 14.
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Dieser
Rollbalg 14 ist einerseits mit einer ersten Befestigungsmanschette 15 am
Bund 4 des Zylindergehäuses 1 und
andererseits mit einer zweiten Befestigungsmanschette 16 an
dem zylindergehäusenahen
Ende am Abrollkolben 12 fest und druckdicht befestigt.
Damit ist zwischen der Kolbenstange 7 und dem Rollbalg 14 ein
beim Einfedern des Trennkolbens 6 kleiner werdender Federraum 17 ausgebildet.
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Der
Dämpferraum 9,
der Dämpferraum 10 und
der Federraum 17 sind nun bei dieser Ausführung in
besonderer Weise miteinander verbunden. So verfügt die Kolbenstange 7 über eine
axiale Durchgangsbohrung 18 und im Bereich des Federraumes 17 über eine
radiale Bohrung 19, die zusammen den beim Einfedern kleiner
werdenden Federraum 17 und den beim Einfedern kleiner werdenden Dämpferraum 9 zu
einem gleichwirkenden Feder-Dämpferraum
miteinander verbinden.
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Im
Bereich seines Bundes 4 besitzt das Zylindergehäuse 1 einen
im Zylindergehäuse 1 ausgebildeten
Ventilsitz 20, der ein aktiv einstellbares Drosselventil 21 für die Druckstufe
der Feder-Dämpfereinheit
trägt,
dessen Aufbau weiter untern näher
erläutert
wird. Unmittelbar unterhalb des Ventilsitzes 20 ist im
Bund 4 ein zum Federraum 17 fürender Verbindungskanal 23 ausgebildet,
so dass bei geöffnetem Drosselventil 21 der
Dämpferraum 10 und
der Federraum 17 miteinander verbindbar sind.
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Darüber zeigt
die 1, dass in Richtung zum Zylinderdeckel 2 hin
an dem Trennkolben 6 ein weiteres derart ausgebildetes
Drosselventil 22 angeordnet ist, über welches die Dämpferräume 9 und 10 miteinander
verbunden werden können.
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Die
grundsätzliche
Wirkungsweise einer solchen Feder- und Dämpfereinheit ist an sich bekannt und
wird daher nur kurz erläutert.
Durch die Wirkung einer geschlossenen Luftversorgungsanlage herrscht
in Inneren der Feder- und Dämpfungseinheit stets
ein Luftdruck mit einem vorbestimmten Druckniveau. Eine von Außen auf
die Feder- und Dämpfungseinheit
wirkende Last hat das Bestreben, den Trennkolben 6 in das
Zylindergehäuse 1 einzuschieben.
Dieser Bewegung wirkt eine Kraft entgegen, die sich aus dem im Inneren
der Feder- und Dämpfungseinheit
herrschenden Luftdruck und der Differenz der beiden sich axial gegenüberliegenden
Flächen
am Trennkolben 6 ergibt. Diese entgegenwirkende Kraft hält den Trennkolben 6 in
seiner Position und damit die Radaufhängung sowie den Fahrzeugaufbau
auf den gewünschten
Abstand. Dabei ergibt sich die erwünschte Federwirkung durch die
Kompressibilität der
eingeschlossenen Luft.
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Die
hier vorhandene Ausbildung der Feder- und Dämpfungseinheit bewirkt, dass
sowohl beim Einfedern des Kolbens 6 als auch beim Ausfedern desselben
das in den Dämpferräumen 9 und 10 sowie
in dem Federraum 17 befindliche Gas jeweils in die gleiche
Strömungsrichtung
bewegt. Im Unterschied zu den bekannten pneumatischen Feder- und Dämpfungseinheiten
mit ihren bei Ein- und Ausfedern oszillierenden Gasströmungen,
bei denen sich also mit Druck- oder Zugstufe die Strömungsrichtung jeweils
umkehrt, lassen sich durch den hier vorgestellten Aufbau strömungstechnische
Verluste vermeiden, so dass die Feder- und Dämpfungseinheit insgesamt leiser
und schneller auf äußere Krafteinwirkungen
und Bewegungsrichtungsänderungen
des Fahrwerks zur Karosserie eines Fahrzeugs reagieren kann.
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2 zeigt
im Detail den Aufbau des Drosselventils 22 in zwei Schaltstellungen
des Elektromagneten, wobei die Drosselventile 21 und 22 kostengünstig im
Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Das Drosselventil 22 gemäß Ausführungsbeispiel nach 1 weist
einen aus zwei aufeinander gelegten Federscheiben bestehenden Drosselkörper 24 und
den ferromagnetischen Drosselgrundkörper 25 auf, der im
Kolben 6 befestigt ist.
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Im
Drosselgrundkörper 25 ist
eine Magnetspule 26 angeordnet, welche über nicht dargestellte elektrische
Leitungen schaltbar ist, wobei die Leitungen mit einer Spannungsquelle
in Verbindung stehen. Zudem weist der Drosselgrundkörper 25 eine Strömungsöffnung 27 für das Druckmedium,
d.h. die Luft in der Feder-Dämpfereinheit
auf. Das Federscheibenpaket des Drosselkörpers 24 liegt federnd auf
dem äußeren oberen
Rand 28 des Drosselgrundkörpers 25 auf, während es
am Innenrand zwischen der Hülse 29 und
dem Drosselgrundkörper 25 über eine
hier nicht näher
dargestellte Verschraubung eingespannt ist.
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Das
Drosselventil 22 weist einen auf dem Außenumfang des Drosselgrundkörpers 25 aufgeklebten
ringförmigen
Permanentmagneten 30 auf, der zusätzlich zu der auf das Federscheibenpaket des
Drosselkörpers 24 wirkenden
und durch die Einspannung aufgebrachten Federkraft eine Magnetkraft 31 auf
den Drosselkörpers 24 aufbringt.
Die Magnetkraft ist hier als umlaufende Magnetkraftlinie im Bereich
der Bauteile des Drosselventils dargestellt. Das Aufkleben oder
auch Aufschrumpfen eines Magnetringes stellt hierbei eine besonders
einfach zu fertigende Ausbildung der erfindungsgemäßen Luftfeder-
und Dämpfereinheit
dar.
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Die
obere Darstellung der 2 zeigt die zugeschaltete Magnetspule 26 mit
einem Magnetfeld, dass die Magnetkraft 32 auf den Drosselkörper 24 ausübt und somit
dieselbe Wirkrichtung aufweist, wie die durch den Permanentmagneten 30 auf
den Drosselkörper 24 ausgeübte Kraft.
Hierdurch erreicht man ein Maximum an Schließkraft, also eine besonders harte
Kennung der Luftfeder- und Dämpfereinheit,
da die mechanische und durch Federwirkung erzeugte Schließkraft der
Drosselkörper
durch die magnetische Schließkraft
beider Magneten verstärkt
wird.
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Die
untere Darstellung der 2 zeigt die zugeschaltete Magnetspule 26 mit
einem Magnetfeld, dass die Magnetkraft 33 auf den Drosselkörper 24 ausübt und somit
eine Wirkrichtung aufweist, die entgegengesetzt zu der durch den
Permanentmagneten 30 auf den Drosselkörper 24 ausgeübte Kraft wirkt
und – je
nach eingestellter Stromstärke
des Gleichstroms – bis
zur Kompensation oder Überkompensation
der durch den Permanentmagneten aufgebrachten Magnetkraft reichen
kann. Hierdurch erreicht man ein Minimum an Schließkraft,
d.h. eine sehr weiche Kennung..
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Sobald
also ein elektrischer Strom geschaltet wird und über hier nicht weiter dargestellte
Zuleitungen durch die Magnetspule 26 fließt, induziert
dieselbe einen Magnetfluss über
den Drosselgrundkörper 25 und
das Federscheibenpaket des Drosselkörpers 24, so dass
ein Öffnen
bzw. Anheben des Drosselkörpers 24 vom
Drosselgrundkörper 25 beim Durchströmen von
Gas erschwert oder erleichtert wird. Dies führt zu aktiv eingestellten
erhöhten
Feder-/Dämpferkräften der
Feder-Dämpfereinheit.
Entsprechend der Stromstärke
in dem elektrischen Leiter der Magnetspule 26 kann die
Feder-Dämpfereinheit
in ihrem Betriebsverhalten demnach härter oder weicher eingestellt
werden, wo bei diese Einstellung vorteilhafterweise sowohl in Zugstufenrichtung
als auch in Druckstufenrichtung variabel und unabhängig voneinander
einstellbar ist.
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Vorteilhafterweise
befinden sich an den Drosselventilen 21 bzw. 22 keine
Teile, die zur Drosselverstellung verschoben oder mechanisch bewegt werden
müssten.
Als ebenfalls vorteilhaft erachtet wird zudem, dass die Schaltzeiten
der Drosselventile 21 bzw. 22 lediglich durch
die Berechnungszeit für eine
neue Einstellung in einer Steuerungseinrichtung und der Zeit bestimmt
ist, welche für
den Aufbau bzw. die Änderung
des Magnetfeldes notwendig ist. Dieses ermöglicht extrem kurze Reaktionszeiten
der Feder-Dämpfereinheit.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ausbildung
einer Feder-Dämpfereinheit
ist es nicht zwingend notwenig, dass beide Drosselventile 21 bzw. 22 einstellbar
ausgebildet ist. So kann beispielsweise ein Drosselventil 21 bzw. 22 wie
beschrieben aktiv einstellbar und die andere Überströmdrossel konventionell mit einer
Drosselbohrung ausgestattet sein. Auch andere Funktionsprinzipien
der Drosselventile 21 bzw. 22 sind möglich, ohne
auf den durch die Erfindung verursachten vorteilhaften technischen
Effekt verzichten zu müssen.
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- 1
- Zylindergehäuse
- 2
- Zylinderdeckel
- 3
- Befestigungselement
- 4
- Bund
- 5
- Gleit-
und Dichtelement
- 6
- Trennkolben
- 7
- Kolbenstange
- 8
- Gleit-
und Dichtelement
- 9
- Dämpferraum
- 10
- Dämpferraum
- 11
- Befestigungselement
- 12
- Abrollkolben
- 13
- Abrollfläche
- 14
- Rollbalg
- 15
- Befestigungsmanschette
- 16
- Befestigungsmanschette
- 17
- Federraum
- 18
- Durchgangsbohrung
- 19
- Radiale
Bohrung
- 20
- Ventilsitz
- 21
- Drosselventil
- 22
- Drosselventil
- 23
- Verbindungskanal
- 24
- Drosselkörper
- 25
- Drosselgrundkörper
- 26
- Magnetspule
- 27
- Strömungsöffnung
- 28
- Äußerer oberer
Rand des Drosselgrundkörpers
- 29
- Hülse
- 30
- Permanentmagnet
- 31
- Magnetkraftlinie
des Permanentmagneten
- 32
- Magnetkraftlinie
des Elektromagneten in einer ersten Schaltung
- 33
- Magnetkraftlinie
des Elektromagneten in einer zweiten Schaltung