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Die
Erfindung betrifft ein Kolben-Zylinderaggregat mit einem geschlossenen
ersten Ende, einem Zylinder, einem in dem Zylinder verschiebbar
angeordneten Kolben, der den Zylinder in eine dem geschlossenen
Ende nahen ersten Raum und einen dem geschlossenen Ende fernen zweiten
Raum unterteilt und einer einseitig an dem Kolben angeordneten Kolbenstange,
die den zweiten Raum durchragt und konzentrisch zur Mittellängsachse
des Zylinders an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten
Ende durch eine Dichtungseinrichtung abgedichtet aus dem Zylinder
herausgeführt ist.
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Ein
Kolben-Zylinderaggregat, das beispielsweise als Gasfeder Verwendung
findet, weist einen Zylinder auf, in dem ein Gas angeordnet ist,
welches durch einen im Zylinder aufgenommen Kolben komprimiert werden
kann. Mit dem Kolben ist eine Kolbenstange verbunden, um den Kolben
zu betätigen. Mit dem Zylinder ist eine Dichtungseinrichtung
verbunden, mit deren Hilfe der Zylinder abgedichtet wird. Da die
Kolbenstange durch die Dichtungseinrichtung hindurch geführt
ist, um von außen den Kolben betätigen zu können,
ist es erforderlich, dass die Dichtungseinrichtung sowohl die Verbindung
von dem Zylinder mit der Dichtungseinrichtung als auch von der Dichtungseinrichtung
mit der Kolbenstange abdichtet. Um zu verhindern, dass das in dem
Zylinder eingeschlossene Fluid, beispielsweise Gas, entweicht, weist
die Dichtungseinrichtung üblicherweise Dichtungen auf,
die mit einer zur Dichtung notwendigen möglichst hohen
Kraft an der Kolbenstange anliegen. Dies führt jedoch zu
einer hohen Reibung zwischen der Dichtungseinrichtung und der Kolbenstange,
so dass ein hoher Verschleiß auftritt und auf Grund der herrschenden
Reibungskräfte die durch die Kompression des Gases erreichbare
Federkraft reduziert ist.
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Aus
US 6,202,806 B1 ist
bekannt, die mit dem Zylinder verbundene Dichtungseinrichtung wegzulassen
und die erforderliche Abdichtung allein im Bereich des Kolbens zu
realisieren. Hierzu sind in dem Kolben Elektromagnete angeordnet,
die einen zwischen dem Zylinder und den Elektromagneten des Kolbens
angeordnetes ferrofluides Fluid (Ferrofluid) zur Abdichtung des
Zylinders zwischen dem Kolben und dem Zylinder festzuhalten. Auf
Grund der Magnetkraft der Elektromagneten verbleibt das Ferrofluid
zwischen dem Zylinder und dem Kolben, wodurch bei verringerter Reibung
eine gute Dichtwirkung erreicht werden kann.
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Nachteilig
bei einer derartigen Gasfeder ist, dass ein verhältnismäßig
komplizierter Aufbau des Kolbens und der Kolbenstange erforderlich
ist, um die Elektromagneten aufzunehmen und mit Strom zu versorgen.
Ferner besteht die Gefahr, dass beim Betrieb der Gasfeder durch
eine leichte Schrägstellung der Kolbenstange der Kolben
verkanten kann, wodurch die Funktionalität der Gasfeder
eingeschränkt ist und ein erhöhter Verschleiß auftritt.
Ferner können durch Verkanten des Kolbens Riefen in dem
Zylinder entstehen, in denen sich ein Teil des Ferrofluid sammeln
kann. Dies führt dazu, dass über die Lebensdauer
der Gasfeder immer mehr Ferrofluid aus dem Spalt zwischen Kolben
und dem Zylinder entfernt wird, wodurch die Dichtwirkung verloren
geht.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung ein Kolben-Zylinderaggregat zu schaffen,
bei welchem der Verschleiß reduziert und die Dichtwirkung
erhöht ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass das Kolben-Zylinderaggregat wenigstens ein Magnetelement aufweist,
dessen Magnetfeld mit einem in dem Zylinder vorhandenen Ferrofluid
zusammenwirkt
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Das
erfindungsgemäße Kolben-Zylinderaggregat weist
ein Zylinder auf, das mit einem insbesondere komprimierten Gas oder Öl
gefüllt ist. In dem Zylinder ist ein Kolben aufgenommen,
der mit einer Kolbenstange verbunden ist, um den Kolben betätigen
zu können. Mit dem Zylinder ist eine Dichtungseinsrichtung
verbunden, um den Zylinder abzudichten. Erfindungsgemäß weist
die Dichtungseinrichtung mindestens ein Magnetelement auf, wobei
ferner beispielsweise in einem Spalt oder Zwischenraum zwischen
der Dichtungseinrichtung und der Kolbenstange und/oder zwischen
der Dichtungseinrichtung und dem Zylinder ein Ferrofluid angeordnet ist.
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Da
die Kolbenstange sowohl durch den Kolben als auch durch die Dichtungseinrichtung
geführt ist, wird ein Verkanten des Kolbens vermieden.
Da das Ferrofluid flüssig beziehungsweise als Suspension
vorliegt, wird eine Reibung zwischen der Dichtungseinrichtung und
der Kolbenstange deutlich reduziert. Dies führt zu einem
verringerten Verschleiß. Ferner ist das Ferrofluid in der
Lage Unebenheiten auszugleichen, die beispielsweise durch Bearbeitungstoleranzen
oder Oberflächenrauhigkeiten entstehen. Da das Ferrofluid
nicht mitbewegt wird, sondern im Wesentlichen durch die Einwirkung
des/der Magneten ortsfest bleibt, ist es möglich einen
verhältnismäßig einfachen Aufbau vorzusehen.
Beispielsweise kann ein Kanal vorgesehen sein, um erforderlichenfalls
zusätzliches Ferrofluid nachzufüllen, ohne dass
die Gefahr besteht, dass das nachgefüllte Ferrofluid nicht
in den Bereich der Magnetelemente gelangt. Ferner ist es nicht erforderlich,
an die Kolbenstange spezielle Anforderungen zu stellen, um das Ferrofluid
an der richtigen Stelle zu platzieren und dort zu halten.
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Alternativ
oder in weiterer Ausgestaltung kann der Kolben das Magnetelement
aufweisen, wobei zwischen dem Kolben und dem Zylinder ein Ferrofluid
angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß kann
auch außen an dem Zylinder wenigstens ein Magnetelement
angeordnet sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sind die Magnetelemente
derart angeordnet, dass die magnetischen Pole der Magnetelemente
zueinander in radialer Richtung ausgerichtet sind, so dass sich
eine radiale Ausrichtung der Magneten ergibt. Der magnetische Nordpol
und der magnetische Südpol befinden sich somit quasi auf
einer Kreislinie, die bezogen auf den Zylinder radial ausgerichtet
ist. Dies ermöglicht es im Bereich des Ferrofluid eine
besondere hohe magnetische Feldstärke bereitzustellen.
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Besonders
bevorzugt sind mehrere Magnetelemente in axialer Richtung und/oder
in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet. Dies ermöglicht es
eine besonders hohe magnetische Feldstärke im Bereich des
Ferrofluid bereitzustellen. Vorzugsweise sind die mehreren Magnetelemente
gleichpolig angeordnet. Das heißt, dass insbesondere sämtliche
Magnetelemente mit ihrem magnetischen Südpol nach radial
innen weisen und mit ihrem magnetischen Nordpol radial nach außen
weisen bzw. umgekehrt. Dadurch wird zumindest für einen
Teilbereich des Ferrofluid eine besonders hohe magnetische Feldstärke
erzeugt.
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Je
nach Anwendungsfall kann es vorteilhaft sein, dass vorzugsweise
im Bereich des Magnetelements ein Dichtungselement angeordnet ist,
mit dessen Hilfe ein Fließen des Ferrofluid in axialer
Richtung begrenzt werden kann. Mit Hilfe des Dichtungselements wird
ein ungewolltes Wegfließen des Ferrofluid zumindest erschwert.
Das Dichtungselement ist beispielsweise ein elastomerer O-Ring.
Es ist nicht erforderlich, dass das Dichtungselement zur Abdichtung
des Zylinders beiträgt, da hierzu das Ferrofluid ausreicht.
Besonders bevorzugt ist das Dichtungselement in axialer Richtung
mittig zum jeweiligen Magnetelement angeordnet. Dadurch ist das
Dichtungselement in einem Bereich angeordnet, in dem die magnetische
Feldstärke im Verhältnis zu anderen Bereichen,
in denen das Ferrofluid angeordnet ist, eher gering ist. Beispielsweise
kann ein Ferrofluid zwischen zwei benachbart zueinander radial ausgerichteten
Magnetelementen angeordnet sein, wobei zwei mittig zu ihrem jeweiligen
Magnetelement angeordnet Dichtelemente ein Heraufließen
des Ferrofluid verhindern und die erforderliche Dichtwirkung allein durch
das Ferrofluid erreicht wird.
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Das
mindestens eine Magnetelement kann einen Dauermagneten aufweisen,
der insbesondere aus SmCo oder NdFeB hergestellt sein kann, um ein möglichst
starkes Magnetfeld bereitzustellen.
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Alternativ
kann das mindestens eine Magnetelement einen Elektromagneten aufweisen.
Je nach Anwendungsfall kann es vorteilhaft sein, dass der Elektromagnet
insbesondere mit Energieleitungen verbunden ist, die zur Kolbenstange
beabstandet angeordnet sind. Eine verschleißbehaftete Relativbewegung
zwischen der Kolbenstange und den Energieleitungen wird dadurch
vermieden. Die Energieleitungen können beispielsweise durch
den Zylinder hindurch geführt sein. Die Energieleitungen
laufen hierzu insbesondere radial von der Dichtungseinrichtung durch
den Zylinder hindurch, so dass die Durchleitung durch den Zylinder
mit Hilfe des gegebenenfalls zwischen der Dichtungseinrichtung und
dem Zylinder angeordneten Ferrofluid abgedichtet werden kann. Zusätzlich
bzw. alternativ können die Energieleitungen auch an einer
Stirnseite des Zylinders an der Dichtungseinrichtung entlang nach
außen geführt sein. Eine spezielle Formgebung
der Kolbenstange, um den Elektromagneten mit Energie zu versorgen ist
nicht erforderlich. Die Energieleitungen können jedoch
auch durch die Kolbenstange geführt werden.
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Vorzugsweise
weist die Dichtungseinrichtung eine weichmagnetische Hülle
auf, die zumindest teilweise das Magnetelement aufnimmt. Dadurch kann
mit Hilfe der weichmagnetischen Hülle die magnetische Flussdichte
erhöht bzw. örtlich verstärkt werden.
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Ferner
ist es möglich, dass der Kolben mindestens eine Öffnung
zum Durchleiten des Gases aufweist, wodurch die Gasfeder zum Gasdämpfer weitergebildet
ist. Die Anzahl und Größe der Öffnungen
sind insbesondere an die gewünschten Dämpfungseigenschaften
angepasst.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Gasfederanordnung, bei der eine Gasfeder,
die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann,
vorgesehen ist. Der Zylinder ist hierbei über eine erste Verbindung
mit einem ersten Bauteil verbunden, während die Kolbenstange über
eine zweite Verbindung in einem zweiten Bauteil verbunden ist. Die
erste Verbindung ist geodätisch höher angeordnet
als die zweite Verbindung. Obwohl die Schwerkraft auf das Ferrofluid
wirkt, verhindert die Magnetkraft des mindestens einen Magnetelements,
dass das Ferrofluid schwerkraftbedingt an der Kolbenstange entlang aus
dem Zylinder herausfließt. Die erfindungsgemäße
Gasfeder kann somit insbesondere in einer Gasfederanordnung vorgesehen
werden, die sich drehen und rotieren kann. Schmieröle,
deren Positionierung lediglich durch Schwerkraft- und Oberflächenkräfte beeinflusst
werden können, können somit ersetzt werden. Insbesondere
werden eine Leckage von Schmieröl und ein allmähliches
Trockenlaufen über die Lebensdauer der Gasfeder vermieden,
so dass die Lebensdauer der erfindungsgemäßen
Gasfeder bzw. Gasfederanordnung deutlich erhöht ist. Eine
Leckage und ein Trockenlaufen werden durch die Einwirkung des mindestens
einen Magneten auf das Ferrofluid sicher vermieden. Unabhängig
von der Lage der Gasfeder in Relation zur Schwerkraftrichtung oder
einer Fliehkraftrichtung wird verhindert, dass die Dichtwirkung
auf Grund eines Verlusts von flüssigem Dichtmittel nachlässt.
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Alternativ
oder in weiterer Ausgestaltung kann das Magnetelement axial über
den Zylinder bewegbar angeordnet sein, wodurch eine frei einstellbare
Zwischenhalteposition des Kolben-Zylinderaggregats bereitgestellt
werden kann.
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In
weiterer Ausgestaltung ist ein Überrohr mit dem dem Kolben
abgewandten Ende der Kolbenstange verbunden und erstreckt sich wenigstens
teilweise über den Zylinder, wobei an dem der ersten Verbindungseinrichtung
zugewandten offenen Ende des Überrohrs das Magnetelement
angeordnet ist. Dadurch liegen sich der Kolben und das Magnetelement
zu jeder Zeit gegenüber.
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Nachfolgend
wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen
anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Es zeigen:
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1 Eine
schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen
Gasfeder in einer ersten Ausführungsform,
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2 eine
schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen
Gasfeder in einer zweiten Ausführungsform
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3 eine
schematische Schnittansicht einer Dichtungseinrichtung für
die in 1 und 2 dargstellte Gasfeder.
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4 eine
schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen
Gasfeder in einer dritten Ausführungsform und
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5 eine
schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen
Gasfeder in einer vierten Ausführungsform
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In 1 ist
das erfindungsgemäße Kolben-Zylinderaggregat 10 beispielhaft
als Gasfeder ausgebildet und weist einen an einem ersten Ende geschlossenen
Zylinder 12 auf, in dem zwischen einem Kolben 14 und
dem Zylinder 12 ein Gas eingeschlossen ist. Mit dem Kolben 14 ist
eine Kolbenstange 16 verbunden, um den Kolben 14 betätigen
zu können. Mit dem Zylinder 12 ist eine erste
Verbindungseinrichtung 18 verbunden, um mit dem Zylinder 12 ein
nicht dargestelltes erstes Bauteil verbinden zu können.
Entsprechend ist mit der Kolbenstange 16 eine zweite Verbindungseinrichtung 20 verbunden, um
ein nicht dargestelltes zweites Bauteil mit der Kolbenstange 16 zu
verbinden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der
Kolben 14 eine gummielastische Dichtung in Form eines O-Rings 22 auf.
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Durch
den Kolben 14 wird das Druckohr 12 in einen ersten
Raum 24 und einen zweiten Raum 26 geteilt. In
dem ersten Raum 24 kann das zu komprimierende Gas angeordnet
sein, während der zweite Raum 26 im Wesentlichen
gasfrei ist. Wenn die Kolbenstange 16 in den Zylinder 12 hinein
geschoben wird, wird das im ersten Raum 24 angeordnete
Gas komprimiert, wodurch eine Druckerhöhung entsteht, während
gleichzeitig in dem zweiten Raum 26 ein Unterdruck entstehen
kann. Durch die dadurch entstehenden Kräfte kann die Gasfeder 10 eine
Federkraft bereitstellen. Es ist auch möglich, dass der
zweite Raum 26 mit einem Gas gefüllt ist und der
erste Raum 24 im Wesentlichen gasfrei ist. In diesem Fall wirkt
die von der Gasfeder 10 bereitgestellte Federkraft in die
entgegengesetzte Richtung.
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Ferner
kann sowohl der erste Raum 24 als auch der zweite Raum 26 mit
einem unter Druck stehenden Gas gefüllt sein. Ein Strömen
des Fluids von einem Raum zum anderen kann beispielsweise durch
eine nicht gezeigte Axialnut im Zylinder oder durch eine oder mehrere
nicht gezeigte Bohrungen im Kolben 14 möglich
sein, über die das Gas aus dem ersten Raum 24 in
den zweiten Raum 26 oder umgekehrt strömen kann.
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Die
Kolbenstange 16 tritt über eine Einlassöffnung 28 an
einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende in
den Zylinder 12 ein. An die Einlassöffnung 28 schließt
sich eine Dichtungseinrichtung 30 an, durch welche die
Kolbenstange 16 geführt wird und der Zylinder 12 nach
außen abgedichtet wird. Die Dichtungseinrichtung 30 ist
zwischen einer Einkerbung 32 des Zylinders 12 und
einem umgebördelten Ansatz 34 bewegungsfest mit dem
Zylinder 12 verbunden. Die Dichtungseinrichtung 30 weist
ein Magnetelement 36 auf, das innerhalb einer weichmagnetischen
Hülle 38 angeordnet ist. Zwischen der weichmagnetischen
Hülle 38 und der Kolbenstange 16 ist
ein erstes Ferrofluid 40 angeordnet, wodurch eine gute
Abdichtung zwischen der Kolbenstange 16 und der Dichtungseinrichtung 30 erreicht
wird. Ferner ist zwischen der weichmagnetischen Hülle 38 und
dem Zylinder 12 ein zweites Ferrofluid 42 angeordnet,
wodurch eine sicherere Abdichtung zwischen der Dichtungseinrichtung 30 und
dem Zylinder 12 erreicht wird. Da die Ferrofluide 40, 42 magnetisierbare
Flüssigkeiten sind, deren Viskosität sich kaum
im Magnetfeld ändert, ist das Magnetfeld des Magnetelements 36 in
der Lage die Ferrofluide 40, 42 derart zu positionieren
und festzuhalten, dass ein Austritt von Gas nahezu vollständig
verhindert werden kann, während gleichzeitig an der Kolbenstange 16 nur
eine geringe Flüssigkeitsreibung wirkt.
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Wie
in der 2 gezeigt, kann auch zwischen dem Kolben 14 und
dem Zylinder 12 ein weiteres Ferrofluid 44 vorgesehen
sein. Hierzu weist der Kolben 14 ein Magnetelement 46 auf,
der in einer weichmagnetischen Hülle 48 angeordnet
ist. Mit Hilfe des weiteren Ferrofluids 44 wird eine besonders
wirkungsvolle Abdichtung zwischen dem ersten Raum 24 und
dem zweiten Raum 26 erreicht. Ein Gasstrom zwischen dem
ersten Raum 24 und dem zweiten Raum 26 wird dadurch
sicher vermieden, könnte jedoch, wie zu 1 beschrieben
durch wenigstens eine nicht gezeigte Bohrung im Kolben ermöglicht werden.
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Die
Dichtungseinrichtung 30 kann auch mehrere Magnetelemente 36 aufweisen,
die in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind und innerhalb
einer gemeinsamen weichmagnetischen Hülle 38 angeordnet
sind, wie in 3 gezeigt. Insbesondere, wenn
die Magnetelemente 36 bzgl. der Anordnung ihres magnetischen
Nordpols und ihres magnetischen Südpols radial ausgerichtet
sind, kann zentriert zum jeweiligen Magnetelement 36 ein
Dichtungselement 50 angeordnet sein. Wenn alle Magnetelemente 36 gleichpolig
ausgerichtet sind, ergibt sich zwischen zwei benachbarten Magnetelementen 36 ein
besonders starkes Magnetfeld, durch welches das Ferrofluid 40 besonderes
gut in Position gehalten wird. Die Dichtungselemente 50,
welche lediglich die Funktion haben, das Ferrofluid 40 daran
zu hindern auszulaufen, sind in diesem Fall an einer Position angeordnet,
an der das magnetische Feld am geringsten ist. Insbesondere ist
das magnetische Feld, das durch die Magnetelemente 36 bereitgestellt
wird, ausreichend, dass selbst in dem Fall, dass die Schwerkraftrichtung
in Richtung des Pfeils 52 verläuft, das Ferrofluid 40, 42, 44 nicht
in Schwerkraftrichtung davon fließt.
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Die 4 zeigt
eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein
ringförmiges Magnetelement 54 außerhalb
des Zylinders 12 nahe der Einlassöffnung 28 angeordnet
ist. Das durch das Magnetelement 54 erzeugte Magnetfeld
verstärkt die Wirkung auf das zwischen der Dichtungseinrichtung 30 und
dem Zylinder 12 angeordnete zweite Ferrofluid 42 zusätzlich.
Das Magnetelement 54 könnte jedoch auch alleine,
d. h. ohne das Magnetelement 36, wenigstens auf das zweite
Ferrofluid 42 wirkend ausgelegt sein.
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In
der 5 dargestellten Ausführungsform der Erfindung
ist ein ringförmiges Magnetelement 58 über
den Zylinder 12 in axialer Richtung bewegbar angeordnet.
Gelangt der Kolben 14 durch eine Axialbewegung der Kolbenstange 16 in
die Nähe des Magnetelements 58, sammelt sich,
wenn das Kolben-Zylinderaggregat 10 beispielsweise als
mit einem Ferrofluid enthaltenden Medium gefüllten Dämpfer
ausgebildet ist, das Ferrofluid 44 zwischen dem Kolben 14 und
dem Zylinder 12 an und bewirkt eine Blockierung des Kolbens 14,
wodurch eine frei einstellbare Zwischenhalteposition des Kolben-Zylinderaggregats 10 bereitgestellt
werden kann.
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Bei
der in 6 gezeigten Ausführungsform ist ein Überrohr 56 mit
dem dem Kolben 14 abgewandten Ende der Kolbenstange 16 verbunden
und erstreckt sich wenigstens teilweise über den Zylinder 12.
An dem der ersten Verbindungseinrichtung 18 zugewandten
offenen Ende des Überrohrs 56 ist das Magnetelement 58 angeordnet,
wobei sich der Kolben 14 und das Magnetelement 58 zu
jeder Zeit innerhalb und außerhalb des Zylinders 12 gegenüberliegen.
Wird die Kolbenstange 16 in axialer Richtung beispielsweise
aus dem Zylinder 12 herausbewegt, verschieben sich sowohl
der Kolben als auch die das Magnetelement 58 an die gleiche
axiale Position. Das durch das Magnetelement 58 erzeugte
Magnetfeld verstärkt die Wirkung auf das zwischen den Kolben 14 und
dem Zylinder 12 angeordnete dritte Ferrofluid 44 zusätzlich.
Das Magnetelement 58 könnte jedoch auch alleine,
d. h. ohne das Magnetelement 46, auf das dritte Ferrofluid 44 wirkend
ausgelegt sein.
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- 10
- Kolben-Zylinderaggregat
- 12
- Zylinder
- 14
- Kolben
- 16
- Kolbenstange
- 18
- Verbindungseinrichtung
- 20
- Verbindungseinrichtung
- 22
- O-Ring
- 24
- erster
Raum
- 26
- zweiter
Raum
- 28
- Einlassöffnung
- 30
- Dichtungseinrichtung
- 32
- Einkerbung
- 34
- umgebördelter
Ansatz
- 36
- Magnetelement
- 38
- weichmagnetische
Hülle
- 40
- erstes
Ferrofluid
- 42
- zweites
Ferrofluid
- 44
- drittes
Ferrofluid
- 46
- Magnetelement
- 48
- weichmagnetische
Hülle
- 50
- Dichtungselement
- 52
- Pfeil
- 54
- Magnetelement
- 56
- Überrohr
- 58
- Magnetelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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