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Die
Erfindung betrifft eine Dämpfereinrichtung mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruches 1.
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Eine
gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der Druckschrift
DE 103 20 053 A1 bekannt.
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Die
Druckschrift offenbart einen Stoßdämpfer, der
zur Energierückgewinnung geeignet ist. Beim Ein- und Ausfedern
des Fahrzeugrades wird im Hydraulikzylinder des Stoßdämpfers
das Dämpfungsmedium über wenigstens eine Drosselöffnungen
des Hydraulikkolbens von einer Arbeitskammer in eine zweite Arbeitskammer
verschoben. Gleiches erfolgt in einer parallel dazu angeordneten
Bypassleitung, die beide Arbeitskammern miteinander hydraulisch verbindet
und wobei innerhalb der Bypassleitung eine Pumpe angeordnet ist.
Die sich im Flüssigkeitsstrom befindende Pumpe wird durch
die Verschiebung des Dämpfungsmediums angetrieben, wobei die
Rotationsenergie der Pumpe auf eine daran angeordnete elektrische
Maschine übertragen wird. Die elektrische Maschine, die
insbesondere als Motor und/oder Generator ausgebildet ist, führt
die erzeugte elektrische Energie über eine Steuerelektronik
einer Energiequelle zu.
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Weiterhin
bietet die Ausführungsform des Stoßdämpfers
die Möglichkeit den von der Pumpe im Flüssigkeitsstrom
erzeugten Widerstand über die Steuerelektronik zu variieren,
wodurch eine regelbare Dämpfung erfolgt.
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Dadurch,
dass die elektrische Maschine als Motor und/oder Generator ausgebildet
ist, kann die Pumpe entgegen der Strömungsrichtung des
Flüssigkeitsstroms betrieben werden.
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Als
nachteilig kann der erhöhte Bauteilaufwand, der höherer
Bauraumanspruch sowie die damit verbundenen Mehrkosten angesehen
werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine gattungsgemäße
Vorrichtung konstruktiv neu zu gestalten.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmalskombination des Patentanspruches
1 gelöst.
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Erfindungsgemäß umfassen
die Bypass-Dämpfungsmittel einen hydraulisch beweglichen
Bypasskolben und eine mit dem Bypasskolben korrespondierende elektrisch
leitfähige Wicklung zur Erzeugung elektrischer Induktionsenergie.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Vorzugsweise
enthält der Bypasskolben einen magnetischen Werkstoff bzw.
ist insbesondere aus einem magnetischen Werkstoff gefertigt. Dadurch
lässt sich für das Induzieren eines elektrischen Stroms
ein kostengünstiges, Magnetfeld aufweisendes Bauteil bereitstellen.
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Vorzugsweise
liegt der Bypasskolben in einer Bypassleitung ein, welche die beiden
Arbeitskammern des Hydraulikzylinders hydraulisch miteinander verbindet.
Dadurch ist bei einem Federungsvorgang ein Bewegen des Bypasskolbens
durch die Verschiebung des Fluidvolumens ermöglicht. Ferner lässt
sich die Position und/oder Bewegung des Bypasskolbens auf eine einfache
Art und Weise durch ein sich änderndes Magnetfeld beeinflussen.
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Vorteilhaft
ist, dass der Bypasskolben mindestens einen Anschlagpuffer trägt,
welcher in einer Bewegungsposition des Bypasskolbens die Innenwandung
der Bypassleitung mechanisch kontaktiert. Besonders vorteilhaft
ist es, wenn der Bypasskolben zwei in eine Bewegungsrichtung des
Bypasskolbens gegenüberliegende Anschlagpuffer aufweist.
Dadurch ist eine Geräuschoptimierung des Bauteils in alle
Bewegungsrichtungen des Bypasskolbens ermöglicht. Ferner
wird durch die mechanische Kontaktierung der jeweilige Anschlagpuffer
vorgespannt, was bei einer anschließenden Entspannung des
Anschlagpuffers zu einer Zwangsbewegung des Bypasskolbens entgegen
der vorherrschenden Bewegungsrichtung führt. Alternativ
kann eine Umkehr der Bypasskolben-Bewegungsrichtung durch ein korrespondierendes
Federelement innerhalb der Bypassleitung ermöglicht werden.
Mithin wird durch die Umkehr der Bypasskolben-Bewegungsrichtung
mittels Anschlagpuffer und/oder Federelement die Bewegung des Bypasskolbens
unterstützt.
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Es
ist weiterhin von Vorteil, wenn eine Mittellängsachse der
Wicklung parallel zur Bewegungsrichtung des Bypasskolbens angeordnet
ist und/oder wenn die Wicklung zumindest in einer Bewegungsposition
des Bypasskolbens den Bypasskolben umgibt und/oder die Wicklung
wenigstens abschnittsweise die Bypassleitung umgibt. Dadurch ist
eine bestmögliche elektrische Induktion ermöglicht,
wobei Wicklungen aufweisende Teilbereiche der Bypassleitung mit
jeweils einem Bypasskolben oder ausschließlich einem Bypasskolben
ebenfalls denkbar sind.
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Vorzugsweise
weist die Wicklung n Wicklungswindungen auf, wobei n ≥ 1
ist. Dadurch erhöht sich die Quantität der induzierten
Energie und somit die Effizienz der Vorrichtung.
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Dadurch,
dass die Wicklung an einer elektrischen Energiequelle angeschlossen
ist kann die rekuperierte, elektrische Energie zwischengespeichert und
zu einem weiteren Zeitpunkt bereitgestellt werden.
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Dadurch,
dass die Wicklung an einer Steuerelektronik zur Einspeisung einer
elektrischen Steuerenergie in die Wicklung angeschlossen ist kann
die Dämpfungseinrichtung, insbesondere der Bypasskolben,
aktiv betrieben werden.
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Vorzugsweise
ist eine elektrische Energiequelle vorgesehen, welche insbesondere
unter Zwischenschaltung einer Steuerelektronik die elektrisch leitfähige
Wicklung mit einem elektrischen Steuerstrom zur Bewegungssteuerung
des Bypasskolbens versorgt. Dadurch ist ein aktives Verzögern,
Halten und/oder Bewegen des Bypasskolbens ermöglicht, wobei
die Wicklung über jeweils eine Zu- und Rückleitung
mit der elektrischen Energiequelle bzw. mit der Steuerelektronik
verbunden ist.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Energiequelle die Wicklung in Abhängigkeit
eines Dämpfungsvorganges der Basis-Dämpfungsmittel
mit dem Steuerstrom versorgt. Dadurch ist bei einem Ein- und/oder
Ausfedern des Fahrzeugrades eine Zusatzkraft bereit gestellt. D.
h., dass beispielsweise beim Einfedern des Rades die Basis-Dämpfungsmittel
Dämpfkräfte und der Bypass gleichzeitig Zugkräfte
erzeugen.
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Ferner
ist es von Vorteil, wenn die Energiequelle die Wicklung in Abhängigkeit
wenigstens eines Steuersignals einer Sensorik, insbesondere einer
Umfeldsensorik, mit dem Steuerstrom versorgt, wobei ein Steuersignal
beispielsweise von einer das Umfeld, insbesondere die Fahrbahnoberfläche,
optisch und/oder akustisch detektierenden Vorrichtung erzeugt wird.
Dadurch kann die Dämpfereinheit auf die bevorstehenden
Fahrbahnverhältnisse angepasst werden.
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Ferner
ist es möglich, die Bypass-Dämpfungsmittel innerhalb
des Hydraulikzylinders anzuordnen, wodurch Bauraum eingespart wird.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
Dämpfereinrichtung mit einem Hydraulikzylinder und einem
dazu parallel angeordneten Bypass,
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2 schematisch
eine Dämpfereinrichtung mit einem Hydraulikzylinder und
einem in den Hydraulikzylinder integrierten Bypass,
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3 schematische
Dämpferkennlinien in einem Kraft-Geschwindigkeits-Diagramm,
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4 eine
schematische Dämpferkennlinie mit Zusatzkräften,
in einem Kraft-Geschwindigkeits-Diagramm.
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Eine
in 1 und in 2 dargestellte Dämpfereinrichtung 1 weist
ein Basis-Dämpfungsmittel 2 und ein Bypass-Dämpfungsmittel 3 auf.
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Die
Basis-Dämpfungsmittel 2 umfassen einen hohlförmig
ausgebildeten Hydraulikzylinder 4 mit wenigstens einem
karosserieseitigen Befestigungselement 5 und einen koaxial
umfassten Arbeitskolben 6 mit wenigstens einem Dämpfungselement 7.
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Eine
dem Befestigungselement 5 gegenüberliegende Deckfläche 8 weist
mittig eine hohlzylindrische Ausnehmung 9 auf. Der gleitbeweglich
gelagerte Arbeitskolben 6 ist mit einem hydraulischen Medium,
insbesondere einem Hydrauliköl, beaufschlagt und trennt
eine erste Arbeitskammer 10 von einer zweiten Arbeitskammer 11.
Beispielsgemäß liegt der Arbeitskolben 6 über
eine ringförmige Dichtungsanordnung 6a fluiddicht
an der Innenwand des Hydraulikzylinders 4 an. Im Arbeitskolben 6 sind
Fluidkanäle 6b vorgesehen, die die beiden Arbeitskammern 10, 11 fluidisch
verbinden können und auf jeweils einer Kolbenseite zu einer
der beiden Arbeitskammern 10 bzw. 11 hin durch
ein Dämpfungsventil 7 begrenzt bzw. abgeschlossen
sind. Die Dämpfungsventile 7 stellen die Dämpfungselemente
dar und sind hier als Plattenventile und/oder elektrisch schaltbare
Ventile ausgeführt. Zur Erzielung der Dämpfungswirkung
begrenzen die Dämpfungsventile 7 den Fluidfluss
zwischen den beiden Arbeitskammern 10, 11 durch
die Fluidkanäle 6b. Ferner trägt der
Arbeitskolben 6 eine zylinderförmige Kolbenstange 12,
die sich senkrecht zum Arbeitskolben 6 und in axialer Richtung
des Hydraulikzylinders 4 erstreckt und dabei die ringförmige
Deckfläche 8 durchsetzt.
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Gemäß 1 umfasst
die Dämpfungseinrichtung 1 einen Bypass 13,
der beispielsgemäß als drei Abschnitte X, Y, Z
aufweisende U-förmige Bypassleitung 14 unmittelbar
am oder alternativ im Hydraulikzylinder 4 angeordnet ist.
Ein mit der Arbeitskammer 10 fluidisch verbundener erster
Abschnitt X und ein mit der anderen Arbeitskammer 11 fluidisch verbundener
zweiter Abschnitt Y verlaufen quer zur axialen Richtung des Hydraulikzylinders 4 und
sind über einen Zwischenabschnitt Z fluidisch miteinander verbunden,
wobei die Abschnitte X und Y jeweils ein insbesondere elektrisch
schaltbares Ventil 7a aufweisen. Der Zwischenabschnitt
Z erstreckt sich im Wesentlichen in axialer Richtung parallel zum
Hydraulikzylinder 4. Somit verbindet die Bypassleitung 14 die beiden
Arbeitskammern 10, 11 fluidisch miteinander. In
der bevorzugten Ausführungsform ist innerhalb der Bypassleitung 14 und
insbesondere innerhalb des Zwischenabschnitts Z ein hydraulisch
beweglicher Bypasskolben 17 vorgesehen. Der Bypasskolben 17 könnte
alternativ auch in einem der Abschnitte X, Y, Z angeordnet sein.
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Neben
der in 1 dargestellten parallelen Anordnung von Hydraulikzylinder 4 und
des Zwischenabschnitts Z der Bypassleitung 14, ist eine
Anordnung des Zwischenabschnitts Z schräg zur axialen Richtung
des Hydraulikzylinders 4 ebenfalls denkbar.
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Beim
dargestellten Ausführungsbeispiel umgibt eine elektrisch
leitfähige Wicklung 15 mit mehreren Wicklungswindungen
den Zwischenabschnitt Z spiralförmig und auf dessen gesamten
Erstreckung. Die Wicklung 15 umgibt den Abschnitt – hier:
den Zwischenabschnitt Z – der Bypassleitung 14,
in dem sich der Bypasskolben 17 bewegen kann. Beim bevorzugten
Ausführungsbeispiel ist dies der in axialer Richtung verlaufende
Zwischenabschnitt Z der Bypassleitung 14. Mit anderen Worten
ausgedrückt ist eine Mittellängsachse M der Wicklung 15 parallel
zu einer Bewegungsrichtung B des innerhalb der Bypassleitung einliegenden
Bypasskolbens 17 angeordnet.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist es ebenfalls denkbar, dass die Wicklung 15 den Zwischenabschnitt
Z lediglich entlang eines oder mehrerer axialer Bereiche umgibt,
wodurch die Wicklung 15 den Bypasskolben 17 wenigstens
in einer Bewegungsposition umgibt. Mithin ist auch eine Ausführungsform
denkbar, bei der ein erster und/oder ein zweiter Abschnitt X, Y
und/oder sämtliche Abschnitte X, Y, Z zumindest teilweise
von der Wicklung 15 umgeben ist/sind und wobei die Wicklung 15 in
allen Ausführungsvarianten wenigstens eine Wicklungswindung
aufweist.
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Es
ist auch denkbar, dass mehrere Bypasskolben in der Bypassleitung 14 vorgesehen
sind, beispielsweise in jedem Abschnitt X, Y, Z jeweils ein korrespondierender,
hydraulisch beweglicher Bypasskolben 17 einliegt. Die Wicklung 15 weist
eine Phase auf und könnte alternativ auch mehrere Phasen
aufweisen. Ferner ist die Wicklung 15 über eine
Steuerelektronik 18 mit einer Energiequelle 20,
insbesondere einer Batterie oder einem Akkumulator, über
jeweils eine Zu- und Rückleitung 21 verbunden.
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Der
aus einem magnetischen Werkstoff gefertigte oder einen magnetischen
Werkstoff aufweisende und in der Bypassleitung 14 einliegende
Bypasskolben 17 trägt erfindungsgemäß an
seinen gegenüberliegenden freien Enden jeweils einen Anschlagpuffer 16,
wobei der entsprechende Anschlagpuffer 16 in einer der
beiden Bewegungspositionen des Bypasskolbens 17 an einer
Kontaktfläche 19, 19' der Innenwand der
Bypassleitung 14 anliegt. In einer alternativen Ausführungsform
wird auf die Anschlagpuffer 16 verzichtet, wobei die Kontaktflächen 19, 19' jeweils
ein Federelement, insbesondere zur Anschlagbedämpfung,
aufweisen.
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2 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine weitere erfindungsgemäße
Lösung, bei der die Bypass-Dämpfungsmittel 3 innerhalb
des Hydraulikzylinders 4 angeordnet sind. Dabei ist insbesondere
ist die Bypassleitung 14 innerhalb des Arbeitskolben angeordnet
und T-förmig ausgebildet. Im vorgeschlagenen Ausführungsbeispiel
umgibt die Wicklung 15 die Bypassleitung 14 zumindest
in einem Mittelbereich und ist dabei im Arbeitskolben angeordnet.
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Fahrbahnseitige
Anregungen führen während des Fahrbetriebs dazu,
dass die Kolbenstange 12 und der daran angeordnete Arbeitskolben 6 aus einer
Ausgangsposition beispielsweise in eine Einfederposition überführt
werden. Bei kleinen Amplituden wird zunächst eine Verschiebung
des Hydrauliköls von der zweiten Arbeitskammer 11 in
die Bypassleitung 14 verursacht. Das in die Bypassleitung 14 einströmende
Hydrauliköl bewegt dabei den in der Bypassleitung 14 einliegenden
Bypasskolben 17, aus einer ersten Bewegungsposition in
eine zweite Bewegungsposition. In Abhängigkeit von der
Amplitude des Einfedervorgangs und dem dadurch verdrängten Fluidvolumen,
kann der Bypasskolben 17 die axialen Endbereiche des Zwischenabschnitts
Z erreichen. Gelangt der Bypasskolben 17 in eine seiner
beiden Bewegungsendpositionen, in denen er ohne Bewegungsrichtungsumkehr
nicht mehr weiterbewegt werden kann, kann kein Hydrauliköl
aus der betreffenden Arbeitskammer – bzw. der Arbeitskammer 11 – in
die Bypassleitung 14 verdrängt werden. Das Hydrauliköl strömt
dann durch einen der Fluidkanäle 6a in die andere
Arbeitskammer, wobei die Dämpfungswirkung durch das Dämpfungsventil 7 erreicht
wird.
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Beim
Ausfedern des Kraftfahrzeugrades erfolgt wiederum eine Rückverschiebung
des zuvor verdrängten Fluidvolumens, wobei der Bypasskolben 17 in
Richtung der vorherigen Ausgangslage bewegt wird.
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Beim
Ausfedern des Rades strömt das Hydrauliköl gegensinnig
zu der bereits beschriebenen Strömungsrichtung, wobei sich
der Bypasskoben 17 entgegen der Bewegungsrichtung B bewegt.
Mithin erfährt der Bypasskolben 17 seinen maximalen
Bewegungsausschlag an der korrespondierenden Kontaktfläche 19'.
Das Arbeitsprinzip der Dämpfungseinrichtung 1 ist
beim Ein- und Ausfedern gleich.
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Durch
die Bewegung des magnetischen Bypasskolbens 17 innerhalb
der Bypassleitung 14 und somit innerhalb der elektrisch
leitfähigen Wicklung 15, die beispielsgemäß durch
eine Spule gebildet ist, wird eine elektrische Spannung induziert
und mithin eine Induktionsenergie erzeugt. Diese Induktionsenergie
wird erfindungsgemäß über eine Steuerelektronik 18 einer
Energiequelle 20 zugeführt. Diese Arbeitsweise
kann als passiver Betrieb der Dämpfungseinrichtung 1 bezeichnet
werden.
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Es
ist ebenfalls denkbar den Bypasskolben 17 bzw. die Wicklung 15 derart
anzuordnen, dass dieser sich außerhalb der Wicklung 15,
aber weiterhin innerhalb des von der Spule gebildeten Magnetfeldes bewegt.
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In 3 ist
schematisch eine progressive Dämpferkennlinie L eines Stoßdämpfers
dargestellt, wobei die Quadranten I und II die Zugkraft und die Quadranten
III und IV die Druckkraft des Dämpfers abbilden. Der exponentielle
Anstieg der Kennlinie im Bereich der Kraftachse (Y-Achse) wirkt
sich nachteilig auf den Federungskomfort aus, wobei insbesondere
so genannte Losbrechkräfte von den Fahrzeuginsassen wahrgenommen
werden können. In einer erfindungsgemäßen
Ausführungsform ist es denkbar eine lineare Dämpferkennlinie
K bei Federgeschwindigkeiten ≤ 0,1 m/s bereitzustellen,
wodurch eine hochdynamische Kompensation der Dämpferreibung
ermöglicht ist.
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Ferner
ist im aktiven Betrieb der Dämpfungseinrichtung 1 eine
Beeinflussung der Position und/oder der Bewegung des Bypasskolbens 17 möglich.
Im aktiven Betrieb wird über die Steuerelektronik 18 eine
Spulenspannung an die Wicklung 15 angelegt, wodurch der
Bypasskolben 17 verzögert bzw. in seiner Bewegungsposition
gehalten wird. Beispielsgemäß sind die Dämpfungsventile 7, 7a kontinuierlich
verstellbar oder schaltbar. Mithin erhält man durch den
aktiven Betrieb der Dämpfungseinrichtung 1 zumindest
teilweise die Möglichkeit den Härtegrad der Dämpfung,
insbesondere der Dämpfungskennlinie, einzustellen, um so
z. B. von einem Fahrwerksmodus „Komfort" zu „Sport"
oder umgekehrt zu wechseln.
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Weiterhin
werden im aktiven Betrieb der Dämpfereinrichtung 1 Zusatzkräfte
erzeugt, die anhand 4 näher erläutert
werden.
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Die
beispielsweise in 4 dargestellte Dämpfung
ist aus Anteilen einer Arbeitskolbenkraft R und einer Bypasskolbenkraft
U gebildet, wobei die Arbeitskolbenkraft R durch die Basis-Dämpfungsmittel 2 und
die Bypasskolbenkraft U durch die Bypass-Dämpfungsmittel
erzeugt werden. Dabei kann die Bypasskolbenkraft U als Zug- oder
Druckkraft entweder die Arbeitskolbenkraft R erhöhen oder
verringern. Die Bypasskolbenkraft U kann somit die Bewegung des
Arbeitskolbens 6 unterstützen oder hemmen. Die
Richtung und der Betrag der Bypasskolbenkraft U hängen
von Richtung und Betrag der an die Wicklung 15 angelegten
Spannung ab.
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Bei
einer Verschiebung des Bypasskolbens 17 in die Bewegungsrichtung
B bzw. eine Verschiebung des Arbeitskolben 6 entgegen der
Bewegungsrichtung B addieren sich die Kräfte R, U während
sich die Arbeitskolbenkraft R um die Bypasskolbenkraft U verringert,
wenn sich Arbeitskolben 6 und Bypasskolben 17 in
dieselbe Richtung bewegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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