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Die Erfindung betrifft ein Federdämpfersystem, insbesondere ein Federdämpfersystem mit einer Schraubenfeder, das in Maschinen und Vorrichtungen, insbesondere in hydraulischen Maschinen und Vorrichtungen, Anwendung findet. Die Erfindung erstreckt sich auch auf alle weiteren bekannten Federtypen, wie Spiralfedern, Biegefedern, Torsionsfedern, Blattfedern etc, um nur einige der Vielzahl von bekannten und erfindungsgemäß verwendbaren Federarten zu nennen. Ferner umfasst die Erfindung auch Feder-Dämpfer-Systeme, in denen eine Kombination mehrerer Federn und/oder Federarten zur Anwendung kommt.
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Es ist bekannt, dass dynamisch arbeitende Federn bei bestimmten Verhältnissen Eigenschwingungen oder Resonanzschwingungen ausführen. Hierbei werden in der Technik vielfach Dämpfungselemente seriell oder parallel zu den Federn geschaltet, damit zum einen Eigenschwingungen bzw. Resonanzschwingungen und zum anderen ein Nachschwingen bzw. Nachfedern möglichst vermieden, reduziert bzw. gedämpft wird.
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Eines der berühmtesten Beispiele eines solchen Feder-Dämpfer-Systems ist das sog. McPherson-Federbein, welches vielfältig im Automobilbau eingesetzt wird, und bei dem innerhalb einer Schraubenfeder – im Wesentlichen konzentrisch – ein meist hydraulischer, ventilgesteuerter Stoßdämpfer angeordnet ist. Wird das Federbein beispielsweise zusammengedrückt, so wird gleichzeitig die Schraubenfeder als auch der Stoßdämpfer zusammengedrückt. Nach Entlastung versucht die Schraubenfeder wieder in ihre Ausgangsposition zurückzukehren, dabei muss sie aber den Widerstand des Stoßdämpfers überwinden. Es kommt zu einer verlangsamten (gedämpften) Streckbewegung des Federbeins, wobei der Stoßdämpfer ein Nachwippen der Schraubenfeder weitestgehend verhindert. Nachteilig hierbei ist allerdings das durch den Stoßdämpfer verursachte verlangsamte Ansprechverhalten der Feder auf Belastungswechsel, welches speziell beim Abfedern von Stößen den Fahrkomfort des Automobils negativ beeinflusst. Die ebenfalls aufwändige Bauart des zumeist ventilgesteuerten Dämpfers bei solchen Federbeinen ist für viele Anwendungen nicht nur platzraubend, sondern auch teuer wegen des großen Herstellungsaufwands.
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Bei Blattfedern dagegen wird die erforderliche Dämpfung durch Reibung der aneinanderliegenden Federblätter bei deren Durchbiegung erreicht, wobei hier die Dämpfung mit der Durchbiegung variiert, also über den Verlauf der Federverformung nicht konstant ist. Gleiches gilt für Torsionsfedern und Biegefedern, bei denen die Dämpfung über innere Reibung erreicht wird, wobei sich die Feder mit zunehmender Verformung stärker erwärmt. Die dadurch erreichbare Dämpfung ist relativ schwach ausgebildet und wird oftmals durch weitere Hilfsmittel ergänzt, wie z. B. durch den Einsatz von Elastomeren.
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Aus der Gebrauchsmusteranmeldung
DE 1 882 771 U ist ein Dämpfungsfedersatz, insbesondere für Verbrennungsmotoren, bekannt, der aus zwei ineinander angeordneten zylindrischen Schraubenfedern besteht. Dabei berühren sich die beiden ineinander schraubenartig angeordneten Federn, sodass bei einer Auslenkung dieser Anordnung in Richtung der Federachsen Reibung zwischen beiden Federn entsteht und so die Bewegung gedämpft wird. Wie leicht vorstellbar ist, wird durch die Reibung nicht nur Wärme erzeugt – womit die Dämpfung dieses Systems erreicht wird – sondern über die Reibung werden die Kräfte, wenn auch nur teilweise, von einer Feder auf die andere Feder übertragen, wodurch schlussendlich eine Ersatz-Feder-Kennlinie durch die Parallelschaltung zweier Federn geschaffen wird. Dies führt letztendlich auch dazu, dass eine wirksame Vermeidung eines Nachwippens oder einer Resonanzfrequenz nur bedingt möglich ist.
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In
US 2,183,100 wird vorgeschlagen, ein Dämpfungselement in Form einer Helix schraubenartig gegenläufig in eine Schraubenfeder einzusetzen, um damit die freie Beweglichkeit der Feder einzuschränken und Eigenfrequenzen zu vermeiden. Das Dämpfungselement besteht dabei aus einem elastischen Stahl, welcher konkav-konvex ausgebildet ist, womit sich das in die Schraubenfeder gegenläufig einzusetzende Dämpfungselement zwischen die Windungen der Schraubenfeder einfügt und somit den Querbewegungen der Schraubenfeder bei Verformung der Schraubenfeder entgegenwirkt. Auch hier wird letztendlich nur erreicht, dass die Federstärke der Schraubenfeder durch das Dämpfungselement derart verändert wird, so dass die Kombination aus den beiden Teilen eigentlich eine Ersatzfeder mit einer eigenen Eigenfrequenz bzw. Resonanzfrequenz darstellt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Federdämpfungssystem bereitzustellen, bei dem die Federkennwerte durch das Dämpfungselement im Wesentlichen nicht verändert werden und doch eine effektive Dämpfung der Schraubenfederverformungsbewegung bereitgestellt wird. Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Dämpfung der Schraubenfederbewegung so auszuführen, dass das Ansprechverhalten der Schraubenfeder nicht beeinträchtigt wird.
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Die Aufgabe wird durch ein Feder-Dämpfer-System gemäß Anspruch 1 gelöst, wobei die Unteransprüche 2 bis 13 auf bevorzugte Ausführungsformen gerichtet sind.
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Das erfindungsgemäße Feder-Dämpfer-System umfasst neben einer Feder ein Dämpfungselement, das an einer Verbindungsstelle mit der Feder verbunden ist und sich bei Verformung der Feder mit der Feder mitbewegt. An dem Dämpfungselement sind Strömungswiderstandserhöhende Schikanen angeordnet, die ein Fluid, das das Feder-Dämpfer-System umgibt, in Bewegung versetzen, wenn die Feder ausgelenkt bzw. verformt wird.
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Die Art der elastischen Verformungen, die die unterschiedlichen Federn erfahren, sind dabei einerseits bauartbedingt und anderseits anwendungsbedingt. So werden Zug-Druck-Schraubenfedern in vielen Fällen im Wesentlichen in Achsrichtung verformt. Auch eine Biegung um die Schraubenfederachse ist durchaus eine übliche Belastungsart für Schraubenfedern, beispielsweise bei Einsatz als Biegefeder, bei der die Kraft senkrecht zur Schraubenfederachse eingeleitet wird. Spiralfedern dagegen weisen normalerweise eine radiale Vorspannung auf, obwohl hier ebenfalls eine Kraft – wenn auch wesentlich geringer – in Achsrichtung der Spiralfeder aufbringbar ist, welche die Spiralfeder in eine Kegelfeder verformen. Bei Torsinns- und Biegefedern ist oftmals eine Überlagerung der Belastungsarten festzustellen, sodass hier für die Tordierung der Torsionsfeder eine in Umfangsrichtung angreifende Kraft vorliegt.
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Auch wenn das erfindungsgemäße Feder-Dämpfer-System nicht auf eine Federart beschränkt ist, und die zur Verfügung stehenden Federarten sehr vielfältig sind, soll im Weiteren anhand einer Schraubenfeder, die auf Zug/Druck belastet wird, die Erfindung im Einzelnen beispielhaft beschrieben werden. Die Ausführungen sind analog auf Feder-Dämpfer-Systeme übertragbar, die einen von einer Schraubenfeder abweichenden Federtyp aufweisen. Dabei ist die jeweilige Verformungsrichtung der Feder entsprechend zu berücksichtigen.
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Ein Feder-Dämpfer-System weist also beispielsweise eine Schraubenfeder auf, in die ein Dämpfungselement, insbesondere in Form einer Helix, einsetzbar ist. Das Dämpfungselement ist bevorzugt, so mit den Windungen der Schraubenfeder verbunden, dass bei einer Veränderung der Ganghöhe/Steigung der Federwindungen das Dämpfungselement entsprechend verformt wird. Die an dem Dämpfungselement angeordneten strömungswiderstandserhöhenden Schikanen, welche bevorzugt flächig (senkrecht) gegen die Verformungsrichtung stehen, werden dadurch bewegt und versetzen ihrerseits das das Feder-Dämpfer-System umgebende Fluid in Bewegung.
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Das Dämpfungselement ist geeigneterweise so gestaltet, dass es sich mit den Windungen der Feder verformt und so die strömungswiderstandserhöhenden Schikanen, die auch als Vorsprünge oder Lamellen bezeichnet werden, mitbewegt werden. Im Falle einer Schraubenfeder im erfindungsgemäßen Feder-Dämpfer-System werden die Schikanen also in Schraubenfederachse bewegt, wenn die Schraubenfeder eine Zug- oder Druck-Belastung erfährt. Im Falle einer Spiral-Feder, welche eine radiale Belastung erfährt, werden die Schikanen über die Verbindungsstelle des Dämpfungselements mit der Feder radial in Bewegung versetzt. Analoges gilt für torsions- und biegebelastete Federn, wobei die Vorsprünge/Lamellen/Schikanen immer so ausgerichtet sind, dass durch ihre Bewegung das das Feder-Dämpfer-System umgebende Fluid in Bewegung versetzt wird.
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Bevorzugt sind die Schikanen flächig gegen die Bewegungsrichtung ausgerichtet und weisen bevorzugt einen hohen Strömungswiderstand gegen ihre Bewegung in dem umgebenden Fluid auf. Weiter bevorzugt stehen die strömungswiderstandserhöhenden Flächen der Schikanen flächig senkrecht zu der jeweiligen Bewegungsrichtung, obwohl davon abweichende Gestaltungen zu fachüblichen Variationen gehören.
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Bei Feder-Dämpfer-Systemen mit Schraubenfedern können die am Dämpfungselement angeordneten vorspringenden Schikanen sowohl innerhalb als auch ausserhalb des Schraubenfedervolumens angeordnet sein, wobei innenliegende Vorsprünge normalerweise eine bauraumoptimiertere Ausgestaltung darstellen als außenliegende. Jedoch ist der innerhalb der Schraubenfeder zur Verfügung stehende Bauraum begrenzt, wodurch auch die Größe der Vorsprünge begrenzt ist. Außen angebrachte Vorsprünge erhöhen dagegen den Platzbedarf eines erfindungsgemäßen Feder-Dämpfer-Systems, so dass Einsatzbedingt eine optimale Bauform des Feder-Dämpfer-Systems bestimmt werden muss.
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Die Schikanen können dabei als Einzelflächen beabstandet nebeneinander an dem Dämpfungselement angeordnet sein, und so eine Art Lamellen-Kamm darstellen der bspw. der Schraubenlinienform einer Schraubenfeder folgt. Bevorzugt ist das Dämpfungselement so ausgeführt, dass die Anbindungsstelle der Lamellen an dem Dämpfungselement und die Verbindungsstelle des Dämpfungselements mit der Feder integral miteinander ausgeformt sind, also das Dämpfungselement beispielsweise eine Helix darstellt, die an die Windungen der Schraubenfeder angebracht werden kann und somit entlang der Windungen der Schraubenfeder verläuft. Bei anderen Federtypen, wie beispielsweise bei Spiralfedern hat das Dämpfungselement mit den daran ausgebildeten Schikanen entsprechend im Allgemeinen eine Spiralform.
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Bei einer im Wesentlichen langgestreckten Ausbildung des Dämpfungselements sind die strömungswiderstandserhöhenden Vorsprünge weiter bevorzugt durchgängig bzw. mit nur wenigen Zwischenräumen ausgeführt, also nicht als kammartige Zacken, sondern als im Wesentlichen durchgehende Flächen, welche schraubenlinienartig – bei Verwendung von Schraubenfedern – oder auch spiralartig – bei Verwendung von Spiralfedern – dem Verlauf der Feder in dem Feder-Dämpfer-System folgen. Dabei sind die Flächen so an der Feder anzuordnen, dass die durch die einzelnen Vorsprünge bzw. durch die durchgängige Fläche ausgebildeten Strömungswiderstände senkrecht gegen eine potentielle Verformungsrichtung der eingesetzten Feder stehen.
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Bei beispielsweise radial nach innen vorstehenden Vorsprüngen an Dämpfungselementen in Schraubenfedern werden diese bevorzugt in etwa senkrecht zur Schraubenfederachse angeordnet, womit bei Druck auf die Schraubenfeder, d. h. bei Verkürzung der Schraubenfeder, die Vorsprünge aufeinander zu bewegt werden, wodurch das Volumen innerhalb der Schraubenfeder, also auch zwischen den vorstehenden Flächen, verkleinert wird. Durch das Aufeinanderzubewegen der Windungen der Schraubenfeder in axialer Richtung, werden auch die Vorsprünge des Dämpfungselements axial aufeinander zu bewegt und verdrängen das zwischen den Vorsprüngen befindliche Fluid. Durch diese Verdrängung wird über die strömungswiderstandserhöhenden Vorsprünge Arbeit an dem Fluid verrichtet, was zur Dämpfung der Federbewegung führt. Ein Teil dieser Arbeit wird dabei in Form von Wärme umgesetzt, welche der Bewegungsenergie entzogen wird, womit die Federbewegung oder ein Impuls zusätzlich gedämpft wird.
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Im umgekehrten Fall – also wenn die Schraubenfeder als Zugfeder wirkt und auseinander gezogen wird – vergrößert sich das Volumen innerhalb der Hüllkurve der Schraubenfeder, wodurch zwischen den Windungen Flüssigkeit eintreten muss, wodurch auch hier Arbeit an dem umgebenden Fluid verrichtet wird, welcher der potentiellen Federenergie entnommen wird, und so für die Bewegung nicht mehr zur Verfügung steht. Auch wird hier über den Effekt der Reibung zwischen Fluid und Dämpfungselement sowie zwischen Fluid und Feder Bewegungsenergie in Wärme umgesetzt und so die Bewegung weiter gedämpft.
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Daher ist leicht ersichtlich, dass Schwingungen durch das erfindungsgemäße System effektiv gedämpft werden, da bei einem wechselweisen Auseinanderziehen und Zusammendrücken Fluid, welches das Feder-Dämpfungs-System umgibt bzw. in diesem angeordnet ist, aus dem System „herausgepumpt” oder „hineingezogen” werden muss. Die Bewegungsenergie der Feder muss gegen den Strömungswiderstand der Vorsprünge gegenüber der Flüssigkeit arbeiten, wodurch Bewegungsenergie bzw. die potentielle Energie der Feder abgebaut wird.
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Das in dem erfindungsgemäßen Feder-Dämpfungs-System verwendete Dämpfungselement hat bevorzugt keine oder nur eine kleine inhärente Federkonstante, d. h. das Dämpfungselement wirkt selbst nur sehr schwach als Feder bzw. ist im Rahmen der Bewegungsbereiche der Schraubenfeder nahezu kraftlos verformbar. Dadurch kommt es zu praktisch keiner Beeinträchtigung der Federkonstante und die Federparameter sind für den vorgesehenen Einsatz der Feder in einer Vorrichtung exakter bestimmbar.
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Das beispielsweise in Schraubenfedern eingesetzte Dämpfungselement ist so ausgebildet, dass die Vorsprünge, welche von den Windungen des Dämpfungselements in Richtung Schraubenfederachse vorspringen, im Wesentlichen senkrecht zur Schraubenfederachse stehen und so bei Verformung der Schraubenfeder flächig gegen die Bewegungsrichtung stehen und so das Fluid aus dem Schraubenfeder-Hüllvolumen verdrängen oder in dieses hineinsaugen können.
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In einer anderen Ausführungsform, wenn eine verstärkte Dämpfung entweder in Druckrichtung oder in Zugrichtung ausgebildet werden soll, können die Vorsprünge des Dämpfungselementes entsprechend gegenüber der Schraubenfederachse schräg angestellt sein. Da hierbei dann der Strömungswiderstand der Vorsprünge in einer Richtung stärker ist als in der anderen Richtung, wird auch der Grad der Dämpfung innerhalb des Feder-Dämpfungs-Systems je nach Anstellrichtung und Anstellwinkel der Vorsprünge unterschiedlich sein.
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Zur weiteren Vereinfachung der Darstellung des erfindungsgemäßen Feder-Dämpfungssystems wird von Vorsprüngen gesprochen, die radial einwärts zur Schraubenfederachse hin an den Windungen des Dämpfungselements ausgebildet sind, wobei wie oben bereits ausgeführt die Vorsprünge auch radial auswärts ausgerichtet sein können, bzw. bei Spiralfedern auch in Federachse.
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Normalerweise wird die Feder bevorzugt aus Stahl angefertigt sein, wobei auch Federn aus Kunststoffmaterial denkbar sind. Das Dämpfungselement wird man bevorzugt aus Kunststoff herstellen. Dabei ist aber ein Dämpfungselement, welches bspw. aus Metall mit einem niedrigen Elastizitätsmodul hergestellt ist, ebenfalls zur Verwendung geeignet. Wie oben bereits ausgeführt, soll das Dämpfungselement beim Zusammendrücken oder Auseinanderziehen der Helix der Bewegung möglichst wenig Verformungswiderstand entgegensetzen, wodurch auch denkbar ist, dass das Dämpfungselements bei Verformung der Feder plastisch verformbar ist. Es ist also nicht notwendig, dass das Material des Dämpfungselementes selbst elastisch ist, solange die Vorsprünge, die an dem Dämpfungselement ausgebildet sind, flächig gegen die Bewegungsrichtung der Verformung der Schraubenfeder ausgerichtet bleiben. Die Ausrichtung der Vorsprünge ist bevorzugt in etwa senkrecht zur Schraubenfederachse, damit der Strömungswiderstand in beide Richtungen gleich ist. Zur Verringerung des Strömungswiderstandes in einer Richtung können, wie oben bereits angedeutet, die Vorsprünge bzgl. der Schraubenfederachse angestellt werden oder auch in Zug- oder Druck-Richtung der Schraubenfeder flexibel ausgestaltet werden. Bei der flexiblen Ausgestaltung etwa in der Form einer Dichtlippe können die Vorsprünge dabei in eine Verformungsrichtung der Schraubenfedern nachgeben und sind gegen die andere Verformungsrichtung gehemmt.
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Eine weitere Herabsetzung des Strömungswiderstands kann bspw. durch eine flüssigkeitsdurchlässige Ausgestaltung der Vorsprünge erreicht werden. Hierbei kann die Flüssigkeit nicht nur um die Vorsprünge herumströmen, sondern auch durch die Vorsprünge hindurchströmen, wodurch die Dämpfung verringert wird. Das heißt weiter, dass durch die Einstellung der Flüssigkeitsdurchlässigkeit der Vorsprünge auch die Dämpfung des Feder-Dämpfungs-Systems eingestellt werden kann.
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Eine weitere Möglichkeit der Beeinflussung der Dämpfung des Systems kann dadurch erreicht werden, dass die radiale Länge der Vorsprünge unterschiedlich gestaltet wird. So ist die maximale Dämpfung in diesem Falle dann erreicht, wenn die Vorsprünge des Dämpfungselements bis zur Schraubenfederachse reichen und somit in Längsrichtung der Schraubenfeder keine Strömung stattfinden kann. In diesem Falle muss die Flüssigkeit quer zur Schraubenfederachse in oder der aus der Schraubenfeder hinein- oder herausströmen. Reichen die Vorsprünge des Dämpfungselements nicht bis zur Schraubenfederachse, so kann entlang der Schraubenfederachse die Flüssigkeit axial strömen, womit – im Vergleich zum oben genannten Fall – der Strömungswiderstand herabgesetzt wird, und somit die Dämpfung des Systems kleiner ist. Zusammengefasst heißt dies, dass über die Länge der Vorsprünge der Dämpfungselemente unterschiedliche Dämpfungsgrade eingestellt werden können.
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Der Dämpfungsgrad lässt sich aber auch durch die Anzahl der mit dem Dämpfungselement versehenen Windungen der Schraubenfeder einstellen. Hierbei gilt, dass je mehr Windungen der Schraubenfeder das Dämpfungselement aufweisen, umso stärker ist die Dämpfung der Bewegung.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel können an den Enden der Vorsprünge weitere Vorsprünge, welche bevorzugt in Schraubenfederachse ausgerichtet sind, angebracht werden, womit innerhalb des Feder-Dämpfungs-Systems eine zur Schraubenfeder konzentrische Führung oder eine Durchgangsbohrung bzw. ein Kanal ausgebildet wird. Durch diesen Kanal kann zum Einen ein weiteres Bauelement bspw. ein Bolzen einer hydraulischen Maschine, geführt werden. Auch ein Befestigungselement des Feder-Dämpfungs-Systems kann durch die zentrale Öffnung geführt werden.
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Für alle Ausführungsformen ist das Dämpfungselement gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt derart ausgestaltet, dass es direkt an in die Feder anbringbar, bspw. schraubbar ist. Damit kann auch sicher gestellt werden, dass das Dämpfungselement sicher von der Feder aufgenommen wird und, bei Verformung der Feder, ebenfalls verformt wird. Ferner stellt eine solche bspw. schraubenförmige Aufnahme sicher, dass das Dämpfungselement gleichmäßig über die Länge der Feder verteilt ist. Gleichzeitig muss gewährleistet sein, dass sich das Dämpfungselement mit der Federverformung bewegt und damit auch die Vorsprünge gegen das umgebene Fluid.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des Dämpfungselements weichen je nach Einsatzgebiet des Feder-Dämpfungs-Systems ab. Realisierbar ist bspw. eine Wandstärkenverjüngung der Vorsprünge mit Abstand von der Anbindungsstelle, womit eine Steifigkeitsabnahme der Vorsprünge in radialer Richtung bei verwendeten Schraubenfedern hin zur Schraubenfederachse entsteht. Auch hierüber lässt sich die Dämpfungseigenschaft des Dämpfungselements und somit des Feder-Dämpfungs-Systems einstellen.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung könnte darin bestehen, dass die Vorsprünge konkav und/oder konvex ausgebildet sind, wobei auch hier je nach Ausgestaltung der Kurven- bzw. Wellenform der Vorsprünge die Dämpfung in der einen Richtung gegenüber der anderen Richtung, bspw. bei Schraubenfedern in Zugrichtung oder in Druckrichtung, begünstigt wird.
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Federn werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt, wobei in den allermeisten Fällen eine Dämpfung vorzusehen ist, die durch das erfindungsgemäße Dämpfungssystem ausgeführt werden kann. Hierbei sind die Feder-Dämpfungs-Systeme – wenn sie sich nicht in einem Vakuum befinden – von einem Fluid umgeben, das durch die an dem Dämpfungselement gemäß der Erfindung ausgebildeten Stege (Vorsprünge) bei Verformung der Feder axial bewegt wird. Handelt es sich bei dem Fluid um ein Gas, z. B. Luft, so wird die Dämpfungseigenschaft des erfindungsgemäßen Systems bei gleicher Feder und gleichen Vorsprüngen geringer sein, als wenn das Fluid beispielsweise eine hydraulische Flüssigkeit ist. Dies liegt an den unterschiedlichen Dichten der Fluide. Womit sich sagen lässt, dass die Dämpfung des erfindungsgemäßen Systems bei gleichen konstruktiven Parametern umso stärker ist, je dichter das umgebende Fluid. Diese für den Fachmann selbstverständliche Erkenntnis ist bei der Auslegung des Federdämpfungssystems jedoch zu berücksichtigen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Feder-Dämpfungssystem wird also ein System bereit gestellt, welches schnell und präzise auf die geforderte Bewegungsrichtung reagiert. Dadurch lässt sich die Feder nicht nur präziser auslegen und spricht schneller an, sie ist auch nicht durch das angebrachte Dämpfungselement beeinträchtigt bzw. beeinflusst. Des Weiteren wird eine effektive Dämpfung innerhalb der Feder/Dämpfungsanordnung bereitgestellt, welche durch unterschiedliche Ausgestaltung des Dämpfungselements in seiner Dämpfung einstellbar ist und jederzeit zuverlässig und effektiv arbeitet. Durch die Verdrängung bzw. Hineinförderung von Fluid ist die mechanische Belastung auf das elastische Dämpfungselement relativ gering, wodurch Ausfälle des Dämpfungselements vermieden werden und gleichzeitig, wie oben bereits angesprochen, die Federkräfte der Feder praktisch nicht beeinflusst werden. Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Systems ergibt sich dadurch, dass das Dämpfungselement einfach und ohne großen konstruktiven Aufwand hergestellt und weiter ohne großen operativen Aufwand an die Feder angebracht werden kann.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Feder-Dämpungssystem besteht darin, dass die Dämpfung der Feder durch die Verdrängung des Fluids geschwindigkeitsabhängig ist und so besonders harte Schläge auf ein Bauteil durch die Dämpfung des Feder-Dämpfer-Systems aufgefangen werden können, ohne dass es bspw. zu einem Durchschlagen der Feder kommt, mit etwaigen Bauteilschäden. Langsam aufgebrachte Lasten können jedoch weich und aufgenommen werden, wobei die Entspannung der Feder von der eingestellten Dämpfung abhängt, wie z. B. Dicht des Fluids, Größe der strömungswiderstandserhöhenden Flächen der Schikanen, Form und Gestalt der Schikanen, Porosität des verwendeten Materials für die Schikanen und dergleichen für den Fachmann übliche Variationen hinsichtlich der Paarung Fluid und strömungswiderstandserhöhende Schikanen.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass das Dämpfungselement aus unterschiedlichen Materialien oder Materialkombinationen hergestellt werden kann und nicht auf bestimmte Materialien beschränkt ist, solange die Grundidee der Erfindung, dass ein Flüssigkeitstransport durch die Vorsprünge bewerkstelligt wird, wenn die Feder verformt wird.
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Zur Veranschaulichung wird das erfindungsgemäße System nun anhand von Zeichnungen und eines bevorzugten Ausführungsbeispiels am Bespiel eines Schraubenfeder-Dämpfungssystems näher erläutert und ein Ausführungsbeispiel mit Spiralfeder anhand von 4 aufgezeigt.
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1 Schraubenfeder ohne Dämpfungselement
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2 Dämpfungselement für eine Schraubenfeder
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3 Perspektivische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Schraubenfeder-Dämpfungs-Systems.
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4 Perspektivische Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen Schraubenfeder-Dämpfungssystems
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5 Perspektivische Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen Spiralfeder-Dämpfungssystems
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1 zeigt eine Schraubenfeder 1 ohne Dämpfungselement 3, welche bei einer Auslenkung Eigenfrequenzen und starkes Nachschwingen zeigt. Zur Vermeidung dieser Eigenfrequenzen wird ein Dämpfungselement 3 eingesetzt, welches beispielhaft in 2 dargestellt ist. Das erfindungsgemäß ausgestaltete Dämpfungselement 3 weist hierbei Schikanen bzw. Vorsprünge 7 auf, die im Wesentlichen senkrecht zur Schraubenfederachse 5 angeordnet sind (vgl. 3). Die Vorsprünge 7 sind also im Wesentlichen radial nach innen senkrecht zur axialen Bewegungsrichtung 6 einer Verformung der Schraubenfeder 1 in Schraubenfederachse 5 ausgerichtet. Ein zwischen den Vorsprüngen 7 der Windungen 4 des Dämpfungselements 3 bzw. den Windungen 2 der Schraubenfeder 1 angeordnetes Fluid wird bei Verformung der Schraubenfeder 1 in Richtung der Längsachse 5 oder auch bei Biegung der Schraubenfeder 1 durch die Vorsprüngen 7 verdrängt. Durch die Verformung der Schraubenfeder 1 werden die Vorsprünge 7 entsprechend der Bewegungsrichtung bzw. Verformungsrichtung ausgelenkt, was eine Verdrängung des Fluids 9 bei Druckbeanspruchung der Schraubenfeder zur Folge hat. Wird die Schraubenfeder auseinandergezogen, so vergrößert sich der Abstand zwischen den Vorsprüngen 7 des elastischen Dämpfungselements 3 und das Fluid 9 muss von außen einströmen. Durch die verrichtete Arbeit wird auf Grund des Strömungswiderstandes, den die Vorsprungsflächen dem Fluid 9 entgegensetzen, Bewegungsenergie in Strömungsarbeit und Wärme umgesetzt und somit die Bewegung gedämpft.
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Die erfindungsgemäße Dämpfung der Schraubenfederbewegung 6 beruht also auf einem Druck-/Saugeffekt, ausgelöst durch die Verschiebung der Vorsprünge (Lamellen bzw. Stege), sowie aus dem durch die Flächen der Schikanen gegen die Bewegung erzeugten Strömungswiderstand gegenüber dem Fluid.
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Durch konstruktiv geeignete Ausgestaltung der Vorsprünge 7, wie z. B. Verjüngung des Querschnitts oder eine konvex/konkave Ausbildung oder durch Abstimmung der Längen kann die Dämpfungseigenschaft des Dämpfungselementes 3 eingestellt werden. Dabei hat das Dämpfungselement 3 gegen die Deformierung der Helix praktisch keinen oder nur einen sehr geringen Widerstand.
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In 3 ist dargestellt, wie das erfindungsgemäße Dämpfungselement innerhalb einer Schraubenfeder angeordnet sein kann, wobei hier eine Anordnung gewählt wurde, bei der das Dämpfungselement an den Windungen der Schraubenfeder angeordnet ist. Für den Fachmann ist hierbei leicht ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Dämpfungselement 3 auch zwischen den Windungen 2 der Schraubenfeder 1 angeordnet sein kann, solange ein Flüssigkeitsaustausch zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Feder-Dämpfungs-Systems gemäß der Erfindung erfolgt, d. h. wenn die Schikanen 7 durch die Windungen 4 des Dämpfungselements 3 über die Windungen 2 der Schraubenfeder 1 bewegt werden und so eine Fluidströmung ausgelöst wird.
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Das in 3 dargestellte Dämpfungselement 3 weist Vorsprünge 7 auf, die nicht bis zur Achse 5 der Schraubenfeder 1 reichen. Somit verbleibt im Inneren des Systems ein freier Durchgang (Di) durch das Federdämpfungssystem, welcher bspw. der Aufnahme eines weiteren Elements dient. Weiterhin ist leicht vorstellbar, dass an den Enden der in 3 gezeigten Vorsprüngen 7 weitere parallel zur Schraubenachse 5 ausgerichtete (nicht gezeigt) Vorsprünge angeordnet sind, damit solche weiteren Elemente, wie z. B. Befestigungselemente oder weitere Dämpfungselemente durch diese axialen Vorsprünge besser geführt werden können. 4 zeigt eine perspektivische Teilschnittansicht eines derartigen erfindungsgemäßen Schraubenfeder-Dämpfungssystems.
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5 zeigt eine ebene Spiralfeder 1 aus einem bspw. runden Federdraht. An dem runden Federdraht, der spiralförmig aufgewickelt ist, ist ein Dämpfungselement 3 angebracht, welches den Federdraht – wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt – zumindest teilweise umschließt. An dem Dämpfungselement 3 wiederum sind flächige Vorsätze 7 als strömungswiderstandserhöhenden Schikanen 7 angebracht, die über eine Verbindungsstelle 8 mit dem Dämpfungselement 3 verbunden sind. Somit verläuft das Dämpfungselement 3 und damit auch die Schikanen 7 entlang der Federdrahtlängsausdehnung und sind im Wesentlichen parallel zur Achse 5 der Spiralfeder 1 ausgerichtet. Wird die Spiralfeder 1 aufgrund einer Belastung verformt, so wird sie sich, je nach Belastungsart, entweder zusammenziehen oder aufweiten. In beiden Fällen findet eine radiale Bewegung 6 des Federdrahtes statt, der über die Anbindung des Dämpfungselements 3 die strömungswiderstandserhöhenden Schikanen mitbewegt. Dadurch muss das zwischen den Windungen und die Spirale umgebende Fluid so verdrängt werden, dass die Spiralfeder 1 die der Belastung entsprechende Bewegung 6 ausführen kann. Dabei dämpft die Verdrängung des Fluid die Federbewegung. Bei Entlastung der Spiralfeder erfolgen die Abläufe des Systems entsprechend.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Feder (Schraubenfeder, Spiralfeder)
- 2
- Windung der Feder
- 3
- Dämpfungselement
- 4
- Windung Dämpfungselement
- 5
- Federachse
- 6
- Bewegungsrichtung (axial, radial)
- 7
- strömungswiderstandserhöhende Schikanen (Lamellen bzw. Vorsprünge)
- 8
- Verbindungsstelle
- 9
- Fluid
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1882771 U [0005]
- US 2183100 [0006]
