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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Stoßdämpfer, der vorzugsweise als Industriestoßdämpfer einsetzbar ist, und eine Maschine mit diesem Stoßdämpfer, wobei der Stoßdämpfer zum Abbremsen einer bewegten Masse eine Arbeitskammer, einen in der Arbeitskammer entlang eines Weges verschiebbar angeordneten Kolben und zumindest eine Drosselöffnung aufweist und der Kolben mit der bewegten Masse in Wechselwirkung bringbar und mittels des Kolbens auf ein in der Arbeitskammer befindliches Fluid ein Druckungleichgewicht aufbringbar und durch das Druckungleichgewicht das Fluid durch die Drosselöffnung zu strömen gezwungen ist und die Drosselöffnung ein zwischen dem Kolben und einer Innenwand der Arbeitskammer ausgebildeter Zwischenraum ist.
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Stand der Technik
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Hydraulische Stoßdämpfer zum Abbremsen einer bewegten Masse sind in vielfältigen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt. Gemeinsam weisen diese eine Arbeitskammer und in dieser einen verschiebbaren Kolben auf. Die Arbeitskammer ist mit einem Fluid, zumeist ein Öl, befüllt. Auf das Fluid wirkt im Ruhezustand ein bestimmter Basisdruck. Im Arbeitszustand steht die bewegte Masse eines Körpers in Wechselwirkung mit dem Kolben. Die bewegte Masse übt eine Kraft auf den Kolben aus und der Kolben stellt in der Arbeitskammer ein Druckungleichgewicht her. In Bewegungsrichtung vor dem Kolben wirkt auf das Fluid ein höherer Druck als der Basisdruck und in Bewegungsrichtung hinter dem Kolben wirkt auf das Fluid ein niedrigerer Druck als der Basisdruck. Hierdurch wird das Fluid gezwungen, aus dem Bereich in Bewegungsrichtung vor dem Kolben in den Bereich in Bewegungsrichtung hinter dem Kolben zu strömen. Dazu sind bestimmte Drosselöffnungen vorgesehen. Mit dem Stoßdämpfer wird so die kinetische Energie der bewegten Masse durch viskose Reibung in Wärme umgewandelt und die bewegte Masse abgebremst.
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In Abhängigkeit von der Viskosität des Fluids und Anordnungen und Größe der Querschnitte der Drosselöffnungen ergibt sich für den Stoßdämpfer eine bestimmte Dämpferkennlinie, in der die Kraft zum Antreiben des Kolbens als Funktion des Weges des Kolbens abgebildet wird. Je kleiner der Querschnitt der Drosselöffnung und je größer die Viskosität des Fluids, umso größer ist die Dämpfungswirkung.
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Die Drosselöffnungen sind bei den bekannten Ausführungen als Kanäle innerhalb des Kolbens und/oder innerhalb einer Wand der Arbeitskammer ausgebildet. Damit sind gewünschte Dämpferkennlinien nicht exakt oder nur mit großem Aufwand zu realisieren.
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Zum Stande der Technik zählen auch Stoßdämpfer, bei denen die Drosselöffnung durch einen Zwischenraum zwischen dem Kolben und der Innenwand der Arbeitskammer ausgebildet ist. Beispielsweise ist ein derartiger Stoßdämpfer in der
US 2 629 462 A offenbart. Um hierbei eine über den Hubweg veränderbare Dämpferwirkung zu realisieren, ist beispielsweise aus der
JP S63-270 935 A bekannt, die Drosselöffnung im Verlauf des Wegs des Kolbens unterschiedlich groß auszubilden.
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Ebenfalls bekannt sind Stoßdämpfer, die eine belastungsabhängige Dämpferkennlinie aufweisen. So zeigt die
DE 202 21 550 U1 einen Stoßdämpfer mit am Kolben angeordneten elastisch verbiegbaren Ringscheiben, deren Grad der Verbiegung abhängig von der Kolbengeschwindigkeit ist und die durch ihre Verbiegung bestimmte Drosselöffnungen verschließen, um eine höhere Dämpfung zu erzielen. Auch die
DE 602 17 556 T2 bedient sich eines elastisch verformbaren Ringes, der in Abhängigkeit einer auf ihn einwirkenden Kraft durch Verformung einen Querschnitt einer Drosselöffnung verringert.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Stoßdämpfer der oben genannten Art bereitzustellen, der einfach und kostengünstig herzustellen ist und dabei eine gewünschte Dämpferkennlinie aufweist und der leicht in industrielle Anwendungen implementierbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Stoßdämpfer mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen und einer Maschine nach Anspruch 6.
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Der erfindungsgemäße Stoßdämpfer zum Abbremsen einer bewegten Masse weist eine Arbeitskammer, einen in der Arbeitskammer entlang eines Weges verschiebbar angeordneten Kolben und zumindest eine Drosselöffnung auf. Der Kolben ist mit der bewegten Masse in Wechselwirkung bringbar. Mittels des Kolbens ist auf ein in der Arbeitskammer befindliches Fluid ein Druckungleichgewicht aufbringbar und durch das Druckungleichgewicht ist das Fluid gezwungen, durch die Drosselöffnung zu strömen. Die Drosselöffnung ist dabei ein zwischen dem Kolben und einer Innenwand der Arbeitskammer ausgebildeter Zwischenraum. Zudem weist der Kolben eine Spreizvorrichtung mit einem Spreizelement und einem Spreizelementanschlag auf. Durch das Spreizelement ist bei Überschreitung eines bestimmten Druckungleichgewichts während einer Hubbewegung des Kolbens in einer Arbeitsrichtung die Drosselöffnung reversibel verkleinert, indem das Spreizelement an den Spreizelementanschlag klappt und dadurch einen Querschnitt des Kolbens vergrößert.
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Hiermit ist ein Stoßdämpfer bereitgestellt, dessen Drosselöffnung oder Drosselöffnungen vorteilhaft an jeder Stelle des Weges des Kolbens durch eine entsprechende Gestaltung der Innenwand erzeugbar sind. Somit ist jede gewünschte Dämpferkennlinie in einfacher und günstiger Weise zu erhalten. Durch größere Drosselöffnungen lässt sich die Dämpfungsrate senken und durch kleinere Drosselöffnungen lässt sich die Dämpfungsrate erhöhen.
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Der Stoßdämpfer lässt sich mit der Spreizvorrichtung vorteilhaft in einem gewissen Rahmen der jeweiligen Belastung anpassen. So ist es ermöglicht, mit demselben Stoßdämpfer auch Körper mit höherer kinetischer Energie wirkungsvoll abzubremsen. Zudem können Belastungsspitzen damit vorteilhaft wirkungsvoll aufgefangen werden, da mit der Spreizvorrichtung der Querschnitt der Drosselöffnung schlagartig verkleinert und damit die Dämpfungsrate unverzüglich erhöht werden kann.
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Zudem ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Innenwand der Arbeitskammer in der Weise gestaltet ist, dass die Drosselöffnung im Verlauf des Wegs des Kolbens unterschiedlich groß ausgebildet ist. Hiermit ist es vorteilhaft ermöglicht, eine ungerade Dämpferkennlinie des Stoßdämpfers zu realisieren.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Innenwand der Arbeitskammer konisch ausgebildet ist. Hiermit ist es vorteilhaft ermöglicht, eine stetige, progressive Dämpferkennlinie beim Einfedern zu erreichen. Bewegte Massen werden dadurch vorteilhaft mit stetig steigender Dämpfung abgebremst, was zu einer konstanten negativen Beschleunigung führt. Bewegte Massen werden dadurch vorteilhaft besonders schonend abgebremst.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Arbeitskammer in einem Gehäuse aus einem oberen Gehäuseteil und einem unteren Gehäuseteil gebildet ist und das obere Gehäuseteil mit dem unteren Gehäuseteil mit einem Verstellgewinde verbunden ist.
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Hiermit ist es vorteilhaft ermöglicht, das untere Gehäuseteil des Gehäuses bei Bedarf gegen ein anderes unteres Gehäuseteil, welches eine anders geformte Innenwand aufweist, auszutauschen und damit eine gewünschte Dämpferkennlinie des Stoßdämpfers zu erzeugen, ohne den kompletten Stoßdämpfer austauschen zu müssen.
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Zusätzlich kann durch das Verstellgewinde die Einschraubtiefe des unteren Gehäuseteils variiert werden. Damit ist es vorteilhaft ermöglicht, die Dämpferkennlinie in ihrer Länge zu variieren. In Abhängigkeit von der Ausformung der Innenwand des unteren Gehäuseteils kann für die Dämpfung somit ein anderer Startwert eingestellt werden.
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Weiterhin kann mit der Einschraubtiefe des unteren Gehäuseteils in Zusammenwirkung mit Ausgleichsmitteln vorteilhaft in einfacher Weise der Innendruck in der Arbeitskammer geändert werden. Die in der Arbeitskammer angeordneten Ausgleichmittel gleichen dabei die sich beim Verstellen der Einschraubtiefe ergebenden Volumenänderungen aus und können in Abhängigkeit ihrer Federkennlinien den Druck auf das Fluid verändern. So kann für größere Belastungen ein höherer Basisdruck oder für kleinere Belastungen ein geringerer Basisdruck erzeugt werden.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolben ein Rückschlagventil aufweist. Das Rückschlagventil öffnet beim Verfahren des Kolbens in seine Ausgangsposition zusätzliche Kanäle, wodurch dem Kolben in diese Rückstellrichtung ein geringerer Widerstand als in Arbeitsrichtung entgegenwirkt. Hiermit ist es vorteilhaft ermöglicht, dass der Kolben schneller in seine Ausgangsposition gelangt.
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Der erfindungsgemäße Stoßdämpfer wird vorzugsweise in allen genannten Ausgestaltungen in industrielle Anwendungen implementiert.
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Die erfindungsgemäße Maschine weist zumindest einen Stoßdämpfer zum Abbremsen eines bewegten Maschinenteils mit einer Arbeitskammer, einem in der Arbeitskammer entlang eines Weges verschiebbar angeordneten Kolben und einer Drosselöffnung auf. Der Kolben ist mit dem bewegten Maschinenteil in Wechselwirkung bringbar. Mittels des Kolbens ist auf ein in der Arbeitskammer befindliches Fluid ein Druckungleichgewicht aufbringbar und durch das Druckungleichgewicht ist das Fluid gezwungen, durch die Drosselöffnung zu strömen. Die Drosselöffnung ist dabei ein zwischen dem Kolben und einer Innenwand der Arbeitskammer ausgebildeter Zwischenraum.
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Hiermit ist vorteilhaft eine Maschine bereitgestellt, die bewegte Maschinenteile besonders wirkungsvoll und schonend abbremst. Zu abrupte Verzögerungen, die das Material stark belasten, können vermieden werden. Die Maschine weist dadurch eine geringere Störanfälligkeit und eine höhere Lebensdauer auf. Die Erfindung betrifft dabei alle industriell einsetzbaren Maschinen, wie Werkzeugmaschinen, Handhabungsmaschinen, Arbeitsmaschinen, Transportmaschinen oder Energie umwandelnde Maschinen. Die bewegten Maschinenteile können dabei angetriebene bewegbare Schlitten, Arme, Werkzeug- oder Werkstückträger sein.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert.
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1 zeigt dazu ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Stoßdämpfers.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist in eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stoßdämpfers 10 dargestellt. Die abgebildete, beispielhafte Variante des Stoßdämpfers 10 weist ein Gehäuse aus einem oberen Gehäuseteil 12 und einem unteren Gehäuseteil 14 auf.
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Das obere Gehäuseteil 12 weist an seiner Außenseite ein Einbaugewinde 46 auf. Damit ist der abgebildete erfindungsgemäße Stoßdämpfer 10 als Bauteil in eine Maschine, die an entsprechender Stelle mit einem Innengewinde versehen ist, zu verschrauben.
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Die beiden Gehäuseteile 12 und 14 sind über ein Verstellgewinde 44 miteinander verschraubt. Den Innenraum des Gehäuses bildet die Arbeitskammer 38. Mittels des Verstellgewindes 44 ist das Volumen der Arbeitskammer 38 in bestimmten Grenzen einstellbar. Um das Volumen der Arbeitskammer 38 zu verkleinern, kann das untere Gehäuseteil 14 tiefer in das obere Gehäuseteil 12 eingeschraubt werden und, um das Volumen der Arbeitskammer 38 zu vergrößern, kann das untere Gehäuseteil 14 weniger tief in das obere Gehäuseteil 12 eingeschraubt werden.
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Durch die Verschraubung des oberen und unteren Gehäuseteils 12 und 14 ist das untere Gehäuseteil 14 zudem komplett austauschbar. So können verschiedene untere Gehäuseteile, die sich in der Ausformung ihrer Innenwand 40 unterscheiden, eingesetzt werden.
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Zum Verschrauben weist das untere Gehäuseteil 14 einen gut zugänglichen Verstellkopf 50 auf. Dieser ist, wie in 1, bevorzugt als Sechskantkopf ausgebildet, kann aber auch alle anderen denkbaren Formen, wie sie auch bei Schraubenköpfen vorzufinden sind, aufweisen. Zudem kann das untere Gehäuseteil 14 selbst als Verstellkopf ausgebildet sein.
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Das obere Gehäuseteil 12 weist gemäß 1 eine Öleinfüllschraube 36 auf. Nach einem Herausdrehen der Öleinfüllschraube 36 kann die Arbeitskammer 38 durch diese Öffnung mit einem Fluid, vorzugsweise einem Öl, befüllt werden. Um die Arbeitskammer 38 nach dem Befüllen zu verschließen, wird die Öleinfüllschraube 36 in das obere Gehäuseteil 12 geschraubt. Erfindungsgemäß können auch andersartige Befüllungsvorrichtungen verwendet werden, beispielsweise Einlassventile.
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Im Inneren der Arbeitskammer 38 befindet sich ein Kolben 20. In 1 ist der Kolben 20 über eine Kolbenstange 18 mit einem außerhalb der Arbeitskammer 38 befindlichen Aufprallkopf 16 verbunden. Der Aufprallkopf 16 dient der Aufnahme der Kräfte einer bewegten Masse. Die Kolbenstange 18 leitet diese Kräfte weiter zum Kolben 20. Kolben 20, Kolbenstange 18 und Aufprallkopf 16 werden durch eine Rückstellfeder 30 in ihre Ausgangsposition gebracht. Die Rückstellfeder 30 spannt sich dabei zwischen dem oberen Gehäuseteil 12 und dem Aufprallkopf 16.
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Die Kolbenstange 18 verbindet in dem abgebildeten bevorzugten Ausführungsbeispiel den in der Arbeitskammer 38 angeordneten Kolben 20 mit dem außerhalb der Aufprallkammer 38 angeordneten Aufprallkopf 16. Die Kolbenstange 18 ist dabei in einem Lager 32 gelagert, welches die Arbeitskammer 38 flüssigkeitsdicht und druckdicht nach außen abdichtet. Die Kolbenstange 18 führt den Kolben 20 in einer geraden Hubbewegung. Die Hubbewegung umfasst eine Bewegung des Kolbens 20 in Arbeitsrichtung R1 und in entgegengesetzter Richtung in Rückstellrichtung.
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Am unteren Endpunkt dieser Hubbewegung ist innerhalb der Arbeitskammer 38 bevorzugt ein Festanschlag 34 angeordnet. Dieser Festanschlag 34 ist erfindungsgemäß vorzugsweise aus einem Elastomer gebildet.
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In 1 befindet sich der Kolben 20 etwa in Ausgangsposition. Die Arbeitskammer 38 ist mit einem Fluid, vorzugsweise ein Öl, befüllt. Auf das Fluid wirkt im Ruhezustand ein bestimmter Basisdruck. Wird der Stoßdämpfer 10 belastet, trifft also eine bewegte Masse auf den Aufprallkopf 16, so wirkt auf den Aufprallkopf 16 eine bestimmte Kraft, die über die Kolbenstange 18 an den Kolben 20 übertragen wird. Der Kolben 20 steht nun in Wechselwirkung mit der bewegten Masse. Der Kolben 20 stellt in der Arbeitskammer 38 ein Druckungleichgewicht her. In Arbeitsrichtung R1 wirkt auf das Fluid vor dem Kolben 20 ein höherer Druck als der Basisdruck und hinter dem Kolben 20 ein niedrigerer Druck als der Basisdruck. Das Fluid ist dadurch gezwungen, aus dem Bereich in Arbeitsrichtung R1 vor dem Kolben 20 in den Bereich in Arbeitsrichtung R1 hinter dem Kolben 20 zu strömen. Die einzige Möglichkeit bietet dazu die Drosselöffnung 42. Dadurch ist dem Fluid ein Widerstand entgegengesetzt. Gegen die Kolbenbewegung wirkt damit eine Dämpfkraft. Die in Wechselwirkung mit dem Kolben 20 stehende bewegte Masse wird abgebremst. Mit dem Stoßdämpfer 10 wird so die kinetische Energie der bewegten Masse durch viskose Reibung in Wärme umgewandelt.
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Die Drosselöffnung 42 ist zwischen dem Kolben 20 und der Innenwand 40 der Arbeitskammer 38 ausgebildet. Der Kolben 20 weist in Arbeitsrichtung R1 einen kleineren Querschnitt auf als die Arbeitskammer 38. Der dadurch gebildete Zwischenraum ist die Drosselöffnung 42. Die Drosselöffnung 42 kann dabei erfindungsgemäß als Zwischenraum um den gesamten Kolben 20, beispielsweise als Kreisring, ausgebildet sein oder als Zwischenraum an einer oder mehreren Stellen zwischen Kolben 20 und Innenwand 40 der Arbeitskammer 38.
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Bei einer Verstellung des Verstellgewindes 44, also einer Änderung der Einschraubtiefe des unteren Gehäuseteils 14 in das obere Gehäuseteil 12 ist die Größe der Drosselöffnung 42 je nach Ausformung der Innenwand 40 verstellbar. Der Kolben 20 bildet dann zusammen mit dem unteren Gehäuseteil 14 an einer anderen Stelle der Innenwand 40 die Drosselöffnung 42. Gleichzeitig wird dabei die Dämpferkennlinie in ihrer Länge geändert. Für den Stoßdämpfer 10 wird damit ein anderer Startwert der Dämpferkennlinie eingestellt.
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Der Kolben 20 weist erfindungsgemäß optional ein Rückschlagventil 48 auf. Dabei ist eine Rückschlagkugel 26 beweglich gelagert und verschließt ab einem bestimmten Druckungleichgewicht Rückflusskanäle im Kolben 20. Der Kolben 20 kann so nach einem Einfedern, also der Bewegung des Kolbens 20 in Arbeitsrichtung R1, schneller in seine Ausgangsposition zurück gelangen, da in einer Bewegung in Gegenrichtung zur Arbeitsrichtung R1 dem Fluid neben der Drosselöffnung 42 zusätzlich die Rückflusskanäle zum Druckausgleich dienen.
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Der Kolben 20 weist zudem erfindungsgemäß optional eine Spreizvorrichtung 52 auf. Die Spreizvorrichtung 52 umfasst ein Spreizelement 22, welches die Drosselöffnung 42 beim Einfedern des Stoßdämpfers mit steigendem Druckungleichgewicht verkleinert. Vorzugsweise beruht die Spreizung auf elastischer Verformung. So ist das Spreizelement 22 in der Spreizvorrichtung 52 in 1 als Federelement ähnlich einer Spannscheibe ausgebildet. Bei Überschreitung eines bestimmten Druckungleichgewichts klappt das Federelement über den Querschnitt des Kolbens 20 hinaus und vergrößert den Querschnitt damit. Gehalten wird das Spreizelement 22 von einer Spreizelementbefestigung 24. Das Herausklappen wird dabei vorzugsweise von einem Spreizelementanschlag 54 begrenzt, um ein Umklappen, bei dem die Drosselöffnung wieder vergrößert werden würde, zu verhindern.
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Sollte eine bewegte Masse im Verlauf des Weges des Kolbens 20 nicht komplett abgebremst werden können, dient als Sicherheit der Festanschlag 34. Er entzieht der bewegten Masse die übrige Energie durch eine elastische Verformung. Der Festanschlag 34 ist zudem so ausgebildet, dass dem Spreizelement 22 genügend Raum gegeben ist, um nach vollständiger Einfederung des Stoßdämpfers 10 wieder in seine Ausgangsposition zurück zu federn.
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In der Arbeitskammer 38 ist erfindungsgemäß zumindest ein Ausgleichsmittel 28 angeordnet. Als Ausgleichsmittel 28 arbeiten bevorzugt Elastomere und/oder Gasdruckeinheiten. Das Ausgleichsmittel 28 dient einem Volumenausgleich innerhalb der Arbeitskammer 38, da Flüssigkeiten nicht komprimierbar sind. Beim Einfedern des Stoßdämpfers 10 gleicht das Ausgleichsmittel 28 das Volumen der durch die Kolbenstange 18 verdrängten Fluidmenge durch Kompression aus. Bei Wärmeentwicklung durch die Dämpfung am Kolben dehnt sich das Fluid aus. Auch diese Ausdehnung wird durch das Ausgleichsmittel 28 kompensiert.
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Das Ausgleichsmittel 28 wirkt zudem bei der Einstellung des Basisdrucks innerhalb der Arbeitskammer 38. Wird das Volumen der Arbeitskammer 38 durch tieferes Einschrauben der unteren Gehäusehälfte 14 in die obere Gehäusehälfte 12 verringert, wird das Ausgleichsmittel 28 komprimiert. Da das Ausgleichsmittel 28 bevorzugt eine progressive Federkennlinie aufweist, wird durch das Einschrauben der unteren Gehäusehälfte 14 in die obere Gehäusehälfte 12 der Basisdruck in der Arbeitskammer 38 erhöht. Beim Zurückschrauben der unteren Gehäusehälfte 14 vollzieht sich diese Anpassung umgekehrt. Das Volumen der Arbeitskammer 38 wird vergrößert, das Ausgleichsmittel 28 dehnt sich aus und der Basisdruck wird verringert.
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Erfindungsgemäß weist der Stoßdämpfer 10 vorzugsweise einen Basisdruck von ca. 5 bar bis 50 bar auf. Dadurch ist der Stoßdämpfer vorgespannt und ein Abreißen der Ölsäule beim Einfedern und somit das Entstehen eines Vakuums verhindert. Je größer die zu erwartenden Belastungen sind, umso höher kann der Basisdruck eingestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stoßdämpfer
- 12
- oberes Gehäuseteil
- 14
- unteres Gehäuseteil
- 16
- Aufprallkopf
- 18
- Kolbenstange
- 20
- Kolben
- 22
- Spreizelement
- 24
- Spreizelementbefestigung
- 26
- Rückschlagkugel
- 28
- Ausgleichsmittel
- 30
- Rückstellfeder
- 32
- Lager
- 34
- Festanschlag
- 36
- Öleinfüllschraube
- 38
- Arbeitskammer
- 40
- Innenwand
- 42
- Drosselöffnung
- 44
- Verstellgewinde
- 46
- Einbaugewinde
- 48
- Rückschlagventil
- 50
- Verstellkopf
- 52
- Spreizvorrichtung
- 54
- Spreizelementanschlag
- R1
- Arbeitsrichtung
