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Die Erfindung bezieht sich auf einen Einrohr-Stossdämpfer mit Dämpfungsvorrichtungen mit einem Zylinderhohlraum, wobei der Stossdämpfer aus einem Zylindergehäuse, mit einem von einer Zylinderwandung umschlossenen Zylinderhohlraum besteht, mit einem sich darin in und gegen die Pfeilrichtung bewegenden Kolben, verbunden mit einer Kolbenstange.
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Stand der Technik
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Es gibt nach Stand der Technik Einrohr- und Zweirohrdämpfer, Öldruck- oder Gasdruckdämpfer, deren Funktion und Wirkung im Wesentlichen vergleichbar sind. Bei allen Teleskopstossdämpfern wird durch den Widerstand, den ein Arbeitskolben in einem mit Öl gefüllten Rohr überwinden muss, Bewegungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt und ein Schwingen des Fahrzeuges verhindert.
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Man unterscheidet zwei Teleskop Stossdämpfer Konstruktionen:
- Einrohr Stossdämpfer (auch Gasdruck Stossdämpfer genannt) und Zweirohr Stossdämpfer. Die Dämpfung erfolgt bei beiden durch das gleiche Prinzip. Der Arbeitskolben mit der Kolbenstange bewegt sich in einem mit Öl gefüllten Rohr. Beim Einfahren der Kolbenstange wird entsprechend dem Volumen des eingefahrenen Teils der Kolbenstange Öl verdrängt. Der Dämpfer braucht daher einen Ausgleichsraum.
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Beim Einrohr-Stossdämpfer übernimmt diese Funktion eine mit Gas gefüllte Kammer, beim Zweirohr Dämpfer das zweite Rohr. Durch Stoss- und Schwingungsenergie wird das Hin und Her einer Kolbenbewegung angeregt. Dadurch wird eine Fluidströmung zwischen zwei Kammern, von der Druck- (auch Arbeitskammer genannt) in die Gegendruckkammer, kontinuierlich in Gang gehalten. Zwischengeschaltete Dämpfungsventile, zumeist im Kolben angeordnet, bewirken die gewünschte Dämpfung.
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Stoss- und Schwingungsdämpfer sind ausgereifte, anspruchsvolle, komplexe Dämpfungssysteme. Infolge gedämpfter Fluidreibung wird kinetische Energie in Wärme transformiert. Sie sind unverzichtbare Elemente für stationäre und mobile Anlagen, in der Schiffs- und Automobilindustrie, in der Produktions-, Labortechnik und vielseitig in Industrie und Wirtschaft.
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Daneben sind Magnetdämpfer bekannt, wie beispielhaft aufgeführt:
- DE 10 2006 027 636 B4 < mit magnetischem und wie in der EP 1 515 064 B1 beschrieben, mit elektromagnetischem Schwingungsdämpfer. AUDI-Magnetic-Ride» ist eine, in die Praxis umgesetzte, magnetische Dämpfung für Fahrzeuge. Die Patentschrift US 8,874,291 B2 zeigt einen elektronisch geregelten Hydraulikzylinder mit gekoppeltem Stromgenerator.
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Nachteile des Standes der Technik:
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Ungeachtet der grossen Vielfalt und Anwendungsart haben alle Stossdämpfer gemeinsam: sie wirken passiv und dienen nur einem Zweck, der Stoss- und Schwingungsdämpfung. Die infolge Dämpfung transformierte kinetische Stoss- und Schwingungsenergie wird in der Regel in Wärme umgewandelt.
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Bei Öldruckstossdämpfern kann es bei der Dämpfungsarbeit und hoher Druckbelastung zur Kavitationsneigung (Ölverschäumung) kommen, verbunden mit Dämpfkraftverlusten bis zu 35 Prozent.
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Die bisweilen hohen Drücke in der Arbeitskammer infolge anhaltend hoher kinetischer Belastung führen zu einer starken Erwärmung und Druckbelastung des Zylinders mit besonderen Anforderungen an die Zylinder-Fertigung. In der Automobilbranche kommen aus Gewichts-gründen Zylinder mit mehrfach abgestuften Wandstärken zum Einsatz, dies bei entsprechend hohen Gestehungskosten.
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Einrohr-, Zweirohrdämpfer sind allesamt monofunktional, da sie ausschliesslich als Dämpfer wirken.
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Aus der
US 8,874,291 B ist ein Hydraulik-Stossdämpfer mit gekoppeltem Stromgenerator bekannt. Dieser erfordert jedoch zusätzliche Komponenten wie Fluidpumpe, Leitungen, Ventile. Die doppeltwirkende hydraulisch, elektromagnetische Dämpfungs-federung mit zwei Kolben und drei Kolben an nur einer Kolbenstange, beeinflussen sich in Effizienz kontraproduktiv und können sich im Extremfall wirkungstechnisch neutralisieren. Herstellung und Wartung sind kostenaufwendig. Das Mehrgewicht für zusätzliche Komponenten multipliziert sich infolge aller vier Stossdämpfer am PKW-Fahrzeug.
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Aufgabe der Erfindung
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Ziel der Erfindung ist ein hybrider Stossdämpfer in Leichtbauweise, mit dem es neben der Dämpfungseigenschaft zudem möglich ist, das Potential der kinetischen Stoss- und Schwingungsenergie zu nutzen.
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Lösung
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Die Lösung ist, gemäss den Merkmalen des Anspruches 1, ein kompakter, ölfreier hybrider Einrohrstossdämpfer mit einem Zylinderhohlraum in Leichtbau, mit einem integrativ angeordneten Lineargenerator.
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Die Vorteile der Erfindung
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In nur einem Gehäuse erfüllt der Stossdämpfer die Anforderungen der Stoss- und Schwingungsdämpfung und dient zugleich der Erzeugung elektrisch nutzbarer Energie.
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Der Stossdämpfer mutiert so zum hybriden Stoss- und Schwingungsdämpfer. Mit einem neuartigen, modularen System verschiedener Dämpfungsvorrichtungen, separat oder redundant wirkend, wird die Transformation kinetischer Energie in Induktionsstrom optimiert. Je nach Erfordernis sorgen Sensoren, Aktoren und Steuerungselektronik für grösstmögliche Effizienz einer jeden system-immanenten Dämpfungsvorrichtung, separat oder im Verbund.
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Das modulare Dämpfungssystem umfasst a) die Bremswirkung des induktiven Widerstandes, b) die Pneumatik mittels Fluidkompression und c) die Bremsmagnete beidseits im Zylinderhohlraum. Dieser ist ganz oder teilweise evakuierbar. Das eliminiert Leistungsminderung von Permanentmagneten mit niedriger Curie-Temperatur bei Erwärmung und Erhitzung des Zylinders.
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Experten-Meinung zufolge ist ein Stossdämpfer bei 10'000 km Fahrleistung einer Belastung von 2 - 5 Mio. Schwingungen ausgesetzt. Der hybride Stossdämpfer soll über ein modular redundant wirkendes Dämpfungssystem verfügen und dabei kinetische Stoss- und Schwingungsenergie in nutzbare, elektrische Energie transformieren. Der erfindungsgemässe Stossdämpfer soll aus produktionstechnischen Gründen einheitliche Wandstärke haben, in Geometrie schlank, leichtgewichtig, kostengünstig in Produktion sowie wartungsfrei sein.
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Gegenüber Stossdämpfern nach Stand der Technik verfügt der erfindungsgemässe Stossdämpfer über wesentliche, nach Stand der Technik, bekannten Merkmale zur Stoss- und Schwingungsdämpfung seiner Gattung, so eine am Fahrzeug befestigte Stahlfeder mit Stossdämpfer, den zylindrischen Stossdämpfer mit Zylinderhohlraum, Kolbenstange, Kolben, zudem mit einem integrativ angeordneten Lineargenerator, der zugleich elektrische, induktive Energie erzeugt.
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In seiner eigentlichen Zweckbestimmung dämpft der Stossdämpfer prioritär mit steuer- und regelbarem, induktivem Widerstand die von Radaufhängung und Karosserie auf Kolbenstange und Kolben mechanisch einwirkende Stoss- und Schwingungsenergie, zum anderen erzeugt er als Lineargenerator Induktionsstrom, insbesondere nutzbaren Betriebsstrom.
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Der induktive Widerstand (Lorentz-Kraft) des Lineargenerators im Betriebsmodus hat eine den Stössen und Schwingungen entgegengerichtete, bremsende Wirkung. Diese Bremswirkung bewirkt die Stoss- und Schwingungsdämpfung und vermeidet jegliche Druckbelastung der Zylinderwandung. Deshalb bestehen die Zylinder aus Standard-Leichtbaurohren mit einheitlicher Wandstärke.
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Der hybride kompakte Einrohrstossdämpfer in Leichtbauweise mit integrativ angeordnetem Lineargenerator und mit regelbarem, induktivem Widerstand als Dämpfungsfederung, ist gegenüber Stossdämpfern nach Stand der Technik kostengünstig in Herstellung, robust, von geringem Gewicht und geringer Wartungsintensität
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen sowie den Ansprüchen hervor.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch die von Schutzhülle 15 umgebene Vorrichtung V eines Einrohrstossdämpfer S, hier in Abwärtsposition, befestigbar über eine Karosserieaufhängung 19 und eine Radaufhängung 20, bestehend aus einem Zylindergehäuse 2 mit dem von Zylinderwandung 4 gebildeten Zylinderhohlraum 3 und einem integrativ angeordneten Lineargenerator L als Innenpolgenerator, mit Spulen 9, Stator, vorzugsweise aussen auf Zylinderwandung 4 angeordnet und einem im Zylinder-hohlraum befestigten, in und gegen Pfeilrichtung 1 mittels Kolbenstange 6 bewegten Kolben 5, dem Rotor (Läufer), magnetisiert oder mit Magneten 8 belegt, wobei die Stoss- und Schwingungsdämpfung ausschliesslich mittels regel- und steuerbarer Bremswirkung des induktiven Widerstandes des Lineargenerators sowie des Fluiddruckes oder Vakuum im Zylinderhohlraum 3 via Ventil 16 erfolgt, Sensoren 21 und Aktoren 22 sind Teil der Steuerungselektronik und dienen mit der Erfassung und Transformation von physikalischen Grössen in elektrische Signale und umgekehrt der Prozesssteuerung;
- 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch Vorrichtung V wie 1 in mittlerer Position, jedoch zur Stoss- und Schwingungs-dämpfung ergänzt mit Dämpfungsmagneten (14) beidseits im Inneren des Zylinderhohlraumes, deren Pole zu denen des Kolbens gleichgerichtet (+ + / --), bei grösster Kolbenamplitude mit abstossend wirkender Dämpfung.
- 3 zeigt einen schematischen Schnitt der Vorrichtung V wie 2, in oberer Position, ergänzt mit pneumatische Stoss- und Schwingungsdämpfung, regelbar über Ventile 16, Kolben 5 mit Dichtung 18 formschlüssig zur Zylinderwandung 4, wobei sich bei Kolbenbewegung in und gegen Pfeilrichtung 1 im Zylinderholraum beidseits wechselnd Druck- (812) und Gegendruckkammer (13) bilden mit Dämpfungseffekt.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Nachfolgend wird die erfindungsgemässe Vorrichtung in Funktion und Wirkung beispielhaft am Einrohrstossdämpfer mit integrativ angeordneten Innenpol-Lineargenerator für Automobile erläutert. Dies gilt ohne einschränkendes Präjudiz der Gültigkeit der Erfindung auch für adäquate Arten und Anwendungen in Industrie und Wirtschaft.
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In 1 bis 3 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung V gezeigt. Diese umfasst den Einrohr-Stossdämpfer S mit dem Linear-generator L. Der Stossdämpfer besteht aus einem von einer Schutzhülle 15 umgebenen Zylindergehäuse 2 und einer in dem Zylindergehäuse 2 angeordneten Zylinderhohlraum 3. Der Zylinder-hohlraum 3 wird von einer Zylinderwandung 4 umschlossen. Innerhalb des Zylinderhohlraumes 3 ist ein Kolben 5 angeordnet, kraftschlüssig verbunden mit einer Kolbenstange 6, die mechanisch an Rad- und Karosserie-Aufhängung 20 / 19 gekoppelt ist. Im Betriebsmodus des Autos werden permanent mechanische Kräfte von Karosserie und Radaufhängung auf die Kolbenstange übertragen. Kolbenstange mit Kolben bewegen sich linear in und gegen die Pfeilrichtung 1.
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Gleichzeitig wird mit der Bewegung des Kolbens 5 Strom durch magnetische Induktion erzeugt, der über eine vorgesehene Schnittstelle 11 abgegeben und einem in den Zeichnungen nicht näher dargestellten Speicher zugeführt wird. Damit Induktionsstrom erzeugt wird, ist vorgesehen, dass der Kolben vollständig magnetisch ist oder auf seinem Umfang einen Permanentmagneten 8 oder mehrere Permanentmagnete 8 aufweist. Innerhalb oder aussen an dem Zylindergehäuse 2 ist eine Spule 9 angeordnet, deren Enden mit der Schnittstelle 11 gekoppelt sind. Durch das Hin und Her des Kolbens 5 in und gegen die Pfeilrichtung 1 wird innerhalb der Spule durch das von den Permanentmagneten 8 erzeugte magnetische Feld Strom induziert.
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Die Magnete 8 sind in entsprechenden Aussparungen innerhalb des Kolbens 5 untergebracht, so dass jeweils ein Formschluss mit dem Kolben 5 und mit einer homogenen Umfangsfläche gewährleistet ist. Alternativ kann auch der gesamte Kolben magnetisch sein oder mit einer magnetischen Schicht versehen sein, damit ein von diesem ausgehenden Magnetfeld in der Spule 9 des Generators ein Strom induziert werden kann, der über die Schnittstelle 11 abgegriffen wird.
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Bei der Umwandlung der Stoss- und Schwingungsenergie entsteht Wärme. Starke Stossbeanspruchungen der Stossdämpfer bekannter Art können zur thermischen Belastung bis zu 120° C führen. Höhere Temperaturen wirken sich nachteilig auf das Magnetfeld aus, denn Permanentmagnete haben eine maximale Einsatztemperatur. Sie können also nicht jeder Temperatur standhalten. Sehr hohe thermische Belastungen führen zur Instabilität des Materials und Durchmischung der Elementarmagnete, die parallel ausgerichtet für das Magnetfeld sorgen, dessen Wirkung sich bei höheren Temperaturen abschwächt. Bei sehr hohen Temperaturen (über der sogenannten Curie-Temperatur) verschwindet die Magnetisierung gänzlich. Temperaturrisiken werden eliminiert mittels Neodym-Magneten oder bei Magneten geringerer Curie-Temperatur mittels Teil- oder Vollvakuum im Zylinderhohlraum 3.
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Der Lineargenerator ist vorzugsweise ein Innenpolgenerator mit Spulen am Zylindergehäuse 2, dem Stator und dem magnetisierten oder mit Permanentmagneten (beispielsweise Neodym-Magnete) versehenen Kolben, dem Rotor (= Läufer). Im Zylinderhohlraum 3 ist der Kolben 5 im Verbund mit der Kolbenstange 6 längs verschieblich entsprechend Pfeilrichtung 1 gelagert, wobei der Kolben, als Rotor, mit mindestens einem Magnetelement, das Zylindergehäuse 2 mit Spule 9, als Stator, mit mindestens einer Spule (vorzugsweise mit hoher Windungszahl) versehen sind. Das Hin und Her des mit Magnet bestückten Kolbens 5 innerhalb des mit Spule belegten Zylindergehäuses 2 erzeugt elektrische, induktive Energie, als Betriebsstrom verfügbar.
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Beim Innenpolgenerator wird der Strom ohne Schleifkontakte direkt an (Induktions-) Spule 7 abgegriffen und über elektrische Schaltungen einem hier nicht näher bezeichneten Speichermedium zugeführt. Mit der gegenständlichen Erfindung, einem Stossdämpfer mit integrativ angeordnetem Generator in nur einem Gehäuse und redundanten Dämpfungsvorrichtungen wird der Wärmeverlust weitgehend reduziert. Stattdessen wird mittels Transformation ein Teil der Stoss- und Dämpfungsenergie in nutzbare, elektrische Energie gewandelt.
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Dieses hierin beschriebene Prinzip eines Innenpolgenerators lässt sich auch zu einem Aussenpolgenerator ausbilden, wobei die Spule 9 oder Spulen 9 am Kolben 5 und das Zylindergehäuse mit Magneten 8 versehen ist. Nachteilig wäre in diesem Fall, dass der Induktionsstrom über Schleifkontakte abgegriffen werden muss.
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Beide Funktionen des hybriden Stossdämpfers, Dämpfungsfederung und Generatorleistung, sind in Redundanz und Effizienz mittels Sensoren, Aktoren und Steuerungselektronik sensibel steuer- und regelbar (3). Dabei dominiert die Funktion der Dämpfungs-federung die Funktion der induktiven Stromerzeugung.
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Das Dämpfungssystem des hybriden Einrohrstossdämpfer in nur einem Gehäuse ist ein modulares, fertigungstechnisch standardisier-bares Konzept ohne die Geometrie verändernde Zusatzkomponenten. Je nach Verwendungszweck und Erfordernis können mit Steuerungs-elektronik verschiedene Dämpfungsvarianten, exklusiv separat oder in Kombination mit anderen, mit addierbarer, redundanter Dämpfungs-wirkung, aktiviert oder deaktiviert werden, wie beispielsweise
- a) Stoss- und Schwingungsdämpfung induktiv
- b) Stoss- und Schwingungsdämpfung induktiv mit Vakuum
- c) Stoss- und Schwingungsdämpfung induktiv/magnetisch
- d) Stoss- und Schwingungsdämpfung pneumatisch
- e) Stoss- und Schwingungsdämpfung induktiv/pneumatisch.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pfeilrichtung
- 2
- Zylindergehäuse
- 3
- Zylinderhohlraum
- 4
- Zylinderwandung
- 5
- Kolben / Läufer / Rotor
- 6
- Kolbenstange
- 7
- Dämpfungsventile
- 8
- Magnete / Permanentmagnete
- 9
- (Induktions-) Spule / Stator
- 10
- Dichtung Kolbenstange
- 11
- Schnittstelle
- 12
- Druckkammer
- 13
- Gegendruckkammer
- 14
- Dämpfungsmagnete
- 15
- Schutzhülle
- 16
- Ventil
- 17
- Zylinderinnenwand
- 18
- Dichtung
- 19
- Karosserie-Aufhängung
- 20
- Rad-Aufhängung
- 21
- Sensoren
- 22
- Aktoren
- V
- Vorrichtung
- S
- (Einrohr-) Stossdämpfer
- L
- Lineargenerator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006027636 B4 [0006]
- EP 1515064 B1 [0006]
- US 8874291 B2 [0006]
- US 8874291 [0011]
