DE102020125080A1

DE102020125080A1 - Gasfedereinrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Hybridelements für eine Gasfedereinrichtung

Info

Publication number: DE102020125080A1
Application number: DE102020125080.0A
Authority: DE
Inventors: Peter Pelz; Manuel Rexer; Jakob Hartig
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2022-03-31

Abstract

Eine Gasfedereinrichtung (1) weist ein erstes Federelement (2) und ein zweites Federelement (4) auf, die über eine volumenvariable Gasdruckkammer (3) federnd miteinander in Wirkverbindung stehen. Eine in der Gasdruckkammer (3) befindliche Gasmenge kamm mit einem Adsorbent der Gasfedereinrichtung (1) wechselwirken, sodass bei einem Einfedervorgang des ersten Federelements (2) relativ zu dem zweiten Federelement (4) während einer Verringerung des Volumens der Gasdruckkammer (3) eine Adsorptionsmenge der Gasmenge an dem Adsorbent adsorbiert wird und dadurch eine Steifigkeit der Gasfedereinrichtung (1) im Vergleich zu einer Gasfedereinrichtung ohne Adsorbent reduziert ist. Die in der Gasdruckkammer (3) befindliche Gasmenge kann zusätzlich mit einem Wärmespeicherelement der Gasfedereinrichtung (1) wechselwirken, welches ein wärmespeicherndes Material aufweist, sodass bei einer Veränderung des Volumens der Gasdruckkammer (3) Wärme zwischen der Gasmenge und dem Wärmespeicherelement übertragen wird und dadurch die Steifigkeit der Gasfedereinrichtung (1) zusätzlich reduziert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasfedereinrichtung mit einem ersten Federelement und mit einem zweiten Federelement, die über eine volumenvariable Gasdruckkammer federnd miteinander in Wirkverbindung stehen, wobei eine in der Gasdruckkammer befindliche Gasmenge mit einem Adsorbent der Gasfedereinrichtung wechselwirken kann, sodass bei einem Einfedervorgang des ersten Federelements relativ zu dem zweiten Federelement während einer Verringerung des Volumens der Gasdruckkammer eine Adsorptionsmenge der Gasmenge an dem Adsorbent adsorbiert wird und dadurch eine Steifigkeit der Gasfedereinrichtung im Vergleich zu einer Gasfedereinrichtung ohne Adsorbent reduziert ist.
In Fahrzeugen werden Federungen zu Isolation des Fahrzeugkörpers von Schwingungen eingesetzt, die beispielsweise während einer Fahrt durch Unebenheiten des Untergrunds entstehen. Die Federung kann dabei von Gasfedereinrichtungen bereitgestellt werden. Als Arbeitsgas wird dabei häufig Luft verwendet. In Luftfedern wird bei einem Einfedervorgang die in der Gasdruckkammer befindliche Gasmenge komprimiert und dabei Energie gespeichert, die bei einem Ausfedervorgang wieder freigesetzt wird.
Die Verwendung derartiger Gasfedereinrichtungen bei Fahrzeugen bietet verschiedene Vorteile wie beispielsweise eine mögliche Niveauregulierung, in dem das Volumen der Gasdruckkammer durch eine Erhöhung der darin befindlichen Gasmenge variiert wird, sowie eine beladungsunabhängige Eigenfrequenz der Gasfedereinrichtung, die an die jeweilige Beladung des Fahrzeugs angepasst werden kann.
Derartige Gasfedereinrichtungen werden auch in anderen Bereichen eingesetzt, beispielsweise in Handwerkzeugen wie beispielsweise Bohrhämmern zum Antrieb oder in anderen Maschinen, bei denen eine Isolation von Schwingungen angestrebt wird.
Bei einer Veränderung des Volumens der Gasdruckkammer der Gasfedereinrichtung ändert sich der Zustand der in der Gasdruckkammer befindlichen Gasmenge. Diese Zustandsänderung kann näherungsweise der nachfolgenden Zustandsgleichung für den Druck p und das Volumen V der Gasmenge beschrieben werden, wobei eine polytrope Zustandsänderung eines idealen Gases angenommen wird: ${pV}^{n} = const$
In dieser Zustandsgleichung bezeichnet der Exponent n einen Polytropenexponent, der in Abhängigkeit von der jeweiligen Zustandsänderung unterschiedliche Werte annehmen kann. Dabei gilt für eine isotherme Zustandsänderung n=1 und für eine adiabatische Zustandsänderung n=γ, wobei γ der Isentropenexponent γ=C_p/C_v mit der isobaren Wärmekapazität c_p und der isochoren Wärmekapazität c_v ist. Bei zweiatomigen Gasen, beispielsweise bei Luft, ist der Isentropenexponent näherungsweise γ=1,4. Die Bezeichnung const steht in der Zustandsgleichung für eine Konstante.
Ob die Zustandsänderung der Gasfedereinrichtung bei einem Einfedervorgang isotherm oder adiabat verläuft hängt bei ansonsten konstanten Umgebungsbedingungen maßgeblich von der Geschwindigkeit ab, innerhalb der die Zustandsänderung erfolgt. Die Zeitdauer einer Zustandsänderung kann dabei mit einer thermischen Relaxationszeit der Gasfedereinrichtung verglichen werden, wobei die thermische Relaxationszeit ein Maß für die Zeitdauer darstellt, innerhalb der sich die Temperatur der Gasmenge während und nach einer Zustandsänderung an die Umgebungstemperatur anpasst. Die thermische Relaxationszeit hängt dabei unter anderem auch von dem Verhältnis der isochoren Wärmekapazität c_v zur Wärmeleitfähigkeit λ der Gasmenge ab. Wird ein Einfedervorgang in einer kürzeren Zeitdauer als der thermische Relaxationszeit durchgeführt, handelt es sich überwiegend um eine adiabatische Zustandsänderung. Dauert der Einfedervorgang dagegen deutlich länger als die thermische Relaxationszeit, handelt es sich im Wesentlichen um eine isotherme Zustandsänderung. Dazwischen befindet sich ein Übergangsbereich. Die thermische Relaxationszeit der derzeit bekannten Gasfedereinrichtungen liegt üblicherweise in einem Bereich, der für Schwingungen eines Fahrzeugs während der Fahrt relevant ist.
Eine wesentliche Eigenschaft einer Gasfedereinrichtung ist die Steifigkeit K der Gasfedereinrichtung, welche für die Erzeugung von Rückstellkräften während eines Einfedervorgangs maßgeblich ist. Die Steifigkeit der Gasfedereinrichtung hängt unter anderem von der Gasmenge, beziehungsweise dem Volumen der Gasdruckkammer und von dem Polytropenexponenten n ab. Die Steifigkeit K der Gasfedereinrichtung wird je nach Anwendungsfall angepasst und so vorgegeben, dass beispielsweise eine möglichst komfortable Federung von Fahrzeugen oder eine möglichst wirkungsvolle Federung von Werkzeugen oder Maschinen erreicht wird. Für zahlreiche Anwendungsfälle wird dabei angestrebt, dass die Gasfedereinrichtung bei einer vorgegebenen Steifigkeit K einen möglichst geringen Bauraum beansprucht. Eine Verringerung des Volumens der Gasfederkammer führt allerdings regelmäßig zu einer höheren Steifigkeit K.
Um den erforderlichen Bauraum bei einer gleichbleibenden Steifigkeit K zu verringern sind aus der Praxis verschiedene Möglichkeiten bekannt, mit welchem der erforderliche Bauraum bei einer gleichbleibenden Steifigkeit K verringert werden kann. Durch die Zugabe eines geeigneten Adsorbents in die Gasdruckkammer kann erreicht werden, dass bei einem ansteigenden Gasdruck in der Gasdruckkammer ein Teil der Gasmenge, beziehungsweise eine Adsorbtionsmenge der Gasmenge an dem Adsorbent absorbiert wird und dadurch den Gasdruck in der Gasdruckkammer reduziert. Geeignete Adsorbenten können dabei beispielsweise Aktivkohle oder Molekularsiebe sein. Es ist ebenfalls möglich, ein Wärmespeicherelement in der Gasdruckkammer anzuordnen und dadurch die thermische Relaxationszeit der Gasfedereinrichtung in vorteilhafterweise zu beeinflussen, sodass der Bereich von isothermen Zustandsänderungen zu höheren Frequenzen verschoben, beziehungsweise ausgedehnt werden kann und dadurch die Steifigkeit K der Gasfedereinrichtung für die anwendungsrelevanten oder bestimmungsgemäßen Einfedervorgänge geringer als bei einer Gasfedereinrichtung ohne ein derartiges Wärmespeicherelement ist. Allerdings sind die jeweiligen Anforderungen an ein Adsorbent, beziehungsweise an ein Wärmespeicherelement sehr unterschiedlich. Zudem hat sich herausgestellt, dass die gängigen Adsorbenten oftmals den mechanischen Belastungen in einer Gasdruckkammer nicht ausreichend standhalten können.
Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, eine Gasfedereinrichtungen der eingangs genannten Gattung so auszugestalten, dass bei einer gleichbleibenden Steifigkeit der Gasfedereinrichtung der erforderliche Bauraum verringert werden kann, oder dass bei einem gleichbleibenden Bauraum die Steifigkeit der Gasfedereinrichtung reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die in der Gasdruckkammer befindliche Gasmenge mit einem Wärmespeicherelement der Gasfedereinrichtung, welches ein wärmespeicherndes Material aufweist, wechselwirken kann, sodass bei einer Veränderung des Volumens der Gasdruckkammer Wärme zwischen der Gasmenge und dem Wärmespeicherelement übertragen wird und dadurch die Steifigkeit der Gasfedereinrichtung zusätzlich reduziert ist. Durch die Kombination eines Wärmespeicherelements mit einem Adsorbent kann die Steifigkeit K der Gasfedereinrichtung überraschenderweise deutlich stärker reduziert werden als durch die Verwendung von entweder einem Adsorbent oder alternativ hierzu von einem Wärmespeicherelement. Der zusätzliche Raumbedarf eines Wärmespeicherelements wird durch die vorteilhafte Wärmeaufnahme während eines Einfedervorgangs mehr als kompensiert. Zudem ist es durch eine geeignete Ausgestaltung des Wärmespeicherelements grundsätzlich möglich, dass das Wärmespeicherelement die nachteiligen Auswirkungen eines Einfedervorgangs auf das verwendete Adsorbent reduzieren kann.
Die vorteilhafte Kombination eines Adsorbents mit einem Wärmespeicherelement kann für beliebige Bauformen der Gasfedereinrichtung verwendet werden. Die Gasfedereinrichtung kann beispielsweise eine herkömmliche Kolbenbauweise aufweisen oder beispielsweise als Balgluftfeder ausgestaltet sein. Das Adsorbent kann ebenso wie das Wärmespeicherelement in der Gasdruckkammer angeordnet sein. Es ist ebenfalls denkbar, dass das Adsorbent oder das Wärmespeicherelement oder beide Komponenten in einer gesonderten Kammer angeordnet sind, die ständig oder bei Bedarf mit der Gasdruckkammer verbunden ist. Es ist ebenfalls denkbar, dass die Verbindung der Gasdruckkammer mit der das Adsorbent, beziehungsweise das Wärmespeicherelement beinhaltenden Kammer durch eine Ventileinrichtung miteinander verbunden sind. Die Ventileinrichtung kann optional gesteuert oder geregelt werden. Um die Eigenschaften der Gasfedereinrichtung während eines Betriebs oder zwischen zwei Betriebszeiten zu verändern kann die insgesamt in der Gasdruckkammer befindliche Gasmenge bei Bedarf verändert werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das Wärmespeicherelement als Hybridelement ausgebildet ist, welches das wärmespeichernde Material aufweist, an welchem das Adsorbent angelagert ist. Das wärmespeichernde Material kann beispielsweise ein Kunststoffschaum sein. Es ist ebenfalls denkbar, dass das Hybridelement einzelne Fasern oder Partikel aufweist, die aus dem wärmespeichernden Material hergestellt sind und an denen das Adsorbent angelagert ist. Das Adsorbent kann partikelförmig ausgebildet und auf einer Oberfläche des wärmespeichernden Materials angeordnet sein. Es ist ebenfalls denkbar, dass das Adsorbent als eine Beschichtung des wärmespeichernden Materials ausgebildet ist. Das Adsorbent kann optional ebenfalls partikelförmig oder faserförmig ausgebildet sein und mit dem wärmespeichernden Material verbunden oder verwoben sein.
Um einen möglichst großen Effekt des wärmespeichernden Materials während eines Einfedervorgangs zu ermöglichen ist optional vorgesehen, dass das Hybridelement eine gasdurchströmbare Trägerstruktur aus dem wärmespeichernden Material aufweist. Die Trägerstruktur kann beispielsweise ein offenporiger Schaum sein, der aus dem wärmespeichernden Material hergestellt ist. Die Trägerstruktur kann auch ein Fasergelege, ein Faservlies oder ein Fasergewirk sein, wobei die einzelnen Fasern aus dem wärmespeichernden Material hergestellt sind. Die gasdurchströmbare Trägerstruktur kann auch dünne Platten oder Schichten aus dem wärmespeichernden Material aufweisen, die jeweils mit einer Anzahl von Bohrungen oder Ausnehmungen versehen sind und eine gasdurchströmbare Trägerstruktur bilden.
Um einen möglichst raschen Wärmeübergang zwischen der in der Gasdruckkammer befindlichen Gasmenge einerseits und dem wärmespeichernden Material andererseits zu begünstigen ist einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zur Folge vorgesehen, dass das wärmespeichernde Material eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft, vorzugsweise als Wasser aufweist. Bei vielen herkömmlichen Gasfedereinrichtungen wird Luft als ein in der Gasdruckkammer eingeschlossenes Arbeitsgas verwendet. Die Wärmeleitfähigkeit des wärmespeichernden Materials sollte demzufolge höher als die Wärmeleitfähigkeit von Luft sein. Die Wärmeleitfähigkeit von Wasser wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung lediglich als Schwellenwert genannt. Das wärmespeichernde Material weist zweckmäßigerweise eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf. Besonders vorteilhaft wird ein wärmespeicherndes Material mit einer Wärmeleitfähigkeit eines Metalls wie beispielsweise Eisen, Aluminium oder Kupfer angesehen. Die Wärmeleitfähigkeit kann dabei nach einem beliebigen Messverfahren für vorgegebene Umgebungsbedingungen ermittelt werden.
Um die vorteilhafte Wirkung des wärmespeichernden Materials zusätzlich zu unterstützen ist optional vorgesehen, dass das wärmespeichernde Material eine Wärmespeicherzahl von mehr als 1.000 kJ/(m³ K), vorzugsweise von mehr als 1.500 kJ/(m³ K) aufweist. Die Wärmespeicherzahl s entspricht der auf das Volumen V bezogenen Wärmekapazität C eines Festkörpers und kann als Produkt der spezifischen Wärmekapazität c mit der Dichte p des Festkörpers berechnet werden: $s = C/V = c ρ$
Ein wärmespeicherndes Material mit einer im Vergleich zu Luft hohen Dichte p wie beispielsweise ein Metall kann demzufolge um mehrere Größenordnungen mehr Wärme speichern als eine Gasmenge mit demselben Volumen. Je nach Anwendungsfall können aber auch andere wärmespeichernde Materialien wie beispielsweise Kunststoffe oder Verbundmaterialien als wärmespeicherndes Material verwendet werden.
Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zu Folge ist vorgesehen, dass das Wärmespeicherelement in der Gasdruckkammer angeordnet ist und ein Wärmespeicherelementvolumen aufweist, welches geringer als ein während eines Einfedervorgangs verbleibendes Minimalvolumen der Gasdruckkammer ist. Das Wärmespeicherelement wird dem zu Folge während eines Einfedervorgangs nicht von dem ersten Federelement und dem zweiten Federelement zusammengedrückt. Es wirkt lediglich der während eines Einfedervorgangs ansteigende Gasdruck der in der Gasdruckkammer befindlichen Gasmenge auf das Wärmespeicherelement ein. Die mechanische Struktur des Wärmespeicherelements kann dementsprechend so ausgelegt sein, dass das Wärmespeicherelement einerseits einem ausreichend hohen Gasdruck in der Gasdruckkammer standhalten kann, andererseits jedoch keine mechanische Kompression durch einen gleichzeitigen Kontakt mit dem ersten Federelement und mit dem zweiten Federelement während eines Einfedervorgangs aushalten muss.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das Wärmespeicherelement während eines Einfedervorgangs elastisch verformbar ist. Eine elastische Verformbarkeit kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass das Wärmespeicherelement als verformbarer Schaum oder als verformbares textiles Gelege oder Gewebe ausgebildet ist.
Optional kann dann vorgesehen sein, dass das Wärmespeicherelement in der Gasdruckkammer angeordnet ist und ein Wärmespeicherelementvolumen aufweist, welches größer als ein während eines Einfedervorgangs verbleibendes Minimalvolumen der Gasdruckkammer ist. Zweckmäßigerweise kann ein elastisch verformbares Wärmespeicherelement das gesamte Volumen der nicht von außen mit einer mechanischen Last beaufschlagten Gasdruckkammer ausfüllen. Es ist ebenfalls denkbar, dass das Wärmespeicherelementvolumen so vorgegeben wird, dass das Wärmespeicherelement bei einer überwiegenden Anzahl von bestimmungsgemäßen Einfedervorgängen nicht durch eine Kompression zwischen dem ersten Federelement und dem zweiten Federelement verformt wird, während das Wärmespeicherelement bei einer in seltenen Fällen darüber hinausgehenden Verformung eines maximalen oder nahezu maximalen Einfedervorgangs elastisch verformt wird.
Es hat sich gezeigt, dass es optional besonders vorteilhaft ist, dass das wärmespeichernde Material ein Metallmaterial ist. Dass Metallmaterial kann beispielsweise Aluminium oder Kupfer sein. Es kann auch jedes andere geeignete Metall oder auch ein Metallverbundwerkstoff als wärmespeicherndes Material verwendet werden. Das Metallmaterial ist zweckmäßigerweise in Form einer gasdurchströmbaren Trägerstruktur ausgebildet. Es können auch einzelne Bänder oder Fasern aus Metall verwendet und zu einer gasdurchströmbaren Trägerstruktur angeordnet oder miteinander verbunden sein. Weiterhin kann das wärmespeichernde Material eine Kombination mehrerer Metalle oder eines Metalls mit anderen Materialien aufweisen.
Durch eine geeignete Kombination eines wärmespeichernden Materials und insbesondere eines wärmespeichernden Metallmaterials mit einem geeigneten Adsorbent kann ein Hybridelement bereitgestellt werden, mit welchem die Steifigkeit der Gasfedereinrichtung über einen weiten Bereich von Schwingungsfrequenzen vorteilhaft beeinflusst und erheblich verringert werden kann. Durch das Anlagern des Adsorbents an das wärmespeichernde Material kann einerseits eine Beeinträchtigung oder Beschädigung des Adsorbents durch mechanische Beanspruchung reduziert oder sogar vollständig verhindert werden, und andererseits die synergistische Wirkung des Adsorbents und des wärmespeichernden Materials innerhalb des Hybridelements in vorteilhafterweise unterstützt, beziehungsweise verstärkt werden.
Die Erfindung betrifft auch verschiedene Verfahren zur Herstellung eines derartigen Hybridelements mit einem wärmespeichernden Material und mit einem Adsorbent zur Verwendung in einer Gasfedereinrichtung. Die erfindungsgemäße Gasfedereinrichtung kann ein Hybridelement aufweisen, welches mit einem der nachfolgend beschriebenen Verfahren oder aber mit einem beliebigen anderen Verfahren hergestellt ist. Die nachfolgend beschriebenen Verfahren eignen sich jedoch insbesondere für eine kostengünstige Herstellung eines besonders effektiven Hybridelements.
Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zur Folge ist vorgesehen, dass das Adsorbent in ein aushärtbares fluides Klebermaterial eingebracht wird, und dass das fluide und mit Adsorbent versehene Klebermaterial auf eine gasdurchströmbare Trägerstruktur aus dem wärmespeichernden Material aufgebracht wird, sodass nach einem Aushärten des fluiden Klebermaterials das Adsorbent auf einer Oberfläche der gasdurchströmbaren Trägerstruktur anhaftet. Die gasdurchströmbare Trägerstruktur kann beispielsweise ein offenporiger Kunststoffschaum oder ein offenporiger Metallschaum sein. Es sind auch andere gasdurchströmbare Trägerstrukturen denkbar, wie sie beispielsweise vorangehend beschrieben sind. Das Adsorbent kann in einer flüssigen Komponente des Klebermaterials suspendiert sein oder pulverförmig in das aushärtbare fluide Klebermaterial eingebracht werden. Die gasdurchströmbare Trägerstruktur kann in das mit Adsorbent versehene Klebermaterial eingetaucht werden. Es ist ebenfalls denkbar, dass das Fluide und mit dem Adosorbent versehene Klebermaterial auf die gasdurchströmbare Trägerstruktur aufgesprüht oder mit weiteren Hilfsmitteln wie beispielsweise Pinseln, Düsen oder Walzen aufgetragen wird. Das fluide Klebermaterial kann durch Trocknen zum Aushärten gebracht werden. Es ist ebenfalls denkbar, dass das fluide Klebermaterial durch Hitze oder beispielsweise durch Beleuchtung mit UV-Licht aktiviert und ausgehärtet wird. Nach dem Aushärten haftet das Adsorbent auf der mit dem fluiden Klebermaterial beschichteten Oberfläche der gasdurchströmbaren Trägerstruktur an. Das fluide Klebermaterial kann ebenfalls eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann vorgesehen sein, dass das wärmespeichernde Material aufgeschäumt wird und vor oder während des Aufschäumvorgangs das Adsorbent in das aufschäumende wärmespeichernde Material eingebracht wird. So kann beispielsweise das Adsorbent als pulverförmiges Material oder in einer geeigneten Flüssigkeit gelöst in das verflüssigte wärmespeichernde Material eingebracht werden, bevor oder während das zunächst flüssige wärmespeichernde Material aufgeschäumt und zu der gasdurchströmbaren Trägerstruktur verfestigt wird.
Es ist ebenfalls denkbar, dass das wärmespeichernde Material als Pulvermaterial mit dem Adsorbent vermischt und anschließend in einem Sintervorgang so verfestigt wird, dass das Pulvermaterial eine gasdurchströmbaren Trägerstruktur bildet. Das Adsorbent kann dabei ebenfalls pulverförmig sein. So kann beispielsweise eine durchschnittliche Korngröße aus dem wärmespeichernden Material hergestellten Pulvermaterials deutlich größer als eine durchschnittliche Korngröße des Pulvers aus Adsorbent sein. Bei einem anschließenden Sintervorgang wird das vermischte Pulver so verfestigt, dass zwischen den einzelnen Partikeln Freiräume verbleiben, durch welche das in der Gasdruckkammer befindliche Gas hindurch strömen kann. Das aus dem Adsorbent hergestellte Pulver mit der geringeren durchschnittlichen Korngröße lagert sich zwischen den durch den Sintervorgang miteinander verbundenen und verfestigten Partikeln des Pulvermaterials aus dem wärmespeichernden Material mit der größeren durchschnittlichen Korngröße an. Es ist ebenfalls möglich, dass das Pulvermaterial aus dem wärmespeichernden Material zunächst mit dem Adsorbent beschichtet wird oder das Adsorbent an einzelnen Partikeln des Pulvermaterials anhaftet, bevor der Sintervorgang durchgeführt wird.
Die drei vorangehend beschriebenen Herstellungsverfahren eignen sich jeweils für eine industrielle Herstellung eines Hybridelements mit vergleichsweise geringen Herstellungskosten. Die Verfahren können beispielsweise in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien für das Wärmespeicherelement und für das Adsorbent unterschiedlich vorteilhaft oder effizient sein und entsprechend ausgewählt werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:

1 eine schematische Schnittansicht einer exemplarisch als Rollbalgfeder ausgestalteten Gasfedereinrichtung mit einem in einer Gasdruckkammer angeordneten Hybridelement, wobei das Hybridelement nur ein Teilvolumen der Gasdruckkammer ausfüllt,
2 eine schematische Schnittansicht einer vergleichbar ausgestalteten Gasfedereinrichtung, wobei das Hybridelement die Gasdruckkammer vollständig ausfüllt,
3 eine schematische Schnittansicht einer in kolbenbauweise ausgestalteten Gasfedereinrichtung, und
4 eine schematische Darstellung verschiedener Steifigkeitsverläufe für Gasfedereinrichtungen in Abhängigkeit von einer von außen auf die Gasfedereinrichtung angeregten Schwingungsfrequenz.

In den 1 bis 3 sind verschiedene erfindungsgemäße Ausgestaltungen einer Gasfedereinrichtung 1 schematisch dargestellt. Ein erstes Federelement 2 ist als einseitig an einer Stirnseite verschlossener Hohlzylinder ausgebildet und umgibt eine Gasdruckkammer 3, die mit einer Gasmenge eines geeigneten Druckgases wie beispielsweise Luft befüllt ist. Bei den beiden in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Gasfedereinrichtung 1 jeweils als Rollbalgfeder ausgebildet. Ein in axialer Richtung in die Gasdruckkammer 3 hinein und wieder heraus verlagerbarer Druckstempel bildet ein zweites Federelement 4 und ist über einen flexiblen Rollbalg 5 gas- und druckdicht mit dem ersten Federelement 2 verbunden. Durch eine von außen auf den Druckstempel in einer mit einem Pfeil 6 angedeuteten Richtung einwirkende Kraft kann das zweite Federelement 4 in den Hohlzylinder hineingedrückt werden. Dadurch wird das Volumen der Gasdruckkammer 3 verringert und ein ansteigender Gasdruck der Gasmenge innerhalb der Gasdruckkammer 3 bewirkt, wodurch eine der von außen einwirkenden Kraft entgegenwirkende Federkraft erzeugt wird.
Bei dem in 1 exemplarisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der Gasdruckkammer 3 ein Hybridelement 7 angeordnet, welches nur einen Teil des Volumens der Gasdruckkammer 3 ausfüllt. Das Hybridelement 7 weist eine nicht näher dargestellte gasdurchströmbare Trägerstruktur aus einem wärmespeichernden Material auf, an der ein Adsorbent angelagert ist. Bei einem Einfedervorgang wird das zweite Federelement 4 in Richtung des ersten Federelements 2 in den Hohlzylinder hineingedrückt und dabei das für die darin eingeschlossene Gasmenge nutzbare Volumen der Gasdruckkammer 3 verringert, wodurch der Gasdruck der Gasmenge ansteigt. Mit ansteigendem Gasdruck wird ein Anteil der Gasmenge, nämlich eine Adsorptionsmenge des Arbeitsgases von dem Adsorbent des Hybridelements 7 adsorbiert, wodurch der Gasdruck sinkt bzw. weniger stark ansteigt. Durch den ansteigenden Gasdruck steigt auch die Temperatur des Arbeitsgases in der Gasdruckkammer. Ein Teil der dabei entstehenden Wärmeenergie wird von dem wärmespeichernden Material des Hybridelements 7 aufgenommen, welches sich rascher erwärmt als die Umgebung, bzw. als das erste Federelement 2 und das zweite Federelement 4, welche die Gasdruckkammer 3 umgeben und begrenzen. Da ein Anteil der in der Gasfedereinrichtung 1 gespeicherten Federenergie in das wärmespeichernde Material des Hybridelements 7 überführt wird, steigt der auch temperaturabhängige Gasdruck weniger stark an.
Beide Effekte führen im Ergebnis dazu, dass bei einem Einfedervorgang und einer dadurch bewirkten Verringerung des Volumens der Gasdruckkammer 3 ein geringerer Gasdruck der in der Gasdruckkammer 3 eingeschlossenen Gasmenge des Arbeitsgases erzeugt wird, als es bei einer Gasfedereinrichtung ohne das Hybridelement 7 in der Gasdruckkammer 3 der Fall wäre. Auf diese Weise kann eine Steifigkeit K der Gasfedereinrichtung 1 bei einem gleichbleibenden Bauraum reduziert werden. Durch die Kombination des Adsorbents und des wärmespeichernden Materials in dem Hybridelement 7 kann die Steifigkeit K der Gasfedereinrichtung 1 deutlich stärker reduziert werden, als es bei einer Verwendung eines Adsorbents oder eines wärmespeichernden Materials allein jeweils möglich ist.
In 2 ist eine zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel in vielen Details vergleichbare Variante der erfindungsgemäßen Gasfedereinrichtung 1 dargestellt, wobei auf die übereinstimmenden Merkmale nicht näher eingegangen wird. Das Hybridelement 7 weist abweichend zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine ebenfalls nicht näher dargestellte elastisch verformbare und gasdurchströmbare Trägerstruktur auf, die mit dem Adsorbent beschichtet ist. Das Hybridelement 7 füllt das Volumen der in 2 in einem mechanisch unbelasteten Zustand dargestellten Gasdruckkammer 3 vollständig aus. Bei einem Einfedervorgang wird das Hybridelement 7 zwischen dem ersten Federelement 2 und dem zweiten Federelement 4 zusammengedrückt und verformt. Das im Vergleich zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel größere Volumen des Hybridelements 7 führt bei der in 2 dargestellten Variante zu einer stärkeren Verringerung der Steifigkeit K der Gasfedereinrichtung 1.
In 3 ist lediglich zur Veranschaulichung eine Gasfedereinrichtung 1 in Kolbenbauweise dargestellt. Das zweite Federelement 4 ist ein in axialer Richtung relativ zu dem hohlzylinderförmigen ersten Federelement 2 verlagerbarer Druckkolben, der entlang eines Umfangsrandes des Druckkolbens mit einer Dichtungseinrichtung 8 gasdicht gegen den umgebenden Hohlzylinder des ersten Federelements 2 abgedichtet ist. Bei einer Verlagerung des Druckkolbens in axialer Richtung wird das Volumen der von dem ersten Federelement 2 und dem zweiten Federelement 4 begrenzten Gasdruckkammer 3 verringert oder vergrößert und der Gasdruck der darin eingeschlossenen Gasmenge des Arbeitsgases entsprechend erhöht oder erniedrigt. Das in der Gasdruckkammer 3 angeordnete und das Volumen der Gasdruckkammer 3 vollständig ausfüllende Hybridelement 7 verringert wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 die Steifigkeit K der in 3 gezeigten Gasfedereinrichtung 1.
In 4 sind schematisch verschiedene frequenzabhängige Verläufe einer willkürlich normierten Steifigkeit K/K₀ für verschiedene Gasfedereinrichtungen dargestellt. Dabei ist in dem Diagramm in 4 jeweils die dimensionslose und normierte Steifigkeit K/K0 in Abhängigkeit von einer Schwingungsfrequenz v in Hertz eingetragen, die einer von außen auf die Gasfedereinrichtung 1 ausgeübten periodischen Krafteinwirkung entspricht. Die Schwingungsfrequenz v ist dabei logarithmisch über die X-Achse des Diagramms dargestellt.
Für eine Gasfedereinrichtung, beispielsweise eine in 2 dargestellte Gasfedereinrichtung 1, ist eine zugeordnete Steifigkeit K/K0 für eine Variante ohne ein Adsorbent und ohne ein wärmespeicherndes Material in der Gasdruckkammer 3 mit einer durchgezogenen Linie 9 dargestellt. Die typische thermische Relaxationszeit der Gasfedereinrichtung 1 beträgt etwa 1000 s bzw. eine Viertelstunde. Für Schwingungen mit einer längeren Schwingungsdauer, also für einen bei einem Landfahrzeug untypischen Einfedervorgang, der deutlich länger als 100 s andauert, überwiegt die isothermische Zustandsänderung mit der Zustandsgleichung pV = const, sodass die normierte Steifigkeit K/K₀ dem Polytropenexponenten n=1 entspricht. Für kürzere Schwingungen mit einer Frequenz von mehr als 10^-3 Hz überwiegt die adiabatische Zustandsänderung, wobei die normierte Steifigkeit K/K₀ auf den für Luft als Arbeitsgas typischen Wert von γ=1,4 ansteigt.
Mit einer strichpunktierten Linie 10 wird schematisch der Verlauf der dimensionslosen Steifigkeit K/K₀ für eine Gasfedereinrichtung 1 dargestellt, in deren Gasdruckkammer 3 nur ein Adsorbent angeordnet ist. Die Steifigkeit K/K₀ kann über einen großen Frequenzbereich reduziert werden, wobei der Effekt vor allem bei Schwingungen mit einer erheblich längeren Schwingungsdauer als der thermischen Relaxationszeit, also einer Schwingungsdauer von mehr als 10.000 s, deutlich ist und die Steifigkeit K/K₀ auf einen Wert von weniger als 0,25 reduziert. Die thermische Relaxationszeit bei einer Gasdruckkammer 3 mit einem darin angeordneten Adsorbent verschiebt sich im Vergleich zu einer Gasdruckkammer 3 ohne Adsorbent zu längeren Relaxationsdauern, da bei der Adsorption Wärme freigesetzt wird und den thermischen Ausgleich verlangsamt. Dagegen ist der Effekt bei Schwingungen mit einer Frequenz von mehr als 10^-3 Hz merklich geringer ausgeprägt.
Mit einer strichdoppeltpunktieren Linie 11 wird schematisch der Verlauf der dimensionslosen Steifigkeit K/K₀ für eine Gasfedereinrichtung 1 dargestellt, in deren Gasdruckkammer 3 nur ein wärmespeicherndes Material angeordnet ist. Die Steifigkeit K/K₀ ist nur für Schwingungen mit einer kürzeren Schwingungsdauer als der thermischen Relaxationszeit, also für Schwingungen mit einer Frequenz von mehr als 10^-3 Hz, gegenüber der Steifigkeit K/K₀ der Gasfedereinrichtung 1 ohne das wärmespeichernde Material reduziert.
Mit einer strichdreifachpunktierten Linie 12 wird schematisch der Verlauf der dimensionslosen Steifigkeit K/K₀ für eine erfindungsgemäß mit einem Hybridelement 7 ausgestatteten Gasfedereinrichtung 1 dargestellt. Die Steifigkeit K/K₀ ist über einen weiten Bereich von 10^-8 Hz bis 100 Hz geringer als jede Steifigkeit K/K₀ der anderen Varianten. Insbesondere in einem beispielsweise für Fahrzeugfedereinrichtungen relevanten Frequenzbereich von 0,1 Hz bis mehr als 10 Hz ist die Steifigkeit K/K₀ geringer als jede andere Steifigkeit, die ohne das erfindungsgemäße Hybridelement 7 erreicht werden kann.

Claims

Gasfedereinrichtung (1) mit einem ersten Federelement (2) und mit einem zweiten Federelement (4), die über eine volumenvariable Gasdruckkammer (3) federnd miteinander in Wirkverbindung stehen, wobei eine in der Gasdruckkammer (3) befindliche Gasmenge mit einem Adsorbent der Gasfedereinrichtung (1) wechselwirken kann, sodass bei einem Einfedervorgang des ersten Federelements (2) relativ zu dem zweiten Federelement (4) während einer Verringerung des Volumens der Gasdruckkammer (3) eine Adsorptionsmenge der Gasmenge an dem Adsorbent adsorbiert wird und dadurch eine Steifigkeit der Gasfedereinrichtung (1) im Vergleich zu einer Gasfedereinrichtung ohne Adsorbent reduziert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Gasdruckkammer (3) befindliche Gasmenge mit einem Wärmespeicherelement der Gasfedereinrichtung (1), welches ein wärmespeicherndes Material aufweist, wechselwirken kann, sodass bei einer Veränderung des Volumens der Gasdruckkammer (3) Wärme zwischen der Gasmenge und dem Wärmespeicherelement übertragen wird und dadurch die Steifigkeit der Gasfedereinrichtung (1) zusätzlich reduziert ist.
Gasfedereinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeicherelement als ein Hybridelement (7) ausgebildet ist, welches das wärmespeichernde Material aufweist, an welchem das Adsorbent angelagert ist.
Gasfedereinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridelement (7) eine gasdurchströmbare Trägerstruktur aus dem wärmespeichernden Material aufweist.
Gasfedereinrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmespeichernde Material eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft, vorzugsweise als Wasser aufweist.
Gasfedereinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmespeichernde Material eine Wärmespeicherzahl von mehr als 1.000 kJ/(m³ K), vorzugsweise von mehr als 1.500 kJ/(m³ K)aufweist.
Gasfedereinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeicherelement in der Gasdruckkammer (3) angeordnet ist und ein Wärmespeicherelementvolumen aufweist, welches geringer als ein während eines Einfedervorgangs verbleibendes Minimalvolumen der Gasdruckkammer (3) ist.
Gasfedereinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeicherelement während eines Einfedervorgangs elastisch verformbar ist.
Gasfedereinrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeicherelement in der Gasdruckkammer (3) angeordnet ist und ein Wärmespeicherelementvolumen aufweist, welches größer als ein während eines Einfedervorgangs verbleibendes Minimalvolumen der Gasdruckkammer (3) ist.
Gasfedereinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmespeichernde Material ein Metallmaterial ist.
Verfahren zur Herstellung eines Hybridelements (7) mit einem wärmespeichernden Material und mit einem Adsorbent zur Verwendung in einer Gasfedereinrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbent in ein aushärtbares fluides Klebermaterial eingebracht wird, und dass das fluide und mit Adsorbent versehene Klebermaterial auf eine gasdurchströmbare Trägerstruktur aus dem wärmespeichernden Material aufgebracht wird, sodass nach einem Aushärten des fluiden Klebermaterials das Adsorbent auf einer Oberfläche der gasdurchströmbaren Trägerstruktur anhaftet.
Verfahren zur Herstellung eines Hybridelements (7) mit einem wärmespeichernden Material und mit einem Adsorbent zur Verwendung in einer Gasfedereinrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, dass das wärmespeichernde Material aufgeschäumt wird und vor oder während des Aufschäumvorgangs das Adsorbent in das aufschäumende wärmespeichernde Material eingebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Hybridelements (7) mit einem wärmespeichernden Material und mit einem Adsorbent zur Verwendung in einer Gasfedereinrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, dass das wärmespeichernde Material als Pulvermaterial mit dem Adsorbent vermischt und anschließend in einem Sintervorgang so verfestigt wird, dass das Pulvermaterial eine gasdurchströmbare Trägerstruktur bildet.