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Die Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Aus der
DE-OS 22 30 975 ist ein Schwingungsdämpfer für Kraftfahrzeuge
bekannt, der an einer hohl ausgeführten Kolbenstange einen ersten ortsfesten
Kolben und einen zweiten, axial gegen eine Federkraft verschiebbaren
Kolben aufweist. Beide Kolben verfügen über Durchlassöffnungen,
die mit Rückschlagventilen
bestückt
sind. Die Dämpfkraft des
Schwingungsdämpfers
wird von einem zentralen, doppeltwirkenden Dämpfventil innerhalb der Kolbenstange
erzeugt. Die Rückschlagventile
in den Kolben dienen lediglich dazu, einen Arbeitsraum zwischen
den beiden Kolben mit Dämpfmedium
zu versorgen, wenn der zweite Kolben eine Axialbewegung ausführt und
sich der Kolbenabstand und damit der besagte Arbeitsraum verändert.
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Aus der
DE 39 39 650 C2 ist eine
hydraulische Dämpferanordnung
bekannt, bei der ein Kolben axial federnd an einer Kolbenstange
befestigt ist. Die Kolbenstange ist radseitig und der Zylinder der Dämpferanordnung
ist aufbauseitig befestigt, so dass der Kolben als Tilgen wirken
kann. Ein Problem bei einer derartigen Dämpferanordnung besteht darin,
dass deutlich vernehmbare Betriebsgeräusche auftreten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, einen Schwingungsdämpfer
zu realisieren, der bei hochfrequenten Anregungen einen Komfortvorteil
im Vergleich zu einem konventionellen Schwingungsdämpfer bietet,
wobei der Schwingungsdämpfer
bei vergleichbarer Hublänge
eine annähernd
gleiche Baulänge
aufweisen soll.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass
konzentrisch außerhalb,
zumindest auf einem Abschnitt des Zylinders der Ausgleichsraum ausgeführt ist,
der mit mindestens einem der Arbeitsräume hydraulisch verbunden ist.
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Die Verwendung von mindestens zwei
Kolben bedingt einen im Vergleich zu einem konventionellen Schwingungsdämpfer längeren Zylinder
oder einer reduzierten Hublänge.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung
des Ausgleichsraums kann dieser vermeintliche Nachteil behoben werden.
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Dazu kann vorgesehen sein, dass der
Zylinder von einem Behälterrohr
eingehüllt
wird, wobei ein zwischen dem Zylinder und dem Behälterrohr
verlaufender Ringraum den Ausgleichsraum bildet.
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Alternativ besteht die Möglichkeit,
dass der Zylinder von einer elastischen Membran eingehüllt wird,
die zusammen mit dem Zylinder den Arbeitsraum bildet. Eine derartige
Membran bildet nicht nur den Ausgleichsraum, sondern sorgt gleichzeitig
für eine
Druckvorspannung im Schwingungsdämpfer.
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Um das für eine ausreichende Dämpfkraft notwendige
Druckniveau im Schwingungsdämpfer reduzieren
zu können,
ist in einer Strömungsverbindung
zwischen einem der Arbeitsräume
des Zylinders und dem Ausgleichsraum mindestens eine Drossel ausgeführt. Das
von der Drossel erzeugte Druckgefälle ermöglicht einen geringeren Systemdruck
im Ausgleichsraum. Damit sinkt die Belastung im Ausgleichsraum und
eine Ausschubkraft auf die Kolbenstange. Die Drossel kann von einer
einfachen Öffnung
oder von einem mit Ventilscheiben bestückten Ventil gebildet werden.
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Des weiteren kann vorgesehen sein,
dass im Ausgleichsraum mindestens ein druckvorgespanntes Ausgleichskissen
angeordnet ist. Das Ausgleichskissen kann als zelliger Körper oder
auch als ein Gaskissen ausgeführt
sein.
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Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll
die Erfindung näher
beschrieben werden.
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Es zeigt:
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1 Schwingungsdämpfer in
Einrohrbauweise mit axial beweglichem Kolben
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2a u. 2b Detailansicht zur 1
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3 Alternativausführung zur 1
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4 Alternativlösung zum
Ausgleichsraum gemäß der 1
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Die
1 zeigt
einen Schwingungsdämpfer
1,
der einen Zylinder
3 aufweist, in dem eine Kolbenstange
5 axial
beweglich geführt
ist. An der Kolbenstange
5 ist ein erster Kolben
7 ortsfest
angeordnet. Der Kolben verfügt über Durchlassöffnungen,
die mit Dämpfventilen
9;
11 bestückt sind.
Ein derartigen Kolben ist beispielsweise aus der
DE 197 35 249 C1 oder
DE 197 35 248 C1 bekannt,
wobei der Inhalt dieser beiden Patente im Hinblick auf den Aufbau
des ersten Kolbens Teil dieser Beschreibung sein soll.
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Zu dem ortsfesten ersten Kolben 7 ist
an der Kolbenstange 5 ein zweiter, axial beweglicher Kolben 13 angeordnet.
Der zweite Kolben 13 entspricht mit seinen Dämpfventilen 15; 17 in
seinem wesentlichen Aufbau dem ersten Kolben 7. Zwei Rückstellfedern 19; 21 halten
den zweiten Kolben 13 bei stationärer Kolbenstange in einer Normallage.
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Insgesamt verfügt der Zylinder über 3 Arbeitsräume. Ein
erster kolbenstangenferner Arbeitsraum 23 erstreckt sich
von einem Ausgleichsraum 25 bis zum ortsfesten Kolben 5.
Ein zweiter Arbeitsraum 27 besteht zwischen den beiden
Kolben. Der zweite Kolben 13 begrenzt einen kolbenstangenseitigen
Arbeitsraum 29. Alle Arbeitsräume sind mit einem Dämpfmedium
gefüllt.
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Bei einer Ausfahrbewegung der Kolbenstange
baut sich im Arbeitsraum 29 ein Staudruck vor dem Dämpfventil 15 auf.
Ein kleiner dauernd geöffneter,
nicht dargestellter Voröffnungsquerschnitt
ermöglicht
einen Dämpfmediumübertritt
vom Arbeitsraum 29 in den Arbeitsraum 27. Je nach
Geschwindigkeit der ausfahrenden Kolbenstange und dem damit verbundenen
Staudruck im Arbeitsraum 29 bewegt sich der zweite Kolben 13 gegen
die Kraft der Rückstellfeder 21 in
Richtung des ersten ortsfesten Kolbens 7. Dadurch verkleinert
sich der Abstand zwischen den beiden Kolben und der Arbeitsraum 27 verkleinert sich
im selben Maße,
wobei Dämpfmedium
zumindest durch einen ebenfalls nicht dargestellten Voröffnungsquerschnitt
des Dämpfventils 9 strömt. Je nach Abhängigkeit
des Kolbenstangenhubes kann die Rückstellfeder 21 auf
Block gehen oder eine Führungshülse 31 des
zweiten Kolbens 13 stützt
sich auf dem ersten Kolben ab. Bei kleinen hochfrequenten Hüben, wie
sie z. B. bei Überfahren
einer Kopfsteinpflasterstraße
auftreten, wirkt der zweite Kolben 13 aufgrund seiner Axialbeweglichkeit
nur mit seinem Voröffnungsquerschnitt.
Man kann allerdings auch eine Auslegung der Rückstellfeder und der Dämpfventile 15; 17 vornehmen,
die nur einen sehr kleinen Voröffnungsquerschnitt
aufweisen und insgesamt auf große
Dämpf kräfte ausgelegt
sind, so dass bei der beschriebenen Anregung nur ein Dämpfmediumaustausch
zwischen dem Arbeitsraum 27 und 23 stattfindet.
Wenn man sich vorstellt, dass das Dämpfmedium inkompressibel ist
und das Dämpfventil 15 im
Extremfall vollständig
geschlossen ist, dann erzeugt nur der erste Kolben mit seinem Dämpfventil 9 eine Dämpfkraft.
Die Kolbenstange bewegt sich dann zusammen mit dem ersten Kolben
relativ zu dem stillstehenden zweiten Kolben, der sich an der Säule des Dämpfmediums
im Arbeitsraum 29 abstützt.
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Damit wird ein Effekt erzielt, als
wenn die Rückstellfeder 21 eine
Zuganschlagfeder wäre,
die sich an einem ortsfesten Anschlag, z. B. einer Kolbenstangenführung abstützt. Messbar
ist dann in Summe die Dämpfkraft
des ersten Kolbens und eine Federkraft der Rückstellfeder 21. Bei
einem Fahrzeug mit jeweils mindestens einem Schwingungsdämpfer pro
Rad und Achse tritt die Wirkung auf, dass bei einer Wankbewegung
des Fahrzeugs um seine Längsachse
an einer Fahrzeugseite eine ausfahrende und an der anderen Fahrzeugseite
eine einfahrende Kolbenstange mit identischen Hubgeschwindigkeiten
vorliegt. Wenn die Kolbenstange bei einer sehr schnellen Ausfahrbewegung
des einen Schwingungsdämpfer
von dem zweiten Kolben durch die Rückstellfeder 21 abgefedert
wird, dann wird die einfahrende Kolbenstange an der anderen Fahrzeugseite
von der Rückstellfeder 19 abgefedert.
Beide Federkräfte
der Rückstellfedern 19; 21 stellen
ein Moment dar, dass dem Wankmoment entgegenwirkt und dass Fahrzeug
in die Horizontallage zurückbewegen will.
Man kann diese Wirkung auch zwischen den Schwingungsdämpfern der
Vorderachse und der Hinterachse eines Fahrzeugs beim Brems- oder
Anfahrnicken ausnutzen.
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Bei größeren Kolbenstangenhüben in Verbindung
mit einer geringeren Kolbenstangengeschwindigkeit wird der zweite
Kolben bis zu einem Anschlag bewegt, der von der Blocklänge der
Rückstellfedern
oder der Führungshülse 31 bestimmt
wird. In Abhängigkeit
der Kolbenstangengeschwindigkeit öffnen sich die Dämpfventile 15, 17 des
zweiten Kolbens und die Dämpfventile 9; 11 des
ersten Kolbens.
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Zu den Rückstellfedern ist noch anzumerken,
dass man auch Federpakete oder progressive Federn einsetzen kann,
damit man keinen spürbaren Anschlag
des zweiten Kolbens feststellen muss. Des weiteren errechnet sich
die Federrate der beiden Rückstellfedern 19; 21 aus
der Summe der Einzelfederraten. Damit stellt sich eine Abhängigkeit
der beiden Rückstellfedern
für die
beiden Axialbewegungsrichtungen des zweiten Kolbens 13 ein.
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Die 2a und 2b zeigen den ersten und zweiten
Kolben der 1 in einer
Detailansicht, wobei zusätzlich
ein Dämpfkraftversteller 33 verwendet wird.
Des weiteren ist ein Federteller 35 für die Rückstellfeder 19 axial
zur Kolbenstange beweglich gelagert.
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Der Dämpfkraftversteller ist Teil
einer Stützscheibe 37 des
Kolbens 7, wobei die Stützscheibe
einen Federteller für
die Rückstellfeder 21 bildet.
Ein umlaufender Rand des Federtellers stellt einen Anschlag 38 dar,
der auf mindestens eine Ventilscheibe 39 des Dämpfventils 15 einwirkt
und den wirksamen Querschnittsbereich der Durchlassöffnung steuert, indem
der Abhubweg der Ventilscheibe 39 begrenzt wird. Damit
wird eine zusätzliche
Dämpfkraftsteigerung
erreicht, wenn der zweite Kolben 13 seine maximale Endlage
in Richtung des ersten Kolbens erreicht hat.
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Zusätzlich kann der Schwingungsdämpfer eine
Anschlagfeder 41 aufweisen, die in Abhängigkeit der Hublage der Kolbenstange
mit dem Federteller 35 in Wirkverbindung tritt. Die Federkraft
der Anschlagfeder 41 ist größer als die Kraft der Rückstellfeder 19,
so dass der zweite Kolben 13 mit seinem Dämpfventil 15 in
Richtung des Dämpfkraftverstellers 33 verschoben
wird. Neben der mechanischem Abstützkraft der Anschlagfeder erreicht
man eine erhöhte
hydraulische Dämpfkraft,
ohne dass ein separater hydraulisch-mechanischer Anschlag eingesetzt
werden muss.
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Zwischen dem Federteller 35 und
einem Sicherungsring 43 können Einstellhülsen angeordnet sein,
um die Federkräfte
der Rückstellfedern
durch eine erhöhte
Vorspannung zu vergrößern.
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Die 3 stellt
eine Abwandlung zu den 1 dar.
Es wurde bereits erklärt,
dass sich die Rückstellfedern
hinsichtlich der Gesamtfederrate in einem Abhängigkeitsverhältnis befinden,
da sich die Gesamtfederrate als Summe der Einzelfederraten der Rückstellfedern
ergibt. Man kann sich aber auch Anwendungen vorstellen, bei denen
z. B. die Dämpfkraft
in Ausfahrrichtung der Kolbenstange sehr viel größer sein soll als in Einfahrrichtung.
Selbstverständlich
kann man das auch über
die Ventilbestückung
der Dämpfventile 9; 11, 15 und 17 erreichen.
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Man kann aber auch, wie in 3 dargestellt, zwei zusätzliche
axial bewegliche Kolben 13a, und 13b verwenden,
die jeweils eine Rückstellfeder 19; 21 aufweisen,
die in ihrer Federkraft unabhängig ist
von der jeweils anderen Rückstellfedern
oder bei der Anwendung von mehreren Rückstellfedern auch vom jeweils
anderen Federpaket. Die Funktionsweise unterscheidet sich ansonsten
nicht von der Ausführung
nach 1. Ergänzend besteht
die Möglichkeit,
dass in Ein- und in Ausfahrrichtung eine Anschlagfeder 41 eine
Verschiebung der Kolben 13a oder 13b bewirkt und
jeweils ein Dämpfkraftversteller 33 für die Dämpfventile 15; 17 wirksam
wird.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die Kolbenstange
bei einem Kraftfahrzeug radseitig angebunden ist. Dann kann der
axial bewegliche Kolben als schwingende Masse frequenzabhängig eingesetzt werden.
Der ortsfeste erste Kolben übernimmt
eine Grunddämpfung,
damit keine Dämpfungsgeräusche entstehen.
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Das in den 1 bis 3 dargestellte
Dämpfungssystem
mit den mindestens zwei Kolben benötigt in Abhängigkeit des vorgesehenen Verschiebeweges
der oder des Kolbens) u. U. einen größeren axialen Bauraum als konventionelle
Ausführungen.
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In der 1 ist
deshalb vorgesehen, dass der Ausgleichsraum 25 konzentrisch
außerhalb
des Zylinders 3 von einem Behälterrohr 45 gebildet
wird. Der Ausgleichsraum enthält
ein Gaspolster 47, das das Dämpfmedium in den Arbeitsräumen 23; 27; 29 vorspannt.
Im Vergleich zu einem klassischen Einrohr-Schwingungsdämpfer, bei dem der Ausgleichsraum
in Achsrichtung verläuft,
wird die Baulänge
für den
Ausgleichsraum zum größten Teil
eingespart.
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Um den Druck des Gaspolster 47 auf
einem vergleichsweise niedrigen Niveau zu halten, besteht zwischen
dem Ausgleichsraum 25 und dem Arbeitsraum 23 eine
Strömungsverbindung 49,
die als Drossel dimensioniert ist. Bei einer Einfahrbewegung der Kolbenstange
wird das Dämpfmedium
im Arbeitsraum 23 komprimiert und durch die Dämpfventile
verdrängt.
Dabei sorgt das Gaspolster 47 für die entsprechenden Druckvorspannung
und der zu überwindende
Druckunterschied, der notwendig ist, um das Dämpfmedium vom Arbeitsraum 23 in
den Ausgleichsraum zu verdrängen, überlagert
sich mit der Wirkung des Gaspolsters. Die Drossel ist wiederum derart
ausgelegt, dass das Gaspolster bei einer Ausfahrbewegung der Kolbenstange
das verdrängte Dämpfmediumvolumen
entsprechend der ausfahrenden Kolbenstange aus dem Ausgleichsraum 25 in den
Arbeitsraum 23 zurückdrücken kann.
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Um den Verband aus Behälterrohr 45 und Zylinder 3 radial
und axial zu verspannen, verfügt
ein Boden 51 des Behälterrohres 45 über einen
Zentrierabsatz 53 und eine Stützfläche 55 für den Zylinder 3. Eine
Kolbenstangenführung 57 im
Zylinder 3 zentriert das Behälterrohr 45 an der
Ausfahrseite der Kolbenstange 5 aus dem Schwingungsdämpfer, wobei
zur axialen Verspannung eine Formschlussverbindung 59 zwischen
der Kolbenstangenführung 57 und
dem Behälterrohr 45 vorliegt.
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Die 4 stellt
eine Abwandlung der 1 bezogen
auf die Gestaltung des Ausgleichsraums 25 dar. In der 4 sind zwei Varianten des
Ausgleichsraums enthalten. Im linken Halbschnitt ist im Ausgleichsraum 25 anstelle
eines offenen Gaspolsters ein druckvorgespanntes Ausgleichskissen 61 angeordnet.
Das Aus gleichskissen kann z. B. aus einer gasdichten Folie, ggf.
mit mehrlagigem Aufbau, bestehen, die, das Gaspolster 47 einschließt. Es besteht
jedoch auch die Möglichkeit,
das ein elastischer, beispielsweise zelliger Formkörper verwendet wird.
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Im rechten Halbschnitt ist das Behälterrohr nur
auf einem unteren Abschnitt des Zylinders 3 beschränkt. Das
Behälterrohr 45 verspannt
mit dem Zylinder 3 eine elastische Membran 63,
die den Ausgleichsraum 25 von einem Gaspolster 47 trennt.
Man kann die Membran auch derart auslegen, dass allein die Eigenspannung
der Membran eine Druckvorspannung auf das Dämpfmedium im Ausgleichsraum 25 ausübt und das
Behälterrohr
lediglich eine Anlagefläche
für die
Membran bei extremster Belastung darstellt.
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Zusätzlich soll mit der 4 die Möglichkeit beschrieben werden,
dass die Drossel in der Strömungsverbindung
zwischen dem Arbeitsraum 23 und dem Ausgleichsraum als
ein Bodenventil 65 ausgeführt sein kann, das mit Ventilscheiben
bestückt
sein kann, um eine besondere Dämpfkraftkennlinie
zu erreichen. Für
die Strömungsrichtung
vom Ausgleichsraum 25 in den Arbeitsraum 23 kann
man eine Rückschlagventil 67 vorsehen.
Die Druckvorspannung im Ausgleichsraum wirkt auch auf die Unterseite
des Bodenventils 65. Folglich muss der Ventilkörper des
Bodenventils 65 als Belastung nur dem Druckunterschied
zwischen dem Arbeitsraum 23 und dem Ausgleichsraum 25 dauerhaft
standhalten, so dass ein vergleichsweise dünner Ventilkörper verwendet
werden kann.