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Hydropneumatischer Stoßdämpfer für Fahrzeugaufhängungen Bei den verschiedenen,
für die Radaufhängung bei Kraftfahrzeugen in Frage kommenden Vorrichtungen ist es
notwendig, zwischen hydropneumatischen Stoßdämpfem einerseits und gedämpften pneumatischen
oder hydropneumatischen Federn, sogenannten Federbeinen, andererseits zu unterscheiden.
So stellen hydropneumatische Stoßdämpfer einfache, energievernichtende Bremsen dar,
die selber nicht wesentlich zur elastischen Abstützung des Fahrzeuggewichtes beitragen,
also nur eine geringe federnde Rückwirkung besitzen und daher stets nur gemeinsam
mit parallel zu ihnen geschalteten, herkömmlich ausgebildeten Fahrzeugfedern, wie
z. B. Schrauben-, Blatt- oder Torsionsfedem, für die Fahrzeugaufhängung verwendet
werden. Demgegenüber ist es die Aufgabe von gedämpften pneumatischen oder hydropneumatischen
Federn, das gesamte Fahrzeuggewicht oder zumindest den überwiegenden Teil desselben
elastisch abzustätzen. Dabei sind zur Erzielung der Federwirkung große Volumenänderungen
des in den pneumatischen Federungszylindem eingeschlossenen Druckgaspolsters erforderlich,
während bei hydropneumatischen Stoßdämpfem diese Volumenänderungen nur gering, nämlich
nur so groß sind, um das bei dem Ein- und Ausfahren der Kolbenstange verdrängte
Volumen der Dämpfungsflüssigkeit kompensieren zu können. Da hydropneumatische Federungen
die gesamte Fahrzeuglast züi tragen haben, wirkt -sich bei ihnen die thermische
Ausdehnung des Druckgases dahingehend aus, daß sich die Fahrzeughöhenlage sehr stark
mit der Temperatur ändert. Dieser als Thermometerwirkuiig bekannten Erscheinung
bei pneumatischen Fedem muß daher regelmäßig durch besondere Temperaturausgleichseinrichtungen
entgegengewirkt werden. Hydropneumatische Federungen einerseits und hydropneumatische
Stoßdämpfer andererseits haben also bei Fahrzeugaufhängungen ganz verschiedene Aufgaben
zu erfüllen, die auch entsprechend unterschiedliche Probleme mit sich bringen.
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Die Erfindung betrifft ausschließlich hydropneumatische Stoßdämpfer
für Fahrzeugaufhängungen mit nur geringer federnder Rückwirkung, die aus einem teilweise
mit Dämpfungsflüssigkeit und teilweise mit Druckgas gefüllten Zylinder bestehen,
einen darin im Bereich der Flüssigkeitsfüllung verschieblichen Kolben besitzen,
der für beide Richtungen durch Ventile gesteuerte Durchtrittsöffnungen für die Dämpfungsflüssigkeit
aufweist, sowie mit einem im Zylinder an dessen dem Kolbenstangendurchtritt gegenüberliegenden
Ende verschieblich angeordneten Trennorgan versehen sind, das den Druckgasraum vom
Flüssigkeitsraum abteilt. Bei einem bekannten hydropneumatischen Stoßdämpfer obiger
Art ist das zwischen dem Druckgasraum und dem Flüssigkeitsraum befindliche Trennorgan
als Schwimmkolben ausgebildet, der hier zur Beruhigung des Flüssigkeitsspiegels
während der Dämpferarbeit dienen soll. Zwischen dem Schwimmkolben und der Zylinderwand
des Stoßdämpfers ist ein Ringspalt vorgesehen, über den die von einem am Kolbenstangendurchtrittsende
angeordneten Rückschlagventil während der jeweiligen Kompressions-hübe des
Kolbens von außen angesaugte und durch die Kolben-Drosselöffnungen nach oben hindurchtretende
Luft in den oberhalb des Schwinimkolbens gelegenen Druckgasraum gelangen kann, um
hier eine entsprechende Druckaufladung zu bewirken. Da die hierzu erforderliche
Luft aber durch die Dämpfungsflüssigkeit hindurchgesaugt wird, bleibt ein Teil davon
in Lösung in der Dämpfungsflüssigkeit zurück, wodurch es bei der Dämpferarbeit züi
Schaumbildung und Emulgierung der Dämpfungsflüssigkeit kommt, die dessen Dämpfungsfähigkeit
sehr stark herabsetzt und unkontrolherbar macht. Dazu trägt weiter der Umstand bei,
daß auch die im Druckgasraum befindliche Luft über den zwischen Schwimnikolben und
Zylinderwand befindlichen Ringspalt in der Dämpfungsflüssigkeit in Lösung gehen
kann, wobei zu beachten ist, daß die Gaslöslichkeit der Dämpfungsflüssigkeit mit
steigendem Druck sehr stark zunimmt. Somit kommt es hier bei schnellen Stoßdämpferausschlägen
infolge ungenügenden Nachströmens der
Dämpfungsflüssigkeit von der
Druckseite des Kolbens auf die entlastete Seite zu Hohlraumbildung bzw. Kavitation
in der Dämpfungsflüssigkeit, bei der das gelöste Gas in Form von Blasen aus der
Flüssigkeft austritt. Diese sich hauptsächlich in der Nähe des Kolbens abspielenden
Vorgänge werden nur sehr langsam wieder rückgängig gemacht, so daß der Stoßdämpfer
in diesem Falle praktisch ständig mit einer verschäumten bzw. mit Gas emulgierten
Flüssigkeit, also unbefriedigend arbeiten muß.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten hydropneumatischen
Stoßdämpfer für Fahrzeugaufhängungen mit nur geringer federnder Rückwirkung dahingehend
zu verbessern und zu vervollkomninen, daß er die genannten Mängel nicht aufweist,
vielmehr so beschaffen ist, daß die Hohlraumbildung bei ihm nicht auftritt. Das
wird, ausgehend von dem hydropneumatischen Stoßdämpfer der oben beschriebenen Art,
erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Dämpfungsflüssigkeit ständig unter einem
hohen Druck von mindestens 5 att! steht und daß das zwischen dem Druckgasraum
und dem Flüssigkeitsraum befindliche Trennorgan in an sich bekannter Weise als die
beiden Räume gegeneinander abdichtende Trennwand ausgebildet ist. Für die Erfindung
ist also wesentlich, daß einmal der Gasdruck in dem Druckgasraum ständig mindestens
5 atü beträgt und zum anderen der Druckgasraum gegenüber dem Flüssigkeitsraum
einwandfrei abgedichtet ist. Letzteres ist deswegen von größter praktischer Bedeutung,
weil dadurch der in der Dämpfungsflüssigkeit von vornherein in Lösung befindliche
Gasanteil auf sein ursprüngliches Maß beschränkt, also unter allen beim Betrieb
des Stoßdämpfers auftretenden Bedingungen in Lösung bleibt, mithin bei Anwesenheit
eines hinreichend hohen Druckes im Gasraum und damit zugleich auch im Flüssigkeitsraum
eine Hohlraum- bzw. Kavitationsbildung in der Dämpfungsflüssigkeit unter allen Umständen
verhindert wird.
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In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß es bei hydropneumatischen
Stoßdämpfern bereits bekannt ist, die Hohlraumbildung in der Dämpfungsflüssigkeit
durch Anwendung eines genügend hohen Gasdruckes im Stoßdämpfer zu unterdrücken.
Dabei steht aber der Druckgasraum infolge Fehlens einer abdichtenden Trennwand mit
dem Flüssigkeitsraum in unmittelbarer Verbindung, so daß hier die Därapfungsflüssigkeit
eine dem jeweiligen Gasdruck entsprechend große Gasmenge gelöst enthält. Daher ist
hier ein sehr hoher Gasdruck erforderlich, um eine den praktischen Bedürfnissen
gerecht werdende Hohlraumbildung in der Dämpfungsflüssigkeit zu vermeiden bzw. eine
hinreichend gleichbleibende Dämpfungsfähigkeit auch im Bereich schnellerer Stoßdämpferausschläge
zu erzielen. Demgegenüber kann aber bei der erfindungsgemäß vorhandenen, gleichzeitigen
Anwesenheit einer abdichtenden Trennwand zwischen Druckgas- und Flüssigkeitsraum
der zur praktischen Vermeidung der Hohlraumbildung erforderliche Gasdruck wesentlich
niedriger gehalten werden, was nicht zuletzt auch im Hinblick auf die Abdichtungsschwierigkeiten
bei solchen Stoßdämpfern von großer praktischer Bedeutung ist.
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Für die mit der Erfindung verfolgten Zwecke bzw. die Erzeugung und
ständige Beibehaltung eines Mindestdruckes von 5 atü in der Dämpfungsflüssigkeit
sind federbelastete Ausgleichskolben, wie sie für einfach wirkende, hauptsächlich
nur beim Expansionshub des Kolbens wirksam werdende Stoßdämpfer bekannt sind, nicht
geeignet, da bei alleiniger Federbelastung der Ausgleichskolben bei den hier in
Frage kommenden Drücken nicht dicht gehalten werden kann. Letzteres ist vielmehr
nur möglich, wenn auf beiden Seiten des Dichtspaltes am Ausgleichskolben etwa der
gleiche Druck herrscht. Dies ist bei der Erfindung dadurch erreicht, daß der die
abdichtende Trennwand bildende und in an sich bekannter Weise mit einer Dichtung
versehene Ausgleichs- bzw. Schwinunkolben lediglich von dem hochgespannten Druckgaspolster
belastet ist.
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Bei hydraulisch gedämpften Luftfederungen ist es auch schon bekannt,
das als Tragfederkörper dienende Druckluftpolster ringförmig um die oben am Federungszylinder
herausgeführte Kolbenstange herum vorzusehen und dabei zwischen der Druckluft und
der im Federungszylinder eingeschlossenen Dämpfungsflüssigkeit einen Ringkolben
anzuordnen, der sowohl an der Zylinderwand als auch an der Kolbenstange abdichtend
anliegt, Dieser Ringkolben hat die Aufgabe, das Luftpolster von der Dämpfungsflüssigkeit
zu trennen, um die sonst an der Grenzfläche zwischen Druckluft und Dämpfungsflüssigkeit
auftretende Schaumbildung zu vermeiden. Der Ringkolben muß hier aber während der
Federungsarbeit vergleichsweise große Ausgleichshubbewegungen ausführen, was vermehrten
Verschleiß sowie große Dichtungsschwierigkeiten bedingt. Letztere sind hier vor
allem auch deswegen vorhanden, weil der Ringtrennkolben nicht nur gegen die Zylinderwand,
sondern zusätzlich auch gegen die Kolbenstange mit entgegengesetzter Relativbewegung
und großem Hub infolge seiner relativ kleinen Kolbenfläche dichten muß. Hinzu kommt
als weiterer Nachteil, daß hier auch die Austrittsöffnung der Kolbenstange, an dem
Federungszylinder unmittelbar gegen die in letzterem befindliche Druckluft abgedichtet
werden muß.
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Schließlich sind auch einfach dämpfende hydropneumatische Federbeine
bekannt, die aus zwei teleskopartig ineinandergreifenden Zylindern bestehen, die
mit Dämpfungsflüssigkeit und als Federungskörper dienendem Druckgas gefüllt sind,
wobei zwischen dem Druckgasraum und dem Flüssigkeitsraum ein Trennkolben vorhanden
ist. Abgesehen davon, daß es sich hier nicht um einen hydropneumatischen Stoßdämpfer
wie beim Erfindungsgegenstand, sondern um eine Gasfeder mit allen ihr im Hinblick
auf die Fahrzeugaufhängung anhaftenden Mängeln handelt, ist hier das von den beiden
Zylindern umschlossene Volumen nicht konstant, vielmehr vom jeweiligen Hub der beim
Federn teleskopartig ineinandergeschobenen Zylinder abhängig. Bei diesem vorbekannten
Federbein kann das Druckgas durch chemische Reaktion in den Federungszylindem erzeugt
werden, indem man einen oder mehrere entsprechend beschaffene Stoffe in den Zylindern
einbringt und diese sich dort chemisch umsetzen läßt.
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Das Füllen des hydropneumatischen Stoßdämpfers nach der Erfindung
mit Druckgas kann in herkömmlicher Weise über ein am Stoßdämpferzylinder befindliches
Füllventil erfolgen. Wesentlich vorteilhafter und einfacher ist es jedoch, wenn
zunächst durch Einschieben des Schwimmkolbens, vorzugsweise mittels des Stoßdämpferkolbens,
in den Zylinder das vor dem Schwimmkolben im Zylinderinneren befindliche Gas komprimiert,
danach die Dämpfungsflüssigkeit in den hinter den Schwimmkolben befindlichen, den
Stoßdämpferkolben
enthaltenden Zylinderraum eingefüllt und schließlich
der Zylinder an seinem von der Kol-,benstange durchdrungenen Ende verschlossen wird.
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Eine weitere Möglichkeit, den hydropneumatischen Stoßdämpfer nach
der Erfindung mit dem notwendigen Druckgas zu füllen, besteht darin, daß vor dem
Einschieben des Schwimmkolbens in den Zylinder ein bei der Normaltemperatur verdampfender
Stoff in festem oder flüssigem Aggregatzustand eingebracht wird, der bei seiner
anschließenden Verflüchtigung den gewünschten Gasdruck erzeugt.
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Weitere Einzelheiten des Stoßdämpfers nach der Erfindung seien an
Hand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei
zeigt Fig. 1 eine erste Ausführungsform des neuen Stoßdämpfers in axialem
Längsschnitt, Fig. 2 eine für den Schwimmkolben in Fig. 1 verwendete Dichtungsseheibe
in der Aufsicht sowie im Schnitt und Fig. 3 eine zweite Ausführungsforin
des Stoßdämpfers in längsgeschnittener Teilansicht.
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Der in Fig. 1 abgebildete hydropneumatische Stoßdämpfer besteht
im wesentlichen aus einem teilweise mit Dämpfungsflüssigkeit L und teilweise mit
Druckgas A gefüllten Zylinder C, einem darin im Bereich der Flüssigkeitsfüllung
verschieblichen Kolben K, der für beide Richtungen durch nicht dargestellte Ventile
gesteuerte Durchtrittsöffnungen für die Dämpfungsflüssigkeit aufweist, also doppelt
wirkend ist, und einer im Zylinder an dessen dem Durchtritt für die Kolbenstange
St gegenüberliegenden Ende verschieblich angeordneten Trennwand, die den Druckgasraum
A
gegenüber dem Flüssigkeitsraum L abdichtet. Diese Trennwand ist in Form
eines aus Metall oder Kunststoff bestehenden, mit einer Dichtung E versehenen
Kolbens P ausgebildet, der durch den im Raum A
herrschenden hohen Gas- bzw.
Luftdruck so - stark gegen die Dämpfungsflüssigkeit L gedrückt wird, daß
letztere ständig unter einem Druck von mindestens 5 atü steht. Da auf beiden
Seiten des im Zylinder axial verschieblichen SchwimmkolbensP der gleiche Druck herrscht,
bereitet die Abdichtung dieses Trennorgans keine Schwierigkeiten.
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Um für das einwandfreie Arbeiten der die beiden Räume A und
L gegeneinander abdichtenden Trennwand die Reibung ihrer Dichtung so gering wie
möglich zu halten, wird dafür vorzugsweise eine in der Mitte durchbrochene, flache
Gummischeibe E mit einer Dicke e von annähernd 2 bis 3 mm verwendet,
wobei der Unterschied zwischen ihrem äußeren Halbmesser R und ihrem inneren Halbmesser
r im Verhältnis zu ihrer Dicke e vergleichsweise groß ist (Fig. 2). Diese Dichtscheibe
E kann entweder in eine Nut des Kolbens P eingesetzt oder aber am Kolbenboden
mittels einer Metallscheibe D befestigt werden,. welche ihrerseits mittels
einer mittig angeordneten Schraube oder eines Niets B am Kolben P befestigt ist.
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Gemäß einer weiteren, besonders einfachen Ausführungsform kann der
ganze Trennkolben auch aus einem einfachen gepreßten Gummiteil bestehen, das die
in Fig. 3 dargestellte Form eines Bechers G hat. Unter Umständen kann
es sogar genügen, den Dichtkolben zwischen der Dämpfungsflüssigkeit L und dem Druckgas
A durch einen einfachen Schwimmer zu ersetzen, der beispielsweise aus einer
Kork- oder Schaumgummischeibe bestehen kann. Dabei ist es jedoch erforderlich, daß
der Stoßdämpfer annähernd senkrecht steht und der Zylinderboden H sich oben befindet,
was bei den anderen Ausführungsformen für den Schwimmkolben P bzw. G nicht
notwendig ist.
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Zum Auffüllen des Stoßdämpfers mit Druckgas oder Druckluft kann
- wie in Fig. 1 dargestellt -
ein Füllventil verwendet werden,
das in der Mitte des Gewindebolzens T anzuordnen ist, mit dem die meisten der gegenwärtig
verwendeten Stoßdämpfer für ihre Befestigung an der Achse oder am Fahrgestellrahmen
ausgerüstet sind. Der Befestigungsstutzen T ist zu diesem Zweck von einem Kanal
a durchsetzt, der an seinem inneren Ende mit dem eigentlichen, beispielsweise aus
der Kugel b und der Schraubenfeder d bestehenden Füllventil versehen
ist. An seinem oberen Ende kann der Kanal a nach dem Füllen entweder durch Schweißung
oder mittels einer Schraube V verschlossen werden, unterhalb derer eine Dichtungsscheibe
j liegt.
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Wesentlich vorteilhafter ist es aber, wenn man das Füllventil ganz
wegläßt (Fig. 3) und zum Füllen des Stoßdämpfers wie folgt verfährt: Nachdem
zunächst die Abschlußwand H auf den Zylinder C aufgeschweißt worden ist,
wird der mit einer Dichtung versehene Kolben P bzw. G am anderen Ende in
den Zylinder eingeführt. Er kann dann mit Hilfe des von der Kolbenstange St getragenen
Stoßdämpferkolbens K so weit eingeschoben werden, bis er in eine nur einige Zentimeter
vom Boden H entfernte Stellung gelangt, wodurch die gesamte, ursprünglich im Zylinder
C befindliche Luft unter hinreichend hohem Druck auf ein verringertes Volumen
verdichtet wird. Wenn man dann den Stoßdämpfer stürzt, so daß sich die Abschlußwand
H unten befindet, kann der Zylinder mit öl gefüllt werden. Daraufhin wird
die Dichtung r eingesetzt und durch einfaches Umbördeln des Randes des Zylinders
C befestigt.- Der Stoßdämpfer ist dann einerseits mit Dämpfungsflüssigkeit
und andererseits mit genügend komprimierter Luft gefällt, also betriebsfertig.
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Bei diesem Verfahren läßt sich beim Füllen des Dämpfers jeder gewünschte
Gasdruck erzielen, wenn vor dem Einschieben des Schwimmkolbens in den Zylinder ein
bei der Normaltemperatur verdampfender Stoff in festem oder flüssigem Aggregatzustand
eingebracht wird, der bei seiner anschließenden Ver-
flüchtigung den gewünschten
Gasdruck erzeugt. Hierzu können beispielsweise einige Stückchen Trockeneis verwendet
werden.
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Für den hydropneumatischen Stoßdämpfer nach der vorliegenden Erfindung
ist vor allem wesentlich, daß die Dämpfungsflüssigkeit L ständig unter einem Druck
von mindestens 5 atü steht und daß zwischen dem Druckgasraum A und
dem Flüssigkeitsraum L eine die beiden Räume gegeneinander abdichtende Trennwand
vorhanden ist. Letztere stellt sicher, daß die in der Dämpfungsflüssigkeit gelöste
Gasmenge auf ein Mindestmaß beschränkt bleibt, also nicht etwa zusätzliches Gas
aus dem Druckgasraum in die Dämpfungsflüssigkeit in Lösung gehen kann. Auf
diese Weise kann, wie auch die Praxis erwiesen hat, bereits mit vergleichsweise
geringen Gasdrücken, nämlich schon über 5 atü, die sonst bei Stoßdämpfern
auftretende Hohlraumbildung in der Dämpfungsflüssigkeit, die zu einer Herabsetzung
ihrer Dämpfungsfähigkeit und zu störenden Kolbenschlägen bzw. -geräusehen, mithin
zu entsprechenden Beeinträchtigungen des Fahrkomforts führen, mit Sicherheit verhindert
werden. So hat es sich gezeigt, daß bei den bestehenden
Fahrzeuggewichten,
der in der Praxis als wichtig erkannten Federungscharakteristik, den notwendigen
Federungsausschlägen, dem erforderlichen Dämpfungsgrad zum raschen Abklingen der
Schwingungen und den praktisch möglichen Dämpferabmessungen zwar ein Mindestdruck
von 5 atü notwendig ist, um Kavitation mit ihren schädlichen Folgen sicher
zu vermeiden, daß aber dieser Gas- bzw. Flüssigkeitsdruck noch weit unterhalb jener
Drücke liegt, die bei Fehlen einer Trennwand zwischen Druckgas- und Flüssigkeitsraum
zur hinreichenden Vermeidung von Kavitationserscheinungen aufgewendet werden müßten.
Dabei ist weiter wesentlich, daß der hydropneumatische Stoßdämpfer nach der Erfindung
doppelt wirkend ist, also einen in beiden Bewegungsrichtungen eine Bremswirkung
von praktisch gleicher Stärke oder gleicher Größenordnung hervorrufenden Dämpfungskolben
besitzt. Es hat sich nämlich gezeigt, daß entgegen einer weit verbreiteten Ansicht
Fahrzeug-Stoßdämpfer nicht nur während ihres Expansionshubes, sondern auch beim
Kompressionshub ihres Kolbens einen hinreichend großen Bremswiderstand liefern müssen,
da andernfalls der mit ihnen angestrebte Fahrkomfort nicht erreicht würde. Gerade
beim Kompressionshub, bei dem also der Kolben in Richtung auf das zumeist im oberen
Ende des Stoßdämpferzylinders untergebrachte Gaspolster zu bewegt wird, ist aber
die Gefahr der Hohlraumbildung besonders groß, und zwar wegen des sich beim Einfahren
des Kolbens rasch vergrößernden Flüssigkeitskammervolumens auf der Arbeitskolben-Unterseite.
Bei der Verwendung einer abdichtenden Trennwand zwischen Druckgas- und Flüssigkeitsraum
und gleichzeitiger Anwendung eines ständigen Mindestdruckes von 5 atü im
Stoßdämpferzylinder kann aber auch diese Hohlraumbildung wirksam unterdrückt bzw.
ein völliges Stoßdämpfer-Arbeitsdiagramm erreicht werden.
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Wie theoretische und durch die Praxis bereits hinreichend bestätigte
überlegungen zeigen, gilt der erfindungsgemäß vorgesehene Mindestdruck bei Stoßdämpfern
angemessener Größe für gewöhnliche Personenkraftwagen, deren Leergewicht annähernd
1000
bis 1500 kg beträgt. Bei Fahrzeugen, deren Gewicht hiervon wesentlich
abweicht, z. B. bei Lastkraftwagen, wird man unter Berücksichtigung der Tatsache,
daß Stoßdämpferzylinder größeren Durchmessers verwendet werden können, diesen Mindestdruck
entsprechend höher wählen.