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Die
Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer mit einem zylindrischen
Gehäuse
und einem darin koaxial verschiebbar angeordneten Kolben, der mit
einer ersten Stirnseite und einer ersten Stirnwand des Gehäuses einen
ersten Arbeitsraum und mit einer zweiten Stirnseite und einer zweiten
Stirnwand des Gehäuses
einen zweiten Arbeitsraum begrenzt, wobei infolge einer Druckdifferenz
zwischen den beiden Arbeitsräumen
ein Arbeitsfluid unter Drosselwirkung von dem Arbeitsraum mit dem
höheren
Druck in den Arbeitsraum mit dem niedrigeren Druck überströmt und wobei
der Kolben mit einer Kolbenstange verbunden ist, die eine Stirnwand
des Gehäuses
abgedichtet durchdringt.
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Derartige
Schwingungsdämpfer,
die häufig auch
als sogenannte Dämpfungszylinder
bezeichnet werden, zählen
zum allgemein bekannten und seit Jahrzehnten bewährten Stand der Technik. Ihr
Einsatz erfolgt in der Regel dort, wo periodisch erfolgende Auslenkungen
eines Bauteils gegenüber
einem Bezugssystem gedämpft,
d.h. in ihrer Amplitude möglichst
klein gehalten werden sollen. Durch den bei den oszillierenden Bewegungen
des Kolbens bewirkten Drosseleffekt wird die über die Kolbenstange in den
Schwingungsdämpfer
eingebrachte Energie dort in eine Erwärmung des Arbeitsfluids umgewandelt.
Die Energieabgabe erfolgt über
die Oberfläche des
Gehäuses
und der Stirnwände
an das umgebende Medium in Form von Strahlung, Leitung und Konvektion.
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Während derartige
Schwingungsdämpfer
für eine
andauernde Dämpfung
von Bewegungen des an die Kolbenstange angeschlossenen Körpers innerhalb
bestimmter Amplituden sehr gut geeignet sind, fehlt ihnen die Fähigkeit,
bei Überschreitung
einer je nach Bauart und -größe maximalen
Amplitude ein ungedämpftes
Anschlagen des Kolbens an eine der Stirnwände des Gehäuses zu verhindern. Aus diesem
Grunde werden beim Einsatz von Schwingungsdämpfern häufig noch parallel wirkende
Stoßdämpfer eingesetzt,
die eine Notlagendämpfung
bewirken sollen, d.h. nur dann zum Einsatz gelangen, wenn die Amplitude
der Schwingung so groß ist,
dass der zulässige
Arbeitsbereich des Schwingungsdämpfers
verlassen würde.
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Die
zusätzliche
Verwendung von Stoßdämpfern in
Parallelschaltung ist insofern als nachteilig anzusehen, als hierdurch
einerseits die Kosten erhöht und
andererseits ein Abstimmungsbedarf geschaffen wird, da die Dämpfungseigenschaften
sowie -wege des Schwingungsdämpfers
und des Stoßdämpfers miteinander
in Einklang stehen müssen.
Außerdem bestehen
häufig
Probleme, die zusätzlichen
Stoßdämpfer neben
dem Schwingungsdämpfer
an dem zu dämpfenden
Körper
oder Teilen des Bezugssystems zu befestigen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine preisgünstige und
leicht zu implementierende Lösung
für diejenigen
Fälle zu
schaffen, in denen nicht nur eine bloße dauerhafte Schwingungsdämpfung,
sondern auch eine Stoßdämpfung als
Notfalldämpfung
erforderlich ist.
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Ausgehend
von einem Schwingungsdämpfer der
eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass innerhalb des Gehäuses
des Schwingungsdämpfers
ein Stoßdämpfer angeordnet
ist, der infolge der Bewegung des Kolbens vor Erreichen mindestens
einer Endposition des Kolbens betätigbar ist, wobei der Stoßdämpfer mindestens
einen Kolben aufweist, der auf ein Arbeitsfluid wirkt und dieses
infolge seiner Verlagerung unter Drosselwirkung verdrängt, wobei
der Stoßdämpfer mindestens
ein Rückstellelement
aufweist, mit dem der Kolben des Stoßdämpfers in seine Ausgangsstellung
rückstellbar
ist.
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Gemäß dem Grundgedanken
der Erfindung wird ein Stoßdämpfer in
das Gehäuse
des Schwingungsdämpfers
integriert, wodurch von dem erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfer nicht
nur die kontinuierliche Dämpfungsfunktion,
sondern auch eine Notlagen-Dämpfungsfunktion
erfüllt
werden kann. Die Erfindung macht somit die Verwendung zusätzlicher
und parallel zu dem Schwingungsdämpfer angeordneter
Stoßdämpfer überflüssig und
vermeidet daher insbesondere auch das Befestigungsproblem derartiger
zusätzlicher
Stoßdämpfer. Da
der kombinierte Schwingungs-Stoßdämpfer sogleich vom
Hersteller entsprechend den Kundenwünschen und -bedürfnissen
ausgelegt wird, entfällt
der Abstimmungsbedarf bei einem getrennten Einkauf von Schwingungsdämpfer und
Stoßdämpfer. Thermische Probleme
durch die Integration des Stoßdämpfers entstehen
nicht, da eine zusätzliche
Energieaufnahme durch den Stoßdämpfer auf
die Fälle
einer Notlagendämpfung
begrenzt ist. Derartige Fälle
treten in der Regel nur in hinreichend großen zeitlichen Abständen auf.
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Der
Aufbau des erfindungsgemäßen Stoßdämpfers wird
weiter vereinfacht, wenn der Schwingungsdämpfer und der Stoßdämpfer dasselbe
Arbeitsfluid besitzen. In diesem Fall kann beispielsweise das bei
einer Aktivierung des Stoßdämpfers aus dessen
Arbeitsraum verdrängte
Arbeitsfluid unmittelbar in einen der beiden Arbeitsräume des
Schwingungsdämpfers
geleitet werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Möglichkeit
der Plazierung des Stoßdämpfers im
Schwingungsdämpfergehäuse besteht
darin, dass der Stoßdämpfer in
dem Kolben des Schwingungsdämpfers
angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich insbesondere die Möglichkeit,
den Stoßdämpfer auch
doppelt wirkend auszubilden. In diesem Fall bewirkt der Stoßdämpfer eine
Endlagendämpfung
des Schwingungsdämpfers in
beiden gegenüberliegenden
Endpositionen.
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Bei
einer zentralen Anordnung des Stoßdämpfers im Kolben des Schwingungsdämpfers kann
ein die beiden Arbeitsräume
des Schwingungsdämpfers
verbindender Verbindungskanal mit einem Drosselquerschnitt in einer
Wandung des von einem topfförmigen
Grundkörper
gebildeten Kolbens des Schwingungsdämpfers verlaufen.
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Alternativ
zu einem zentral im Schwingungsdämpferkolben
angeordneten Stoßdämpfer besteht auch
die Möglichkeit,
dass der Kolben des Stoßdämpfers ein
Ringkolben ist, der von der Seite des Kolbens des Schwingungsdämpfers her
betätigbar ist,
an die die Kolbenstange angeschlossen ist. Ein doppelt wirkender
Stoßdämpfer kann
z.B. dadurch geschaffen werden, dass auf einer Seite des Kolbens des
Schwingungsdämpfers
ein Ringkolben und auf der gegenüberliegenden
Seite ein normaler z.B. kreiszylindrischer Kolben angeordnet ist,
wobei beide Kolben auf dasselbe Arbeitsmedium und denselben Arbeitsraum
einwirken.
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Für den Fall,
dass der Stoßdämpfer im
Kolben des Schwingungsdämpfers
angeordnet ist, kann ein die beiden Arbeitsräume verbindender Verbindungskanal
mit einem Drosselabschnitt durch die den Stoßdämpfer durchdringende Kolbenstange
verlaufen.
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Alternativ
zur Anordnung des Stoßdämpfers im
Kolben des Schwingungsdämpfers
ist es ebenso möglich,
den Stoßdämpfer in
einem eine Stirnwand des Gehäuses
bildenden, zu dem zugeordneten Arbeitsraum hin geöffneten
ebenfalls z.B. topfförmigen Grundkörper anzuordnen.
Auch bei derartigen Ausgestaltungen ist es möglich, die Stoßdämpferwirkung in
beiden Endlagen des Schwingungsdämpfers
bereitzustellen, wobei in diesem Fall zwei Stoßdämpfer an gegenüberliegenden
Stirnwänden
des Schwingungsdämpfers
plaziert sein können.
Bei derartigen Anordnungen besteht eine entsprechend große konstruktive
Freiheit bei der Gestaltung des Schwingungsdämpfer-Kolbens, da dort keinerlei
Zusatzfunktion integriert sein muss.
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Die
Erfindung weiter ausgestaltend wird vorgeschlagen, dass sich in
dem Kolben des Stoßdämpfers eine
Drosselbohrung befindet, deren Mündungsquerschnitt
in den zugeordneten Arbeitsraum mit einer einen größeren Öffnungsquerschnitt
aufweisenden Vertiefung in der zugeordneten Stirnseite der Kolbenstange
oder des Kolbens korrespondiert. Auf diese Weise wird auch in der
Position, in der der Stoßdämpfer durch
Anschlag an seinen Kolben betätigt
wird, durch die Drosselbohrung in dem Kolben ein Abfluss des verdrängten Arbeitsfluids
aus dem Stoßdämpfer sichergestellt.
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Schließlich ist
es im Rahmen der Erfindung noch möglich, das Rückstellelement
aus mehreren hintereinander angeordneten Tellerfedern aufzubauen.
Auf diese Weise lässt
sich beson ders einfach die notwendige, vergleichsweise große Federsteifigkeit des
Rückstellelements
erreichen.
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Wenn
der Stoßdämpfer nur
als Notlagendämpfung
wirken und innerhalb des üblichen
Arbeitsbereichs des Schwingungsdämpfers
trotz der Druckschwankungen in dessen Arbeitsräumen nicht betätigt werden
soll, sollte die Federkonstante des Rückstellelements so groß bemessen
sein, dass bei den gewöhnlichen
Druckverhältnissen
in den Arbeitsräumen
des Schwingungsdämpfers
ein Eindrücken
des Kolbens des Stoßdämpfers im
Wesentlichen unterbunden wird. Der Kolben des Stoßdämpfers soll
vielmehr nur dann verlagert werden, wenn das zu dessen Betätigung vorgesehene
Bauteil des Schwingungsdämpfers,
insbesondere dessen Kolben oder Kolbenstange, mit dem Stoßdämpferkolben
in Kontakt gerät
oder letzterer mit an eine Stirnwand des Schwingungsdämpfers anschlägt. Üblicherweise wird
aufgrund dieser Notfall-Dämpfungsfunktion
die Dämpfungskonstante
des Stoßdämpfers wesentlich größer sein
als die Dämpfungskonstante
des Schwingungsdämpfers,
solange die Stoßdämpferfunktion
nicht aktiviert ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand dreier Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Schwingungsdämpfer, die
in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigt:
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1a – c jeweils
einen Längsschnitt
durch einen Schwingungsdämpfer
mit in dessen Kolben integriertem Stoßdämpfer in einer ersten Ausführungsform
in unterschiedlichen Stellungen der Kolbenstange;
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2 einen vergrößerten Schnitt
durch den Kolben des Schwingungsdämpfers nach den 1a bis 1c um 180° gedreht;
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3 einen Längsschnitt
durch einen Schwingungsdämpfer
mit in den Kolben integriertem Stoßdämpfer in einer zweiten Ausführungsform;
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4 den Kolben des Schwingungsdämpfers nach 3 in vergrößerter Darstellung;
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5 wie 3, jedoch mit einem in das Schwingungsdämpfergehäuse integrierten
Stoßdämpfer und
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6 eine vergrößerte Darstellung
des Stoßdämpfers des
Schwingungsdämpfers
gemäß 5.
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Eine
in den 1a bis 1c dargestellte Ausführungsform
eines Schwingungsdämpfers 1 besitzt ein
zylindrisches Gehäuse 2 mit
einem kreisförmigen Querschnitt.
An einem Ende ist das Gehäuse 2 mit
einer eingeschraubten Stirnwand 3 fluiddicht verschlossen,
wobei die Stirnwand 3 einen mit einem Außengewinde
versehenen Anschlusszapfen 4 zur Befestigung des Schwingungsdämpfers 1 an
der Peripherie versehen ist.
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Die
gegenüberliegende
Stirnwand 5 ist gleichfalls in das Gehäuse 2 fluiddicht eingeschraubt und
weist eine zentrale Durchgangsbohrung 6 auf, durch die
eine koaxial zu dem Gehäuse 2 verlaufende
Kolbenstange lagernd und fluiddicht hindurchgeführt ist. Die Kolbenstange 7 weist
an ihrem dem Schwingungsdämpfer 1 abgewandten
Ende einen Anschlussbereich 8 auf, um sie dort mit den
jeweiligen Peripheriebauteilen verbinden zu können.
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An
ihrem gegenüberliegenden
Ende ist die Kolbenstange 7 mit einem Kolben 9 des
Schwingungsdämpfers 1 kraftschlüssig verbunden.
Der ebenfalls im Querschnitt kreiszylindrische Kolben 9 ist
verschiebbar innerhalb des Gehäuses 2 des Schwingungsdämpfers 1 gelagert.
Während
der Kolben 9 in 1a in
seiner neutralen Position gezeigt ist, befindet er sich in 1c in einer Position, in
der die Kolbenstange 7 maximal in das Gehäuse 2 eingefahren
ist. In dieser Position kommt eine Stirnfläche 10 eines Kolbens 11 ebenso
wie eine Stirnfläche
SI des Kolbens 9 des Schwingungsdämpfers mit einer inneren Stirnfläche 12 der
Stirnwand 3 des Schwingungsdämpfers 1 in Kontakt.
Der Kolben 11 ist Bestandteil eines in den Kolben 9 des
Schwingungsdämpfers 1 integrierten
Stoßdämpfers 13,
der weiter unten bezüglich
seines Aufbaus und seiner Funktion näher erläutert wird. 1c zeigt die Kolbenstange 7 und
den Kolben 9 noch in einer Position in der die Kolbenstange 7 – bezogen
auf den vorliegenden Einsatzfall – sich in ihrer am weitesten
ausgefahrenen Stellung befindet. In diesem Fall befindet sich eine kolbenstangenseitige
Stirnfläche
SII des Kolbens 9 in einem vergleichsweise großen Abstand
von einer Stirnfläche 15 der
kolbenstangenseitigen Stirnwand 5 des Gehäuses 2.
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Aus 1a ist noch entnehmbar,
dass der Kolben 9 den Innenraum des Gehäuses 2 in einen ersten
Arbeitsraum 16.I und einen zweiten Arbeitsraum 16.II unterteilt.
Während
der Arbeitsraum 16.I beim Einfahren der Kolbenstange 7 unter Überdruck im
Vergleich mit dem Arbeitsraum 16.II gerät, sind die Druckdifferenzverhältnisse
im Falle eines Ausfahrens der Kolbenstange 7 genau umgekehrt.
Um das Volumen der Kolbenstange 7 beim Einfahren kompensieren
zu können,
sind die Arbeitsräume 16.I und 16.II nicht
vollständig
mit dem Arbeitsfluid gefüllt.
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Aus 2 ist ersichtlich, dass
der Kolben 9 einen auf die Kolbenstange 7 aufgeschraubten
topfförmigen
Grundkörper 17 aufweist,
in dessen Wandung ein die beiden Arbeitsräume 16.I und 16.II verbindender
Verbindungskanal 18 verläuft, der einen mittleren als
Drosselabschnitt 19 ausgebildeten Abschnitt mit einem reduzierten
Durchmesser besitzt.
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Der
topfförmige
Grundkörper 17 bildet
das Gehäuse
für den
Stoßdämpfer 13.
Innerhalb des topfförmigen
Grundkörpers 17 ist
der Kolben 11 des Stoßdämpfers 13 abgedichtet
und in Richtung der Längsachse
des Gehäuses 2 verschiebbar
gelagert. Auf einen dornförmigen
Fortsatz 20 der Kolbenstange 7 sind im Innern
des Stoßdämpfers 13 Tellerfedern 23' aufgeschoben,
die den Kolben 11 in seine in 2 dargestellte linksseitige Anschlagposition
vorspannen. Die Anschlagposition wird definiert durch einen in den
topfförmigen
Grundkörper 17 eingeschraubten
Anschlagring 21, an dessen kolbenstangenseitiger Stirnfläche 22 eine
Schulter 23 des Kolbens 11 anschlägt.
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Fährt die
Kolbenstange 7 des Schwingungsdämpfers 1 über die
in 1b dargestellte linke
Endposition weiter in das Gehäuse 2 ein,
so kann sich der Kolben 11 des Stoßdämpfers 13 aufgrund
der Anlage seiner Stirnfläche 10 an
der Stirnfläche 12 des der
Stirnwand 3 des Gehäuses 2 nicht
weiter nach links bewegen. Bei fortgesetzter Kolbenstangenbewegung
erfolgt daher eine Relativbewegung des Kolbens 11 zu dem
topfförmigen
Grundkörper 17,
wobei der von diesem und dem Kolben 11 eingeschlossene Arbeitsraum 24 entgegen
der Kraft der von den Tellerfedern 23' gebildeten Rückstellelements R verkleinert
wird. Hierbei strömt
das in dem Arbeitsraum 24 befindliche Arbeitsfluid, bei
dem es sich um für
solche Anwendungsfälle
typisches Öl
handelt, durch eine Drosselbohrung 25 in den Arbeitsraum 16.II des Schwingungsdämpfers 1.
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Der
maximale Hub des Kolbens 11 des Stoßdämpfers 13 ist dann
erreicht, wenn der in der Ruhestellung stirnseitig aus dem topfförmigen Grundkörper 17 vorstehende
Abschnitt 26 vollständig
in den topfförmigen
Grundkörper 17 eingetaucht
ist und die Stirnfläche
SI des Kolbens 9 an die Stirnfläche 12 anschlägt. In diesem
Fall befindet sich das Paket der Tellerfedern 23' gerade noch
nicht auf Block.
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Beim
Ausfahren der Kolbenstange 7 wird der Kolben 11 des
Stoßdämpfers 13 sodann
durch die Wirkung des Rückstellelements
R zunächst
wieder ganz ausgefahren, bevor der Kolben 9 des Schwingungsdämpfers 1 seinen
Weg der Kolbenstange 7 nach rechts folgend fortsetzt.
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Der
in den 3 und 4 gezeigte alternative Schwingungsdämpfer 1' ist in Bezug
auf sein Gehäuse 2 und
die Stirnwände 3 und 5 gegenüber dem Schwingungsdämpfer 1 gemäß den 1a bis 1c und 2 unverändert. Der
Kolben 9' und
der darin integrierte Stoßdämpfer 13' weisen jedoch
die in 4 verdeutlichten
Unterschiede gegenüber
der zuvor gezeigten Ausführungsform
auf. Während
der Kolben 11 des Stoßdämpfers 13 gemäß 2 auf der der Kolbenstange 7 abgewandten
Seite angeordnet und betätigbar
ist, befindet sich der Kolben 11' gemäß 4 auf der Seite der Kolbenstange 7'. Das Gehäuse des
Stoßdämpfers 13 wird
in diesem Falle wiederum von einem topfförmigen Grundkörper 17' gebildet, der
jedoch einen zentralen Hohldorn 27 aufweist, in den ein
im Durchmesser angepaßter
Fortsatz 28 der Kolbenstange 7' des Schwingungsdämpfers 1' eingeschraubt
ist. Der Kolben 11' des
Stoßdämpfers 13' ist ein Ringkolben,
der in den ringförmigen
Innenraum des topfförmigen
Grundkörpers 17 einschiebbar
ist, der den Arbeitsraum 24' bildet.
Innerhalb des Arbeitsraums 24' befindet sich ein Paket von Tellerfedern 23', die auf den
Hohldorn 27 aufgeschoben sind und von diesem in axiale
Richtung geführt
werden. Durch die Vorspannung des von den Tellerfedern 23' gebildeten
Rückstellelements
R wird der Kolben 11' in
die in 4 dargestellte
rechte Anschlagposition vorgespannt, die durch eine mit einem Bund 29 versehene
Schraubhülse 30 definiert
ist. Der Bund 29 der Schraubhülse 30 wirkt mit einem
radial nach außen
vorspringenden Bund 31 an dem Kolben 11' zusammen.
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Während im
normalen Betrieb des Schwingungsdämpfers 1' das Arbeitsfluid
(Öl) über den
in dem Fortsatz 28 der Kolbenstange 7' verlaufenden Verbindungskanal 18' mit dessen
Drosselabschnitt 19' zwischen
den beiden Arbeitsräumen 16.I und 16.II überströmt, kommt
es im Falle eines rechtzeitigen Anschlags des Kolbens 11' an die korrespondierende
Stirnseite 15 der Stirnwand 5 des Gehäuses 2 zu
einer Reduzierung des Volumens des Arbeitsraums 24' des Stoßdämpfers 13', so dass infolge dessen
Arbeitsfluid aus dem Arbeitraum 24' über die Drosselbohrung 25' in den Arbeitsraum 16.I überströmt.
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Während bei
den beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen der Stoßdämpfer 13, 13' im Kolben 9, 9' des Schwingungsdämpfers 1, 1' angeordnet
war, befindet sich der Stoßdämpfer 13" des Schwingungsdämpfers 1" innerhalb eines
die Stirnwand 3" bildenden
topfförmigen
Grundkörpers 17". Das ist in
den 5 und 6 dargestellt. Der Kolben 9" des Schwingungsdämpfers 2" ist hingegen
als einfaches scheibenförmiges
Bauteil ausgeführt,
in das die Kolbenstange 7" eingeschraubt
ist und in dem sich der Verbindungskanal 18" mit dem Drosselabschnitt 19" befindet.
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Von
einem Boden 32 des topfförmigen Grundkörpers 17" geht ein zentraler
Dorn 33 aus, auf den ein Paket aus Tellerfedern 23' aufgeschoben
ist, die gemeinsam ein Rückstellelement
R für den
Kolben 11" bilden.
Dieser wird durch das Rückstellelement
R in die in 6 gezeigte
rechte Endposition vorgespannt, in der er mit seinem radial nach
außen vorstehenden
Bund 23 an einem in den Grundkörper 17" angeschraubten Anschlagring 21 anliegt.
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Bei
einem Einfahren des Kolbens 11" des Stoßdämpfers 13" wird das aus
dem Arbeitsraum 24" verdrängte Arbeitsfluid
durch eine Drosselbohrung 34 geleitet, die in den Arbeitraum 16.I des Schwingungsdämpfers 1" mündet.
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Wie
aus 5 ersichtlich ist,
korrespondiert der Mündungsquerschnitt 35 der
Drosselbohrung 34 mit einer Vertiefung 36 in der
Kolbenstange 7" des Schwingungsdämpfers 1", wobei der Öffnungsquerschnitt
der Vertiefung 36 größer als
der Mündungsquerschnitt 35 der
Drosselbohrung 34 ist. Auf diese Weise wird auch in der
Anschlagstellung der Kolbenstange 7" an der korrespondierenden Stirnfläche 37 des
Kolbens 11" ein
sicheres Abströmen
des aus dem Arbeitsraum 24 austretenden Arbeitsfluids gewährleistet.