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Die
Erfindung betrifft einen fluidischen Stoßdämpfer, mit einem in einem Stoßdämpfergehäuse verschiebbar
aufgenommenen Dämpferkolben,
von dem einseitig eine aus dem Stoßdämpfergehäuse herausragende Stoßstange
wegragt und der zwei Arbeitskammern voneinander abteilt, von denen
die stoßstangenferne,
hintere Arbeitkammer mit Dämpfungsfluid
gefüllt
ist und mit wenigstens einem Dämpfungskanal
verbunden ist, über
den Dämpfungsfluid beim
Einfahren der Stoßstange
abströmt,
wobei dem Dämpfungskanal
eine Druckreguliereinrichtung zugeordnet ist, die wenigstens ein Überdruckventil
aufweist, mit einem Ventilglied mit Dichtfläche, die über ein Federelement mit einer
Vorspannung b gegen eine Ventilsitzfläche eines Ventilsitzes in einer Schließstellung
des Überdruckventils
in Anlage gehalten wird.
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Ein
fluidischer Stoßdämpfer dieser
Art ist der Anmelderin von einem internen, druckschriftlich nicht verfügbaren Stand
der Technik bekannt, wobei hier der Dämpfungskanal in den Dämpferkolben
integriert ist, dem ein Überdruckventil
zugeordnet ist. Beim Einfahren der Stoßstange öffnet das Rückschlagventil und Dämpfungsfluid
kann von der einen in die andere Arbeitskammer übertreten, sowie über den Dämpfungskanal
und über
einen in der Stoßstange befindlichen
Querkanal abströmen.
Bei geöffnetem Überdruckventil
ist jedoch lediglich eine ungleichmäßige Stoßdämpfung möglich, sodass es zu Nachschwingungs-
bzw. Rückpralleffekten
des Dämpferkolbens
kommen kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen fluidischen Stoßdämpfer der eingangs erwähnten Art
zu schaffen, der einfach aufgebaut ist und mit dem eine variable
auch an veränderte
Betriebsbedingungen angepasste Stoßdämpfung möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen fluidischen Stoßdämpfer mit den Merkmalen des
unabhängigen Anspruchs
1 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Der
erfindungsgemäße fluidische
Stoßdämpfer zeichnet
sich dadurch aus, dass die Dichtfläche des Ventilglieds und die
damit kooperierende Ventilsitzfläche
des Ventilsitzes derart aufeinander abgestimmt sind, dass beim Ausströmen des
Dämpfungsfluids über den
Dämpfungskanal
in Folge des in der hinteren Arbeitskammer vorherrschenden Druckes
P zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilglied ein Auslassquerschnitt
A mit der Funktion A = (P ± b)2 gebildet wird, wobei 1 ≤ z ≤ 4 gilt.
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Dadurch
ist es möglich,
das durch die Bewegungsenergie des beim Einfahren der Stoßstange bewegten
Dämpferkolbens
komprimierte, abströmende
Fluid eines fluidischen Stoßdämpfers in
einem internen oder auch externen Dämpfungsvolumen so zu dosieren,
dass der Dämpferkolben
eine kontinuierlich verlangsamte, stoßfreie Abbremsbewegung durchführt. Nachschwingungs- bzw. Rückschwingungseffekte
werden dadurch vermieden.
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Der
Auslassquerschnitt folgt also der Funktion A = (P ± b)2, wobei diese Funktion auch als progressives Öffnungsgesetz
bezeichnet werden könnte.
Der Auslassquerschnitt A ist also druckabhängig, wodurch auch von einer
druckabhängigen
Verstellung des Überdruckventils
gesprochen werden kann. Dadurch funktioniert der fluidische Stoßdämpfer in
einem weiten Anwendungsbereich selbsteinstellend und gewährleistet
auch bei veränderten
Betriebsbedingungen ein vergleichsweise robustes Dämpfungsverhalten.
Das Überdruckventil
kann auch als Drosselventil bezeichnet werden, da im Falle, dass
die Dichtfläche
vom Ventilsitz abgehoben ist, ein Drosseleffekt des abströmenden Dämpfungsfluids
stattfindet. Das Überdruckventil
besitzt also eine druckgesteuerte Drosselcharakteristik.
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In
besonders bevorzugter Weise handelt es sich hierbei um eine nicht
lineare Drosselcharakteristik, die durch die Funkti on A = (P ± b)2 gebildet wird, wobei 1,4 ≤ z ≤ 3,6 gilt.
In besonders bevorzugter Weise gilt 2 ≤ z ≤ 3.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Ventilsitzfläche des
Ventilsitzes ringförmig
ausgestaltet und im Querschnitt konvex ausgebildet.
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In
bevorzugter Weise verbreitert sich die Dichtfläche des Ventilgliedes in Ausströmrichtung des
Fluids. Beispielsweise kann die Dichtfläche im Querschnitt konkav ausgebildet
sein. Es können
also eine konvex ausgebildete Ventilsitzfläche und eine konkav ausgebildete
Dichtfläche
miteinander kooperieren.
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Alternativ
ist es jedoch auch möglich
andersartige Geometrien zu verwenden, die die Funktion A = (P ± b)2, mit 1 ≤ z ≤ 4 erfüllen, beispielsweise
die Dichtfläche
konisch bzw. als Kegelfläche
auszubilden, während
die Ventilsitzfläche
als damit kooperierende Hohlkegelfläche ausgestaltet sein kann.
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Besonders
bevorzugt ist der Dichtfläche
des Ventilglieds ein zapfenartiger Kopfabschnitt vorgelagert. Insbesondere
ist dieser Kopfabschnitt nach Art einer Kugelkappe ausgestaltet.
Prinzipiell sind jedoch auch andere Kopfabschnitts-Geometrien denkbar.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung weist das Stoßdämpfergehäuse einen Abschlussdeckel auf,
in dem die Druckreguliereinrichtung integriert ist. Alternativ ist
es möglich,
dass die Druckreguliereinrichtung in den Dämpferkolben integriert ist.
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Es
ist möglich,
zwei parallel geschaltete Dämpfungskanäle mit jeweils
wenigstens einem Überdruckventil
vorzusehen. Ferner ist es möglich, eine
stufenweise Drosselung vorzusehen, beispielsweise durch wenigstens
zwei in Reihe in dem wenigstens einen Dämpfungskanal angeordnete Überdruckventile.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen fluidischen
Stoßdämpfers beim
Dämpfvorgang
mit eingefahrener Stoßstange
und
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2 der
fluidische Stoßdämpfer von 1 beim
Ausfahren der Stoßstange.
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Die 1 und 2 zeigen
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen fluidischen
Stoßdämpfers 11.
Dieser besitzt ein Stoßdämpfergehäuse 12,
in dem ein Dämpferkol ben 13 verschiebbar
aufgenommen ist. Der Dämpferkolben 13 ist
mit einer Stoßstange 14 verbunden.
Dämpferkolben 13 und
Stoßstange 14 können einstückig ausgebildet
oder wie beispielhaft gezeigt als zwei separate Teile fest miteinander
verbunden sein.
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Der
Dämpferkolben 13 teilt
zwei Arbeitskammern 15, 16 voneinander ab, nämlich eine
die Stoßstange 14 umschließende vordere
Arbeitskammer 15 und eine stoßstangenferne hintere Arbeitskammer 16.
Die Stoßstange
ragt über
eine in einem ersten Abschlussdeckel 17 ausgebildete Durchgangsöffnung 18 aus
dem Stoßdämpfergehäuse 12 heraus. Am
kolbenfernen Ende der Stoßstange 14 befindet sich
eine Schnittstelle 19 zur Ankopplung an ein stoßzudämpfendes
Bauteil (nicht dargestellt).
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Die
stoßstangenferne,
hintere Arbeitskammer 16 ist mit einem Dämpfungsfluid,
insbesondere Druckluft, gefüllt
und ist mit einem Dämpfungskanal 20 verbunden.
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Wie
beispielhaft gemäß bevorzugtem
Ausführungsbeispiel
dargestellt, befindet sich der Dämpfungskanal 20 in
einem dem ersten Abschlussdeckel gegenüberliegenden zweiten Abschlussdeckel 21. Der
Dämpfungskanal 20 mündet einerseits
in die hintere Arbeitskammer 16 und andererseits zur Umgebung
hin aus, beispielsweise am Umfang des zweiten Abschlussdeckels 21.
Im zweiten Abschlussdeckels 21 befindet sich ferner noch
ein Speisekanal 22, der sich zwischen der Außenseite
des zweiten Abschlussdeckels 21, beispielsweise ebenfalls
an dessen Außenumfang
positioniert, und der hinteren Arbeitskammer 16 erstreckt.
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Der
Speisekanal 22 dient zur Zuführung von Dämpfungsfluid in die hintere
Arbeitskammer 16. Ihm ist ein Rückschlagventil 23 zugeordnet,
das ein plattenartiges Stellelement 24 aufweist, das in
einem durchmessergrößeren Abschnitt
des Speisekanals zwischen einer Offen- und Schließstellung
beweglich geführt
ist. In der Offenstellung gelangt Dämpfungsfluid über insbesondere
am Umfang des Stellelementes 24 ausgebildete Überströmöffnungen
in die hintere Arbeitskammer 16 hinein. In der Schließstellung liegt
das Stellelement am Dichtsitz 25 an. Die Schließstellung
korrespondiert mit dem Einfahren der Stoßstange 14, während die
Offenstellung dem Ausfahren der Stoßstange 14 zugeordnet
ist.
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Dem
Dämpfungskanal 20 ist
eine allgemein mit 27 bezeichnete Druckreguliereinrichtung
zugeordnet, mit der sich der in Abhängigkeit von der abzubremsenden
kinetischen Energie in der hinteren abströmseitigen Arbeitskammer 16 während des
Zurücklegens
der Dämpfungsstrecke
des Dämpferkolbens 13 qualitativ
einstellenden Druckverlaufs vorgeben lässt.
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Die
Druckreguliereinrichtung 27 besitzt ein Überdruckventil 28,
mit einem Ventilglied 29 mit Dichtfläche 30, die über ein
Federelement 31 mit einer Vorspannung b gegen eine Ventilsitzfläche 32 eines
Ventilsitzes 33 in einer Schließstellung des Überdruckventils 28 in
Anlage gehalten wird.
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Das
Ventilglied 29 besitzt einen Ventilgliedkopf 34,
an dem sich die Dichtfläche 30 befindet
und eine insbesondere einstückig
mit dem Ventilgliedkopf 34 verbundene Ventilgliedstange 35 mit
gegenüber dem
Ventilgliedkopf 34 kleinerem Durchmesser. Die Ventilgliedstange 35 ist
in einem Führungselement 36 verschieblich
geführt.
Das Führungselement 36 ist ortsfest
im Abschlussdeckel 17 gelagert. Das Federelement 31 ist
als Schraubenfeder ausgebildet und sitzt auf der Ventilgliedstange 35.
Die Schraubenfeder stützt
sich einenends am Ventilgliedkopf 34 und andernends am
ortsfesten Führungselement 36 ab. Zur
Lagefixierung des Führungselementes 36 im
Abschlussdeckel 21 dient ein Befestigungselement 37, beispielsweise
eine Schraube, die einenends auf das Führungselement 36 drückt und
dieses gegen eine Anlagefläche
im Abschlussdeckel 21 presst. Gegebenenfalls kann zwischen
dem Dämpfungskanal 20 und
dem Speisekanal 22 ein Verbindungskanal 38 (in strichpunktierten
Linien dargestellt) vorgesehen sein, wodurch über den Speisekanal 22 zugeführtes Dämpfungsfluid über den
Verbindungskanal 38 in den Dämpfungskanal 20 gelangen
und dort die Federkraft des Federelements 31 unterstützend auf
das Ventilglied 29 einwirken kann.
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Dichtfläche 30 des
Ventilglieds 29 und damit kooperierende Ventilsitzfläche 32 des
Ventilsitzes 33 sind derart aufeinander abgestimmt, dass
beim Ausströmen
des Dämpfungsfluids über den
Dampfungskanal 20 in Folge des in der abströmseitigen
hinteren Arbeitskammer 16 vorherrschenden Druckes P zwischen
dem Ventilsitz 33 und dem Ventilglied 29 ein Auslassquerschnitt
A mit der Funktion A = (P ± b)2 gebildet wird, wobei 1 ≤ z ≤ 4 gilt. Zweckmäßigerweise gilt
2 ≤ z ≤ 3. Diese
Funktion wird auch als progressive Öffnungsfunktion bezeichnet.
Berücksichtigt
man die Leckage, die an den Dichtungen des Stoßdämpfers auftritt mit dem Faktor
c und andere den Öffnungsquerschnitt
beeinflussende Faktoren mit dem Faktor a, so erweitert sich die
progressive Öffnungsfunktion
zu A = a (P ± b)2+ c, wobei 2 ≤ z ≤ 3 gilt.
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Eine
der Geometrien mit der die vorgenannte progressive Öffnungsfunktion
erreicht wird, ist beispielhaft im bevorzugten Ausführungsbeispiel
dargestellt. Die am Ventilgliedkopf 34 ausgebildete Dichtfläche 30 ist
im Querschnitt konkav ausgebildet. Ferner ist dieser Dichtfläche 30 ein
zapfenartiger Kopfabschnitt 39 in Form einer Kugelkappe
vorgelagert. Korrespondierend hierzu ist die Sitzfläche 32 am Ventilsitz 33 ringförmig ausgestaltet
und im Querschnitt konvex ausgebildet.
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Zur
Dämpfung
fährt die
Stoßstange 14 in
das Stoßdämpfergehäuse 12 ein.
Dabei verdrängt
der Dämpferkolben 13 das
in der abströmseitigen
hinteren Arbeitskammer befindliche Dämpfungsfluid, das über den
Dämpfungskanal 20 abströmt. Das
Stellelement 24 des Rückschlagventils 23 nimmt
seine Schließstellung
ein, sodass ein Abströmen über den Speisekanal 22 unterbunden
ist. Auf Grund der Querschnittsverengung kommt es zu einer Druckerhöhung in
der abströmseitigen
Arbeitskammer 16. Die Folge ist eine Verlangsamung des
Dämpferkolbens 13 im
Verlauf der von ihm gegebenenfalls bis zur Anlage an die Innenseite
des zweiten Abschlussdeckels 21 zurückgelegten Dämpfungsstrecke.
Das abströmende
Dämpfungsfluid
drückt
mit dem Druck P gegen den Ventilkopf 34 des Ventilglieds 29.
Gegen diesen Druck wirkt die Vorspannung b der Schraubenfeder, die
die Dichtfläche 30 am
Ventilgliedkopf 34 an die Ventilsitzfläche 32 des Ventilsitzes 33 drückt. Übersteigt
der vom abströmseitigen
Dämpfungsfluid verursachte
Druck P die Vorspannung b, so wird die Dichtfläche 30 von der Ventilsitzfläche 32 abgehoben und
es öffnet
sich ein Auslassquerschnitt A. Die Größe des Auslassquerschnitts
A ist gemäß obiger
allgemeiner Formel A = (P ± b)2 also in erster Linie abhängig vom
Druck P des Druckmediums und von der Federspannung b. Dies ergibt
eine druckabhängige Drosselverstellung,
wobei der fluidische Stoßdämpfer in
einem weiten Anwendungsbereich selbsteinstellend wirkt, da sich
ja der Auslassquerschnitt A je nach anstehendem Druck P ändert.
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Abströmendes Dämpfungsfluid
strömt
also zunächst
auf die vorderseitig angeordnete Kugelkappe, umströmt diese
und gelangt dann zwischen der im Querschnitt konkav ausgebildeten
Dichtfläche 30 und
der im Querschnitt konvex ausgebildeten Ventilsitzfläche 32 hindurch
und strömt
von dort zu einer Austrittsmündung 40,
von wo es gegebenenfalls in die Umgebung entweichen kann.
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Insgesamt
lässt sich
das Dämpfungsvolumen
so dosieren, dass der Dämpferkolben 13 eine sich
kontinuierlich verlangsamende, stoßfreie Abbremsbewegung durchführt, wodurch
eine zuverlässige
Stoßdämpfung eines
zugeordneten, abzudämpfenden
Bauteils erzielt wird.