DE2942029C2 - Hydraulisch wirkender Stoß- und Schwingungsdämpfer - Google Patents
Hydraulisch wirkender Stoß- und SchwingungsdämpferInfo
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- F16F9/36—Special sealings, including sealings or guides for piston-rods
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Description
Die Erfindung betrifft einen hydraulisch wirkenden Stoß- und Schwingungsdämpfer mit einem einseitig
geschlossenen Zylinder, einem in dem Zylinder verschiebbaren, mit einer aus dem offenen Ende des
Zylinders herausragenden hohlen Kolbenstange verbundenen Kolben, der mit einer Überströmöffnung, die
sich mit dem Hub verändert, zusammenwirkt, einer mit einem nicht-newtonischen Dämpfungsfluid gefüllten
Kammer und einem davon durch einen verschiebbaren Trennkolben abgetrennten, mit einem kompressiblen
Mittel versehenen Raum, wobei das Dämpfungsfluid bei Belastung des Stoßdämpfers aus der Kammer über die
Überströmöffnung in den dahinter angeordneten Raum und umgekehrt preßbar ist.
Ein derartiger Dämpfer ist aus der DE-AS 23 24 402 bekannt. Bei dem bekannten Dämpfer besteht die
Überströmöffnung aus einer querschnittsveränderlichen Nut in der Zylinder Innenwand, an der der hohle
Kolben vorbeigleitet. Bei Stoßbelastung des Dämpfers fließt das nicht-newtonische Fluid aus der Zylinderdruckkammer
über einen Kragen des Kolbens in einen in die Seitenfläche des Kolbens eingelassenen Ringkanal und
wandert dann durch eine Durchbohrung in das Innere des hohlen Kolbens. Mit dem bekannten Dämpfer wird
angestrebt, die Überströmöffnung und die hubveränderliche Nut so abzustimmen, daß im Hauptarbeitsbereich
des Dämpfer eine möglichst waagrechte Dämpfkraftli-
nie erreicht wird. Dies wird jedoch nicht vollständig
erreicht insbesondere nicht bei Dauerbeanspruchung und bei unterschiedlichen Temperaturbereichen. Der
bekannte Dämpfer hat den Nachteil, daß die Überströmöffnung aus Teilen gebildet wird, die aneinander
vorbeigleiten und somit dem Verschleiß unterworfen sind, so daß die Gefahr besteht, daß sich bei
Dauerbeanspruchung des Dämpfers der Dämpfkraftaufbaii ändert, weil die Steuernut in der Zylinderinnenwand
von dem mit ihr in Berührung stehenden Kragen des Kolbens mit der Zeit abgeschliffen wird und als
Dämpfmedium ein Fett verwendet wird, bei dem sich die Viskositätswerte relativ stark mit der Arbeitstemperatur
ändern.
Aus der US-Zeitschrift »Machine Design« vom 24.5.1962 sind hydraulisch wirkende Stoßdämpfer mit
querschnittsveränderlichen Überströmöffnungen bekannt Bei diesen Stoßdämpfern wird versucht eine
möglichst gleichmäßige Abnahme der kinetischen Energie des Stoßes über den Hub zu erreichen. Aus der
US-Zeitschrift ist ein Dämpfer bekannt mit einer Düsenöffnung, deren Querschnitt durch einen in die
Düsenöffnung hineinragenden Steuerstift variiert wird. Dieser bekannte Stoßdämpfer arbeitet mit öl als
Dämpfungsmittel. Hierbei wird insbesondere dünnflüssiges Öl verwendet, da diese öle über einen größeren
Temperaturbereich stabil sind. Um aber mit dünnflüssigen ölen eine gewisse Dämpfkraft aufzubauen, muß
man schmale Düsenöffnungen verwenden. Die schmalen Spaltöffnungen erfordern eine sehr hohe Maßgenauigkeit
der Dämpferteile.
Die US-PS 29 63 175 betrifft einen hydraulisch wirkenden Stoßdämpfer für Eisenbahnwaggons, der aus
einem Zylinder und einer in dem Zylinder gleitend gelagerten hohlen Kolbenstange besteht. Im Boden der
Kolbenstange ist eine öffnung vorgesehen, durch die ein Steuerstab hindurchführbar ist. Der Steuerstab ist
mit einem Ende am Boden des Zylinders befestigt, und auf der anderen Seite weist der Steuerstab eine im
Inneren der hohlen Kolbenstange angeordnete, kegelförmige Kopfscheibe auf, die verhindert, daß die hohle
Kolbenstange aus dem Zylinder herausrutscht und wobei die kegelförmige Kopfscheibe als Strömungswiderstand
für das Hydrauliköl dient. Für die Abdichtung der das Hydrauliköl enthaltenden Zylinderkammer
gegenüber der gleitenden Kolbenstange ist ein kompliziertes System von Dichtungen, Führungsringen und
Abstreifringen vorgesehen, die in entsprechende Ausnehmungen auf dem Außenumfang der hohlen Kolbenstange
oder in die Zylinderinnenwand eingelegt sind. Diese zusätzlichen Konstruktionselemente sind sehr
aufwendig. Außerdem ist der bekannte Dämpfer für die Dämpfung von Stoßbelastungen über einen weiteren
Bereich nicht geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stoßdämpfer so zu gestalten, daß er im Hauptarbeitsbereich
eine möglichst vom Hub unabhängige, von der Anfangsgeschwindigkeit des Kolbens dagegen abhängige
Dämpfkraft aufweist, der möglichst keine verschleißgefährdenden Teile enthält und der trotz konstruktiv
einfacher Bauweise einen hohen Dämpfkraftaufbau auch bei unterschiedlichen Temperaturbereichen ermöglicht
und der auch als lastabhängiger Schwingungsdämpfer, z. B. als Federbein, einsetzbar sein soll.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen hydraulisch wirkenden Stoß- und Schwingungsdämpfer der eingangs
angegebenen Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Überströmöffnung aus einer axialen,
durchgehenden Öffnung im Kolben und einem in die Öffnung des Kolbens hineinragenden, mit in Richtung
zur Spitze des Steuerstifts abnehmenden Querschnitt gebildet und das Dämpfungsfluid eine homogene Paste
aus Graphit, einem Netzmittel, Strukturviskositätsmittel und Polyglykoläther, Polyglykolester und/oder einem
gesättigten aromatischen und/oder aliphatischen Carbonsäureester ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Stoß- und Schwingungsdämpfer läßt sich die erfindungsgemäße Aufgabenstellung
auf einfachste Weise regeln, ohne daß dazu kompolizierte oder entsprechend groß dimensionierte
Dämpfer mit hoher Maßgenauigkeit verwendet werden müssen. Die Rückstellung des Dämpfers in die
Ausgangslage erfolgt ebenfalls in gedämpfter Form. Der Dämpfer zeichnet sich außerdem dadurch aus, daß
er wegen seiner einfachen Konstruktion sehr störunanfällig ist, eine sehr lange Lebensdauer aufweist und in
jeder Lage bzw. Position einsetzbar ist Bei entsprechender Druckbeaufschlagung des Gasraums in der
hohlen Kolbenstange ist der Stoßdämpfer als lastabhängiger Schwingungsdämpfer, z. B. als Kraftfahrzeugfederbein,
einsetzbar, wobei durch den in die Überströmöffnung hineinschiebbaren Steuerstift die Dämpfung
dem jeweiligen Einfederungszustand angepaßt ist.
Wesentlich für den erfindungsgemäßen Dämpfer ist, daß mit dem erfindungsgemäßen inkompressiblen,
hochwärmeleitfähigen Dämpfungsfluid schon beim Durchströmen sehr einfacher öffnungen bzw. Bohrungen
ein relativ hoher Dämpfkraftaufbau zu erreichen ist. Das Dämpfungsfluid bleibt auch bei hoher Scherbeanspruchung
homogen, wodurch eine Dämpfungsharmonie erreicht wird. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß
eingesetzten Dämpfungsmediums liegt darin, daß feine Oberflächenungenauigkeiten von diesem langanhaltend
ausgefüllt werden können und so die Bewegung der gleitenden Vorrichtungsteile erleichtert wird.
Mit dem erfindungsgemäß eingesetzten Dämpfungsmedium läßt sich z. B. eine Strömungsgeschwindigkeit
in der Überströmöffnung des Kolbens von etwa 170m/sec und mehr erreichen, ohne daß sich das
Dämpfungsmedium trennt, schäumt oder zersetzt.
Der erfindungsgemäße Dämpfer wird anhand der Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aufzugsdämpfer bzw. Pralldämpfer,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Dämpfer nach
Fig. 1 mit einem teilweise erweiterten Kolbenstangenquerschnitt,
Fig. 3 ein Dämpfkrafl/Weg-Diagramm des Dämpfers
nach Fig. 1.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellten Dämpfer sind insbesondere als Aufzugsdämpfer, Pralldämpfer oder
Schwingungsdämpfer einsetzbar. Der Boden 2 des Zylinders 1 ist z. B. am Fahrzeugrahmen oder an einem
festen Bauteil befestigt, während die Abschlußplatte 4 der Kolbenstange 5 z. B. mit einer Stoßstange (nicht
dargestellt) verbunden ist oder als Aufnahmefläche für die aufprallende Last dient. Der mit der hohlen
Kolbenstange 5 verbundene Kolben 3 ist am Zylinder 1 verschiebbar geführt. Die Kolbenstange 5 weist einen
kleineren Außendurchmesser als der Kolben 3 auf. In dem Raum 6 der Kolbenstange 5 befindet sich eine
Druckgasfüllung, die durch den Trennkolben 7 von dem inkompressiblen Dämpfungsfluid 8 getrennt ist. Der
Trennkolben 7 ist mit einem Ring 9, 9a zur Abdichtung des Trennkolbens gegenüber der Kolbenstange ausge-Der
in F i g. 1 dargestellte Dämpfer ist trotz der primitiven Bauweise und normaler Zylindergröße in der
Lage, z. B. die Energie eines mittelschweren Fahrzeuges aufzunehmen, das mit bis zu 15 km/h auf ein stehendes
Hindernis auffährt Der vorgegebene Druck im Raum 6 häng· nur von der gewünschten Rückstellkraft ab. Der
Raum 6 ist mit atmosphärischer Luft von Normaldruck gefüllt, wenn eine besonders geringe Rückstellung des
Kolbens gewünscht wird. Zur Verbesserung der ίο Führung überlappen sich Kolben 3, Kolbenstange 5 und
Zylinder 1 im ausgefahrenen Zustand des Dämpfers in einem relativ weiten Bereich. Die Kolbenstange 5 ist
über einen einfachen Ring 10 an der Innenwand des Zylinders 1 geführt Der Kolben 3 ist mit einer
durchgehenden öffnung 11 ausgerüstet Ein Dichtungsring
14 dichtet den Kolben 3 gegen, die Innenwand des Zylinders ab.
Das Dämpfungsfluid enthält einen Polyglykoläther
und/oder -ester einer Viskosität von etwa lOmmVs bis 1000mm2/s bei 50° C, vorzugsweise von etwa
40 mm2/s bis 300 mm2/s bei 500C, wobei der Stockpunkt
zwischen —50° C und 0°C, insbesondere —40° C bis — 100C, liegt. Die relative mittlere Molmasse der
Polyglykoläther und/oder -ester liegt bei etwa 700 bis 20 000, insbesondere etwa 1100 bis 3800, vorzugsweise
etwa 1100 bis 2300.
Besonders vorteilhaft haben sich als Polyglykoläther die Mono- und/oder Diäther der Polyäthylen-, Polypropylen-
oder Polybutylenglykole erwiesen, wobei die Äthergruppe des Mono- oder Diäthers insbesondere
eine gesättigte, geradkettige oder verzweigte Alkoxygruppe mit 1 bis 10 C-Atomen, insbesondere 2 bis
6 C-Atomen ist, insbesondere ein Polyäthylenglykolmonoäthyläther, -propjlähter oder -butyläther, Polypropylenglykolmonoäthyiäther,
-propyläther oder butyläther, Polybutylenglykolmonomethylähter, -äthyläther, -propyläther,
-butyläther oder -pentyläther.
Geeignet sind als Polyglykolester insbesondere die
Mono- und/oder Diester der Polyäthylen-, Polyoropylen-
oder Polybutylenglykole, insbesondere Monoester des Polyäthylen-, Polypropylen- oder Polybutylenglykolmonoäthers.
Die Polyglykoläther und/oder -ester werden vorzugsweise in einer Menge von etwa 40 bis 60 Gew.-°/o,
insbesondere 50 bis 60 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Paste eingesetzt.
Der Dämpfer nach F i g. 2 unterscheidet sich hinsieht
lieh der Konstruktion von der Ausführungsform nach F i g. 1 dadurch, daß die Kolbenstange 5a zum Teil einen
erweiterten Querschnitt 13 an der dem Kolben 3 abgewandten Seite der Kolbenstange Sa aufweist. Der
Trennkolben Ta ist in diesem Fall in der erweiterten Kolbenstange angeordnet und wird durch den Dichtungsring
9a an der Innenwand der Kolbenstange geführt.
Im Inneren der mit dem Dämpfungsfluid gefüllten Kammer 18 ist der Steuerstab 15 vorgesehen, der in der
Mitte der Bodenplatte 2 des Zylinders 1 befestigt ist. Die Spitze 16 des Steuerstabes 15 ragt bei Ruhestellung des
Dämpfers in die Öffnung 11 des Kolbens 3 hinein. Der Steuerstab 15 besteht insbesondere aus Metall.
Die öffnung des Kolbens 3 kann gegebenenfalls mit einer elastischen Auskleidung 17 zur Steuerung der
Dämpfung ausgerüstet sein, wie dies z. B. in der Fi g. 1
durch gestrichelte Linien dargestellt ist.
Wenn der Kolben 3 mit der öffnung 11 bei Belastung
über den Steuerstab 15 fährt, wird die Durchtrittsfläche der öffnune verkleinert. Die Verkleinerung der
Durchtrittsfläche gleicht die Verlangsamung der Kolbengeschwindigkeit
während der Dämpfung aus, so daß die Dämpfkraft über den Weg bei Verwendung des obengenannten Dämpfungsmediums idealisiert wird.
Bei Belastung des Dämpfers führt der Kolben 3 in den Zylinder 1 hinein, wobei das inkompressible, viskose,
hochwärmeleitfähige Dämpfungsfluid 8 aus der Zylinderkammer 18 durch die öffnung 11 in den Raum 12,
12a der hohlen Kolbenstange 5,5a gedrückt wird. Damit kommt es zu einer ax'alen Verschiebung des Trennkolbens
7, 7a, wodurch der Druck im Raum 6, 6a erhöht wird. Im Raum 6a wird der Druck aufgrund des
größeren Druckgasreservoirs weniger erhöht, was zu einer schwächeren Rückstellung, d. h. zu einer weicheren
Feder führt. Dies ist z. B. bei Aufzügen, Sicherheitsgurtdämpfern und Fahrzeugen erwünscht, um die
Wirkung der Beschleunigung auf den Körper weich abzufangen.
Damit während der Druckbelastung kein Vakuum im Dämpfer oberhalb des Kolbens erzeugt wird, ist die
Zylinderwand mit einer öffnung 54 für den Druckausgleich
ausgerüstet.
Der erfindungsgemäße Dämpfer funktioniert wie folgt:
Die Reaktionskraft setzt sich zusammen aus der sich bei der Drosselung der Fluidströmung ergebenden Dämpfungskraft
und der sich infolge der Druckerhöhung in der Luftkammer bzw. der Druckgaskammer aufbauenden
Gasfederkraft. In der Drosselöffnung wird der größte Teil der Aufprallenergie in Wärmeenergie
umgewandelt. Der Rest der Aufprallenergie wird von der Gasfeder, die durch die Komprimierung der
Gasfüllung in dem Raum 6, 6a gebildet wird, gespeichert. Diese von der Feder aufgenommene
Aufprallenergie wird nach dem Stoß ebenfalls gedrosselt wieder freigegeben, indem zufolge der Federkraft
das Dämfpungsmedium aus dem Raum 12 über die öffnung 11 in die Zylinderkammer 18 zurückgedrückt
wird. Dabei kehrt die mit dem Kolben 3 verbundene Kolbenstange in ihre Ausgangslage zurück.
Fig. 3 zeigt das Dämpfkraft/Weg-Diagramm des Dämpfers nach Fig. 1. Aufgrund der Tatsache, daß die
Durchtrittsfläche zwischen Kolbenöffnung M und Steuerstift i5 zu Beginn der Sioßbeiastung größer isi, ist
der Dämpfkraftaufbau zu Beginn weicher, d. h. die Kennlinie steigt weniger steil an. Die Aufprallgeschwindigkeit
wird dann entlang der Linearen gegen Null verzögert, und zum Hubende fällt die Dämpfkraft leicht
ab. Ab der mit χ gekennzeichneten Stelle erfolgt die Rückstellung der Kolbenstange. Die entsprechende
Kraft/Weg-Kurve ist wieder linear, und die Rückstellung erfolgt auf sehr niedrigem Kraftniveau.
Die in der Figurenbeschreibung enthaltenen Maßnahmen, die nicht im Patentbegehren enthalten sind,
gehören nicht zum Wesen der Erfindung.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Hydraulisch wirkender Stoß- und Schwingungsdämpfer mit einem einseitig geschlossenen Zylinder,
einem in dem Zylinder verschiebbaren, mit einer aus dem offenen Ende des Zylinders herausragenden
hohlen Kolbenstange verbundenen Kolben, der mit einer Überströmöffnung, die sich mit dem Hub
verändert, zusammenwirkt, einer mit einem nichtnewtonischen
Dämpfungsfluid gefüllten Kammer und einem davon durch einen verschiebbaren Trennkolben abgetrennten, mit einem kompressiblen
Mittel versehenen Raum, wobei das Dämpfungsfluid bei Belastung des Stoßdämpfers aus der
Kammer über die Überströmöffnung in den dahinter angeordneten Raum und umgekehrt preßbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmöffnung aus einer axialen, durchgehenden
Öffnung (11) im Kolben (3) und einem in die Öffnung (11) des Kolbens hineinragenden, mit in Richtung zur
Spitze (16) des Steuerstifts (15) abnehmenden Querschnitt gebildet und das Dämpfungsfluid eine
homogene Paste (8) aus Graphit, einem Netzmittel, Strukturviskositätsmittel und Polyglykoläther, PoIyglykolester
und/oder einem gesättigten aromatischen und/oder aliphatischen Carbonsäureester ist.
2. Dämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstift (15) in konischer oder
abgestufter Form ausgebildet ist.
3. Dämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Steuerstift (15) an der Bodenfläche (2) des Zylinders angeordnet ist.
4. Dämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung
(11) im Kolben (3) mit einem flexiblen Kunststoff ausgekleidet ist.
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