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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Feder-Dämpfer-Einheit.
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Feder-Dämpfer-Einheiten von koaxialer Bauart
umfassen herkömmlicherweise
eine Schraubfeder, die bei Druck wirksam ist und die einen doppelt wirkenden
hydraulischen, pneumatischen oder gasgefüllten Teleskopdämpfer umgibt.
Der Dämpfer weist
normalerweise eine Kolbenstange auf, die einen Kolben trägt, welcher
in einem Zylinder, der mit Fluid gefüllt ist, gleitet und dessen
Bewegung im Zylinder durch den gedrosselten Fluss des Fluids durch eine Öffnung oder
durch Öffnungen
im Kolben während
des Durchgangs von einer Seite des Kolbens auf die andere Widerstand
entgegengesetzt wird. Die gedämpfte
Bewegung des Kolbens überlagert
sich im eingebauten Zustand der Einheit mit dem Federweg. Die Öffnung oder
die Öffnungen
im Kolben können
so beeinflusst werden, um unterschiedliche Drosselgrade zwischen
der Kompressionsphase und der Ausfederungsphase des Dämpfers und
auch veränderbares
Drosseln in Abhängigkeit
von der Kompressionsrate und/oder der Ausfederungsrate bereitzustellen.
Solch eine Einheit ist relativ sperrig und schwer und gestattet,
wenn überhaupt,
begrenzten Zugang zum Dämpfer,
um ihn einstellen zu können.
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Bekannt sind auch Einheiten, die
eine Gummifeder in Verbindung mit einem Membran betätigten Dämpfer umfassen,
in welchem Fluid durch Öffnungen
in einer Trennwand, die den Fluss drosseln, gezwungen wird. Diese
Einheiten sind wiederum voluminös
und schwer, da die Masse des Gummis einen Volumens- und Gewichtszuwachs ähnlich dem
einer Spiralfeder mit sich bringt.
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Einige Feder-Dämpfer-Einheiten verwenden gasförmige und
hydraulische Medien, wobei das gasförmige Medium, zum Beispiel
Luft, Stickstoff oder Freon, vom hydraulischen Medium durch einen Trennkolben
getrennt ist. Dämpfen
wird wie in einem herkömmlichen
Teleskopdämpfer
durch einen Dämpferkolben
ausgeführt,
der durch eine Stange getragen wird und sich in einem Zylinder bewegt,
der mit hydraulischem Fluid gefüllt
ist, welches durch Öffnungen
im Kolben hindurchgezwungen wird. Das gasförmige Medium ist durch die
Bewegung des Trennkolbens verdichtbar und funktioniert als eine
Feder als auch als eine Antikavitationsmaßnahme im Falle höherer Be wegungsraten
des Dämpferkolbens.
Solch eine Einheit, in welcher die Zylinderkammern für das hydraulische
Medium und eine Kammer für
das gasförmige
Medium in Serie aufgebaut sind, ist im Verhältnis zum verfügbaren Arbeitsweg
sehr lang und weist eine stark ansteigende Federrate auf. Eine dazu
in Bezug stehende Feder-Dämpfer-Einheit
jener Art ist durch das Federaufhängungssystem dargestellt, das
in der Internationalen Patentanmeldung WO 99/03726 offenbart ist;
dieses System umfasst zwei teleskopartige Gehäuse, von denen eines durch eine
rohrförmige
Kolbenstange, die in dem anderen Gehäuse gleitet, ausgebildet wird,
um Verdichtung des Gases in einer angeschlossenen Gasfederkammer
zu bewirken. Deutlich getrennt von der Luftfeder, umfasst das System
einen gedichteten Dämpfer
mit zwei Dämpfungsfluidkammern,
zwischen denen das Dämpfungsfluid über einen
mit Ventil versehenen Trennkolben, der durch die Kolbenstange getragen wird,
hin und her bewegt wird. Die Gasfeder und die Fluiddämpfung werden
daher durch zwei getrennte Kolben geregelt, was zu einem besonders
zeitaufwendigen System mit begrenzter Einsatzmöglichkeit über die besonders offenbarte
Fahrradvordergabelfederung hinaus führt.
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Es ist dementsprechend die Aufgabe
der Erfindung, eine Feder-Dämpfer-Einheit
bereitzustellen, die von relativ leichtgewichtigem und kompaktem Aufbau
sein kann und eine wirksame Federung beziehungsweise Dämpfung durch
ein gasförmiges
Medium wie Luft und ein Dämpfungsfluid
wie Hydrauliköl bereitstellt.
Eine weitere Aufgabe ist das Bereitstellen einer Einheit, in welcher
die Feder die zusätzliche Funktion
der Betätigung
des Dämpfers
in der Kompressionsphase ausübt,
um so Bauteile und folglich Gewicht sparen zu können. Eine weitere Aufgabe
ist die Bereitstellung einer Einheit mit einer linearer ansteigenden
Federrate der Feder und folglich eine progressivere Federkennlinie
der Einheit. Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung einer Einheit,
die zu einem höheren
Dämpfungsniveau
in der Ausfederungsphase im Vergleich zur Kompressionsphase in der
Lage ist und die geringere Anfälligkeit
auf Kavitation der Dämpfungsflüssigkeit
im Falle höherer
Hubraten aufweist. Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden
durch die folgende Beschreibung offensichtlich.
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Gemäß eines ersten Aspekts der
vorliegenden Erfindung wird eine Feder-Dämpfer-Einheit bereitgestellt,
die zwei teleskopartige bewegbare Gehäuse umfasst, die eine Federkammer
für ein
gasförmiges
Medium, das bei Bewegung der Gehäuse
aufeinander zu in einem Kompressionshub davon komprimierbar ist,
und eine Dämpfungskammer
für ein Dämpfungsfluid,
das während
des Kompressionshubs daraus verdrängbar ist, enthalten, dadurch
gekennzeichnet, dass die Gehäuse
darüber
hinaus einen Kolben aufweisen, der durch ein solches komprimiertes
gasförmiges
Medium bewegbar ist, um das Volumen der Dämpfungskammer zu verringern
und dadurch die Verdrängung
zu bewirken.
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In dieser Einheit wird die Betätigung des
Kolbens, der für
die Verdrängung
des Dämpfungsfluids zum
Zwecke des Dämpfens
verantwortlich ist, durch die Feder unternommen, insbesondere durch
die Luft oder das Gas, das der Komprimierung in der Federkammer
während
des Kompressionshubs der Gehäuse
unterzogen wird. Die Feder übt
daher eine zweifache Funktion aus und eine ausschließlich mechanische
Betätigung
des Kolbens wie durch eine starr angebrachte Kolbenstange wie in
einem herkömmlichen
Teleskopdämpfer
ist nicht erforderlich.
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Der Kolben ist vorzugsweise angeordnet, um
eine Vergrößerung des
Volumens der Federkammer gleichlaufend mit der Verringerung des
Volumens der Dämpfungskammer
zu erzeugen, wobei die Zunahme im Federkammervolumen geringer als eine
Verringerung in jenem Volumen ist, das durch die Bewegung der Gehäuse aufeinander
zu erzeugt wird. Daher findet ein Austausch zwischen dem Volumen
der Federkammer und dem Volumen der Dämpfungskammer während des
Betriebs der Einheit statt, insbesondere die Verringerung im Volumen
der Dämpfungskammer,
um die Dämpfungswirkung
zu erbringen, wird durch eine Vergrößerung im verfügbaren Volumen
der Federkammer begleitet, um teilweise die Verringerung aufzuheben,
die durch die Bewegung der Gehäuse
aufeinander zu bewirkt wird. Für
einen gegebenen Satz von Parametern ist die Gesamtverringerung im
Federkammervolumen folglich nicht so groß wie in einer herkömmlichen
Luft- oder Gasfeder und es wird eine mehr linear ansteigende Federrate
erzielt.
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In einer besonders günstigen
Aufbauanordnung ist die Federkammer durch einen Teil eines Hohlraums
in einem der Gehäuse
und einem Teil eines Hohlraums im anderen Gehäuse ausgebildet und die Dämpfungskammer
ist durch einen anderen Teil des letzteren Hohlraums ausgebildet.
In jenem Fall ist der Kolben vorzugsweise in dem letzteren Hohlraum
angeordnet und Dichtungsmittel können vorhanden
sein, um eine Dichtung zwischen dem Kolben und einer umgebenden
Umfangswand aufzubauen. Der Kolben ist vorzugsweise so angeordnet, um
die Federkammer von der Dämpfungskammer
zu trennen. Solch ein Aufbau erlaubt ein Gehäuse einfacher Form, zum Beispiel
teleskopartig ineinandergreifende Rohre mit einem Kolben, der ausschließlich in
einem der Gehäuse
angeordnet ist und dazu dient, durch sein Vorhandensein die zwei
Fluidmedien zu trennen. Der Kolben ist vorzugsweise schwimmend und
daher mechanisch nicht zurückgehalten, wobei
der einzige Widerstand gegen eine Bewegung von den statischen und
dynamischen Fluidkräften, die
in den Kammern vorherrschen, und von Reibung, die durch die Dichtungsmittel
erzeugt wird, herrührt.
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Vorzugsweise umfasst die Einheit
jedoch auch Antriebsmittel, die für die Bewegung der Gehäuse aufeinander
zu mit einer Rate wirksam sind, die eine vorbestimmte Rate übersteigt,
um mechanisch positiv den Kolben anzutreiben. In der Praxis kann
eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit der Gehäuse in einem Kompressionshub
die Geschwindigkeit der gedämpften
Bewegung des Kolbens übersteigen,
wodurch eine Verzögerung
im Kolbenweg erzeugt wird. Um dies zu überwinden kann mechanisch positives
Antreiben des Kolbens herangezogen werden, um die Fluidverdrängung durch
das komprimierte gasförmige
Medium zu übernehmen
oder zu unterstützen.
Solch ein Hilfsantrieb kann durch ein Antriebselement verwirklicht
werden, das antreibend mit dem Kolben in Eingriff gelangt, nachdem
es einen Abstand zu diesem überwunden
hat. Wenn die Kompressionsrate des gasförmigen Mediums in ausreichendem
Maße die
Bewegungsrate des Kolbens übersteigt,
wird der Zwischenraum überwunden
und das Antriebselement, tatsächlich
ein feststehendes Widerlager, wirkt als mechanischer Antrieb des
Kolbens. Die vorbestimmte Rate, über
der das Antriebsmittel den Antrieb übernimmt oder ergänzt, kann
variabel sein unter anderem durch Veränderung des Zwischenraums.
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Die Einheit kann auch Puffermittel
zum Abfedern von wenigstens einer der Endlagen der Gehäusebewegung
aufeinander zu im Kompressionshub und einer Endlage der Gehäusebewegung
auseinander in einem Ausfederungshub umfassen. Daher können die
Gehäuse
progressiv bis zu einem Anschlag in eine oder beide Richtungen ihrer
relativen Bewegung abgebremst werden.
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Vorzugsweise umschließen die
Gehäuse
einen inneren Raum, der durch einen Hohlraum in einem der Gehäuse und
einen Hohlraum im anderen Gehäuse
gebildet wird, und der Kolben ist ein schwimmender Kolben, der in
einem der Innenräume angeordnet
ist und den inneren Raum in die Federkammer und die Dämpfungskammer
unterteilt, wobei die Federkammer und die Dämpfungskammer jeweils entsprechend
ein gasförmiges
Medium und eine Dämpfungsfluid
enthalten und die Gehäuse
zueinander in einem Kompressionshub derselben bewegbar sind, um
das gasförmige
Medium durch Verringerung des Volumens der Federkammer zu verdichten
und durch die Komprimierung des gasförmigen Mediums eine Bewegung
des Kolbens zu verursachen, um eine Verringerung im Volumen der Dämpfungskammer
zum Verdrängen
des Dämpfungsfluids
daraus zu erzeugen.
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Solch eine Einheit, die auf den
funktionalen Grundsätzen
des ersten Aspekts der Erfindung beruht, stellt eine besonders einfache
konstruktive Verwirklichung der Erfindung durch Einsatz von Gehäusen dar,
die gemeinsam einen inneren Raum umschließen, der durch zwei Gehäuseinnenräume gebildet
wird, wobei der Kolben dazu dient, den inneren Raum entsprechend
in die Federkammer und die Dämpfungskammer
zu teilen, die jeweils entsprechend mit dem gasförmigen Medium und dem Dämpfungsfluid
gefüllt
sind. In diesem Fall ist die Federkammer vorzugsweise durch einen
Teil des anderen Hohlraums und durch einen Teil des Hohlraums mit dem
Kolben und die Dämpfungskammer
durch den anderen Teil des letzteren Hohlraums gebildet.
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Ähnlich
kann, um eine phasenverschobene Hin-und-Herbewegung des Kolbens
in den extremeren Fällen
der Kompression der Einheit auszuschließen, das Gehäuse mit
dem anderen Hohlraum mit einem Antriebselement ausgestattet sein,
welches am Zwischenraum des Kolbens in einem unbelasteten Zustand
der Einheit angeordnet und so gestaltet ist, um den Kolben bei einer
Bewegung der Gehäuse aufeinander
zu bei einer Rate, die eine vorbestimmte Rate übersteigt, antreibend zu ergreifen.
Das Antriebselement stellt daher ein Widerlager dar, das relativ
zu jenem Gehäuse
feststeht, und kann einfacherweise in der Form einer Stange ausgebildet
sein, die sich entlang einer gemeinsamen Achse von Hohlraum und
Kolben erstreckt. Um sicherzustellen, dass die Stange auf Grund
ihrer Querschnittsfläche
und des begrenzten Raums in den Gehäusen die normale Antriebsfunktion
des komprimierten gasförmigen
Mediums nicht behindert, kann die Stange mit einem Kanal zum Befördern des
gasförmigen
Mediums zum Bereich des Kolbens hin und von diesem weg ausgestattet
sein.
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Vorzugsweise sind elastische Mittel
vorhanden, um eine Endlage der Bewegung der Gehäuse auseinander zu und/oder
eine Endlage der Bewegung auseinander abzufedern. Das elastische
Mittel zum Abfedern der Bewegung auseinander kann bequemerweise
durch ein Elastomerelement bereitgestellt werden, das auf der Stange
angebracht ist und mit einem Widerlager am Gehäuse mit dem Hohlraum, der den
Kolben enthält,
zusammenwirken. Die Anordnung des elastischen Mittels in dieser
Position, getrennt von jener an einem Ende der Einheit, verbessert
noch den kompakten Aufbau der Einheit.
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Vorzugsweise weist das Gehäuse mit
dem Hohlraum, der den Kolben enthält, einen Kolbenabschnitt auf,
der während
des Kompressionshubs in den anderen Hohlraum bewegt wird, um die
Verringerung im Volumen der Federkammer zu erzeugen. Solch ein Kolbenabschnitt,
zum Beispiel ein teilweise geschlossener Kopf des entsprechenden
Gehäuses, kann
eine wirksame Verringerung des Volumens der Federkammer bereitstellen,
ohne die Notwendigkeit für
einen eigenen Kolben für
jenen Zweck zu schaffen.
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Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird eine Feder-Dämpfer-Einheit
bereitgestellt, die zwei teleskopartig bewegbare Gehäuse umfasst,
die eine Federkammer für
ein gasförmiges
Medium, welche bei Bewegung der Gehäuse aufeinander zu in einem
Kompressionshub davon komprimierbar ist, eine Dämpfungskammer für ein Dämpfungsfluid,
welches während
des Kompressionshubs durch einen Kolben daraus verdrängbar ist, und
eine zweite Dämpfungskammer
zur Aufnahme des verdrängten
Fluids und zur Rückführung des
Fluids zur ersten Dämpfungskammer
bei Bewegung der Gehäuse
voneinander weg in einem Ausfederungshub davon enthalten, dadurch
gekennzeichnet, dass der Kolben so angeordnet ist, dass er die Federkammer
von der ersten Dämpfungskammer
trennt, und zur Verringerung des Volumens der ersten Dämpfungskammer
zur Verdrängung
des Fluids daraus bewegbar ist und die zweite Dämpfungskammer so zwischen den
Gehäusen
angeordnet ist, dass eine Bewegung der Gehäuse voneinander weg eine Verringerung
des Volumens der zweiten Dämpfungskammer
zum Austreiben des zur ersten Dämpfungskammer
zurückzuführenden
Fluids bewirkt.
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In solch einer Einheit, in welcher
die Luft- oder Gasfederung durch relative Bewegung der Gehäuse und
die Dämpfung
in einer Kompressionsphase durch den Kolben, der die Federkammer
von der ersten Dämpfungskammer
trennt, erzeugt wird und die Fluidverdrängung aus der letzteren Kammer
verursacht, wird das Dämpfungsfluid,
welches derartig in dieser Phase verdrängt wird, anschließend einem positiven
Druck durch die Gehäuse
in der Ausfederungsphase unterworfen. Der Rückfluss des Dämpfungsfluids
kann daher gedrosselt werden, um ein höheres Niveau an Ausfederungsdämpfung bei
verringertem oder keinem Risiko von Kavitation bereitzustellen.
Die Anordnung der zweiten Dämpfungskammer
zwischen den Gehäusen
gestattet es, dass diese Kammer eine konzentrische Beziehung zur ersten
Dämpfungskammer
aufweist, was zum kompakten Aufbau der Einheit beiträgt und das
erzielbare Verhältnis
von Einheitenbaulänge
und erzielbarem Hub deutlich verbessert.
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Vorzugsweise weisen die erste und
die zweite Dämpfungskammer
im Wesentlichen dieselben Fläche
im Querschnitt quer zur Bewegungsrichtung der Gehäuse im Kompressionshub
und im Ausfederungshub auf. Dieses Querschnittsverhältnis der zwei
Dämpfungskammern
ergibt eine im Wesentlichen gleichgroße Fluidverdrängung aus
den zwei Kammern, so dass der Kolben eine im Wesentlichen konstante
Position relativ zu einem benachbarten Ende der zweiten Dämpfungskammer
zum Beispiel beibehalten und daher in einer seiner Endpositionen ankommen
kann, wenn die Gehäuse
vollständig
aufeinander zu bewegt sind. Dies begünstigt das Erzielen einer hohen
Hublänge
relativ zur Einheitenlänge.
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In einer vorteilhaften Aufbauanordnung
ist die zweite Kammer durch einen Teil eines Hohlraums in einem
der Gehäuse
ausgebildet und die Federkammer, wenigstens teilweise, durch einen
anderen Teil desselben Hohlraums. Vorzugsweise ist die Federkammer
zusätzlich
durch einen Teil eines Hohlraums im anderen Gehäuse ausgebildet, von dem ein
weiterer Teil die erste Dämpfungskammer
ausbildet. Der zuerst erwähnte
Hohlraum stellt daher einen Volumsaustausch zwischen der Federkammer
und der zweiten Dämpfungskammer
während
des Betriebs der Einheit dar und ein ähnlicher Austausch, herbeigeführt durch
den Kolben, kann zwischen der Federkammer und der ersten Dämpfungskammer stattfinden.
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Die zweite Dämpfungskammer, die vorzugsweise
ringförmig
ist, kann radial durch zwei im Wesentlichen konzentrische Umfangswandabschnitte der
jeweiligen zwei Gehäuse
und axial durch zwei entgegengesetzt gerichtete Fortsätze, die
an einem der jeweiligen Wandabschnitte vorhanden sind, umschlossen
sein. Jeder solcher Fortsätze
besteht vorzugsweise aus Dichtungsmitteln oder umfasst solche, die
eine Dichtung relativ zum anderen jeweiligen Wandabschnitt bereitstellen.
Wenn das Dämpfungsfluid
eine Flüssigkeit
wie Hydrauliköl
ist, kann das Dichtungsmittel in solch einer Anordnung der Schmierung
durch die Flüssigkeit
in der zweiten Dämpfungskammer
während
der Bewegung der Gehäuse
auseinander unterworfen sein, was die Reibung herabsetzt und die
Lebensdauer des Dichtmittels erstreckt.
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Vorzugsweise weist jedes der Gehäuse einen
Hohlraum auf, der durch jeweils eine der zwei im Wesentlichen koaxialen
und radial beabstandeten Umfangswände umschlossen ist und der
Kolben ist in dem Hohlraum angeordnet, der durch eine innere der Wände umschlossen
ist, wobei jede der Wände
mit jeweils einer der zwei entgegengesetzt ausgerichteten Fortsätze ausgestattet
ist, die zusammen mit im Wesentlichen konzentrischen Abschnitten
der Wände
die zweite Dämpfungskammer
umschließen
und die in Richtung aufeinander zu bei der Bewegung der Gehäuse auseinander
im Ausfederungshub derselben bewegbar sind, um die Verringerung
des Volumens der zweiten Dämpfungskammer
zu verursachen.
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Solch eine Einheit, die auf den
funktionalen Grundsätzen
des zweiten Aspekts der Erfindung beruht, stellt eine besonders
einfache Umsetzung der Erfindung in Bezug auf den Aufbau mittels
der zwei Gehäuseumfangswände dar,
die konzentrische Abschnitte und entgegengesetzt ausgerichtete Fortsätze aufweisen,
die gemeinsam die zweite Dämpfungskammer
umschließen.
Die Federkammer kann herkömmlich
durch einen Teil des Hohlraums, der durch die äußere Wand umschlossen ist,
und einen Teil des Hohlraums, der durch die innere Wand umschlossen ist,
ausgebildet sein, während
die erste Dämpfungskammer
durch einen weiteren Teil des letzteren Hohlraums ausgebildet sein
kann. Jeder Fortsatz kann eine Dichtung umfassen, die abdichtend
die jeweils andere Wand berührt,
wobei jede Dichtung vorzugsweise axial in einer Nut angeordnet ist.
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Die innere Wand kann mit einem Kanalmittel zum
Befördern
des Hydraulikfluids zwischen den Dämpfungskammern ausgestattet
sein, wobei in diesem Fall jene Wand vorteilhafterweise zwei im
Wesentlichen konzentrische und radial beabstandete Rohre umfassen
kann, wobei das Kanalmittel teilweise durch den Abstand zwischen
den Rohren ausgebildet ist. Die Rohre selbst können an einem Paar gleicher
Enden derselben mit einem Verschlusselement verbunden und am anderen
Paar gleicher Enden mit einem ringförmigen Kolbenelement ausgestattet
sein, der den jeweils entsprechenden der Fortsätze an seinem äußeren Umfang
definiert, wobei das ringförmige
Kolbenelement wirksam ist, um gleichzeitig und wechselseitig die
Volumina der Federkammer und der zweiten Dämpfungskammer während der
Bewegung der Gehäuse
aufeinander zu und auseinander zu verändern. Der Einsatz der Rohre
ergibt einen modularen Aufbau, wobei die Einheitenlänge und
daher die Hublange sehr leicht zwischen Herstellungsserien modifiziert
werden können. Die
Einfachheit des Aufbaus wird verstärkt, wenn das äußere der
Rohre mit dem Verschlusselement verschraubt ist und das innere der
Rohre zwischen dem Verschlusselement und dem ringförmigen Kolbenelement
verklemmt ist. Ein sicherer und stabiler Zusammenbau kann dann einfach
durch Anziehen des Verschlusselements relativ zum ringförmigen Kolben
erzielt werden.
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In einer Erweiterung des modularen
Formats kann die äußere Wand
ein weiteres Rohr umfassen, welches teilweise konzentrisch mit dem äußeren Rohr
der inneren der Wände
und radial nach außen beabstandet
zu diesem ist und welches an einem Ende mit den jeweilig entsprechenden
der Fortsätze ausgestattet
ist. Dieses weitere Rohr kann gleichzeitig durch ein Gewinde an
seinem anderen Ende mit einem eigenen Verschlusselement verbunden
sein. Die Einheit kann daher leicht mit durch Gewinde verschraubten
Bauteilen unter Einlegen von geeigneten Dichtungen zusammengebaut
werden, um leckdichte Verbinden zu gewährleisten.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird nun genauer als Beispiel mit Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 ein
schematischer axialer Schnitt einer Feder-Dämpfer-Einheit ist, welche die
Erfindung verkörpert
und welche in einem Zustand zwischen einer vollständigen Kompressionsanordnung
und einer vollständigen
Ausfederungsanordnung gezeigt wird;
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2 eine
Ansicht ähnlich 1 ist, aber die vollständige Kompressionsanordnung
zeigt; und
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3 eine
Ansicht ähnlich 1 ist, aber die vollständige Ausfederungsanordnung
zeigt.
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Nun mit Bezugnahme auf die Zeichnungen wird
eine koaxiale pneumatische Feder- und hydraulische Dämpfereinheit 10 gezeigt,
die ein äußeres Gehäuse 11 und
ein inneres Gehäuse 12 umfasst, wobei
die Gehäuse
teleskopartig zur Bewegung aufeinander zu, um einen Kompressionshub
auszuführen,
und zur Bewegung auseinander ineinander eingreifen, um einen Ausfederungshub
auszuführen.
In einem eingebauten Zustand ist das Federverhalten der Einheit
im Kompressionshub wirksam, um in erster Linie Stoßkräfte, die
zwischen zwei Bauteilen, zum Beispiel einem Fahrzeugrad und einem
Fahrzeugaufbau, die über
die Einheit miteinander verbunden sind, übertragen werden abzufedern,
und im Ausfederungshub wirksam, um in erster Linie die Schwingungen
zu dämpfen,
die von der in die Ausgangslage zurückgehenden Feder herrühren. Das Dämpfungsverhalten
ist auch Kompressionshub, aber im Allgemeinen in einem geringeren
Grad vorhanden.
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Das äußere Gehäuse 11 umfasst ein
Verschlusselement 13, welches eine Befestigungsöse 14 eingearbeitet
hat, und ein Rohr 15, welches mittels Gewindeverschraubung
mit dem Verschlusselement 13 verbunden ist, um so einen
zylindrischen Hohlraum oder Zylinder 16 zu definieren,
der an einem Ende durch das Element 13 verschlossen und am
anderen Ende offen ist. Das innere Gehäuse 12 umfasst ein ähnliches
Endverschlusselement 17, welches auch eine Befestigungsöse 18 aufweist,
ein inneres Rohr 19 und ein äußeres Rohr 20, die
konzentrisch zu einander und radial zu einander beabstandet sind
und auch konzentrisch zu und radial beabstandet zum Rohr 15 des äußeren Gehäuses 11 liegen,
und ein ringförmiges
Kolbenelement 21. Das äußere Rohr 20 ist
mittels Gewindeverschraubung sowohl mit dem Verschlusselement 17 als
auch mit dem Kolbenelement 21 verbunden und das innere Rohr 19 zwischen
diese zwei Elemente durch den Vorgang des Anziehens der Elemente
zueinander eingeklemmt, wobei ein elastischer Dichtungsring 22 zwischen
dem inneren Rohr 19 und dem Kolbenelement 21 angeordnet
ist. Das innere Rohr 19 definiert einen zylindrischen Hohlraum
oder Zylinder 23, welcher an dem einen Ende durch das Verschlusselement 17 verschlossen
ist und sich am anderen Ende über
die Öffnung
im Kolbenelement 21 öffnet,
wobei der Durchmesser dieser Öffnung
im Verhältnis
zum Hohlraumdurchmesser durch eine nach innen vorragende Lippe des
Kolbenelements verringert ist.
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Im Zylinder 23 des inneren
Rohrs 19 des inneren Gehäuses 12 ist verschiebbar
ein Kolben 24 angeordnet, der mit einer ringförmigen Dichtung 25 ausgestattet
ist, die abdichtend gegen die innere Wandoberfläche des Rohrs 19 drückt. Der
Kolben 24 einschließlich
der Dichtung 25 trennt eine innere Dämpfungskammer 26 auf
der rechten Seite, die mit Hydrauliköl gefüllt ist, von einer Federkammer 27 auf der
linken Seite, die mit unter Druck stehender Luft gefüllt ist.
Da der Zylinder 23 des inneren Gehäuses 12 mit dem Zylinder 16 des äußeren Gehäuses 11 über die Öffnung im
Kolbenelement 21 in Verbindung steht, wird die Federkammer 27 durch
Teile beider Zylinder gebildet. Die innere Dämpfungskammer 26 ist
nur aus einem Teil des Zylinders 23 gebildet. Die entsprechenden
Volumina der zwei Kammern 26 und 27 verändern sich
in Abhängigkeit
von der Position des Kolbens 24.
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Das Rohr 15 des äußeren Gehäuses 11 ist an
seinem freien Ende mit einem radial nach innen vorspringenden Fortsatz
in der Form von zwei axial beabstandeten Wülsten oder Flanschen 28 ausgestattet,
die eine Nut umschließen,
die ihrerseits eine ringförmige
Dichtung 29 aufnimmt, die in abdichtendem Kontakt mit der äußeren Wandoberfläche des äußeren Rohrs 20 des
inneren Gehäuses 12 steht. Eine
ringförmige
Abstreifdichtung 30 ist am Abschluss des Rohres 15 vorhanden,
um das Eindringen von Fremdstoffen zu verhindern. Das ringförmige Kolbenelement 21 ist
analog an seinem äußeren Umfang
mit einem radial nach außen
vorspringenden Fortsatz in der Form von zwei axial versetzten Wülsten oder
Flanschen 31 ausgestattet, die eine Nut umschließen, die
ihrerseits eine Dichtung 32 aufnimmt, die in abdichtendem
Kontakt mit der inneren Wandoberfläche des Rohres 15 des äußeren Gehäuses 11 steht.
Die zwei Fortsätze
und die variablen Längen der
konzentrischen Wandoberflächen,
die dazwischen angeordnet sind, der Rohre 15 und 20 umschließen eine äußere Dämpfungskammer 33,
die in ähnlicher
Weise mit Hydrauliköl
gefüllt
ist. Die Fortsätze
am ringförmigen
Kolbenelement 21 trennen diese Kammer von der Federkammer 27.
Die äußere Dämpfungskammer 33 ist
daher von einem weiteren Teil des Zylinders 23 ausgebildet.
Die Durchmesser der Zylinder 16 und 23 sind so
ausgewählt,
dass die inneren und äußeren Dämpfungskammern 26 und 33 wenigstens
im Wesentlichen dieselbe Fläche im Querschnitt
aufweisen.
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Die ringförmigen Dichtungen 25, 29 und 32 bestehen
jede vorzugsweise aus einem Mischungskörper, der aus zwei axial beabstandeten
Polytetrafluorethylenringen und einem zwischengelegten Gummiflansch
eines radial äußeren Gummisitzes
für die
Ringe zusammengesetzt ist. Jede Dichtung wird in einem Stadium in
Ausführung
des Kompressions- und des Ausfederungshubs gezwungen, eine Oberfläche von
anhaftendem Hydrauliköl
abzustreifen, und ist daher der Schmierung durch Öl unterworfen.
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Das Verschlusselement 13 des äußeren Gehäuses 11 weist
einen Einlass (nicht gezeigt) und ein Rückschlagventil 34 zum
Zuführen
von Druckluft in die Federkammer 27 auf. Das Verschlusselement 17 des
inneren Gehäuses 12 weist
dementsprechend die Einlässe 35 (nur
einer ist gezeigt) auf, die für
die Zuführung
von Hydrauliköl
in die Dämpfungskammern 26 und 33 verwendbar
sind. Die Dämpfungskammern
sind in Bezug auf den Fluss durch ein Kanalsystem miteinander verbunden,
das durch einen Raum 36, der zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr 19 und 20 des
inneren Gehäuses 12 verbleibt,
wobei eine Öffnung 37 im
Rohr 20 vorgesehen ist und den Raum 36 mit der äußeren Dämpfungskammer 33 verbindet,
und zwei Kanäle 38 (nur
einer ist gezeigt), die im Verschlusselement 17 bereitgestellt
sind und den Raum 36 mit der inneren Dämpfungskammer 26 verbinden,
ausgebildet ist. Entfernbar angebracht sind in den Einlässen 35 einstellbare Durchflussregelventile 39 (nur
eines ist gezeigt), wobei jedes mit einem Ventilelement 40 vorgesehen
ist, das den Durchfluss durch den jeweiligen Kanal 38 zwischen
den Dämpfungskammern 23 bis 33 regelt.
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Die Einheit 10 umfasst
einen Hilfsantrieb für den
Kolben 24, wobei der Antrieb in der Form einer Antriebsstange 41 vorliegt,
welche sich entlang einer gemeinsamen Achse der Zylinder 16 und 23 und
dem Kolben 24 erstreckt und durch Gewindeeingriff an einem
Ende im Verschlusselement 13 des äußeren Gehäuses 11 befestigt
ist und am anderen Ende mit einem radial vergrößerten Kopf ausgestattet ist.
Im unbelasteten Zustand der Einheit ist der Kopf normalerweise in
einem Abstand 's' zum Kolben 21 angeordnet.
Die Stange 41 weist Bohrungen 42 zum Zuführen von
Luft zu und von diesem Bereich des Kolbens auf, welcher mechanisch
getrennt von der Stange 41 und von anderen Bauteilen der
Einheit ist. Der Kolben schwimmt daher im Zylinder 23,
wobei er nur in der Bewegung durch Reibung und Fluidbelastungen
eingeschränkt
ist.
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Um schließlich die Endlagen der Bewegung der
Gehäuse 11 und 12 aufeinander
zu in der Kompressionsphase und auseinander in der Ausfederungsphase
abzufedern, umfasst die Einheit entsprechende elastische Dämpfungselemente.
Das Dämpfungselement,
das für
die Kompressionsphase bestimmt ist, umfasst einen ringförmigen Gummikörper 43,
der in einer inneren Vertiefung im Verschlusselement 13 des äußeren Gehäuses 11 sitzt
und mit dem Kolbenelement 21 des inneren Gehäuses 12 zusammenarbeitet,
wobei der Körper 43 und
das Element 31 gegenseitig zugewandete Anschlagflächen von
im Wesentlichen komplementärer
Gestalt aufweisen. Das Dämpfungselement,
das für
die Ausfederungsphase bestimmt ist, umfasst einen komprimierbaren Elastomerzylinder 44,
der zwischen zwei Endscheiben angeordnet ist und verschiebbar auf
der Antriebsstange 41 zwischen dem Kopf derselben und einem
Anschlagkragen 45, zum Beispiel einem Sprengring, auf der
Stange mit einem Abstand zum Kopf befestigt ist. Der Elastomerzylinder 44 arbeitet über die
linke Scheibe mit der nach innen vorragenden Lippe des Kolbenelements 21 zusammen
und kann sich unter Kompression durch die Lippe durch die gleitende
Bewegung seines bestandgebenden Materials entlang der Stange verformen.
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Im Einsatz der Einheit 10 bei
entsprechend mit Druckluft und Hydrauliköl gefüllten Kammern 26, 27 und 33 sind
die Befestigungsösen 14 und 18 der Gehäuse 11 und 12 entsprechend
mit den Bauteilen gekoppelt, die sich relativ mittels einer gedämpften Federkupplung
bewegen sollen. Die Einheit kann zum Beispiel in ein Zweiradfahrzeug
zwischen einer Radachse und einem Rahmen oder Chassis eingebaut
sein. Normalerweise sind zwei oder mehr Einheiten einer einzelnen
Achse beigefügt.
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Im Falle eines Kompressionshubs
der Gehäuse 11 und 12 und
folglich teleskopartiger Bewegung der Gehäuse aufeinander zu (entweder
ausgehend von einer vollständig
ausgedehnten Einstellung wie in 3 oder
einer Zwischenposition wie in 1,
wenn das Gewicht eines Unterstützten
der beiden gekoppelten Bauteile eine teilweise Kompression der Einheit 10 im
normalen Zustand mit sich bringt) bewegt sich das Kolbenelement 21 im
Zylinder 16 in Richtung des Verschlusselements 13 und verringert
das Volumen der Federkammer 27, was fortschreitende Komprimierung
der bereits unter Druck stehenden Luft in der Kammer bedeutet. Die komprimierte
Luft wirkt auf den Kolben 24, um ihn im Zylinder 23 in
die entgegengesetzte Richtung zur Bewegung des Kolbenelements 31,
d.h. in Richtung zum anderen Verschlusselement 17, zu bewegen, und
veranlasst daher den Kolben 24 das Volumen der inneren
Dämpfungskammer 26 zu
verringern. Die Bewegung des Kolbenelements 21 entlang
des Zylinders 16 vergrößert gleichzeitig
das Volumen der anderen Dämpfungskammer 33.
Die Verringerung des Volumens der inneren Dämpfungskammer 26 und die
Vergrößerung des
Volumens der äußeren Dämpfungskammer 33 erzwingt
die Verdrängung
des Hydrauliköls
von der ersteren zur letzteren über
das Kanalsystem, das durch die Kanäle 38, den Raum 36 und
die Öffnung 37 gebildet
wird. Vorzugsweise ist einer der Kanäle 38 für den Fluss
in Richtung von Kammer 26 zu Kammer 33 und der
andere für
den Fluss in die entgegengesetzte Richtung bestimmt. Die beigefügten Ventile 39 sind
dann im entgegengesetzten Sinn wirksam, um den Fluss in eine Richtung
zu unterbinden und den gedrosselten Fluss in die andere Richtung
zu gestatten. Der Grad der Drosselung des zugelassenen Flusses bestimmt
den Grad der Dämpfung,
welcher vorzugsweise relativ gering in der Kompressionsphase der
Einheit ist. In dieser Phase lässt
die Einheit daher die Bewegung der zwei gekoppelten Bauteile aufeinander
zu gegen den Widerstand zu, der durch das Komprimieren der Luft entgegengesetzt
wird, die als eine pneumatische Feder wirkt und jene Bewegung auf
einen ausgewählten Grad
durch die gedrosselte Verdrängung
des Hydrauliköls
dämpft.
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Auf Grund der Gleichheit oder ungefähren Gleichheit
der Querschnittsflächen
der zwei Dämpfungskammern 26 und 33 ist
die Fluidverdrängung der
Kammern während
des Betriebs der Einheit gleich oder im Wesentlichen gleich und
der Kolben 24 verbleibt folglich in der selben Position
relativ zum äußeren Gehäuse 11 sowohl
in der Kompressionsphase als auch in der Ausfederungsphase, wie
sich aus dem Vergleich von 1, 2 und 3 ergibt. Diese Position des Kolbens 24 ist
ausgewählt,
um nahe am freien Ende des Rohrs 15 des äußeren Gehäuses 11 zu
sein, so dass im vollständig
komprimierten Zustand der Einheit, wie in 2 gezeigt, sich sowohl der Kolben und
das freie Ende des Rohrs 15 in nächster Nähe zum Verschlusselement 17 des
inneren Rohrs 12 befinden. Ein maximaler Federhub und ein
maximaler Dämpfungshub
werden daher von der maximalen Größe des beabsichtigten relativen
Wegs der zwei Gehäuse 11 und 12 im
Kompressionshub abgeleitet. Im vollständig komprimierten Zustand
der Einheit, wie aus 2 ersichtlich,
stößt das Kolben element 21 an
den Gummikörper 43 und
verformt diesen, welcher dadurch die Endlage der Bewegung der Gehäuse 11 und 12 im
Kompressionshub dämpft.
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Die Bewegung des Kolbens 24,
um das Volumen der inneren Dämpfungskammer 26 zu
verringern, verursacht gleichzeitig ein Vergrößern des Volumens der Federkammer 27,
was tatsächlich
einem Volumensaustausch zwischen den zwei Kammern entspricht. Wegen
der Querschnittbeziehung der Zylinder 16 und 23 fällt dieser
Anstieg notwendigerweise geringer aus als die Verringerung des Volumens der
Federkammer 27, die gleichzeitig durch das sich bewegende
Kolbenelement 21 erzeugt wird. Verdichtung der Luft findet
fortgesetzt statt, aber mit geregelter Dämpfung und folglich einer Verringerung
der Anstiegsrate der Luftfeder im Vergleich zur Rate, die aus konstanter
Verringerung des Volumens der Luftkammer ohne einen kompensierenden
proportionalen Anstieg in jenem Volumen erzielt werden würde.
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Im Falle einer sehr hohen Kompressionsrate der
Einheit 10 kann die Luft in der Federkammer 27 so
schnell komprimiert werden, dass der Kolben 24 sich auf
Grund des Drucks, der durch das Drosseln des ausfließenden Hydrauliköls aus der
inneren Dämpfungskammer 26 erzeugt
wird, nicht mit derselben Rate wie jene der relativen Bewegung der
zwei Gehäuse 11 und 12 bewegen
kann. Wenn die zwei Bewegungen auf diese Weise phasenverschoben werden,
bewegt sich der Kolben 24 relativ zum äußeren Gehäuse 11 in Richtung
des Verschlusselements 13 jenes Gehäuses. Sollte der Kolbenweg
in Richtung des Verschlusselements 13 ausreichen, um den Abstand 's' zu überwinden,
kommt der Kolben dann in Kontakt mit dem Kopf der Antriebsstange 41 und wird
danach mechanisch positiv durch die Stange angetrieben. Der mechanische
Antrieb dauert solange an, bis die Kompressionsrate der Einheit,
d.h. die Rate der relativen Bewegung der Gehäuse 11 und 12 in
Richtung aufeinander zu, einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Der Schwellenwert wird hauptsächlich
durch die Rate des Ausströmens
des Fluids, die durch das jeweilige Ventil 39 zugelassen wird,
und die Abmessung von Abstand 's' bestimmt. Der Fluidantrieb,
der durch die komprimierte Luft ausgeübt wird, liegt weiter an und übernimmt
vom mechanischen Antrieb, wenn die Kompressionsrate sich unter den
Schwellenwert verringert und ein Zwischenraum zwischen dem Kopf
der Stange 41 und der benachbarten Fläche des Kolbens 24 wieder
aufgebaut ist. Die Bohrungen 42 in der Stange 41 einschließlich deren
Kopf stellen sicher, dass die querschnittliche Blockierung eines
Teils der Luftkammer
27 durch die Stange 41 und
den Elastomerzylinder 44 nicht die Kraft der komprimierten
Luft, die auf den Kolben 24 wirkt, mindert.
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Im Falle des Ausfederungshubs bei
Freigeben der Belastung der gekoppelten Bauteile, die den Kompressionshub
einleitete, zwingt die Kraft, die durch die komprimierte Luft in
der Federkammer 27 erzeugt wird, die zwei Gehäuse 11 und 12 auseinander,
wobei das Kolbenelement 21 das Volumen der Federkammer 27 vergrößert und
gleichzeitig das Volumen der äußeren Dämpfungskammer 33 verkleinert,
was einen Austausch an Volumen zwischen den zwei Kammern veranlasst.
Das sich verringernde Volumen der Dämpfungskammer 33 bringt
das Hydrauliköl
in jener Kammer unter einen positiven Druck und drängt das Öl aus der
Kammer 33 in die innere Dämpfungskammer 26 durch
das Kanalsystem, das durch die Öffnung 37,
den Raum 36 und den beigefügten Kanal der Kanäle 38 bereitgestellt
ist. In jenem Fall übt
das Ventil 39, das den Fluss durch jenen Kanal zulässt, einen
relativ starken Drosseleffekt auf den Fluss aus, um eine annehmbare
Verzögerung oder
Dämpfung
der relativen Bewegung der Gehäuse 11 und 12 auseinander
zu erwirken. Der positive Druck, der auf das Öl in der äußeren Dämpfungskammer 33 wirkt,
widersteht jeder Neigung des Öls, Hohlräume in jener
Kammer auszubilden. In ähnlicher
Weise stellt die komprimierte Luft, die fortgesetzt auf den Kolben 24 in
dem Sinne wirkt, ihn in Richtung des Verschlusselements 17 zu
zwingen, sicher, dass die Volumsvergrößerung der inneren Dämpfungskammer 26 allein
durch zufließendes Öl verursacht
wird, so dass Kavitation in jener Kammer nicht auftreten kann. Der
Kolben 24, der sich im Zylinder 23 des inneren
Gehäuses 12 bewegt,
verharrt wiederum in derselben Position relativ zum äußeren Gehäuse 11.
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Wenn die Gehäuse 11 und 12 im
Ausfederungshub die maximal ausgedehnte Position erreichen, berührt die
nach innen vorragende Lippe des Kolbenelements 21 den Elastomerzylinder 44,
insbesondere den benachbarten der Endscheiben am Zylinder, am Ende
der relativen Bewegung der Gehäuse
und komprimiert den Zylinder, um die abschließende Bewegung abzufedern.
Die Kompression des Zylinders wird durch Abheben aus der Anstoßlage am
Anschlagkragen 45 und teilweises Verschieben entlang der
Stange 41 aufgenommen. Die Endlage wird in 3 gezeigt. Die Anordnung dieses Ausfederungsdämpfungselements
innerhalb der Hublänge der
Einheit 10 trägt
zur kompakten Form der Einheit bei.
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Alle drei Dichtungen 25, 29 und 32 in
der Einheit sind einer Schmierung durch das Hydrauliköl während des
Einsatzes unterworfen, die Dichtung 25 hauptsächlich während des
Kompressionshubs und die Dichtungen 29 und 32 hauptsächlich während des
Ausfederungshubs. Die Schmierung erhöht die Formbeständigkeit
der Dichtung und erstreckt ihre betriebliche Lebensdauer.
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Die Ventile 39 können so
aufgebaut sein, dass sie einzeln anpassbar und leicht zugänglich für Einstellungszwecke
sind, wobei grundsätzlich
ein einzelnes Ventil und ein einzelner Kanal ausreichen kann, um
den Fluss zwischen den Dämpfungskammern
zu regeln, und es sind auch unterschiedliche Formen des Kanalsystems
möglich.
Im Falle des beschriebenen Doppelrohraufbaus des inneren Gehäuses, ist
die Ausnützung
des Raums zwischen den Rohren für
den Fluiddurchgang bequem und hat den Vorteil, dass die Notwendigkeit
für lange
Bohrungen im vollen Material vermieden wird, aber es ist ebenso auch
eine Bohrung in einer einzelnen festen Umgangswand oder eine andere
Anordnung gleichermaßen
möglich.
Abgesehen von Aufbauaspekten gibt es eine Bandbreite von Variationen
der Kammerformen, des Einsatzes zusätzlicher Kolben oder unterschiedlicher
Kolbenformen und der Bereitstellung von unterstützenden oder rückholenden
Federn oder Federkörpern.
Die Federkammer kann anstelle von Luft ein anderes Gas einsetzen
und das Dämpfungsfluid
selbst kann ein Gas anstelle einer Flüssigkeit oder sogar ein Gas-Flüssigkeitsgemisch
(Emulsion) sein.