DE60101727T2

DE60101727T2 - Dämpfer mit Hochableitungsleistung

Info

Publication number: DE60101727T2
Application number: DE60101727T
Authority: DE
Inventors: Valentin Eroshenko
Original assignee: A Responsibilite D L D International Ltee Ste; SARL D L D INTERNATIONAL PARIS
Current assignee: A Responsibilite D L D International Ltee Ste; SARL D L D INTERNATIONAL PARIS
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2021-01-23
Also published as: KR20020070514A; US6615959B2; PE20020087A1; TW554145B; DE60101727D1; CN1208564C; US20030010587A1; BR0107896A; ATE257559T1; EP1250539A1; CN1396990A; PT1250539E; BR0107896B1; CA2397569A1; JP4050514B2; MXPA02006824A; ES2211771T3; EP1250539B1; RU2248478C2; RU2002122767A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stoßdämpfer mit hoher Verlustleistung und insbesondere einen Stoßdämpfer der Art, die eine Anordnung aus Stange/Kolben umfaßt, die sich in einem Zylinder verschiebt und dabei auf beiden Seiten des Kolbens eine Arbeitskammer begrenzt, die ein Hydraulikfluid enthält, wobei die Anordnung aus Stange/Kolben dazu geeignet ist, mit einer Quelle äußerer Störungen verbunden zu werden, und der Zylinder dazu geeignet ist, mit einer zu schützenden Struktur verbunden zu werden.
Bei den herkömmlichen Stoßdämpfern verwendet man ein System aus Teleskopstange und Rückstellfeder, das zwischen der zu schützenden Struktur (beispielsweise der Karosserie eines Kraftfahrzeugs) und der Quelle äußerer Störungen (beispielsweise ein in direktem Kontakt mit dem Boden befindliches Rad des Fahrzeugs) angeordnet ist. In diesem Fall ist eine Einheit aus Zylinder-Kolbenstange vorgesehen, die von der Rückstellfeder umgeben ist und die Aufgabe hat, die Energie der Stöße zu dissipieren, indem sie das viskose Fließen des Hydraulikfluids nutzt. Es ist bekannt, daß zwischen der Reibungskraft F, der Verschiebungsgeschwindigkeit Ẋ der Flüssigkeit und der Viskosität η (newtonsche Flüssigkeit) eine Relation besteht: in der Tat hat man die Relation F = G·η(Ẋ)ⁿ, wobei G ein geometrischer Faktor des Fest-Flüssig-Systems und n ein im allgemeinen zwischen 1 und 4 liegender Leistungsfaktor ist. Die Dissipation der Energie in den herkömmlichen Stoßdämpfern erfolgt aufgrund der Umwandlung der mechanischen Energie der Reibung in dem Fest-Flüssig-System in Wärme, die nach außen abgegeben wird. Der Wert der Energiedissipation ist proportional zur Geschwindigkeit der Bewegung hoch n, nämlich ΔE = K(Ẋ)ⁿ. Bei einer großen Verschiebung mit sehr niedriger Geschwindigkeit (X ≈ 0) gibt es insbesondere nahezu keine Energiedissipation.
Die Kennlinien des Stoßdämpfers, die durch die Veränderungen der Kraft in Abhängigkeit von der Verschiebungsgeschwindigkeit dargestellt werden, sind je nach Struktur des Stoßdämpfers mehr oder weniger steil, und der Fachmann auf diesem Gebiet weiß, daß es zum Erzielen eines optimalen Komforts mit herkömmlichen Kraftfahrzeugstoßdämpfern erforderlich ist, die Kennlinie des Stoßdämpfers so weit wie möglich abzusenken. Dies führt dann zu dem Paradox, gemäß dem man für eine hohe Energieabsorption/Energiedissipation eine hohe Geschwindigkeit haben muß.
Das Dokument GB-A-2 300 892 beschreibt einen Stoßdämpfer, dessen Arbeitskammern jeweils mit nachgiebigen Mitteln verbunden sind, insbesondere einer elastischen, verformbaren Umhüllung oder einer Gasfeder oder auch einem geschlossenzelligen Schaumstoffblock, der in einer Arbeitskammer untergebracht ist. In allen Fällen wird eine elastische Verformung und folglich ein reversibles System ohne Energiedissipation verwendet.
Zur Vervollständigung der Standes der Technik wird ferner das Dokument FR-E-85 116 genannt, das eine Aufhängung mit veränderlicher Flexibilität beschreibt, sowie das Dokument FR-A-2 478 763, das einen Energieabsorber hydraulischer Art beschreibt.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, einen neue Art von Stoßdämpfer zu konstruieren, der in der Lage ist, eine sehr hohe Fähigkeit zur Energieabsorption/Energiedissipation zu bieten, während er strukturell gesehen leichter und weniger voluminös als die herkömmlichen Stoßdämpfer ist. Ferner strebt man mit dieser neuen Art von Stoßdämpfer nach einem Funktionieren in einem Frequenzband mit relativ hohen Frequenzen, weil nämlich ein herkömmlicher Stoßdämpfer ein Frequenzband aufweist, das im allgemeinen bis 6 Hertz geht. Wenn man allerdings Frequenzwerte nahe 6 Hertz überschreitet, läuft das Fahrzeug Gefahr, die Unregelmäßigkeiten des Bodens zu überfliegen, indem die Räder die Haftung auf dem Fahrboden verlieren.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch einen Stoßdämpfer der Art gelöst, die eine Anordnung aus Stange/Kolben umfaßt, die sich in einem Zylinder verschiebt und dabei auf beiden Seiten des Kolbens eine Arbeitskammer begrenzt, die ein Hydraulikfluid enthält, wobei die Anordnung aus Stange/Kolben mit einer Quelle äußerer Störungen und der Zylinder mit einer zu schützenden Struktur verbunden wird, wobei:

– jede Arbeitskammer ständig mit einer dazugehörigen Kammer in Verbindung steht, die eine heterogene Struktur zur Energieabsorption/Energiedissipation enthält, die aus mindestens einer kapillarporösen Matrix und einer dazugehörigen Flüssigkeit gebildet ist, gegenüber der die genannte Matrix lyophob ist (nicht-benetzbar);
– jede Arbeitskammer ferner über ein dazugehöriges Ventilsystem mit einer gemeinsamen Kammer in Verbindung steht, wobei das System Rückschlagmittel einschließt, die automatisch das Schließen der betroffenen Arbeitskammer während der Kompression und das Öffnen der genannten Kammer während der Entspannung sicherstellen, wobei die gemeinsame Kammer eine Ausgleichskammer bildet, welche den Fluß des Hydraulikfluids während der Verschiebungen der Anordnung aus Stange/Kolben in dem Zylinder sicherstellt.

Das vorgenannte Konzept einer heterogenen Struktur zur Energieabsorption/Energiedissipation, das eine kapillarporöse Matrix und eine dazugehörige Flüssigkeit verwendet, gegenüber der die genannte Matrix lyophob ist, ist in dem Dokument WO-A-96/18040 der Anmelderin näher beschrieben. Gemäß dieser sehr neuen Art von heterogener Struktur wird eine feste kapillarporöse Matrix mit offener Porosität und kontrollierter Topologie verwendet, mit kapillaren Durchgängen mit Querschittsveränderungen und/oder Zwischenverbindungen untereinander zur Bildung von Labyrinthen, sowie eine Flüssigkeit, welche die kapillarporöse Matrix umgibt und dabei eine Fest/Flüssig-Grenzfläche festlegt, wobei die Matrix gegenüber der Flüssigkeit lyophob ist. Die Grenzfläche ist in diesem Fall auf isotherme und reversible Weise in Abhängigkeit von dem Außendruck, dem die heterogene Struktur ausgesetzt wird, veränderbar. Auf diese Weise definiert man echte Paare [feste, kapillarporöse Matrix] – [angepaßte Flüssigkeit], die das Erzielen völlig erstaunlicher Leistungen von Energiespeicherung oder Energieabsorption (quasireversible isotherme Vorgänge) und von Energiedissipation (irreversible isotherme Vorgänge) ermöglichen, indem man einzig die Veränderung der Grenzfläche verwendet, und dies alles auf vollkommen überraschende Weise.
Man kann vorsehen, daß das Hydraulikfluid, das die Arbeitskammern ausfüllt, identisch zur Flüssigkeit der heterogenen Strukturen zur Energieabsorption/Energiedissipation ist, oder in einer Ausführungsvariante dazu, daß jede heterogene Struktur zur Energieabsorption/Energiedissipation in einer verformbaren, dichten Aufnahme eingeschlossen ist, wobei das die Arbeitskammern ausfüllende Hydraulikfluid dann ein herkömmliches technologisches Fluid ist.
Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel umfaßt die Anordnung aus Stange/Kolben eine Stange, die auf beiden Seiten des Kolbens hohl ist, wobei jeder hohle Teil innen eine Kammer begrenzt, die eine heterogene Struktur zur Energieabsorption/Energiedissipation enthält, die in einer flexiblen, dichten Umhüllung eingeschlossen ist.
In einer Variante zu diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Anordnung aus Stange/Kolben eine Stange, die auf beiden Seiten des Kolbens massiv ist, und der Stoßdämpfer umfaßt Kammern, die eine heterogene Struktur zur Energieabsorption/Energiedissipation enthalten, die in einer flexiblen, dichten Umhüllung eingeschlossen ist, die dann im Inneren eines gemeinsamen Gehäuses um den Zylinder herum angeordnet sind.
Die Anordnung aus Stange/Kolben des erfindungsgemäßen Stoßdämpfers kann aus zwei Teilen mit gleichem Außendurchmesser gebildet sein oder in einer Ausführungsvariante dazu aus zwei Teilen mit unterschiedlichem Außendurchmesser, wobei sich in diesem Fall der Teil mit größerem Durchmesser auf der Seite der zu schützenden Struktur (beispielsweise die Karosserie eines Fahrzeugs) und der Teil mit kleinerem Durchmesser auf der Seite der Quelle der äußeren Störungen (beispielsweise das Rad des Fahrzeugs) befindet.
Je nach Fall kann jede flexible, dichte Umhüllung am Boden der dazugehörigen Innenkammer der Anordnung aus Stange/Kolben oder an der Innenwand des gemeinsamen Gehäuses befestigt sein oder in einer Ausführungsvariante dazu in einem dazugehörigen seitlichen Gehäuse, das auf starre Weise fest mit dem zentralen Gehäuse verbunden ist und mit diesem über ein dazugehöriges Fenster in Verbindung steht, oder aber in einer dazugehörigen Innenkammer frei aufgehängt sein.
Die kapillarporösen Matrizen können auf beiden Seiten des Kolbens topologisch und geometrisch identisch oder in einer Ausführungsvariante dazu topologisch und geometrisch unterschiedlich sein, um einen kontrollierten Asymmetriefaktor einzubringen, und in beiden Fällen kann jede Matrix je nach gewünschter Härte des Stoßdämpfers uni- oder multiporös sein.
Ebenso können die nicht benetzenden Flüssigkeiten Oberflächenspannungseigenschaften haben, die auf beiden Seiten des Kolbens gleich sind. In einer Ausführungsvariante dazu sind sie unterschiedlich, um einen kontrollierten Asymmetriefaktor einzubringen.
Die gemeinsame Ausgleichskammer kann eine flexible Wand haben, derart, daß sie ein veränderliches Volumen aufweist. Insbesondere kann man in diesem Fall vorsehen, daß die flexible Wand einen zentralen Teil des Zylinders umgibt, derart, daß eine ringförmige Kammer begrenzt wird, welche die Ausgleichskammer bildet, oder daß die gemeinsame Ausgleichskammer mit flexibler Wand im Inneren des hohl vorgesehenen Kolbens angeordnet ist, oder auch daß die gemeinsame Ausgleichskammer mit flexibler Wand eine ringförmige Kammer ist, die am Ende des gemeinsamen Gehäuses angeordnet ist. In einer Ausführungsvariante kann man vorsehen, daß die gemeinsame Ausgleichskammer eine starre Wand hat und einen beweglichen oder verformbaren Boden aufweist, der mit einem elastischen Element verbunden ist (beispielsweise ein Gasvolumen, eine Membran oder ein durch eine Feder vorgespannter Kolben).
Vorzugsweise schließt das Ventilsystem, das jeder Arbeitskammer zugeordnet ist, ein Drosselorgan ein, das eine kalibrierte Öffnung für den Durchtritt des Hydraulikfluids festsetzt, das aus der gemeinsamen Ausgleichskammer kommt. Insbesondere ist jedes Drosselorgan individuell einstellbar und kann in einer solchen Stellung festgestellt werden, daß der maximale Wert des hydraulischen Widerstandes des Drosselorgans dem Wert des kapillaren Eindringdruckes der Flüssigkeit in die Poren der dazugehörigen Matrix entspricht.
Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel umfassen die Rückschlagmittel des jeder Arbeitskammer zugeordneten Ventilsystems einen flachen, verformbaren Reif, dessen zwei Schenkel radiale Öffnungen des Zylinders verschließen können, die über entsprechende Kanäle mit der gemeinsamen Ausgleichskammer in Verbindung stehen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfassen die Rückschlagmittel des jeder Arbeitskammer zugeordneten Ventilsystems bewegliche Ventilkörper, die gegebenenfalls durch eine dazugehörige Feder belastet sind. Insbesondere können die beweglichen Ventilkörper an den Enden eines zentralen Rohres angeordnet sein, daß über dazugehörige Öffnungen in den hohlen Kolben mündet, wobei die Ausgleichskammer einen ringförmigen Luftbalg enthält, der das Rohr umgibt.
In diesem Fall weisen die beweglichen Ventilkörper vorteilhafterweise einen zentralen Durchgang auf, der die kalibrierte Öffnung bildet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Studium der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen, die ein besonderes Ausführungsbeispiel betreffen, deutlicher, wobei auf die Figuren Bezug genommen wird, in denen zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Stoßdämpfers mit mehreren Möglichkeiten hinsichtlich seiner Ausgleichskammer (A), B), C) und seinen Kammern mit heterogener Struktur zur Energieabsorption/Energiedissipation (a), b), c),
2 eine axiale Schnittansicht durch eine besondere Struktur eines erfindungsgemäßen Stoßdämpfers,
3 einen Teilschnitt durch den vorgenannten Stoßdämpfer mit vergrößertem Maßstab,
4 einen dazugehörigen Schnitt entlang der Linie IV-IV der 3,
5 eine Detailschnittansicht mit vergrößertem Maßstab, die ein besseres Erkennen der Struktur des jeder Arbeitskammer des Stoßdämpfers zugeordneten Ventilsystems ermöglicht,
6 eine Teilschnittansicht durch den vorgenannten Stoßdämpfer, wobei die Darstellung der Anordnung aus Stange/Kolben und der flexiblen, dichten Umhüllung, die eine heterogene Struktur zur Energieabsorption/Energiedissipation enthält, unterbrochen ist, um die Anordnung der Rückschlagmittel, die Teil des zugeordneten Ventilsystems sind, besser zu erkennen,
7 eine perspektivische Ansicht, welche die Struktur der vorgenannten Rückschlagmittel zeigt,
8 ein Diagramm, das mehrere Kennlinien eines erfindungsgemäßen Stoßdämpfers bei Verwendung multiporöser Matrizen zeigt, wobei die verschiedenen Kennlinien aus unterschiedlichen Öffnungsgraden des Drosselsystems resultieren, wie dies in 8a gezeigt ist, sowie aus verschiedenen Matrizenstrukturen, wie dies in 8b mit den Verteilungskurven der Poren der Matrizen gezeigt ist,
9 ein Diagramm, das verschiedene Kennlinien eines erfindungsgemäßen Stoßdämpfers bei Verwendung uniporöser Matrizen zeigt, wie dies in dem Diagramm der dazugehörigen 9a gezeigt ist,
10 und 11 die Kennlinien des erfindungsgemäßen Stoßdämpfers für die Abschnitte Stoß-Rückprall,
12 ein Diagramm, das sowohl die statische Kennlinie des erfindungsgemäßen Stoßdämpfers als auch die eines herkömmlichen Stoßdämpfers zeigt, wobei dieses Diagramm die hohe Energieabsorptionsleistung des erfindungsgemäßen Stoßdämpfers im Vergleich zu den herkömmlichen Systemen verdeutlicht,
13 ein Diagramm, das eine weitere Besonderheit des erfindungsgemäßen Stoßdämpfers zeigt, gemäß der die Kraft F unterhalb einer kritischen Geschwindigkeit nicht mit der Verschiebungsgeschwindigkeit variiert,
14 erneut die Kennlinie des erfindungsgemäßen Stoßdämpfers, punktweise mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten konstruiert (von 5 bis 200 mm/s),
15 ein weiteres Kennliniendiagramm, das man erhält, wenn man die Frequenzen von 1 bis auf 12 Hz verändert, wobei das Kennliniendiagramm zeigt, daß die Kraft F unter der kritischen Geschwindigkeit unabhängig von der Frequenz ist,
16 ein Diagram, das die Kennlinien eines Paares Flüssigkeit – lyophobe Matrix bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Stange des Stoßdämpfers zeigt, einschließlich der Geschwindigkeit Null (0 bis 5 m/s), wobei das Diagramm zeigt, daß der Druck P (bzw. die Kraft F) unabhängig von der Geschwindigkeit ist (die betrachteten Geschwindigkeiten liegen unter der kritischen Geschwindigkeit), und
17 und 18 in einer Schnittansicht zwei weitere Ausführungsvarianten eines erfindungsgemäßen Stoßdämpfers, mit einer Anordnung aus Stange/Kolben, bei der die Stange und der Kolben hohl sind.
Zunächst wird die allgemeine Struktur eines erfindungsgemäßen Stoßdämpfers unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben.
Man erkennt einen mit 1 bezeichneten Stoßdämpfer der Art, die eine Anordnung aus Stange 2 und Kolben 3 umfaßt, die sich in einem Zylinder 4 verschiebt und dabei auf beiden Seiten des Kolbens 3 eine Arbeitskammer 5.1, 5.2 begrenzt, die ein Hydraulikfluid enthält. Die Anordnung aus Stange/Kolben 2, 3 ist mit einer Quelle SP äußerer Störungen (beispielsweise ein mit dem Boden in Kontakt stehendes Rad eines Kraftfahrzeuges) verbunden, während der Zylinder 4 mit einer zu schützenden Struktur S (beispielsweise der Karosserie des Fahrzeugs) verbunden ist. Das mit der äußeren Quelle SP verbundene Ende der Stange verschiebt sich axial entlang einer Verschiebung X(t) und überträgt eine Kraft F(t), wobei der Parameter t die Zeit ist.
Gemäß einem ersten wesentlichen Merkmal der Erfindung steht jede Arbeitskammer 5.1, 5.2 ständig mit einer dazugehörigen Kammer 6.1, 6.2 in Verbindung, die eine heterogene Struktur zur Energieabsorption/Energiedissipation enthält, die aus mindestens einer kapillarporösen Matrix 9 und einer dazugehörigen Flüssigkeit 9' gebildet ist, gegenüber der die genannte Matrix lyophob ist (d. h. daß die Flüssigkeit 9' die poröse Matrix 9 nicht benetzt). Ein solches Paar [kapillarporöse Matrix] – [dazugehörige nicht-benetzende Flüssigkeit] ist zusammen mit dem Funktionsprinzip dieser heterogenen Struktur im Detail in dem vorgenannten Dokument WO-A-96/18040 beschrieben.
Als nicht einschränkende Beispiele für die porösen Matrizen kann man die folgenden Matrizen anführen: Silicagele, Aluminosilikate, Zeolithe aller Arten, poröse Gläser ..., sowie für die dazugehörigen nicht-benetzenden Flüssigkeiten: Wasser, wäßrige Lösungen, Eutektika mit niedriger Temperatur, polare Flüssigkeiten, ...
Im Beispiel a) ist das Hydraulikfluid, das die Arbeitskammern 5.1, 5.2 ausfüllt, identisch zur Flüssigkeit 9' der heterogenen Strukturen zur Energie absorption/Energiedissipation, die sich in den Kammern 6.1, 6.2 befinden: in diesem Fall gibt es nur eine einzige Art von Fluid.
Im allgemeinen sieht man vorzugsweise vor, daß jede heterogene Struktur 9, 9' in einer dichten, verformbaren Aufnahme eingeschlossen ist, wie dies in den Beispielen b) und c) gezeigt ist, wobei das Hydraulikfluid, das die Arbeitskammern 5.1, 5.2 ausfüllt, in diesem Fall ein herkömmliches technologisches Fluid, wie z. B. Öl, ist. Bei b) ist die dichte Aufnahme von einer Membran 6'.1 und bei c) von einer balgförmigen Umhüllung 6''.1 begrenzt.
Gemäß einem zweiten wesentlichen Merkmal der Erfindung steht jede Arbeitskammer 5.1, 5.2 ferner über ein dazugehöriges Ventilsystem 8.1, 8.2 mit einer gemeinsamen Kammer 7 in Verbindung. Jedes Ventilsystem schließt Rückschlagmittel 8.11, 8.21 ein, die automatisch das Schließen der betroffenen Arbeitskammer 5.1, 5.2 während der Kompression und das Öffnen der genannten Kammer während der Entspannung sicherstellen.
Diese gemeinsame Kammer 7 bildet eine Ausgleichskammer, welche den Fluß des in den Arbeitskammern 5.1, 5.2 enthaltenen Hydraulikfluids während der Verschiebungen der Anordnung aus Stange/Kolben 2, 3 in dem Zylinder 4 sicherstellt.
Jedes Ventilsystem 8.1, 8.2 schließt vorzugsweise auch ein einstellbares Drosselorgan 8.12, 8.22 ein, das eine kalibrierte Durchtrittsöffnung festlegt.
Im vorliegenden Fall hat die gemeinsame Ausgleichskammer 7 eine starre Wand und ist außerhalb des Zylinders 4 angeordnet, aber dies ist keine Notwendigkeit, wie man nachstehend sehen kann.
Diese gemeinsame Ausgleichskammer 7 weist einen beweglichen oder verformbaren Boden auf, der mit einem elastischen Element verbunden ist. Hier hat man drei denkbare Ausführungsvarianten dargestellt: bei A) ist der bewegliche Boden eine flexible Membran 7' und das elastische Element ist ein Druckluft-Volumen 7'1, bei B) ist der bewegliche Boden ein Kolben 7'' und das elastische Element ist eine Feder 7''.1, und bei C) ist der bewegliche Boden eine flexible Membran 7''' mit starrer, zentraler Scheibe und das elastische Element eine Feder 7'''.1.
Die Funktionsweise und die Vorteile eines derartigen Stoßdämpfers werden weiter unten unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben, die auf strukturellere Weise ein vollständiges Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stoßdämpfers zeigt.
Im folgenden wird nun die Struktur eines erfindungsgemäßen Stoßdämpfers unter Bezugnahme auf die 2 bis 7 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
In 2 erkennt man einen mit 10 bezeichneten Stoßdämpfer, welcher der Art ist, die eine Anordnung 12 aus Stange/Kolben umfaßt, die sich in einem Zylinder 11 verschiebt und dabei auf beiden Seiten des Kolbens 13 eine Arbeitskammer 18, 19 begrenzt, die ständig mit einer dazugehörigen Innenkammer 20, 21 der Anordnung 12 aus Stange/Kolben in Verbindung steht.
Im vorliegenden Fall ist die Anordnung 12 aus Stange/Kolben aus zwei hohlen Teilen 14, 15 mit gleichem Außendurchmesser gebildet, die sich auf beiden Seiten des Kolbens 13 erstrecken, wobei sich die Dichtheit durch dazugehörige O-Ring-Dichtungen 16, 17 ergibt. Die Anordnung 12 aus Stange/Kolben verschiebt sich in diesem Fall in einer axialen Richtung 100 in dem Zylinder 11, dem die Achse D zugeordnet ist, wobei das Ende 14.1 der Anordnung aus Stange/Kolben mit einer Quelle äußerer Störungen (hier nicht gezeigt) verbunden ist. Im Falle einer Montage an einem Kraftfahrzeug ist dieser Teil 14.1 vorzugsweise auf der Seite des Rades des Fahrzeugs angeordnet, wobei der entgegengesetzte Teil des Zylinders 11, der Teil 11.1, der am Ende einer Verlängerung angeordnet ist, die eine Schutzhaube 11.2 bildet, seinerseits mit der zu schützenden Struktur, beispielsweise der Karosserie des genannten Fahrzeugs, verbunden ist.
Wie man dies später in den in den 17 bis 23 gezeigten Ausführungsvarianten sieht, kann man vorsehen, daß die Anordnung 12 aus Stange/Kolben aus zwei Teilen mit unterschiedlichen Außendurchmessern gebildet ist, wobei es dann vorteilhaft ist vorzusehen, daß der Teil mit größerem Durchmesser auf der Seite der zu schützenden Struktur und der Teil mit dem kleineren Durchmesser auf der Seite der Quelle äußerer Störungen angeordnet ist, derart, daß die Stöße mit einer minimalen Kraft absorbiert werden (Steigerung des Komforts für die Fahrgäste des Fahrzeugs) und daß ein Rückprall mit einer größeren Kraft ausgeübt wird (Verbesserung des Haftens der Räder auf der Fahrbahn).
Man stellt fest, daß jede Innenkammer 20, 21 der Anordnung 12 aus Stange/Kolben über dazugehörige Öffnungen 14.3, 15.3 mit der dazugehörigen Arbeitskammer 18, 19 in Verbindung steht, die hier dem ringförmigen Raum entspricht, der zwischen dem Gehäuse des Zylinders 11 und der Außenfläche der Anordnung 12 aus Stange/Kolben begrenzt ist.
Gemäß dem vorgenannten ersten wesentlichen Merkmal der Erfindung umschließt jede Innenkammer 20, 21 der Anordnung 12 aus Stange/Kolben eine flexible, dichte Umhüllung 50, 60, die eine heterogene Struktur zur Energieabsorption/Energiedissipation enthält, die aus einer kapillarporösen Matrix 51, 61 und einer dazugehörigen Flüssigkeit 52, 62 gebildet ist, gegenüber der die Matrix lyophob ist. Wie weiter oben angegeben, ist ein derartiges Paar [kapillarporöse Matrix] – [dazugehörige nicht-benetzende Flüssigkeit] zusammen mit dem Funktionsprinzip der heterogenen Struktur im Detail in dem vorgenannten Dokument WO-A-96/18040 beschrieben. Es empfiehlt sich anzumerken, daß die Flüssigkeit 52, 62, die auf dichte Weise in den dazugehörigen Umhüllungen 50, 60 eingeschlossen ist, hier nichts mit dem Hydraulikfluid zu tun hat, das die Innenkammern 20, 21 der Anordnung 12 aus Stange/Kolben und die dazugehörigen Arbeitskammern 18, 19 ausfüllt, wobei das Hydraulikfluid ein einfaches technologisches Fluid, wie z. B. Öl, ist.
Im vorliegenden Fall ist jede flexible dichte Umhüllung 50, 60 am Boden 14.2, 15.2 der dazugehörigen Innenkammer 20, 21 der Anordnung 12 aus Stange/Kolben befestigt. Es wurde schematisch ein Bund 14.4, 15.4 dargestellt, der vom Boden 14.2, 15.2 der Enden der Anordnung 12 aus Stange/Kolben vorspringt, wobei an dem Bund das offene Ende der dazugehörigen flexiblen Umhüllung befestigt ist und die Befestigung durch einen Spannreif 14.5, 15.5 erfolgt.
Obgleich dies hier nicht gezeigt ist, kann man in einer Ausführungsvariante vorsehen, daß jede flexible, dichte Umhüllung 50, 60 frei in der dazugehörigen Innenkammer 20, 21 der Anordnung 12 aus Stange/Kolben aufgehängt ist.
Die kapillarporösen Matrizen 51, 61, die in ihrer flexiblen, dichten Umhüllung 50, 60 enthalten sind, sind im allgemeinen auf beiden Seiten des Kolbens 13 topologisch und geometrisch identisch. Es ist jedoch möglich, in einer Ausführungsvariante vorzusehen, daß die kapillarporösen Matrizen 51, 61 auf beiden Seiten des Kolbens 13 topologisch und geometrisch unterschiedlich sind, derart, daß absichtlich ein vorgegebener Asymmetriefaktor eingebracht wird. Wenn man sich dann beispielsweise für unterschiedliche Geometrien entscheidet (unterschiedliche Radien der Poren und der Kapillaren), wird die Matrix, welche die Poren und Kapillaren mit geringeren Radien aufweist, in der Kammer angeordnet, die dem Rückprall zugeordnet ist (um auf dieser Seite des Kolbens eine hohe Kraft zu haben), und die Matrix, welche die Poren und Kapillaren mit den größeren Radien aufweist, wird in der Kammer angeordnet, die dem Stoß zugeordnet ist. Selbstverständlich kann man auch die Topologie des porösen Raums der beiden Matrizen ändern.
Um einen solchen vorgegebenen Asymmetriefaktor zu erzielen, kann man in einer Ausführungsvariante auf beiden Seiten des Kolbens 13 im wesentlichen (topologisch und geometrisch) identische, kapillarporöse Matrizen verwenden, jedoch diese Matrizen in Flüssigkeiten legen, die auf beiden Seiten des Kolbens unterschiedliche Oberflächenspannungseigenschaften aufweisen. In diesem Fall füllt man die Flüssigkeit mit größerer Oberflächenspannung in die Kammer, die dem Rückprall zugeordnet ist (um auf dieser Seite des Kolbens eine hohe Kraft zu haben), und die Flüssigkeit mit niedrigerer Oberflächenspannung in die Kammer, die dem Stoß zugeordnet ist.
In beiden Fällen kann jede kapillarporöse Matrix 51, 61 uniporös oder multiporös sein, je nachdem, ob der Verteilungsfaktor der Poren (Radius r) in dem Volumen (V) der Matrix Null bzw. nicht Null ist. Dieser Faktor kann mit ∂r/∂v bezeichnet werden, und man hat ∂r/∂v = 0 für eine uniporöse Matrix und ∂r/∂v ≠ 0 für eine multiporöse Matrix. Diese strukturellen Besonderheiten der kapillarporösen Matrizen sind im Detail in dem vorgenannten Dokument WO-A-96/18040 beschrieben.
Es ist bekannt, daß mit derartigen heterogenen Strukturen die Flüssigkeit, welche die kapillarporösen Matrizen umgibt, nur dann in die Poren der genannten Matrizen eindringt, wenn der Druck der umgebenden Flüssigkeit, den sogenannten Laplace-Druck überschreitet, wobei dieser kapillare Druck durch die Formel P = (2σ·|cosθ|)/r gegeben wird, wobei σ die Oberflächenspannung der verwendeten Flüssigkeit, θ der Fest-Flüssig-Kontaktwinkel (im vorliegenden Fall deutlich größer als 90°) und r der Radius der kapillaren Poren der porösen Matrix ist (im vorliegenden Fall liegt r zwischen dem Radius der Moleküle der verwendeten nicht benetzenden Flüssigkeit und einem Wert in der Größenordnung von einem Zehntel Mikrometer). Es ist diese Grundformel, die den Druck bestimmt, der in dem heterogenen System, d. h. im Inneren jeder flexiblen, dichten Umhüllung 50, 60 herrscht.
Die kombinierte Nutzung der Phänomene der Kapillarität und des Gesetzes von Pascal für die hydraulischen Systeme (identischer Druck an allen Punkten eines geschlossenen Raumes) stellt die Gleichheit des Druckes im Inneren der Umhüllungen 50, 60 und in den Kammern 18, 20 bzw. 19, 21 her. Damit der Stoßdämpfer funktioniert, muß ferner das Flüssigkeitsvolumen in den Umhüllungen 50, 60 mindestens gleich der Summe der Volumen der Poren der betroffenen Matrix und der Volumen zwischen porösen Partikeln der genannten Matrix sein.
Gemäß dem vorgenannten zweiten wesentlichen Merkmal der Erfindung steht jede Arbeitskammer 18, 19 ferner über ein dazugehöriges Ventilsystem mit einer gemeinsamen Kammer in Verbindung, wobei das System Rückschlagmittel einschließt, welche das Schließen der betroffenen Arbeitskammer während der Kompression und das Öffnen der genannten Kammer während der Entspannung sicherstellen. Diese gemeinsame Kammer bildet eine Ausgleichskammer, welche den Fluß des Hydraulikfluids während der Verschiebungen der Anordnung 12 aus Stange/Kolben in dem Zylinder 11 sicherstellt.
Im vorliegenden Fall hat die mit 30 bezeichnete gemeinsame Ausgleichskammer eine flexible Wand (Wand 31), so daß sie ein veränderliches Volumen aufweist. Die flexible Wand 31 umgibt hier den zentralen Teil des Zylinders 11, derart, daß eine ringförmige Kammer begrenzt wird, welche die Ausgleichskammer 30 bildet. Die Verbindung zwischen der Ausgleichskammer 30 und den Arbeitskammern 18, 19 erfolgt einerseits über einen Kanal 28, 29, der zu dem dazugehörigen Ventilsystem 32, 33 führt, und andererseits über eine Vielzahl von Kanälen 22, 23 (hier sechs an der Zahl), die eine Endzelle 18.1 bzw. 19.1 der Arbeitskammer 18, 19 verbinden.
Wie dies weiter oben erwähnt wurde, kann man in einer Ausführungsvariante eine gemeinsame Ausgleichskammer mit einer starren Wand vorsehen, die sich dann außerhalb des Stoßdämpfers befindet und über eine dazugehörige Leitung mit den Arbeitskammern 18, 19 verbunden ist, wobei die gemeinsame Ausgleichskammer dann einen beweglichen oder verformbaren Boden aufweist, der mit einem elastischen Element verbunden ist. In diesem Fall steht die gemeinsame Ausgleichskammer mit starrer Wand über ein Ventilsystem, das zu dem hier beschriebenen identisch ist, mit jeder Arbeitskammer 18, 19 in Verbindung.
In der Praxis wird man eine Ausgleichskammer mit flexibler Wand vorziehen, wenn man im Bereich kleiner Frequenzen bleibt (man hat die Förderung durch den Unterschied zwischen dem atmosphärischen Druck und dem Unterdruck in den Arbeitskammern während der Entspannung), und mit einer starren Wand, wenn man im Bereich hoher Frequenzen bleibt.
Wie dies in den 2 und 3 gezeigt ist, schließt das zu jeder Innenkammer 20, 21 der Anordnung 12 aus Stange/Kolben dazugehörige Ventilsystem 32, 33 ein Drosselorgan 34, 36 ein, das eine kalibrierte Öffnung 26, 27 für den Durchtritt des Hydraulikfluids festsetzt, das aus der gemeinsamen Ausgleichskammer 30 kommt, indem es durch die Verbindungskanäle 28, 29 fließt. Im vorliegenden Fall ist jedes Drosselorgan 34, 36 an einem dazugehörigen Stutzen 35, 37 des Zylindergehäuses 11 angeordnet. Das distale Ende jedes Drosselorgans 34, 36 weist einen konischen Ansatz 38, 39 auf, der eine kalibrierte Öffnung 26, 27 mit vorgegebener Breite festlegt. Wie dies hier gezeigt ist, ist jedes Drosselorgan 34, 36 vorzugsweise von außen individuell einstellbar, was hier durch das Einschrauben oder Ausschrauben eines mit einem Gewinde versehenen Teiles des Drosselorgans in bzw. aus einem dazugehörigen Innengewinde des Stutzens 35, 37 erreicht wird. Dadurch wird jede besondere Einstellung des Stoßdämpfers in Abhängigkeit der jeweils vorherrschenden Bedingungen leicht möglich gemacht, wie dies weiter unten noch näher beschrieben wird. Insbesondere kann man es so einrichten, daß die Stellung jedes Drosselorgans 34, 36 auf einen solchen Wert festgesetzt wird, daß der maximale Wert des hydraulischen Widerstandes des Drosselorgans dem Wert des kapillaren Eindringdruckes der Flüssigkeit 52, 62 in die Poren der dazugehörigen Matrix 51, 61 entspricht (Kapillardruck von Laplace).
Das zu jeder Innenkammer 20, 21 gehörige Ventilsystem 32, 33 schließt ferner Rückschlagmittel ein, die hier in Form eines flachen, verformbaren Reifs 40, 41 ausgebildet sind, der in der dazugehörigen Endzelle 18.1, 19.1 angeordnet ist. Wie dies besser in den 4 bis 7 zu erkennen ist, weist jeder flache, verformbare Reif 40, 41 zwei Schenkel auf, die radiale Öffnungen 24, 25 des Zylinders 11 verschließen können, die über die sechs entsprechenden Kanäle 22, 23 mit der gemeinsamen Ausgleichskammer 30 in Verbindung stehen.
Die 4 bis 7 ermöglichen ein besseres Erkennen des flachen Reifs 40, der zur Arbeitskammer 18 gehört, es versteht sich aber, daß der andere Reif 41, der zur Arbeitskammer 19 gehört, eine identische Struktur aufweist.
Der Reif 40 (4 bis 7), der beispielsweise aus Berylliumbronze hergestellt ist, weist so zwei flache Schenkel 40.1 auf, die von einem oberen unbeweglichen Abschnitt 40.4 ausgehen (7). Angeschweißte Zapfen 40.2 und 40.3 sind vorgesehen, um den verformbaren Reif 40 in seiner dazugehörigen Aufnahme 18.1 in Position zu halten. In den 6 und 7 hat man mit l die Breite der Zelle 18.1 bezeichnet. Die Zapfen 40.2, die mit dem unbeweglichen Abschnitt 40.4 des Reifs 40 verbunden sind, sind etwas länger als die Seite l, was hier mit l + ε bezeichnet ist, so daß man eine Klemmhalterung des Reifs 40 erreicht. Im Gegensatz dazu haben die anderen Zapfen 40.3 eine etwas kürzere Länge, die mit l – ε bezeichnet ist, so daß die freie transversale Bewegung der Schenkel 40.1 des Reifs 40 in den Zellen 18.1 und 19.1 ermöglicht wird. Es ist leicht verständlich, daß die Schenkel 40.1 durch die Eigenelastizität des Reifs 40 von Natur aus an den Öffnungen 24 der Kanäle 22 anliegen und diese Kanäle verschließen. Wenn das aus der Ausgleichskammer 30 stammende Hydraulikfluid über die Kanäle 22 ankommt, kann dieses Fluid im Gegensatz dazu einen ausreichenden Schub ausüben, um die Schenkel 40.1 des Reifs 40 elastisch aneinanderzudrücken und dabei dann das Fluid durch die Öffnungen 24 fließen zu lassen.
In dem Detail der 5 erkennt man das Vorhandensein einer Scheibe 41 mit Öffnungen 42, die sowohl das Halten des Reifs 40 in Position als auch den Durchtritt des Fluids, das aus der kalibrierten Öffnung 38 kommt, gewährleistet. Es handelt sich hierbei um eine Ausführungsvariante, die den Vorteil der Vereinfachung der Herstellung des flachen Reifs hat, indem vermieden wird, daß die Haltezapfen angeschweißt werden müssen.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die 8 bis 16 die Funktionsweise und die Kennlinien des erfindungsgemäßen Stoßdämpfers näher beschrieben, der strukturell gesehen wie oben unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben hergestellt ist.
Es empfiehlt sich, zunächst die Lage des Stoßdämpfers im Ruhezustand zu untersuchen, wenn keine äußeren Belastungen vorhanden sind. Die Anordnung 12 aus Stange/Kolben (2) befindet sich dann in einem indifferenten Gleichgewicht, wobei sich die Anordnung aus Stange/Kolben infolge der Wirkung der nicht gezeigten, äußeren Rückstellfeder beispielsweise in der Mitte des Zylinders 11 befindet (tatsächlich ist die Ruhestellung beliebig). Die Drücke in den beiden Arbeitskammern 18, 19 sowie in der Ausgleichskammer 30 sind in diesem Fall gleich. Die porösen Räume der Matrizen der heterogenen Strukturen, die in ihrer Umhüllung eingeschlossen sind, sind dann leer, was aus der Tatsache resultiert, daß die dazugehörige Flüssigkeit nicht spontan in die kapillaren Poren der Matrizen eindringen kann, und zwar aufgrund der Nicht-Benetzbarkeit durch diese Flüssigkeit (Winkel θ deutlich größer als 90°). Selbst wenn keine Rückstellfeder vorhanden ist, muß man folglich auf den Kopf der Anordnung aus Stange/Kolben eine gewisse Kraft ausüben, um den Kolben zu verschieben. Dies bedeutet, daß die Position des Kolbens im Gleichgewicht selbstgesichert ist, so daß man eine Autostabilisation erreicht, die in der Praxis sehr vorteilhaft ist, da sie eine Steifigkeit des Systems vermeidet.
Wenn jetzt ein Stoß auf das freie Ende der Anordnung 12 aus Stange/Kolben ausgeübt wird, der dazu neigt, die Anordnung aus Stange/Kolben nach rechts in 2 zu verschieben, verhindert das Drosselorgan 36, das sich wie ein Stopfen verhält, daß das Hydraulikfluid aus der Arbeitskammer 19 in Richtung der Ausgleichskammer 30 fließt, und das Rückschlagventil 41 ist seinerseits verschlossen, so daß die Kammern 19 und 21 einen geschlossenen Raum bilden. Das quasi-kondensierte Fluid komprimiert die flexible Umhüllung 60, und der Druck im Inneren der genannten Umhüllung wächst von dem Wert des atmosphärischen Druckes an, was, wenn der Druck den Wert des Kapillardruckes von Laplace überschreitet, zur Wirkung hat, daß das Innenvolumen der Umhüllung 60 während des Eindringens der Arbeitsflüssigkeit 62 in die Poren der dazugehörigen porösen Matrizen 61 verringert wird. Parallel zur Druckerhöhung (Kompression) in den Kammern 19 und 21 kommt es zu einer Druckverringerung (Entspannung) in den anderen Kammern 18 und 20. Das Vorhandensein des Rückschlagventils 40 und der Ausgleichskammer 30 ermöglicht in diesem Fall, daß das Entstehen des Vakuums in den Kammern 18 und 20 vermieden wird, und es stellt so die Kontinuität der kondensierten Phase sicher.
Aufgrund der beiden Drosselorgane 34, 36, die einstellbar sind, kann man während der Förderung der Flüssigkeit zwischen den Kammern 18, 20 und 19, 21 durch die Ausgleichskammer 30 einen zu überwindenden, vorgegebenen hydrau lischen Widerstand einstellen. Der in diesem Fall zu überwindende Druck ist der kapillare Eindringdruck der lyophoben Flüssigkeit in die dazugehörigen Matrizen (Kapillardruck von Laplace).
Wenn man auf eine Verschiebung des Kolbens im dynamischen Zustand nach links zurückkommt, stellt man fest, daß das Volumen des heterogenen Systems in der Kompressionskammer 18 unter der Wirkung des (durch eine äußere Handlung) erzwungenen Kompressionsdruckes abnimmt. Gleichzeitig mit diesem Phänomen in den Kammern 18 und 20 wird das Hydraulikfluid von der Ausgleichskammer 30 durch das Rückschlagventil 41 hindurch in die Kammer 19, 21 zurückgefördert und dabei wird die Kontinuität der kondensierten Phase in dem Raum der Kammern 19, 21 sichergestellt. Wenn die Anordnung aus Stange/Kolben zu einem gewissen Zeitpunkt anhält und daraufhin aufgrund von Belastungen beginnt, sich in die andere Richtung zu verschieben, dann entsteht aufgrund des hydraulischen Widerstandes an dem Drosselorgan 36 augenblicklich eine erzwungene Kompression in der Kammer 19, 21, und führt zu einem Eindringen der Flüssigkeit in die kapillaren Poren des heterogenen Systems, das in der Umhüllung 60 eingeschlossen ist, während die gleichzeitige Entspannung in den Kammern 18 und 20 mit spontanem Ausstoß der Flüssigkeit aus den kapillaren Poren des heterogenen Systems, das in der Umhüllung 50 eingeschlossen ist, erfolgen wird. Während dieser Ausdehnung des heterogenen Systems vergrößert sich das Volumen der Umhüllung 50, indem es den Raum der Kammer 20 ausfüllt. Wenn es zu diesem Zeitpunkt ein Volumendefizit des kondensierten Fluids in der Kammer 18, 20 gibt, wird das Fluid der Ausgleichskammer 30 unter der Wirkung des Druckunterschiedes (atmosphärischer Druck, der auf die flexible Wand 31 wirkt, zusätzlich zu dem möglichen Unterdruck in der Innenkammer 20) während der Bewegung der Anordnung aus Stange/Kolben nach rechts durch das Rückschlagventil 40 in den Raum der Arbeitskammern 18 und 20 eindringen.
Mit anderen Worten ist das heterogene System unabhängig von der Position und der Verschiebungsrichtung des Kolbens 13 (2) jederzeit bereit, die Energie des äußeren Stoßes oder die des Rückpralls in der betroffenen Arbeitskammer zu absorbieren, um sie in der entgegengesetzten Arbeitskammer zu dissipieren. Die Ausgleichskammer 30 ist wesentlich, da sie ermöglicht, daß der Fluß des Hydraulikfluids in dem System sichergestellt wird, indem jede Unterbrechung vermieden wird, die entweder von der Geschwindigkeit der Kompression/Entspannung oder von der asymmetrischen Geometrie stammen kann, die sich beispielsweise aus einem Unterschied der Durchmesser der beiden Teile der hohlen Stange 12 ergibt.
Wenn man nun das in 8 gezeigte Diagramm untersucht, das dem Fall multiporöser Matrizen entspricht, stellt man fest, daß die Veränderungen der Kraft F in Abhängigkeit von der Verschiebungsgeschwindigkeit Ẋ eine erste Zone Z1 von Geschwindigkeiten einschließen, wobei man diese Zone als newtonsche Zone qualifizieren kann, und dann eine zweite Zone Z2, die vor allem der Funktionsweise des betroffenen lyophoben heterogenen Systems entspricht. Die verschiedenen, mit A, B, C bezeichneten linearen Abschnitte für die Zone Z1 entsprechen in Wirklichkeit den verschiedenen Öffnungsgraden des Drosselorgans 34, wie dies schematisch in 8a gezeigt ist, mit einem maximalen Wert bei A, einem mittleren Wert bei B und einem minimalen Wert bei C. In der Zone Z2 hat man jedesmal unterschiedliche Steilheiten der Kennlinien in Abhängigkeit von der Geometrie/Morphologie der multiporösen Matrix. Wenn man auf die 8b Bezug nimmt, die drei Verteilungskurven der Poren (Radius r) der Matrizen in dem Volumen (V) zeigt, kann man sagen, daß die Abschnitte A1, B1, C1 einer sehr spitzen Verteilungskurve vom Typ M1 entsprechen, während die Kurven A2, B2, C2 einer mittleren Verteilung vom Typ M2 und die Kurven A3, B3, C3 einer abgeflachteren mittleren Verteilung M3 entsprechen. Die Abschnitte A3, B3, C3 entsprechen einer harten Einstellung des Stoßdämpfers, während die Abschnitte A2, B2, C2 einer mittleren Einstellung und die Abschnitte A1, B1, C1 einer Komforteinstellung entsprechen. Die horizontalen Abschnitte A0, B0, C0 entsprechen ihrerseits einer idealen Einstellung, die in der Praxis nie erreicht wird.
In diesem Fall verwendet man die Einstellung der Drosselorgans und zugleich die geeignete Wahl der Geometrie/Morphologie der porösen Matrizen der heterogenen Struktur, um die Kennlinien des Stoßdämpfers in Abhängigkeit der vorherrschenden Bedingungen anzupassen. Die Flüssigkeit, gegenüber der die porösen Matrizen lyophob sind, bleibt ihrerseits im wesentlichen unverändert (8).
In dem Diagramm der 9 ist der Fall einer uniporösen Matrix dargestellt (r = konstant). Die Einstellungen des Drosselorgans führen in diesem Fall zu einem ersten geneigten Kennlinienabschnitt, der sich je nach Wahl des Öffnungsgrades (maximal, mittel, minimal) unterscheidet, mit einem Sprung für die sogenannte newtonsche Zone Z1. Anschließend ist die Kraft F nahezu konstant, d. h. daß sie nicht merklich von der Geschwindigkeit Ẋ abhängt. Dies zeigt eine sehr bemer kenswerte Besonderheit des erfindungsgemäßen Stoßdämpfers, mit der er sich radikal von den herkömmlichen Stoßdämpfern unterscheidet, die eine Kennlinie mit einer Kraft aufweisen, die proportional zur mindestens ersten Potenz der Verschiebungsgeschwindigkeit ist. Die 9a ist ein einfaches Diagramm der Verteilung der Poren in dem Volumen V, das daran erinnert, daß es sich um eine uniporöse Matrix handelt, mit einem Porenradius r, der auf den Wert r₀ festgesetzt ist (beispielsweise Molukularsieb, Zeolithen, ...).
Die Diagramme der 10 und 11 zeigen Kennlinien mit dem Rückprall und dem Stoß, die man im vorliegenden Fall mit einem erfindungsgemäßen Stoßdämpfer erhält, mit einer konstanten Kraft ab dem Zeitpunkt, ab dem man an den heterogenen Strukturen arbeitet, mit uniporösen bzw. multiporösen Matrizen.
Das Diagramm der 12 zeigt sowohl das Verhalten (Kraft F in Abhängigkeit von der Verschiebung ΔX) eines erfindungsgemäßen Stoßdämpfers (durchgezogene Linie) als auch das Verhalten eines herkömmlichen Stoßdämpfers (strichpunktierte Linie). Für die herkömmlichen Stoßdämpfer mit ihrer Kennlinie F proportional zu Ẋ kann man die Verschiebung ΔX in 12 wie ΔX = Ẋ·Δt (Δt sei eine Grundhärte) darstellen. Man stellt fest, daß die schraffierte, zu den herkömmlichen Stoßdämpfern gehörige Zone einer viel geringeren Dissipation entspricht, als die mit einem erfindungsgemäßen Stoßdämpfer erzielte. Wenn man das Verhältnis zwischen der dissipierten Energie und dem Volumen der Arbeitskammer errechnet, was einem Dissipationsvermögen entspricht, stellt man fest, daß der erfindungsgemäße Stoßdämpfer den Erhalt eines 100 bis 1000 mal höheren Wertes des Dissipationsvermögens ermöglicht. Auf diese Weise erhält man sehr bemerkenswerte Leistungen dissipierter Energie mit einem äußerst geringen Arbeitsflüssigkeitsvolumen.
Das Diagramm der 13 (Kraft F in Abhängigkeit von der Verschiebungsgeschwindigkeit Ẋ) zeigt, daß sich die Kraft F nicht mit der Verschiebungsgeschwindigkeit ändert, und dies solange man unter einer kritischen Geschwindigkeit Ẋ_c bleibt (isothermer Bereich des Kompressions-/Entspannungs-Zyklus der lyophoben heterogenen Struktur). Jenseits der kritischen Geschwindigkeit Ẋ_c wächst die Kraft F mit der Geschwindigkeit Ẋ: dies kann sich durch das Defizit des Wärmeflusses von außen in Richtung der Kompressionskammer gegenüber dem Wärmefluß erklären, der zur isothermen Bildung der Schnittfläche Matrix/Flüssigkeit erforderlich ist, deren Bildung normalerweise endotherm ist. In dem Fall Ẋ > Ẋ_c nähert sich der Vorgang einem quasi-adiabatischen Vorgang an, und dies bewirkt das Absenken der Temperatur des heterogenen Systems und das Erhöhen der Oberflächenspannung (und folglich des Kapillardruckes von Laplace). Der Laplace-Druck bestimmt in der Tat die Kraft F, die in dem Diagramm der 13 ebenfalls größer wird.
Das mit dem der 12 zu vergleichende Diagramm der 14 (Kraft F in Abhängigkeit von der absoluten Verschiebung ΔX) ist eine punktweise Konstruktion mit unterschiedlichen Verschiebungsgeschwindigkeiten Ẋ (von 5 bis 200 mm/s), wobei die Punkte auf derselben Kurve bleiben, ganz gleich wie hoch die Geschwindigkeit ist (wenn diese unter der vorgenannten kritischen Geschwindigkeit liegt).
Das Diagramm der 15 (Kraft F in Abhängigkeit von der Verschiebungsgeschwindigkeit Ẋ) zeigt die für verschiedene Frequenzen (1 Hz, 3 Hz, 6 Hz, 9 Hz und 12 Hz) gemessenen Werte: man stellt fest, daß die Kraft F unterhalb der kritischen Geschwindigkeit Ẋ_c unabhängig von der Frequenz ist.
Das Diagramm der 16 (Druck P in Abhängigkeit von der Volumenänderung ΔV oder auch Kraft F in Abhängigkeit von der Verschiebung ΔX) zeigt mehrere Kennlinien, die bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Stange des Stoßdämpfers gemessen wurden, einschließlich der Geschwindigkeit Null (0 m/s oder statisch, 1 m/s, 2 m/s, 2,5 m/s, 3 m/s, 3,5 m/s, 4 m/s, 4,5 m/s und 5 m/s). Man stellt fest, daß der Druck P (oder die Kraft F) nahezu unabhängig von der Geschwindigkeit ist (die betrachteten Geschwindigkeiten liegen unter der kritischen Geschwindigkeit), so daß die dynamische Kennlinie in der Tat nahezu auf der statischen Kennlinie festgesetzt bleibt. Man stellt fest, daß die Veränderung des Druckes nur um einige Prozent variiert, während die Veränderung der Geschwindigkeit von 0 auf 5 m/s vergleichsweise beträchtlich ist.
Es ist klar, daß die in den vorgenannten Diagrammen gezeigten Kennlinien des erfindungsgemäßen Stoßdämpfers nichts mit denen der herkömmlichen Stoßdämpfer zu tun haben.
Im folgenden werden weitere strukturelle Ausführungsvarianten des soeben beschriebenen Stoßdämpfers unter Bezugnahme auf die 17 bis 23 knapp beschrieben.
In 17 hat man für die sich einander entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet wie zuvor, jeweils um 100 erhöht.
Die konstruktive Lösung der 17 unterscheidet sich von der der 2 durch die Tatsache, daß jede flexible, dichte Umhüllung 150, 160 in der dazugehörigen Innenkammer 120, 121 der Anordnung 112 aus Stange/Kolben frei aufgehängt ist, und vor allem durch die Tatsache, daß die gemeinsame Ausgleichskammer 130 mit flexibler Wand 131 (Luft enthaltender Balg aus Metall oder Kunststoff) im Inneren des hohl vorgesehenen Kolbens 113 angeordnet ist. Die Kompressionskammern 118, 119 stehen mit dem Raum, der die Umhüllungen 150, 160 umgibt, über Fenster 114.3, 115.3 in Verbindung. Die hydraulische Verbindung und der Gleich-Druck im statischen Zustand werden auf jeder Seite des Kolbens durch bewegliche Ventile 132, 133 sichergestellt, die über eine Blattfeder 132', 133' angebracht sind, wobei jedes Ventil ferner einen zentralen Durchgang 138, 139 aufweist, der eine konstante kalibrierte Öffnung bildet (in diesem Fall nicht einstellbar). Da die Abschnitte 114, 115 der hohlen Stange unterschiedliche Durchmesser haben, hat man eine Rückprallkraft, die größer als die Stoßkraft ist (bezeichnet F_r > F_ch).
In 18 sind die Bezugszeichen nochmals um 100 erhöht. Der Unterschied zur Ausführungsvariante der 17 liegt in der Verbindung mit der Ausgleichskammer 230: man verwendet ein zentrales Rohr 232', dessen Enden durch Schwimmventile 232, 233 mit kalibriertem zentralen Durchgang 238, 239 verschließbar sind und das über in der Mitte befindliche Öffnungen 232'' in die Kammer 230 mündet. Die flexible Umhüllung 231, die sich in der Ausgleichskammer 230 befindet, enthält wie zuvor Luft, jedoch ist sie in diesem Fall in Form eines ringförmigen Balges vorgesehen, der das zentrale Rohr 232' umgibt. Wie zuvor hat man die Relation F_r > F_ch.
Die Lösung der 18 ist dann vorteilhafter als die der 17, wenn man über einen sehr kleinen, ringförmigen Raum verfügt, um die Rückschlagventile 132, 133 (17) außerhalb der Abschnitte 114, 115 anzuordnen.
Schließlich ist es so gelungen, einen Stoßdämpfer herzustellen, der einen sehr hohen Grad an Energiedissipation aufweist, d. h. in der Größenordnung von 90 bis 95%, während die herkömmlichen Stoßdämpfer nur Werte erreichen, die bestenfalls allgemein zwischen 30 und 40% liegen.
Ferner hat man gesehen, daß die auf die Anordnung aus Stange/Kolben des Stoßdämpfers ausgeübte Kraft in bestimmten Geschwindigkeitsbereichen unabhängig von der Geschwindigkeit ihrer Verschiebung bleiben kann. Diese Eigenschaft, die mit den herkömmlichen Stoßdämpfern noch nie erzielt wurde, kann einen optimalen Komfort für die Fahrgäste eines Fahrzeuges bieten. Mit Hilfe der Drosselorgane kann man die Linearität der Verbindung zwischen der Kraft und der Geschwindigkeit im Bereich niedriger Geschwindigkeiten sicherstellen. Der Einstellvorgang der Drosselorgane zum Erreichen der betroffenen Zone von Geschwindigkeiten besteht im Verändern des Querschnittes für den Durchtritt des Hydraulikfluids, derart, daß der maximale Wert des hydraulischen Widerstandes des Drosselorgans gleich dem Kapillardruck ist, der das Eindringen der Flüssigkeit in den porösen Raum der Matrizen der heterogenen Struktur sicherstellt, die in den flexiblen Umhüllungen untergebracht ist. Im Bereich von Geschwindigkeiten, die jenseits eines kritischen Schwellenwertes liegen, wird die Kraft abhängig von der Verschiebungsgeschwindigkeit. Die heterogenen Systeme haben in diesem Fall eine Filterfunktion für die äußeren Störungen, wodurch ein exzellenter Komfort für die Fahrgäste des Fahrzeugs gewährleistet wird und ebenso die Belastungen auf die Gesamtheit des Fahrzeuges verringert werden.
Ferner gelang es, einen Stoßdämpfer zu erhalten, der 30 bis 40% leichter als die herkömmlichen Stoßdämpfer ist, sowie 30 bis 40% weniger voluminös (1500 cm für das Volumen des homogenen Fluids (Öl) in den Arbeitskammern eines herkömmlichen Stoßdämpfers, verglichen mit 12 bis 15 cm für das Volumen des heterogenen Fluids in einem erfindungsgemäßen Stoßdämpfer).
Schließlich kann mit dem erfindungsgemäßen Stoßdämpfer ein Betrieb in einem Frequenzband in Erwägung gezogen werden, das bis zu 30 Hertz und darüber hinaus reicht, während ein herkömmlicher Stoßdämpfer kaum über 6 Hertz geht.
Die Anwendungsgebiete der Erfindung sind sehr zahlreich, und man kann beispielhaft und nicht einschränkend Kraftfahrzeuge, Schienenfahrzeuge, Schienen-Prellböcke, Fahrwerke von Luftfahrzeugen, Motoraufhängungen, diverse Vibrationsschutzvorrichtungen (einschließlich für Schallwellen), erdbebenfeste Systeme und Ankopplungen von Weltraum-Modulen anführen.

Claims

Stoßdämpfer mit hoher Verlustleistung und der Art, die eine Anordnung aus Stange/Kolben (2, 3) umfaßt, die sich in einem Zylinder (4) verschiebt und dabei auf beiden Seiten des Kolbens (3) eine Arbeitskammer (5.1; 5.2) begrenzt, die ein Hydraulikfluid enthält, wobei die Anordnung aus Stange/Kolben dazu geeignet ist, mit einer Quelle (SP) äußerer Störungen verbunden zu werden, und der Zylinder dazu geeignet ist, mit einer zu schützenden Struktur (S) verbunden zu werden, dadurch gekennzeichnet, daß: – jede Arbeitskammer (5.1; 5.2) ständig mit einer dazugehörigen Kammer (6.1; 6.2) in Verbindung steht, die eine heterogene Struktur zur Energieabsorption/Energiedissipation enthält, die aus mindestens einer kapillarporösen Matrix (9) und einer dazugehörigen Flüssigkeit (9') gebildet ist, gegenüber der die genannte Matrix lyophob ist, – jede Arbeitskammer (5.1; 5.2) ferner über ein dazugehöriges Ventilsystem (8.1; 8.2) mit einer gemeinsamen Kammer (7) in Verbindung steht, wobei das System Rückschlagmittel (8.11; 8.21) einschließt, die automatisch das Schließen der betroffenen Arbeitskammer während der Kompression und das Öffnen der genannten Kammer während der Entspannung sicherstellen, wobei die gemeinsame Kammer (7) eine Ausgleichskammer bildet, welche den Fluß des Hydraulikfluids während der Verschiebungen der Anordnung aus Stange/Kolben (2, 3) in dem Zylinder (4) sicherstellt.
Stoßdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydraulikfluid, das die Arbeitskammern (5.1; 5.2) ausfüllt, identisch zur Flüssigkeit der heterogenen Strukturen (9, 9') zur Energieabsorption/Energiedissipation ist.
Stoßdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede heterogene Struktur (9, 9') zur Energieabsorption/Energiedissipation in einer verformbaren, dichten Aufnahme eingeschlossen ist, wobei das die Arbeits kammern (5.1; 5.2) ausfüllende Hydraulikfluid dann ein herkömmliches technologisches Fluid ist.
Stoßdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus Stange/Kolben (12; 112; 212) eine Stange umfaßt, die auf beiden Seiten des Kolbens hohl ist, wobei jeder hohle Teil innen eine Kammer begrenzt, die eine heterogene Struktur zur Energieabsorption/Energiedissipation enthält, die in einer flexiblen, dichten Umhüllung eingeschlossen ist.
Stoßdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus Stange/Kolben eine Stange umfaßt, die auf beiden Seiten des Kolbens massiv ist, und der Stoßdämpfer Kammern umfaßt, die eine heterogene Struktur zur Energieabsorption/Energiedissipation enthalten, die in einer flexiblen, dichten Umhüllung eingeschlossen ist, die dann im Inneren eines gemeinsamen Gehäuses um den Zylinder herum angeordnet sind.
Stoßdämpfer nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus Stange/Kolben (12) aus zwei Teilen (14, 15) mit gleichem Außendurchmesser gebildet ist.
Stoßdämpfer nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus Stange/Kolben (112; 212) aus zwei Teilen mit unterschiedlichem Außendurchmesser gebildet ist, wobei sich das Teil mit größerem Durchmesser auf der Seite der zu schützenden Struktur und das Teil mit kleinerem Durchmesser auf der Seite der Quelle der äußeren Störungen befindet.
Stoßdämpfer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede flexible, dichte Umhüllung (50; 60) am Boden (14.2; 15.2) der dazugehörigen Innenkammer (20; 21) der Anordnung aus Stange/Kolben (12) befestigt ist.
Stoßdämpfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede flexible, dichte Umhüllung an der Innenwand des gemeinsamen Gehäuses befestigt ist.
Stoßdämpfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede flexible, dichte Umhüllung in einem dazugehörigen seitlichen Gehäuse frei aufgehängt ist, das auf starre Weise fest mit dem zentralen Gehäuse verbunden ist und mit diesem über ein dazugehöriges Fenster in Verbindung steht.
Stoßdämpfer nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede flexible, dichte Umhüllung (150, 160; 250, 260) in einer dazugehörigen Innenkammer der Anordnung aus Stange/Kolben frei aufgehängt ist.
Stoßdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kapillarporösen Matrizen (51, 61; 151, 161; 251, 261) auf beiden Seiten des Kolbens topologisch und geometrisch identisch sind, wobei jede Matrix je nach gewünschter Härte des Stoßdämpfers uni- oder multiporös ist.
Stoßdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kapillarporösen Matrizen (51, 61; 151, 161; 251, 261) auf beiden Seiten des Kolbens topologisch und geometrisch unterschiedlich sind, wobei jede Matrix je nach gewünschter Härte des Stoßdämpfers uni- oder multiporös ist.
Stoßdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht benetzenden Flüssigkeiten (52, 62; 152, 162; 252, 262) auf beiden Seiten des Kolbens die gleichen Oberflächenspannungseigenschaften haben.
Stoßdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht benetzenden Flüssigkeiten (52, 62; 152, 162; 252, 262) auf beiden Seiten des Kolbens unterschiedliche Oberflächenspannungseigenschaften haben.
Stoßdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Ausgleichskammer (30; 130; 230) eine flexible Wand hat, derart, daß sie ein veränderliches Volumen aufweist.
Stoßdämpfer nach den Ansprüchen 4 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Wand (31) einen zentralen Teil des Zylinders (11) umgibt, derart, daß eine ringförmige Kammer begrenzt wird, welche die Ausgleichskammer (30) bildet.
Stoßdämpfer nach den Ansprüchen 4 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Ausgleichskammer (130; 230) mit flexibler Wand im Inneren des hohl vorgesehenen Kolbens angeordnet ist.
Stoßdämpfer nach den Ansprüchen 4 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Ausgleichskammer mit flexibler Wand eine ringförmige Kammer ist, die am Ende des gemeinsamen Gehäuses angeordnet ist.
Stoßdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Ausgleichskammer (7) eine starre Wand hat und einen beweglichen oder verformbaren Boden (7', 7'', 7''') aufweist, der mit einem elastischen Element verbunden ist.
Stoßdämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilsystem (32; 33), das jeder Arbeitskammer zugeordnet ist, ein Drosselorgan (34; 36) einschließt, das eine kalibrierte Öffnung (38; 39) für den Durchtritt des Hydraulikfluids festsetzt, das aus der gemeinsamen Ausgleichskammer (30) kommt.
Stoßdämpfer nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Drosselorgan (34; 36) individuell einstellbar ist, und insbesondere in einer solchen Stellung festgestellt werden kann, daß der maximale Wert des hydraulischen Widerstandes des Drosselorgans dem Wert des kapillaren Eindringdruckes der Flüssigkeit (52; 62) in die Poren der dazugehörigen Matrix (51; 61) entspricht.
Stoßdämpfer nach den Ansprüchen 1 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückschlagmittel des jeder Arbeitskammer zugeordneten Ventilsystems (32; 33) einen flachen, verformbaren Reif (40; 41) umfassen, dessen zwei Schenkel radiale Öffnungen (24; 25) des Zylinders (11) verschließen können, die über entsprechende Kanäle (22; 23) mit der gemeinsamen Ausgleichskammer (30) in Verbindung stehen.
Stoßdämpfer nach Anspruch 1, und Anspruch 18 oder Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückschlagmittel des jeder Arbeitskammer zugeordneten Ventilsystems (132, 133; 232, 233) bewegliche Ventilkörper umfassen, die gegebenenfalls durch eine dazugehörige Feder belastet sind.
Stoßdämpfer nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Ventilkörper (232, 233) an den Enden eines zentralen Rohres (232') angeordnet sind, das über dazugehörige Öffnungen (232'') in den hohlen Kolben (213) mündet, wobei die Ausgleichskammer (230) einen ringförmigen Luftbalg enthält, der das Rohr umgibt.
Stoßdämpfer nach Anspruch 24 oder Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Ventilkörper (132, 133; 232, 233) einen zentralen Durchgang (138, 139; 238, 239) aufweisen, der die kalibrierte Öffnung bildet.