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Hydraulischer Schwingungsdämpfer, insbesondere für Kraftfahrzeuge
Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Schwingungsdämpfer, insbesondere für
Kraftfahrzeuge, mit einem durch einen Kolben in zwei Dämpfungskammern unterteilten
Zylinder, der an der gefederten Masse (Fahrzeugaufbau) angreift, während der Kolben
über eine Kolbenstange an der ungefederten Masse (Räder u. dgl.) befestigt ist,
und bei dem beim Aufwärtsgleiten des Kolbens (Stoßwirkhub) der freie Querschnitt
für den Durchtritt der Dämpfungsflüssigkeit abnimmt, der durch eine oder mehrere
Längsnuten od. dgl. gebildet wird, die am Umfang der Länge nach auf einem in dem
hohlen Kolbenschaft gleitenden Ventilschaft angebracht sind, welch letzterer mit
seinem einen Ende an der Begrenzungswand der oberen zylindrischen Dämpfungskammer
befestigt ist. Geht man für den Dämpfungsvorgang von einem zunächst ständig gleichbleibenden
Drosselquerschnitt für die Dämpfungsflüssigkeit aus, so ergibt sich eine für eine
einwandfreie Federdämpfung recht ungünstige Diagrammaufnahme von fast rechteckigem
Arbeitsdiagramm. Betrachtet man eine Stabfeder, welche als Arbeitsdiagramm ein Dreieck
ergibt und deren Reaktion mit einem solchen Dämpfer gedämpft werden soll, so kann
es vorkommen, daß die Leistungskurve des Dämpfers die der Feder überschneidet. Die
Leistungskurve der Dämpfer verläuft in ihrer oberen Grenze parallel zu ihrer Nullinie.
Die Dämpfkraft wird im Verhältnis zu der abnehmenden Reaktionskraft der Stabfeder
immer größer, d. h. an einem bestimmten Punkt wird die Dämpfarbeit gleich der Federarbeit
und hält die ungefederte Masse (Räder u. dgl.)
einfach fest, so
daß kein Kraftschluß mehr mit der Fahrbahn vorhanden ist. Diese ungünstige Dämpfungsart
bedingt eine hohe Materialbeanspruchung und einen hohen Verschleiß.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese bisher bestehenden
Nachteile zu beseitigen. Sie erreicht dies durch einen hydraulischen Dämpfer, dessen
Drosselquerschnitt für die zu dämpfende Federarbeit in solche Abhängigkeit vom Dämpfhub
gebracht wird, daß stets ein Überschuß der Federarbeit über die Dämpfarbeit verbleibt.
Infolgedessen bleibt die ungefederte Masse (Räder u. dgl.) mit der Fahrbahn in kraftschlüssiger
Berührung, wodurch der gefederten Masse (Fahrzeugaufbau) auf schlechten Straßen
und im Gelände eine weit ruhigere Lage und damit den Insassen eine größere Sicherheit
gegeben wird. Beim Fahren mit Schneeketten oder Eisstollen tritt in der statischen
Lage eine hohe Beanspruchung der Dämpfer auf. Um dieser Beanspruchung entgegenzuwirken,
wird bei der Erfindung durch geeignete Maßnahmen im Bereich der statischen Lage
eine Dämpfungsverminderung vorgesehen.
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Erfindungsgemäß wird zur Herbeiführung eines ständigen Überschusses
der Federarbeit über die Dämpfarbeit der im Hohlraum des Kolbenschaftes gleitende
Ventilschaft über seine ganze Länge zylindrisch ausgebildet, und die auf seiner
Außenseite angeordneten Längsnuten verjüngen sich nur nach dem Befestigungsende
des Ventilschaftes zu, so daß er auf seiner dem Befestigungsende entgegengesetzten,
im Kolbenschaft liegenden Seite in ein vollzylindrisches Ende ausläuft. Ferner wird
der Ventilschaft neben den sich verjüngenden Längsnuten mit einem oder mehreren
kurzen axialen, zweckmäßig in der Mittellage des Kolbens angeordneten Schlitzen
von gleichbleibender Tiefe versehen, wobei der Hohlraum des Kolbenschaftes durch
Kanäle mit der unteren Dämpfungskammer verbunden ist. Die Befestigung des Ventilschaftes
an der Begrenzungswand der oberen zylindrischen Dämpfungskammer erfolgt unter Einschaltung
eines in eine Hilfskammer führenden Schnüffelventils durch Einspannung in einer
zwischen zwei fest im Zylinder angeordneten Platten gelagerten Membran.
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Es ist an sich bekannt, den freien Querschnitt für den Durchtritt
der Dämpfungsflüssigkeit während des Stoßwirkhubes des Kolbens zu verringern und
durch eine solche Drosselquerschnittsveränderung einen nach einer vorher bestimmten
Regel sich ändernden Widerstand entstehen zu lassen, der dem Federwiderstand zugeschlagen
wird, um die Stöße aufzufangen. Man hat dies konstruktiv dadurch zu lösen versucht,
daß man in dem hohlen Kolbenschaft des Stoßdämpfers einen an einem Ende festgehaltenen
zylindrischen Ventil-Schaft angeordnet hat, der eine sich verjüngende Einschnürung
aufweist, so daß eine allmähliche Querschnittsveränderung für den Durchtritt der
Dämpfungsflüssigkeit erzielt wird. Dabei handelt es sich aber lediglich um eine
Verringerung der Drosselung in der Mittellage, d. h. um den Versuch, die übermäßige
Beanspruchung um die statische Lage herum zu beseitigen. Da in dem genannten Fall
die Dämpfung nach beiden Seiten hin ansteigt, wird die Forderung, einen ständigen
Überschuß der Federarbeit über die Dämpfarbeit zu erreichen, nicht erfüllt.
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Erst dadurch, daß gemäß der Erfindung durch einseitige Verjüngung
des Ventilschaftes die Drosselung zwischen gespannter und ungespannter Feder zuerst
stark und dann bis kurz vor Ende des Hubes schwächer erfolgt, verbleibt bei der
Dämpfung stets ein Federarbeitsüberschuß über die Dämpfarbeit, d. h. die Längsnuten
auf dem Ventilschaft sind so ausgebildet, daß bei prozentualer Einstellung der Federarbeit
die Kraft der Dämpfarbeit, auf einer Kurve aufgetragen, ungefähr proportional unterhalb
der Federkennlinie verläuft.
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Man hat ferner im Zylinder des Dämpfers eine sich nach einem Ende
hin erweiternde Längsnut angeordnet, um zu einer Querschnittsänderung zu kommen,
und in dem Kolben ein zu dieser Nut parallel geschaltetes Rückschlagventil vorgesehen,
das einen Durchlaß nach der Seite steigenden Widerstandes hin freigibt; also in
der Richtung, in der sich die Nut verengt. Durch diese Ausbildung sollen starke
Abwärtsstöße gedämpft werden. Eine der Wirkung der Erfindung in Richtung auf einen
Federarbeitsüberschuß entsprechende Lösung stellt diese Ausbildungsform nicht dar.
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Schließlich sind Drosselquerschnittsveränderungen durch verschiedene
andere Ausbildungen vorgenommen worden, z. B. durch konische Stifte usw., bei denen
aber eine ständige, stetig anwachsende Dämpfung erzielt wird, d. h. es verbleibt
nicht bei einem Federarbeitsüberschuß über die Dämpfarbeit wie bei der Erfindung,
sondern umgekehrt, es tritt ein Dämpfarbeitsüberschuß über die Federarbeit ein.
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Nähere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiel. Hierbei zeigt Fig. I einen Längsschnitt durch
einen Teleskopschwingungsdämpfer mit der Drosselvorrichtung, Fig.2 eine Ansicht
des Schwingungsdämpfers nach Fig. I, Fig. 3 einen Schnitt in Richtung A-B der Fig.
I, Fig. 4 bis 6 verschiedene Diagramme und Fig. 7 eine andere Ausbildung des Ventilschaftes.
In dem Zylinder i ist eine Kolbenstange :2 mit Hohlraum 3 geführt, die an ihrem
unteren Ende etwa an eine Schwinge angeschlossen ist, während der Zylinder i an
dem gefederten Fahrzeugaufbau angreift. Die Kolbenstange 2 ist auf einem Teil ihrer
Länge hohl ausgebildet. Sie trägt den Kolben q., der durch eine die hohle Kolbenstange
oben abschließende Hohlmutter $ gehalten wird und den Zylinderraum in die beiden
Dämpfungskammern 14 und 15 unterteilt. Die Hohlmutter 5 führt einen Schaft 6, der
in eine Membran 7 eingespannt ist. Die Membran 7 wird von zwei Platten 8 und 9 gehalten,
die ihrerseits mittels eines Halteringes io fest im Zylinder i sitzen. Zwischen
diesen Dichtungsplatten 8 und 9 sitzt ein Schnüffelventil i i.
Die
Kolbenstange 2 ist durch eine Gummidichtung I2 od. dgl. aus dem Zylinder I herausgeführt.
Eine weitere Manschettendichtung I3 ist im Zylinder I vorgesehen.
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Neben der unteren Dämpfungskammer (Hochdruckkammer) I4 und der oberen
Dämpfungskammer (Niederdruckkammer) I5 ist eine Hilfskammer 16 vorgesehen, die zwischen
den Dichtungsplatten 8, 9 und dem oberen Ende des Zylinders I liegt. Der Zylinder
ist durch eine Schraubkappe I7 abgeschlossen, die ein Auge I8 od. dgl. zum Anschließen
des Dämpfers an die abzufedernde Masse hat.
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Der Ventilschaft 6 hat auf der einen Seite eine oder mehrere Längsnuten
I9, die in axialer Richtung mit von oben nach unten zunehmender Tiefe verlaufen.
Dagegen ist das untere Ende 2o des Schaftes 6 wieder voll zylindrisch ausgebildet.
Ferner hat der Ventilschaft 6 einen oder mehrere kürzere axiale Schlitze 2I, die
in gleichmäßiger Tiefe, zweckmäßig in der Mittellage des Kolbens 4, verlaufen. Der
Hohlraum 3 der Kolbenstange 2, in dem der Ventilschaft 6 gleitend gelagert ist,
steht durch Öffnungen 22 und 23 mit der unteren Dämpfungskammer II in Verbindung.
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Beim Abwärtsgleiten des Kolbens 4 tritt der Ventilschaft 6 immer weiter
aus dem Kolbenschafthohlraum 3 heraus, und der Querschnitt der Nut(en) I9 vergrößert
sich. Die Dämpfungsflüssigkeit kann also über die Öffnungen 22 und 23 und die Nut(en)
I9 aus der Hochdruckkammer I4 in die obere Dämpfungskammer (Niederdruckkammer) I5
übertreten. Sobald aber das vollzylindrische Ende 2o des Ventilschaftes 6 in die
Hohlmutter 5 gelangt und so die Verbindung zwischen Hochdruckkammer I4 und Niederdruckkammer
I5 sperrt, kann keine Flüssigkeit mehr von dem Raum I4 zum Raum I5 strömen.
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Durch entsprechende Ausbildung der Nut(en) I9 kann, diagrammäßig gesehen,
erreicht werden, daß die Leistungskurve des Dämpfers mit einem gewissen Abstand
stets unterhalb der Leistungskurve der abzudämpfenden Feder liegt. Das bedeutet,
daß in jeder Stellung des Laufwerkes ein Federarbeitsüberschuß vorhanden ist, wodurch
der ungefederten Masse die größte Bodenhaftigkeit gegeben wird.
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Vorteilhaft sind die Ausbildung und Anordnung der Nut(en) I9 derart,
daß bei abwärts gehendem Kolben die Nut(en) I9 etwa Io mm vor der untersten Kolbenstellung
aufhören, so daß das Schaftende wieder voll zylindrisch ist. Dadurch wird ein Aufschlagen
des Kolbens verhindert und ein weicher Übergang erzielt. Dann kann ein Anschlag
am Fahrzeug zum Begrenzen des Anschlages der Schwinge nach unten fortfallen. Die
Anschlagsdämpfung kann auch durch das Anbringen der Öffnungen oder Kanäle 22 und
23 in bestimmter Höhe erreicht werden.
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Der oder die Schlitze 2I sind so angebracht, daß ein zusätzlicher
Querschnitt um die statische Lage herum für eine verminderte Dämpfung vorhanden
ist. Es soll damit, falls nötig, eine verminderte Dämpfung beim Fahren mit Eisstollen
und Schneeketten erreicht werden. Beim Abwärtsgehen des Kolbens 4 wird das Schnüffelventil
II infolge des Unterdruckes in der Niederdruckkammer I5 frei. Bei umgekehrter Bewegungsrichtung
wird das Ventil II durch den auftretenden Überdruck in dem Raum I5 und die Reibung
geschlossen. Abgesehen von dem Überdruck und der Reibung würde das Ventil auch durch
die Membran 7 geschlossen werden, da letztere federnd wirkt.
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Dämpfer ist als innenliegender Dämpfer
gestaltet, d.h. er hat keine Schutzrohre und daher nur ein Rohr, das als Hochdruckzylinder
ausgebildet ist.
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In die Hilfskammer I6 ragt ein Ölfüllrohr 24 so weit hinein, daß über
dem höchsten Spiegel der Ölfüllung ein Luftraum 25 für die ungleiche Verdrändung
bestehenbleibt. Seitlich ist ferner eine Ölfüllschraube 26 vorgesehen, über die
die Dämpferflüssigkeit nachgefüllt werden kann.
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Der Unterschied in der Arbeit des Dämpfers ergibt sich aus den Diagrammen
nach Fig. 4 bis 6. Fig. 4 zeigt das Arbeitsdiagramm eines Dämpfers, der einen gleichbleibenden
Drosselquerschnitt und ein Überdruckventil hat und eine Drehstabfeder. Das Diagramm
läßt erkennen, daß ein Überschuß an Dämpfarbeit verbleibt. An dem Schnittpunkt der
beiden Kurven wird die Dämpfarbeit gleich der Federarbeit. Das Rad kommt nicht schnell
zur Fahrbahn, woher die bekannten unerwünschten Nickschwingungen rühren.
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Fig. 5 zeigt ein Diagramm, das sich bei dem Schwingungsdämpfer nach
der Erfindung, und zwar ohne Drosselsperrung, ergibt. Bei ihm ist in jeder Lage
ein Federarbeitsüberschuß vorhanden, wodurch für die ungefederte Masse ein größtmöglicher
Kraftschluß mit der Fahrbahn gewährleistet ist.
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Fig. 6 zeigt ein Diagramm des Dämpfers nach der Erfindung mit Drosselsperrung.
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Eine andere erfindungsgemäße Ausbildung des Ventilschaftes ist die
nach Fig. 7. Der Hauptteil 3o des Ventilschaftes ist vom oberen zum unteren Ende
hin leicht kegelig verjüngt ausgebildet. An diesen Hauptteil des Schaftes schließt
sich unten ein kurzes Stück 3 1 an, das umgekehrt kegelig ist und in ein
zylindrisches Ende 32 ausläuft. Auch hier wird mit niedergehendem Kolben infolge
ständiger Zunahme des ringförmigen Spielraumes zwischen der Bohrung der Hohlmutter
5 und dem Umfang des Schaftes 3o die Dämpfung immer schwächer. Beim Übergang von
dem schlanken Kegel 30 in den steileren Kegel 3 i tritt dann wieder eine
Zunahme der Dämpfung ein, bis beim Eintritt des zylindrischen Endes 32 in die Hohlmutter
5 die Sperrung des Flüssigkeitsübertritts erfolgt.
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Anstatt die den Drosselquerschnitt veTändernde(n) Nut(en) i9 gemäß
Fig. z in dem Ventilschaft 6 anzubringen, kann auch die Innenwand der Bohrung 3
des Kolbenschaftes 2 mit entsprechenden Nuten versehen werden.
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Schließlich kann man, anstatt gemäß Fig. 7 den Ventilschaft kegelig
auszubilden, der Innenwandung der Bohrung 3 eine entsprechende Hohlkegelform geben.
Der
Dämpfer gemäß der Erfindung hat den Vorteil einer besonders einfachen Bauart und
einer kleineren ungefederten Masse durch Anlenkung des Kolbenschaftes am Schwingarm.
Er ist insbesondere zur Abdämpfung bei Fahrzeugen verwendbar, kann aber auch an
allen anderen Orten Verwendung finden.