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Flüssigkeits - Teleskop - Stoßdämpfer, insbesondere für Kraftfahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf Flüssigkeits-Teleskop-Stoßdämpfer, insbesondere für
Kraftfahrzeuge, mit Beeinflussung einer Durchflußöffnung durch eine Trägheitsmasse.
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Der Zweck eines Stoßdämpfers ist, die unerwünschten Eigenschaften
einer Federung, nämlich das Weiterschwingen der gefederten Masse und der Achsen
beziehungsweise Räder nach Einwirkung einer Kraft, zu beseitigen. Das Weiterschwingen
ist einerseits unerwünscht für die Insassen des Fahrzeuges, andererseits beeinträchtigt
es die Fahrsicherheit, die vom möglichst gleichmäßigen Aufliegen der Räder auf der
Fahrbahn abhängt. Die Wirkung eines Stoßdämpfers beruht im Aufzehren der in den
Federn oder schwingenden Massen gespeicherten Anregungsenergie durch Umwandlung
in Reibungswärme, indem die Stoßdämpferflüssigkeit durch kleine Öffnungen gepreßt
wird. Die Reaktion der hierfür erforderlichen Kraft, die Dämpfungskraft, bremst
dann z. B. die schwingende Wagenmasse ab.
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Die Dämpfungskraft tritt aber auch in Erscheinung, wenn eine Anregungskraft
durch eine Fahrbahnunebenheit auf das Rad und den Stoßdämpfer wirkt, und zwar stoßverstärkend
gegenüber einer Federung ohne Stoßdämpfer. Dies gilt für Erhebungen und für Vertiefungen
der Fahrbahn, mit dem Unterschied, daß bei Erhebungen eine Zwangsbewegung mit voller
Dämpfungskraft auf den Fahrzeugrahmen wirkt und bei Vertiefungen eine freie Bewegung
den Raddruck um die Dämpfungskraft mindert, also wie eine steilere Vertiefung wirkt,
worauf dann ein verstärkter Aufschlag erfolgt.
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Um diese umgekehrte Stoßdämpferwirkung wenigstens für Erhebungen abzuschwächen
oder zu vermeiden, bildet man die Stoßdämpfer meist so aus, daß sie beim Einfedern
(Druckstufe) schwächer als beim Ausfedern (Zugstufe) oder überhaupt nicht wirken.
Damit wird aber die besonders wichtige Einfederungsdämpfung des Wagens vermindert
oder ausgeschaltet.
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Darüber, wie die Wirkung am günstigsten zu verteilen und zu bemessen
ist, ist die Theorie der Stoßdämpfung noch zu keiner einheitlichen Auffassung gelangt.
Es blieb der Praxis überlassen, sich empirisch einem Kompromiß zu nähern, der neuerdings
durch systematische Messungen als der günstigste bestätigt wurde, so daß keine Aussicht
besteht, daß die unbefriedigende Wirkung der gebräuchlichen Stoßdämpfer noch verbessert
werden kann.
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Es sind Vorschläge bekanntgeworden, die Stoßdämpferwirkung dadurch
zu verbessern, daß die Dämpfungskraft von Beschleunigungen abhängig gemacht wird,
die auf den Stoßdämpfer wirken. Diese Vorschläge gehen im Gegensatz zu der Erfindung
von Bewegungen des Fahrzeugrahmens aus und verfolgen damit einen anderen Zweck.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Übertragung von Fahrbahnstößen
über den Stoßdämpfer auf den Fahrzeugrahmen zu vermeiden und die Bemessung der Dämpfungskräfte
ohne Rücksicht auf solche Stoßübertragung nur entsprechend dem Zweck des Stoßdämpfers
als Schwingungsbremse zu ermöglichen.
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Dies geschieht erfindungsgemäß durch Verkleinern der Dämpfungskraft
bei Beschleunigung des Rades, und zwar durch eine derartige Anordnung von Durchflußöffnung
und Trägheitsmasse, daß die Öffnung bei positiver und/oder negativer Radbeschleunigung
vergrößert wird.
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Dies kann beispielsweise dadurch ausgeführt werden, daß eine Durchflußöffnung
in dem mit dem Rad verbundenen Stoßdämpferteil durch eine Trägheitsmasse direkt
oder indirekt ganz oder teilweise abgesperrt und bei Aufwärts- und/oder Abwärtsbeschleunigung
des Rades ganz oder teilweise freigegeben wird. Besonders einfach gestaltet sich
die Anordnung eines solchen beschleunigungsabhängigen Ventils in dem mit dem Rad
verbundenen Kolben eines Teleskopstoßdämpfers. Man kann beispielsweise einen Ober-
und Unterseite des Kolbens verbindenden Kanal durch eine axial im Kolben bewegliche
oder um eine Ouerachse drehbare Trägheitsmasse absperren, die durch Federwirkung
in Schließstellung gehalten und durch Trägheitswirkung zur ganzen oder teilweisen
Freigabe des Kanals veranlaßt wird. Wenn im folgenden bei Betrachtung der einzelnen
Bewegungsphasen von positiver Radbeschleunigung die Rede ist, so ist
damit
die Wirkung einer aufwärts gerichteten Kraft und mit negativer Beschleunigung die
Wirkung einer abwärts gerichteten Kraft gemeint. Beim Überrollen einer Fahrbahnerhebung
folgen sich demnach positive Beschleunigung durch eine von der Fährbahn eingeleitete
Kraft, Wendepunkt der Aufwärtsbewegung, negative Beschleunigung durch verzögernde
Federkraft, Umkehrpunkt, negative Beschleunigung durch beschleunigende Federkraft,
Wendepunkt der Abwärtsbewegung, positive Beschleunigung durch verzögernde Fahrbahnkraft.
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Das Ventil kann beispielsweise zusätzlich zu den gebräuchlichen Dämpfungssteuerventilen
angeordnet sein und nur auf positive Beschleunigung ansprechend eine erhöht eingestellte
Druckstufendämpfung auf den gebräuchlichen Wert herabsetzen. Auf diese Weise kann
man einen Stoßdämpfer so gestalten,- daß seine Dämpfungskräfte in allen Betriebszuständen
die gebräuchlichen Größen aufweisen, mit Ausnahme eines Zustandes des Einfederns
ohne oder mit negativer Radbeschleunigung, wobei die Dämpfungskraft größer als gebräuchlich
ist. Damit erreicht man eine Erhöhung der Dampferwirkung ohne nachteilige Erhöhung
der Stoßübertragung.
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Oder das Ventil kann unter den gleichen Voraussetzungen die Druckstufendämpfung
noch weiter, unter den gebräuchlichen Wert, herabsetzen. So kommt man zu einem Stoßdämpfer,
dessen Dämpfungskräfte gegenüber den gebräuchlichen gleich sind beim Ausfedern ohne
oder mit negativer Beschleunigung, größer sind beim Einfedern ohne oder mit negativer
Beschleunigung, kleiner sind beim Aus- und Einfedern mit -positiver Beschleunigung.
Damit erreicht man bei mindestens gleicher Dämpfungswirkung eine wünschenswerte
Verringerung der Stoßübertragung.
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Weiterhin kann das Ventil so ausgebildet werden, daß es auf positive
und negative Radbeschleunigung in gleichem oder verschiedenem Maße anspricht. Damit
hat man die Möglichkeit, die Dämpfungswirkung noch zweckmäßiger auf die verschiedenen
Bewegungsünd Kraftwirkungsphasen zu verteilen, um zu einer günstigsten Gesamtwirkung
zu gelangen. Dabei können weitere unterstützende Maßnahmen nützlich sein, z. B.
zur Erzielung einer gewünschten Öffnungsfunktion, in Abhängigkeit von der Bewegung:
Öffnungsüberdeckung, Spiel der Trägheitsmasse, geeignete Formung der Öffnungskanten;
oder in Abhängigkeit von den Kräften: unsymmetrische, vorgespannte, progressive
Federung, geeignete Dämpfung und Anschlagdämpfung von Masse oder Ventil. Schließlich
kann der Stoßdämpfer zu ausgebildet werden, daß er außer dem beschleunigungsabhängigen
keine weiteren Ventile enthält und so mit geringem baulichem Aufwand und großer
Betriebssicherheit hergestellt werden kann.
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Bei einem Stoßdämpfer, der in Abhängigkeit von der Beschleunigung
des Rades die Dämpfung herabsetzt, liegt der Einwand nahe, daß zumindest die Rad-oder
Achseneigenschwingungen zu wenig gedämpft werden könnten, die ja beschleunigte Radbewegungen
sind.
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Dieser Einswand trifft logischerweise nicht die Gruppe der Stoßdämpfer
mit erhöhter Druckstufendämpfung und Dämpfungsherabsetzung auf gebräuchliche Werte
bei positiver Beschleunigung.
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Er trifft weiterhin technisch nicht zu für die Gruppe mit erhöhter
Druckstufendämpfung und Dämpfungsherabsetzung unter gebräuchliche Werte bei "positiver
Beschleunigung, unter anderem da Erhöhung und Herabsetzung so gewählt werden können,
daß sie sich zumindest ausgleichen. Schließlich trifft der Einwand infolge schwingungstechnischer
Besonderheit der Radschwingung auch dann nicht zu, wenn auch bei negativer Radbeschleunigung
die Dämpfungskraft erheblich verringert wird. Die Rad- oder Achseneigenschwingung
ist eine unharmonische Schwingung, bei der der Anteil der Schwingwege mit negativer
Beschleunigung überwiegt, und zwar um so mehr, je größer die Schwingweite ist. Das
bedeutet, daß bei der kurzen positiven Beschleunigung eine Dämpfung, wo sie zudem
zumindest in der Druckstufe nutzlos und nachteilig ist, keinen wesentlichen Beitrag
liefert und die Dämpfungswirkung auf die Achsschwingung überwiegend von der Dämpfungskraft
bei negativer Beschleunigung bestimmt wird, so daß diese fast im selben Verhältnis
herabgesetzt werden kann, wie in der Grundeinstellung die gebräuchlichen Werte überschritten
werden. Bisher hat sich eine Aufteilung der Dämpfungskräfte etwa 1:3 für Druck-
und Zugstufe als die günstigste erwiesen. Die zulässige Dämpfungskraft in der Zugstufe
ist begrenzt durch die Notwendigkeit genügend schneller Ausfederung, diejenige in
der Druckstufe durch die Stoßübertragung der gebräuchlichen Stoßdämpfer. Die Dämpfungswirkung
z. B. auf Eigenschwingungen der Achse kann als Summenwirkung der Dämpfungskräfte
in Druck- und Zugstufe betrachtet werden. Wenn diese Summe beim gebräuchlichen Stoßdämpfer
den Betrag 4 nicht überschreiten kann, so würde sie bei einem einseitig beschleunigungsabhängigen
Stoßdämpfer mit Druck-und Zugdämpfungskräften 5:3 denselben Betrag 4 erreichen,
wenn man mit Ausschaltung der Dämpfung durch positive Beschleunigung für die Hälfte
der Schwingwege rechnet. Dies mag schematisch für kleine Schwingwege zutreffen,
bei größeren Schwingweiten steigt die Dämpfungswirkung entsprechend der Zunahme
des negativ beschleunigten Schwingweganteils und würde sich dem doppelten Wert nähern,
wenn die Schwingweite entsprechend wachsen könnte. Diese Reserve unter anderem erlaubt,
auch bei negativer Beschleunigung die Dämpfungskraft herabzusetzen, ohne das gebräuchliche
Dämpfungsmaß für Achsschwingungen zu beeinträchtigen.
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Im folgenden- ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme
auf -die schematische Zeichnung Bild 1 beschrieben. In dem mit dem Fahrzeugrahmen
verbundenen Stoßdämpferzylinder 1 gleitet der mit dem Fahrzeugrad bzw. der Achse
durch die Kolbenstange 2 verbundene Stoßdämpferkolben 3. In einer beiderseits verschlossenen
Bohrung 4, in die Dürchflußkanäle 5 münden, ist eine als Absperrglied wirkende Trägheitsmasse
6 mit Bohrung 7 und Haltestift 8 beweglich durch Federn 9 in Mittellage gehalten.
Alle Hohlräume sind mit Stoßdämpferflüssigkeit gefüllt.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende: Bei beschleunigten
Radbewegungen, die der Stößdämpferkolben 3 zwangläufig mitmacht, wird die Trägheitsmasse
6 aus ihrer Ruhelage bezüglich des Kolbens 3 ausgelenkt. Bei kleinen Radbewegungen
genügt die Auslenkung nicht, um der Stoßdämpferffüssigkeit einen Weg durch die Kanäle
5 freizugeben, so daß sie durch den Kolbenspalt oder eine nicht gezeichnete Durchflußöffnung
gepreßt wird und der Kolbenbewegung die volle Dämpfungskraft entgegensetzt. Bewegungen
des Fahrzeugrahmens bzw. des Zylinders 1 werden ebenfalls voll gedämpft, da sie
ohne Einfluß auf die -Träglheitsmasse 6 sind. Bei größeren Radbewegungen, insbesondere
Stößen, wird die Trägheitsmasse 6 entsprechend der auftretenden Beschleunigung
weiter
aus der Mittellage ausgelenkt, so daß eine widerstandsarme Strömung an der Trägheitsmasse
vorbei durch die Kanäle 5 freigegeben und die Dämpfungskraft und damit die Stoßübertragung
auf den Fahrzeugrahmen klein wird.
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Wenn im Laufe einer solchen Radbewegung, z. B. beim Überrollen einer
Fahrbahnerhebung: die Beschleunigung wieder kleiner wird und ihr Vorzeichen wechselt,
so geht auch die Auslenkung der Trägheitsmasse 6 zurück und durch die Mittellage,
wobei die wieder wachsende Dämpfungskraft, die durch entsprechende Wahl der Federn
9 auch auf der andern Seite der Mittellage in gewollter Größe aufrechterhalten werden
kann, einem Abheben des Rades von der Fahrbahn entgegenwirkt.
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Die Dämpfungskraft, die in dieser Phase der Radbewegung, also nach
dem Fahrbahnstoß, auf den Fahrzeugrahmen wirkt, ist begrenzt, da sie nicht durch
eine Zwangsbewegung von der Fahrbahn eingeleitet wird, sondern aus der Bewegungsenergie
des Rades bzw. der Achse kommt. Sie darf auch nicht als schädliche Dämpfungskraft
angesehen werden, da diese Bewegungsenergie in jedem Falle von Feder und Wagenmasse
aufgenommen werden muß und entsprechend der Aufteilung auf diese beiden zu Minderung
der Bodenhaftung und Stoß auf den Wagen führt.
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Zur theoretischen Begriffsbestimmung für die Wirkungsweise der Trägheitsmasse
6 und der Federn 9 als beschleunigungsabhängiges Ventil sei darauf hingewiesen,
daß dieses Feder-Masse-System nicht im schwingungstechnischen Sinne als Beschleunigungsmeßanordnung
anzusehen ist. Hierzu wäre Voraussetzung, daß seine Eigenschwingungszahl groß gegenüber
der höchsten Betriebsschwingungszahl ist. Ein solches hochabgestimmtes System würde
aber nur kleine Ausschläge machen und bedürfte zur Steuerung der Durchflußöffnung
einer Übersetzung. Die Verwendung eines solchen Systems im Rahmen der Erfindung
liegt innerhalb des Schutzanspruchs, aber im beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt
es sich um ein tiefabgestimmtes System mit verhältnismäßig weichen Federn, das bereits
bei geringen Beschleunigungen große Ausschläge ergibt und direkte Steuerung der
Durchflußöffnung ermöglicht. Im schwingungstechnischen Sinne ist es als Wegmesser
anzusehen und wirkt auch als solcher im Bereich kleiner Radausschläge, wie oben
beschrieben. Bei großen Ausschlägen und Beschleunigungen legt sich die Trägheitsmasse
6 nach Freigabe der Öffnung am Ende ihres freien Weges im Kolben 3 an und wird von
diesem statt durch die zu weichen Federn auf die Kolbengeschwindigkeit gebracht,
um bei Wegfall oder Umkehr der Beschleunigung durch ihre Trägheit und die Federwirkung
in die Schließstellung oder auf die andere Seite zu laufen. Nur in einem mittleren
Bereich großer Radausschläge mit kleiner Beschleunigung, also kleiner Schwingungszahl,
und im Falle unsymmetrischer Federfesselung auf der Seite der harten Federung arbeitet
das System als kontinuierlicher Beschleunigungsmesser, da die Abstimmbedingung erfüllt
ist, und bewirkt Teilfreigabe der Durchflußöffnung.
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Alle Bewegungen der Trägheitsmasse verlaufen aperiodisch infolge der
von ihrer Form abhängigen Dämpfung durch die Flüssigkeitsfüllung. Das Anschlagen
in den Endlagen kann durch geeignete Formgebung besonders gedämpft werden.
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Im folgenden ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung unter
Bezugnahme auf die schematische Zeichnung Bild 2 beschrieben. In dem mit dem Fahrzeugrahmen
verbundenen Zylinder 1 gleitet der mit dem Fahrzeugrad bzw. der Achse durch die
Kolbenstange 2 verbundene Stoßdämpferholben 3. In einer Querbohrung 4; in die Durchflußkanäle
5 münden, ist ein Hahnküken 6 mit Durchflußkanal 5a und einseitiger Massenverteilung,
Trägheitsmasse 6a, drehbar gelagert und durch nicht gezeichnete Federn in der gezeichneten
Schließstellung gehalten. Ebenfalls nicht gezeichnete Anschläge begrenzen beiderseits
die Drehbewegung des Hahnkükens nach voller Freigabe des Durchflusses. Die Hohlräume
sind mit Stoßdämpferflüssigkeit gefüllt.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist dieselbe wie beim
vorhergehenden Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, daß die Trägheitsmasse
eine Drehbewegung ausführt.
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Ein Vorteil dieser Ausführungsart ist größerer konstruktiver Spielraum,
z. B. erleichterte Unterbringung freier Durchflußquerschnitte, bessere Beherrschbarkeit
der Bewegungsdämpfung für die Trägheitsmasse und freiere Wahl der Öffnungsfunktion
durch geeignete Gestaltung der Öffnungskanten.