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Die Erfindung betrifft ein Kolben-Zylinderaggregat mit einem an einem ersten Ende geschlossenen Zylinder, mit einem in dem Zylinder verschiebbar angeordneten Kolben, der den Zylinder in eine dem geschlossenen Ende nahen ersten Raum und einen dem geschlossenen Ende fernen zweiten Raum unterteilt und zwischen dem Kolben und dem Zylinder eine Dichtungseinrichtung angeordnet ist, mit einer einseitig an dem Kolben angeordneten Kolbenstange, die den zweiten Raum durchragt und konzentrisch zur Mittellängsachse des Zylinders an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende durch eine an einer Führungseinrichtung angeordnete Dichtungseinrichtung abgedichtet aus dem Zylinder herausgeführt ist.
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Ein Kolben-Zylinderaggregat, das beispielsweise als Gasfeder Verwendung findet, weist einen Zylinder auf, in dem ein Gas angeordnet ist, welches durch einen im Zylinder aufgenommen Kolben komprimiert werden kann. Mit dem Kolben ist eine Kolbenstange verbunden, um den Kolben zu betätigen. Mit dem Zylinder ist eine Dichtungseinrichtung verbunden, mit deren Hilfe der Zylinder abgedichtet wird. Da die Kolbenstange durch die Dichtungseinrichtung hindurch geführt ist, um von außen den Kolben betätigen zu können, ist es erforderlich, dass die Dichtungseinrichtung sowohl die Verbindung von dem Zylinder mit der Dichtungseinrichtung als auch von der Dichtungseinrichtung mit der Kolbenstange abdichtet. Um zu verhindern, dass das in dem Zylinder eingeschlossene Fluid, beispielsweise Gas, entweicht, weist die Dichtungseinrichtung üblicherweise Dichtungen auf, die mit einer zur Dichtung notwendigen möglichst hohen Kraft an der Kolbenstange anliegen. Dies führt jedoch zu einer hohen Reibung zwischen der Dichtungseinrichtung und der Kolbenstange, so dass ein hoher Verschleiß auftritt und auf Grund der herrschenden Reibungskräfte die durch die Kompression des Gases erreichbare Federkraft reduziert ist.
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Aus der
US 6 202 806 B1 ist ein Kolben-Zylinderaggregat bekannt, bei dem zwischen dem Kolben und dem Zylinder ein elektrorheologisches Fluid und im Kolben ein Magnet angeordnet ist, durch dessen Magnetfeld die Rheologie des Fluids steuerbar ist, um dessen Viskosität zu steuern. Damit soll mit steigender Feldstärke eine Scherkraft bereitgestellt werden, um der Bewegung zwischen dem Kolben und dem Zylinder zu widerstehen und somit einen steuerbaren Widerstand zwischen den relativ zueinander bewegbaren Teilen zu erzeugen.
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Nachteilig bei einer derartigen Gasfeder ist, dass ein verhältnismäßig komplizierter Aufbau des Kolbens und der Kolbenstange erforderlich ist, um die Elektromagneten aufzunehmen und mit Strom zu versorgen. Ferner besteht die Gefahr, dass beim Betrieb der Gasfeder durch eine leichte Schrägstellung der Kolbenstange der Kolben verkanten kann, wodurch die Funktionalität der Gasfeder eingeschränkt ist und ein erhöhter Verschleiß auftritt. Ferner können durch Verkanten des Kolbens Riefen in dem Zylinder entstehen, in denen sich ein Teil des Ferrofluid sammeln kann. Dies führt dazu, dass über die Lebensdauer der Gasfeder immer mehr Ferrofluid aus dem Spalt zwischen Kolben und dem Zylinder entfernt wird, wodurch die Dichtwirkung verloren geht.
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In dem Zylinder ist eine magnetisierbare Substanz angeordnet, auf die ein Magnetfeld eines den Zylinder umschließenden Elektromagneten einwirkt. Abhängig von dem Magnetfeld ist die Fließbarkeit der Substanz steuerbar, die die Relativbewegbarkeit von Kolben und Zylinder zueinander erschwert oder sogar vollständig unterbindet.
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Aus der
JP 2003-278 821 A ist ein Kolben-Zylinderaggregat der eingangs genannten Art bekannt.
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Aus der
US 4 484 732 A ist ein Kolben-Zylinderaggregat bekannt, bei dem eine Kolbenstange durch eine Dichtungseinrichtung abgedichtet aus dem Zylinder herausgeführt ist. Die Dichtungseinrichtung weist einen die Kolbenstange mit radialem Abstand umschließenden Dauermagnetring auf, der axial magnetisiert ist. Jeweils an den axialen Enden des Dauermagnetrings liegt ein ringförmiges Polstück an, das im Wesentlichen spaltlos die Kolbenstange umschließt. An der radial umlaufenden inneren Ringfläche der Polstücke sind radial umlaufende Ringkammern ausgebildet, die mit einem Ferrofluid gefüllt sind.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Kolben-Zylinderaggregat zu schaffen, bei welchem der Verschleiß reduziert und die Dichtwirkung erhöht ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Dichtungseinrichtung zwischen der Führungseinrichtung und der Kolbenstange und/oder zwischen der Dichtungseinrichtung und dem Zylinder angeordnet ist und wenigstens ein Magnetelement aufweist, dessen Magnetfeld mit einem in einem Spalt oder Zwischenraum zwischen der Dichtungseinrichtung und der Kolbenstange und/oder zwischen der Dichtungseinrichtung und dem Zylinder vorhandenen Ferrofluid zusammenwirkt, wobei das Ferrofluid eine magnetisierbare Flüssigkeit ist, deren Viskosität sich im Magnetfeld kaum ändert, wobei an der Kolbenstange nur eine geringe Flüssigkeitsreibung wirkt und wobei die magnetischen Pole der Magnetelemente zueinander in radialer Richtung ausgerichtet sind.
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Die Magnetelemente sind derart angeordnet, dass die magnetischen Pole der Magnetelemente zueinander in radialer Richtung ausgerichtet sind, so dass sich eine radiale Ausrichtung der Magneten ergibt. Der magnetische Nordpol und der magnetische Südpol befinden sich somit quasi auf einer Kreislinie, die bezogen auf den Zylinder radial ausgerichtet ist. Dies ermöglicht es im Bereich des Ferrofluid eine besondere hohe magnetische Feldstärke bereitzustellen.
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Das erfindungsgemäße Kolben-Zylinderaggregat weist ein Zylinder auf, das mit einem insbesondere komprimierten Gas oder Öl gefüllt ist. In dem Zylinder ist ein Kolben aufgenommen, der mit einer Kolbenstange verbunden ist, um den Kolben betätigen zu können. Mit dem Zylinder ist eine Dichtungseinsrichtung verbunden, um den Zylinder abzudichten. Erfindungsgemäß weist die Dichtungseinrichtung mindestens ein Magnetelement auf, wobei ferner beispielsweise in einem Spalt oder Zwischenraum zwischen der Dichtungseinrichtung und der Kolbenstange und/oder zwischen der Dichtungseinrichtung und dem Zylinder ein Ferrofluid angeordnet ist.
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Da die Kolbenstange sowohl durch den Kolben als auch durch die Dichtungseinrichtung geführt ist, wird ein Verkanten des Kolbens vermieden. Da das Ferrofluid flüssig beziehungsweise als Suspension vorliegt, wird eine Reibung zwischen der Dichtungseinrichtung und der Kolbenstange deutlich reduziert. Dies führt zu einem verringerten Verschleiß. Ferner ist das Ferrofluid in der Lage Unebenheiten auszugleichen, die beispielsweise durch Bearbeitungstoleranzen oder Oberflächenrauhigkeiten entstehen. Da das Ferrofluid nicht mitbewegt wird, sondern im Wesentlichen durch die Einwirkung des/der Magneten ortsfest bleibt, ist es möglich einen verhältnismäßig einfachen Aufbau vorzusehen. Beispielsweise kann ein Kanal vorgesehen sein, um erforderlichenfalls zusätzliches Ferrofluid nachzufüllen, ohne dass die Gefahr besteht, dass das nachgefüllte Ferrofluid nicht in den Bereich der Magnetelemente gelangt. Ferner ist es nicht erforderlich, an die Kolbenstange spezielle Anforderungen zu stellen, um das Ferrofluid an der richtigen Stelle zu platzieren und dort zu halten.
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Alternativ oder in weiterer Ausgestaltung kann der Kolben das Magnetelement aufweisen, wobei zwischen dem Kolben und dem Zylinder ein Ferrofluid angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß kann auch außen an dem Zylinder wenigstens ein Magnetelement angeordnet sein.
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Besonders bevorzugt sind mehrere Magnetelemente in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet. Dies ermöglicht es eine besonders hohe magnetische Feldstärke im Bereich des Ferrofluid bereitzustellen. Vorzugsweise sind die mehreren Magnetelemente gleichpolig angeordnet. Das heißt, dass insbesondere sämtliche Magnetelemente mit ihrem magnetischen Südpol nach radial innen weisen und mit ihrem magnetischen Nordpol radial nach außen weisen bzw. umgekehrt. Dadurch wird zumindest für einen Teilbereich des Ferrofluid eine besonders hohe magnetische Feldstärke erzeugt.
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Je nach Anwendungsfall kann es vorteilhaft sein, dass vorzugsweise im Bereich des Magnetelements ein Dichtungselement angeordnet ist, mit dessen Hilfe ein Fließen des Ferrofluid in axialer Richtung begrenzt werden kann. Mit Hilfe des Dichtungselements wird ein ungewolltes Wegfließen des Ferrofluid zumindest erschwert. Das Dichtungselement ist beispielsweise ein elastomerer O-Ring. Es ist nicht erforderlich, dass das Dichtungselement zur Abdichtung des Zylinders beiträgt, da hierzu das Ferrofluid ausreicht. Besonders bevorzugt ist das Dichtungselement in axialer Richtung mittig zum jeweiligen Magnetelement angeordnet. Dadurch ist das Dichtungselement in einem Bereich angeordnet, in dem die magnetische Feldstärke im Verhältnis zu anderen Bereichen, in denen das Ferrofluid angeordnet ist, eher gering ist. Beispielsweise kann ein Ferrofluid zwischen zwei benachbart zueinander radial ausgerichteten Magnetelementen angeordnet sein, wobei zwei mittig zu ihrem jeweiligen Magnetelement angeordnet Dichtelemente ein Heraufließen des Ferrofluid verhindern und die erforderliche Dichtwirkung allein durch das Ferrofluid erreicht wird.
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Das mindestens eine Magnetelement kann einen Dauermagneten aufweisen, der insbesondere aus SmCo oder NdFeB hergestellt sein kann, um ein möglichst starkes Magnetfeld bereitzustellen.
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Alternativ kann das mindestens eine Magnetelement einen Elektromagneten aufweisen. Je nach Anwendungsfall kann es vorteilhaft sein, dass der Elektromagnet insbesondere mit Energieleitungen verbunden ist, die zur Kolbenstange beabstandet angeordnet sind. Eine verschleißbehaftete Relativbewegung zwischen der Kolbenstange und den Energieleitungen wird dadurch vermieden. Die Energieleitungen können beispielsweise durch den Zylinder hindurch geführt sein. Die Energieleitungen laufen hierzu insbesondere radial von der Dichtungseinrichtung durch den Zylinder hindurch, so dass die Durchleitung durch den Zylinder mit Hilfe des gegebenenfalls zwischen der Dichtungseinrichtung und dem Zylinder angeordneten Ferrofluid abgedichtet werden kann. Zusätzlich bzw. alternativ können die Energieleitungen auch an einer Stirnseite des Zylinders an der Dichtungseinrichtung entlang nach außen geführt sein. Eine spezielle Formgebung der Kolbenstange, um den Elektromagneten mit Energie zu versorgen ist nicht erforderlich. Die Energieleitungen können jedoch auch durch die Kolbenstange geführt werden.
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Vorzugsweise weist die Dichtungseinrichtung eine weichmagnetische Hülle auf, die zumindest teilweise das Magnetelement aufnimmt. Dadurch kann mit Hilfe der weichmagnetischen Hülle die magnetische Flussdichte erhöht bzw. örtlich verstärkt werden.
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Alternativ oder in weiterer Ausgestaltung kann das Magnetelement axial über den Zylinder bewegbar angeordnet sein, wodurch eine frei einstellbare Zwischenhalteposition des Kolben-Zylinderaggregats bereitgestellt werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 Eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Gasfeder in einer ersten Ausführungsform,
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2 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Gasfeder in einer zweiten Ausführungsform
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3 eine schematische Schnittansicht einer Dichtungseinrichtung für die in 1 und 2 dargstellte Gasfeder.
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4 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Gasfeder in einer dritten Ausführungsform und
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5 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Gasfeder in einer vierten Ausführungsform
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6 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Gasfeder in einer fünften Ausführungsform
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In 1 ist das erfindungsgemäße Kolben-Zylinderaggregat 10 beispielhaft als Gasfeder ausgebildet und weist einen an einem ersten Ende geschlossenen Zylinder 12 auf, in dem zwischen einem Kolben 14 und dem Zylinder 12 ein Gas eingeschlossen ist. Mit dem Kolben 14 ist eine Kolbenstange 16 verbunden, um den Kolben 14 betätigen zu können. Mit dem Zylinder 12 ist eine erste Verbindungseinrichtung 18 verbunden, um mit dem Zylinder 12 ein nicht dargestelltes erstes Bauteil verbinden zu können. Entsprechend ist mit der Kolbenstange 16 eine zweite Verbindungseinrichtung 20 verbunden, um ein nicht dargestelltes zweites Bauteil mit der Kolbenstange 16 zu verbinden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Kolben 14 eine gummielastische Dichtung in Form eines O-Rings 22 auf.
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Durch den Kolben 14 wird das Druckohr 12 in einen ersten Raum 24 und einen zweiten Raum 26 geteilt. In dem ersten Raum 24 kann das zu komprimierende Gas angeordnet sein, während der zweite Raum 26 im Wesentlichen gasfrei ist. Wenn die Kolbenstange 16 in den Zylinder 12 hinein geschoben wird, wird das im ersten Raum 24 angeordnete Gas komprimiert, wodurch eine Druckerhöhung entsteht, während gleichzeitig in dem zweiten Raum 26 ein Unterdruck entstehen kann. Durch die dadurch entstehenden Kräfte kann die Gasfeder 10 eine Federkraft bereitstellen. Es ist auch möglich, dass der zweite Raum 26 mit einem Gas gefüllt ist und der erste Raum 24 im Wesentlichen gasfrei ist. In diesem Fall wirkt die von der Gasfeder 10 bereitgestellte Federkraft in die entgegengesetzte Richtung.
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Ferner kann sowohl der erste Raum 24 als auch der zweite Raum 26 mit einem unter Druck stehenden Gas gefüllt sein. Ein Strömen des Fluids von einem Raum zum anderen kann beispielsweise durch eine nicht gezeigte Axialnut im Zylinder oder durch eine oder mehrere nicht gezeigte Bohrungen im Kolben 14 möglich sein, über die das Gas aus dem ersten Raum 24 in den zweiten Raum 26 oder umgekehrt strömen kann.
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Die Kolbenstange 16 tritt über eine Einlassöffnung 28 an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende in den Zylinder 12 ein. An die Einlassöffnung 28 schließt sich eine Dichtungseinrichtung 30 an, durch welche die Kolbenstange 16 geführt wird und der Zylinder 12 nach außen abgedichtet wird. Die Dichtungseinrichtung 30 ist zwischen einer Einkerbung 32 des Zylinders 12 und einem umgebördelten Ansatz 34 bewegungsfest mit dem Zylinder 12 verbunden. Die Dichtungseinrichtung 30 weist ein Magnetelement 36 auf, das innerhalb einer weichmagnetischen Hülle 38 angeordnet ist. Zwischen der weichmagnetischen Hülle 38 und der Kolbenstange 16 ist ein erstes Ferrofluid 40 angeordnet, wodurch eine gute Abdichtung zwischen der Kolbenstange 16 und der Dichtungseinrichtung 30 erreicht wird. Ferner ist zwischen der weichmagnetischen Hülle 38 und dem Zylinder 12 ein zweites Ferrofluid 42 angeordnet, wodurch eine sicherere Abdichtung zwischen der Dichtungseinrichtung 30 und dem Zylinder 12 erreicht wird. Da die Ferrofluide 40, 42 magnetisierbare Flüssigkeiten sind, deren Viskosität sich kaum im Magnetfeld ändert, ist das Magnetfeld des Magnetelements 36 in der Lage die Ferrofluide 40, 42 derart zu positionieren und festzuhalten, dass ein Austritt von Gas nahezu vollständig verhindert werden kann, während gleichzeitig an der Kolbenstange 16 nur eine geringe Flüssigkeitsreibung wirkt.
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Wie in der 2 gezeigt, kann auch zwischen dem Kolben 14 und dem Zylinder 12 ein weiteres Ferrofluid 44 vorgesehen sein. Hierzu weist der Kolben 14 ein Magnetelement 46 auf, der in einer weichmagnetischen Hülle 48 angeordnet ist. Mit Hilfe des weiteren Ferrofluids 44 wird eine besonders wirkungsvolle Abdichtung zwischen dem ersten Raum 24 und dem zweiten Raum 26 erreicht. Ein Gasstrom zwischen dem ersten Raum 24 und dem zweiten Raum 26 wird dadurch sicher vermieden, könnte jedoch, wie zu 1 beschrieben durch wenigstens eine nicht gezeigte Bohrung im Kolben ermöglicht werden.
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Die Dichtungseinrichtung 30 kann auch mehrere Magnetelemente 36 aufweisen, die in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind und innerhalb einer gemeinsamen weichmagnetischen Hülle 38 angeordnet sind, wie in 3 gezeigt. Insbesondere, wenn die Magnetelemente 36 bzgl. der Anordnung ihres magnetischen Nordpols und ihres magnetischen Südpols radial ausgerichtet sind, kann zentriert zum jeweiligen Magnetelement 36 ein Dichtungselement 50 angeordnet sein. Wenn alle Magnetelemente 36 gleichpolig ausgerichtet sind, ergibt sich zwischen zwei benachbarten Magnetelementen 36 ein besonders starkes Magnetfeld, durch welches das Ferrofluid 40 besonderes gut in Position gehalten wird. Die Dichtungselemente 50, welche lediglich die Funktion haben, das Ferrofluid 40 daran zu hindern auszulaufen, sind in diesem Fall an einer Position angeordnet, an der das magnetische Feld am geringsten ist. Insbesondere ist das magnetische Feld, das durch die Magnetelemente 36 bereitgestellt wird, ausreichend, dass selbst in dem Fall, dass die Schwerkraftrichtung in Richtung des Pfeils 52 verläuft, das Ferrofluid 40, 42, 44 nicht in Schwerkraftrichtung davon fließt.
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Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein ringförmiges Magnetelement 54 außerhalb des Zylinders 12 nahe der Einlassöffnung 28 angeordnet ist. Das durch das Magnetelement 54 erzeugte Magnetfeld verstärkt die Wirkung auf das zwischen der Dichtungseinrichtung 30 und dem Zylinder 12 angeordnete zweite Ferrofluid 42 zusätzlich. Das Magnetelement 54 könnte jedoch auch alleine, d. h. ohne das Magnetelement 36, wenigstens auf das zweite Ferrofluid 42 wirkend ausgelegt sein. In der 5 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist ein ringförmiges Magnetelement 58 über den Zylinder 12 in axialer Richtung bewegbar angeordnet. Gelangt der Kolben 14 durch eine Axialbewegung der Kolbenstange 16 in die Nähe des Magnetelements 58, sammelt sich, wenn das Kolben-Zylinderaggregat 10 beispielsweise als mit einem Ferrofluid enthaltenden Medium gefüllten Dämpfer ausgebildet ist, das Ferrofluid 44 zwischen dem Kolben 14 und dem Zylinder 12 an und bewirkt eine Blockierung des Kolbens 14, wodurch eine frei einstellbare Zwischenhalteposition des Kolben-Zylinderaggregats 10 bereitgestellt werden kann.
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Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform ist ein Überrohr 56 mit dem dem Kolben 14 abgewandten Ende der Kolbenstange 16 verbunden und erstreckt sich wenigstens teilweise über den Zylinder 12. An dem der ersten Verbindungseinrichtung 18 zugewandten offenen Ende des Überrohrs 56 ist das Magnetelement 58 angeordnet, wobei sich der Kolben 14 und das Magnetelement 58 zu jeder Zeit innerhalb und außerhalb des Zylinders 12 gegenüberliegen. Wird die Kolbenstange 16 in axialer Richtung beispielsweise aus dem Zylinder 12 herausbewegt, verschieben sich sowohl der Kolben als auch die das Magnetelement 58 an die gleiche axiale Position. Das durch das Magnetelement 58 erzeugte Magnetfeld verstärkt die Wirkung auf das zwischen den Kolben 14 und dem Zylinder 12 angeordnete dritte Ferrofluid 44 zusätzlich. Das Magnetelement 58 könnte jedoch auch alleine, d. h. ohne das Magnetelement 46, auf das dritte Ferrofluid 44 wirkend ausgelegt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kolben-Zylinderaggregat
- 12
- Zylinder
- 14
- Kolben
- 16
- Kolbenstange
- 18
- Verbindungseinrichtung
- 20
- Verbindungseinrichtung
- 22
- O-Ring
- 24
- erster Raum
- 26
- zweiter Raum
- 28
- Einlassöffnung
- 30
- Dichtungseinrichtung
- 32
- Einkerbung
- 34
- umgebördelter Ansatz
- 36
- Magnetelement
- 38
- weichmagnetische Hülle
- 40
- erstes Ferrofluid
- 42
- zweites Ferrofluid
- 44
- drittes Ferrofluid
- 46
- Magnetelement
- 48
- weichmagnetische Hülle
- 50
- Dichtungselement
- 52
- Pfeil
- 54
- Magnetelement
- 56
- Überrohr
- 58
- Magnetelement