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Die Erfindung bezieht sich auf einen hydropneumatischen Stoßdämpfer
mit einem mit Ventilen zusammenarbeitenden Dämpfungskolben, der an einer Kolbenstange
befestigt sowie in einem Dämpfungsftüssigkeit enthaltenden Zylinder geführt ist
und diesen in zwei Arbeitskammern wechselnden Rauminhaltes unterteilt, wobei der
Zylinder weiterhin mit einer mit Druckgas und Dämpfungsflüssigkeit gefüllten Ausgleichskammer
über eine unterhalb des Flüssigkeitsspiegels in der Ausgleichskammer in vom Flüssigkeitsspiegel
abgewandter Richtung endigende Ausgleichsleitung verbunden ist, die beim Verschiebender
Kolbenstange von der von letzterer verdrängten Dämpfungsflüssigkeit ausschließlich
in jeweils in entgegengesetzter Richtung durchströmt wird, und deren Querschnitt
derart dimensioniert ist, daß die Reynoldsche Kennzahl wenigstens#'bei normalen
Stoßbelastungen unterhalb der kritischen Reynolds-Zahl bleibt.
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Ein derartiger hydropneumatischer Stoßdämpfer ist nach der britischen
Patentschrift 748 471 als ein Zweirohrstoßdämpfer ausgeführt worden, wobei der Querschnitt
der Ausgleichsleitung verhältnismäßig groß ist, da er sich als eine Ringfläche zwischen
zwei Zylindern darstellt. Proportional zu dieser Ringfläche kann es zu einem Konzentrationsausgleich
des in der Dämpfungsflüssigkeit der Ausgleichskammer und der Arbeitskammern gelösten
Gases kommen, der zur Folge hat, daß bei der Druckentspannung die Dämpfungsflüssigkeit
derart schäumt, daß die Dämpfungseigenschaften des Stoßdämpfers sehr nachteilig
beeinflußt werden. Da bei einer Belastung der Gasdruck ansteigt, nimmt die Dämpfungsflüssigkeit
in der Ausgleichskammer dann entsprechend mehr Gas auf, das infolge des geringen
Diffusionswiderstandes alsbald in die in den Arbeitskammern befindliche Dämpfungsflüssigkeit
gelangt.
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Von einem anderen Zweirohrstoßdämpfer nach der deutschen Patentschrift
725199 ist es bekannt, zu beiden Enden des inneren, die Arbeitskammern einschließenden
Zylinders Ventile anzuordnen und bei senkrechter Einbaulage von den oberen Ventilen
eine Rohrleitung zwischerl'dem inneren und dem äußeren Zylinder nach unten zu führen,
die unterhalb des Flüssigkeitsspiegels im Ringraum zwischen den beiden genannten
Zylindern endigt. Auch hierbei kommt jedoch ein Konzentrationsausgleich zwischen
dem sich bei erhöhtem Druck in der Dämpfungsflüssigkeit der Ausgleichskammer lösenden
Gas und der Dämpfungsflüssigkeit in den Arbeitszylindern augenblicklich zustande,
weil stets Dämpfungsflüssigkeit durch das untenliegende Ventil nachgesaugt wird.
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Durch die USA.-Patentschrift 3168169 ist ein für den Einbau in horizontaler
Lagevorgesehener Einrohrstoßdämpfer bekannt, bei welchem in der die Ausgleichskammer
abtrennenden Scheibe eine Ventilöffnung verhältnismäßig großen Querschnittes vorgesehen
ist, die sich beim Ausfahren der Kolbenstange öffnet und dabei die in der Ausgleichskammer
befindliche Dämpfungsflüssigkeit in die Arbeitskammer einströmen läßt. Im oberen
Teil der Scheibe befindet sich der Einlaß in ein wendelförmig gebogenes Rohr, das
unterhalb des Flüssigkeitsspiegels in der Ausgleichskammer endigt und das in seiner
Länge und seinem Querschnitt so bemessen ist, daß sich ein größerer Widerstandswert
für die Strömung ergibt, als er beim öffnen des genannten Ventils überwunden werden
muß. Hierbei kommt es jedoch ebenfalls zu einem sofortigen Konzentrationsausgleich
des Druckgases in der - Dämpfungsflüssigkeit von Ausgleichskammer und Arbeitskammer;
weil durch die untere Ventilöffnung bei jedem Kolbenhub Dämpfungsflüssigkeit aus
der Ausgleichskammer angesaugt wird. Eine gerade, rohrförmige sowie in vom Flüssigkeitsspiegel
abgewandter Richtung in der Ausgleichskammer endigende Ausgleichsleitung ist schließlich
durch die deutsche Patentschrift 570 800 bei einem hydropneumatischen Stoßdämpfer
bekanntgeworden, doch erfolgt auch -hierbei die Durchströmung in nur einer Richtung,
so daß es zu einem Konzentrationsausgleich des Druckgases kommt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydropneumatischen
Stoßdämpfer der einleitend beschriebenen Art zu schaffen, bei welchem ein Konzentrationsausgleich
des in der Dämpfungsflüssigkeit der Ausgleichskammer und in der der Arbeitskammern
gelösten Druckgases durch Diffusion mit hinreichender Sicherheit unterbunden wird.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Ausgleichsleitung eine an sich
bekannte, in einer sich an die kolbenstangenferne Arbeitskammer anschließenden,
zylindrischen, hohlen, mit Druckgas gefüllten Ausgleichskammer untergebrachte Rohrleitung
ist, die etwa 15 bis 60% der von der Kolbenstange verdrängbaren Dämpfungsflüssigkeit
aufnimmt. Auf diese Weise wird eine wirkungsvolle Diffusionssperre geschaffen, die
sowohl während der normalen Fahrweise als auch im Ruhezustand einem Diffusionsausgleich
entgegenwirkt. Dabei läßt sich den begrenzten Platzverhältnissen, die bei einem
Einrohrstoßdämpfer für "die -Unterbringung der Ausgleichskammer beachtet werden
müssen, noch befriedigend Rechnung tragen.
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Im unbelasteten Zustand befindet sich der Dämpfungskolben üblicherweise
in der Mittelstellung, wobei zwei annähernd gleich große Arbeitskammern gebildet
werden. Wenn aus dieser Stellung die Kolbenstange eingefahren wird, wird durch die
Rohrleitung Dämpfungsflüssigkeit in die Ausgleichskammer gedrückt, wobei das in
der Ausgleichskammer befindliche Gasvolumen, das beim Erfindungsgegenstand insbesondere
ein Druckgasvolumen sein kann, entsprechend komprimiert wird. Dadurch steigt die
Gaskonzentration in der Dämpfungsflüssigkeit gleichfalls an. Ein Konzentrationsausgleich
kommt jedoch hierbei schon deshalb nicht zustande, weil die Rohrleitung entgegengesetzt
zum Konzentrationsgefälle durchströmt wird, und zwar bei einer in der Regel unterkritischen
Reynoldschen Zahl. Wenn die Kolbenstange nunmehr längere Zeit eingefahren bleibt,
wird ein Konzentrationsausgleich gleichfalls normalerweise - dadurch verhindert,
daß der Diffusionsweg -durch die Länge der Rohrleitung wirkungsvoll vergrößert wird.
Wenn man von einem Diffusionskoeffizienten für Gas in Dämpfungsflüssigkeit von 3
-10-5 cm=/sec ausgeht, läßt sich auf Grund der bekannten Diffusionsgleichungen
leicht errechnen, daß bei z. B. einer 5.cm langen Rohrleitung ein Ausgleich durch
Diffusion im Ruhezustand nach erst etwa 100 Stunden erreicht wird. Die wirkungsvolle
Verlängerung des Diffusionsweges gelingt auch bei begrenzten Raumverhältnissen innerhalb
der Ausgleichskammer stets dann, wenn man die Rohrleitung in Nähe des Bodens der
Ausgleichskammer endigen läßt. Um jegliche Beunruhigung der Dämpfungsflüssigkeit
in der Ausgleichskammer, die sich dort in der Schaumbildung auswirken würde, zu
vermeiden,
ist das Ende der Rohrleitung weiterhin so angeordnet,
daß aus ihr nur Flüssigkeitsstrahlen austreten können, die vom Flüsigkeitsspiegel
in der Ausgleichskammer abgekehrt gerichtet sind und zunächst der Umlenkung bedürfen,
wodurch sich ihre Energie erheblich verringert.
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Wenn es nach der erfolgten Belastung des Stoßdämpfers zu einer sofortigen
Entlastung kommt, kann zumindest im Falle einer normalen Stoßbelastung infolge des
Speichervermögens der Rohrleitung keine Dämpfungsflüssigkeit aus der Ausgleichskammer
in die Arbeitskammer eingesaugt werden. Bei fortgesetzten Stoßbelastungen, wie es
z. B. bei in Kraftfahrzeugen eingebauten Stoßdämpfern der Fall ist, pendelt vielmehr
ein Teil der Dämpfungsflüssigkeit lediglich innerhalb der Rohrleitung hin und her,
und zwar wenigstens bei normalen Stoßbelastungen, wobei die Kolbenstange immer nur
teilweise ein- bzw. ausfährt. Der Strömungszustand ist hierbei innerhalb der Rohrleitung
laminar, so daß die für den Konzentrationsausgleich neben dem Diffusionskoeffizienten
noch maßgebliche turbulente Austauschgröße unterhalb des kritischen Wertes bleibt
und damit auf den gesamten Konzentrationsausgleich keinen wesentlichen Einfluß nimmt.
Der besondere Vorteil der Rohrleitung besteht hierbei darin, daß die Reynoldsche
Kennzahl bei ihr erst oberhalb eines Wertes von 2300 kritisch wird, wohingegen bei
durch Blenden od. dgl. eingeschnürten Flüssigkeitsleitungen der kritische, turbulente
Strömungszustand bereits bei einer Reynoldschen Kennzahl von 70 erreicht wird.
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Die vorgeschlagene Volumenbegrenzung der Rohrleitung führt dazu, daß
lediglich der Anteil an Dämpfungsflüssigkeit aufgenommen wird, der bei normalen
Stoßbelastungen von der Kolbenstange verdrängt bzw. angesaugt wird, so daß die Länge
der Rohrleitung keinen nennenswerten Einfluß auf die von den Strömungswiderständen
der Kolbenventile bedingte Dämpfungscharakteristik des Stoßdämpfers nimmt.
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Die etwa nur 5% aller Dämpfungshübe betragenden Spitzenbelastungen
würden, wenn man auch die hierbei verdrängte Dämpfungsflüssigkeit in der Rohrleitung
aufnehmen wollte, eine derartige Vergrößerung des Querschnittes oder der Länge der
Rohrleitung bedingen, daß diese den Konzentrationsausgleich durch Diffusion nicht
mehr wirkungsvoll unterbinden würde bzw. nicht mehr von vernachlässigbarem Einfluß
auf die Dämpfungscharakteristik der Kolbenventile wäre. Wenn man z. B. von einem
Fahrzeug-Stoßdämpfer mit einem Gesamthub von 200 mm ausgeht, so dient von diesem
Hubweg lediglich etwa ein Viertel der Stoßdämpfung beim Fahren auf unebenen Strecken,
während der volle Hubweg nur für die äußerst selten eintretenden Karosserieschwingungen
beansprucht wird. Da jedoch ein geringfügiger Konzentrationsausgleich im Hinblick
auf einen Beeinträchtigung der Dämpfungscharakteristik unbedenklich ist, bietet
die vorgeschlagene Begrenzung der Rohrleitung erhebliche Vorteile.
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Die Erfindung sei an Hand der sich auf zwei Ausführungsbeispiele beziehenden
Zeichnungen veranschaulicht. Darin zeigt, jeweils in geschnittener Längsansicht;
F i g. 1 einen erfindungsgemäßen Stoßdämpfer mit einer geraden Rohrleitung, während
F i g. 2 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Stoßdämpfers mit einer U-förmig
gebogenen Rohrleitung darstellt. Nach F i g. 1 besteht der neue Stoßdämpfer aus
einem Zylinder 1, der mittels des darin verschieblichen sowie dichtend anliegenden
Kolbens 2 in die beiden Kammern 1' und 1" unterteilt ist. Der Kolben 2 ist am Ende
der Kolbenstange 3 mittels der Schraube 4 befestigt und mit Durchtrittsbohrungen
7 versehen, deren der Kolbenstange 3 zugekehrte öffnungen mittels eine in axialer
Richtung verschieblichen Ringscheibe 6 abgedeckt sind. Die Ringscheibe kann ihrerseits
z. B. mit kleinen Durchtrittsöffnungen ausgeführt sein, so daß sie im am Kolben
2 anliegenden Zustand einen geringen Flüssigkeitsdurchtritt ermöglicht. Im vom Kolben
abgehobenen Zustand liegt die Ringscheibe 6 dagegen an einem ringförmigen Vorsprung
des zwischen Kolben 2 und Kolbenstange 3 angeordneten Stützkörpers 5 auf und erlaubt
somit einen erheblich größeren Flüssigkeitsdurchtritt. Die Kolbenstange 3 ist ihrerseits
dichtend aus dem Zylinder 1 herausgeführt, welchem Zweck eine elastische Dichtungsmanschette
9 dient, die zwischen zwei von Federringen 8 bzw. 8' gehaltenen Scheiben eingespannt
ist.
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Die mit Dämpfungsflüssigkeit gefüllte Kammer 1' ist mit einer Scheibe
10, einem trichterförmigen Element od. dgl. verschlossen, welche bzw. welches dicht
und unverschieblich an der Wand des Zylinders 1 befestigt ist. Die Rohrleitung 15
ist in einer in der Scheibe vorgesehenen Öffnung befestigt und in Nähe des unteren
Bodens des Fortsatzes 11 offen. Dabei taucht sie mit ihrem Ende in einem im Fortsatz
11 befindlichen Reservoirsumpf 14 aus Dämpfungsflüssigkeit ein. Oberhalb des Reservoirsumpfes
14 befindet sich im Fortsatz 11 eine Druckgasfüllung 13. Das Druckgas kann dabei
unmittelbar auf die Oberfläche der Dämpfungsflüssigkeit im Reservoirsumpf 14 einwirken
und dort zu der bereits beschriebenen, erhöhten Gasaufnahme führen. Wenn es bei
einer Druckentspannung in der oberflächennahen Schicht des Reservoirsumpfes 14 zu
einer Schaumbildung kommt, wird eine Phasentrennung bereits dadurch begünstigt,
daß die eingeschlossenen Gasblasen das Bestreben haben, nach oben zu steigen. Für
den Fall, daß einmal bei ganz herausgefahrener Kolbenstange 3 so viel Dämpfungsflüssigkeit
nachgesaugt werden sollte, daß Luftblasen enthaltende Schichten in den ersten Rohrabschnitt
gelangen könnten, lassen sich Flüssigkeit und Gasphase auch dadurch wirkungsvoll
trennen, daß in dem entsprechenden Abschnitt des Rohres 15 Elemente 20, z. B. eine
schraubenförmig verlaufende Führung vorgesehen werden, die eine Drallströmung verursachen,
durch die auch sehr kleine Luftblasen wegen der Zentrifugalwirkung abzuscheiden
sind. Eine zusätzliche Sicherheit gegen das Eindringen von Gasblasen bieten verengende
Stellen 19, die den für den Strömungszustand charakteristischen Strömungsdurchmesser
des Rohres 15 verringern, ohne daß jedoch dadurch die kritische Reynoldsche Zahl
überschritten wird (Strömungsdurchmesser = 4 # Querschnitt/Umfang).
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Man kann den in F i g. 1 dargestellten Stoßdämpfer, der üblicherweise
mit der Kolbenstange 3 nach oben zum Einbau kommt, auch in anderer Stellung in gefülltem
Zustand lagern und transportieren, ohne daß Druckgas in die Zylinderkammer 1' eindringt.
Wenn z. B. der Fortsatz 11 nach oben weist, taucht zwar das Ende des Rohres 15 nicht
mehr in den Reservoirsumpf 14 ein, doch kann dann das Druckgas wegen seiner geringeren
Dichte nicht in den
Zylinder eindringen und wegen des geringen Querschnittes
und des langen Weges des Rohres 15 auch nicht nennenswert eindifundieren, Eine andere
Ausführungsform für mit einem oben liegenden Fortsatz 11 einzubauenden Stoßdämpfer
zeigt F i g. 2, wonach das Flüssigkeitsleitungssystem aus einem U-förmig gebogenen
Rohr 16 besteht, das gleichfalls mit seinem offenen, über dem von der Scheibe
10 gebildeten Boden des Fortsatzes liegenden Ende in einen Reservoirsumpf
14 eintaucht, oberhalb dessen die Druckgasfüllung 13 liegt. Für die Wirkungsweise
dieser Anordnung gilt das zu dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel Gesagte
entsprechend.
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Die Beispiele nach F i g.1 und 2 zeigen, daß bei etwa gleichem Rohrleitungsvolumen
Querschnitt und Länge veränderliche Größen sein können, doch ist es andererseits
auf Grund der vorstehenden Beschreibung auch verständlich, daß bei zu großem Querschnitt
eine für die Bedürfnisse der Praxis ausreichende Verhinderung des Konzentrationsausgleiches
nicht mehr erzielt werden kann, weil dann die Länge zu kurz würde, wohingegen aber
auch ein zu kleiner Querschnitt von Nachteil wäre, weil dann der Strömungswiderstand
so groß werden könnte, daß er auf die Dämpfungscharakteristik der Ventilkolben von
nicht mehr vernachlässigbar kleinem Einfluß wäre. Letzteres gilt auch dann, wenn
man eine Vielzahl von parallel angeordneten Rohrleitungen mit jeweils wesentlichen
kleineren Querschnitten verwenden würde.