DE7121159U

DE7121159U - Vorrichtung zur Federung, Schwingungsund Stoßdämpfung, Axial- und Radialführung sowie zur Drehlagerung

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Priority date: 1971-06-01
Filing date: 1971-06-01
Publication date: 1974-08-08
Also published as: DE2127067A1

Description

	.-Ing, Werner Sommer,	■ · · · *	28
Dipl		73 Ecslingen;' Breslkuer'str. 33

YORRICHTUNG ZUR FEDERUNG, SGhWINGUNGS- UND STOSSDÄMPFUNG,

AXIAL- UND RADIALFÜHRUNG SOWIE ZUR DREHLAGERUNG

Bei technischen Produkten, z.B. bei Fahrzeugen und bei Maschinen, treten Federungs-, Schwingungs- und Stoßdämpfungsprobleme auf. Das Ziel ist, durch bestimmte technische Vorkehrungen die Beeinflussung der Umgebung durch Schwingungen und Stöße klein zu halten.Vielfach stehen auch Überlegungen im Vordergrund, den Fahrkomfort zu erhöhen.

Man muß die schwingungs- und stoßerzeugenden Bauteile von den übrigen Bauteilen trennen und gegebenenfalls die umgebenden Teile selbst entsprechend lagern und dämpfen.Zur Lösung dieser Aufgabe werden Federn aus elastischem Material (Stahl, Gummi), die eine gewisse Eigendämpfung info.ige innerer Reibung aufweisen sowie mechanische und hydraulische Schwingungs- und Stoßdämpfer benutzt. In neuerer Zeit werden auch pneumatische Federelemente (Luftfederbalg) verwendet, die vielfach hydraulisch bedämpft sind.Die Kennlinien der rein mechanischen Elemente lassen sich durch Formgebung und entsprechende Anordnung beeinflussen.

Das Federungsverhalten der Gasfeder hängt vorwiegend von den Eigenschaften des Gases ab.Beim hydraulischen Stoßdämpfer wird die Charakteristik vorwiegend durch die Hydraulikflüssigkeit, die Kolbenfläche, sowie durch das Durchlaßlerhalten der eigentlichen Drosselventile bestimmt.Der Kolben wird eng geführt und die durch den Kolben getrennten Raumhäften in der Regel durch Berührungsdichtungen (z.B. Kolbenringe) abgedichtet.Für die bis jetzt bekannten Elemente, die nach dem hydraulischen oder pneumatischen Prinzip arbeiten, ist charakteristisch, daß diese nur durchströmt werden, wenn ein Stoß wirkt.Zu Federung und Dämpfung müssen immer mindestens zwei Bauelemente benützt werden: mechanische Feder und Dämpfer, Gasfeder und hydraulische Bedämpfung.

Erläuterung der Abbildungen

Ab'b. 1 Prinzip der Erfindung (R resultierende Kraft auf verschiebbares Teil (1), R Komponente der resultierenden Kraft in Verschieberichtung, R_v Komponente senkrecht auf Gleitebene)

Abb.1a Räumliche Darstellung

Abb.1b Seitenschnitt (Drücke eingezeichnet)

Abb.2 Erfindungsgemäß gestaltete Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6 (Darstellung prinzipiell und nicht maßstäblich)

Abb.3 Einfluß der Stufen auf die Länge 1 des Drosselspalts s (Die Kennlinien wurden schematisch dargestellt, das äußere Teil wurde als verschiebbar angenommen)

Abb.3a Lineare.Zunahme des Spaltwiderstands bei Zusammendrückung

Abb.3b Konstante Spaltlänge (zwei Halbschnitte)

Abb.3c Lineare Abnahme des Spaltwiderstands bei Zusammendrückung

Abb.4 Variationsmöglichkeiten für inneres und äußeres Teil mit verschiedenen Kegelwinkeln bei konstanter Spaltlänge 1 (Darstellung von Halbschnitten)

Abb.5 Beispiel für kontinuierliche und diskontinuierliche Winkeländerung der Spaltflächen sowie für positive und negative Winkel (Spaltlänge 1 konstant)

Abb.5a Diskontinuierliche Winkeländerung (Darstellung von Halbschnitten)

Abb.5b Kontinuierliche Winkeländerung (Vollschnitt) Abb.6 Beispiel für radial angeordnete Drosseln (symmetrisch)

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Im folgenden wird eine Vorrichtung beschrieben, welche,die Eigenschaft einer Feder, eines Schwingungs- und Stoßdämpfers, einer Axial- und -^adial führung sowie die eines Drehlagers aufweisen kann*Im Gegensatz zu den oben erwähnten hydraulischen und pneumatischen Elementen wird diese ständig durchströmt (geschlossener oder offener KreisLauf) .Die Vorteile der Erfindung bestehen neben dem sehr einfachen Aufbau (werige ^eIIe, einfach gestaltete Teile) darin, daß

in einer Vorrichtung die Federung, Schwingungs- und Stoßdämpfung, Axial- und Radialführung sowie Drehlagerung verwirklicht werden kann,

die Vorrichtung außer einer Sekundärdichtung im Niederdruckteil (drucklos) keine Dichtungen und ^ventile enthält, die verschleißen und die Funktion im Laufe der Zeit beeinträchtigen können,

infolge der Durchströmung der Vorrichtung die Reibungs- und Kompressionswärme mit dem Medium abgeführt werden kann, infolge der Durchströmung das Medium leicht ausgetauscht werden kann,

die Vorrichtung auch bei großen Kräften mit äußerst kleinen Abmessungen ausgeführt werden kann (Belastung z.B. 1000 kp, Zuführdruck des Mediums 50 kp/cm , mittlerer Durchmesser ca. 3cm) und

die Kennlinien in sehr weiten Bereichen mit den einfachsten Mitteln nahezu beliebig ausgeführt werden können, was bei den bekannten Elementen mur mit größerem technischen Aufwand begrenzt möglich ist.

In Abb.1 ist das Prinzip der Erfindung schematisch dargeste.-.lt. Die Fläche (5) des ^Teils (1) sowie die Fläche (6) des Teils (2) bilden einen Spalt (10).Teil U) kann an der Stelle (3) auf Teil (2) gleiten und ist mit Dichtung (4) abgedichtet.Die Flächen (5) und (6) sollen so gestaltet sein, daß Teil (1) um einen gewär-sen Betrag nach oben und unten sich bewegen kann, ohne zu berühren. Da die ^xeile (1) und (2) in Richtung senkrecht zur Bildebene endlich groß sind, müssen diese, damit die Vorrichtung in den gewünschten Weise arebiten kann, an den Seiten analog zu Dichtung (4) ebenfalls abgedichtet sein.Somit bilden die 'J-'eile (1) und (2)

einen Spalt, der am Spaltanfar^ (H) zu einer lnnenkammer (8) und am Spaltende (9) nach außen (Außenraum) Verbindung.hat.Zum Spaltende (9) hin soll sich zunächst der Abstand der Spaltmitte zur Gleitebtne vergrößern.Durch die Bohrung (7) wird z.B. in die Innenkammer (8) unter Druck Medium zugeführt, welches am Spaltende (9) wieder aus dem Spalt strömt.Der Ausfluß kann gesammelt und wieder unter Druck dem Innenraum zugeführt werden (geschlossener Kreislauf), oder .der Ausfluß ist verlustig (offener Kreislauf) .Wird. z.B. ein Mediumstrom angenommen, der unabhängig ist vom Gegendruck, muß bei einer Spaltverengung (Zusammendrücken) der Zuführdruck und somit der Druck in der Innenkammer und im Spalt steigen.Dies bedeutet praktisch, daß bei der Zusammendrükkung der Vorrichtung diese durch eine größere Karft reagiert' das Verhalten entspricht einer Feder.

Pie reine Schwingungs- und Stoßdämpferwirkung ist der Federwirkung überlagert und kann ohne Mediumstrom erkärt wer den. Bohrung (7) wird als verschlossen gedacht.Voraussetzung ist jedoch, daß der Spalt mit Medium gefüllt ist und das Spaltende (9) im Medium steht.Dies ist bei Aufwärtsbewegung von Teil (1) erforderlich, da der Inhalt von Spalt und Innenkammer größer wird, sodaß Medium nachfließen muß.Da bei Flüssigkeiten der Dampfdruck nicht unterschritten werden kann, muß bei der praktischen Ausführung, die ja durchströmt wird, das Druckniveau am Spaltende höher gelegt werden, was durch die Kammer (12) und die Drosseln (13) (s.Abb.2t) erfolgt. Bei der Zusammendrückung der Vorrichtung wird das Volumen des Spalts und der Innenkammer kleiner, d.h., Medium muß aus dem Spalt nach außen fließen.In der"Innenkammer baut sich ein Druck auf, der der Stoßkraft entgegen wirkt.Je größer die Stoßgeschwindigkeit ist, desto größer ist der Druck - das Verhalten eines Schwingungsund Stoßdämpfers.

In Abb.1 wurden die Resultierenden der Druckkräfte schematisch angedeutet.

Sind bei zunehmender Verkürzung der Vorrichtung größere Kräfte erforderlich, wird von einem positiven Kraft-Weg-, Druck-Weg«, Kraft-Geschwindigkeit- bzw. Druck-Geschwindigkeits-Zusammenhang gesprochen; bei kleineren Kräften von einem negativen Zusammenhang; bei konstanten Kräften von einem konstanten Zusammenhang.

Aus Gründen der Herstellung sowie aus noch anderen Gründen wird die in Abb.1 skizzierte Anordnung zweckmäßigerweise achssymmetrisch (rotationssymmetrisch) gestaltet »Abt»*2 zeigt ein Beispiel einer erfindungsmäßig gestalteten Vorrichtung (nach Anspruch 5).Die achssymmetrische Bauweise hat den Vorteil, daß die Führung (3) sowie die Hochdruckabdichtung (4) entfallen können und die ganze Vorrichtung bis auf eine Sekundärdichtung (15) berünrungsfrei und somit sehr verschleißarm arbeitet.Aus der achssymmetrischen Anordnung lassen sich weitere vorteilige Eigenschaften ableiten,,

Wird aas Medium über mehrere symmetrisch angeordnete gleiche Drossln (16) in radialer Richtung dem Spalt (1O)(A"bb.2,6) und nicht der Innenkammer (8) (Abb*i) zugeführt, so zeigt die Vorrichtung Eigenschaften eines hydrostatischen oder aerostatischen Radiallagers. D.h., das äußere und innere Teil werden zentriert.Wegen der radialen Führung sowie der Verschiebbarkeit in Achsrichtung stellt das System zugleich eine Axialführung dar.Da beide Teile getrennte Bauteile sind, ein JSIediumfilm „dazwischen liegt, beide Teile symmetrisch sind und durch das Radiallager zentriert werden, bildet die Vorrichtung auch ein berührungsfrei arbeitendes Drehlager,

Charakteristisch für die Erfindung ist die Anordnung des Spalts. Im Gegensatz zu d<m herkömmlichen Hydraulischen Dämpfern ist die Strömungswiderstandsstrecke ganz gezielt der aus konstruktiven, und fertigungstechnischen Gründen ohnehin notwendige Spalt zwischen den beid&n ^IJ-'_eii_en#

Ein Vorteil der Erfidung besteht, wie schon erwähn·⁴;,darin, daß durch die Wahl einer bestimmten Spaltgeometrie nahezu jede gewünschte Kennlinie erzeugt werden kann, auch eine solche, die auf die herkömmliche Weise überhaupt nicht möglich ist.Abb.3 zeigt ein Bauelement mit zylindrischer Spaltform.Die Spaltweite (s) ist unabhängig von der Zusamraenörückung.Die gemeinsame Länge des Drosselspalts wird in Abb.3b und 3c durch Stufen (11) auf dem inneren und äußeren Teil begrenzt.Dadurch verändert sich die Spaltlänge (1), bei der die enge Spaltweite (s) vorhanden ist in Abhängigkeit von der Zusammendrückung.Abb.3a zeigt eine Vorrichtung mit linearem positivem Druck-Weg-Zusammenhang; Abb.3b zwei Bauelemente mit konstantem Druck-Weg-Zusammenhang; Abb.3c mit linearem negativem Druck-Weg-Zusammenhang.

In Abb.4 sind Variationsmöglichkeiten für das innere und äußere Teil mit verschiedenen Kegelwinkeln dargestellt. Dabei wurde für

" O ~ it·

die Beschreibung eine konstante Spaltlarige 0-)" vorausgesetzt, bei der die enge Spaltweite (s) vorherrscht.

Position (24) zeigt eine Vorrichtung mit konstantem Druck-Weg-Zusammenhang; Position (26) mit positivem und progressivem Druck-Weg-Zusammenhang; Position (28) mit progressivem und negativem Druck-Weg-Zusammenhang.Bei den Vorrichtungen nach den Positionen (25), (27), (29) und (30), (31) sowie (32) sind je nach Anordnung der Stufen zwei unterschiedliche Druck-Weg-Zusammenhänge möglich.

Bei der Anordnung der Stufe auf dem kegeligen äußeren und inneren Teil und bei zylindrischem Gegenstück (Position 25b, 29a, 31b, 32a) ist der Druck-Weg-Zusammenhang wie bei Position (24) konstant·

Bei der Stufenanordnung auf dem zylindrischen äußeren Teil ist bei innerem Teil mit positivem ^egelwinkel (Position 25) der Druck-Weg-Zusammenhang progressiv und positiv.Derselbe Druck-Weg-Charakxer stellt.sich ein, wenn auf dem inneren Teil mit negativem Kegelwinkel die Stufe angebracht ist und das äußere Teil einen positiven Kegelwinkel hat (Position 27b).Dies gilt auch, wenn die Stufe auf dem äußeren Teil mit negativem Kegelwinkel ist,und das innere Teil einen positiven Kegelwinkel hat (Abb.30a) sowie, wenn sich die Stufe auf dem zylindrischen inneren Teil befindet und das äußere leil einen positiven Kegelwinkel ha^J (Abb.32a).Ein progressiver negativer Druck-Weg-Zusammenhang ergibt sich bei der Anordnung inneres Teil mit negativem Kegelwinkel und äußeres Teil mit positivem Kegelwinkel und Stufe (position 27a), bei zylindrischem inneren Teil mit Stufe und äußerem Teil mit negativem Kegelwinkel (Position 29b) und bei innerem Teil mit negativem Kegelwinkel und zylindrischem äußeren Teil mit Stufe (Position 31a) bzw. bei äußerem Teil mit negativem is.egelwinkel und innerem Teil mit positivem Kegelwinkel und Stufe (Abb.30a).

Durch unterschiedliche Spaltlängen bei konstanten Kegelwinkeln kann man die Druck-Weg-Zusammenhänge weiter beeinflussen.Die Überlagerung von linearen positiven mit negativ progressiven Eigenschaften ergibt degressive positive Kennlinien. Dab ei muß jedoch der Linearanteil überwiegen: Position (28) in Abb.4 ohne Stufe nach Abb. 3a, kleiner Kegelwinkel (kleiner nichtlinearer Anteil).Die Ausführung nach Position (26) in Abb.4 mit Stufen nach Abb.3c ermöglicht bei kleinem Kegelwinkel (kleiner nichtlinearer Anteil) einen degressiven negativen Druck-Weg-Zusammenhang.

Andererseits ist durch Überlagerung auch eine Minderung der Progression oder Degression möglich: Überwiegen des nichtlinearen Zusammenhangs in den beiden letzt genannten Beispielen.'Position (28) in Abb.4, jedoch ohne Stufen nach Abb.3a ergibt eine abgeschwächte Progression mit negativem Druck-Weg-Zusammenhang; Position (26) in Abb.4 ebenfalls ohne Stufen eine angeschwächte Progression mit positivem Druck-Weg-Zusammenhang.

Weiter sind Kombinationen der beiden Teile möglich, bei denen der Kegelwinkel nicht konstant ist und sich stetig oder nichtstetig ändert (Abb.5) ,.Eine weitere Beeinflussung der Kennlinien der Vorrichtung kann durch die Kennlinie des Mediumstroms sowie durch Regelventile und Druckspeicher erfolgen.Ferner ist die Kombination von Flüssigkeiten und Gasen möglich, ähnlich der sogenannten Speicherfederung.Mit Regel- und Steuerventilen kann auch eine Niveauregulierung durchgeführt werden.

Aus den vorangegangenen Ausführungen ist ersichtlich, daß die Beeinflussung der Kennlinie der Vorrichtung in erster Linie durch die Formgebung der Spaltflächen erfolgen kann, in zweiter Linie durch externe Organe.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Federung, Schwingungs- und Stoßdämpfung, gekennzeichnet dadurch, daß

P" zwei Teile so gestaltet sind, daß die gegenüberliegenden Flächen der Teile, die zunächst beliebige Form haben können, einen relativ engen Spalt bilden (Drosselspalt),

^ die Teile eine Innenkammer bilden, ^ die Gleitflächen Ebenen darstellen,

^ die Teile auf den Gleitflächen um einen, bestimmten Betrag verschiebbar sind, ohne daß sich die den engen Spalt bildenden Flächen berühren,

► die Teile sich so an den Gleitflächen berühren, daß sie einen Spalt bilden, der zur Innenkammer am einen Ende des Spalts und zum Außenraum am anderen Ende des Spalts Verbindung hat und insbesondere seitlich durch Berühren der Gleitxlächen abgeachlossen.; ist,

PATENTANSPRÜCHE

1,-Vorrichtung zur Federung, Schwingungs- und Stoßdämpfung, gekennzeichnet dadurch, daß

► zwei Teile so gestaltet sind, daß die gegenüberliegenden Flächen der Teile, die zunächst beliebige Form haben können, einen relativ engen Spalt bilden (Drosselspalt),

ψ¹ die Teile eine Innenkammer bilden,

► die Gleitflächen Ebenen darstellen,

► die Teile auf den Gleitflächen um einen bestimmten Betrag verschiebbar sind, ohne daß sich die den engen Spalt bildenden Flächen berühren,

► die Teile eich so an den Gleitflächen berühren, daß sie einen Spalt bilden, der zur Innenkammer am einen Ende des Spalts und zum Außenraum am anderen Ende des Spalts Verbindung hat und insbesondere seitlich durch Berühren der Gleitflächen abgeschlossen.ist,

der zur Gleitebene senkrecht gemessene Abstand des Spaltquerschnitts bei der Innenkammer etwas kleiner ist als der Abstand des Austrittsquerschnitts zum Außenraum, der Spalt überwiegend zur Richtung der Gleitebene verläuft, also mit dieser einen spitzen (positiven, negativen) Winkel einschließt oder den Winkel Null aufweist, die beiden Teile an den Berührflächen gegenseitig gegen den Druck des Mediums abgedichtet sind,

unter Druck Medium ständig der Innenkammer zugeführt wird und dadurch Druckkräfte auf die Flächen der beiden Teile ausgeübt werden_ydie den äußeren Kräften das Gleichgewicht halten (s. Abb.1).

Vorrichtung zur Federung, Schwingungs- und Stoßdämpfung, _% , nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die den Spalt bildenden Flächen Ebenen sind, der Winkel t Spaltfläche-Innenkammer-Gleitfläche Null, positiv oder nega-

\ tiv ist oder

die Spaltflächen kontinuierlich oder diskontinuierlich ihren Winkel zur Gleitfläche ändern (z.B. Abb.5).

Vorrichtung zur Federung, Schwingungs- und Stoßdämpfung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Spalt bildenden Flächen der Teile eine oder mehrere stufenförmige Erweiterungen (Absätze) aufweisen (ζ,-,Β. Abb.3).

Vorrichtung zur Federung, Schwingungs- und Stoßdämpfung, Axial- und Radialführung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Spalt bildenden Flächen aohssymmetrisch (rotationssymmetrisch) sind,

die Flächen zusammenfallende Achsen aufweisen, die Zusammendrückung der Vorrichtung in Achsrichtung erfolgt, die Vorrichtung (also nicht nur die Flächen), im wesentlichen bestehend aus den beiden Teilen, die die Flächen bilden, ebenfalls achssymmetrisch ist

und die Tangenten der Spaltflächen sich mit der Achse unter positiven oder negativen Winkeln schneiden oder mit der Achse parallel verlaufen (analog zu Anspruch 2), und insbesondere die Spaltflächen kegelige und zylindrische Form aufweisen oder (und) die Winkel sich kontinuierlich oder (und) diskontinuierlich verändern.

5. Vorrichtung zur Federung, Schwingungs- und Stoßdämpfung, Axial- und Hadiallagerung sowie zur Drehlagerung, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

O am umiang in radialer Richtung mehrere gleiche Drosseln (16) in der Zuführleitung des Mediums direkt am Spalt angeordnet sind (Abb.2 , 6).

6. Vorrichtung zur Federung, üchwingungs- und Stoßdämpfung, Axial- und Radialführung sowie zur Drehlagerung, nach Anspruch 4 und 5, sowie in vereinfachter Form mit weniger Funktionen nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß

p*das Spaltende in eine Kammer (12) mündet, aus der das Medium über Drosseln oder einen Drosselspalt (13) nach außen strömt (Abb.2. 5).

7. Vorrichtung zur Federung, Schwingungs- und Stoßdämpfung, Axial- und Radialführung, nach den Ansprüchen 4- sowie in vereinfachter Form mit weniger Funktionen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

ρ- die Mediumzufuhr in die Innenkammer über eine Drossel erfolgt,