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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine hydropneumatische Gasfeder mit
einem Zylinderraum und zwei jeweils eine Gaskammer umfassenden Federeinheiten.
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Hydropneumatische
Gasfedern sind in diversen verschiedenen Ausführungen bekannt. Von reinen
Gasfedern, wie sie beispielsweise aus der
DE 195 12 486 A1 und der
DE 31 33 839 C2 bekannt sind,
unterscheiden sich hydropneumatische Gasfedern durch ein flüssiges Arbeitsmittel,
das im allgemeinen mittels eines Kolbens aus dem einen Arbeitsraum
bildenden Zylinderraum verdrängt
und einer gesonderten Federeinheit zugeführt wird, welche im allgemeinen
eine zylindrische Gaskammer umfaßt, in der ein von dem verdrängten flüssigen Arbeitsmittel beaufschlagter
Trennkolben verschiebbar geführt
ist. Hydropneumatische Gasfedern zeichnen sich insbesondere durch
die Möglichkeit
der Dämpfung
der Einfeder- und/oder Ausfederbewegung aus.
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Bei
hydropneumatischen Gasfedern sind allerlei für die jeweilige spezifische
Anwendung interessante Variationen möglich. So beschreibt beispielsweise
die
DE 198 18 116
C1 ein selbstpumpendes hydropneumatisches Federbein mit
innerer Niveauregelung. Das Federbein umfaßt einen ölgefüllten, unter dem Druck mindestens
eines in einer Hochdruckkammer angeordneten und als Feder wirkenden
Gaspolsters stehenden Arbeitszylinder, der durch einen von einer
hohlen Kolbenstange getragenen Arbeitskolben in zwei Arbeitsräume unterteilt wird.
Dabei wird Öl
durch die Federbewegungen aus einer Niederdruckkammer in den mit
der Hochdruckkammer verbundenen Arbeitsraum gefördert, und zwar mittels einer
Kolbenpumpe, deren Pumpenzylinder durch die hohle Kolbenstange gebildet
ist.
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Die
DE 25 11 289 A1 offenbart
eine hydropneumatische Gasfeder, welche eine Kompensationseinrichtung
umfaßt,
die einer Längenänderung der
Federeinrichtung durch sich temperaturbedingt ausdehnendes flüssiges Arbeitsmittel
entgegenwirkt. Auf diese Weise soll eine Lageveränderung des mit einem solchen
Federungselement ausgerüsteten Kraftfahrzeugs
bei sich verändernden
Temperaturen des Federungselements verhindert werden.
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Aus
der
DE 21 50 406 A ist
eine hydropneumatische Federungseinrichtung, insbesondere für Flugzeuge,
bekannt. Dabei bilden zwei teleskopartig ineinander geschobene Gehäuse ein
Paar Kammern, von denen die eine mit Flüssigkeit und die andere mit
Gas gefüllt
ist, wobei das gesamte Volumen der Kammern vermindert wird, wenn
die Gehäuse
ineinander geschoben werden, und die Verminderung des gesamten Volumens
unter Kompression der flüssigen
und gasförmigen
Medien erreicht wird. Dabei ist eine Ventileinrichtung betätigbar,
wenn das Ineinanderschieben der Gehäuse einen ersten vorbestimmten
Wert übersteigt,
um den Widerstand gegen die Ineinanderschiebebewegung der Gehäuse zu erhöhen.
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Aus
der
DE 39 35 107 A1 ist
eine hydropneumatische Kolbenzylinderanordnung mit doppelter Gasfeder
bekannt. Diese Kolbenzylinderanordnung umfaßt einen Zylinder, ein innerhalb
des Zylinders koaxial angeordnetes, einendig an einem Zylinderkopf
befestigtes Innenrohr und einen im Ringraum zwischen dem Zylinder
und dem Innenrohr axial beweglich geführten, zwei mit einem hydraulischen
Medium gefüllte
Ringkammern abteilenden und mit einer hohlen zylindrischen, abgedichtet
aus dem Zylinder nach außen
geführten
Kolbenstange verbundenen Ringkolben. Innerhalb des Innenrohrs ist
ein Trennkolben geführt,
der einen mit mindestens einer der Ringkammern hydraulisch verbundenen,
mit dem hydraulischen Medium gefüllten
Ausgleichsraum von einer mit einem kompressiblen Medium gefüllten Federkammer
trennt, die auf der dem Zylinderkopf zugekehrten Seite des Trennkolbens
angeordnet ist. Um die Federcharakteristik und den Federungsbereich
zu erweitern und insgesamt variabler auszuführen, verläuft innerhalb des Innenrohrs
koaxial zu diesem durch den Trennkolben hindurch ein Kammerrohr,
das im Zylinderkopf befestigt ist und über einen Steueranschluß mit dem
kompressiblen Medium verbindbar ist; ferner ist innerhalb des Kammerrohrs
ein zweiter Trennkolben umfangsgemäß abgedichtet geführt, so
daß zwischen
dem zweiten Trennkolben und dem Zylinderkopf innerhalb des Kammerrohrs
eine zweite, mit dem kompressiblen Medium gefüllten Federkammer entsteht.
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Der
gemeinsamen Nachteil bekannter Ausführungen ist der Kraftanstieg über dem
Weg in meist exponentieller Form, gemäß dem Druckverhalten komprimierter
Gase. An einen quasi-linearen Kraftanstieg kann man sich nur, allerdings
um den Preis eines hohen baulichen Aufwands, durch Hintereinanderschaltung
mehrerer Federelemente annähern.
Ist ein flacher Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie erwünscht, so
läßt sich
dies nur über
einen entsprechend großvolumigen
Gasraum erreichen. Hydropneumatische Gasfedern mit einer flachen Kraft-Weg-Kennlinie
müssen
somit nach dem Stand der Technik ein erhebliches Bauvolumen einnehmen. Besonders
große
Baugrößen ergeben
sich dann, wenn als Anforderungen eine hohe Vorspann kraft, ein relativ
großer
Einfederungsweg und eine flache Kraft-Weg-Kennlinie zusammenkommen.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabenstellung
zugrunde, eine hydropneumatische Gasfeder der eingangs angegebenen
Art zu schaffen, die bei einer kleinen Baugröße eine vergleichsweise hohe
Vorspannkraft bereitstellen kann und sich zudem durch eine Kraft-Weg-Kennlinie
auszeichnet, die charakterisiert ist durch einen ersten Einfederungsbereich
mit bis zu einem Schwellenwert vergleichsweise stark zunehmender
Kraft und einen sich hieran anschließenden zweiten Einfederungsbereich
mit nur vergleichsweise geringfügig
ansteigender Kraft. Es soll sich, mit anderen Worten, die von der
erfindungsgemäßen hydropneumatischen
Gasfeder bereitgestellte Kraft größenordnungsmäßig etwa
auf den genannten Schwellenwert begrenzen lassen, selbst wenn die
Einfederung erheblich über
das dem Schwellenwert zugeordnete Maß hinausgeht.
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Gelöst wird
diese Aufgabenstellung gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch, daß eine
der beiden Federeinheiten über
ein Druckventil an den Zylinderraum angeschlossen ist. Die Gasvorspannung
dieser über
das Druckventil an den Zylinderraum angeschlossenen Federeinheit
ist dabei geringer als die Gasvorspannung der direkt, ohne Druckventil
an den Zylinderraum angeschlossenen Federeinheit. Zu Beginn der
Einfederung der erfindungsgemäßen hydropneumatischen
Gasfeder wird das flüssige
Arbeitsmittel aus dem Zylinderraum in jene Federeinheit verdrängt, die
mit dem Zylinderraum direkt, nicht über ein Druckventil in Verbindung
steht. Das Druckventil ist in diesem ersten Einfederungsbereich
geschlossen; jene Federeinheit, die über das Druckven til an den
Zylinderraum angeschlossen ist, wird in dem ersten Einfederungsbereich
nicht beaufschlagt. Das Druckventil ist auf einen solchen Differenzdruck
zwischen dem Zylinderraum einerseits und dem hydraulischen Arbeitsraum
der zugeordneten zweiten Federeinheit andererseits eingestellt, daß es bei
dem voreingestellten Schwellenwert öffnet. Bei fortgesetzter Einfederung
wird nun flüssiges Arbeitsmittel
aus dem Zylinderraum über
das geöffnete
Druckventil in den hydraulischen Arbeitsraum der zweiten Federeinheit
hinein verdrängt.
Der zweiten Federeinheit kommt dabei eine Hilfsfunktion zu; sie
stellt einen Ausgleichsraum für
das aus dem Zylinderraum verdrängte
flüssige
Arbeitsmittel zur Verfügung,
wobei das Druckventil aufgrund des voreingestellten Differenzdrucks
der Einfederung in dem zweiten Einfederungsbereich eine nahezu konstante, nur
geringfügig
zunehmende Kraft entgegensetzt. Die erfindungsgemäße hydropneumatische
Gasfeder zeichnet sich somit durch die weiter unten in größerem Detail
erläuterte
markante Kraft-Weg-Kennlinie aus, die durch einen vergleichsweise
starken Kraftanstieg im ersten Einfederungsbereich und einen vergleichsweise
geringen Kraftanstieg im zweiten Einfederungsbereich geprägt ist und
hierdurch eine wirksame Kraftbegrenzung ermöglicht.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann auch im zweiten Einfederungsbereich
die erste Federeinheit weiter zunehmend beaufschlagt werden. Zwingend
ist dies jedoch keinesfalls. Vielmehr ist ebenfalls möglich, daß bei dem
oben erwähnten Schwellenwert
das Federvermögen
der ersten Federeinheit erschöpft
ist, so daß im
zweiten Einfederungsbereich sämtliches
aus dem Zylinderraum verdrängte
flüssige
Arbeitsmittel nur der zweiten Federeinheit zugeführt wird.
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Bereits
an dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß sich die vorliegende Erfindung
in gleicher Weise zur Realisierung von Druckfedern wie auch von
Zugfedern eignet. Dies wird in größerem Detail weiter unten ausgeführt und
im Rahmen von bevorzugten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Im
folgenden wird der Begriff „Einfedern" bei Druckfedern im
Sinne einer Verkürzung
und bei Zugfedern im Sinne einer Verlängerung der hydropneumatischen
Gasfeder verstanden; und umgekehrt wird unter dem Begriff „Ausfedern" bei Druckfedern
eine Verlängerung und
bei Zugfedern eine Verkürzung
der hydropneumatischen Gasfeder bei nachlassenden äußeren Kräften verstanden.
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Eine
erste bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, daß eine
hohle Kolbenstange vorgesehen ist, die eine der beiden Federeinheiten
aufnimmt. Dabei kann sich insbesondere in der hohlen Kolbenstange
eine durch einen Trennkolben begrenzte Gaskammer befinden. Auf der
anderen Seite wird der Trennkolben von dem flüssigen Arbeitsmittel beaufschlagt,
das bei Einfederung aus dem Zylinderraum in den hydraulischen Arbeitsraum
der betreffenden, in der hohlen Kolbenstange angeordneten Federeinheit
hinein verdrängt wird.
Auf diese Weise ergibt sich eine besonders kompakte Ausführung der
erfindungsgemäßen hydropneumatischen
Gasfeder.
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Eine
andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, daß sich
im Zylinderraum ein Dämpfmedium
befindet und daß mindestens
eine der beiden Federeinheiten über
ein Drosselelement an den Zylinderraum angeschlossen ist. Dies ist
von besonderem Vorteil im Falle eines materialschonenden gedämpften Ausfederns.
Das mindestens eine Drosselelement kann dabei insbesondere Teil
eines Drosselrückschlagventils
sein. Das Drosselrückschlagventil
stellt dabei gemäß einer bevorzugten
Weiterbildung der Erfindung insbesondere einen gedrosselten Strömungsweg
für das
flüssige
Arbeitsmittel beim Ausfedern der erfindungsgemäßen hydropneumatischen Gasfeder
zur Verfügung,
während
das Einfedern ungedämpft,
bei Bedarf jedoch auch über
ein gesondertes Drosselelement mit anderer Dämpfungswirkung gedämpft erfolgen
kann.
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Gemäß einer
abermals anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die
beiden Federeinheiten jeweils einen zwischen Dämpfmedium einerseits und Gas
der Gaskammern der Federeinheiten andererseits angeordneten Trennkolben
umfassen. Die Trennkolben sind dabei insbesondere in zylindrischen
Gehäuseabschnitten verschiebbar.
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Ist
in dem weiter oben dargelegten Sinne die hydropneumatische Gasfeder
nach der vorliegenden Erfindung als Druckfeder ausgeführt, so
kann insbesondere der Zylinderraum über eine Strömungsbohrung
im Kolben mit dem zylindrischen Innenraum einer hohlen Kolbenstange
verbunden sein. In diesem Falle ist die erste, nicht über das
Druckventil an den Zylinderraum angeschlossene Federeinheit in der hohlen
Kolbenstange untergebracht. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise
der erfindungsgemäßen hydropneumatischen
Gasfeder.
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Ist
indessen die erfindungsgemäßen hydropneumatische
Gasfeder als Zugfeder ausgebildet, so ist gemäß einer wiederum anderen bevorzugten
Weiterbildung der Erfin dung der Zylinderraum ringförmig ausgeführt. Zweckmäßigerweise
ist dabei der den Zylinderraum bildende Ringraum über eine
Strömungsbohrung
im Kolben mit dem zylindrischen Innenraum der hohlen Kolbenstange
verbunden. Auch in diesem Falle ist wiederum die erste, nicht über das Druckventil
an den Zylinderraum angeschlossene Federeinheit in der hohlen Kolbenstange
untergebracht, was hinwiederum eine besonders kompakte Bauweise
der erfindungsgemäßen hydropneumatischen
Gasfeder ermöglicht.
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Unabhängig davon,
ob die erfindungsgemäße hydropneumatische
Gasfeder nun als Druckgasfeder oder aber als Zuggasfeder ausgeführt ist,
erweist es sich als vorteilhaft, wenn der von einem Zylinderrohr
begrenzte Zylinderraum über
ein Druckventil mit einem hydraulischen Arbeitsraum verbunden ist,
der durch das Zylinderrohr, eine Zwischenwand im Zylinderrohr und
einen Trennkolben begrenzt ist. Im Falle der Ausführungen
der erfindungsgemäßen hydropneumatischen
Gasfeder als Zuggasfeder ist dabei zweckmäßigerweise ein außerhalb des
Zylinderrohres angeordneter Strömungskanal vorgesehen, über welchen
der ringförmige
Zylinderraum unter Zwischenschaltung des Druckventils mit jenem
hydraulischen Arbeitsraum in Verbindung steht.
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Im
folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand zweier in der Zeichnung
veranschaulichter bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei
zeigt
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1 einen
Längsschnitt
durch eine als Druckgasfeder ausgeführte hydropneumatische Gasfeder
nach der vorliegenden Erfindung,
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2 einen
Längsschnitt
durch eine als Zuggasfeder ausgeführte hydropneumatische Gasfeder nach
der vorliegenden Erfindung und
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3 schematisch
die mit den beiden in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispielen
erzielbare Kraft-Weg-Kennlinie.
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Die
in 1 dargestellte hydropneumatische Gasfeder umfaßt ein Zylinderrohr 1 und
eine hohle Kolbenstange 2. Sowohl an dem Zylinderrohr 1 wie auch
an der hohlen Kolbenstange 2 ist jeweils eine Lasche 3 mit
einer Öse 4 angeordnet,
um die hydropneumatische Gasfeder an zwei angrenzenden Bauteilen
befestigen zu können.
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Die
hohle Kolbenstange 2 ist in dem Zylinderrohr 1 längs der
Achse 5 verschiebbar geführt. Der Kolbenboden 6 der
hohlen Kolbenstange 2 ist dabei gegenüber dem Zylinderrohr 1 mittels
der Dichtung 8 abgedichtet. Eine weitere Dichtung 9,
die endseitig an dem Zylinderrohr 1 angeordnet ist und
den zylindrischen Abschnitt der hohlen Kolbenstange 2 umgibt,
verhindert das Eindringen von Schmutz zwischen das Zylinderrohr 1 und
die hohle Kolbenstange 2.
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In
der hohlen Kolbenstange 2 ist eine erste Federeinheit untergebracht.
Diese umfaßt
eine Gaskammer 10, einen Trennkolben 11 und einen
hydraulischen Arbeitsraum 12. Der Trennkolben 11 ist
mittels der umlaufenden Dichtung 13 gegenüber der
zylindrischen Innenwand 14 der hohlen Kolbenstange 2 abgedichtet.
Der hydraulischen Arbeitsraum 12 ist über einen ersten Strömungskanal 15 an
den Zylinderraum 7 angeschlossen. In dem ersten Strömungskanal 15 ist
ein Drosselelement 16 in Form eines Drosselrückschlagventils
angeordnet, das beim Einfedern vollständig öffnet, beim Ausfedern jedoch
eine Drosselwirkung entfaltet.
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Eine
zweite Federeinheit ist innerhalb des Zylinderrohres 1 untergebracht.
Sie umfaßt
eine Gaskammer 17, einen Trennkolben 18 und einen
hydraulischen Arbeitsraum 19. Der Trennkolben 18 ist mittels
der umlaufenden Dichtung 20 gegenüber der zylindrischen Innenwand 21 des
Zylinderrohres 1 abgedichtet. Der hydraulischen Arbeitsraum 19 ist über einen
die Zwischenwand 29 durchsetzenden zweiten Strömungskanal 22 an
den Zylinderraum 7 angeschlossen. In dem zweiten Strömungskanal 22 ist
ein Drosselelement 23 in Form eines Drosselrückschlagventils
und ein Druckventil 24 angeordnet. Das Druckventil 24 öffnet bei
einem voreingestellten Differenzdruck zwischen dem Zylinderraum 7 und
dem hydraulischen Arbeitsraum 19 den zweiten Strömungskanal 22.
Steigt beim Einfedern der Kolbenstange 2 in das Zylinderrohr 1 die
Druckdifferenz zwischen dem Zylinderraum 7 und dem hydraulischen Arbeitsraum 19 über den
voreingestellten Differenzdruck des Druckventils 24, so öffnet dieses
und erlaubt ein (ungedämpftes) Überströmen von
hydraulischem Arbeitsmittel aus dem Zylinderraum 7 über das
geöffnete
Drosselrückschlagventil 23 in
den hydraulischen Arbeitsraum 19. Das Druckventil umfaßt ein integriertes
Rückschlagventil
für die
Rückströmung des
hydraulischen Arbeitsmittels aus dem hydraulischen Arbeitsraum 19 über das
bei dieser Strömungsrichtung
eine Drosselwirkung entfaltende Drosselrückschlagventil 23 in
den Zylinderraum 7, sobald infolge einer nachlassenden äußeren Kraft die
Druckdifferenz zwischen dem Zylinderraum 7 und dem hydraulischen
Arbeitsraum 19 unter den voreingestellten Differenzdruck
des Druckven tils 24 fällt. Hierdurch
ergibt sich ein gedrosseltes Ausfedern.
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Die
innerhalb des Zylinderrohres 1 angeordnete zweite Federeinheit
wirkt als Ausgleichselement zur Aufnahme jener Menge hydraulischen
Arbeitsmittels, welche aus dem Zylinderraum 7 innerhalb
des zweiten Einfederbereichs verdrängt wird. Innerhalb jenes zweiten
Einfederbereichs nimmt die dem weiteren Einfedern der Kolbenstange 2 entgegengesetzte Kraft
nur geringfügig
zu. Diese Kraft ist maßgeblich geprägt durch
den voreingestellten Differenzdruck des Druckventils 24.
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Das
Ausschieben der Kolbenstange 2 beim Ausfedern bei nachlassender
Kraft erfolgt durch das Rückströmen des
zugleich als Dämpfungsmedium wirkenden
flüssigen
Arbeitsmittels in den Zylinderraum 7 infolge der Expansion
des Gases in den beiden Gaskammern 10 und 17.
Ein schlagartige oder zu schnelle Rücklaufgeschwindigkeit der Kolbenstange 2 wird,
wie dargelegt, durch die in den Strömungskanälen 15 und 22 angeordneten
Drosseln verhindert.
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Hinsichtlich
ihrer Funktion entspricht die in 2 veranschaulichte
Zuggasfeder im wesentlichen in derjenigen der Druckgasfeder gemäß 1 mit
der Maßgabe,
daß hier
beim „Einfedern" die Kolbenstange 2 aus
dem Zylinderrohr 1 herausgezogen wird und beim „Ausfedern" wieder in dieses
hineingleitet. Als maßgebliche
Unterschiede verglichen mit der Druckgasfeder gemäß 1 stellen
sich die Ausführung
des Zylinderraums 7 als Ringraum einerseits und die Ausführung des
zweiten Strömungskanals 22' als ein externes
Strömungsrohr 25 umfassend dar.
Die Dichtung 9' dient
hier, anders als im Falle der Gasfeder nach 1, der hermetischen
Abdichtung des Zylinderraumes 7'. Im übrigen erschließt sich
der Aufbau und die Funktion der hydropneumatischen Gasfeder nach 2 unmittelbar
aus der vorstehenden Erläuterung
der 1. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf
die vorstehenden Ausführungen
Bezug genommen.
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Die
der 3 entnehmbare Kraft-Weg-Kennlinie mit einem ersten
Einfederungsbereich 27 mit starkem Kraftanstieg von einer
Vorspannkraft F0 auf einen Schwellenwert F1 und einem zweiten Einfederungsbereich 28 mit
einem geringen Kraftanstieg von jenem Schwellenwert F1 auf die Endkraft
F2 ergibt sich z.B. bei der in 2 veranschaulichten
hydropneumatischen Gasfeder bei den nachstehend wiedergegebenen
Druckverhältnissen:
Der
Vorspanndruck innerhalb der Gaskammer 10 beträgt ca. 230
bar, was infolge der spezifischen Dimensionierungen einer Vorspannkraft
F0 von 40 kN entspricht. Der Vorspanndruck der Gaskammer 17 beträgt hingegen
lediglich ca. 45 bar. Der voreingestellter Differenzdruck des Druckventils 24 beträgt ca. 310
bar. Wird nun die Gasfeder nach 1 auf Druck belastet,
so federt, sobald die Kraft die Vorspannkraft F0 von 40 kN übersteigt,
die Kolbenstange 2 in das Zylinderrohr 1 ein.
Etwa nach 25% des maximalen Einfederungsweges beträgt der Druck
innerhalb des Zylinderraums 7 ca. 355 bar; der Schwellenwert
F1 der Kraft beträgt
hier 68 kN. Da hier die Druckdifferenz zwischen dem Zylinderraum 7 und
dem hydraulischen Arbeitsraum 19 den voreingestellten Differenzdruck
des Druckventils 24 von 310 bar erreicht, öffnet bei
dieser Stellung der Kolbenstange 2 das Druckventil 24 und
hält bei
fortgesetztem Einfedern der Kolbenstange 2 eine Druckdifferenz
von 310 bar zwischen dem Zylinderraum 7 und dem hydraulischen
Arbeitsraum 19 aufrecht. Aufgrund des geringen Vorspanndruckes
innerhalb der Gaskammer 17 steigt während der verbleibenden 75%
des Einfederungsweges die Kraft nur noch vergleichsweise geringfügig an,
nämlich
vom Schwellenwert in Höhe
von 68 kN auf die Endkraft in Höhe
von 85 kN bei maximaler Einfederung.