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Die
Erfindung betrifft eine Zylinder-Kolben-Anordnung auf Basis elektrorheologischer/magnetorheologischer
Flüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Zylinder-Kolben-Anordnungen
können zur Aufnahme von Lasten, zur Speicherung und Dämpfung
von Schwingungsenergie, zur Kompensation von Massenstößen,
sowie zur aktiven Schwingungskompensation bei Fahrzeugen und Maschinen
allgemein eingesetzt werden. Zylinder-Kolben-Anordnungen können
beispielsweise als Linearzylinder ausgebildet sein, wobei es Gleichlaufzylinder-
und Differentialzylinder-Anordnungen gibt. Dabei können
Kräfte und Geschwindigkeiten über den gesamten
Hub konstant gehalten oder beliebig variiert werden.
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Der
Einsatz von elektroviskosen Flüssigkeiten zur Steuerung
und Regelung ist aus der
DE-OS 36
09 861 prinzipiell bekannt. Elektrorheologische Flüssigkeiten
bzw. magnetorheologische Flüssigkeiten sind Flüssigkeiten,
bei denen die rheologischen Eigenschaften stufenlos über
das elektrische bzw. magnetische Feld steuerbar sind. In der Regel
handelt es sich bei diesen Flüssigkeiten um Suspensionen,
d. h. in einem Trägermedium suspendierte Festpartikel,
die über das elektrische bzw. magnetische Feld polarisierbar
sind. Durch die Verwendung elektrorheologischer Flüssigkeiten
bzw. magnetorheologischer Flüssigkeiten ist es möglich
geworden, hydraulische Systeme ohne bewegte Teile auszuführen bzw.
die Anzahl der bewegten Teile erheblich zu verringern.
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Aus
der
DE 10 2004
043 281 A1 ist eine Kolben-Zylinder-Anordnung bekannt,
die als Differentialzylindereinheit ausgebildet ist. Diese Kolben-Zylinder-Einheit
enthält ein Zylindergehäuse, in dem als Arbeitskolben
ein erster Kolben angeordnet ist, der mit einer nach außen
geführten Kolbenstange verbunden ist. Durch den Arbeitskolben
wird das Zylindergehäuse in zwei volumenveränderliche
Arbeitskammern unterteilt, die beide mit einer elektrorheologischen
Flüssigkeit gefüllt sind. Beide Arbeitskammern
sind durch einen ringförmigen Ventilkanal zwischen dem
Zylindergehäuse und dem Arbeitskolben miteinander verbunden,
deren Durchfluss durch eine ringförmige Elektrode steuerbar
ist. Des weiteren ist in dem Zylindergehäuse noch eine
Gasdruckkammer vorgesehen, die zum Ausgleich des Kolbenstangenvolumens
und thermischer Volumenschwankungen dient. Diese Gasdruckkammer
ist durch einen zweiten Kolben von der der Kolbenstange abgewandten Arbeitskammer
getrennt. Diese Zylinder-Kolben-Einheit dient zum Fixieren von beweglich
gelagerten Teilen in dem durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden
der Durchfluss zwischen den beiden Arbeitskammern gesperrt wird.
Bei einem gesteuerten Durchfluss der elektrorheologischen Flüssigkeit durch
den ringförmigen Ventilkanal kommt es bei hohen Kolbenbelastungen
teilweise zu einer Hohlraumbildung (Kavitation), die im Ventilbereich
zu Spannungsüberschlägen führt. Dies
kann zwar durch einen hohen Innendruck von über sechs bar
ausgeglichen werden, die aber bei einer Differential-Zylinder-Kolben-Anordnung
wegen des unterschiedlichen Kolbenstangenvolumens einen weitaus
höheren Vordruck oder eine sehr große Gasdruckkammer
erfordert. Es sind zwar auch Gleichlauf-Zylinder-Kolben-Anordnungen
bekannt, bei der der Kolben mit zwei gleichgroßen nach
außen abgedichtet geführten Kolbenstangen verbunden
ist, die zur Verhinderung der Kavitation bzw. der Spannungsüberschläge
einen verringerten Innendruck von ca. sechs bar benötigen.
Dazu müssten dann aber externe Druckspeicher außerhalb
des Zylindergehäuses vorgesehen werden, die zusätzlichen
Einbauraum erfordern.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine elektrorheologische
Kolben-Zylinder-Anordnung so zu verbessern, dass Kavitation bzw.
Spannungsüberschläge weitgehend vermieden werden,
ohne dass dazu ein zusätzlicher Einbauraum erforderlich
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst. Weiterbildung und vorteilhafte Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass durch die zweite im Arbeitskolben
geführte Kolbenstange nur eine verhältnismäßig
kleine Gasdruckkammer mit einem verhältnismäßig
geringen Vordruck notwendig ist, die eine Kavitation bei jeder Stellung
des Arbeitskolbens und damit ein Spannungsüberschlag sicher verhindert.
Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, dass durch die in dem Arbeitskolben
geführte zweite Kolbenstange eine Gleichlaufeigenschaft
erzielt wird, ohne dass dafür eine weitere nach Außen
geführte Kolbenstange notwendig wäre. Dies hat
gleichzeitig den Vorteil, dass auch bei einer derartigen Gleichlauf-Zylinder-Kolben-Einheit
kein externer Druckspeicher zur Erzeugung eines Vordrucks in den
Arbeitskammern zur Vermeidung der Kavitation notwendig ist. Durch
die im Arbeitskolben geführte zweite Kolbenstange wird
vorteilhaft erreicht, dass sich der Gaskolben trotz Gleichlaufdämpferfunktion
nicht bewegt, so dass die erfindungsgemäße Zylinder-Kolben-Anordnung
vorteilhafterweise nur wenig Reibung verursacht. Gleichzeitig wird
vorteilhafterweise eine Gleichlauf-Zylinder-Kolben-Anordnung erreicht, die
kleine Leckverluste und temperaturbedingte Volumenänderungen
ohne externen Vordruckbehälter ausgleichen kann.
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Bei
einer besonderen Ausführung der Erfindung mit einem Ventilspalt
auf der äußeren Mantelfläche des Arbeitskolbens
ist ein vielfach längerer Arbeitskolben ausführbar,
als bei herkömmlichen Dämpfern, da der Arbeitskolben
zugleich das elektrorheologische Ventil darstellt und die Kolbenlänge widerstandsproportional
ist. Dabei ermöglicht dieser vergleichsweise längere
Arbeitskolben anstelle der zusätzlichen zweiten, nach außen
geführten Ausgleichskolbenstange bei herkömmlichen
Gleichlaufdämpfern einen vollständigen Volumenausgleich, wodurch
ein echter Gleichlaufdämpfer realisierbar ist.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in
der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt eine Zylinder-Kolben-Anordnung als Längsschnitt.
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In
der Zeichnung ist eine Zylinder-Kolben-Anordnung als Dämpfer
dargestellt, bei dem in einem geschlossenen Zylindergehäuse 1 ein
längsverschieblicher Arbeitskolben 2 mit einer
abgedichtet nach außen geführten ersten Kolbenstange 3 angeordnet
ist, der das Zylindergehäuse 1 in zwei mit elektrorheologischer
Flüssigkeit gefüllte Arbeitskammern 4, 5 unterteilt,
wobei im Zylinderinnenraum 6 noch ein zweiter Kolben 7 als
Gaskolben vorgesehen ist, der die zweite Arbeitskammer 5 von
einer druckmittelbeaufschlagten Gaskammer 8 trennt und
der mit einer zweiten Kolbenstange 9 verbunden ist, die abgedichtet
im Arbeitskolben 2 geführt ist, wobei am Umfang
des Arbeitskolbens 2 ein ER-Ventil (elektrorheologisches
Ventil) 10 als Spalt zwischen den beiden Arbeitskammern 4, 5 angeordnet
ist, der mit einem variablen elektrischen Feld beaufschlagbar ist.
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Dabei
besteht die Zylinder-Kolben-Anordnung im wesentlichen aus einem
rohrförmigen Zylindergehäuse 1, das an
seinen Enden abgedichtet ist. Im Zylinderinnenraum 6 ist
der Arbeitskolben 2 längs verschiebbar angeordnet,
an die eine erste Kolbenstange 3 befestigt ist, die an
einer Seite abgedichtet aus dem Zylindergehäuse 1 herausragt.
Der Arbeitskolben 2 unterteilt den Zylinderinnenraum 6 in
zwei mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit gefüllten Arbeitskammern 4, 5 und
enthält auf seiner der ersten Kolbenstange 3 abgewandten
Seite eine zylinderförmige Bohrung 11. Auf der äußeren
Mantelfläche des Arbeitskolbens 2 ist vorzugsweise
ein Ringspalt 10 oder mehrere Längsspalte als
ERF-Ventil angeordnet, das die beiden Arbeitskammern 4, 5 miteinander
verbindet.
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Im
Zylinderinnenraum 6 ist als Abschluss der zweiten Arbeitskammer 5,
die an der der ersten Kolbenstange 3 abgewandten Seite
vorgesehen ist, ein zweiter längsverschieblicher Kolben 7 angeordnet, der
einen Gaskolben darstellt. Dieser zweite Kolben 7 dichtet
die zweite Arbeitskammer 5 von einer druckmittelbefüllten
Gasdruckkammer 8 ab. An diesem Gaskolben 7 ist
eine zweite Kolbenstange 9 angeordnet, die abgedichtet
in der Bohrung des Arbeitskolbens geführt ist. Die Länge
dieser Kolbenstange ist so bemessen, dass sie den gesamten Bewegungshub
des Arbeitskolben 2 nicht einschränkt aber stets im
Arbeitskolben 2 verbleibt.
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Zur
Sicherstellung der Gleichlauffunktion des Arbeitskolbens 2 ist
der Querschnitt der ersten Kolbenstange 3 gleich dem Querschnitt
der zweiten Kolbenstange 9. Der Inhalt der Gasdruckkammer 8 beträgt
vorzugsweise nur ein Drittel des Volumens der Arbeitskammern 4, 5.
Dabei ist die Gasdruckkammer 8 vorzugsweise mit Druckluft
von vorzugsweise ca. sechs bar befällt, die einen Vordruck
auf die Arbeitskammern 4, 5 liefert. Der Gasdruckkolben 7 bewegt sich
auch bei einer Belastung des Arbeitskolbens 2 in der Regel
nicht, sondern liefert lediglich einen statischen Vordruck von mindestens
fünf bis höchstens neun bar und dient gleichzeitig
zum Ausgleich von Leckverlusten oder thermischen Ausdehnungen. Die gleichen
Querschnitte der beiden Kolbenstangen 3, 9 bewirken
längs des Kolbenweges eine Gleichlauffunktion, wobei die
zweite Kolbenstange 9 die Volumenänderung der
ersten Kolbenstange 3 in der ersten Arbeitskammer 4 ausgleicht.
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Das
Zylindergehäuse 1 enthält ein zylindrisches
Innenrohr 12, um das ein Isoliermantel 13 und ein
Außenrohr 14 angeordnet. Das Außenrohr 14 trägt
dabei die Spannungszuführung 15, die isoliert an
den Innenzylinder 12 herangeführt ist. Zwischen den
Arbeitskolben 2 und dem Innenzylinder 12 sind formschlüssig
die Ventilspalte 10 angeordnet, die durch das Innenrohr 12 als
Elektrode mit einem variablen elektrischen Feld beaufschlagt werden.
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Bewegt
sich der Arbeitskolben 2 aufgrund äußerer
Kräfte, die über die erste Kolbenstange 3 eingeleitet
werden, längs des Zylindergehäuses 1,
so fließt die elektrorheologische Flüssigkeit
durch den Ringspalt 10 von der ersten Arbeitskammer 4, 5 in
die gegenüberliegende, ebenfalls mit dem Fluid gefüllten anderen
Arbeitskammer 4, 5. Dabei kann durch Variation
des elektrischen Feldes im Spalt 10 der Strömungswiderstand
des elektrorheologischen Fluids verändert und damit die
Dämpferkräfte geregelt werden. Während
der Bewegung des Arbeitskolbens 2 bleibt der Gasdruckkolben 7 und
die zweite Kolbenstange 9 relativ zum Innenzylinderrohr 12 am
gleichen Ort stehen. Der Gasdruckkolben 7 übt
aufgrund des Vordrucks von ca. sechs bar im Gasdruckraum 8 eine
gleichgroße Kraft auf das elektrorheologische Fluid im
Fluidraum der Arbeitskammern 5, 6 und im Ringspalt 10 aus
und setzt das Fluid unter hydraulischen Druck.
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Durch
die Funktion der zweiten Kolbenstange 9 wird somit ein
Gleichlaufdämpfer und durch die Funktion des Gasdruckkolbens 7 zugleich
ein Gaskolbendämpfer ähnlich einem Differentialdämpfer realisiert.
Dabei wird durch den gleichbleibenden Vordruck in der Gasdruckkammer 8 auch
bei schnellen Arbeitskolbenbewegungen eine Hohlraumbildung (Kavitation)
in den Ventilspalten 10 verhindert, wodurch sicher Spannungsüberschläge
im Spaltraum vermieden werden. Eine derartige als Gleichlaufzylinder
arbeitende Zylinder-Kolben-Anordnung kann aber auch mit einer magnetorheologischen
Flüssigkeit betrieben werden, die durch Erzeugung eines Magnetfeldes
im Ringspalt steuerbar ist. Bei einer alternativen Ausführung
könnte der Ventilspalt auch an der inneren Mantelfläche
des Zylindersinnenrohr 12 als auch im Zylindergehäuse 1 zwischen
dem Innen- 12 und Außenrohr 14 geführt
sein.
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Die
Druckdifferenz zwischen den Kammern 4 und 5 kann
erfindungsgemäß auch mit Drosselventilen und/oder
Drosselrückschlagventilen realisiert werden, wie in der
konventionellen Hydraulik gebräuchlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3609861
A [0003]
- - DE 102004043281 A1 [0004]