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Hydropneumatische Druckfeder Die ERfindung betrifft eine hydropneumatische
Druckfeder, bei der zur Erzeugung der Federkraft eine Gasblase hydraulisch zusammengepreßt
wird.
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Derartige "Gasfedern" sind in den verschiedensten Ausführungen bekannt.
In der einfachsten Form wird ein durch eine Membrane abgesperrter Gasraum in einem
Hydraulikzylinder angeordnet6, Die auf den Kolben des Hydraulikzylinders einwirkende
Kraft preßt das im Gas raum komprimierte Gas zusammen, wodurch die Rückstellkraft
entsteht. Auch sind im Prinzip gleiche Ausführungen bekannt, bei denen ein Freikolben
den Gastaum vom Ölraum tronnt. Allen bekannten Ausführungen ist jedoch gemeinsam,
daß sie einen verhältnismäßig großen konstruktiven und apparativen Aufwand erfordern
und daß eine Voränderung der Gasfeder-Kennlinie nicht oder nur unter Schwierigkeiten
möglich ist.
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Der konstruktive Aufwand rührt insbesondere daher, daß die beiden
Räume gegeneinander und nach außen vollkommen abgedichtet sein müssen und daß ferner
das mechanische auf den die ölsäure belastenden Kolben einwirkende Gestänge in der
Gasfeder geführt werden muß. Der apparative Aufwand ergibt sich aus der Konstruktion,
die kaum Toleranzen zuläßt sowie der Schwierigkeit beim Füllen derartiger Gasfedern.
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Durch den hohen Aufwand und die bei der Herstellung auftretenden Schwierigkeiten
werden derartige Gasfedern verhältnismäßig teuer bzw. bei einer Verminderung des
apparativen Aufwandes sehr störanfällig.
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Die Gasfeder ist mit Vorteil dort einzusetzen, wo eine mit dem Weg
steigende Rückstellkomponente erwünscht ist.
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Die Charakteristik der Rückstellkomponente kann durch die Wahl des
Gasvolumens beeinflußt werden; die Anfangs-und Endkraft jedoch hängt ab von der
Anfangs- bzw. Endkompression der Gasblase. Gelingt es also die Kompression der Gasblase
zu beeinflussen, so kann die Anfangs bzw.
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Endkraft einer derartigen Feder auf einer Kennlinie vorgewählt werden,
die ohne Schwierigkeiten durch Wahl des Gasvolumens auszusuchen ist.
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Ausgehend von einer hydropneumatischen Feder, bei der zur Erzeugung
der Federkraft eine Gasblase hydraulisch zusammengepreßt wird, werden die den bekannten
Konstruktionen anhaftenden Nachteile dadurch vermieden und die einstellbare Anfangs-
bzw. Endkraft dieser Feder dadurch erreicht, daß folgende Ausführungsmerkmale kombiniert
sind:
a) zwei ineinander verschiebbare stirnseitig verschlossene
Rohrstücke bilden einen Arbeitszylinder; b) Anordnung eines mit komprimiertem Gas
gefüllten, durch einen Freikolben abgeschlossenen Gasraumes an der äußeren Stirnseite
eines Rohrstückes; c) Abschluß dieses Rohrstückes an der inneren Stirnseite durch
eine mit Durchflußbohrungen und Rückschlagventilen ausgestatteten Ventilplatte;
d) Verschluß des jenseitigen Rohrstückes durch einen von außen verschiebbaren Kolben.
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Der konstruktive Aufwand bei einer derartigen Gasfeder ist insbesondere
dadurch ganz wesentlich herabgesetzt, daß sich die kritischen Teile im druckgleichen
oder nahezu druckgleichen Raum befinden, daß also Dichtungsschwierigkeiten nicht
zu befürchten sind. Die einzige im Betrieb beanspruchte Dichtung ist die auf der
Außenseite des inneren Rohres anliegende Dichtung, die ohne Schwierigkeiten und
auch mit verhältnismäßig großen Toleranzen so ausgeführt werden kann, daß ein Durchtritt
von Öl nicht zu befürchten ist. Eine Dichtung am "Kolben" der Gasfeder wird nicht
benötigt; im Gegenteil werden in diesen "Kolben" Nuten eingefräst, damit dem Durchströmen
des Hydrauliköses möglichst geringer Widerstand entgegengesetzt wird. Auch die Dichtung
des Freikolbens, der den Ölraum vom Gasraum trennt, ist nicht kritisch, da dieser
Freikolben ebenfalls nur druckgleiche Räume voneinander trennt. Einen geringfügigen,
jedoch auch nur kurzzeitigen Druckunterschied muß lediglich die Ventilplatte aushalten,
solange, bis sich der Druck vor dieser Platte durch die Platte hindurch ausgeglichen
hat.
Diese Ventilplatte dient jedoch lediglich dazu, die Bewegungen der Gasfeder entweder
in beiden Richtungen oder lediglich in einer Richtung zu dämpfen, so daß, sollten
hier Veränderungen auftreten, sich keinesfalls die Rückstellkräfte ändern oder gar
die gesamte Gasfeder unbrauchbar wird. Durch den Verschluß des einen Rohr stückes
durch einen von außen verschiebbaren Kolben letztlich ist erreicht, daß die Kompression
der Gasblase von außen einstellbar ist, wobei auch wiederum die Dichtung dieses
Kolbens nicht kritisch ist, da er als Einstellkolben kaum oder doch nur geringfügig
bewegt wird.
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Insgesamt ergibt sich dadurch eine hydropneumatische Druckfeder, die
verhältnismäßig einfach und mit großen Toleranzen aufzubauen ist, deren Herstellung
und Füllung keine Schwierigkeiten bereitet, die daher billig fabriziert werden kann
und die außerdem hinsichtlich ihrer Anfangs- und Endrückstellkraft veränderbar ist.
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Die Ventilplatte dient, wie bereits erwähnt, dazu, die Federbewegungen
zu dämpfen. Diese Dämpfung erfolgt dadurch, daß das zu verschiebende Ölvolumen zwischen
den beiden durch die Ventilplatte getrennten Ölräumen durch verhältnismäßig enge
Bohrungen hindurchgepreßt und damit die Bewegung der Gasfeder verzögert wird. Die
Durchflußmenge durch eine derartige Bohrung pro Zeiteinheit ist hierbei nicht nur
von deren Querschnitts sondern auch von der Form der Bohrungs-Öffnung abhängig.
Ist diese Bohrungs-Öffnung scharfkantig, so ergibt sich eine linear die Durchflußmenge
beeinflussende Einschnürzahl, die etwa bei 0,6 liegt, ist sie hingegen stark gerundet,
eine solche, die 1,0 zustrebt. Die Scharfkantigkeit bzw, der
Radius
der Abrundung ist jedoch stets nur in Relation zu dem gesamten Ölraum zu sehen,
so daß sich gute Dämpfungsergebnisse dann vorausbestimmen lassen, wenn ein großes
Ölvolumen durch eine scharfkantige Bohrung hindurchzupressen ist. Diese Verhältnisse
kann man sich dadurch zunutze machen, daß man statt einer engen, sich leicht zuzusetzenden
Bohrung mit womöglich abgerundeter Einlaßkante bei kleinem Ölvolumen eine Bohrung
mit grösserer lichte Weite vorsieht, deren Einlaß-Öffnung Jedoch scharfkantig ist,
wobei man gleichzeitig das Ölvolumen, das hinter der Ventilplatte steht, vergrößert.
Optimale Ergebnisse lassen sich bei der erfindungsgemäßen Feder daher dann erzielen,
wenn die Ventilplatte etwa in der Mitte des Ölraumes angebracht ist, also an der
Stirnseite des inneren Rohrstückes. Dadurch sind die Ölvolumina auf beiden Seiten
der Ventilplatte etwa gleich groß, wodurch sich maximale Bedingungen hinsichtlich
der Dämpfung ergeben.
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Um ein Undichtwerden des Gasraumes auf alle Fälle zu vermeiden, empfiehlt
es sich, ihn im inneren Rohrstück vorzusehen, da hier einerseits das Rohrstück vollkommen
abgedichtet, beispielsweise in ein Verschlußstück eingerollt oder eingeschweißt
ist und andererseits der Freikolben den Gasraum gegenüber dem druckgleichen ölraum
vollkommen verschließt.
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Der verschiebbare Kolben wird zweckmäßigerweise vor einem mit einer
zentralen Bohrung versehenen Verschlußstück angeordnet und durch einen das Verschluß
stück durchquerenden Bolzen verschoben. Wird im Verschlußstück ein Gewinde vorgesehen,
so kann der verschiebbare Kolben auch durch einen Gewindebolzen eingestellt werden.
Diese Verstellmöglichkeit erübrigt weitere Konstruktionen zum Einstellen der Anfange-
bzw. Endrückstellkraft der Gasfeder.
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Auf der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der hydropneumatischen
Feder nach der Erfindung dargestellt. In einem äußeren Rohrstück 1 ist verschiebbar
ein inneres Rohrstück 2 angeordnet. Das innere Rohrstück wird geführt durch eine
Aufbauchung 3, die an der Innenwandung des äußeren Rohrstückes 1 gleitet sowie in
einem Verschlußstück 4, das die eine Stirnseite des äußeren Rohrstücks 1 verschließt.
Das Verschlußstück 4 wird durch einen Sprengring 5 gehalten, der in die Wandung
des Rohrstücks 1 eingreift. Auf dem Verschlußstück 4 stützt sich noch eine Lippendichtung
6 ab, die den Ringspalt zwischen der Innenwandung des Rohrstückes 1 und der Außenwandung
des Rohrstückes 2 verschließt. Die jenseitige Stirnseite des äußeren Rohrstückes
1 ist verschlossen durch einen verschiebbaren Kolben 7, der ebenfalls eine Lippendichtung
8 trägt. Gehalten wird der verschiebbare Kolben 7 durch einen Gewindebolzen 9, der
in ein Verschlußstück 10, das wiederum durch einen Sprengring 11 gehalten ist, eingeschraubt
ist. An-der Ausbauchung 3 des inneren Rohrstückes 2 sind Nuten 12 vorgesehen, die
die Ölräume 13, 14 miteinander verbinden. Innerhalb der Ausbauchung 3 ist eine Ventilplatte
15 eingepreßt, die von einer Bohrung 16 und Rückschlagventilen 17 durchquert wird.
Die Ventilplatte 15 trennt den Ölraum 13 von einem weiteren Ölraum 18 im Inneren
des Rohrstückes 2.
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Durch einen Freikolben 19 ist dieser Ölraum 18 von einem mit komprimiertem
Gas gefüllten Gasraum 20 abgetrennt.
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Abgeschlossen wird das Rohrstück 2 durch ein mit einer Gewindebohrung
versehenes Verschlußstück 21.
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Die hydropneumatische Druckfeder ist in einer mittleren Stellung gezeichnet.
Beim Zusammendrücken der Feder verringert sich das Volumen der Ölräume 13, 14, 18,
wodurch
die Gasblase über dem Freikolben 19 zusammengepreßt wird.
Das komprimierte Gas im Gasraum 20 übt eine Rückstellkraft aus, die bestrebt ist,
das innere Rohrstück 2 wieder aus dem äußeren Rohrstück 1 hinauszudrängen.
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Beim Zusammenpressen der Gasfeder kan in der gezeigten Anordnung das
Öl aus dem Ölraum 13 sowohl durch die Bohrung 16 als auch durch die Rückschlagventile
17 in den Ölraum 18 verhältnismäßig ungehindert einfließen, Bei der Rückstellbewegung
kann das Öl den Ölraum 18 jedoch lediglich durch die Bohrung 16 verlassen, da die
Rückschlagventile 17 für diese Richtung gesperrt sind.
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Dadurch entsteht eine Verzögerung bzw. Dämpfung der Rückstellbewegung.
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Die Anfangs- bzw. Endkraft der hydropneumatischen Druckfeder kann
durch Verschieben des verschiebbaren Kolbens 8 geändert werden, da auch dadurch
eine Verringerung des Ölraumes 13 erfolgt, was wiederum eine Verschiebung des Freikolbens
19 in Richtung Gasblase zur Folge hat.
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Dadurch wird eine höhere Anfangskraft zum Durchdrücken der Feder bzw.
zum weiteren Komprimieren der Gasblase im Gasraum 20 benötigt, wodurch sich auch,
da auch die Endkompression dadurch gestiegen ist, eine höhere End-Rückstellkraft
ergibt.