DE2302657A1 - Energieabsorber - Google Patents

Description

Energieabsorber

Prioritäten: Norwegen vom 19.1.1972 und 1.3.1972

Die Erfindung betrifft hydraulische Energieabsorber der Bauart, bei denen ein Kolben mit Keinen Löchern versehen usd in einem rait einer !flüssigkeit gefüllten Zylinder angeordnet ist.

Ein Energieabsorber dieser Art wurde beispielsweise in der US-Patentschrift 2 333 095 (G.H. Dowty) beschrieben und umfaßt einen mit einer kompressiblen Flüssigkeit gefüllten Zylinder sowie einen perforierten Plunger, _λ der in ein Ende des Zylinders eintritt und auf einer Kolbenstange gelagert ist, die nach außen durch eine Eohrung in dem Zylinderstirnverschluß sich erstreckt. Dieser Stirnverschluß umfaßt vorzugsweise Dichtungseinrichtungen, die ein Austreten von Flüssigkeit aus dem Zylinder verhindern.

309831/0462

ORIGINAL INSPECTED

Es ist notwendig, ein kompressibles Element in einem Energieabsorber dieser Art zu verwenden. Außer den relativ kleinen im Zylinder selbst bei Eindrücken des Plungers in diesen auftretenden Deformationen muß das zusätzliche durch, den Kolbenstangenteil gebildete eingeführte Yolumen vorgesehen werden, indem der Inhalt komprimiert ¹DZVT. zusammengedrückt wird. !Der Kompressiorisgrad wird dann davon abhängen, wieweit nach innen der Plunger und die Kolbenstange geprei3t wurden u,id weiterhin wird er abhängen vom Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen von Kolbenstange und Zylinderinnenvolumen, Durch gewisse Abmessungen des Zylinders kann also der Anteil 'der Dämpfungskraft aufgrund von Kompression gewählt werden, indem man der Kolbenstange einen geeigneten Durchmesser verleiht. Bei Belastung, d. h.,wenn der Plunger in den Zylinder eindringt, wird der zunehmende Druck im Zylinder in etwa auf beiden Seiten des Plungers ausgeglichen und Plunger und Kolbenstange werden dann einer Rückstellkraft ausgesetzt, die gleich dem Produkt des Flüssigkeitsdruckes und der Querschnittsfläche der Kolbenstange ist.

Der aus der US-Patentschrift 2 333 095 bekannte Stoßdämpfer einerseits und die erfindungsgemäße Xaßnahme andererseits haben ein Merkmal gemeinsam, das in der Verwendung einer Flüssigkeit und darin besteht, daß die Kompression wenigstens eines Teiles des ZyIinderinhaltes für eine Rückstellkraft sorgt» das bedeutet, daß ₍1ede Kompression des Absorbers eine Kraft erzeugt, die versucht, den Absorber zurück in seinen nicht belasteten Zustand zu bringen. Die Flüssigkeit kann kOnrpressibel sein und ein kom-

309831/0462

pressibies Element "bilden.

Füllt man den Zylinder mit Flüssigkeit unter atmosphärischem. Druck, bevor der Kolben und der StirnverSchluß vorgesehen sind, so ist eine infinitesimalkleine Kraft theoretisch in der Lage, eine kleine Kompression des !compress iblen Elementes herbeizuführen. Um zu verhindern, daß der Absorber beispielsweise rattert oder ux zu erreichen, daß die Kompression nur durch eine aktive Krafx oberhalb eines gevri_ssen Minimums stattfindet, kann der Absorber mit Vorkompression angeordnet v/erden, d. h. die Anbringung von Plunger und Stirnverschluß können durch eine geeignete Kompression des Zylinderinhalts durchgeführt werden. Dies ist ein bekanntes Prinzip bei Stoßdämpfern.

Es sind eine Anzahl von Möglichkeiten verfügbar, um die Kompressiblität zu erhalten. Außer der Verwendung einer kompressiblen Flüssigkeit, wie in der genannten US-Patentschrift beschrieben, kann der Zylinder ein federndes Element enthalten, beispielsweise einen federbelasteten Kolben, der gegen die Flüssigkeit preßt, eine kompressibie Belastung eines festen Materials, wie Kautschuk oder Kunststoff (zellenförmiger Kunststoff) oder eine Gasladusg oder Füllung, die gegebenenfalls in einer flexiblen Hülle innerhalb des Zylinders umschlossen ist. Das' federnde Element kann auch in einer gesonderten Kammer in Flüssigkeitsverbindung mit dem Zylinder, angeordnet sein. Das Federungsvermögen kann auch durch eine Kombination von Elementen erreicht werden, so kann die Flüssigkeit an sich kosipressibel sein und zusammen mit einem anderen federnden

- 4 309831/0462

ORIGINAL INSPECTED

- 4 -Element Verwendung finden*

Die erfindungsgemäße Maßnahme ist offensichtlich nicht, anhängig von einer bestimmten Art von federndes Element und es sollte weiterhin klar werden, daß die gegebenen Beispiele nicht "begrenzend für die Erfindung sind. Was wesentlich ist und was sogar mit anderen Einrichtungen als den genannten herbeigeführt werden kann, ist die Kompensation des Volumens der in den Zylinder während Kompression eintretenden Kolbenstange, wobei diese Kompensation mittels eines elastischen Elementes durchgeführt werden kann.

Die.Wahl des federnden Elementes kann wesentlich für die Charakteristik des Absorbers sein. Bei Absorbern der beschriebenen Art resultiert die Dämpfungskraft aus zwei Hauptkomponenten, das ist die aus der oben genannten Kompression resultierende Kraft, die im folgenden die federnde Kraft genannt wird und der Viskosendämpfungskraft, die entsteht, wenn die Flüssigkeit durch die Löcher im Plunger strömt. Die resultierende Dämpfungskraft hängt von mehreren Faktoren wie Form, Größe und Anzahl der Löcher im Plunger, der Relativgeschwindigkeit von Plunger und Zylinder, der Viskosität der Flüssigkeit, der Korrpressibilität der Flüssigkeit sowie von der Federkraft vom federnden Element ab. Hauptzweck der Erfindung besteht darin, eine Därrrfungskraftcharakteristik zu schaffen, die für einen gewissen Zweck günstiger als die bekannter Absorber ist und insbesondere soll dies durch die Erfindung möglichst aufgrund besonderer Eigenschaften der Flüssigkeit erreicht werden.

309831/0462

Die "beiliegende Zeichnung ist ein Diagrarr^n und gibt den Verlauf der Dämpfungskraft K über die Länge des Hubes s für einen Flüssigkeitsabsorber bekannter Art wieder, beispielsweise für gewisse öle, deren Kompressibilität exwa 10 - 20 $>■ ausmacht. Die Füllung kann aber auch aus einer inkompressible^ Flüssigkeit oder einem kompressiblen Element bestehen. Im Diagramm ist weiterhin eine Kraft entsprechend einer Vorkompression angegeben. Die resultierende Kraft K ist gleich der Summe der Federkraft ΐ und der viskosen Dämpfung D. Ebenfalls im Diagramm angegeben ist die Relativgeschwindigkeit ν zwischen Plunger und Zylinder.

Durch eine gewisse obere Grenze für die maximale kraft E^„_ wird es möglich, einen Wirkungsgrad für Absorber dieser Art zu definieren. Durch die Kraft K„ und

HIgLjT

die Jj&nge des Hubes s wird die maximal erhältliche Energie, die durch den Absorber absorbiert werden kann, gleich K _ = x-s. Im Diagramm ist dies durch ein Rechteck mit der Höhe K und der Länge s angegeben. Die Leistung des Absorbers kann dann definiert werden als der Bruchteil dieser Energie, den der Absorber bei gleicher maximaler Kraft und gleicher Länge des Hubs absorbieren kann.

Für einen gewissen Zweck ist es wünschenswert, den größt möglichen Wirkungsgrad zu erhalten. Dies ist beispielsweise von Wichtigkeit bei Zusammenstössen zwischen Fahrzeugen. Eei einer solchen Dämpfung für den Zweck, Schaden an Kraftfahrzeugen und/oder Menschen und Tieren in den Kraftfahrzeugen zu verhindern oder zu begrenzen, ist es

- 6 309831/0482

wesentlich, daß die Verzögerung im Augenblick des' Zusammenstosses nicht zu groß wird. So ist die maximale räxpfungskraft begrenzt. Aufgrund von Gewicht, Aussehen und Große der Kraftfahrzeuge ist es auch wünschenswert, das Dämpfungssystem hinsichtlich der Abmessungen zu optimieren und se wurde e.in Limit bezüglich der Länge des Hubes für die Absorber gesetzt.

Das oben genannte Beispiel bedeutet keinerlei 3egrer.zu.nr: ■ für die Verwendung der Absorber nach der Erfindung, dient lediglich dazu, einen Fall zu erläutern, bei dem die Dämpfui kraft K so behutsam wie möglich wirkt.

Es ist eine bekannte Tatsache, daß die viskose Dämpfung mit der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Löcher im Plunger bei in etwa konstanter Viskosität, das bedeutet Newton'sehe Flüssigkeit, zunimmt. Anhand der Zeichnung wird man sehen, daß der Wirkungsgrad des Absorbers zunimmt, wenn die Dämpfungskraft K erhöht werden könnte, bevor und nachdem sie ihren maximalen Wert K erreicht hat. Eine Möglichkeit besteht darin, die Federungskraft F zu erhöhen, indem der Inhalt des Zylinders einer höheren Kompression entweder durch gesteigerte Vorkospression, eine dickere Kolbenstange (im Bezug auf den Zylinderdurchmesser)oder beides ausgesetzt wird.

Eine Vorkompression über eine gewisse Grenze ist nicht Wünschenswert. Eine Vergrößerung der Federkraft würde auch zu einem höheren Grad an Rückstellfederung nach dem Sta.3 führen, was manchmal unerwünscht ist.

Eine Kombination von federnden Elementen kann einen günsti-

309831/0462 - 7 -

2302857

.- 7 —

gen Einfluß auf die Charakteristik des Abs orbers haben, da ein Element relativ leicht komprimierbar nein kann und eine kleine Federkraft über einen Teil des Hubes ergeben kann, woraufhin ein schwereres kompressibles Έ!βζβώ.± durch fortgesetzte Zusanunendrückung des Absorbers komprimiert werden muß. Hierdurch nimmt die federkraft relativ stark gegen das Ende des Hubes su und kompensiert die abnehmende viskose Dämpfungskraft. So kann der Wirkungsgrad des Absorbers gesteigert werden.

Eine andere Möglichkeit, die Absorbercharakteristik zu verändern, die nach der Erfindung wesentlich ist, besteht darin, die viskose Dämpfungskraft D vor und nach dem Maximalpunkt zu erhöhen.

Dies kann erreicht werden durch Verwendung einer Flüssigkeit, welche Bingaam-plastisch ist, was bedeutet, daß die Flüssigkeit im Unterschied zur Newton¹sehen Flüssigkeit einer gewissen Scherbeanspruchung ausgesetzt werden muß, bevor sie beispielsweise beginnt, durch eine öffnung einer bestimmten Abmessung zu fließen.

Zum besseren Verständnis des Einflusses der Eingham-Plastizität in einem Absorber dieser Art kann man sich vorsteilen, daß der Plunger während des Hubes konstant gegen die Flüssigkeit, die sich in etwa in Ruhe befindet, unabhängig von einer möglichen Kompression, preßt. Vi'ährend des Hubes wird die Flüssigkeit durch die relativ kleinen Löcher im Plunger fließen. Ist diese Flüssigkeit Binghamplastisch, so wird dieses Fließen nicht ausgelöst, bis die

-B-

309831/0462

flüssigkeit einer gewissen Scherbeanspruchung ausgesetzt ist. Ist diese Scherbeanspruchung erreicht, so fließt die Flüssigkeit theoretisch durch die Löcher mit konstanter Geschwindigkeit, wennsan eine konstante Viskosität voraussetzt. Dies wiederum sollte zu einer konstanten viskoser. Dänpfungskraft führen* Dies jedoch unter der Annahme, da:3 die Flüssigkeit aufgrund ihrer Kompressibilität die I'atsache kompensiert, daß die Geschwindigkeit des Plungers "bezüglich des Zylinders während des Hubes nicht konstant ist. Tatsächlich steigt die Scherbeanspruchung bei Beginn des Hubes bis zu einen Wert, der etwas höher als der Vert liegt, der erforderlich ist, um eine Strömung durch die Löcher beginnen zu lassen, woraufhin die Scherbeanspruchung gegen den Grenzwert abnehmen soll. Ist diese Grenze erreicht, so hört die Strömung auf.

In der Zeichnung, in der ein imaginärer Verlauf der Dän^fungskraft K dargestellt ist, ist F die Federkraft, die aus der Kompression des ZjüLinderinhalts resultiert; D ist die viskose Dämpfungskraft unter Verwendung einer Newton 'sche.i Flüssigkeit und D¹ ist die viskose Dä^qfungskraft unter Verwendung einer Bingharü-plastischen Flüssigkeit. Die Kraft K¹ ist die Summe der Kräfte D¹ und F. Kit der gleichen Xaximalkraft K führt die Bingham-plastische Rüssigkeit zu einem Wirkungsgrad besser als dem der Newton'sehen Flüssigkeit.

Die Verwendung einer Biigiam-plastischen Flüssigkeit hat auch einen weiteren wesentlichen Einfluß, da hierdurch die Leckgefahr reduziert wird. Dies ist besonders wichtig für Absorber ciit Vorkompression, bei denen Lecke leicht, selb

- 9 309831/0462

23Ö2657

wenn sie in Faihe st ellung sich "befinden, auftreten können. Die Tatsache, daß die Vorkompression unterhalb des Druckes liegt, "bei den eine gewisse Dichtungskonstruktion die Scherspannung ergehen muß, die notwendig ist, damit die Flüssigkeitsströmung durch die Dichtung zu strömen "beginnt, ist so, daß das Lecken theoretisch unter Euhebedingungen " ni?ht eintreten wird. Die Verwendung von Bingham-plastischer Flüssigkeit hat sich in der Praxis als sehr günstig erwiesen, um Lecke insbesondere bei Absorbern, die sehr selten betätigt werden, zu verhindern.

Eine beispielsv/eise Ausführungsform der Erfindung umfaßt einer. Absorber mit Einsam-plastischer flüssigkeit, bei de.:, die Flüssigkeit auch thixotrop ist, das bedeutet, da3 die Flüssigkeitsviskosität sich ändert, wenn die Flüssigkeit einer Rührbewegung ausgesetzt ist. Befindet sich die Flüssigkeit in Ruhe, so ist ihre Viskosität hoch. Durch Rühren wird die Viskosität abnehmen und sehr niedrig selbst über einen gewissen Zeitraum, nachdem das Rühren aufgehört hat, verbleiben und dann auf den ursprünglichen Wert, nachdem sie sich eine gewisse Zeit in Ruhe befunden hat, zurückkehren. Zunächst wird dies die Gefahr eines Leckens weiter reduzieren. Ein weiterer wesentlicher Effekt besteht darin, daß die Rückkehrbewegung des Plungerkolbens nach einem Hub mit geringerem Widerstand stattfinden wird als dann, wenn eine nicht-thixotrope Flüssigkeit mit einer Viskosität verwendet würde, die die gleiche Maximalkraft wie die thixotrope Flüssigkeit ergibt. Während des Hubes bildet die Strömung der Flüssigkeit durch die Löcher im Plunger eine Art Durchrührung und die Viskosität der Flüssigkeit wird abnehmen. Die viskose Dämpfung während der Rückstellbewegung nimmt ab, weil diese Dämpfung durch Ab-

309831/0462 ~¹⁰-

- ίο -

nehmen der Viskosität vermindert wird. Somit kann eine Hückkehrbewegung mittels einer kleineren Federkraft erreicht werden. Eine ausreichende Federkraft läßt sich. also bei einem niedrigeren Flüssigkeitsdruck erreichen, was wünschenswert sowohl aus funktioneilen wie strukturellen Gründen ist. Der Grund für die aufrechterhaltene niedrige Viskosität während des Rückkehrhubes besteht darin, daß der thixotrope Effekt von der Zeit abhängt. Anschließend an einen Rühr- oder Bewegungsvorgang und somit einer Abnahme in der Viskosität muß die Flüssigkeit über einen gewissen Zeitraum ruhen, bevor die maximale Viskosität wieder erreichbar wird. Dies bedeutet eine Begrenzung hinsichtlich der Verwendung des Absorbers, da er äußerst geeignet für die Stoßdämpfung ist, welche in so langen Zeitintervallen auftritt, daß die maximale Viskosität erreicht ist, bevor der nächste Stoß eintritt.

Die Bingham-Plastizität und der thixotrope Effekt könnererzeugt werden, indem hoch dispersive ICaterialien beispielsweise gewöhnlichen Schockabsorberflüssigkeiten oder Silikonöl oder anderen kompressiven Flüssigkeiten zugesetzt werden. Typische Beispiele für solche Materialien sind SiOp und AIpO^. Es ist jedoch für die .erfindungsgemäße I'Iaßnahme nicht you Wichtigkeit, welche Flüssigkeit oder welche Additive verweilet werden, wenn nur die Flüssigkeit Bingham-plastisch gegebenenfalls auch thixotrop, gemacht werden kann und geeignet für die Verwendung in Energieabsorbern ist.

Als ein Beispiel für Flüssigkeit in einem Energieabsorber

-Tl-

309831/0462

- li -

nach, der Erfindung soll Silikonöl genannt werden, welches in reinem Zustand eine Viskosität zwischen 10 000 und 100 000 cS (Centistckes) hat und der 5 bis 15 Gewichtsprozent SiO₂ zugesetzt wurden.

Als geeignetes Silikonöl wurde Dow Corning 200 und 210 scwie SiOp verwendet, das unter dem Namen Cabcsil vertrieben wird.

Ali SPRUCH]

- 12 -

309831/0462

Claims (10)

1. Patentansprüche

   ί Iy Hydrauliseher Stoßdämpfer mit einem Zylinder, einem Innenkolben mit wenigstens einem Loch "bzw. einer Bohrung, der auf einer ^Kolbenstange gelagert ist, die nach außen durch eine Bohrung in einer Endabdeckung des 'Zylinders sich erstreckt, wobei das andere Ende des Zylinders abgedichtet ist und der Inhalt des Zylinders federnd gegen das eintretende Volumen der Kolbenstange durch Kompression des Energieabsorbers nachgibt und wenigstens teilweise aus einer !flüssigkeit besteht;, dadurch gekennzeichnet, daß die !Flüssigkeit Binghar.-plastische Eigenschaften aufweist.
2. 2. Energieabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit kompressiv, ist.
3. 3. Energieabsorber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder auch wenigstens ein koxpressibles nicht-flüssiges Element enthält.
4. 4. Energieabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ZyIinderinhalt das gesamte Zylindervolumen, wobei der Kolben sich in der äußeren Stellung befindet, ausfüllt.
5. 5- Energieabsorber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Inhalt des Zylinders, wenn der Kolben sich in seiner äußeren Stellung befindet, uberatnosphärisehen Druck aufweist.

   309831/0462
6. 6. Energieabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch, gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit thixotrop
   ist.
7. 7. Energieabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein Silikonöl ist.
8. 8. Energieabsorber nach einem der Ansprüche 1 "bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Al₂O^ enthält .
9. 9. Energieabsorber nach einem der Ansprüche 1-7,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit SiO₂ enthält.
10. 10. Energieabsorber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein Silikonöl ist, welches im reinen Zustand eine Viskosität zwischen 10 000 und
    100 000 cS (Centistokes) aufweist und dem zwischen 5 und 15 Gewichtsprozent SiOp zugesetzt wurden.

    309831/0462

    Leerseite