DE2942029C2

DE2942029C2 - Hydraulisch wirkender Stoß- und Schwingungsdämpfer

Info

Publication number: DE2942029C2
Application number: DE19792942029
Authority: DE
Inventors: Kaspar 8000 München Lochner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-10-17
Filing date: 1979-10-17
Publication date: 1982-06-09
Also published as: DE2942029A1

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulisch wirkenden Stoß- und Schwingungsdämpfer mit einem einseitig geschlossenen Zylinder, einem in dem Zylinder verschiebbaren, mit einer aus dem offenen Ende des Zylinders herausragenden hohlen Kolbenstange verbundenen Kolben, der mit einer Überströmöffnung, die sich mit dem Hub verändert, zusammenwirkt, einer mit einem nicht-newtonischen Dämpfungsfluid gefüllten Kammer und einem davon durch einen verschiebbaren Trennkolben abgetrennten, mit einem kompressiblen Mittel versehenen Raum, wobei das Dämpfungsfluid bei Belastung des Stoßdämpfers aus der Kammer über die Überströmöffnung in den dahinter angeordneten Raum und umgekehrt preßbar ist.

Ein derartiger Dämpfer ist aus der DE-AS 23 24 402 bekannt. Bei dem bekannten Dämpfer besteht die Überströmöffnung aus einer querschnittsveränderlichen Nut in der Zylinder Innenwand, an der der hohle Kolben vorbeigleitet. Bei Stoßbelastung des Dämpfers fließt das nicht-newtonische Fluid aus der Zylinderdruckkammer über einen Kragen des Kolbens in einen in die Seitenfläche des Kolbens eingelassenen Ringkanal und wandert dann durch eine Durchbohrung in das Innere des hohlen Kolbens. Mit dem bekannten Dämpfer wird angestrebt, die Überströmöffnung und die hubveränderliche Nut so abzustimmen, daß im Hauptarbeitsbereich des Dämpfer eine möglichst waagrechte Dämpfkraftli-

nie erreicht wird. Dies wird jedoch nicht vollständig erreicht insbesondere nicht bei Dauerbeanspruchung und bei unterschiedlichen Temperaturbereichen. Der bekannte Dämpfer hat den Nachteil, daß die Überströmöffnung aus Teilen gebildet wird, die aneinander vorbeigleiten und somit dem Verschleiß unterworfen sind, so daß die Gefahr besteht, daß sich bei Dauerbeanspruchung des Dämpfers der Dämpfkraftaufbaii ändert, weil die Steuernut in der Zylinderinnenwand von dem mit ihr in Berührung stehenden Kragen des Kolbens mit der Zeit abgeschliffen wird und als Dämpfmedium ein Fett verwendet wird, bei dem sich die Viskositätswerte relativ stark mit der Arbeitstemperatur ändern.

Aus der US-Zeitschrift »Machine Design« vom 24.5.1962 sind hydraulisch wirkende Stoßdämpfer mit querschnittsveränderlichen Überströmöffnungen bekannt Bei diesen Stoßdämpfern wird versucht eine möglichst gleichmäßige Abnahme der kinetischen Energie des Stoßes über den Hub zu erreichen. Aus der US-Zeitschrift ist ein Dämpfer bekannt mit einer Düsenöffnung, deren Querschnitt durch einen in die Düsenöffnung hineinragenden Steuerstift variiert wird. Dieser bekannte Stoßdämpfer arbeitet mit öl als Dämpfungsmittel. Hierbei wird insbesondere dünnflüssiges Öl verwendet, da diese öle über einen größeren Temperaturbereich stabil sind. Um aber mit dünnflüssigen ölen eine gewisse Dämpfkraft aufzubauen, muß man schmale Düsenöffnungen verwenden. Die schmalen Spaltöffnungen erfordern eine sehr hohe Maßgenauigkeit der Dämpferteile.

Die US-PS 29 63 175 betrifft einen hydraulisch wirkenden Stoßdämpfer für Eisenbahnwaggons, der aus einem Zylinder und einer in dem Zylinder gleitend gelagerten hohlen Kolbenstange besteht. Im Boden der Kolbenstange ist eine öffnung vorgesehen, durch die ein Steuerstab hindurchführbar ist. Der Steuerstab ist mit einem Ende am Boden des Zylinders befestigt, und auf der anderen Seite weist der Steuerstab eine im Inneren der hohlen Kolbenstange angeordnete, kegelförmige Kopfscheibe auf, die verhindert, daß die hohle Kolbenstange aus dem Zylinder herausrutscht und wobei die kegelförmige Kopfscheibe als Strömungswiderstand für das Hydrauliköl dient. Für die Abdichtung der das Hydrauliköl enthaltenden Zylinderkammer gegenüber der gleitenden Kolbenstange ist ein kompliziertes System von Dichtungen, Führungsringen und Abstreifringen vorgesehen, die in entsprechende Ausnehmungen auf dem Außenumfang der hohlen Kolbenstange oder in die Zylinderinnenwand eingelegt sind. Diese zusätzlichen Konstruktionselemente sind sehr aufwendig. Außerdem ist der bekannte Dämpfer für die Dämpfung von Stoßbelastungen über einen weiteren Bereich nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stoßdämpfer so zu gestalten, daß er im Hauptarbeitsbereich eine möglichst vom Hub unabhängige, von der Anfangsgeschwindigkeit des Kolbens dagegen abhängige Dämpfkraft aufweist, der möglichst keine verschleißgefährdenden Teile enthält und der trotz konstruktiv einfacher Bauweise einen hohen Dämpfkraftaufbau auch bei unterschiedlichen Temperaturbereichen ermöglicht und der auch als lastabhängiger Schwingungsdämpfer, z. B. als Federbein, einsetzbar sein soll.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen hydraulisch wirkenden Stoß- und Schwingungsdämpfer der eingangs angegebenen Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Überströmöffnung aus einer axialen,

durchgehenden Öffnung im Kolben und einem in die Öffnung des Kolbens hineinragenden, mit in Richtung zur Spitze des Steuerstifts abnehmenden Querschnitt gebildet und das Dämpfungsfluid eine homogene Paste aus Graphit, einem Netzmittel, Strukturviskositätsmittel und Polyglykoläther, Polyglykolester und/oder einem gesättigten aromatischen und/oder aliphatischen Carbonsäureester ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Stoß- und Schwingungsdämpfer läßt sich die erfindungsgemäße Aufgabenstellung auf einfachste Weise regeln, ohne daß dazu kompolizierte oder entsprechend groß dimensionierte Dämpfer mit hoher Maßgenauigkeit verwendet werden müssen. Die Rückstellung des Dämpfers in die Ausgangslage erfolgt ebenfalls in gedämpfter Form. Der Dämpfer zeichnet sich außerdem dadurch aus, daß er wegen seiner einfachen Konstruktion sehr störunanfällig ist, eine sehr lange Lebensdauer aufweist und in jeder Lage bzw. Position einsetzbar ist Bei entsprechender Druckbeaufschlagung des Gasraums in der hohlen Kolbenstange ist der Stoßdämpfer als lastabhängiger Schwingungsdämpfer, z. B. als Kraftfahrzeugfederbein, einsetzbar, wobei durch den in die Überströmöffnung hineinschiebbaren Steuerstift die Dämpfung dem jeweiligen Einfederungszustand angepaßt ist.

Wesentlich für den erfindungsgemäßen Dämpfer ist, daß mit dem erfindungsgemäßen inkompressiblen, hochwärmeleitfähigen Dämpfungsfluid schon beim Durchströmen sehr einfacher öffnungen bzw. Bohrungen ein relativ hoher Dämpfkraftaufbau zu erreichen ist. Das Dämpfungsfluid bleibt auch bei hoher Scherbeanspruchung homogen, wodurch eine Dämpfungsharmonie erreicht wird. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß eingesetzten Dämpfungsmediums liegt darin, daß feine Oberflächenungenauigkeiten von diesem langanhaltend ausgefüllt werden können und so die Bewegung der gleitenden Vorrichtungsteile erleichtert wird.

Mit dem erfindungsgemäß eingesetzten Dämpfungsmedium läßt sich z. B. eine Strömungsgeschwindigkeit in der Überströmöffnung des Kolbens von etwa 170m/sec und mehr erreichen, ohne daß sich das Dämpfungsmedium trennt, schäumt oder zersetzt.

Der erfindungsgemäße Dämpfer wird anhand der Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aufzugsdämpfer bzw. Pralldämpfer,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Dämpfer nach Fig. 1 mit einem teilweise erweiterten Kolbenstangenquerschnitt,

Fig. 3 ein Dämpfkrafl/Weg-Diagramm des Dämpfers nach Fig. 1.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellten Dämpfer sind insbesondere als Aufzugsdämpfer, Pralldämpfer oder Schwingungsdämpfer einsetzbar. Der Boden 2 des Zylinders 1 ist z. B. am Fahrzeugrahmen oder an einem festen Bauteil befestigt, während die Abschlußplatte 4 der Kolbenstange 5 z. B. mit einer Stoßstange (nicht dargestellt) verbunden ist oder als Aufnahmefläche für die aufprallende Last dient. Der mit der hohlen Kolbenstange 5 verbundene Kolben 3 ist am Zylinder 1 verschiebbar geführt. Die Kolbenstange 5 weist einen kleineren Außendurchmesser als der Kolben 3 auf. In dem Raum 6 der Kolbenstange 5 befindet sich eine Druckgasfüllung, die durch den Trennkolben 7 von dem inkompressiblen Dämpfungsfluid 8 getrennt ist. Der Trennkolben 7 ist mit einem Ring 9, 9a zur Abdichtung des Trennkolbens gegenüber der Kolbenstange ausge-Der in F i g. 1 dargestellte Dämpfer ist trotz der primitiven Bauweise und normaler Zylindergröße in der Lage, z. B. die Energie eines mittelschweren Fahrzeuges aufzunehmen, das mit bis zu 15 km/h auf ein stehendes Hindernis auffährt Der vorgegebene Druck im Raum 6 häng· nur von der gewünschten Rückstellkraft ab. Der Raum 6 ist mit atmosphärischer Luft von Normaldruck gefüllt, wenn eine besonders geringe Rückstellung des Kolbens gewünscht wird. Zur Verbesserung der ίο Führung überlappen sich Kolben 3, Kolbenstange 5 und Zylinder 1 im ausgefahrenen Zustand des Dämpfers in einem relativ weiten Bereich. Die Kolbenstange 5 ist über einen einfachen Ring 10 an der Innenwand des Zylinders 1 geführt Der Kolben 3 ist mit einer durchgehenden öffnung 11 ausgerüstet Ein Dichtungsring 14 dichtet den Kolben 3 gegen, die Innenwand des Zylinders ab.

Das Dämpfungsfluid enthält einen Polyglykoläther

und/oder -ester einer Viskosität von etwa lOmmVs bis 1000mm²/s bei 50° C, vorzugsweise von etwa 40 mm²/s bis 300 mm²/s bei 50⁰C, wobei der Stockpunkt zwischen —50° C und 0°C, insbesondere —40° C bis — 10⁰C, liegt. Die relative mittlere Molmasse der Polyglykoläther und/oder -ester liegt bei etwa 700 bis 20 000, insbesondere etwa 1100 bis 3800, vorzugsweise etwa 1100 bis 2300.

Besonders vorteilhaft haben sich als Polyglykoläther die Mono- und/oder Diäther der Polyäthylen-, Polypropylen- oder Polybutylenglykole erwiesen, wobei die Äthergruppe des Mono- oder Diäthers insbesondere eine gesättigte, geradkettige oder verzweigte Alkoxygruppe mit 1 bis 10 C-Atomen, insbesondere 2 bis 6 C-Atomen ist, insbesondere ein Polyäthylenglykolmonoäthyläther, -propjlähter oder -butyläther, Polypropylenglykolmonoäthyiäther, -propyläther oder butyläther, Polybutylenglykolmonomethylähter, -äthyläther, -propyläther, -butyläther oder -pentyläther.

Geeignet sind als Polyglykolester insbesondere die

Mono- und/oder Diester der Polyäthylen-, Polyoropylen- oder Polybutylenglykole, insbesondere Monoester des Polyäthylen-, Polypropylen- oder Polybutylenglykolmonoäthers.

Die Polyglykoläther und/oder -ester werden vorzugsweise in einer Menge von etwa 40 bis 60 Gew.-°/o, insbesondere 50 bis 60 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Paste eingesetzt.

Der Dämpfer nach F i g. 2 unterscheidet sich hinsieht lieh der Konstruktion von der Ausführungsform nach F i g. 1 dadurch, daß die Kolbenstange 5a zum Teil einen erweiterten Querschnitt 13 an der dem Kolben 3 abgewandten Seite der Kolbenstange Sa aufweist. Der Trennkolben Ta ist in diesem Fall in der erweiterten Kolbenstange angeordnet und wird durch den Dichtungsring 9a an der Innenwand der Kolbenstange geführt.

Im Inneren der mit dem Dämpfungsfluid gefüllten Kammer 18 ist der Steuerstab 15 vorgesehen, der in der Mitte der Bodenplatte 2 des Zylinders 1 befestigt ist. Die Spitze 16 des Steuerstabes 15 ragt bei Ruhestellung des Dämpfers in die Öffnung 11 des Kolbens 3 hinein. Der Steuerstab 15 besteht insbesondere aus Metall.

Die öffnung des Kolbens 3 kann gegebenenfalls mit einer elastischen Auskleidung 17 zur Steuerung der Dämpfung ausgerüstet sein, wie dies z. B. in der Fi g. 1 durch gestrichelte Linien dargestellt ist.

Wenn der Kolben 3 mit der öffnung 11 bei Belastung über den Steuerstab 15 fährt, wird die Durchtrittsfläche der öffnune verkleinert. Die Verkleinerung der

Durchtrittsfläche gleicht die Verlangsamung der Kolbengeschwindigkeit während der Dämpfung aus, so daß die Dämpfkraft über den Weg bei Verwendung des obengenannten Dämpfungsmediums idealisiert wird.

Bei Belastung des Dämpfers führt der Kolben 3 in den Zylinder 1 hinein, wobei das inkompressible, viskose, hochwärmeleitfähige Dämpfungsfluid 8 aus der Zylinderkammer 18 durch die öffnung 11 in den Raum 12, 12a der hohlen Kolbenstange 5,5a gedrückt wird. Damit kommt es zu einer ax'alen Verschiebung des Trennkolbens 7, 7a, wodurch der Druck im Raum 6, 6a erhöht wird. Im Raum 6a wird der Druck aufgrund des größeren Druckgasreservoirs weniger erhöht, was zu einer schwächeren Rückstellung, d. h. zu einer weicheren Feder führt. Dies ist z. B. bei Aufzügen, Sicherheitsgurtdämpfern und Fahrzeugen erwünscht, um die Wirkung der Beschleunigung auf den Körper weich abzufangen.

Damit während der Druckbelastung kein Vakuum im Dämpfer oberhalb des Kolbens erzeugt wird, ist die Zylinderwand mit einer öffnung 54 für den Druckausgleich ausgerüstet.

Der erfindungsgemäße Dämpfer funktioniert wie folgt:

Die Reaktionskraft setzt sich zusammen aus der sich bei der Drosselung der Fluidströmung ergebenden Dämpfungskraft und der sich infolge der Druckerhöhung in der Luftkammer bzw. der Druckgaskammer aufbauenden Gasfederkraft. In der Drosselöffnung wird der größte Teil der Aufprallenergie in Wärmeenergie umgewandelt. Der Rest der Aufprallenergie wird von der Gasfeder, die durch die Komprimierung der Gasfüllung in dem Raum 6, 6a gebildet wird, gespeichert. Diese von der Feder aufgenommene Aufprallenergie wird nach dem Stoß ebenfalls gedrosselt wieder freigegeben, indem zufolge der Federkraft das Dämfpungsmedium aus dem Raum 12 über die öffnung 11 in die Zylinderkammer 18 zurückgedrückt wird. Dabei kehrt die mit dem Kolben 3 verbundene Kolbenstange in ihre Ausgangslage zurück.

Fig. 3 zeigt das Dämpfkraft/Weg-Diagramm des Dämpfers nach Fig. 1. Aufgrund der Tatsache, daß die Durchtrittsfläche zwischen Kolbenöffnung M und Steuerstift i5 zu Beginn der Sioßbeiastung größer isi, ist der Dämpfkraftaufbau zu Beginn weicher, d. h. die Kennlinie steigt weniger steil an. Die Aufprallgeschwindigkeit wird dann entlang der Linearen gegen Null verzögert, und zum Hubende fällt die Dämpfkraft leicht ab. Ab der mit χ gekennzeichneten Stelle erfolgt die Rückstellung der Kolbenstange. Die entsprechende Kraft/Weg-Kurve ist wieder linear, und die Rückstellung erfolgt auf sehr niedrigem Kraftniveau.

Die in der Figurenbeschreibung enthaltenen Maßnahmen, die nicht im Patentbegehren enthalten sind, gehören nicht zum Wesen der Erfindung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hydraulisch wirkender Stoß- und Schwingungsdämpfer mit einem einseitig geschlossenen Zylinder, einem in dem Zylinder verschiebbaren, mit einer aus dem offenen Ende des Zylinders herausragenden hohlen Kolbenstange verbundenen Kolben, der mit einer Überströmöffnung, die sich mit dem Hub verändert, zusammenwirkt, einer mit einem nichtnewtonischen Dämpfungsfluid gefüllten Kammer und einem davon durch einen verschiebbaren Trennkolben abgetrennten, mit einem kompressiblen Mittel versehenen Raum, wobei das Dämpfungsfluid bei Belastung des Stoßdämpfers aus der Kammer über die Überströmöffnung in den dahinter angeordneten Raum und umgekehrt preßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmöffnung aus einer axialen, durchgehenden Öffnung (11) im Kolben (3) und einem in die Öffnung (11) des Kolbens hineinragenden, mit in Richtung zur Spitze (16) des Steuerstifts (15) abnehmenden Querschnitt gebildet und das Dämpfungsfluid eine homogene Paste (8) aus Graphit, einem Netzmittel, Strukturviskositätsmittel und Polyglykoläther, PoIyglykolester und/oder einem gesättigten aromatischen und/oder aliphatischen Carbonsäureester ist.

2. Dämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstift (15) in konischer oder abgestufter Form ausgebildet ist.

3. Dämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstift (15) an der Bodenfläche (2) des Zylinders angeordnet ist.

4. Dämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (11) im Kolben (3) mit einem flexiblen Kunststoff ausgekleidet ist.