DE4427009A1 - Pralldämpfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Pralldämpfer, insbesondere für Kraftfahrzeuge.

Bei Kraftfahrzeugen werden derartige Pralldämpfer ein­ gesetzt, um bei niedrigen Geschwindigkeiten Schäden am Fahrzeugaufbau zu verhindern. Hierbei basiert die Wir­ kung des Pralldämpfers darauf, daß die Aufprallenergie, die nicht über elastische Verformung, beispielsweise der Stoßstange, aufgenommen wird, in dem Pralldämpfer dissipiert wird. Sofern eine maximale Aufprallenergie nicht überschritten wird, treten keine bleibenden Ver­ änderungen an dem Pralldämpfer und dem Aufbau auf.

Ein wesentlicher Aspekt bei derartigen Pralldämpfern ist es, daß während des Dissipationsvorganges die Wi­ derstandskraft des Pralldämpfers konstant bleibt, um eine größtmögliche Energiedissipation zu erreichen.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, einen Pralldämpfer vorzuschlagen, der während des Dissipationsvorganges eine hohe konstante Wider­ standskraft aufweist, die vorzugsweise gleich der maxi­ mal am Fahrzeug zulässigen Kraft ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Pralldämpfer mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 vorgeschlagen. Der er­ findungsgemäße Pralldämpfer ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Kolben-Zylinder-Anordnung vorgesehen ist, bei der die Aufprallkraft über einen in einem Zylinder an­ geordneten Kolben eingeleitet wird, wobei der Zylinder eine mit einem Fluid gefüllte Zylinderkammer aufweist, daß am Zylinder eine Ventilöffnung vorgesehen ist, durch die eine mit dem Kolben verbundene Kolbenstange geführt ist, daß die Kolbenstange die Ventilöffnung freigebende Freigabebereiche und die Ventilöffnung schließende Schließbereiche aufweist, und daß der Ven­ tilöffnung eine Ausgleichskammer zugeordnet ist, die vom Kolben verdrängtes Fluid aufnimmt und die ein zu­ mindest teilweise elastisch ausgebildetes Gehäuse auf­ weist, das von dem austretenden Fluid dehnbar ist.

Der erfindungsgemäße Pralldämpfer, der sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet, spricht bei einem Auf­ prall sehr schnell an und setzt der Aufprallkraft eine konstant hohe Widerstandskraft entgegen. Bei einem Auf­ prall wird die Aufprallkraft über den Kolben eingelei­ tet, wodurch die Relativlage des Kolbens bezüglich des Zylinders verschoben wird. Die als Ventilstift wirkende Kolbenstange gibt somit die Ventilöffnung frei, wodurch das von dem Kolben verdrängte Fluid in die mit der Ven­ tilöffnung in Verbindung stehende Ausgleichskammer fließt. Durch das eintretende Fluid wird das elastisch ausgebildete Gehäuse der Ausgleichskammer gedehnt. Hierbei ist die Dehnung abhängig von der in die Aus­ gleichskammer einfließenden Fluidmenge. Der Verstellweg des Kolbens ist von der Größe der eingeleiteten Auf­ prallkraft abhängig. Ebenso korreliert die Menge des verdrängten Fluids bzw. die Dehnung des Gehäuses der Ausgleichskammer mit der Größe der eingeleiteten Auf­ prallkraft. Nach dem Aufprall führt das elastisch ge­ dehnte Gehäuse der Ausgleichskammer den Kolben in seine Ausgangsstellung zurück. Hierdurch wird auch das in der Ausgleichskammer befindliche Fluid in die Zylinderkam­ mer zurückgeführt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Vorteilhaft ist der Freigabebereich der Kolbenstange derart ausgebildet, daß sich die freigegebene Ventil­ öffnung abhängig vom Kolbenweg verändert. Vorteilhaft vergrößert sich der anfänglich freie Ventilquerschnitt von etwa 1 Promille der Kolbenfläche sprunghaft auf etwa S Promille der Kolbenfläche, um dann stetig über den Kolbenweg auf Null abzunehmen.

In weiterer Ausgestaltung ist der Zylinder in einem Außenrohr aufgenommen, in dem weiterhin ein Gleitrohr gleitbeweglich angeordnet ist, das die Aufprallkraft in den Kolben einleitet. Somit wird ein sehr kompakter Aufbau erreicht, da innerhalb des Außenrohres sowohl der Zylinder als auch das mit dem Kolben verbundene Gleitrohr aufgenommen ist.

Vorteilhaft weist der Zylinder im Bereich der Ventil­ öffnung einen rohrförmigen Flanschbereich auf, der in einen zugeordneten Endbereich des Kammergehäuses einge­ führt ist. Somit wird gewährleistet, daß das von dem Kolben verdrängte Fluid über die Ventilöffnung in die Ausgleichskammer gelangen kann.

Die Festlegung des Kammergehäuses kann in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß der Endbereich des Kammer­ gehäuses mittels einer in das Außenrohr eingepreßten Buchse festgelegt ist. Zweckmäßig weist das Kammerge­ häuse im Endbereich einen ringförmigen Wulstbereich auf, der von der Buchse im eingepreßten Zustand umfaßt wird. Weiterhin kann zur Festlegung der Buchse am Außenrohr eine Einschnürung vorgesehen sein.

Bei einer alternativen Ausgestaltung kann der Endbe­ reich des Kammergehäuses mittels einer am Außenrohr vorgesehenen Einschnürung festgelegt sein. Auch hierbei ist der Endbereich zweckmäßig als ringförmige Wulst ausgebildet, so daß durch die am Außenrohr vorgesehene Einschnürung eine formschlüssige Festlegung des Kammer­ gehäuses erzielt wird.

Vorteilhaft weist die Kolbenstange an ihrem dem Kolben abgewandten Ende eine Druckplatte auf, die an der In­ nenseite des Kammergehäuses anliegt. Somit wird eine gute Verteilung der vom Kolben bzw. der Kolbenstange eingebrachten Aufprallkraft erreicht.

Vorteilhaft ist dem Kolben mindestens eine Kolbendich­ tung zugeordnet. Hierdurch wird der Spalt zwischen dem Außenumfang des Kolbens und der Innenseite des Zylin­ ders abgedichtet. Beispielsweise kann an der Unterseite des Kolbens eine Spaltdichtung vorgesehen sein.

Bei einer weiteren Ausgestaltung kann das Außenrohr einen Endbereich aufweisen, der das Kammergehäuse im ungedehnten und im gedehnten Zustand umgibt. Zweckmäßig ist ein derartiger Endbereich als rohrförmige Verlänge­ rung des Außenrohres ausgebildet. Hierdurch wird er­ reicht, daß die Ausgleichskammer bzw. das Kammergehäuse im ungedehnten und gedehnten Zustand geschützt ist.

Vorteilhaft ist das Kammergehäuse aus einem elastomeren Material hergestellt, das durch das austretende Fluid gedehnt wird. Hierbei ist der Elastizitätskoeffizient des Gehäuses entsprechend einzustellen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Kammer­ gehäuse als aus einem elastomeren Material hergestellte Ausgleichskappe ausgebildet. Um die Festlegung der Aus­ gleichskappe an dem Zylinder zu erleichtern, weist die Ausgleichskappe an ihrem mit einer Öffnung versehenen Endbereich eine ringförmige Wulst auf.

Bei dem erfindungsgemäßen Pralldämpfer wird als Fluid vorteilhaft eine in die Zylinderkammer eingebrachte Flüssigkeit eingesetzt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen näher beschrieben, die in schematischer Weise in der Zeichnung dargestellt sind. Hierin zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste erfindungs­ gemäße Ausführungsform,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit II in Fig. 1,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungs­ gemäßen Pralldämpfers,

Fig. 4 ein Diagramm, bei dem die Fahrzeuggeschwindig­ keit über den Kolbenweg aufgetragen ist,

Fig. 5 ein Diagramm, bei dem die Widerstandskraft über den Kolbenweg aufgetragen ist und

Fig. 6 ein Diagramm, bei dem der freie Ventilquer­ schnitt über den Kolbenweg aufgetragen ist.

Der in Fig. 1 dargestellte Pralldämpfer kommt bei einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug zur Vermeidung von Schäden am Fahrzeugbau bei einem Aufprall zum Einsatz. Der dargestellte Pralldämpfer weist ein Außenrohr 10 auf, das eine Kolben-Zylinder-Anordnung aufnimmt. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, liegt die Außenseite des Zylin­ ders 11 an der Innenwand des Außenrohres 10 an. In dem Zylinder 11 ist ein Kolben 12 gleitbeweglich angeord­ net. Der Kolben 12 begrenzt mit dem Zylinder 11 eine Zylinderkammer 21, in der ein Fluid 22 eingebracht ist. Im vorliegenden Fall liegt das Fluid 22 als Flüssigkeit vor.

Der Kolben 12 ist mit einer Kolbenstange 15 verbunden, die durch eine am Zylinder 11 vorgesehene Ventilöffnung 17 geführt ist. Die Ventilöffnung 17 ist an einem rohr­ förmigen Flanschbereich 16 des Zylinders 11 vorgesehen. Die Ventilöffnung 17 ist mit einer Ausgleichskammer 18 verbunden, die ein aus einem elastomeren Material her­ gestelltes und dehnbares Kammergehäuse 19 aufweist. Das Kammergehäuse 19 ist bei der dargestellten Ausführungs­ form der Erfindung als Ausgleichskappe ausgebildet, die einen Endbereich 23 mit einer ringförmigen Wulst 24 aufweist. In die Ausgleichskammer 18 ist die Kolben­ stange 15 eingeführt, die endseitig eine an der Innen­ seite des Gehäuses 19 anliegende Druckplatte 20 auf­ weist.

Die Festlegung des Kammergehäuses 19 der Ausgleichskam­ mer 18 erfolgt mittels einer in das Außenrohr 10 einge­ führten Buchse 25, die die Wulst 24 des Kammergehäuses 19 umgreift. Somit ist die Wulst 24 des Kammergehäuses 19 zwischen einem Zylinderbereich 11a und der Buchse 25 festgelegt. Die Buchse 25 ist in das Außenrohr 10 ein­ gepreßt, wobei zur weiteren Fixierung an dem Außenrohr 10 eine Einschnürung 26 vorgesehen ist.

An seiner außenliegenden Stirnseite 27 liegt am Kolben 12 ein Gleitrohr 13 an, das gleitbeweglich in dem Außenrohr 10 geführt ist. Um den Verschiebeweg des Gleitrohres 13 zu begrenzen, ist an dem Außenrohr 10 eine Einschnürung 28 und ein endseitiger Anschlag 29 vorgesehen. Der endseitige Anschlag 29 wird in einfa­ cher Weise dadurch erhalten, daß der Endbereich des Außenrohres 10 nach innen gebogen wird. An dem Gleit­ rohr 13 ist eine wulstförmige Ausstülpung 30 einge­ formt, die mit der Einschnürung 28 und dem Anschlag 29 zusammenwirkt.

Um den Spalt zwischen dem Kolben 12 und dem Zylinder 11 abzudichten, ist an der Unterseite des Kolbens 12 eine Kolbendichtung 14 vorgesehen.

Wie besonders deutlich aus Fig. 2 hervorgeht, weist die Kolbenstange 15 im Querschnitt unterschiedliche Berei­ che 15a, 15b, 15c und 15d auf. Die Bereiche 15a und 15c weisen einen kleineren Querschnitt als die Ventilöff­ nung 17 auf. Demgegenüber besitzen die Bereiche 15b und 15d einen derartigen Querschnitt, daß die Ventilöffnung 17 verschlossen wird. Aus der Zeichnung ist ersicht­ lich, daß der Querschnitt des Bereiches 15a ausgehend vom Bereich 15c in Richtung zum Kolben 12 zunimmt.

In den durch die Bereiche 15c und 15a gebildeten Frei­ gabebereichen der Kolbenstange 15 wird die Ventilöff­ nung 17 freigegeben. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, springt der Querschnitt von einem Wert im Bereich 15c auf einen Minimalwert im Bereich 15a. Anschließend wächst der Querschnitt in Richtung des Kolbens 12 ste­ tig an, um im Bereich 15d einen Querschnitt anzunehmen, der die Ventilöffnung paßgenau ausfüllt. Der freie Strömungsquerschnitt im Bereich 15c beträgt typischer­ weise 1 Promille des Kolbenquerschnittes und bewirkt ein schnelles Anspringen der Widerstandskraft während der zulässigen elastischen Verformung des Fahrzeugauf­ baues. Die sprunghafte Vergrößerung des freien Quer­ schnittes begrenzt die Aufprallkraft dann auf den maxi­ mal zulässigen Wert. Durch Verkleinerung des freien Querschnittes der Ventilöffnung 17 trotz abnehmender kinetischer Energie des Fahrzeuges wird eine konstante Widerstandskraft bewirkt.

Nachfolgend soll die Funktionsweise des in Fig. 1 dar­ gestellten Pralldämpfers erläutert werden. Bei einem Aufprall wird die durch den Pfeil 31 symbolisierte Auf­ prallkraft über das Gleitrohr 13 in den Kolben 12 ein­ gebracht. Hierdurch wird der Kolben 12 aus seiner dar­ gestellten Ruhestellung versetzt, wodurch in der Zylin­ derkammer 21 befindliches Fluid 22 verdrängt wird. Die Verschiebung des Kolbens 12 bewirkt weiterhin, daß die mit dem Kolben 12 verbundene Kolbenstange 15 ebenfalls versetzt wird. Da hierdurch die Bereiche 15c und 15a der Kolbenstange 15, die die Ventilöffnung 17 freige­ ben, in den Bereich der Ventilöffnung 17 verschoben werden, gelangt das aus der Zylinderkammer 21 ver­ drängte Fluid 22 in die Ausgleichskammer 18. Das in die Ausgleichskammer 18 einströmende Fluid 22 dehnt das aus elastischem Material hergestellte Kammergehäuse 19. Die Verschiebung des Kolbens 12 ist von der Größe der ein­ getragenen Aufprallkraft abhängig. Ebenso korrespon­ diert die Menge des verdrängten Fluids 22 mit der ein­ getragenen Aufprallkraft.

Sofern eine zulässige maximale Aufprallkraft nicht überschritten wird, wird die eingetragene Aufprallkraft in dem Pralldämpfer dissipiert. Hierbei zeichnet sich der Pralldämpfer dadurch aus, daß er schnell anspricht und der Aufprallkraft eine maximale Widerstandskraft entgegensetzt.

Zur Erläuterung des in Fig. 3 dargestellten Pralldämp­ fers, der eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt, werden die bereits eingeführten Bezugszeichen für gleiche oder funktionsgleiche Teile verwendet. Der dargestellte Pralldämpfer besitzt einen prinzipiell ähnlichen Aufbau wie der Pralldämpfer gemäß Fig. 1. In einem Außenrohr 10 ist ein Zylinder 11 aufgenommen, in dem gleitbeweglich ein Kolben 12 geführt ist. An der Außenseite des Kolbens 12 liegt der Endbereich eines Gleitrohres 13 an, das gleitbeweglich in dem Außenrohr 10 geführt ist. Der über eine Kolbendichtung 14 abge­ dichtete Kolben 12 weist eine Kolbenstange 15 auf, die durch eine Ventilöffnung 17 geführt ist. Der Kolben 12 begrenzt mit dem Zylinder 11 eine Zylinderkammer 21, in der ein Fluid 22 eingebracht ist.

Der Ventilöffnung 17 ist eine Ausgleichskammer 18 zuge­ ordnet, die ein Kammergehäuse 19 aus einem elastomeren Material besitzt. Der Endbereich des Kammergehäuses 19 weist eine ringförmige Wulst 24 auf, die einen rohrför­ migen Flanschbereich 16 des Zylinders 11 umfaßt. Zur Festlegung des Kammergehäuses 19 ist an dem Außenrohr 10 eine Einschnürung 32 eingebracht, so daß eine form­ schlüssige Verbindung zwischen dem ringförmigen Wulst 24 vorliegt. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, weist das Außenrohr 10 einen über das Kammergehäuse 19 verlänger­ ten Endbereich 33 auf. Somit ist gewährleistet, daß im ungedehnten und im gedehnten Zustand des Kammergehäuses 19 dieses innerhalb des Außenrohres 10 angeordnet ist.

Die mit dem Kolben 12 verbundene Kolbenstange 15 weist einen Freigabebereich 15a und einen Schließbereich 15b auf.

Bei einem Aufprall wird das Gleitrohr 13 und der hier­ mit verbundene Kolben 12 durch die eingetragene Auf­ prallkraft verschoben, die durch den Pfeil 31 symboli­ siert ist. Durch die Verschiebung des Kolbens 12 gibt die hiermit verbundene Kolbenstange 15 die Ventilöff­ nung 17 frei, so daß das Fluid 22 von der Zylinderkam­ mer 21 in die Ausgleichskammer 18 einfließen kann. Hierdurch wird das Kammergehäuse 19 elastisch gedehnt. Über den Kolbenweg x₁ wird die eingetragene Aufprall­ kraft dissipiert. Nach dem Aufprall bewirkt das ela­ stisch gedehnte Kammergehäuse 19 eine Rückführung des Fluids 22 in die Zylinderkammer 21.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm, bei dem über die Ordinate die Fahrzeuggeschwindigkeit v und über die Abszisse der dimensionslose Kolbenweg x/x₁ aufgetragen ist. Wie aus diesem Diagramm hervorgeht, wird bei einem Aufprall eines mit einer Geschwindigkeit von 8 km/h fahrenden Fahrzeuges die auftretende Aufprallenergie über einen maximalen Kolbenweg x₁ dissipiert. Wie aus den Fig. 1 und 3 hervorgeht, ist dies der maximale Weg, den der Kolben 12 in dem Zylinder 11 zurücklegen kann. Somit könnte ein Aufprall bei einem mit höherer Geschwindig­ keit fahrenden Fahrzeug nicht ohne bleibende Verformun­ gen in dem Pralldämpfer dissipiert werden.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, in der über die Ordinate die dimensionslose Widerstandskraft Fx₁/(mv₀²) und über die Abszisse der dimensionslose Kolbenweg x/x₁ aufgetragen ist, liegt bereits nach einem sehr kurzen Kolbenweg eine maximale Widerstandskraft F_max des Pralldämpfers vor. Wie Fig. 5 zeigt, ist bei optimaler Dissipation die maximale Widerstandskraft etwa gleich der ursprüng­ lichen kinetischen Energie des Fahrzeugs mv₀²/2 divi­ diert durch den maximalen Kolbenweg x₁. Ein wesentli­ cher Vorteil des erfindungsgemäßen Pralldämpfers ist hierbei, daß diese maximale Widerstandskraft über den weiteren Kolbenweg konstant bleibt. Dies wird dadurch erreicht, daß der freie dimensionslose Ventilquer­ schnitt A_v/A_k über den dimensionslosen Kolbenweg x/x₁ den in Fig. 6 dargestellten Verlauf aufweist.

Aus Fig. 6 ist die Veränderung des Ventilquerschnittes während der Verschiebung der Kolbenstange 15 bei einem Aufprallvorgang ersichtlich. Hierbei ist in Fig. 6 der dimensionslose Ventilquerschnitt A_v/A_k (Ventilquerschnitt A_v, Kolbenquerschnitt A_k) über den dimensionslosen Kolbenweg x/x₁ (Kolbenweg x, maximaler Kolbenweg x₁) aufgetragen. Aus dieser Figur geht der sprunghafte Anstieg des freigegebenen Ventilquerschnit­ tes am Übergang zwischen den Bereichen 15c und 15a her­ vor. Der anfänglich freie Querschnitt vergrößert sich von etwa 1 Promille der Kolbenfläche plötzlich auf etwa 8 Promille der Kolbenfläche. Anschließend nimmt der freie Querschnitt durch die Zunahme des Querschnittes der Kolbenstange 15 im Bereich 15a stetig über den Kol­ benweg bis auf Null ab.

Allen Ausführungsformen der Erfindung ist gemeinsam, daß sie einen sehr einfachen Aufbau besitzen und nur einen sehr geringen Platzbedarf benötigen.

Claims (11)

1. Pralldämpfer, insbesondere für Kraftfahrzeuge, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Kolben-Zylinder-An­ ordnung vorgesehen ist, bei der die Aufprallkraft über einen in einem Zylinder (11) angeordneten Kol­ ben (12) eingeleitet wird, wobei der Zylinder (11) eine mit einem Fluid (22) gefüllte Zylinderkammer (21) aufweist, daß am Zylinder (11) eine Ventilöff­ nung (17) vorgesehen ist, durch die eine mit dem Kolben (12) verbundene Kolbenstange (15) geführt ist, daß die Kolbenstange (15) die Ventilöffnung (17) freigebende Freigabebereiche (15a, 15c) und die Ventilöffnung (17) schließende Schließbereiche (15b, 15d) aufweist und daß der Ventilöffnung (17) eine Ausgleichskammer (18) zugeordnet ist, die vom Kolben (12) verdrängtes Fluid (22) aufnimmt und die ein zumindest teilweise elastisch ausgebildetes Kammergehäuse aufweist, das von dem austretenden Fluid (22) dehnbar ist.

2. Pralldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Freigabebereiche (15a, 15c) der Kol­ benstange (15) derart ausgebildet sind, daß sich die freigegebene Ventilöffnung (17) abhängig vom Kolbenweg verändert.

3. Pralldämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zylinder (11) in einem Außen­ rohr (10) aufgenommen ist, in dem weiterhin ein Gleitrohr (13) gleitbeweglich angeordnet ist, das die Aufprallkraft in den Kolben (12) einleitet.

4. Pralldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Zylinder (11) im Be­ reich der Ventilöffnung (17) einen rohrförmigen Flanschbereich (16) aufweist, der in einen zugeord­ neten Endbereich (23) des Kammergehäuses (19) ein­ geführt ist.

5. Pralldämpfer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Endbereich (23) des Kammergehäuses (19) mittels einer in das Außenrohr (10) eingepreß­ ten Buchse (25) festgelegt ist.

6. Pralldämpfer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Endbereich (23) des Kammerge­ häuses (19) mittels einer am Außenrohr (10) vorge­ sehenen Einschnürung (26; 32) festgelegt ist.

7. Pralldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (15) an ihrem dem Kolben (12) abgewandten Ende eine Druck­ platte (20) aufweist, die an der Innenseite des Kammergehäuses (19) anliegt.

8. Pralldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Kolben (12) minde­ stens eine Kolbendichtung (14) zugeordnet ist.

9. Pralldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (10) einen Endbereich (33) aufweist, der das Kammergehäuse (19) im ungedehnten und im gedehnten Zustand um­ gibt.

10. Pralldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kammergehäuse (19) aus einem elastomeren Material hergestellt ist, das durch das austretende Fluid (22) gedehnt wird.

11. Pralldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kammergehäuse (19) als aus einem elastomeren Material hergestellte Ausgleichskappe hergestellt ist.