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Luftfederung mit einem Federkolben und mit diesem zusammenarbeitenden
Hilfskolben Die Erfindung betrifft eine weitere Ausgestaltung der aus einem Federkolben
und damit verbundenem Hilfskolben bestehenden Luftfederung, deren Hilfskolben einem
gegenüber dem Federdruck erhöhten Luftdruck ausgesetzt ist.
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Die Luftfederung nach dem Hauptpatent hat den Zweck, den bei der Tätigkeit
der Feder unvermeidlichen Verlust an Leckluft selbsttätig auszugleichen, was durch
die Arbeit der Feder selbst bewirkt wird. Auf diese Weise wird die bei den bekannten
Bauarten von Luftfederungen notwendige, aber umständliche Anordnung von Verdichtern
vermieden, denen die Aufgabe zufällt, die Leckverluste auszugleichen. Es hat sich
gezeigt, daß der Erfindungszweck und die vorteilhafte Wirkung der Anordnung nach
dem Hauptpatent auch erreicht werden, wenn der Federkolben und der Hilfskolben nicht
wie bei dem Hauptpatent durch mechanische Mittel starr miteinander verbunden sind,
sondern unter Beibehaltung der Flüssigkeitsbremse und des Überdruckraumes zwischen
dem Hilfskolben und dem Schwimmkolben in bestimmter Weise miteinander arbeiten.
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Zu diesem Zweck sind jetzt der Federkolben und der in an sich bekannter
Weise gegenläufig in ihm angeordnete Hilfskolben gemeinsam in einem nach außen abgedichteten
Gehäuse untergebracht,
das lediglich über das Rückschlagventil des
Überdruckraumes mit der Außenluft in Verbindung steht. Dabei kann das Rückschlagventil
im Hilfskolben vorgesehen sein.
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Ein wesentlicher Vorteil dieser neuen Anordnung besteht darin, daß
die Zahl der Dichtungsstellen erheblich verringert wird und die Feder unter Erhaltung
ihrer sonstigen Vorzüge auf möglichst kleinem Raum beschränkt werden kann, wodurch
ihre Anwendungsmöglichkeit sich erheblich erweitert. Weiter ergibt sich durch die
Verlegung der Flüssigkeitsbremse in den Federkolben selbst eine wesentliche Vereinfachung
des gesamten Aufbaues. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Federkolben
als mantelförmiger Körper ausgebildet, dessen inneres Rohr den Zylinder für den
Hilfskolben und den Schwimmkolben mit dem zwischen beiden Kolben befindlichen Überdruckraum
bildet, während die Bremsflüssigkeit sich in dem unterhalb des Schwimmkolbens gelegenen
Teile des inneren Rohres befindet, der durch Drosselöffnungen mit dem Mantelraum
des Federkolbens in Verbindung steht. Dieser Mantelraum mit der Bremsflüssigkeit
kann ferner durch besondere Öffnungen mit dem Federraum verbunden sein, so daß die
Bremsflüssigkeit sowohl zur Schwingungsdämpfung dient als auch zur Schmierung und
Feinabdichtung beiträgt.
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Die Luftfederung gemäß der Erfindung läßt sich mit besonderem Vorteil
bei Flugzeugfahrgestellen anwenden (sogenannten Federbeinen). In diesem Falle können
die Hilfskolben beider Luftfedern über eine Leitung verbunden sein, in der ein Überdruckventil
und ein Einlaßventil für Außenluft vorgesehen sind.
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Die Dichtung zwischen dem Federkolben und seinem Zylinder könnte an
sich fest mit dem Zylinder verbunden sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist sie jedoch dem Kolben selbst fest verbunden. Dadurch wird erreicht,
daß bei vollständig eingefedertem Kolben kein schädlicher Raum übrigbleibt. Dies
ist ein sehr wichtiger Vorteil, da für den Fall, daß die Luft nach langem Stillstand
des Fahrzeuges vollständig aus dem Federbein entwichen ist, schon mit einem einzigen
Hub ein Luftpolster erzeugt werden kann. Vorteilhaft wird dann in dem Zylinder oberhalb
des Federkolbens noch ein Gummipolster od. dgl. angeordnet, das für den Fall, daß
keine Luft mehr in dem Federbein ist, in Tätigkeit treten kann. Die Schmierung der
Dichtung zwischen Federkolben und seinem Zylinder erfolgt durch das Stoßdämpferöl,
das sich in dem Mantelraum des als Mantelrohr ausgebildeten Federkolbens befindet.
Zu diesem Zweck ist das Mantelrohr an seinem oberen Ende mit entsprechenden Öffnungen
versehen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Anordnung gemäß der
Zusatzerfindung besteht darin, daß bei Anordnung der Flüssigkeitsbremse in dem Federkolben
selbst in einem besonderen, den Hilfskolben aufnehmenden Zylinder der Überdruckraum
vorgesehen und mit dem Federraum durch ein Überdruckventil verbunden wird, wobei
das untere Ende des Hilfskolbens mit einem mit Spiel im Federkolben geführten Drosselkolben
versehen wird. Auf diese Weise entfällt der Schwimmkolben und damit die Schwierigkeit
der Abdichtung dieses Kolbens gegen Öl und Luft. Von der Zuverlässigkeit dieser
Abdichtung ist aber das gute Funktionieren des Federbeins abhängig, so daß die letztere
Anordnung in dieser Beziehung eine größere Überlegenheit besitzt. Ferner besteht
die Möglichkeit, nunmehr das Ansaugeventil für die Außenluft am oberen Ende des
Zylinders für den Hilfskolben anzubringen, wo es beliebig groß ausgeführt werden
kann. Die Größe dieses Ventils hängt dann von seiner Massenträgheit ab, die so gering
sein muß, daß das Ventil den Federstößen noch folgen kann.
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Die zuletzt erwähnte Ausführungsform läßt eine wesentliche Vereinfachung
des Gesamtaufbaues und eine Verringerung der Anzahl der zu bearbeitenden Flächen
zu, wenn nach einem weiteren Erfindungsgedanken die ganze Luftfederung um I8o° gedreht
wird, so daß der Zylinder des Federkolbens den unteren Teil der Luftfederungsanordnung
bildet. Auch die Baulänge wird hierbei geringer als bei dem vorher erwähnten Ausführungsbeispiel,
weil der besonders angesetzte kleine Zylinder für den Hilfskolben entfällt. Der
Hilfskolben wird vielmehr von dem seinen Zylinder bildenden oberen Teile der hohlen
Stange des Federkolbens aufgenommen. Zu diesem Zweck ist dieser obere Teil der hohlen
Federkolbenstange mit einer Querwand versehen, in der das Luftansaugeventil untergebracht
ist. Der Raum für die Bremsflüssigkeit ist in diesem Falle in dem unteren Teile
des Zylinders des Federkolbens untergebracht, und der mit dem Hilfskolben verbundene,
in den Raum der Bremsflüssigkeit eintauchende Bremskolben ist mit einem geschlitzten
Kolbenring mit abgeschrägten Kanten versehen.
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Die Zeichnung stellt vier beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
in Abb. I bis 4 je in einem senkrechten Achsenschnitt dar.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. I ist eine Luftfederung in Verbundausführung
gezeigt, wie sie z.B. bei der Abfederung von Flugzeugfahrgestellen Verwendung findet.
Die linke Darstellung gibt die Luftfederung im Schnitt und die rechte in Ansicht
wieder.
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Der Federkolben Io gleitet mit Spiel in dem Zylinder II, der nach
außen durch eine Dichtung I2 aus Gummi od. dgl. abgedichtet ist. Der Federkolben
Io ist hohl ausgebildet und hat einen inneren Zylinder 2, in dem der Hilfskolben
i, der im Zylinder i i starr befestigt ist, sich relativ zum Federkolben iö verschieben
kann. In dem Zylinder 2 befindet sich des weiteren ein frei schwimmender Kolben
3, welcher den Überdruckraumq.gegenüber derFlüssigkeiti3, diedieFlüssigkeitsbremse
darstellt, abschließt. Der Raum i3
mit der Bremsflüssigkeit steht
über untere Drosselöffnungen I4, den Hohlraum I6 des mantelrohrartigen Kolbens Io
und über obere Öffnungen I5 mit dem Federraum 5 in Verbindung. Auf diese Weise bildet
die Flüssigkeit der Flüssigkeitsbremse ein Schmier- und Feinabdichtungsmittel. Bei
der Federung geht der Hilfskolben I in dem Zylinder 2 nach unten. Hierbei wird im
Raum 4 die Luft höher verdichtet als im Raum 5. Die höher verdichtete Luft des Raumes
4 strömt links über die Manschettendichtung 6 des Hilfskolbens I. Die rechte Seite
der Dichtung im Hilfskolben I dichtet sowohl nach dem Überdruckraum 4 als auch nach
dem Federraum 5 ab. Hier mündet die Leitung I7 des Überdruckventils 7 ein, welche
den Druck bei ausgefederter Feder konstant hält. In diesem Falle tritt nämlich der
Hilfskolben I aus seinem Zylinder 2 heraus und gibt über die frei gewordene Öffnung
7' das Überdruckventil 7 frei, so daß eventueller Überdruck im Federraum 5 abblasen
kann. Die Abblasleitungen von je zwei Federungen sind miteinander verbunden, und
zwar durch ein gemeinsames Überdruckventil 7, desgleichen durch ein Einlaßventil
9 zum eventuellen Aufpumpen. Durch die Verbindung je zweier Federungen, wie sie
bei Flugzeugfahrgestellen Verwendung finden, wird erreicht, daß der Druck in beiden
Federn gleich bleibt und die eine sich nicht etwa stärker aufpumpt als die andere.
Durch die Art der Verbindung wird verhindert, daß die Luft von einer Feder vollständig
in die andere geht.
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Bei der geschilderten Tätigkeit des Hilfskolbens I arbeitet der frei
schwimmende Kolben 3 folgendermaßen: Beim Verdichten geht der frei schwimmende Kolben
3 langsam nach unten, so daß im Raum 4 ein Überdruck entstehen kann, der die Federung
und die Dämpfung verursacht. Wenn der Hilfskolben nach oben geht, d.h. der Federkolben
Io ausfedert, so wird durch den freien Kolben 3 über das im Hilfskolben I befindliche
Ansaugventil 8 Luft von diesem angesaugt.
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Es ist ersichtlich, daß bei der Federung gemäß der Erfindung nur wenige
gut gedichtete Dichtungsflächen vorhanden sind und sich der Aufbau des Federungselements
gegenüber bekannten Federungen vereinfacht. Daneben aber ist die Möglichkeit einer
starken Dämpfung gegeben, die sich insbesondere bei Luftfahrzeugen vorteilhaft auswirkt.
Dort ist nämlich eine starke Dämpfung beim Landestoß und eine schwächere Dämpfung
beim Rollen erwünscht. Die neue Bauart ermöglicht auch die Einhaltung eines konstanten
Druckes bei ausgefedertem Kolben Io. Da die Flüssigkeitsmenge, z.B. Öl, die die
Federung enthält, bei sonst guter Abdichtung lange Zeit ausreicht, ist die Wartung
des Elements äußerst einfach, wenn, sie überhaupt erforderlich ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 2 sind die gleichen Teile mit
den gleichen Bezugszeichen wie in Abb. I bezeichnet.
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Die Dichtung I2 zwischen dem mantelrohrartig ausgebildeten Federkolben
io und seinem Zylinder i i ist fest mit dem oberen Ende des Kolbens verbunden. An
der oberen Verbindungsstelle der beiden Rohre des Kolbens Io ist so viel Spiel gelassen,
daß das Stoßdämpferöl aus dem Mantelraum I6 des Kolbens Io zu der Dichtung I2 gelangen
kann, indem es bei der Federung nach oben geschleudert wird. Die untere Führung
26 für das Außenrohr des Federkolbens Io erhält durch einen (nicht dargestellten)
Nippel das erforderliche Schmiermittel. 27 ist ein Gegen- oder Zwischenring zwischen
dem Führungsklemmring 26 und dem Zylinder II für den Federkolben Io, und 25 ist
eine Überwurfmutter zum Verbinden der genannten Teile.
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Die Anordnung der Dichtung I2 am Kolben Io selbst hat auch noch den
Vorteil, daß man bei Einbeinfederwerken den Kolben Io an seinem unteren Ende so
gegen Verdrehen sichern kann, daß man am Kolben eine Führungsleiste und in dem Klemmring
26 eine entsprechende Nut anbringt (nicht dargestellt).
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Der Zylinder II des Kolbens Io ist oben durch einen Deckel 24 abgeschlossen,
der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem Hilfskolben I aus einem Stück
besteht. Zwischen dem Deckel und dem Zylinder ist eine Dichtung 23 vorgesehen. Man
könnte aber auch den Zylinder II und den Deckel 24 aus einem Stück herstellen und
den Hilfskolben I einschrauben. Am oberen Ende des Zylinders II ist ein Gummipolster
22 angebracht, das in dem Falle wirken soll, daß keine Luft mehr in dem Federbein
ist.
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Der Vorgang des Aufpumpens spielt sich folgendermaßen ab: Beim ersten
Hub saugt der Federkolben Io die Außenluft an. Damit ist dann schon ein Luftpolster
geschaffen, das aber nur etwa halb so groß ist wie das Luftpolster bei dem sich
normal einstellenden Druck. Danach wird das Federbein durch die Federbewegungen
mittels des im Durchmesser kleineren Hilfskolbens I so lange aufgepumpt, bis der
Federkolben seine normale mittlere Stellung erreicht hat.
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Während beim Aufwärtshub des Federkolbens Io die ganze Querschnittfläche
wirkt, unter Umständen zuzüglich der Dämpfungskraft des Schwimmkolbens 3, wenn nämlich
der Hilfskolben I und der Schwimmkolben 3 sich schon berührt haben, wirkt beim Abwärtshub
lediglich die Ringfläche, die sich durch den Abzug der Fläche des Hilfskolbens von
der Gesamtquerschnittfläche des Zylinders II ergibt. Dadurch werden die Rückstellkräfte,
und zwar sofort bei der Einleitung der Ausfederungsbewegung, geringer.
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Beim Einbau einer Luftfederung gemäß dem Beispiel nach Abb.2 in ein
Kraftrad ergibt sich der besondere Vorteil dieser Ausführung. Wenn die Luft infolge
langen Stillstandes des Rades aus der Federung entwichen ist, so genügt es, das
Vorder- und Hinterrad nur anzuheben, um den Beinen halbe Füllung zu geben. Da das
Kraftrad aber nomalerweise auf einem Ständer steht; braucht man nur das Vorderrad
anzuheben, was sich mit dem Lenker gut bewerkstelligen läßt. Das völlige
Aufpumpen
des Beines ist dann nach kurzer Fahrt geschehen. Ein weiterer Vorteil liegt darin,
daß das Bein sich bei Soziusbelastung selbsttätig einstellt. Damit die überschüssige
Luft, wenn wieder ohne Soziusbelastung gefahren wird, aus dem Federbein entweichen
kann, braucht man beispielsweise nur am unteren Ende des Zylinders kleine Längsriefen
anzubringen (in der Zeichnung mit IIa dargestellt).
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Diese Ausführungsform hat noch den Vorteil, daß man bei der Demontage
dieses Federbeines die Luft nicht vorher abzulassen braucht. Wenn man die Überwurfmutter
25 losschraubt, so wird die Öffnung 28 frei, so daß die Luft entweichen kann, bevor
die Mutter ganz gelöst ist. Sonst würde die Preßluft den Federkolben nach außen
schleudern.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 3 sind ebenfalls für die gleichen
Teile die gleichen Bezugszeichen gewählt wie in den beiden anderen Ausführungsbeispielen.
Bei dem Beispiel nach Abb. 3 ergibt sich eine weitere wesentliche Vereinfachung
des gesamten Aufbaues des Federbeines.
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Die Dichtung I2 zwischen Federkolben Io und seinem Zylinder II ist
wieder mit dem Kolben selbst fest verbunden. Das Stoßdämpferöl befindet sich in
dem Raum I3 des Federkolbens Io und tritt beim Aufwärtshub dieses Kolbens Io durch
einen Drosselspalt zwischen der Wandung des Raumes I3 und einem Drosselkolben 33
am unteren Ende des Schaftes 35 des Hilfskolbens I, ferner durch einen Ringraum
30 zwischen dem Schaft 35 des Kolbens I und der Wandung des Raumes I3 sowie durch
die Führung 36 des Kolbenschaftes 35 in den Federraum 5, so daß es nach und nach
durch die Kolbendichtung I2 hindurchtritt. Es gelangt dann schließlich auch in den
Raum zwischen dem Zylinder II und dem Federkolben Io, so daß auch die untere Führung
34 des Kolbens Io mit ausreichendem Schmiermittel versehen wird.
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Beim Einfederungshub geht der Federkolben Io nach oben, während der
kleinere Hilfskolben I in seinen Zylinder 2 eintritt. Der Kolben Io verdrängt dabei
das Bremsöl aus dem Raum I3, das durch den Ringraum 30 schließlich in den Federraum
5 gelangt. Die Kraft, die benötigt wird, um das Öl aus dem Raum I3 zu verdrängen,
preßt nun den kleinen Hilfskolben I in den Zylinder 2 weiter hinein, so daß die
Luft in dem Raum 4 dieses Zylinders 2 höher verdichtet wird als in dem Federraum
5. Diese höher verdichtete Luft drückt nun das im Boden des Hilfskolbens I angebrachte
Überdruckventil 3von seiI seinem Sitz ab und gelangt durch dieses Ventil in den
Federraum 5.
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Beim Ausfederungshub geht der Federkolben Io nach unten, so daß der
Ringraum 30 verkleinert und so eine Dämpfungskraft erzeugt wird, die durch Einwirkung
auf den unteren Kolbenansatz 33 des Hilfskolbens I diesen letzteren mit nach unten
nimmt. Dadurch vergrößert sich der Raum 4 des kleinen Zylinders 2, bis der darin
herrschende Druck sich schließlich unter I ata erniedrigt, so daß über das im oberen
Boden des Zylinder 2 angeordnete Lufteinlaßventil 8 frische Außenluft angesaugt
wird. Bei dieser Ausführungsform können die Rückstellkräfte noch kleiner gehalten
werden als bei der Ausführung nach Abb. 2, weil der Durchmesser des kleinen Zylinders
2 größer gewählt werden kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 4 ist das ganze Federbein um
I8o° gedreht, so daß der Zylinder II des Federkolbens Io den unteren Teil der Luftfederungsanordnüng
bildet. Der Zylinder II enthält auch in seinem unteren Teil den Raum I3 mit der
Dämpfungsflüssigkeit, in der sich der Drosselkolben 33 befindet, der an der Kolbenstange
35 des Hilfskolbens I angebracht ist. Der Kolben 33 besitzt einen Ring 33a, der
wie die üblichen Kolbenringe geschlitzt ist, dessen Kanten aber abgeschrägt sind.
Die Kolbenstange Ioa des Federkolbens Io bildet in ihrem oberen Teil 2 den Zylinder
für den Hilfskolben I und ist zu diesem Zweck mit einer Querwand versehen, in der
sich das Luftansaugventil 8 befindet. Im übrigen sind für die gleichen Teile die
gleichen Bezugszeichen gewählt wie bei den anderen Ausführungsbelispielen.
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Ein Vergleich, z. B. zwischen den beiden Ausführungsbeispielen nach
Abb. 3 und 4, ergibt ohne weiteres eine größere Einfachheit in der Anordnung und
im Gesamtaufbau für das Ausführungsbeispiel nach Abb. 4. Auch ist die Herstellung
einfacher und damit billiger, weil die Anzahl der fein zu bearbeitenden Teile geringer
geworden ist. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das Bremsöl, das durch die Dichtung
I2 des Federkolbens Io hindurchtreten könnte, das Federbein nicht verlassen kann,
sondern in dem Ringraum zwischen der Kolbenstange Ioa und dem Zylinder II des Federkolbens
Io verbleibt.
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Auch die Anzahl der Dichtungen ist geringer geworden, da nur die Kolbenstange
Ioa gegen die Außenluft abzudichten ist. Ferner ist die Zahl der verschiedenen Einzelteile
geringer geworden.
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Die Wirkungsweise des Federbeines ist aus der Zeichnung ersichtlich,
und auch die Vorgänge der Dämpfung sind zu beherrschen. Beien Federungshingang ergeben
sich, wie ohne weiteres zu ersehen ist, keinerlei Schwierigkeiten. Für den Federungsrückgang
ist noch folgendes zu beachten: Die Kraft des Luftpolsters hält der Kraft des Stoßes
das Gleichgewicht. Die Kraft des Stoßes läßt nach, wenn die Bodenunebenheit überfahren
ist. Das Luftpolster im Raum 37 beginnt den Zylinder i i nach unten zu drücken,
bis wieder Gleichgewicht hergestellt ist. Die nach oben wirkende Kraft ist nun etwa
doppelt so groß wie die nach unten wirkende Kraft. Der Kolben io wird also gehoben
werden. Sobald er aber nach oben geht, sinkt der Druck im Dämpfungsraum 13 unterhalb
des Kolbens, so daß der Kolben nur mit geringer Geschwindigkeit nach oben sich bewegen
kann. Der Hilfskolben i saugt also über das Ventil 8 Luft an. Beim Rückgang kann
ein Vakuum im Däinpfungsraum 13 nicht entstehen.
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Der geschlitzte Kolbenring 33a mit den abgeschrägten Kanten in dein
Drosselkolben 33 bewirkt, daß auch bei langsamen Stößen eine Dämpfungskraft
erzeugt
und somit Luft gefördert wird. Bei niedrigen Stoßgeschwindigkeiten legt sich der
Kolbenring 33a an die Wand des Zylinders II an, und da der Ringspalt zwischen diesen
beiden Teilen sehr klein ist, wird trotz der niedrigen Stoßgeschwindigkeit eine
genügend starke Dämpfungskraft erzeugt, die fähig ist, in dem Zylinderteil 2 des
Hilfskolbens I einen Überdruck zu erzeugen. der die Luft von dort über das Überdruckventil
3I in den Federzylinder II einströmen läßt. Bei raschen Stößen wird der Kolbenring
33a nach innen gepreßt, so daß niemals zu große Drücke entstehen können.