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Dnmpfungs- und Federelement Die Erfindung bezieht sich auf ein I)ärnpfungs-
und Federelement, bei dem die Federarbeit durch eine von einem Kolben oder Stempel
zu komprimierende Flüssigkeit aufgenommen wird.
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Durch umfangreiche Untersuchungen über die Kompressibilität von Flüssigkeiten
hat es sich gezeigt, daß die Flüssigkeitsfedern, die in verschiedenen Bereichen
der Technik bereits zur Anwendung kamen, eine größere Federarbeit aufnehmen können
als Stahlfedern gleichen Bauvolumens. Hinsu kommt der Vorteil eines wesentlich geringeren
Gewichts.
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Ein Problem bei Fltlssigkeits- oder Elastomerfedern, die hauptsächlich
aus einem das Druckmittel aufnehmenden, flaschenförmigen 1)ruckgefäß und einer in
das Gefäß eindringenden, dicht geführten Druckstange bestehen, ist neben der Änderung
der Kompressibilität des Druckmittels mit der Temperatur, die Wärmeausdehnung der
Flüssigkeit.
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Es sind Temperaturausgleichsvorrichtungen mit über Kolben oder Membran
arbeitender Stahl- oder Gasfeder bekannt (Patentsohrift Nr. 39058 des Amtes für
Erfindungs- und Patentwesen in der sowjetischen Besatzungszone Deutschlands) die
eine vom Arbeitsraum der Flüssigkeitsfeder getrennte Kammer haben und im Bereich
der Vorspannkraft über ein Ventil
Drosselquerschnitt oder Kapillarbohrung
mit der Flüssigkeitsfeder zusammenwirken, um die durch die Temperaturschwankungen
bedingte Volumenänderung der Flüssigkeit auszugleichen.
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Weiterhin ist eine Flüssigkeitsfeder mit Nachfüllvorrichtung mit Unterteilung
des Arbeitsraumes in zwei Teilräume bekannt (USA Patentschrift 2930 608), die durch
einen Drosselquerschnitt verbunden sind, wobei der eine Raum ständig unter dem Druck
einer Stahlfeder steht, ao daß ein Temperaturausgleich stattfindet.
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Die deutsche Auslegeschrift 1262 685 schlägt eine Flüssigkeitsfeder
vor, in der zwei gegeneinander verschiebbare Kolben konzentrisch angeordnet sind.
Der innere Kolben erweitert sich an seinem ins Gefäß ragendenEnde zu einem Stempel,
der zwischen sich und der Gefäßwand einen Drosselquerschnitt beläßt. Außerdem ist
der innere Kolben durch eine sich im Gefäß abstützende Stahlfeder belastet. Durch
den Drosselkolben werden Volumenänderungen der Flüssigkeit ausgeglichen und Stöße
aufgenommen.
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Die bekannten Lösungen haben den Nachteil, daß sie konstruktiv groß
und aufwendig sind.
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Der VorschlagtWärmeausdehnung des Druckmittels durch Einbringen einer
zweiten Flüssigkeit mit einem negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten in dasselbe
Druckgefäß zu kompensieren, kann nur theoretischen Charakter haben, da sich die
einzige Flüssigkeit mit negativem Ausdehnungskoeffizienten, nämlich Wasser zwischen
Oo C und +40 C, nicht eignet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, mit einfachen Mitteln, die das Volumen
der Plüssigkeitsfeder nicht unnötig vergrößern, einen Ausgleich der Wärmeausdehnung
des Druckmittels zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß in dem mit Druckmittel
gefüllten Gehäuse, in das der Stempel durch eine hochwertige Dichtung und ein Verschlußstück
geführt ist, mehrere elastisch verformbare Körper angeordnet sind. Die elastisch
verformbaren Körper haben vorzugsweise Kugelform, sind hohl und aus einem Material
mit hohem Elastizitätsmodul z.B. Lithium - Aluminium - Silikatglas gefertigt, dessen
theoretischer kixbischer Wärmeausdehnungskoeffizient zusätzlich nahezu 0 ist.
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Die elastisch verformbaren Körper sind in einen Stüzkörper eingebettet
und 80 vor gegenseitiger Berührung geschützt, wobei der Stützkörper selbst aus porösem,
kompressiblem Material besteht, in das das die Druckbelastung übertragende Druckmittel
wie in einen Schwamm eindringt.
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Das Verhältnis Druckmittelmenge zu Gehäusevolumen ist vorzugsweise
eo gewahlt, daß sich unter thermischer Einwirkung Druckmittelvolumen und Gehäusevolumen
im selben Maße ändern.
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Die Erfindung ist anhand der anhängenden Zeichnung näher beschrieben,
die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsfeder.
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In einem beliebig, vorzugsweise flaschenförmig geformten Gehäuse 1
von ausreichender Wandstärke befinden sich eingebettet in einen der Gehäuseform
angepaßten Stützkörper 2 Hohlkörper 3, die vorsugsweise, wie in der Zeichnung dargestellt,
Kugelform haben. Der Stützkörper 2 besteht aus
porlisem, leicht
kompressiblem Material z.B. Schaumstoff.
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Um die axiale Mitte des Gehäuses 1 besteht bis zu einer gewissen Tiefe
ein von den Hohlkörpern 3 und dem Stützkörper 2 freier zylindrischer Hohlraum 4.
In diesen Hohlraum 4, der zum Teil mit Druckmittel gefüllt ist, das auch in den
porösen Sützkörper 2 wie in einen Schwamm eindringt, ragt ein zylindrischer Stempel
5. Dieser Stempel 5 ist an der Gehäuseöffnung durch eine hochwertige Dichtung 6
gegen die Gehäusewand abgedichtet, so daß auch unter Belastung des Stempels 5 kein
Druckmittel nach außen dringen kann. Ein ringförmiges Verschlußstück 7 mit Gewinde
schließt die Öffnung des Gehäuses. ab. Durch seine zentrische Bohrung ist der Stempel
5 geführt.
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Das Wesentliche der Erfindung liegt darin, daß die in den Stützkörper
2 eingebetteten Hohlkörper 3 aus einem Material mit entweder negativem Temperaturausdehnungskoeffizienten
oder mit dem Ausdehnungskoeffizienten 0 oder mit sehr niedrigem positivem Ausdehnungskoeffizienten
gefertigt sind und zur Federung mit herangezogen werden, in einer Beanspruchungsart,
bei welcher die zulässigen Spannungen des Stoffes optimal ausgenutzt werden. Da
bekanntermaßen die Kugel den höchsten Druckbelastungen ausgesetzt werden kann, haben
die Hohlkörper 2 vorzugsweise Kugelform. Als Material kommt z.B. Lithium - Aluminium
- Silikatglas in Frage, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient nahezu 0 ist,
so daß von der Herstellung herrührende Restspannungen vermieden werden; die zulässigen
Druckspannungen dieser Verbindung liegen sehr hoch.
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Aus einer mathematischen Ableitung ergibt sich, daß die spezifische
Volumenabnahme einer Hohlkugel spannungsproportional
ist.
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wobei V das Volumen V die Volumenänderung o' die Druckspannung E das
Elastizitätsmodul ist.
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Der Quotient Z - ist also ein Indikator für die pro Volumeneinheit
zu speichernde Federarbeit. Die spezifische Federarbeit As1 d.h. die arbeit pro
Volumeneinheit1 wirddurch die Gleichung As = c . #2 beschrieben (c =Umrechnungskonstante).
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2E Das Elastizitätsmodul des Lithium - Aluminium - Silikatglases
E = 9400 kp/mm2 und die zulässige Druckspannung von # = 500 kp/mm2 lassen eine Energiespeicherung
zu, die ähnlich hoch liegt wie bei Flüssigkeiten, wobei die Wärmeausdehnung 0 ist.
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Bei einer Belastung des Stempels 5 überträgt sich der Druck auf das
im Gehäuse 1 stehende und den Stützkörper 2 durchdringende Druckmittel und vom Druckmittel
auf die Hohlkörper 3, die durch den Stützkörper 2 vor gegenseitiger Berührung und
vor Aufschwimmen geschützt sind.
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Die Hauptfederarbeit wird bei der erfindungsgemäßen Federeinheit durch
die Hohlkugeln geleistet, während ein geringerer Teil der Federarbeit durch die
Gehäusefederung und durch das Übertragungsdruckmittel aufgenommen wird. Der Anteil
des Übertragungsdruckmittels berechnet sich nach der mathematischen Theorie der
Kugelpackung und nach dem Stempel-Platzbedarf im eingefahrenen Zustand.
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Das Übertragungsmittel kann nunmehr nach anderen Gesichtspunkten,
z.B. geringe Wärmedehnung oder beste Schmierwirkung gewählt werden. Der Kompressibilitätskoeffizient
ist von zweitrangiger Bedeutung. Wird der Volumenanteil des Druckmittels so gewählt,
daß sich Druckmittelvolumen und Gehäusevolumen unter Wärmeeinwirkung in gleichem
Maße ausdehnen, so erhält man eine voll temperaturkompensierte Feder.