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Hydraulischer Stoßdämpfer
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Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Stoßdämpfer für
hochbelastete Fahrzeugfedern, wobei ein Zylinder für die Aufnahme von Dämpfungsflüssigkeit
und eines dichtend entlang einer Hubstrecke verschiebbaren Kolbens vorgesehen ist,
der mit einer in den Zylinder von seiner anderen Stirnseite her eingeführten Kolbenstange
kleineren Durchmessers als der Kolben verbunden ist.
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Insbesondere soll der hydraulische Stoßdämpfer für Puffer von Schienenfahrzeugen
verwendet werden.
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Stoßdämpfer dieser Art können einerseits schlagartigen, dynamischen
Belastungen ausgesetzt sein, während sie andererseits auch nur sehr allmählich einwirkenden,
statischen Belastungen unterliegen können. Es kommt insbesondere bei dynamischen
Belastungen darauf an, daß die Feder in ihrer Wirksamkeit unterstützt wird, während
bei einer statischen Belastung die Wirkung der Federn
ausreicht
und lediglich der Dampfung bedart. Dynamische Belastungen liegen in der legel dann
vor, wenn die Belastungsstöße vor dem Zusammenkuppeln von Schienenfahrzeugen aufgefangen
werden müssen, wchingegen statische Belastungen beispielsweise in Kurven bestehen,
in denen die meist paarig vorhandenen Stoßdämpfer je nach Kurvenseite dllmählich
zunehmend belastet bzw. entlastet werden.
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Uemgellldl; liegt der Irfindung die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen
Stoßdämpfer der einleitend beschriebenen Art derart auszuführen, daß er sowohl für
starke dynamische Belastungen als auch für sogenannte statische Belastungen den
gestellten Anforderungen entspricht Erfindungsgemaß wird dies dadurch erreicht,
daß die Kolbenstange im Bereich der anderen Stirnseite des Zylinders von einer Ringscheibe
unter Bildung eines ersten Spaltes umgeben sowie mit einem Ansatz aus dem Zylinder
herausgeführt ist, der in einer sich an die kolbenferne Zylinderseite anschließenden
Kanner von einer ringförmigen Führung unter Bildung eines zweiten Spaltes mit im
Vergleich zum ersten Spalt wesentlich kleinerem Ouerschnitt abgestützt ist, wobei
in der zylindrischen Wandung der Kammer ein Oberdruckventil vorgesehen ist, welches
in ein mit der Kammer über den zweiten Spalt verbundenen Ausgleichsgehäuse mündet.
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Der neue Stoßdampfer arbeitet bei dynamischer Belastung irn wesentlichen
mit der Vernichtung von Strömungsenergie im ersten Spalt zwischen Kolbenstange und
Ringscheibe. Beim Einfahren des Kolbens wird die Dampfungsflüssigkeit von der zwischen
Kolben und Kolbenstange befindlichen Ringfläche mit sehr großer Energie in Richtung
auf die Ringscheibe gestoßen und dann gezwungen, durch den Spalt
zwischen
Ringscheibe und Kolbenstange hindurchzutreten. Dieser energieverzehrende Vorgang
entlastet die Fahrzeugfeder beträchtlich bereits während des Einfahrens des Kolbens.
Die Dämpfungsflüssigkeit gelangt am Austritt aus dem ersten Spalt in die sich anschließende
Kammer, in der an sich nur ein wesentlich kleinerer Spalt für den Durchtritt am
Ansatz der Kolbenstange vorbei gegeben ist. Deshalb öffnet sich bei schlagartiger
Belastung das in der Wandung der Kammer vorgesehene überdruckventil, so daß die
Dämpfungsflüssigkeit unmittelbar in das die Kammer umgebende Gehäuse einströmt.
Sie kann von dort bei der Rückwärtsbewegung infolge Belastung des Stoßdämpfers mit
der Federkraft sowohl durch den ersten ringförmigen Spalt als auch durch zuvor geschlossen
gehaltene Ventile in den Zylinder zurückströmen.
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Kommt es hingegen zu einer statischen Belastung, so bildet der erste,
ringf-örmige Spalt für die dann ohnehin nur langsam strömende Masse der Dämpfungsflüssigkeit
keinen nennenswerten Widerstand. Vielmehr bildet in diesem Falle der zweite, mit
erheblich kleinerem Querschnitt bestehende Spalt zwischen der Führung und dem Ansatz
der Kolbenstange einen der Belastung angemessenen Strömungswiderstand. Das überdruckventil
bleibt in diesem Falle geschlossen, während die Dämpfungsflüssigkeit durch den zweiten
Spalt in das Ausgleichsgehäuse gelangt. Sie kann von dort anschließend wieder in
den Zylinder in der bereits beschriebenen Weise zurückströmen.
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Mithin ist es auch bei der Ausführung des neuen Stoßdämpfers gleichgültig,
ob eine statische Belastung zuerst und sodann eine dynamische Belastung einsetzt,
oder aber ob das Belastungsverhältnis umgekehrt ist. Darüberhinaus besteht ein wesentlicher
Vorteil darin, daß beide Dämpfungsvorgänge geeignet sind, eine wegabhängige Dämpfungskraft
zu erzeugen. So kann man durch Querschnittsabweichungen der Kolbenstange oder aber
durch eine zwischen et
Führung und dem Ansatz der Kolbenstange in
letzterem vorgesehene Nut unterschiedlicher Abmessungen jeder Wegstrecke der Kolbenstange
bzw. ihres Ansatzes einen unterschiedlichen Querschnittsspalt zuordnen, so daß sich
entsprechend unterschiedliche Strömungswiderstände verwirklichen lassen. Diese unterschiedlichen
Querschnitte ergeben jeweils im Zusammenhang mit der Strömungs0 geschwindigkeit
der Dämpfungsflüssigkeit, welche bei der statischen Belastung wesentlich geringer
als bei der dynamischen Belastung ist, eine in der gewünschten Weise differenzierte
Dämpfungskraft.
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Die Ausgleichskammer des neuen Stoßdämpfers lä-ßt sich in einer zweckmäßigen
Weiterentwicklung der Erfindung als Druckbehäl Er ausbilden, der zusätzlich zur
Dämpfungsflüssigkeit ein Druckgasvolumen aufnimmt. Dieses Druckgasvolumen kann wiederum
so bemessen sein, daß hierdurch die Fahrzeugfeder überflüssig wird.
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Ein im Ausgangszustand mit nur einigen Atmosphären gespanntes Druckgasvolumen
kann in völlig eingefahrenem Zustand des Kolbens etwa den hundertfachen Betrag des
Ausgangswertes erreichen, so daß sich eine äußerst wirksame Feder ergibt. Der Druck
des Druckgasvolumens wirkt sich zusätzlich in an sich bekannter Weise günstig auf
das Verhalten der Dämpfungsflüssigkeit beim Durchgang durch die Dämpfungsöffnungen
aus, da er Kavitationserscheinungen in diesen Bereichen verhindert.
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Eine vor allem für den Bau von Schienenfahrzeugen geeignete Ausführungsform
des neuen Stooßdämpfers mit seiner Längsachse in horizontaler Stellung wird dadurch
erreicht, daß das Ausgleichsgehäuse bzw. der Druckbehälter die Kammer unter Bildung
eines über ihr liegenden Raumes umgibt, in den das freie Ende der Kammer und das
überdruckventil von unten einmünden.
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Um den Ausschub des Kolbens bei Entlastung nicht mehr als notwendig
zu verzögern, ist in der Ringscheibe ein sich bei Belastung schließendes und Entlastung
eine Verbindung von Ausgleichsraum bzw. Druckbehälter zum Zylinder herstellendes
Ventil vorgesehen.
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Dieses Ventil kann beispielsweise aus einer die Ringscheibe darchsetzenden
Öffnung bestehen, die mit einer auf der Kolbenseite der Ringscheibe in axialer Richtung
beweg 1 icti qeha 11 erier Ventil scheibe abgedeckt ist.
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Je nach Temperatur und Belastung nimmt die Dampfungsflüssigkeit mehr
oder weniger große Mengen an Druckgas auf. Es Kommt in Abhängigkeit von den bestehenden
Zuständen somit auch zu einer Ausscheidung von Druckgas innerhalb des Zylinders.
Um das sich hier ausscheidende Druckgas an einer Auswirkung auf die Dämpfung zu
hindern, ist zweckmäßig an der oberen Stelle der Ringscheibe eine Verbindungsöffnung
mit einem sehr kleinen Querschnitt zwischen Zylinder und Ausgleichsgehäuse bzw.
Druckbehälter vorgesehen. Der Querschnitt dieser Verbindungsöffnung wird mit Sicherheit
so klein gewählt, daß er weder auf die Dämpfungswirkung des ersten Spaltes noch
auf di-ejenige des zweiten Spaltes einen nennenswerten Einfluss ausüben kann.
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Die während des Betriebes auftretenden hohen Belastungen einerseits
sowie die hohen Innendrücke andererseits setzen eine starkwandige Ausführung von
Zylinder, Kammer und Druckbehälter voraus.
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Dies läßt sich besonders leicht dadurch erreichen, daß das Ausgleichsgehäuse
bzw. der Druckbehälter mit darin befindlicher Kammer und der Zylinder aus einem
einheitlichen Metallblock bestehen.
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Während der ani Ende des Zylinders bestehende erste Spalt ringförmig
ist, ist bei der Ausbildung des zweiten Spaltes zu berücksichtique, daß die Führung
des Ansatzes der Kolbenstange sichergestellt
bleiben IIIUI'j. Deshalb
ist es zweckmäßig. wenn der zweite Spalt für deri Ansatz der Kolbenstange von einer
im Ansatz in Längsrichtung verlaufenden Nut gebildet ist.
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Die bereits beschriebene, für viele fälle äußerst zweckmäßige Abhängigkeit
der Udmpfurlgskraft von der Weglänge wird bei dem die Kolbenstange umgebenden, ringförmigen
ersten Spalt dadurch erreicht, daß der Durchmesser der Kolbenstange über den Verschiebebereich
relativ zur Ringscheibe unterschiedlich ist.
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In besonderem Maße läßt sich hierdurch zugleich noch der Dynamik k
des Vorganges Rechnung tragen, da die Strömungsgeschwindigkeit zusätzlich einen
erheblichen Einfluss auf die Dämpfungskraft ausübt.
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Für den statischen Belastungsfall wird eine Abhängigkeit der Dämpfungswirkung
von der Weglänge dadurch erreicht, daß die Nutabmessung im Ansatz der Kolbenstange
über den Verschiebebereich relativ zur Führung unterschiedlich ist.
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Zur Veranschaulichung der Erfindung wird auf die sich auf ein Ausführungsbeispiel
beziehende Zeichnung Bezug genommen.
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Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Stoßdämpfer mit Gasdruckfeder
für den Einsatz in einem zeichnerisch nicht zur Darstellung gelangten horizontalen
Fahrzeugpuffer.
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Im wesentlichen stellt die Zeichnung einen Längsschnitt dar. An das
linke Ende des mit 1 bezeichneten Kolbens schliesst sich in an sich bekannter Weise
eine Pufferplatte zentral an, von welcher ein die Anordnung bis über die Mitte hinaus
umhüllendes, mit entsprechend großem Durchmesser ausgebildetes Rohr ausgeht, das
seinerseits in einem gleichfalls nicht dargestellten, äußeren
Rohr
geführt ist, welches zusammen mit der Bodenplatte 2 des Druckbehälters 3 an einer
Trägerplatte befestigt ist. Diese Trägerplatte steht in starrer Verbindung mit t
der stirnseitigen Fahrzeugwand. In den Rohren des Puffers liegt die Anordnung derartig,
daß ihre Längsachse 4 zentrisch zu der) Pufferrohren verläuft.
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Der Kolben 1 ist im Zylinder 5 dichtend geführt. Die Kolbenstange
I verläßt den Zylinder 5 durch die Innenöffnung 6 einer Ringscheibe 7. Dabei ist
der Durchmesser der Kolbenstange 2/stets kleiner als das Innenmaß der Ringscheibe
7. Auf diese Weise wird der beschriebene erste Spalt gebildet. Am rechten Ende der
Kolbenstange schließt sich der Ansatz 8 an, der in der Führung 9 gleitbar ist. Zwischen
der Führung 9 und dem Ansatz 8 wird der beschriebene zweite Spalt von der sich in
Längsrichtung des Ansatzes 8 erstreckenden Nut 10 gebildet.
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Ein versehentliches, völliges Ausfahren des Ansatzes 8 wird durch
dessen Stirnscheibe 11 verhindert, die in der Grenzlage an der Führung 9 anliegt.
Die Führung 9 stützt in der beschriebenen Weise den Ansatz 8 innerhalb der sich
an den Zylinder anschließenden Kammer 12 ab. Letztere besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel
aus einer in einen Block 13 aus Metall eingesetzten Büchse 14, jedoch kann die Kammer
12 auch von einer in einen Gesamtblock eingebrachten Bohrung gebildet sein. Das
rechte Ende der Kammer 12 steht über eine Offnung 20 mit dem Druckbehälter 3 in
Verbindung. In letzteren mündet ebenfalls das Oberdruckventil 15, welches von der
zylindrischen Wand der Kammer 12 vor der Führung 9 abzweigt. Es besteht aus einem
mittels der Tellerfedern 16 gehaltenen Stopfen, der im Bereich der Ventilöffnung
an der Wand der Kammer 12 anliegt.
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Den Rückfluss der Dämpfungsflüssigkeit aus der Druckkammer 3 dient
im wesentlichen neben dem ersten Spalt die Ventilöffnung 17, die auf der dem Kolben
1 zugekehrten Seite von der Ventilscheibe 18 abgedeckt ist, wenn der Kolben 1 einfährt,
wohingegen sie sich öffnet, wenn der Kolben 1 ausgeschoben wird. Sich eventuell
im Bereich des Zylinders 5 abscheidendes Gas wird durch die Verbindungsöffnung 19
in den Druckbehälter 3 zurückgeführt.
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Die Bedingung, daß der Querschnitt des genannten zweiten Spaltes wesentlich
kleiner als derjenige des genannten ersten Spaltes sein soll, ist dann erfüllt,
wenn der Querschnitt des zweiten Spaltes etwa den zehnten Teil desjenigen des ersten
Spaltes oder weniger beträgt.