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Gasdruck Stoßdämpfer

In den ersten 50 Jahren der Automobilgeschichte gab es keine geschwindigkeitsabhängigen Dämpfungselemente. Die damals bekannten Dämpflösungen funktionierten mit Trockenreibung, welche auf Leder oder Asbest als Reibbelag basierten. Diese verhinderten, dass die Federung bei kleinen Unebenheiten feinfühlig reagierte. Die statische (ruhende) Reibung ist wesentlich größer, als die dynamische (gleitende) Reibung. Abgesehen davon war die gewünschte Steigerung der Dämpfungsrate mit der Einfedergeschwindigkeit unmöglich. Auch die Reibungsdämpfer, welche ein Dämpfungselement aus Leder hatten, konnten diese Aufgabe nicht zufriedenstellend erfüllen.

Im Jahr 1906 schlug Houdaille die Hydraulikflüssigkeit als Dämpfungselement vor. Diese Hydraulikflüssigkeit wurde zwischen zwei Kammern und einer Drehpumpe über einem Ventil hin und her transportiert. Ab dem Jahr 1915 setzte man diese hydraulischen Rotationsdämpfer ein. Dies erfolgte bis zum Jahr 1934, denn da wurden die ersten translatorischen Dämpfer mit doppelwandigen hydraulischen Telekoprohren hergestellt. Die Produktion erfolgte durch die Firma Monroe in den USA, welche diese Teleskoprohre in Großserie günstig produzieren konnte.

In Europa wurden die drucklosen Teleskopstoßdämpfer als Zweirohrdämpfer erst in den fünfziger Jahren verwendet. Diese lassen nur einen eingeschränkten Einbauwinkel zu. Darüber hinaus besteht die Gefahr der Emulsionsbildung. Durch die Entwicklung der Einrohr-Gasdruckdämpfer in den 1940er Jahren konnte dieser Nachteil des Zweirohrdämpfers beseitigt werden.

Der Franzose Christian Bourcier de Carbon entwickelte den ersten Einrohr-Gasdruckdämpfer. Der Einrohr-Gasdruckdämpfer verfügte über ein Gasdruckpolster, welches den Volumenunterschied beim Ein-und Ausfahren des Kolbens ausglich. Hans Bilstein erwarb in der Folge die Rechte von Bourcier de Carbon. In Zusammenarbeit mit Mercedes entwickelte er im Jahr 1953 den ersten hochwertigen Einrohrdämpfer. Die ersten verstellbaren Dämpfer, welche bei hohen Fahrgeschwindigkeiten automatisch zu einer höheren Dämferrate umschalteten, wurden in den frühen 1980er Jahren in Japan vorgestellt. In Europa gelang es der Firma Boge die ersten Einrohrdämpfer für Mercedes herzustellen. Den Einrohrdämpfern folgten mehrstufige Dämpfer, die durch auf einen Schrittmotor umschaltbar waren, der auf der Kolbenstange sitzt. Bis Anfang der 1990er Jahre wurde in der Automobilindustrie fast ausschließlich Öldruck Stoßdämpfer verwendet. Seit dem Jahr 1994 sind Dämpfer am Markt verfügbar, die durch ein Proportionalventil betätigt werden, die sogenannten CDC-Dämpfer (Continuous Damper Control).

Immer mehr Gasdruckstoßdämpfer im Einsatz

Der Anteil der Gasdruck-Stoßdämpfer lag damals unter 5 Prozent. Einerseits werden zwischenzeitig fast 50 Prozent aller Neuwagen mit Gasdruck-Stoßdämpfern ausgeliefert. Gasdruck-Stoßdämpfer gehören mittlerweile zur Serienausstattung eines Fahrzeuges. Diese Tendenz ist sicherlich mit der Weiterentwicklung, sowie der kostengünstigeren Herstellung dieser Produkte zu begründen. Andererseits lassen immer mehr Autofahrer ihre defekten Öldruck-Stoßdämpfer durch Gasdruck-Stoßdämpfer austauschen. In den letzten Jahren ist der Anteil von Gasdruckstoßdämpfern um fast 500% gestiegen.

Die Preisunterschiede zwischen beiden Stoßdämpferarten sind inzwischen relativ gering.

Vorteile und Eigenschaften von Gasdruckdämpfern

Nachweislich bieten Gasdruck Stoßdämpfer viele Vorteile. Zum einem verringert sich die Reaktionszeit um rund 35 Prozent. Dies ist mit den unterschiedlichen Aggregatszuständen zu begründen. Der gasförmige Stickstoff verteilt sich schneller als das flüssige Öl. Bei einem sportlichen Fahrstil kann das Öl unter Umständen sogar aufschäumen, dies ist bei Gasdruck-Stoßdämpfern nicht möglich. Diese besseren Eigenschaften führen dazu, dass das Fahrzeug bereits auf kleine Bewegungen reagiert. Dadurch nimmt die Seitenneigung ab, das Spurverhalten verbessert sich. In einer Gefahrensituation wie beispielsweise bei einer Vollbremsung greifen die Reifen früher. Ein weiterer Vorteil ist im Komfort zu finden. Aufgrund der schnelleren Reaktion verbessert sich das Fahrverhalten, die Dämpfung ist höher.

Varianten von Gasdruckdämpfern

Gasdruck Stoßdämpfer werden in zwei Varianten angeboten, dies sind Einrohrsysteme und Zweirohrsysteme.

Aufbau und Funktion von Einrohrdämpfern

Einrohrdämpfer verfügen über ein eingeschlossenes Gasvolumen, welches zum Ausgleich des ein- und ausfahrenden Kolbenstangenvolumens dient. Das darin befindliche Gasvolumen wird mit Hilfe eines beweglichen Trennkolbens von den mit Dämpferöl gefüllten Arbeitskammern getrennt. Beim Einfahren, also in der sogenannten „Druckphase“, des Dämpfers kommt es zur Komprimierung des Gasvolumens entsprechend dem Volumenstrom. Beim Ausfahren, in der sogenannten „Zugphase“ wird das Gasvolumen entsprechend dem Volumenstrom entspannt. Der Druck des im Dämpfer befindlichen Gases beläuft sich in der Regel auf ca. 25 bis 35 bar. Dadurch können die maximal entstehenden Einfahrkräfte abgefangen werden. Der Arbeitsvolumenstrom strömt im Dämpferkolben durch das Dämpferventil. Während beim Einfahren der Arbeitsvolumenstrom durch das Druckstufenventil strömt, fließt es beim Ausfahren durch das Zugstufenventil.

Im Einrohrdämpfer entsteht ein sehr hoher Gasdruck. Damit besteht kaum eine Gefahr, dass es zu Kavitiationserscheinungen kommen kann. Die dabei entstehende Wärme wird direkt an die Umwelt über die Außenfläche abgegeben werden. Gegenüber ihrer schmalen Bauform, ihrem leichten Gewicht und der beliebigen Einbaulage stehen ihre große Baulänge, die erhöhte Reibung sowie die hohe Anforderungen in Bezug auf Abdichtung der Kolbenstange und Gasvolumen gegenüber.

Unter Kavitation versteht man die Bildung und Auflösung von dampfgefüllten Hohlräumen in Flüssigkeiten. Es sind zwei Fälle von Kavitation zu unterscheiden, wobei zu bemerken ist, dass es auch viele Übergangsformen gibt. Man unterscheidet zwischen der sogenannten Dampfkavitation und der Gaskavitation. Bei der Dampfkavitation, auch „harte Kavitaiton“, sind die Hohlräume hauptsächlich mit Dampf gefüllt. Diese Hohlräume fallen im Wege der Blasenimplosion in sich zusammen, nämlich unter Einwirkung des äußeren Drucks. Bei der Gaskavitiation oder der sogenannten „weichen Kavitation“ treten gelöste Gase in die Kavitäten und dämpfen das Zusammenfallen, während bei der stabilen der Zusammenfall verhindert wird. Unter der Kavitationszahl handelt es sich um die Neigung der Flüssigkeit zur Kavitation.

Entgegen der weitläufigen Meinung enthält auch das Einrohrsystem Öl. Grundsätzlich funktioniert das Prinzip ähnlich wie beim Gasdruck-Stoßdämpfer der auf dem Zweirohrsystem basiert. Ebenfalls wird nach dem Einfahren der Kolbenstange Öl verdrängt, dieses wird jedoch nicht ein anderes Rohr geleitet sondern verändert die Stellung des beweglichen Trennkolbens. Dieser drückt das Gaspolster zusammen. Aufgrund des gasförmigen Zustands verläuft dieser Prozess schneller als bei der ausschließlichen Verwendung von Öl. Äquivalent wie bei der Zweirohrtechnik bewirkt das Gas beim Zurückfahren der Kolbenstange, dass sich der Trennkolben wieder zurückschiebt.

Aufbau und Funktion von Zweirohrdämpfern

Bei der Zweirohrtechnik wird ein Niedergasdruck erzeugt, die Funktionsweise entspricht dem des Öldruck-Stoßdämpfers. Durch das Einfahren der Kolbenstange wird das Gas beziehungsweise das Öl verdrängt. Es gelangt durch das Bodenventil in das äußere Rohr. Erst beim erneuten Ausfahren der Kolbenstange kann das Öl wieder zurückfließen.

Im Detail funktioniert es wie folgt: Der Zweirohrdämpfer wird vom Arbeitszylinder und vom Behälterrohr geformt. Im Arbeitszylinder bewegen sich Kolben und Kolbenstange. Zwischen dem Arbeitszylinder und dem Behälterrohr befindet sich ein Ölvorratsraum. Der Ölvorratsraum dient zum Ausgleich der durch die Bewegungen der Kolbenstange entstehenden Ölvolumenänderungen im Arbeitsraum. Zum einen Teil ist der Ölvorratsraum mit Mineralöl und zum anderen Teil mit Luft befüllt. Dieser Teil steht unter einem Druck von 6 bis 8 bar. Während des Ein- und Ausfahrens der Kolbenstange verändert sich der Gasdruck im Ölvorratsraum entsprechend dem ausgetauschten Ölvolumen. Der Gasdruck wird einmal erhöht, einmal vermindert. Zur Dämpfung kommen zwei Dämpfungsventile zum Einsatz: einerseits das Kolbenventil, andererseits das Bodenventil. Diese bestehen aus einem Zusammenspiel aus Federscheiben, Schraubenfedern und Ventilkörpern mit Drosselbohrungen.

Kommt es zu einer Ausfederung des Fahrzeuges, übernimmt das Kolbenventil die Dämpfung. Das Ventil setzt dem nach unten strömenden Öl Widerstand entgegen, welches sich im Raum oberhalb des Kolbens befindet. Der sich aufwärts bewegende Kolben wird abgebremst. Das im Arbeitsraum benötigte Öl kann sodann ungehindert über das offene Rückschlagventil im Bodenventil zurückfließen. Beim Einfedern des Fahrzeuges wird die Dämpfung von Bodenventil und teilweise von Durchflusswiderständen des Kolbens in Richtung des Druckes bestimmt. Das Öl, welches durch die einfahrende Kolbenstange verdrängt wurde, strömt zurück in den Ölvorratsraum. Die Bewegung wird abgebremst aufgrund des Widerstandes, welches das Bodenventil der Strömung entgegensetzt. Das Kolbenventil verfügt über einen geringen Widerstand, welcher je nach Dämpfungsbedarf eingestellt wird. Im oberen Teil des Dämpfers ist die Kolbenstange abgedichtet. In geringer Menge kann über die Kolbenstangenführung Lecköl in den Raum austreten, der sich zwischen Dichtung und Führung befindet. Über Bohrungen in der Kolbenstangenführung kann das Lecköl in den Ölvorratsraum zurückgeführt werden. Die Kolbenstangendichtung besteht aus zwei Dichtelementen. Mit einer Wurmfeder wird die untere Dichtungskante auf die Kolbenstange gepresst. Da die Kolbenstand mit zwei kleinen, etwa 0,5mm auseinander liegenden Dichtkanten ausgestattet ist, wird eine gute Schmierung ermöglicht.

Aufgrund dieser Konstruktion erhöht sich die Lebensdauer der Dichtung. Die sogenannte Staublippe sorgt für die obere Abdichtung. Sie sorgt im Wesentlichen dafür, dass weder Fremdpartikel noch Staub in den Dämpfer und in die Dichtung gelangen. Die Dichtungselemente sind elastisch ausgeführt. Querverschiebungen, die durch Toleranzen oder einer Durchbiegung des gesamten Bauteils können damit aufgefangen werden. Abgesehen von der Staublippe gibt es noch ein Schutzrohr. Dieses erfüllt die Aufgabe des Fernhaltens von Schmutzpartikeln aus dem Inneren des Dämpfers.

Vergleich zwischen Einrohrdämpfern und Zweirohrdämpfern

Zusammenfassend kann über beide Dämpferarten Folgendes gesagt werden:

  • Im Einrohrdämpfer befindet sich ein höherer Gasdruck. Aufgrund dieses Umstandes hat der die Ventilfunktion des Einrohrdämpfers eine niedrigere Neigung zur Kavitation als beim Zweirohrdämpfer. Bei kurzen Hüben spricht die Dämpfung daher besser an.
  • Beim Zweirohrdämpfer ist die Kennliniengestaltung flexibler, da dieser über getrennte Ventile in Zug- und Druckrichtung verfügt. Beim Einrohrdämpfer ist daher die Druckdämpfung eingeschränkt aufgrund des darin befindlichen Gasdruckes, welche die Druckdämpfkräfte abstützen muss.
  • Beim Einrohrdämpfer ist aufgrund der druckbelasteten Dichtung die Reibung etwas höher als beim Zweirohrdämpfer.
  • Aufgrund der Anordnung des Ausgleichsraumes ist der Einrohrdämpfer schlanker, jedoch länger gebaut als der Zweirohrdämpfer.
  • Beim Einrohrdämpfer ist die Einbaulage des Dämpfers beliebig. Zweirohrdämpfer, die über keine Sondermaßnahmen verfügen, ist die Einbaulage senkrecht bis zu maximal 45° geneigt.
  • Das Gewicht des Einrohrdämpfers ist aufgrund der Anzahl der Teile geringer.
  • Der Zweirohrdämpfer hat sich als Standarddämpfer auf der ganzen Welt durchgesetzt, da er insbesondere im Federbein eingesetzt wird.
  • Der Einrohrdämpfer fand vor allem in Europa Verwendung.
  • Der Einrohrdämpfer ist insbesondere für radführende Aufgaben weniger geeignet.
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