CN115698154B - 包括膨胀蜡的气压弹簧，包括所述气压弹簧的驱动*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气压弹簧，所述气压弹簧包括作为补偿介质的膨胀蜡，所述膨胀蜡用于在所述气压弹簧的、在跨度为‑40℃至+10℃的最低温度上至+40℃至+100℃的最高温度的工作温度范围内，降低所述气压弹簧弹力的温度依赖性。所述膨胀蜡在全部工作温度范围内，包括至少一个液相及至少一个固相，所述膨胀蜡包括多种伯醇。本发明还涉及一种用于翼板的驱动***，所述驱动***包括用于支承所述翼板的、根据本发明的气压弹簧，以及用于驱动所述翼板的机电驱动装置。

Description

包括膨胀蜡的气压弹簧，包括所述气压弹簧的驱动***
技术领域
本发明涉及一种气压弹簧(gas pressure spring)，所述气压弹簧包括作为补偿介质的膨胀蜡(expanding wax)，所述膨胀蜡用于在气压弹簧的、跨度为最低温度上至最高温度的工作温度范围内，降低气压弹簧弹力的温度依赖性(temperature dependency)。
本发明还涉及用于翼板(flap)的驱动***，所述驱动***包括用于支承翼板的气压弹簧及用于驱动翼板的机电驱动装置(electromechanical drive)。
现有技术
由于所使用的工作气体的压力随温度升高而增加(在理想工作气体的情况下，线性增加)的事实，因此获得气压弹簧的气体弹簧特征，所述气体弹簧特征涉及与温度相关的弹力。然而，在许多应用中，例如在用于翼板，特别是车辆翼板的驱动***中，需要与温度无关的弹力。因此，被设计为借助补偿介质补偿气体弹簧特征的温度依赖性的气压弹簧是现有技术中已知的。
出于该目的，气压弹簧包括例如工作缸，其与补偿活塞布置共同定义填充有工作介质的工作腔，以及可滑动地经如EP 1 795 777 A2中所述的工作缸的开口，伸入工作腔的工作杆。在此，补偿活塞布置受到工作介质的压力的作用及被提供于补偿腔中且随温度升高而膨胀的补偿介质的压力的作用，以使得工作腔的体积被增大。为使补偿活塞在温度降低时，可逆地返回至其初始位置，补偿活塞可以附加地受到被提供于返回腔中的返回介质的作用，以使得工作腔的体积被减小。
关于可用作补偿介质的物质，DE 31 41 295 A1笼统地指“特殊液体”。相反地，在源自同一主题领域的文献DE 25 11 289 A1中明确提及作为补偿介质的液压油。最后，根据US 4,613,115，特定物质的两相***，更准确地说是所观察到的物质的液相和气相在相应压力-温度条件下共存的***，被用作补偿介质。
然而，这些补偿介质中没有一个在实践中证明在各个方面都令人满意。具体而言，传统上使用的矿物油在气压弹簧的、通常所观察到的工作状态范围内的可用体积膨胀不足。在两相***中，主要由气相引起的高体积膨胀，由于气相的高可压缩性而无法实现。
根据EP 1 795 777 A2，补偿介质优选地为略低于其沸点或处于超临界状态(hypercritical state)的液体，因为该液体一方面表现出相对较高的体积膨胀，但另一方面，由于其仍然是液体的特性，该液体实质上是不可压缩的。二氧化碳(CO2)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、硫化氢(H2S)、氨(NH3)、二氯甲烷(CH3Cl)、二氧化硫(SO2)，以及六氟化硫(SF6)被列举作为优选补偿介质的示例。然而，这些补偿介质的不利之处在于，它们只能被引入气压弹簧内，并以巨大努力永久地保持于气压弹簧内，特别是因为它们是高度易挥发的，并且部分还是具有腐蚀性的及/或具有毒性的。此外，这些补偿介质中的许多补偿介质容易燃烧，出于安全原因和与运输法相关的原因，特别对于在车辆中的使用，这会造成问题。
技术目的
本发明的目的是提供一种极易生产且耐用的气压弹簧，以及用于翼板的、包括该气压弹簧的驱动***，其中气体弹簧特征的温度依赖性被可靠地补偿。
技术方案
本发明的主题提供根据权利要求1所述的气压弹簧，所述气压弹簧解决了技术目的。同样地，根据权利要求10的驱动***解决了技术目的。基于从属权利要求，有益实施例将变得显著。
实施例的描述
本发明涉及一种气压弹簧，气压弹簧包括作为补偿介质的膨胀蜡，膨胀蜡用于在气压弹簧的、跨度为优选-40℃至+10℃的最低温度上至优选+40℃至+100℃的最高温度的工作温度范围内，降低气压弹簧弹力的温度依赖性。
例如，气压弹簧可以实质上如DE 31 41 295 A1或EP 1 795 777 A2中所述的气压弹簧那样设计。气压弹簧优选地包括具有补偿活塞布置的工作缸及工作杆，工作缸设定填充有工作介质，特别是气态工作介质的工作腔，工作杆经工作缸的开口可滑动地伸入工作腔内。在此，补偿活塞布置受到工作介质的压力的作用及被提供于补偿腔中且随温度升高而膨胀的补偿介质的压力的作用，以使得工作腔的体积被增大。
为使补偿活塞在温度降低时，可逆地返回至其初始位置，补偿活塞可以附加地受到被提供于返回腔中的返回介质的作用，以使得工作腔的体积被减小。
在工作温度范围内，在温度升高的情况下，膨胀蜡经历至少一个相变，特别是从蜡状固相至液相的至少一个相变，该至少一个相变涉及体积的明显的相对增加，例如5％至20％的增加，特别是10％至15％的增加。以该方式，膨胀蜡体积的增加可以用以增大气压弹簧的工作腔，以防止温度升高导致的工作介质压力的增加及气压弹簧弹力相关的增加。
体积的相对增加δV被定义为体积的绝对增量ΔV除以最低温度下的体积VTmin所得的商。绝对体积增量ΔV为工作温度范围的最高温度Tmax下的体积VTmax减去工作温度范围的最低温度Tmin下的体积VTmin所得的差：
δV＝ΔV/VTmin＝(VTmax-VTmin)/VTmin
对于从最低温度Tmin＝-30℃至最高温度Tmax＝+80℃的工作温度范围，有益地获得了14％至18％的体积相对增量δV。
在本申请中，基于温度升高的示例概括地描述了与温度相关的效应。通常，假设温度依赖性效应是可逆的，即，与温度升高相比，温度依赖性效应在温度降低的情况下，实质上相反。
与其他工作介质相比，膨胀蜡的优势在于，由于其蜡状稠度及较低的化学反应性，膨胀蜡可以被容易地引入气压弹簧内。此外，由于膨胀蜡是固体或液体，并且在工作温度范围内，具有较低的化学反应性，因此可以通过简单的方式将膨胀蜡永久限制于气压弹簧中，以使其长期可靠地发挥作用。
膨胀蜡优选地在全部工作温度范围内，包括至少一个液相及至少一个固相。由于至少一个固相及至少一个液相的共存，在温度升高的情况下，膨胀蜡的体积将发生至少近似线性的增加，由此，工作介质压力的、实质上同样近似线性增加可以在全部工作温度范围内，被几乎完全地补偿。
由于在全部工作温度范围内，存在至少一个液相及至少一个固相，因此该膨胀蜡不同于温控阀中常用的膨胀蜡，在温控阀常用的膨胀蜡中，液相和固相只能在尽可能窄的温度范围内共存，以获得温控阀的、明确设定的切换温度。
至少一个液相及至少一个固相优选地结合或形成凝胶，以实现补偿介质体积的、均匀的温度依赖性变化，并且避免可能影响体积线性变化的、潜在的界面效应。然而，至少一个液相及至少一个固相也可以由至少一个相界，在空间上相互隔开。
本申请中指出的物质及物质的混合物的特性与标准压力(100kPa)相关，除非另有说明。
膨胀蜡优选地包括多种伯醇。作为补偿介质的伯醇具有多个优势，具体而言，伯醇不可以与水混合，因此可以构成对气压弹簧的腐蚀防护。除此之外，伯醇反应中性，不会对健康构成威胁。此外，具有设定链长，并因此具有设定熔化温度的伯醇是容易获得的。
最低温度优选为-30℃至0℃，特别是-20℃至-10℃。最高温度优选为+50℃至+80℃，特别是+60℃至+70℃。获得了具有上述最低温度及最高温度、涵盖气压弹簧的多个典型应用领域，特别是车辆建造的工作温度范围，以使得在典型应用领域中，气压弹簧弹力的温度依赖性的不利影响被避免。
膨胀蜡优选地包括多种烷烃，多种烷烃优选地具有相互不同的链长，烷烃优选地具有5至20范围内的最小链长，特别优选地具有10至15范围内的最小链长，并且具有20至35范围内的最大链长，特别优选地具有25至30范围内的最大链长。
膨胀蜡可包括例如10至25种，特别是15至20种具有相互不同的链长的烷烃。
作为补偿介质，烷烃具有多个优势；具体而言，由于没有官能团的稳定碳链，烷烃具有较低的反应性，超过一定链长几乎不可燃，并且只有在催化剂存在时才能裂解。此外，烷烃是可相互混合的，不会对健康造成危害，成本低廉，并且由于其约16以上链长的疏水特性，可构成对气压弹簧的腐蚀防护。
此外，具有相近链长的烷烃的熔化温度彼此接近。链中每增加一个碳原子，熔化温度通常提高约3K。熔化温度的较窄梯度允许在全部工作温度范围内，调整膨胀材料的、特别均匀的膨胀。
具有上述链长的烷烃具有分布于气压弹簧的全部工作温度范围内的熔化温度，并且从而确保至少一个液相及至少一个固相在全部工作温度范围内共存于补偿介质中。实验表明，补偿介质中烷烃的熔化温度实质上不偏离作为纯净物的烷烃的相关的熔化温度。
烷烃的缺点是需要精细的分离方法，以获得具有精确设定的单个链长的烷烃或具有精确设定的多个链长的烷烃。
膨胀蜡优选地包括具有相互不同的链长的多种伯醇或由具有相互不同的链长的多种伯醇组成，伯醇优选地具有3至15范围内的最小链长，特别优选地具有5至10范围内的最小链长，并且具有10至25范围内的最大链长，特别优选地具有15至20范围内的最大链长。
膨胀蜡可包括例如2至15种，特别是5至10种具有相互不同的链长的伯醇。
具有上述链长的伯醇具有分布于气压弹簧的全部工作温度范围内的熔化温度，并且从而确保至少一个液相及至少一个固相在全部工作温度范围内，共存于补偿介质中。实验表明，补偿介质中伯醇的熔化温度实质上不偏离作为纯净物的伯醇的相关的熔化温度。
膨胀蜡优选地包括具有相互不同的链长的多种烷烃及多种伯醇，或者由具有相互不同的链长的多种烷烃及多种伯醇组成。伯醇实质上可与烷烃混合，以使得可以有益地由伯醇及烷烃制成均匀的膨胀蜡。
在极短的链长(例如，8至10个碳原子)下，相对于具有相同熔化温度的烷烃，伯醇的特征在于-16℃至7℃的较低熔点，同时具有相对较高的闪点(flash point)。因此，可以使用伯醇实现较低的最低温度，而不会由此造成膨胀蜡较高的可燃性。
除此之外，即使在例如16至18个碳原子的相对较短的链长下，伯醇也具有49℃至59℃的较高的熔化温度。另一方面，具有18个碳原子的烷烃的熔化温度仅为28℃。因此，使用相对短链的伯醇可以获得较高的最高温度。对于相同的最高温度，需要具有相当大的链长的烷烃，与较短链的伯醇相比，其在化学上较不稳定，并且较昂贵。
伯醇混合物通常比烷烃混合物较昂贵。除此之外，与烷烃相比，具有相近链长的伯醇的熔化温度相差较大。因此，使用伯醇比使用烷烃较难在全部工作温度范围内，调整膨胀蜡的均匀膨胀。
为提供尽可能的性价比高且安全的，并且在全部工作温度范围内表现出均匀膨胀的膨胀蜡，因此特别有益的是，膨胀蜡包括多种伯醇及多种烷烃。
伯醇和/或烷烃的链长优选地在前文所述的范围内。膨胀蜡可以包括链长为例如8至18个碳原子的伯醇及链长为例如14至25个碳原子的烷烃，或者可以由链长为例如8至18个碳原子的伯醇及链长为例如14至25个碳原子的烷烃组成。
膨胀蜡中所含的伯醇优选地包括熔化温度低于膨胀蜡中所含的所有烷烃的多种伯醇，以及/或者熔化温度高于膨胀蜡中所含的所有烷烃的多种伯醇。
因此，在工作温度范围的上限及/或下限处，使用伯醇代替烷烃，以确保膨胀蜡的均匀膨胀，而不提高膨胀蜡的可燃性及成本，或降低膨胀蜡的化学稳定性。另一方面，在工作温度范围的中等范围内，由于烷烃相近的熔化温度，因此使用烷烃以确保膨胀蜡的较低成本及均匀膨胀。因此，通过伯醇及烷烃的该组合，最佳地利用了两个物质组各自的优点。
伯醇优选地占膨胀蜡1％至30％的物质的量百分比，优选10％至25％的物质的量百分比。以该物质的量百分比，可以以较低成本实现根据本发明的膨胀蜡的熔化性质及气压弹簧较高的应用安全性。例如，由25％的辛醇(octanol)及75％的市售烷烃膨胀蜡RubiTherm RT35组成的膨胀蜡，实现根据本发明的熔化性质。
膨胀蜡优选地包括至少一种抗氧化剂以避免膨胀蜡，特别是伯醇通过与氧的反应而发生潜在的降解。抗氧化剂包括例如抗坏血酸棕榈酸酯(ascorbyl palmitate)。其可溶于油，容易获得，并且安全。例如，抗氧化剂占膨胀蜡0.1％至10％，特别是0.5％至5％的物质的量百分比。
膨胀蜡优选地包括至少一种油，特别是用于气压弹簧的标准***油，例如由FuchsSchmierstoffe GmbH公司以商品名Titan SAF 1720出售的油。***油的优点在于它既可以用作膨胀蜡的组分，又可以用于改善气压弹簧的摩擦学特性。例如，该油占膨胀蜡的0.1％至10％，特别是0.5％至5％的物质的量百分比。该油的优点在于即使在较低温度下，例如低于-10℃，该油也以液相形式存在，并且因此确保膨胀蜡在较低温度下的功能。此外，该油还可以作为气压弹簧的润滑剂及/或阻尼剂，并且从而延长其使用寿命。
本发明涉及用于翼板的驱动***，该驱动***包括用于支承翼板的、根据本发明的气压弹簧，以及用于驱动翼板的机电驱动装置，例如线性驱动装置(linear drive)，特别是主轴驱动装置(spindle drive)。例如，翼板可以是车辆的翼板，特别是引擎盖(bonnet)、行李箱盖(boot lid)、后备箱盖(trunk lid)或鸥翼门(gull-wing door)。
用于翼板的、包括用于支承翼板的气压弹簧的驱动***及用于驱动翼板的机电驱动装置，在现有技术中是已知的。除使用根据本发明的气压弹簧代替通用的气压弹簧之外，根据本发明的驱动***可以设计为类似于根据现有技术的相应的驱动***，现有技术例如DE 103 13 440 A1或DE 10 2008 045 903 A1。
驱动***的气压弹簧用于将翼板抵抗重力地支承于任何位置，而机电驱动装置用于敞开及闭合翼板。此外，可以设想翼板的手动操作，如在DE 103 13 440 A1及DE 10 2008045 903 A1中所述。
气压弹簧必须具有较强的弹力，以使得其即使在较低的环境温度下，也能支承翼板。由于常用气压弹簧的弹力随温度的升高而增加，这导致在较高温度下，机电驱动装置或操作员必须施加非常大的力以闭合翼板。因此，驱动***必须包括非常强大的机电驱动装置，其价格昂贵，占用大量安装空间，并且在运行中消耗大量能量。除此之外，机电驱动装置及机械连接于翼板的、例如铰链的其他部件的磨损程度较高。
在现有技术中，通过使用悬架(suspension strut)代替气压弹簧以避免这些问题(例如DE10 2008 045 903 A1的第【0021】段)。尽管悬架具有几乎与温度无关的弹力，但与具有相近弹力的气压弹簧相比，悬架较大、较重且较昂贵。
因此，通过使用根据本发明的温度补偿式气压弹簧代替标准气压弹簧，提供了特别具有高性价比、易于生产、耐用、紧凑、节能且易于操作的、用于翼板的驱动***。
附图简要说明
本发明的其他优点、目的及特性将借助以下描述及附图来解释，其中根据本发明的主题通过示例的方式进行说明。相对于其在附图中的功能而言至少实质上等同的特征在本文可以用相同的参考标号表示，这些特征不必在所有附图中都提供有参考标号及解释。
图1示出根据本发明的气压弹簧的膨胀蜡的体积随温度的相对变化。
图2示出根据本发明的气压弹簧的另一膨胀蜡的体积随温度的相对变化。
图1
图1示出根据本发明的气压弹簧的膨胀蜡随以℃为单位的温度T、以％为单位的体积的相对变化δV。
图1检视的膨胀蜡是通过将RubiTherm RT35、Mahle-Beer及Paramelt Dilavest0-30等市售蜡等比例混合制成的，并含有下表1中列出的烷烃。物质的量比例由气相色谱法确定。
表1：
为测量膨胀蜡体积的温度依赖性，使用圆柱形柱塞(直径为3.98mm，横截面积为12.4mm2)在-10℃的初始温度下，将初始体积为3198.4mm3的膨胀蜡填充于圆柱形测量筒(内径为6mm，内长度为114mm)中。
测量筒在温控烘箱中经受温度斜坡。在每个所检测的温度下，与初始温度相比，在约20分钟的等待时间后，使用位移探测器检测由膨胀蜡抵抗3N反作用力的膨胀将柱塞从筒中推出的路径。
膨胀蜡体积的相对变化被计算为所检测到的路径与柱塞的横截面积的乘积除以初始体积。图1示出以该方式获得的膨胀蜡温度升高的值(圆形标记)及温度降低的值(正方形标记)。
图1所检视的膨胀蜡的主要组分(物质的量百分比>5％)具有6℃至48℃范围内的熔化温度(表1)。因此，膨胀蜡在约10℃至约50℃的全部工作温度范围内包括至少一个固相及至少一个液相。
从图1中可以看出，这导致在工作温度范围内体积随温度升高而近似线性地相对增加。该范围内测量数据的线性回归(虚线)示出R2＝0.96的相关系数。
综上，在-10℃至+60℃的检测温度范围内，获得了15％的体积相对增量，这足以补偿气压弹簧的温度依赖性。通过约15％的体积相对增量，可以实现补偿行程(compensationstroke)，补偿行程足以在结构中，以适当的平移比完全补偿或者甚至过度补偿气体弹簧的温度依赖性。
过度补偿提供一种可能性，即可以非常灵活地运行，并通过混合体积增量较少的相应的油，以精确调整每个气压弹簧类型所需的膨胀。
图2
图2示出根据本发明的气压弹簧的另一膨胀蜡随以℃为单位的温度T、以％为单位的体积相对变化δV。
图2所检视的膨胀蜡是通过等比例混合Orbesen公司的三种市售蜡制成的，其具有6℃至12℃、15℃至40℃及56℃至62℃的熔化范围，并含有下表2中列出的伯醇。物质的量比例通过气相色谱法确定。
表2：
膨胀蜡体积的相对变化根据结合图1所述进行测定。与图1不同的是，初始温度选为-20℃。
图1检视的膨胀蜡的主要组分(物质的量百分比>5％)具有7℃至59℃范围内的熔化温度(表2)。因此，膨胀蜡在约10℃至约50℃的全部工作温度范围内，呈现至少一个固相及至少一个液相。
如图2所示，这导致在工作温度范围内随温度的升高，体积近似线性的相对增加。该范围内测量数据的线性回归(虚线)示出R2＝0.98的相关系数。
综上，在-20℃至+75℃的检测温度范围内，获得了12％的体积相对增量，这足以补偿甚至过度补偿气压弹簧的温度依赖性。

Claims (9)

1.一种气压弹簧，所述气压弹簧包括作为补偿介质的膨胀蜡，所述膨胀蜡用于在所述气压弹簧的、在跨度为-40℃至+10℃的最低温度上至+50℃至+100℃的最高温度的工作温度范围内，降低所述气压弹簧弹力的温度依赖性，
其特征在于，
a.所述膨胀蜡在全部所述工作温度范围内，包括至少一个液相及至少一个固相，
b.其中所述膨胀蜡由具有相互不同的链长的多种烷烃及多种伯醇组成，
c.其中所述伯醇占所述膨胀蜡10％至30％的物质的量百分比，并且
d.其中所述膨胀蜡中所含的所述伯醇
i.包括具有低于所述膨胀蜡中所含的全部烷烃的熔化温度的多种伯醇，并且/或者
ii.包括具有高于所述膨胀蜡中所含的全部烷烃的熔化温度的多种伯醇。
2.根据权利要求1所述的气压弹簧，
其特征在于，
所述最低温度为-30℃至0℃。
3.根据权利要求1所述的气压弹簧，
其特征在于，
所述最高温度为+50℃至+80℃。
4.根据权利要求1所述的气压弹簧，
其特征在于，
所述膨胀蜡包括具有相互不同的链长的多种烷烃。
5.根据权利要求1所述的气压弹簧，
其特征在于，
所述烷烃具有5至20范围内的最小链长，以及20至35范围内的最大链长。
6.根据权利要求1所述的气压弹簧，
其特征在于，
所述伯醇占所述膨胀蜡10％至25％的物质的量百分比。
7.根据权利要求1所述的气压弹簧，
其特征在于，
所述膨胀蜡包括具有相互不同的链长的多种伯醇。
8.根据权利要求1所述的气压弹簧，
其特征在于，
所述伯醇具有3至15范围内的最小链长及10至25范围内的最大链长。
9.用于翼板的驱动***，所述驱动***包括
a)用于支承所述翼板的、根据权利要求1至8中任一项所述的气压弹簧，以及
b)用于驱动翼板的机电驱动装置。
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