DE102013112818A1 - Federelement - Google Patents
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Abstract
Description
- Gegenstand der Erfindung ist ein Federelement mit interner Bremseinrichtung.
- Gasfedern werden als Federelemente in Fahrzeugen, im Möbelbau oder auch sonst in der Technik in weiten Gebieten angewandt, um über einen gewissen Weg eine nur in geringen Grenzen wegabhängige Kraft bereitzustellen. Zum Beispiel dienen Gasfedern zum Unterstützen des Gewichts von Klappen oder anderen Gegenständen, zum Schließen von Türen und dergleichen Zwecken.
- Beim Einsatz von Gasfedern als Federelement an Schiebetüren, beispielsweise zum Fördern des Schließens derselben, muss die Schiebetür vor dem Ende ihres Schließwegs an die Gasfeder angekoppelt werden. Dies soll möglichst ohne Stoß und Ruck erfolgen. Außerdem sollte die Schiebetür sanft abgebremst und langsam eigenständig in ihre Endposition bewegt werden. Deswegen sind bei solchen Anwendungen, in denen die Gasfeder ein Bauteil in eine Endlage führt, Anschlagdämpfungssysteme erforderlich.
- Daraus leitet sich die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ab, ein Konzept anzugeben, mit dem sich ein vereinfachter Aufbau derartiger Systeme erreichen lässt.
- Diese Aufgabe wird mit dem Federelement nach Anspruch 1 gelöst:
Das erfindungsgemäße gebremste Federelement weist zwei Federmittel auf, die an einander entgegengesetzten Enden einer Dämpferanordnung angeordnet sind. Die Federmittel können durch mechanische Federn, federnde Gaspolster oder ähnliches gebildet sein. Die Federmittel können einzeln oder beide mit der Dämpferanordnung in einem Zylinderrohr integriert untergebracht oder ganz oder teilweise außerhalb desselben angeordnet sein. Die zwischen den beiden Federmitteln gehaltene Dämpferanordnung kann an bewegte Elemente, z.B. eine Schiebetür während der Bewegung geräuscharm und ruckarm angekoppelt werden. - Wenigstens eines, bedarfsweise auch beide Federmittel können dazu vorgesehen sein, das Fluid in der Dämpferanordnung unter Druck zu setzen, um die Kolbenstange in Ausfahrrichtung vorzuspannen. Die Dämpferanordnung kann aber auch drucklos ausgebildet sein. Weiter ist es möglich, zur Druckbeaufschlagung der Dämpferanordnung ein gesondertes (drittes) Federmittel vorzusehen.
- Zur axial federnden Aufhängung der Dämpferanordnung können zwei an ihren axialen Enden angeordnete, als Federn wirkende Gasräume und/oder auch mechanische Druckfedern vorgesehen sein. Die Kolbenstange kann sich durch ein Ende des Zylinderrohrs und gegebenenfalls durch einen Trennkolben hindurch in den Ölraum erstrecken und dort mit dem Dämpferkolben verbunden sein. In dem Ölraum ist eine Flüssigkeit, vorzugsweise Öl, angeordnet, die bzw. das die Bewegung des Dämpferkolbens und somit die Bewegung der Kolbenstange hemmt. Der Überdruck im Gasraum und/oder die mechanischen Federn können den Ölraum unter Vermittlung mindestens eines Trennkolbens unter Druck setzen. Das Federelement hat deswegen an seiner Kolbenstange die sich aus dem Produkt des Querschnitts der Kolbenstange und der Federkraft ergebende Kraft. Der Ölraum und die Kolbenstange wirken als Kraftspeicher; der Ölraum und der Dämpferkolben wirkt als Dämpfereinrichtung; die Gasräume oder die mechanischen Federn wirken als federnd nachgiebige Zentrierung und als Kraftquelle für das Federelement.
- Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Federelement am Beispiel einer Gasfeder erläutert. Die Beschreibung gilt entsprechend im übertragenen Sinne auch für ein erfindungsgemäßes Federelement, das anstelle der Gaspolster mechanische Federn aufweist.
- Die von der Kolbenstange maximal erzielbare Geschwindigkeit relativ zu den Trennkolben ist durch die Wirkung des Dämpferkolbens begrenzt. Schnellere Bewegungen bewirken eine Kompression eines der Gasräume und werden somit federnd aufgefangen. Auf diese Weise können bewegte Gegenstände, die sanft in eine Endposition zu überführen sind, ohne Einsatz zusätzlicher Dämpfer an die gebremsten Gasfeder weitgehend stoßfrei angekoppelt werden.
- Es ergibt sich durch die Anordnung von Gaspolstern beidseits des Ölraums in beiden Bewegungsrichtungen der Kolbenstange ein federnder Anschlag. Die Vermeidung von harten Anschlägen an den Enden des Bewegungswegs der Kolbenstange kann ebenfalls zu erheblichen Konstruktionsvereinfachungen in den Systemen führen, in denen die gebremste Gasfeder Anwendung findet.
- Vorzugsweise ist das zwischen beiden Trennkolben eingeschlossene Volumen mit Öl blasenfrei gefüllt. Dies ergibt in allen Einbaulagen eine gleichmäßige ruckfreie Bewegung der Kolbenstange.
- Die Gasräume zwischen den Enden und den Trennkolben der Gasfeder sind vorzugsweise mit einem inerten Gas, wie beispielsweise Stickstoff, gefüllt. Dieses steht unter Überdruck, wobei durch die Größe des Drucks und die Gasmenge in den beiden Gasräumen die Kraft der Gasfeder und die Federwege an den beiden Enden der Gasfeder wunschgemäß eingestellt werden können. Dazu ist wenigstens an dem von der Kolbenstange abliegenden Ende des Zylinderrohrs ein Füllventil vorgesehen. Es ist darüber hinaus möglich, an dem kolbenstangenseitigen Ende des Zylinderrohrs ein weiteres Füllventil anzubringen, falls gewünscht.
- Der Dämpferkolben legt mindestens einen Überströmweg für das Öl fest, so dass es von einer Kolbenseite auf die andere gelangen kann. Der Überströmweg kann durch den Dämpferkolben oder an dem Dämpferkolben vorbeiführen. Es wird bevorzugt, in dem Dämpferkolben eine oder mehrere Drosselbohrungen anzubringen, die durch den Dämpferkolben führen und den Ölfluss beschränken.
- In dem Überströmweg kann ein Ventilmittel angeordnet sein, das in beiden Durchströmungsrichtungen unterschiedliche Strömungswiderstände festlegt. Das Ventilmittel kann z.B. ein axial beweglicher Dichtungsring sein, der je nach Relativposition zu dem Kolben einen Kanal freigibt oder verschließt.
- Der Überströmweg kann auch durch einen Kanal mit einer Drosselbohrung gebildet sein. Der Kanal kann symmetrische Strömungseigenschaften haben, d.h. bei Vorwärts- und Rückwärtsdurchströmung jeweils den gleichen Strömungswiderstand erzeugen. Es können jedoch auch, wie oben angegeben, ein oder mehrere Kanäle mit einem Ventil vorgesehen sein, um in unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche Dämpfungseigenschaften zu erzielen.
- Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen bzw. gehen aus Zeichnung oder Beschreibung hervor. Es zeigen:
-
1 die gebremste Gasfeder in Seitenansicht, -
2 die Gasfeder nach1 , in entlang der Line B-B geschnittener Darstellung, -
3 eine Ausführungsform des Dämpferkolbens in schematisierter Schnittdarstellung, -
4 Ausführungsformen des Dämpferkolbens in schematisierter Schnittdarstellung, -
5 ein Kraft-Weg-Diagramm der gebremsten Gasfeder nach1 und2 , -
6 und7 Abgewandelte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Federelements. - In
1 ist als veranschaulichendes Beispiel für ein erfindungsgemäßes Federelement1 eine gebremste Gasfeder10 veranschaulicht, die ein Zylinderrohr11 und eine axial aus diesem herausragende, vorzugsweise zylindrischen Kolbenstange12 aufweist. An dem äußeren Ende13 der Kolbenstange12 können Strukturen zur Befestigung weiterer Bauteile, wie beispielsweise Gewinde oder dergleichen, vorgesehen sein. An dem entgegen gesetzten Ende der Gasfeder10 , das zugleich das Ende14 des Zylinderrohrs11 ist, kann ebenfalls eine Befestigungsstruktur, wie beispielsweise ein Gewindestutzen, eine Öse oder dergleichen, angebracht sein. - Der Aufbau der gebremsten Gasfeder
10 ergibt sich im Weiteren aus2 . - Wie ersichtlich, ist das Zylinderrohr
11 an seinem ersten Ende14 sowie an seinem gegenüberliegenden Ende15 durch Verschlussstücke16 ,17 abgedichtet geschlossen. Das Verschlussstück17 weist eine Durchgangsöffnung auf, durch die sich abgedichtet axial verschiebbar die Kolbenstange12 erstreckt. Das Verschlussstück16 kann mit einer Füllbohrung18 versehen werden, die zum Einbringen der Gasfüllung dient und durch ein Ventil19 verschlossen sein kann. - In dem von dem Zylinderrohr
11 umschlossenen Innenraum ist in Nachbarschaft zu dem Verschlussstück16 ein Trennkolben20 angeordnet. Dieser ist an seinem Umfang abgedichtet axial verschiebbar in dem Zylinderrohr11 angeordnet. Er begrenzt zusammen mit dem Verschlussstück16 und einem Abschnitt des Zylinderrohrs11 einen ersten Gasraum21 . - Ein zweiter Trennkolben
22 ist in einigem Abstand zu dem Verschlussstück17 angeordnet, um mit diesem und einem entsprechenden Teil des Zylinderrohrs11 einen zweiten Gasraum23 zu begrenzen. Beide Gasräume21 ,23 sind mit unter Druck stehendem Gas, beispielsweise Stickstoff, gefüllt. Der Druck kann je nach Anwendung festgelegt sein und beispielsweise10 ,20 ,50 ,70 Bar oder mehr betragen. - Die Kolbenstange
12 erstreckt sich durch das Endstück17 und durch den Trennkolben22 abgedichtet in einen Ölraum24 , der zwischen den beiden Trennkolben20 ,24 festgelegt ist. Der Ölraum24 beherbergt einen Dämpferkolben25 , der an dem inneren Ende der Kolbenstange12 befestigt ist. Der Dämpferkolben25 ist in dem Zylinderrohr11 axial verschiebbar, wobei er einen Übertritt von Öl aus einem Teilraum24a in einen Teilraum24b und umgekehrt gestattet. Der Teilraum24a ist zwischen dem Dämpferkolben25 und dem Trennkolben20 definiert. Der Teilraum24b ist zwischen dem Dämpferkolben25 und dem Trennkolben22 festgelegt. Der zwischen den beiden Trennkolben vorhandene Abschnitt des Zylinderrohrs11 , der Dämpferkolben und das in dem Ölraum24 vorhandene Öl bilden eine Dämpferanordnung30 , die zwischen den Trennkolben20 ,22 ausgebildet ist. - Der Dämpferkolben
25 ist aus3 ersichtlich. An seinem Außenumfang kann er mittels einer Dichtung25a gegen das Zylinderrohr11 abgedichtet sein. Die Dichtung25a kann zum Beispiel ein O-Ring sein. Die Dichtung25a sitzt in einer Ringnut, axial wesentlich breiter sein kann als die Dichtung, so dass eine gewisse axiale Beweglichkeit der Dichtung25a gegen den Dämpferkolben25 gegeben ist. Damit kann die Dichtung25a als Ventilmittel dienen, das einen oder mehrere Überströmkanäle26 richtungsabhängig freigibt oder verschließt. Der Überströmkanal führt von einer Kolbenseite auf die andere oder von einer Kolbenseite zu der Umfangsfläche desselben. - Alternativ kann Überströmkanal
26 auch ohne Ventilmittel ausgebildet sein. Er kann eine Drosselstelle27 enthalten, um den Ölfluss zu beschränken und dadurch eine Dämpferwirkung zu erzielen. Es ist möglich, einen oder mehrere solcher Überströmkanäle26 vorzusehen. - Es können für manche Anwendungsfälle auch ein oder mehrere Überströmkanäle
26 mit einem Ventil, beispielsweise einem Rückschlagventil28 , versehen sein, wie es beispielhaft in4 unten angedeutet ist. Damit lassen sich verschiedene Verschiebewiderstände des Kolbens25 in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung erzielen. Auch ist es möglich, auf die am Umfang des Dämpferkolbens25 vorgesehene Dichtung zu verzichten und zwischen der Kolben-Umfangsfläche und dem Zylinderrohr11 einen spaltartigen Überströmweg festzulegen. Auch kann der Dämpferkolben25 an seiner Umfangsfläche mit einer oder mehreren Überströmnuten versehen sein. - Die insoweit beschriebene Gasfeder
10 arbeitet wie folgt:
5 veranschaulicht das Weg-Kraft-Diagramm der Gasfeder nach1 und2 in einer Situation, bei der eine Schiebetür mit Schwung und somit einer gewissen Anfangsgeschwindigkeit fährt und dabei an die Kolbenstange12 der Gasfeder10 angekoppelt wird. Die Kolbenstange12 kann sich dabei in eingefahrener Position befinden. Das zwischen dem Dämpferkolben25 und dem Trennkolben22 vorhandene Öl kann nur durch den Überströmkanal mit beschränkter Rate abströmen. Dadurch wird der Trennkolben22 in Richtung des Ausfahrens der Kolbenstange12 gegen den Druck des Gaspolsters in dem Gasraum23 bewegt. Diese wird in dem Kennlinienabschnitt I komprimiert. - Bei dem oben beschriebenen Vorgang wird die Schiebetür sanft abgebremst. Danach beginnt sich das Gaspolster in dem Gasraum
23 wieder zu entspannen, so das der Trennkolben22 allmählich in seine Ausgangslage zurückkehrt, was dem Kennlinienabschnitt II entspricht. - Nachdem dies erreicht ist, hört die verlangsamende Funktion der Gasfeder
10 auf und sie wirkt als Antrieb, der die Schiebetür kontrolliert in Schließstellung fährt. Dieser Kennlinienabschnitt III ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gasräume21 ,23 vermittels der Trennkolben20 ,22 das Ölvolumen in dem Ölraum24 unter Druck setzen. Die an der Kolbenstange12 wirkende nach außen (rechts) gerichtete Kraft ist gleich dem Produkt aus Gasdruck und Kolbenstangenquerschnitt. Jedoch kann sich die Kolbenstange in dem Abschnitt I der Kennlinie nur relativ langsam bewegen. Die Drosselstelle27 wirkt verlangsamend und gestattet ein Ausfahren der Kolbenstange12 nur mit einer Geschwindigkeit, mit der das Öl aus dem Teilraum24 b in den Teilraum24a strömen kann. Ist der Dämpferkolben25 an dem Trennkolben22 oder die Tür an ihrem Endanschlag angekommen, stoppt die Bewegung. - Die vorliegend beschriebene Gasfeder kann zum Beispiel als Schließerfeder an schweren Schiebetüren eingesetzt werden. Sie drängt die Schiebetür in ihre Endlage, die bei ausgefahrener Kolbenstange erreicht wird. Umgekehrt erfolgt das Öffnen der Schiebetür zunächst gegen die Kraft der Gasfeder. Sobald diese komprimiert ist, wird sie durch einen äußeren nicht weiter veranschaulichten Mechanismus arretiert und die Schiebetür wird abgekoppelt, um weiter geöffnet zu werden. Beim Schließen wird die Schiebetür zunächst von Hand Richtung Endlage bewegt. Sobald sie sich der Endlage nähert, koppelt der Mechanismus die Gasfeder wieder an die Schiebetür an, um diese abzubremsen und dann sanft in ihre End- und Schließlage zu fahren. Die Gasfeder wirkt somit dreifach, nämlich nachgiebig federnd beim Ankoppeln der bewegten Schiebetür an die Kolbenstange, dämpfend und bremsend bei der Bewegung und zugleich antreibend, um die Schiebetür in Endlage zu führen.
- Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Für bau- oder funktionsgleiche, schon beschriebene Elemente werden dabei die vorhandenen Bezugszeichen ohne erneute Beschreibung verwendet. Die vorige Beschreibung gilt insoweit entsprechend.
- Bei der in
6 veranschaulichten Ausführungsform des Federelements1 ist die Dämpferanordnung30 zwischen zwei mechanischen Druckfedern21a ,23a gehalten. Diese können in einem lediglich symbolisch angedeuteten äußeren Gestell31 abgestützt sein, so dass die Dämpferanordnung30 in Richtung ihrer Kolbenstange12 axial federnd beweglich ist. Die Dämpferanordnung30 umfasst einen Zylinder mit dem darin ausgebildeten Ölraum24 und dem dort verschiebbar gelagerten Dämpferkolben25 . Der Dämpferkolben20 fehlt bzw. ist durch einen festen Zylinderabschluss ersetzt. In dem Zylinder11 kann der Ölraum24 wenigstens einseitig wiederum durch den Trennkolben22 abgegrenzt sein. Zwischen dem Trennkolben22 und dem Verschlussstück17 ist wiederum der Gasraum23 ausgebildet, in dem unter mehr oder minder großen Druck stehendes, vorzugsweise inertes Gas vorhanden ist, um einen Druck auf die Füllung des Ölraums24 auszubilden. Das so ausgebildete Gaspolster kann auch durch eine mechanische Druckfeder unterstützt oder ersetzt sein. - Die Funktion dieses Federelements
1 entspricht weitgehend der Funktion des zuvor beschriebenen Federelements nach1 und2 mit dem Unterschied, dass hier die Kraft zum Ausfahren der Kolbenstange12 von dem Gaspolster in dem Gasraum23 (und/oder der alternativen mechanischen Druckfeder) unabhängig von der Kraft der Druckfedern21a ,23a festgelegt ist. - Eine weiter abgewandelte Ausführungsform des Federelements
1 ergibt sich aus7 . Dem Zylinderrohr11 fehlen hier das Verschlussstück17 sowie beide Gasräume21 ,23 . Die Druckfeder23a stützt sich direkt auf dem Trennkolben22 ab. Der erste Trennkolben20 ist, wie schon bei dem Federelement1 nach6 , durch einen festen Zylinderabschluss20a ersetzt. - Die Funktion entspricht weitgehend der zuvor im Zusammenhang mit
1 und2 beschriebenen Funktion des Federelements1 mit dem Unterschied, dass die Wirkung der Gaspolster in den Gasräumen21 ,23 durch die Druckfedern21a ,23a übernommen wird. - Es wird darauf hingewiesen, dass bei einer weiter alternativen Ausführungsform der Trennkolben
22 durch eine in dem Zylinderrohr11 feststehende Wand ersetzt und der Zylinderabschluss20a durch den axial beweglichen Trennkolben20 gebildet sein kann. Auch eine solche Anordnung erbringt die oben beschriebene Funktion. - Erfindungsgemäß wird ein gebremstes Federelement
10 vorgeschlagen, das an den Enden seines Zylinderrohrs zwei Federmittel, vorzugsweise federnde Gaspolster21 ,23 aufweist. Durch Trennkolben20 ,22 sind diese von einem Ölraum24 getrennt, der unter dem gleichen Druck steht. In dem Ölraum24 ist ein Dämpferkolben25 angeordnet, der mit der Kolbenstange12 verbunden ist. Die Gaspolster21 ,23 wirken zugleich federnd und als Druckspeicher zur Erzeugung der Kraft an der Kolbenstange12 . Das in dem Ölraum24 eingeschlossene Öl vermittelt den Druck der Gasräume21 ,23 oder ersatzweise mechanischer Federn auf die Kolbenstange12 und ist zugleich ein Dämpfervolumen für die Dämpfung der Bewegung des Dämpferkolbens25 und somit der Kolbenstange12 . - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Federelement
- 10
- Gasfeder
- 11
- Zylinderrohr
- 12
- Kolbenstange
- 13
- Ende der Kolbenstange
12 - 14, 15
- Enden des Zylinderrohrs
11 - 16, 17
- Verschlussstück
- 18
- Füllbohrung
- 19
- Ventil
- 20
- erster Trennkolben
- 20a
- Zylinderabschluss
- 21
- erster Gasraum
- 21a
- erste Druckfeder
- 22
- zweiter Trennkolben
- 23
- zweiter Gasraum
- 23a
- zweite Druckfeder
- 24
- Ölraum, Teilräume
24a ,24b - 25
- Dämpferkolben
- 25a
- Dichtung bzw. Ventilglied
- 26
- Überströmkanal
- 27
- Drosselstelle
- 28
- Rückschlagventil
- I–III
- Abschnitte der Kraft-Weg-Kennlinie
- 30
- Dämpferanordnung
- 31
- Gestell
Claims (10)
- Gebremstes Federelement (
10 ), mit einer Dämpferanordnung (30 ), die einen in einem Fluidraum (24 ) verschiebbar angeordneten Dämpferkolben (25 ) aufweist, der mit einer Kolbenstange (12 ) verbunden ist, mit einem ersten Federmittel (21 ,21a ), mit einem zweiten Federmittel (23 ,23a ), zwischen denen die Dämpferanordnung (30 ) gehalten ist. - Federelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpferanordnung ein Zylinderrohr (
11 ), aufweist, das an seinen beiden Enden (14 ,15 ) abgeschlossen ist, wobei die Kolbenstange (12 ) an einem (14 ) der Enden (14 ,15 ) des Zylinderrohrs (11 ) abgedichtet und axial beweglich in dieses eingeführt ist. - Federelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpferanordnung (
30 ) einen ersten Trennkolben (20 ) aufweist, der abgedichtet und axial verschiebbar in dem Zylinderrohr (11 ) angeordnet ist und mit einem ersten Federmittel in Verbindung steht. - Federelement nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpferanordnung einen zweiten Trennkolben (
22 ) aufweist, der in dem Zylinderrohr (11 ) abgedichtet und axial verschiebbar angeordnet ist und mit einem zweiten Federmittel in Verbindung steht sowie Durchgangsöffnung aufweist, durch die sich die Kolbenstange (12 ) ihrerseits abgedichtet und verschiebbar erstreckend angeordnet ist. - Federelement nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpferkolben (
25 ) in dem Zylinderrohr (11 ) zwischen den beiden Trennkolben (20 ,22 ) axial verschiebbar angeordnet und mit einem Ende der Kolbenstange (12 ) verbunden ist. - Federelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federmittel (
21 ,21a ,23 ,23a ) jeweils durch ein zwischen einem Ende (14 ,15 ) und einem Trennkolben (20 ,22 ) eingeschlossene gasgefüllte Volumen (21 ,23 ) und/oder eine mechanische Druckfeder gebildet ist. - Federelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Dämpferkolben (
25 ) mindestens ein Überströmweg festgelegt ist, durch den Öl von einer Kolbenseite auf eine andere Kolbenseite gelangen kann. - Federelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmweg durch eine Drosselbohrung (
27 ) festgelegt ist. - Federelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmweg für seine beiden Durchströmungsrichtungen unterschiedliche Strömungswiderstände aufweist.
- Federelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmweg mindestens einen Kanal umfasst, in dem ein Ventil (
28 ) oder ein Ventilglied (25a ) angeordnet ist.
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