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Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Einheit, umfassend einen Zylinder mit einer Längsachse und eine in den Zylinder eingesetzte Kolbenanordnung mit einer Kolbenstange und einem Kolben, der an einem im Zylinder angeordneten Abschnitt der Kolbenstange angeordnet ist, wobei der Kolben in dem Innenraum des Zylinders einen ersten mit Dämpfungsfluid befüllten Arbeitsraum von einem zweiten mit Dämpfungsfluid befüllten Arbeitsraum trennt, und wobei in dem Innenraum des Zylinders ferner ein Druckfluid aufgenommen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Türscharnier mit einem ersten Montageelement zur Montage an einem Türblatt, einem zweiten Montageelement zur Montage an einem Türrahmen sowie einer Kolben-Zylinder-Einheit der eingangs genannten Art.
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Kolben-Zylinder-Einheiten, in welchen die Bewegung des Kolbens durch ein Dämpfungsfluid gedämpft ist und in denen ferner ein Druckfluid zur Vorspannung einer axialen Bewegung der Kolbenanordnung aufgenommen ist, sind im Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise als Stellglieder für die Betätigung von Türen oder Klappen eingesetzt, wenn einerseits eine Vorspannung der Bewegung in eine bestimmte Richtung und andererseits eine verlangsamte, gedämpfte Bewegung der Stellanordnung erwünscht ist.
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Herkömmliche Konstruktionen dieser Art, beispielsweise Tür-Schließ-Vorrichtungen, erfordern ein relativ aufwändiges, größeren Bauraum einnehmendes Hebelsystem, welches einerseits an der zu betätigenden Tür oder Klappe und andererseits an einem festen Bezugspunkt zu montieren ist und durch entsprechende Gelenkanordnungen die Ausschubbewegung der Kolben-Zylinder-Einheit in eine Drehbewegung der Tür beziehungsweise Klappe umsetzt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kolben-Zylinder-Einheit der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche die Erschließung neuer Anwendungsfelder erlaubt und insbesondere eine einfache Konstruktion zur Betätigung einer Tür oder Klappe schafft. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Türscharnier von einfacher Konstruktion und vorteilhafter Funktionalität bereitzustellen.
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Zur Lösung der oben genannten Aufgaben stellt die Erfindung nach einem ersten Aspekt eine Kolben-Zylinder-Einheit bereit, umfassend einen Zylinder mit einer Längsachse und eine in den Zylinder eingesetzte Kolbenanordnung mit einer Kolbenstange und einem Kolben, der an einem im Zylinder angeordneten Abschnitt der Kolbenstange angeordnet ist, wobei der Kolben in dem Innenraum des Zylinders einen ersten mit Dämpfungsfluid befüllten Arbeitsraum von einem zweiten mit Dämpfungsfluid befüllten Arbeitsraum trennt, wobei in dem Innenraum des Zylinders ferner ein Druckfluid oder/und ein elastisches Federelement zur Vorspannung der Kolben-Zylinder-Einheit aufgenommen ist, und wobei die Kolbenanordnung und der Zylinder durch eine Schraubenkopplung miteinander gekoppelt sind, so dass sie relativ zueinander in einer Schraubenbewegung um die Längsachse bewegbar sind.
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Nach einem wichtigen Merkmal der Erfindung sind Kolbenanordnung und Zylinder durch eine Schraubenkopplung miteinander gekoppelt, sodass sie relativ zueinander in einer Schraubenbewegung um die Längsachse bewegbar sind. Dadurch wird die durch das Druckfluid oder/und das Federmittel bewirkte axiale Verlagerung zwischen Kolbenanordnung und Zylinder in eine Drehbewegung von Kolbenanordnung und Zylinder relativ zueinander um die Längsachse umgesetzt. Die resultierende Schraubenbewegung ist somit eine Überlagerung der durch das Druckfluid/das Federmittel bewirkten axialen Verschiebung und einer Drehbewegung zwischen Kolbenanordnung und Zylinder. Die erfindungsgemäß der Kolbenanordnung beziehungsweise dem Zylinder verliehene rotatorische Bewegungskomponente kann in zahlreichen Anwendungen genutzt werden, insbesondere zur direkten Ansteuerung einer Schwenkbewegung einer Tür oder Klappe, worauf später noch näher eingegangen wird. Umgekehrt kann durch die erfindungsgemäße Schraubenkopplung eine in die Kolben-Zylinder-Einheit eingegebene Rotation zwischen Zylinder und Kolbenanordnung in eine Schraubenbewegung mit axialer Komponente umgewandelt werden, sodass der eingegebenen Drehbewegung durch die Druckänderung des Druckfluids beziehungsweise die Komprimierung des Federmittels eine elastische Rückstellkraft entgegengesetzt wird.
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Gleichzeitig erlaubt die Führung des Kolbens in dem Dämpfungsfluid ein Kontrollieren der Geschwindigkeit beziehungsweise der Beschleunigung der Relativbewegung zwischen Zylinder und Kolbenanordnung und somit beispielsweise eine Dämpfung der Öffnungs- beziehungsweise Schließbewegung der Tür oder Klappe.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schraubenkopplung derart realisiert, dass an der Innenseite des Zylinders ein schraubenförmiger Ansatz oder eine Gewindemutter fest vorgesehen ist oder axial unbeweglich vorgesehen ist, wobei der Ansatz oder die Gewindemutter mit einem Gegenelement der Kolbenanordnung in Eingriff steht. Diese Anordnung erlaubt eine einfache Bereitstellung einer schraubenförmigen Führung der Kolbenstange über die gewünschte axiale Hublänge der Einheit, indem sich der schraubenförmige Ansatz beziehungsweise die Gewindemutter über die gewünschte Länge auf der Innenseite des Zylinders erstreckt. Das Gegenelement an der Kolbenanordnung, beispielsweise am Kolben, kann dann eine geringere axiale Länge aufweisen, im Extremfall nur durch einen einzelnen Vorsprung beziehungsweise eine einzelne Vertiefung, gebildet sein, sodass die Baulänge des Kolbens begrenzt werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann ein schraubenförmiger Ansatz oder ein Gewinde an der Kolbenanordnung ausgebildet beziehungsweise angeordnet sein und mit einem entsprechenden Gegenelement des Zylinders in Eingriff stehen.
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Anzumerken ist ferner, dass die Schraubenkopplung im Inneren des Zylinders, beispielsweise am Kolben oder in einem der Arbeitsräume, vorgesehen sein kann. Alternativ könnte die Schraubenkopplung jedoch auch zwischen einem außerhalb des Zylinders angeordneten Abschnitt der Kolbenstange und einem äußeren Fortsatz des Zylinders oder einem am Zylinder befestigen Element vorgesehen sein.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird daran gedacht, dass an einem außerhalb der Kolben-Zylinder-Einheit angeordneten Abschnitt der Kolbenstange ein Rotationsübertragungselement vorgesehen ist, welches mit der Kolbenstange rotationsübertragend und axial verschiebbar gekoppelt ist, welches jedoch relativ zum Zylinder axial unverschiebbar und drehbar gehalten ist. Eine solche Anordnung erzielt den technischen Effekt, dass die durch das Druckfluid/das Federmittel bewirkte, schraubenförmige Verstellung zwischen Kolbenanordnung und Zylinder in eine reine Drehbewegung zwischen Zylinder und Rotationsübertragungselement umgesetzt wird. Das heißt, dass sich Rotationsübertragungselement und Zylinder während der Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit relativ zueinander verdrehen, jedoch ihre axialen Positionen relativ zueinander beibehalten. Eine solche Anordnung ist insbesondere für den direkten Stellantrieb von Scharnieren, insbesondere Türscharnieren, geeignet, wenn die Kolben-Zylinder-Einheit derart montiert wird, dass die Schwenkachse des Scharniers mit der Längsachse der Kolben-Zylinder-Einheit zusammenfällt.
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Die in der zuvor geschilderten Ausführungsform erzielten Effekte einer Umsetzung der Schraubenbewegung der Kolbenanordnung in eine reine Rotationsbewegung können alternativ auch in einer Variante realisiert werden, in welcher an einem äußeren Abschnitt des Zylinders ein Rotationsübertragungselement vorgesehen ist, welches mit dem Zylinder rotationsübertragend und axial verschiebbar gekoppelt ist, welches jedoch relativ zur Kolbenanordnung axial unverschiebbar und drehbar gehalten ist. In dieser Variante sind es dann das Rotationsübertragungselement und die Kolbenanordnung, welche durch die Wirkung des Druckfluids/des Federmittels zu einer rein rotatorischen Relativbewegung ohne axiale Komponente angetrieben werden.
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Das Druckfluid kann in dem zweiten Arbeitsraum mit dem Dämpfungsfluid koexistieren, sofern sichergestellt ist, dass weder die Federwirkung des Druckfluids noch die Dämpfungswirkung des Dämpfungsfluids, insbesondere im Zusammenspiel mit dem Kolben, durch diese Koexistenz beeinträchtigt wird. Vorteilhaft kann beispielsweise in einer im Betrieb in vertikaler Stellung (Längsachse des Zylinders in vertikaler Richtung) verwendeten Kolben-Zylinder-Einheit der vorliegenden Erfindung eine Schwerkraft-bedingte beziehungsweise Auftriebs-bedingte Trennung zwischen Dämpfungsfluid und Druckfluid stattfinden, die bei vertikaler Benutzung der Kolben-Zylinder-Einheit eine weitere Trennung zwischen Druckfluid und Dämpfungsfluid kostengünstig einspart. Wird insbesondere eine Flüssigkeit (zum Beispiel Öl) als Dämpfungsfluid verwendet und ein Gas als Druckfluid verwendet, so wird sich bei vertikaler Verwendung der Kolben-Zylinder-Einheit, wie sie etwa bei einem Türscharnier zumeist gegeben ist, eine zuverlässige Phasentrennung zwischen der Flüssigkeit unten und dem Gas oben einstellen.
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Um die Kolben-Zylinder-Einheit vor einer funktionsgefährdenden Vermischung zwischen Dämpfungsfluid und Druckfluid zu schützen und insbesondere auch für eine Verwendung vorzubereiten, in welcher die Längsachse nicht in vertikaler Richtung orientiert ist, kann in einer Ausführungsform der Erfindung das Druckfluid oder/und das Federmittel in einem dritten Arbeitsraum gehalten sein, welcher durch einen axial verschiebbaren zweiten Kolben von dem zweiten Arbeitsraum abgetrennt ist.
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Um ein definiertes Dämpfungsverhalten der Kolben-Zylinder-Einheit sicherzustellen, sind vorzugsweise der erste Arbeitsraum und der zweite Arbeitsraum durch mindestens einen Dämpfungsfluidkanal miteinander verbunden, welcher in dem Kolben ausgebildet oder als Bypasskanal am Zylinder ausgebildet ist. Wird der Dämpfungsfluidkanal im Kolben bereitgestellt, so kann der im Kolben zur Verfügung stehende Bauraum gut ausgenutzt werden und die Länge des Kanals kann begrenzt werden. Die Bereitstellung mindestens eines Dämpfungsfluidkanals als Bypasskanal am Zylinder erlaubt dagegen eine Änderung des Dämpfungsverhaltens in Abhängigkeit von der axialen Position der Kolbenanordnung. Denkbar ist beispielsweise, nur in einem in axialer Richtung begrenzten Abschnitt einen Bypasskanal vorzusehen beziehungsweise den Strömungsquerschnitt eines Bypasskanals entlang seines axialen Verlaufs zu verändern, um für bestimmte Stellungen der Kolben-Zylinder-Einheit ein vorbestimmtes Dämpfungsverhalten vorzusehen, beziehungsweise an einer bestimmten axialen Position die Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit sogar gänzlich zu stoppen. Eine solche Variation von Strömungsquerschnitten von Bypasskanälen in Abhängigkeit von der axialen Position am Zylinder könnte im Falle des Einsatzes der Kolben-Zylinder-Einheit als Türscharnier zum Beispiel dafür verwendet werden, die Tür in einer oder mehreren vorbestimmten Schwenkstellungen festzuhalten, sodass sie aus diesen Schwenkstellungen nur unter erhöhter Kraftaufwändung weiterbewegt werden kann.
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In einer vorteilhaften Variante einer Kolben-Zylinder-Einheit mit Dämpfungsfluidkanal ist in dem Dämpfungsfluidkanal oder an einer Öffnung des Dämpfungsfluidkanals ein den Strömungsquerschnitt beeinflussenden Ventil angeordnet. Durch ein solches Ventil kann das Dämpfungsverhalten in vorhersagbarer Weise angepasst und insbesondere gesteuert werden. So kann das Ventil schaltbar sein zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand, wobei das Ventil in den beiden Schaltzuständen unterschiedliche Strömungsquerschnitte hat, um die Bewegung der Kolbenanordnung unterschiedlich stark abzudämpfen.
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Insbesondere kann das Ventil auch in einen Schließzustand stellbar sein, in welchem es den Dämpfungsfluidkanal vollständig schließt. Hier wird vor allem daran gedacht, dass ein Austausch von Dämpfungsfluid zwischen dem ersten Arbeitsraum und dem zweiten Arbeitsraum im Schließzustand des Ventils im Wesentlichen vollständig unterbunden ist, sodass die Bewegung der Kolbenanordnung im Zylinder gesperrt wird.
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Das Ventil kann grundsätzlich durch die Wirkung des Dämpfungsfluids oder/und durch die Bewegung der Kolbenanordnung ansteuerbar sein, beispielsweise als federbeaufschlagtes Rückschlagventil ausgebildet sein, sodass sich die Kolbenanordnung nur nach Überwindung einer vorbestimmten Mindestkraft aus der Ruhestellung bewegen lässt. In einer vorteilhaften Variante kann das Ventil durch ein Stellelement ansteuerbar sein, sodass ein Schalten des Ventils aus einer Entfernung vom Ventil angesteuert werden kann, insbesondere durch Eingabe eines Signals oder einer Stellbetätigung außerhalb des Zylinders. Gedacht wird hier insbesondere an eine magnetische Ansteuerung des Ventils durch eine magnetische Wechselwirkung zwischen einem Ventilkörper des Ventils und einem insbesondere außerhalb des Zylinders angeordneten Stellelement. Ein durch ein Stellelement betätigbares Ventil kann dafür verwendet werden, die Kolben-Zylinder-Einheit in einer gewünschten Position, das heißt einer bestimmten Stellung der Kolbenanordnung relativ zum Zylinder, festzustellen, indem das Ventil in den Schließzustand gestellt wird und ein Austausch von Dämpfungsfluid zwischen den beiden Arbeitsräumen unterbundenen wird.
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Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Erfindungsaufgabe gelöst durch ein Türscharnier, umfassend ein erstes Montageelement zur Montage an einem Türblatt, ein zweites Montageelement zur Montage an einem Türrahmen sowie eine Kolben-Zylinder-Einheit nach dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei eines der beiden Montageelemente rotationsübertragend mit dem Zylinder gekoppelt oder durch den Zylinder gebildet ist und das andere der beiden Montageelemente rotationsübertragend mit der Kolbenstange gekoppelt oder durch die Kolbenstange gebildet ist. Durch den Gegenstand des zweiten Aspekts der Erfindung werden die oben für die Kolben-Zylinder-Einheit des ersten Aspekts beschriebenen Vorteile und Effekte für die Schaffung eines Türscharniers genutzt. Die Kolben-Zylinder-Einheit kann in einem solchen Türscharnier insbesondere derart verbaut sein, dass die Längsachse des Zylinders mit der Schwenkachse des Türscharniers zusammenfällt, sodass das Türscharnier eine kompakte Bauform erhält, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Tür-Schließ-Vorrichtungen, welche ein relativ aufwändiges und sperriges Hebelsystem nutzen. Darüber hinaus kann ein Teil der Lagerung der Tür, gegebenenfalls die gesamte Lagerung der Tür, durch die Kolben-Zylinder-Einheit übernommen werden, sodass eine weitere Vereinfachung der Konstruktion der Tür erreicht werden kann.
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Eine verbesserte Funktionalität des Türscharniers des zweiten Aspekts der Erfindung ergibt sich durch die Kombination einer Vorspannung der Schwenkbewegung (beispielsweise in Schließrichtung der Tür) mit einer Dämpfung der Bewegung des Türscharniers aufgrund der Bewegung des Kolbens im Dämpfungsfluid. Vorteilhaft kann somit etwa ein Türscharnier bereitgestellt werden, welches eine Tür selbsttätig in die geschlossene Stellung schwenkt, jedoch eine zu schnelle Bewegung der Tür und damit ein Schlagen der Tür verhindert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung des ersten oder/und zweiten Aspekts kann alternativ oder zusätzlich zu einer Vorspannung der Kolben-Zylinder-Einheit ein elektromotorischer Antrieb vorgesehen sein, welcher mit der Kolben-Zylinder-Einheit derart gekoppelt ist, dass er ein Drehmoment in die Kolben-Zylinder-Einheit eingibt. Insbesondere kann ein elektromotorischer Antrieb mit einem Rotationsübertragungselement der vorstehend beschriebenen Art Drehmoment-übertragend gekoppelt sein oder kann mit dem Zylinder Drehmoment-übertragend gekoppelt sein. Im Falls der Anwendung als Türscharnier lässt sich dann die Tür, beispielsweise für Rollstuhlfahrer, durch die Antriebskraft eines Elektromotors öffnen beziehungsweise schließen.
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Anzumerken ist, dass das erste oder/und das zweite Montageelement vorzugsweise koaxial zu dem Zylinder beziehungsweise der Kolbenstange angeordnet sind, um eine möglichst kompakte Anordnung zu erhalten. Grundsätzlich ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass die Rotationsübertragung zwischen dem ersten oder zweiten Montageelement und dem Zylinder beziehungsweise der Kolbenstange durch Zahnräder oder vergleichbare Getriebeelemente erfolgt, sodass die Drehachsen der Montageelemente gegebenenfalls verschieden sind von der Längsachse des Zylinders beziehungsweise der Kolbenstange. Die Rotationsübertragung kann dann insbesondere auch für eine Übersetzung beziehungsweise Untersetzung der Rotationsbewegung genutzt werden.
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In einer Ausführungsform des Türscharniers des zweiten Aspekts kann der Zylinder oder/und die Kolbenstange axial verschiebbar und drehfest an dem zugeordneten Montageelement gehalten sein, beispielsweise durch eine Längsverzahnung zwischen Zylinder/Kolbenstange und zugeordneten Montageelement. Die axiale Verschiebbarkeit nimmt dann die axiale Bewegungskomponente zwischen Kolbenstange und Zylinder auf, sodass zwischen den beiden Montageelementen eine reine Rotationsbewegung ohne axiale Komponente stattfindet. Die Montageelemente können dann in einfacher Weise fest am Türblatt beziehungsweise Türrahmen angebracht werden.
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Die Aufnahme der axialen Bewegungskomponente zwischen Zylinder und Kolbenanordnung könnte in einem Türscharnier gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch dadurch erfolgen, dass das erste Montageelement axial verschiebbar und drehfest an einem Türblatt gehalten wird oder/und dass das zweite Montageelement axial verschiebbar und drehfest an einem Türrahmen gehalten wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1: Eine Querschnittsansicht einer Kolben-Zylinder-Einheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer die Längsachse des Zylinders enthaltenden Schnittebene, und
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2: Eine Schnittansicht einer Kolben-Zylinder-Einheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer die Längsachse des Zylinders enthaltenden Schnittebene.
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In 1 ist eine Kolben-Zylinder-Einheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung allgemein mit 10 bezeichnet und umfasst einen Zylinder 12 sowie eine Kolbenanordnung 14, welche in einen Innenraum des Zylinders 12 eingesetzt ist. Der Zylinder 12 definiert eine Längsachse L, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel in vertikaler Richtung orientiert ist. In der vorliegenden Beschreibung beziehen sich Orts- und Richtungsangaben wie „oben”, „unten”, „axial”, „radial”, „horizontal” usw. auf die Längsachse L sowie auf eine Kolben-Zylinder-Einheit, in welcher die Längsachse L in vertikaler Richtung orientiert ist.
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Die Kolbenanordnung 14 weist eine Kolbenstange 16 sowie einen an der Kolbenstange 16 angebrachten oder ausgebildeten Kolben 18 auf. Die Kolbenstange 16 tritt an einem unteren Längsende 19 des Zylinders 12 aus dem Innenraum des Zylinders 12 aus und ist an diesem Austrittsende 19 durch eine Dichtung 20 gegenüber dem Zylinder 12 abgedichtet.
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Der Innenraum des Zylinders 12 ist durch den Kolben 18 in einen ersten Arbeitsraum 12-1 unterhalb des Kolbens 18 und einen zweiten Arbeitsraum 12-2 oberhalb des Kolbens 18 unterteilt. Im illustrierten Ausführungsbeispiel ist der erste Arbeitsraum 12-1 zwischen der Dichtung 20 am unteren Austrittsende 19 des Zylinders 12 und einer Unterseite des Kolbens 18 definiert und der zweite Arbeitsraum 12-2 ist zwischen einem geschlossenen oberen Ende 22 des Zylinders 12 und einer Oberseite des Kolbens 18 definiert. Der erste Arbeitsraum 12-1 ist mit einem Dämpfungsfluid, zum Beispiel einem Öl, befüllt. Der zweite Arbeitsraum 12-2 ist zum Teil ebenfalls mit dem Dämpfungsfluid und zum anderen Teil mit einem Druckfluid, zum Beispiel einem unter Druck stehenden Gas, befüllt. In dem zweiten Arbeitsraum 12-2 koexistieren somit Dämpfungsfluid und Druckfluid, wobei sich die beiden Fluide aufgrund unterschiedlicher Gewichte beziehungsweise Aggregatzustände an einer in 1 bei Bezugszeichen 24 angedeuteten Grenzfläche voneinander trennen, sodass das Dämpfungsfluid in einem unteren, an den Kolben 18 angrenzenden Abschnitt angeordnet ist und das Druckfluid in einem oberen, dem Kolben 18 abgewandten Abschnitt angeordnet ist. Die Menge an Dämpfungsfluid ist derart gewählt, dass sich der Kolben 18 in jeder Hubstellung der Kolbenanordnung 14 unterhalb der Grenzfläche 24 befindet, das heißt dass der Kolben 18 stets vollständig in Dämpfungsfluid eingetaucht ist.
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Der erste Arbeitsraum 12-1 und der zweite Arbeitsraum 12-2 sind durch mindestens einen Dämpfungsfluidkanal für einen Austausch von Dämpfungsfluid miteinander verbunden. Im Ausführungsbeispiel durchsetzt ein Dämpfungsfluidkanal 26 den Kolben 18 mit einem definierten Strömungsquerschnitt. Es können ein oder mehrere weitere Dämpfungsfluidkanäle 28 in dem Kolben 18 vorgesehen sein, um eine zuverlässige Funktionalität sicherzustellen.
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Ein in den Zeichnungen nicht dargestelltes Ventil kann in oder an dem Dämpfungsfluidkanal 26 angeordnet sein, um einen Strömungsquerschnitt des Dämpfungsfluidkanals 26 zu verstellen, insbesondere den Dämpfungsfluidkanal 26 in einer Schließstellung des Ventils vollständig zu verschließen, sodass ein Austausch von Dämpfungsfluid zwischen den Arbeitsräumen 12-1, 12-2 unterbunden ist und somit eine axiale Feststellung des Kolbens 18 relativ zum Zylinder 12 erfolgt. Das mindestens eine Ventil kann in der oben bereits erwähnten Weise durch ein Stellelement in verschiedene Schaltzustände gestellt werden oder kann alternativ ein sich selbst verstellendes Ventil, beispielsweise ein Rückschlagventil, sein.
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In einer nachfolgend zu beschreibenden Weise ist die Kolbenanordnung 14 mit dem Zylinder 12 erfindungsgemäß derart gekoppelt, dass sich Kolbenanordnung 14 und Zylinder 12 relativ zueinander in einer Schraubenbewegung um die Längsachse L verstellen können. Durch eine hierfür bereitgestellte Schraubenkopplung 30 ist die Relativbewegung zwischen Kolbenanordnung 14 und Zylinder 12 sogar auf eine solche Schraubenbewegung beschränkt, sodass eine durch das Druckgas im oberen Teil des zweiten Arbeitsraums 12-2 bewirkte Ausschubkraft auf die Kolbenanordnung 14 durch die Schraubenkopplung 30 zwangsweise umgesetzt wird in eine kombinierte Bewegung mit einer axialen Bewegungskomponente in Richtung eines Ausschubs der Kolbenstange 16 aus dem Zylinder 12 und eine Drehbewegungskomponente im Sinne einer Rotation der Kolbenanordnung 14 relativ zum Zylinder 12 um die Längsachse L als Drehachse.
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Die Schraubenkopplung 30 ist im illustrierten Ausführungsbeispiel realisiert durch eine an der Kolbenanordnung 14 befestigte oder an der Kolbenanordnung 14 ausgebildete Spindel mit einem Außengewinde 34, welches mit einem Innengewinde 36 in Eingriff ist, das fest an der Innenseite des Zylinders 12 vorgesehen ist. Das Innengewinde 36 kann insbesondere an einer Gewindemutter 38 ausgebildet sein, welche an der Innenwandung des Zylinders 12 befestigt ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist zu erkennen, dass die Gewindemutter 38 formschlüssig an dem Zylinder 12 gehalten ist, indem ein Vorsprung des Zylinders 12 in eine passende Vertiefung der Gewindemutter 38 eingreift.
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Die Spindel 32 ihrerseits ist im illustrierten Ausführungsbeispiel am Kolben 18 auf einer der Kolbenstange 16 abgewandten Seite des Kolbens 18 angeordnet und erstreckt sich in Längsrichtung L. Das heißt, dass der Kolben 18 zwischen der Gewindespindel 32 und der Kolbenstange 16 positioniert ist. Vorteilhaft kann ein einteiliges Bauteil den Kolben 18 durchsetzen und gleichzeitig Teil der Kolbenstange 16 und Teil der Spindel 32 bilden. Alternativ ist denkbar, dass die Spindel 32 und die Gewindemutter 38 im ersten Arbeitsraum 12-1 angeordnet sind, beispielsweise indem an der Kolbenstange 16 ein Außengewinde vorgesehen ist, welches mit einem entsprechenden Innengewinde einer Gewindemutter beziehungsweise einem Innengewinde des Zylinders 12 in Eingriff steht. In einer weiteren Alternative ist denkbar, dass ein Gewindeeingriff unmittelbar zwischen dem Kolben 18 und einem Innengewinde des Zylinders 12 stattfindet. Zudem kann die Schraubenkopplung außerhalb des Zylinders 12 vorgesehen sein. In einer weiteren Alternative können Spindel, Kolbenstange und Kolben zusammen durch ein gemeinsames, materialeinheitliches Bauteil gebildet sein, beispielsweise als gedrehtes Bauteil mit einem verdickten Abschnitt zur Bildung des Kolbens und einem verdünnten Abschnitt zur Bildung der Kolbenstange, wobei an dem verdünnten Abschnitt ein Außengewinde zur Bildung der Spindel ausgebildet ist.
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Die Kolben-Zylinder-Einheit 10 des ersten Ausführungsbeispiels umfasst ferner ein Rotationselement 40, welches an einem Lager 42 derart gelagert ist, dass es sich in Bezug auf den Zylinder 12 um die Längsachse L drehen kann, jedoch in axialer Richtung nicht verschieben kann. Das Rotationselement 40 kann durch das Lager 42 insbesondere unmittelbar am Zylinder 12 drehbar gelagert sein, nämlich an dem unteren Austrittsende 19 des Zylinders 12. Die Kolbenstange 16, die an dieser Stelle aus dem Zylinder 12 austritt, ist mit dem Rotationselement 40 rotationsübertragend jedoch axial verschiebbar gekoppelt, beispielsweise durch Eingriff einer äußeren Längsverzahnung 44 der Kolbenstange 16 in eine innere Längsverzahnung 46 des Rotationselements 40. Das bedeutet, dass eine Drehung der Kolbenstange 16 um die Achse L direkt in eine Drehung des Rotationselements 40 umgesetzt wird, jedoch eine axiale Verschiebung der Kolbenstange 16 relativ zum Rotationselement 40 frei möglich ist.
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Betrieb und Funktion der Kolben-Zylinder-Einheit 10 des ersten Ausführungsbeispiels lassen sich am Beispiel der Verwendung der Kolben-Zylinder-Einheit 10 als Türscharnier wie folgt darstellen. Ein Element aus Türrahmen und Türblatt, im folgenden beispielhaft das Türblatt, ist drehfest mit dem Zylinder 12 verbunden, während das andere Element, im Beispiel der Türrahmen, drehfest mit dem Rotationselement 40 verbunden ist. In dem in 1 gezeigten Betriebszustand mit ausgefahrener Kolbenanordnung 14 ist die Tür geschlossen und wird durch den verbleibenden Überdruck des Druckfluids in der geschlossenen Stellung gehalten. Wird die Tür geöffnet, so wird Drehkraft auf das Rotationselement 40 übertragen, welches diese Drehkraft auf die Kolbenstange 16 überträgt. Die Schraubenkopplung 30 zwingt diese Drehbewegung in eine schraubförmige Bewegung der Kolbenanordnung 14 in Aufwärtsrichtung, sodass sich die Kolbenanordnung 14 vertikal nach oben schraubt. Diese Bewegung erfolgt gegen den Widerstand des in dem zweiten Arbeitsraum 12-2 zunehmend stärker komprimierten Druckfluids und unter Dämpfung des die Dämpfungsfluidkanäle 26 passierenden Dämpfungsfluids.
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Wird die Tür in einem geöffneten oder halbgeöffneten Zustand losgelassen und somit das auf das Rotationselement 40 von außerhalb einwirkende Drehmoment weggenommen, so bewegt sich die Kolbenanordnung 14 unter dem Druck des Druckfluids wieder vertikal in Abwärtsrichtung. Diese Ausschubbewegung wird durch die Schraubenkopplung 30 in eine Schraubenbewegung gezwungen, das heißt der axialen Abwärtsbewegung wird zusätzlich eine Drehbewegung der Kolbenanordnung 14 überlagert. Im Ergebnis gleitet die Kolbenstange 16 in axialer Richtung an dem Rotationselement 40 ab und versetzt dieses gleichzeitig in Drehbewegung. Die auf diese Weise erzeugte Drehbewegung zwischen Rotationselement 40 und Zylinder 12 ergibt schließlich eine Bewegung der Tür in Schließrichtung. Durch das Dämpfungsfluid wird die Schließbewegung in der beschriebenen Weise gedämpft, sodass die Tür schließt, jedoch mit begrenzter Geschwindigkeit.
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Ist in dem mindestens einen Dämpfungsfluidkanal 26 ein Ventil der oben beschriebenen Art vorgesehen, so kann das Öffnungs- beziehungsweise Schließverhalten der Tür weiter je nach Anwendungsgebiet beeinflusst werden. Ist beispielsweise ein Stellglied zur Ansteuerung der Ventile vorgesehen, so kann die Tür beispielsweise in einer bestimmten Schwenkstellung festgestellt werden, indem das Ventil beziehungsweise alle Ventile vollständig geschlossen werden.
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Alternativ oder zusätzlich zu den Dämpfungsfluidkanälen 26 könnte an einer Innenseite des Zylinders 12 mindestens ein Bypasskanal vorgesehen sein, der einen Dämpfungsfluidaustausch zwischen den beiden Arbeitsräumen 12-1, 12-2 um den Kolben 18 herum erlaubt. Durch geeignete Wahl der Position, axialen Länge und der Strömungsquerschnitte des mindestens einen Bypasskanals kann das Dämpfungsverhalten der Tür für verschiedene Türstellung geeignet gewählt werden. Denkbar ist beispielsweise eine Reduzierung der Anzahl oder der Strömungsquerschnitte der Bypasskanäle in dem Bereich der ausgefahrenen Stellung des Kolbens 18 (das heißt in dem Bereich, in welchem sich der Kolben 18 in 1 befindet), sodass die Tür mit einer höheren Geschwindigkeit von einer offenen Stellung in eine nahezu geschlossene Stellung selbsttätig verschwenkt, dann jedoch von einem relativ kleinen Türöffnungswinkel bis zu einer vollständig geschlossenen Stellung der Tür zwar noch selbsttätig jedoch mit reduzierter Geschwindigkeit bewegt wird, um die Schließgeräusche der Tür zu reduzieren und insbesondere ein Schlagen der Tür zu vermeiden.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert. Das zweite Ausführungsbeispiel ist eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels und im folgenden werden nur die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Im Bezug auf alle anderen Elemente und Funktionen wird ausdrücklich auf die vorstehende Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen. In 2 sind gleiche oder analoge Bauteile gegenüber 1 mit um 100 erhöhten Bezugszeichen bezeichnet.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist im zweiten Ausführungsbeispiel in dem zweiten Arbeitsraum auf der dem Austrittsende 119 abgewandten Seite des Kolbens ein zweiter Kolben 148 angeordnet, welcher den zweiten Arbeitsraum in einen Dämpfungsfluidraum 150 und einen Druckfluidraum 152 unterteilt. Der zweite Kolben 148 ist umfänglich durch eine Dichtung 154 gegenüber der Innenwandung des Zylinders 120 gegen einen Durchtritt von Dämpfungsfluid oder Druckfluid abgedichtet. Gleichzeitig ist der zweite Kolben 148 jedoch in axialer Richtung verschiebbar in dem Zylinder 112 geführt.
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Alternativ oder zusätzlich zu der Nutzung eines Druckfluids zum Vorspannen des zweiten Kolbens 148 kann der zweite Kolben 148 auch durch ein elastisches Element, insbesondere eine Feder, in axialer Richtung vorgespannt werden. Das elastische Element, beispielsweise eine in den Zylinder eingesetzte Spiralfeder oder ein Elastomerkörper, kann in Kombination mit einem Druckfluid eingesetzt werden, um temperaturbedingte Schwankungen der Druckkraft des Druckfluids kompensieren zu können. Alternativ könnte das elastische Element die gesamte Vorspannungskraft übernehmen und auf den Einsatz des Druckfluids könnte gänzlich verzichtet werden. Der Raum oberhalb des zweiten Kolbens 148 könnte dann belüftet sein.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel beruht die Trennung zwischen Druckfluid und Dämpfungsfluid im zweiten Arbeitsraum nicht auf der Einstellung einer Schwerkraft-bedingten Grenzfläche beziehungsweise einer Phasentrennung sondern erfolgt durch den zweiten Kolben 148. Damit ist ein Einsatz der Kolben-Zylinder-Einheit auch in Anwendungen möglich, in welchen die Längsachse L nicht in vertikaler Richtung orientiert ist, also beispielsweise eine Anwendung der Kolben-Zylinder-Einheit in horizontaler Lage. Aber auch bei vertikaler Anwendung kann eine Zuverlässigkeit des Betriebs der Kolben-Zylinder-Einheit durch zuverlässige Trennung des Druckfluids vom Dämpfungsfluid verbessert werden.
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Wenngleich die Anwendung der Kolben-Zylinder-Einheit 10, 110 des ersten beziehungsweise zweiten Ausführungsbeispiels vorstehend anhand der Verwendung als Türscharnier beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt. Sie bildet vielmehr allgemein ein in eine Drehrichtung vorgespanntes und gleichzeitig gedämpftes Drehlager und eröffnet dem Fachmann somit eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten.
