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Die Erfindung betrifft ein Kolbenzylinder-Aggregat gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die
DE 10 2016 202 007 A1 beschreibt ein Kolbenzylinder-Aggregat mit einer Kolbenstange und mit einem Kolben, der an seiner äußeren Mantelfläche einen radial elastischen Kolbenring aufweist. In Abhängigkeit der Hublage der Kolbenstange in einem Zylinder mit zwei Zylinderabschnitten unterschiedlichen Durchmessers wird der Kolbenring in dem Zylinderabschnitt mit dem größeren Durchmesser umspült und kann deshalb keine Dichtwirkung entfalten.
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Beim Einfahren in den Zylinderabschnitt mit dem kleineren Durchmesser können je nach geometrischer Auslegung des Kolbenrings zwei unterschiedliche Effekte auftreten. Wenn der radial elastische Kolbenring aufgrund seiner elastischen Eigenschaft eine Dichtwirkung erzeugen soll, dann ist er im entspannten Zustand mit einem Übermaß zum Zylinderabschnitt mit kleinerem Durchmesser dimensioniert. Folglich muss der Kolbenring beim Einfahren in diesen Abschnitt radial zusammengedrückt werden, um eine Beschädigung zu vermeiden.
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Wenn alternativ oder in Kombination zur elastischen Eigenspannung eine hydraulisch nach radial außen wirksame Aufweitkraft auf den Kolbenring einwirkt, dann setzt diese Aufweitkraft schon ein, wenn der Kolbenring einen Übergang zwischen dem Zylinderabschnitt mit dem größeren und dem kleineren Durchmesser passiert. Bei sehr hohen Kolbengeschwindigkeiten kann dieses Verhalten auch schon im großen Durchmesserabschnitt auftreten, was zu Unkomfort, Geräuschen bis hin zum Funktionsverlust führen kann.
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Um diese Aufweiteffekte zu minimieren ist es aus der gattungsbildenden
DE 10 2016 202 007 A1 bekannt, dass der Kolbenring einen Anschlag in Form einer Manschette aufweist, die den maximalen Durchmesser bestimmt. Dafür verfügt der Kolbenring über eine Ringnut, die die Manschette kammert und dadurch auch axial sichert. Als Manschette werden ein geschlitzter Sicherungsring oder auch ein elastischer O-Ring vorgeschlagen. Umfangreicher Tests haben die positive Wirkung einer derartigen Manschette bestätigt, jedoch auch die funktionalen Grenzen aufgezeigt. Zwar konnte das beschriebene Aufweitverhalten reduziert, jedoch noch nicht gänzlich ab einem bestimmten Durchmesser unterbunden werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das aus dem Stand der Technik bekannte Problem des Aufweitverhaltens des Kolbenrings zu lösen.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Anschlag von einem starren Ring gebildet wird, der sich axial am Kolben abstützt.
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Mit dem starren Ring lässt sich das Aufweitverhalten des Kolbenrings deutlich präziser beeinflussen und damit auch begrenzen. Der Ring selbst muss nicht zwangsläufig über den gesamten Umfang geschlossen sein, sondern kann wegen der starren Bauweise auch aus einer Anordnung von mehreren Ringabschnitten gebildete werden. Die Abstützung am Kolben führt zu einer Vereinfachung der Geometrie des Kolbenrings. Im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem der Kolbenring noch eine umlaufende Nut aufweist, kann der Kolbenring radial etwas stärker dimensioniert werden oder man kann die Tiefe der Kolbenringnut reduzieren. Beide Optionen verbessern die Lebensdauer des Kolbenzylinder-Aggregats.
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Bei einer Ausführung ist der Ring einteilig mit dem Kolben ausführt. Der Kolben besteht in der Regel aus einem metallischen Werkstoff, so dass eine große radiale Stützwirkung möglich ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass kein separates Bauteil für die Funktion der Manschette notwendig ist.
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Um die Erfindung auch bei axial kurzen Kolben einsetzen zu können, ist der Ring Bestandteil einer Kolbenringnut und begrenzt die Kolbenringnut außenseitig.
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Damit der Kolben nicht undefiniert in der Kolbenringnut deformiert wird, weist der Kolbenring mindestens einen Anschlagsteg auf, der mit der der Ring zusammenwirkt. Im Hinblick auf eine einfache und für den Kolbenring schonende Montage weist der Anschlagsteg in Richtung eines Nutgrunds der Kolbenringnut eine Einführschräge auf.
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Bei einer weiteren Ausführung weist der Ring einen Haltebereich und einen Fixierbereich auf, wobei sich der Fixierbereich an einer axialen Anschlagfläche des Kolbens abstützt. Auch hierbei kann man die Fixierung des Rings außerhalb des Kolbenrings erreichen.
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Im Hinblick auf eine einfache und axial raumsparende Ausführung ist die Anschlagfläche für den Ring Bestandteil des Nutprofils der Kolbenringnut.
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Alternativ kann man auch vorsehen, dass die Anschlagfläche außerhalb der Kolbenringnut ausgeführt ist. Dann kann man die Anschlagfläche dort ausführen, wo z. B. nach radial innen ein ausreichender Bauraum zur Verfügung steht.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann die Anschlagfläche Bestandteil einer Haltenut des Kolbens sein. Eine Haltenut bietet den Vorteil der beidseitigen Abstützung des Rings.
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Die axiale Fixierfunktion des Rings kann auch von einem separaten Sicherungsring übernommen werden. Die räumliche Ausgestaltung des Rings vereinfacht sich und man kann die optimale Werkstoffauswahl für die Funktion der radialen Abstützung und für die axiale Fixierung des Rings vornehmen.
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Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 Gesamtdarstellung des Kolbenzylinder-Aggregats;
- 2 Ausschnitt aus 1;
- 3 Querschnitt durch den Kolbenring nach 2;
- 4 Draufsicht des Kolbens nach 2;
- 5 Variante mit separatem Ring;
- 6 Ring aus 5 als Einzelteil in einer Draufsicht;
- 7 Alternative zur 5;
- 8 Weitere Alternative zur 5.
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Die 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Kolbenzylinder-Aggregats 1 gemäß der Erfindung. In einem Zylinder 3 ist eine Kolbenstange 5 axial verschiebbar gelagert, an der ein erster und dazu axial beabstandet ein zweiter Kolben 7; 9 angeordnet sind. In der Regel ist die Anordnung der beiden Kolben 7; 9 starr, jedoch kann die Erfindung auch eingesetzt werden, wenn ein oder beide Kolben 7; 9 in Grenzen zur Kolbenstange 5 beweglich gelagert sind.
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Der Zylinder 3 umfasst einen ersten Längenabschnitt 11 mit einem ersten Durchmesser D1. Dieser Längenabschnitt 11 wird in diesem Ausführungsbeispiel von einer Kolbenstangenführung 13 endseitig verschlossen. Am gegenüberliegenden Ende schließt sich ein zweiter Längenabschnitt 15 mit einem zweiten Durchmesser D2 an, wobei der zweite Durchmesser D2 kleiner ist als der erste Durchmesser D1.
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Auch die beiden Kolben 7; 9 weisen einen unterschiedlichen Nenndurchmesser auf. Der erste Kolben 7 ist dem größeren Durchmesser D1 des ersten Längenabschnitts 11 des Zylinders 3 angepasst und weist einen Kolbenring 17 auf, der einen ersten Arbeitsraum 19 in Richtung der Kolbenstangenführung 13 zum einem zapfenseitigen zweiten Arbeitsraum 21 zwischen dem ersten Kolben 7 und einem Boden 23 des zweiten Längenabschnitts 15 trennt. Die Trennung ist nicht hermetisch dicht, sondern über zwei wechselseitig durchströmbare Dämpfventile 25; 27 bestimmt. Als Boden 23 dient in diesem Ausführungsbeispiel ein Bodenventil mit einer wechselseitigen Durchströmung zu einem ringförmigen Ausgleichsraum 29 zwischen dem Zylinder 3 und einem äußeren Behälterrohr 31. Der gesamte Zylinder 3 ist vollständig mit einem Dämpfmedium gefüllt.
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Der zweite Kolben 9 ist dem zweiten Durchmesser D2 des zweiten Längenabschnitts 15 angepasst und damit kleiner als der erste Kolben 7.
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Die 1 zeigt das Kolbenzylinder-Aggregat 1 in einer definierten Konstruktionslage, bei der der erste Kolben 7 dichtend im ersten Längenabschnitt 11 gleitet und die Dämpfventile 25; 27 im ersten Kolben 7 eine Dämpfkraft erzeugen. Dabei befindet sich der zweite Kolben 9 ebenfalls im ersten Längenabschnitt 11, wird aber vom Dämpfmedium umspült, da ein Kolbenring 33 des zweiten Kolbens 9 keinen dichtenden Kontakt zur Innenwandung des ersten Längenabschnitts 11 aufweist. Folglich kann der zweite Kolben 9 aufgrund des offenen Ringspalts keine signifikante Dämpfkraft erzeugen.
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Wenn der zweite Kolben 9 bei einer entsprechenden Hubbewegung der Kolbenstange 5 in den zweiten Längenabschnitt 15 eintaucht, dann liegt der Kolbenring 33 an der Innenwandung des zweiten Längenabschnitts 15 an, so dass dann auch der zweite Kolben 9 mit seinen Dämpfventilen eine Dämpfkraft erzeugt, die sich zu der Dämpfkraft des ersten Kolbens 7 addiert.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird der zweite Längenabschnitt 15 von dem Zylinder 3 gebildet. Es wäre jedoch auch möglich, dass z. B. am Boden 23 eine in Richtung des zweiten Kolbens 9 weisende offene Kappe befestig wäre, die einen kleineren Innendurchmesser D2 aufweist als der erste Längenabschnitt.
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Beim Eintritt in den zweiten Längenabschnitt 15 wird der Kolbenring 33 des zweiten Kolbens 9 geringfügig elastisch im Durchmesser reduziert, so dass der Kolbenring 33 unter radialer Vorspannung an der Innenwandung des zweiten Längenabschnitts 15 anliegt. Für einen weichen Übergang und Eintritt des zweiten Kolbens 9 bzw. Kolbenrings 33 in den zweiten Längenabschnitt 15, ist zwischen dem ersten und dem zweiten Längenabschnitt 11; 15 des Zylinders 3 ein konischer Übergang 35 ausgeführt.
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Abgesehen vom Kolbenring 33 und dem Durchmesser kann der zweite Kolben 9 funktional genauso ausgeführt sein, wie der erste Kolben 7. In der 2 ist der zweite Kolben vergrößert dargestellt. Es ist erkennbar, dass ein Anschlag, der von einem geschlossenen Ring 37 gebildet wird und der sich axial am Kolben 9 abstützt eine radiale Aufweitbewegung begrenzt. Der Ring 37 ist einteilig mit dem Kolben ausführt und Bestandteil einer Kolbenringnut, wobei der Ring 37 die Kolbenringnut 39 außenseitig begrenzt. Der Ring 37 kann auch aus einer Anordnung von mehreren Ringabschnitten gebildet werden, sodass der Begriff Ring nicht unbedingt als ein geschlossener Körper zu verstehen ist.
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Zusätzlich zu einem eine Dichtfläche 41 tragenden Grundkörper 43 weist der Kolbenring 33 mindestens einen Anschlagsteg 45 auf, der mit dem Ring 37 am Kolben 9 zusammenwirkt. (3) In diesem konkreten Ausführungsbeispiel ist der Kolbenring 33 zu einer horizontalen Mittelachse 47 symmetrisch ausgeführt. Folglich kann der Kolbenring 33 beliebig in die Kolbenringnut 39 eingesetzt werden, wobei ein Querschlitz 49 (4) im Kolbenring die Montage erleichtert.
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Für eine einfachere Montage weist der Kolbenring 33 in Richtung eines Nutgrunds 51 der Kolbenringnut 39 eine Einführschräge 53 auf, die an dem Anschlagsteg 45 ausgeführt ist. Damit bildet der Anschlagsteg 45 eine Schnappverbindung mit der Kolbenringnut 39.
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In der Ausführung nach der 5 weist der zum Kolben 9 separate Ring 37 einen Haltebereich 55 und einen Fixierbereich 57 auf, wobei sich der Fixierbereich 57 an einer axialen Anschlagfläche des Kolbens abstützt. In der Zusammenschau mit der 6 ist erkennbar, dass der Fixierbereich von einer Vielzahl von Zungen 61 gebildet wird, die radial in Richtung des Kolbens 9 abgewinkelt sind und sich an der Anschlagfläche 59 abstützen.
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Für eine Fixierung des Rings 37 in zwei Richtungen ist die Anschlagfläche 59 außerhalb der Kolbenringnut 39 ausgeführt und Bestandteil einer Haltenut 63 des Kolbens 9. Die Haltenut 63 kann radial deutlich kleiner dimensioniert werden als die Kolbenringnut 39. Ein Vergleich der Querschnitt der Kolbenringe in den 2 und 5 zeigt, dass die radiale Breite des Kolbenrings in der 5 deutlich schmaler dimensioniert werden kann, so dass eine Wandstärke zu einem Durchtrittskanal 65 als Teil eines Dämpfventils 67 wiederum größer sein kann.
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Bei der Montage wird der Kolbenring 33 in die Kolbenringnut 39 eingesetzt. Danach wird der Ring 37 über den Kolben 9 gestreift. Dabei muss der Kolbenring 33 keinesfalls von dem Ring 37 axial vorgespannt sein. Ist die vorbestimmte Axialposition des Rings 37 erreicht, dann wird der Fixierbereich 57 nach radial innen verformt und greift damit in die Haltenut 63 ein. Über zwei Nutseitenflächen als Anschlagflächen 59 wird eine beidseitige axiale Fixierung des Rings 37 erreicht.
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In der Ausführung nach 7 kommt ein einfacher geschlossener Ring 37 zur Anwendung, der sich ebenfalls an einer Anschlagfläche 59 des Kolbens 9 ist abstützt, die aber Bestandteil des Nutprofils der Kolbenringnut 39 ist und damit praktisch einen Absatz innerhalb der Kolbenringnut 39 darstellt. Bei der Montage wird der Ring 37 über den Kolben 9 gefädelt (linker Halbabschnitt) und anschließend geringfügig an einem in Richtung der Anschlagfläche 59 weisenden Ende nach radial innen deformiert, beispielsweise durch ein Rollwerkzeug (rechter Halbschnitt). Auch in dieser Ausführung kann der Kolbenring 33 einen einfachen L-Querschnitt aufweisen und deshalb wird nur eine radial flache Kolbenringnut 39 benötigt.
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Die Variante nach 8 zeigt einen Ring 37, der von einem separaten Sicherungsring 69 axial gehalten wird. Der Vorteil besteht darin, dass der Ring 37 selbst überhaupt nicht deformiert werden muss. Die axiale Haltefunktion des Rings 37 übernimmt der separate Sicherungsring 69. Auch hier kann ein vorteilhafter Kolbenring 33 mit einem einfachen L-Querschnitt verwendet werden
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolbenzylinder-Aggregat
- 3
- Zylinder
- 5
- Kolbenstange
- 7
- erster Kolben
- 9
- zweiter Kolben
- 11
- erster Längenabschnitt
- 13
- Kolbenstangenführung
- 15
- zweiter Längenabschnitt
- 17
- Kolbenring
- 19
- erster Arbeitsraum
- 21
- zweiter Arbeitsraum
- 23
- Boden
- 25
- Dämpfventil
- 27
- Dämpfventil
- 29
- Ausgleichsraum
- 31
- Behälterrohr
- 33
- Kolbenring
- 35
- Übergang
- 37
- Ring
- 39
- Kolbenringnut
- 41
- Dichtfläche
- 43
- Grundkörper
- 45
- Anschlagsteg
- 47
- Mittelachse
- 49
- Querschlitz
- 51
- Nutgrund
- 53
- Einführschräge
- 55
- Haltebereich
- 57
- Fixierbereich
- 59
- Anschlagfläche
- 61
- Zungen
- 63
- Haltenut
- 65
- Durchtrittskanal
- 67
- Dämpfventil
- 69
- Sicherungsring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016202007 A1 [0002, 0005]
