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Die Erfindung betrifft ein Kolbenzylinder-Aggregat gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Beispielhaft ist aus der
US 3 175 645 ein Kolbenzylinder-Aggregat bekannt, das einen an einer Kolbenstange befestigten Kolben aufweist, der ab einer definierten Hublage in einen Zylinder eintaucht. In dieser Variante wird der Zylinder von einem kappenförmigen Bauteil gebildet, das in einem äußeren Zylinder fixiert ist. Es ist jedoch auch bekannt, dass das kappenförmige Bauteil ersatzweise von einem Längenabschnitt mit einer Durchmesserreduzierung des äußeren Zylinders gebildet wird.
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Der Kolben wird unabhängig von der Ausgestaltung des Zylinders mittels eines Kolbenrings innerhalb einer äußeren Mantelfläche des Kolbens zur Zylinderinnenwandung abgedichtet. Dabei steht der Kolbenring unter einer radialen Vorspannung.
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Wenn sich der Kolben außerhalb des Zylinders befindet, dann weitet sich der Kolbenring radial auf. Bei jedem Eintauchen in den Zylinder muss der Kolbenring wieder auf sein Vorspannmaß bzw. auf den Durchmesser der Innenwandung reduziert werden. Dafür steht vielfach eine Einlaufschräge zur Verfügung, die auch in der
US 3 175 645 an dem kappenförmigen Bauteil unterhalb der Kolbenstangenführung zu erkennen ist.
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Die radiale Kompression beim Eintauchen verschleißt den Kolbenring sehr schnell. Aus der
DE 34 13 927 A1 ist ein Kolbenring für ein Kolbenzylinder-Aggregat in der prinzipiellen Bauform der
US 3 175 645 bekannt, der aus einem vergleichsweise harten Werkstoff besteht und ein Schlitz aufweist, um radial elastisch aufweitbar zu sein. Zwischen einer Kolbenringnut und dem Kolbenring ist ein Vorspannring eingelegt, der für eine radiale Aufweitung des Kolbenrings sorgt.
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Bei einem derartigen Kolbenring besteht jedoch der Nachteil, dass beim Eintauchen des Kolbenrings in den reduzierten Innendurchmesser ein vernehmbares Anschlaggeräusch auftritt. Trotz des harten Werkstoffs besteht ebenfalls ein erheblicher Verschleiß.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme mit einfachen Mitteln zu lösen.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Mantelfläche zusammen mit einer in Richtung des Zylinders weisenden Deckfläche eine über den Umfang der Mantelfläche unterschiedlich große Dichtlänge aufweist.
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Dadurch, dass der Kolbenring schon zumindest partiell in den Zylinder im Bereich der größten Dichtlänge eingetaucht ist und trotzdem ein großer Überströmquerschnitt für den Abfluss zur Verfügung steht, kann sich der Kolbenring druckbedingt nicht radial aufweiten und wird zusätzlich außenseitig geführt und zunehmend vorgespannt.
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Man kann z. B. vorsehen, dass die Mantelfläche in Umfangsrichtung eine unterschiedliche wirksame Höhe aufweist.
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Eine besonders einfache Bauform zeichnet sich dadurch aus, dass die Deckfläche bezogen auf die die Längsachse der Kolbenstange als eine schiefe Ebene ausgeführt ist. Der Kolbenring legt bis zur vollständigen Dichtfunktion einen nennenswerten Einfahrweg in den Zylinder zurück und erfährt damit eine große radiale Abstützung.
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Alternativ kann die Deckfläche auch als ein Wellenprofil ausgeführt ist. Über das Wellenprofil können Querkräfte am Kolbenring kompensiert werden.
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Einen besonders guten Kompromiss zwischen guter Zentrierung und Abstützung des Kolbenrings und großen Überströmquerschnitten andererseits wird dann erreicht, wenn das Wellenprofil drei Wellentäler aufweist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Mantelfläche mindestens einen Anschlussnut ausgehend von der ersten Deckfläche in Richtung einer zweiten Deckfläche auf. Diese Bauform führt bei entsprechend großer Dimensionierung der Anschlussnuten in Umfangsrichtung dazu, dass verbleibende Zentrierstege elastische Eigenschaften besitzen, die das Eintauchen des Kolbenrings in den Zylinder zusätzlich begünstigen.
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Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 Kolbenzylinder-Aggregat in einer Schnittdarstellung
- 2 - 4 Detaildarstellung zu einem Kolben gemäß der 1
- 5 u. 6 Alternatiwariante zur Ausführung nach 2 - 4
- 7 Weitere Ausführung
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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.
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In der 2 ist der zweite Kolben 9 vergrößert dargestellt. Wie man aus der Zusammenschau der 2 bis 4 entnehmen kann, ist der Kolbenring 33 geschlitzt ausgeführt und auf einer Ringschulter 37 des zweiten Kolbens 9 aufgeklipst. Ein Haltebereich des Kolbenrings 33 verfügt über eine Ringnut mit zwei gegenüberliegenden Stützflächen 41; 43, die wechselseitig an der Ringschulter 37 angreifen. Dem Haltebereich schließt sich axial in Richtung des Übergangs 35 im Zylinder ein Dichtbereich an. Der Dichtbereich 45 erstreckt sich ausgehend von einer in Richtung des Zylinders 15 weisenden Deckfläche 47 auf einer äußeren Mantelfläche 49 des Kolbenrings. Diese Mantelfläche 49 liegt nach dem Einfahren des Kolbenrings in den Zylinder 15 an der Innenwandung an. Wie insbesondere die 2 und 3 offenbaren, weist die Mantelfläche 49 des Kolbenrings über den Umfang eine unterschiedliche große Dichtlänge auf. In der linken Schnitthälfte ist die Dichtlänge signifikant größer als in der rechten Schnitthälfte des Kolbenrings 33. Diese Eigenschaft der Mantelfläche 49 wird dadurch erreicht, indem die Deckfläche 47 bezogen auf eine Längsachse 51 der Kolbenstange 5 als eine schiefe Ebene ausgeführt ist. In dieser konkreten Ausführung weisen der Haltebereich und der Dichtbereich 45 einen identischen Außendurchmesser auf, sodass auch der Haltebereich eine Dichtfunktion übernimmt. Grundsätzlich kann man jedoch auch den Haltebereich mit einem kleineren Durchmesser ausführen und ihn damit zum Dichtbereich 45 funktional trennen.
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Bei einer Einfahrbewegung des Kolbenrings 33 in den Übergang 35 und weiter in den Zylinder 15, dargestellt durch eine gestrichelte Linie in 3, kann der axial vorstehende Umfangsbereich mit der größere Dichtlänge, also der linke Halbschnittbereich, schon an der Innenwand des Zylinders 15 anliegen und trotzdem besteht noch ein ausreichender Überströmquerschnitt 53 zwischen dem Kolbenring 33 und dem Übergang 35 in der rechten Zeichnungshälfte. Dadurch kann sich zwischen der Innenseite des Kolbenrings 33 und dem Kolben 9 kein Druckpolster aufbauen, das den Kolbenring 33 zusätzlich aufweiten würde. Erst wenn der Kolbenring 33 zumindest nahezu vollständig am Übergang 35 anliegt wird der Staudruck relevant, kann jedoch aufgrund der großen radialen Abstützung des Kolbenrings 33 über die Mantelfläche 49 keinen Aufweiteffekt bewirken.
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Die 5 und 6 zeigen ebenfalls einen geschlitzten Kolbenring 33, dessen Deckfläche 47 als ein Wellenprofil ausgeführt ist. In dieser konkreten Ausgestaltung weist der Kolbenring drei Wellentäler 55 und folglich auch drei Dichtbereiche 45 mit einer größeren Dichtlänge auf. Trotz der größeren Dichtlänge tritt keine Dichtwirkung auf, da die noch offenen Querschnitte, die dann auftreten, wenn die Mantelflächenbereiche 49 mit größere Dichtlänge bereits in den Übergang 35 eintauchen, für einen Druckaufbau auf der Innenseite des Kolbenrings 33 deutlich zu groß sind. Aufgrund der gleichmäßigen Verteilung der Mantelflächenbereiche 49 mit größerer Dichtlänge wird der Kolbenring 33 über den Umfang gleichmäßig abgestützt und damit im Zylinder zentriert.
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Die 7 zeigt eine weitere Variante eines Kolbenrings 33, bei dem die Mantelfläche 49 mindestens eine Anschlussnut 57, ausgehend von der ersten Deckfläche 47 in Richtung einer zweiten Deckfläche 59, aufweist. Wie man sieht, kann der Kolbenring 33 zwei horizontale und parallele Deckflächen 47; 59 aufweisen, so dass der Kolbenring 33 über seinen gesamten Umfang eine konstante Höhe besitzt. In dieser Figur sind mehrere Anschlussnuten 57 eingezeichnet, die eine unterschiedliche Länge aufweisen. Am Nutauslauf 61 schließt sich der Dichtbereich 45 an. Zwischen den Anschlussnuten 57 bestehen Zentrierflächen 63, die den Kolbenring 33 im Zylinder 15 radial positionieren. Über die unterschiedlichen Längen der Anschlussnuten 57 kann ein allmähliches Ansprechen des Dichtbereichs 45 erreicht werden, indem die kurzen Anschlussnuten zuerst im Zylinder 15 verschlossen werden und folglich keinen Überströmquerschnitt in Richtung des Zylinders bieten, hingegen die längeren Anschlussnuten noch einen größeren Überströmquerschnitt offen halten und gleichzeitig über die Zentrierflächen 63 eine Zentrierung des Kolbens und eine Blockierung der radialen Aufweitbewegung bewirken. Bei entsprechender Breite oder Anzahl der Anschlussnuten können die Mantelflächen mit größerer Dichtlänge auch eine gewisse Elastizität bieten, da dort der Querschnitt in Umfangsrichtung relativ gering ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben-Zylinder-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
- Ringschulter
- 39
- Ringnut
- 41
- Stützflächen
- 43
- Stützflächen
- 45
- Dichtbereich
- 47
- Deckfläche
- 49
- Mantelfläche
- 51
- Längsachse
- 53
- Überströmquerschnitt
- 55
- Wellental
- 57
- Anschlussnut
- 59
- zweite Deckfläche
- 61
- Nutauslauf
- 63
- Zentrierflächen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3175645 [0002, 0004, 0005]
- DE 3413927 A1 [0005]
