DE10217650A1 - Kolbenring, insbesondere für den Kolben eines Schwingungsdämpfers - Google Patents

Kolbenring, insbesondere für den Kolben eines Schwingungsdämpfers

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DE10217650A1
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piston
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Peter Wirth
Gerald Fenn
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ZF Friedrichshafen AG
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ZF Sachs AG
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F9/00Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium
    • F16F9/32Details
    • F16F9/36Special sealings, including sealings or guides for piston-rods
    • F16F9/368Sealings in pistons

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Abstract

Kolbenring, insbesondere für den Kolben eines Schwingungsdämpfers, wobei der Kolbenring eine Mantelfläche aufweist, an der Stützsegmente mit Halteflächen angebunden sind, die sich auf einer Ober- und Unterseite des Kolbens axial abstützen, wobei der Kolbenring einen Dichtungsträger aufweist, in dem mindestens eine Dichtung eingebettet ist, wobei die Dichtung, ausgehend vom Dichtungsträger, auf den Kolben ausgerichtet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kolbenring entsprechend dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Aus dem Stand der Technik sind Flachkolben in der Anwendung bei einem Schwingungsdämpfer bekannt, bei denen ein Kolbenring einen im wesentlichen uförmigen Querschnitt aufweist. Eine Mantelfläche dichtet einen Spalt zwischen dem Kolben und einer Innenwandung eines Zylinders ab. Stützflächen des Kolbenringes sorgen für eine axiale Sicherung des Kolbenringes jeweils auf der über und Unterseite des Kolbens. Der Kolbenring besteht häufig aus einem steiferen Kunststoff, so dass eine radiale Vorspannung zwischen dem Kolbenring und der Innenwand erzielt werden kann. Zwischen dem Kolben und dem Kolbenring kann im Bereich der Umfangsfläche des Kolbens ein geringfügiger Spalt vorliegen, da die Maßtoleranzen vom Zylinder und vom Kolben ausgeglichen werden müssen.
  • Bei einem Flachkolben, wie er beispielsweise aus der DE 197 07 633 bekannt ist, kann es vorkommen, dass durch die sehr massiven Umformvorgänge eine Gestaltungenauigkeit des Kolbens auftritt, die dazu führt, dass die Stützflächen nicht mehr vollflächig auf der Ober- und Unterseite des Kolbens anliegen. Es bilden sich sehr kleine Leckspalte zwischen der Ober- und Unterseite des Kolbens, die sich insbesondere bei Schwingungsdämpfern mit einer tendenziell sportlichen Auslegung negativ bemerkbar machen, indem die toleranzbedingten Strömungsverbindungen eine Streuung bei der Dämpfkraft erzeugen.
  • Eine Lösungsmöglichkeit kann darin gesehen werden, dass man den Kolben in einem abschließenden Arbeitsschritt nachrichtet, um die Gestaltungenauigkeiten zu eliminieren. Es ist zwar ein Erfolg messbar, der jedoch noch nicht ausreicht. Des weiteren kann man die Toleranzen am Kolbenring einschränken, doch muss man dann bei einer auch nur geringen Verkleinerung der zulässigen Fertigungstoleranz mit einer überproportionale Erhöhung der Fertigungskosten rechnen. In der genannten Schrift wird die Möglichkeit beschrieben, dass der Spalt zwischen der Mantelfläche des Kolbenringes und der Innenwandung des Zylinders mit einer Dichtung abgedichtet wird, die in einen Dichtungsträger eingebunden ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Leckspalt an der Innenseite des Kolbenringes zum Kolben mit einem möglichst geringen Aufwand zu minimieren.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Dichtung ausgehend vom Dichtungsträger auf den Kolben ausgerichtet ist.
  • Durch diese Maßnahme kann ohne Änderung der vorhandenen Toleranzen eine drastische Verringerung des Leckspaltes erreicht, so dass dieser keinen signifikanten Einfluss auf die angestrebten Dämpfkräfte ausübt.
  • Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dichtung auf der Ober- und/oder Unterseite des Kolbens anliegt.
  • Eine besonders vorteilhafte Lösung wird erreicht, wenn sich die Dichtung, ausgehend vom Innendurchmesser der Halteflächen des Dichtungsträgers erstreckt. An dieser Stelle kann vergleichsweise einfach eine Dichtung z. B. in der Form einer Dichtlippe angebracht werden, deren Vorspannung durch den Betriebsdruck noch erhöht werden kann.
  • Alternativ kann die Dichtung innenseitig am Dichtungsträger am Übergang der Haltefläche zur Mantelfläche angeordnet sein. Neben einer Dichtfunktion kann die Dichtung auch einen Ausgleich für ein Axialspiel des Dichtungsträgers zum Kolben bilden.
  • So kann z. B. vorgesehen sein, dass der Dichtungsträger im Bereich des Stützelements am Übergang der Haltefläche zum Innendurchmesser des Stützelements über einen vorzugsweise umlaufenden Absatz verfügt, dessen radiale und axiale Begrenzungsflächen einen eingespritzten Dichtungswerkstoff der Dichtung in seiner Form bestimmt.
  • In Abhängigkeit des Werkstoffs des Dichtungsträgers ist die Dichtung mit dem Dichtungsträger stoffschlüssig verbunden. Man erreicht den Vorteil, dass keine besondere Geometrien am Dichtungsträger und an der Dichtung notwendig sind.
  • Alternativ kann die Dichtung mit dem Dichtungsträger formschlüssig verbunden werden, wobei man dann eine freiere Auswahl hinsichtlich der Werkstoffe nutzen kann.
  • Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
  • Fig. 1 Schwingungsdämpfer in Gesamtdarstellung;
  • Fig. 2 Kolben als Baugruppe;
  • Fig. 3 Kolbenring als Einzelteil in perspektivischer Darstellung;
  • Fig. 4 Teilansicht des Kolbenrings im Bereich des Stoßes;
  • Fig. 5 Schnitt durch den Kolbenring im Bereich des Stoßes;
  • Fig. 6 Detaildarstellung des Kolbenrings im Bereich der Nut für den Spannring;
  • Fig. 7 Detaildarstellung des Kolbenrings mit einer angespritzten Dichtung.
  • Die Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Kolbenzylinder-Aggregat 1 in der Ausführung eines Einrohrschwingungsdämpfers. Grundsätzlich lässt sich die Erfindung auch bei anderen Kolbenzylinder-Aggregaten anwenden.
  • Der Einrohrschwingungsdämpfer 1 besteht im wesentlichen aus einem Druckrohr 3, indem ein Kolben 5 an einer Kolbenstange 7 axial beweglich angeordnet ist. An der Austrittsseite der Kolbenstange 7 verschließt eine Kolbenstangenführung 9 einen mit Dämpfmittel gefüllten Arbeitsraum 11, der durch einen Trennkolben 13 von einem Gasraum 15 getrennt ist, der endseitig einen Boden 17 mit einem Auge 19 aufweist.
  • Bei einer Kolbenstangenbewegung wird Dämpfmedium durch Dämpfventile 21 im Kolben 5, die von Ventilscheiben 23 gebildet werden, verdrängt. Ein Kolbenring 25, der eine Umfangsfläche des Kolbens 5 abdeckt, verhindert ein seitliches Umströmen des Kolbens.
  • Die Fig. 2 zeigt den Kolben 5 auf der Kolbenstange 7 mit einer Stützscheibe 27 und einer Zentrierhülse 31. Diese Bauteile zentrieren sich alle an einem Kolbenstangenzapfen 7a. Die Ventilscheibe 23 und eine Tellerfeder 33 zentrieren sich wiederum an der Zentrierhülse 31. Ein Kolbenkörper 5a mit seinem Kolbenring 25 zentriert sich wiederum am Kolbenstangenzapfen 7a. Auf den Kolbenkörper wird ein Federelement 35 gelegt. Als Federelement ist eine Wellfeder besonders geeignet. Das Federelement hat nur eine sehr geringe Federrate/Federkraft, da es nur die Zentrierhülse 31 für diese Kolbenseite tragen muss. Die Höhe ist so bemessen, dass zwischen der Ventilscheibe 23 und der Zentrierhülse noch eine Überdeckung vorliegt. Auch die Tellerfeder 33 kann sich an der Zentrierhülse ausrichten, wobei die Zentrierhülsen beider Kolbenseiten nach Möglichkeit dieselbe Höhe aufweisen sollen.
  • Wenn der Kolben vorgespannt und beispielsweise mit einer Kolbenmutter 37 verschlossen wird, wird die Stützscheibe gegen die Kraft beider Tellerfedern 33 auf den Kolbenkörper zugestellt. Die Federkraft des Federelementes 35 kann man bei diesem Vorgang völlig vernachlässigen.
  • Der Kolbenring 25 verfügt über einen uförmigen Querschnitt, so dass ausgehend von der Mantelfläche 37 des Kolbenringes Stützsegmente 39; 41 mit ihren Halteflächen 43; 45 jeweils an der Ober- und Unterseite des Kolbens angreifen und den Kolbenring 25 axial zum Kolben 5 fixieren.
  • Die Fig. 3 zeigt den Kolbenring 25 als Einzelteil in einer räumlichen Darstellung. Dabei ist ein Stoß 47 erkennbar, der aus einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Zunge 49 und einer entsprechenden Aussparung 51 besteht, so dass sich der Kolbenring für die Montage radial aufweiten lässt.
  • Die Fig. 4 zeigt eine Ansicht vom Kolbenring 25 von radial innen nach radial außen. An den Rändern der Mantelfläche 37, die die Umfangsfläche des Kolbens abdeckt, sind jeweils die Stützsegmente 39; 41 ausgeführt. Die Stützsegmente der Mantelfläche setzen sich als Haltesegmente 53; 55 am Rand der Zunge 42 in Umfangsrichtung fort. Die Haltesegmente 53; 55 verfügen, funktional identisch wie die Stützsegmente 39; 41, über Halteflächen 57; 59, die sich an der Kolbenober- und Unterseite abstützen. Damit ist die Zunge in Axialrichtung des Kolbens eindeutig lagebestimmt.
  • Um auch das Ende des Kolbenringes 25 mit der Aussparung 51 axial zu lagern, sind an der Aussparung in Umfangsrichtung verlaufende Tragsegmente 61; 63 ausgeführt, die sich bei geschlossenem Stoß axial auf den Haltesegmenten 53; 55 der Zunge 49 abstützen. Dieser Zusammenhang ist in der Fig. 5 mit einem Schnitt durch den Stoß dargestellt. Die Tragsegmente 61; 63 der Aussparung, die in die Stützsegmente 39; 41 übergehen verschließen eine axial verlaufende Stoßfuge zwischen dem vorderen Ende der Zunge 49 und dem Grund der Aussparung.
  • Es besteht auch die Möglichkeit, dass ausgehend von der Zunge radial innen an den Haltesegmenten 53; 55 Zentrierstege 65; 67 ausgeführt sind, die radial an den Tragsegmenten 61; 63 angreifen und damit ein radiales Aufweiten der Zunge verhindern. Wenn die Zentrierstege über die ganze Länge der Zunge 49 ausgeführt sind, dann kann auch der größte Teil einer in Umfangsrichtung verlaufenden Stoßfuge verschlossen werden.
  • In der Fig. 2 ist ein Spannring 69 zu erkennen, der eine Dichtlippe 71 des Kolbenringes 25 nach radial außen gegen eine nicht dargestellte Wandung vorspannt. Die Fig. 6 zeigt den Kolbenring im Bereich einer Nut 73, in der der Spannring 69 gekammert ist. Der Spannring liegt deutlich außerhalb der Kolbenumfangsfläche, so dass keinerlei konstruktive Maßnahmen am Kolben für den Spannring vorgenommen werden müssen. Eine Nutseitenwand 75 wird von dem Stützsegment 41 gebildet. Die Rückseite einer Dichtlippe 71 bildet eine zweite Nutseitenwand 77, wobei der Abstand zwischen den Nutseitenwänden 75; 79 geringfügig größer ausgeführt ist als der Spannringdurchmesser, damit der Spannring gesichert am Nutgrund anliegt.
  • In der sehr starken Vergrößerung der Fig. 6 ist erkennbar, dass der Kolbenring 25 aus einem Dichtungsträger 25a und mindestens einer Dichtung 25b besteht. Diese Dichtungen 25b sind ausgehend vom Dichtungsträger auf den Kolben ausgerichtet. Der Dichtungsträger wird aus einem elastischen tendenziell etwas härterem Werkstoff hergestellt, hingegen besteht die Dichtung aus einem vergleichsweise weicheren Werkstoff, z. B. einem TPE.
  • Um den Leckspalt zwischen der Ober- und Unterseite des Kolbens 5 zu minimieren, liegt die Dichtung z. B. auf der Ober- und/oder Unterseite des Kolbens an. In der Fig. 6 ist eine Variante dargestellt, bei der sich die Dichtung 25b, ausgehend vom Innendurchmesser der Halteflächen 43; 45; 57; 59 des Dichtungsträgers 25a erstrecken. Man kann vergleichsweise einfach eine Dichtlippe anformen, die am Kolben anliegt und ggf. vom Betriebsdruck in den Arbeitsräumen zusätzlich vorgespannt wird.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Dichtung 25b innenseitig am Dichtungsträger 25a am Übergang der Haltefläche 43 zur Mantelfläche 37 angeordnet sein. Der Kolben 5 verfügt zwangsläufig über eine mehr oder weniger kleine Fase zwischen seiner Ober- bzw. Unterseite und seiner Umfangsfläche. In dem dann verbleibenden Freiraum kann die Dichtung 25b gekammert sein. Damit wird ein u. U. vorhandenes Axialspiel des Kolbenrings zum Kolben minimiert.
  • In der Fig. 7 verfügt der Dichtungsträger 25a des Kolbenrings 25 im Bereich des Stützelements 41 am Übergang der Haltefläche 43 zum Innendurchmesser des Stützelements über einen vorzugsweise umlaufenden Absatz 81, dessen radiale und axiale Begrenzungsflächen 81a; 81r einen eingespritzten Dichtungswerkstoff für die Dichtung 25b in seiner Form bestimmt. Aufgrund der speziellen Ausgestaltung des Absatzes ist es möglich, den Dichtungswerkstoff auch außerhalb eines vollständig geschlossenen Spritzwerkzeugs an den Kolbenring 25 anzuspritzen. Die Dichtung 25b muss lediglich in Richtung der Kolbenober- oder Unterseite eine Dichtfunktion ausüben. Trotz der zusätzlich angespritzten Dichtung 25b soll der Stoß 47 am Kolbenring erhalten bleiben, damit die radiale Elastizität gewährleistet ist.
  • Generell kann die Dichtung mit dem Dichtungsträger stoffschlüssig verbunden sein, beispielsweise durch ein Klebe- oder Vulkanisierungsverfahren. Dabei ist auf eine entsprechende Werkstoffauswahl von Dichtungsträger und Dichtung zu achten, da sich bestimmte Kunststoffkombinationen nicht stoffschlüssig verbinden lassen.
  • Alternativ kann die Dichtung mit dem Dichtungsträger formschlüssig verbunden sein. Man fertigt die Dichtung mit einer Anzahl von Durchbrüchen. Während des Anspritzens des Dichtungsträgers kann der Werkstoff des Dichtungsträgers die Durchbrüche auffüllen und damit eine formschlüssige Verbindung herstellen. Hinterschneidungen am Dichtungsträger, die spritztechnisch schwieriger zu handhaben sind, können damit entfallen.

Claims (7)

1. Kolbenring, insbesondere für den Kolben eines Schwingungsdämpfers, wobei der Kolbenring eine Mantelfläche aufweist, an der Stützsegmente mit Halteflächen angebunden sind, die sich auf einer Ober- und einer Unterseite des Kolbens axial abstützen, wobei der Kolbenring einen Dichtungsträger aufweist, in dem mindestes eine Dichtung eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (25b) ausgehend vom Dichtungsträger (25a) auf den Kolben (5) ausgerichtet ist.
2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (25b) auf der Ober- und/oder Unterseite des Kolbens (5) anliegt.
3. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Dichtung (25b), ausgehend vom Innendurchmesser der Haltefläche (43) des Dichtungsträgers (25a) erstreckt.
4. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (25b) innenseitig am Dichtungsträger (25a) am Übergang der Haltefläche (43) zur Mantelfläche (37) angeordnet ist.
5. Kolbenring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (25a) im Bereich des Stützelements (39; 41; 53; 55) am Übergang der Haltefläche (43; 45; 57; 59) zum Innendurchmesser des Stützelements über einen vorzugsweise umlaufenden Absatz (81) verfügt, dessen radiale und axiale Begrenzungsflächen (81a; 81r) einen eingespritzten Dichtungswerkstoff der Dichtung (25b) in seiner Form bestimmt.
6. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (25b) mit dem Dichtungsträger (25a) stoffschlüssig verbunden ist.
7. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (25b) mit dem Dichtungsträger (25a) formschlüssig verbunden ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2863676A1 (fr) 2003-12-10 2005-06-17 Zahnradfabrik Friedrichshafen Segment de piston, notamment pour un amortisseur
DE10357561B3 (de) * 2003-12-10 2005-07-21 Zf Friedrichshafen Ag Kolbenring, insbesondere für einen Schwingungsdämpfer

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