DE19734375C1 - Kolben-Zylinderaggregat mit einem Kolben, der einen Toleranzausgleich aufweist - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kolben-Zylinderaggregat entsprechend dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

DE 195 39 616 A1 betrifft eine mit Fluid gefüllte Zylinder-Kolbenstangen-Einheit, insbesondere eine Gasfeder, deren Kolben mit Federzungen versehen ist, die mit abgerundeten Enden an der Innenwand eines Gehäuses elastisch anliegen, wäh­ rend der übrige Teil des Kolbens vom Gehäuse frei ist. Die Federzungen sind der­ art dimensioniert, daß sie vor dem Einbau ein Übermaß zum Druckrohr aufweisen und nach der Montage unter gewünschter Vorspannung an der Innenwand des Gehäuses anliegen. Für eine Endlagendämpfung verfügt das Gehäuse über eine Nut im Gehäuse, die sich in Richtung der Austrittsseite der Kolbenstange aus dem Gehäuse verjüngt.

In Verbindung mit den Federzungen kann es vorkommen, daß sich beim Verdre­ hen im Uhrzeigersinn im eingebauten Zustand des Kolbens die Federzungen reib­ kraftbedingt zwischen Kolben und Gehäuse "aufrichten" und sich zusätzlich zur Vorspannung eine weitere Reibkraft wirksam wird. Insbesondere im Bereich der Längsnut kann dieser Effekt noch verstärkt auftreten, wenn sich eine Federzunge ausgerechnet in der Längsnut verhakt.

Des weiteren kann eine Federzunge in der Längsnut einhaken und den Quer­ schnitt einengen, so daß die vorgesehene Funktion der Längsnut nicht mehr er­ füllt wird.

Grundsätzlich liegt ein kritischer Montagemoment vor, wenn die Kolbenstange mit dem Kolben in das Gehäuse eingeführt wird. Es ist darauf zu achten, daß der Kolbenring nicht über dem Rand des offenen Gehäuses gequetscht wird. Diese Möglichkeit ist bei dem Kolbenring der DE 195 39 616 A1 in besonderem Maße gegeben.

Aus der US 2,992,052 ist ein selbstdichtender Kolben bekannt, der mit einer Kolbenstange axial beweglich angeordnet ist, wobei der Innendurchmesser des Zylinders eine Führung für eine Mantelfläche des Kolbens bildet und der Kolben ausgehend von einen Kolbengrundkörper radial elastische Umfangsbereiche mit einer geschlossene Kontur der Mantelfläche für einen Toleranzausgleich zum In­ nendurchmesser des Zylinders aufweist, wobei der Kolbengrundkörper in seinem Umfangsbereich Ausnehmungen aufweist, die von einer Wandung eingeschlos­ sen werden, wobei die Wandung am Innendurchmesser des Zylinders anliegt.

Mit dieser Ausführungsform ist der Nachteil verbunden, daß schon geringe Wandstärkenabweichungen bei der Wandung zu gravierenden Elastizitätsunter­ schieden führt, wodurch die Reibung nur sehr schwer in ihrem Betrag eingrenzbar ist.

Des weiteren liegt am Übergang von der elastischen Wandung zum Kolbengrund­ körper ein konischer Übergang vor. Dieser konische Übergang stellt eine hydrauli­ sche oder pneumatische Wirkfläche dar, die es in ihrer Wirkung zu berücksichti­ gen gilt. Je nach dem, aus welcher Richtung ein Betriebsdruck angreift, baut sich eine Druckkraftkomponente auf, die die elastische Wandung vom Innendurch­ messer des Rohres abheben läßt oder verstärkt andrückt.

Die DE-PS 879 038 beschreibt einen hydraulischen Stoßdämpfer mit einem Kol­ ben, der in einem mit Flüssigkeit gefüllten Zylinder bewegt wird. Der Kolben ist mit Führungsmitteln versehen, die durch unzusammenhängende Tragflächen zur Abstützung auf der Zylinderwand gebildet sind und zwischen sich Durchtrittsöff­ nungen für die Flüssigkeit freilassen.

Die US 1 355 789 offenbart einen Kolben in einem Zylinder, der eine in Um­ fangsrichtung verlaufende taschenförmige Nut aufweist, die einen Kolbengrund­ körper von einer Dichtlippe trennt. Für den Flüssigkeitsdurchtritt sind axiale Boh­ rungen im Kolben vorgesehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kolben für ein Kolben- Zylinderaggregat weiterzuentwickeln, bei dem das Radialspiel minimiert und mög­ lichst konstante Reibverhältnisse vorliegen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Mit der geschlossenen Wandung in Verbindung mit den Durchgangsöffnungen werden die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zuverlässig behoben. Es liegt keine hydraulische oder pneumatische Wirkfläche vor, die eine Radial­ kraftkomponente bewirkt, die wiederum einen negativen Einfluß auf die vorhan­ denen Reibkräfte nach sich zieht.

Des weiteren ist vorgesehen, daß die Ausnehmungen bogenförmig in Umfangs­ richtung ausgeführt sind, wobei der Außenradius der Ausnehmung kleiner ist als der Innenradius. Man erhält einen Bereich mit abnehmender Elastizität ausgehend von der Mitte der bogenförmigen Ausnehmung, da in der Mitte der Ausnehmung die Wandung am dünnen ist. Die Stützwirkung der Wandung nimmt mit stärke­ rer Verformung progressiv zu.

Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der Kolbengrundkörper als ein Viel-Eck ausgeführt ist, wobei in jeder Ecke ein radial elastischer Um­ fangsbereich ausgeführt ist und zwischen den Ecken eine radiale Aussparung durch den Kolben vorliegt. Im Vergleich zur DE 195 39 616 A1 hat man keine Umfangsbereiche (Bezugsziffer 38 dieser Schrift), die funktional keinen Vorteil bringen.

Um die Elastizität der Wandung günstig zu beeinflussen, weist der Außenbereich des Kolbens in jeder Ecke einen kleineren Radius auf, als der Halbmesser des Kolbens beträgt. Zusätzlich können keine Klemmkräfte auftreten, da in Umfangs­ richtung durch die Aussparungen genügend Raum für die verformten Teile der Wandungen vorliegt.

Nach einem weiteren vorteilhaften Unteranspruch weist der Kolben einen Kol­ benring auf, der axial beweglich ausgeführt ist und in Abhängigkeit seiner Schalt­ stellung einen Durchströmungsquerschnitt freischaltet oder blockiert. Mit dieser Maßnahme wird die Geschwindigkeit der Ausfahrbewegung beeinflußt.

Um den Kolbenring bei der Montage des Kolbens in den Zylinder keinesfalls über den Rand des offenen Zylinders zu quetschen, weist der Kolbengrundkörper Zen­ trierflächen für den Kolbenring auf. Größere Abweichungen von der radialen Po­ sition zum Kolben sind ausgeschlossen. Folglich kann es auch nicht passieren, daß der Kolbenring extrem exzentrisch im Kolben liegt und bei der Einführbewe­ gung des Kolbens in den Zylinder beschädigt wird.

Vorteilhafterweise sind die Zentrierflächen in den Ecken des Kolbengrundkörpers angeordnet. Man erhält einen ziemlich großen Durchmesser für den Tollkreis der Zentrierflächen.

So ist der Kolbenring bezogen auf die Durchgangsöffnungen in Richtung des sich verkleinernden Arbeitsraumes bei einfahrender Kolbenstange angeordnet. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt darin, daß die Größe und die Gestalt der Durch­ gangsöffnungen variabel ist. Der Kolbenring muß die Durchgangsöffnungen nicht verschließen können. Bei einer Ausfahrbewegung liegt der Kolbenring nicht auf den Durchgangsöffnungen und bei einer Einfahrbewegung sind Durchgangsquer­ schnitte freigeschaltet, die von den Durchgangsöffnungen unabhängig sind.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 Vereinfachte Darstellung eines Kolben-Zylinderaggregates,

Fig. 2 Vergrößerte Darstellung des erfindungsgemäßen Kolbens,

Fig. 3a-4b Detaildarstellungen des Kolbens.

Die Fig. 1 zeigt ein Kolben-Zylinderaggregat 1 in der Bauform einer Gasfeder, die eine axial bewegliche Kolbenstange 3 mit einem Kolben 5 in einem Zylinder 7 aufweist. Der Kolben 5 teilt den Zylinder in zwei Arbeitsräume 9; 11 auf, wobei die Arbeitsräume in dieser Anwendung mit Gas gefüllt sind, wodurch sich eine Gaskraft ergibt, die die Kolbenstange in Ausfahrrichtung belastet. Optional kann der Zylinder eine Bypassnut 13 aufweisen, um eine Endlagendämpfung in Aus­ fahrrichtung der Kolbenstange zu erreichen, indem der nutzbare Querschnitt der Bypassnut zwischen den Arbeitsräumen 9; 11 kontinuierlich verringert wird, wo­ durch sich eine Drosselwirkung einstellt.

Des weiteren kann der Kolben 5 wie die Fig. 2 zeigt auch einen axial beweglichen Kolbenring 15 aufweisen, der richtungsabhängig einen Durchströmungsquer­ schnitt 17 blockiert oder freischaltet, indem der Kolbenring durch eine Reibkraft aufgrund einer radialen Vorspannung gegen die Bewegung der Kolbenstange ver­ schoben wird.

Zu dem Kolben gehört eine Anschlagscheibe 19 für den axial beweglichen Kol­ benring. Damit liegt für den Kolbenring ein Schaltweg vor, der von der Anschlag­ scheibe 19 und Deckflächen 5a des Kolbens bestimmt wird. Der Kolbenring wird radial am Innendurchmesser über Zentrierflächen 21 geführt.

Der Kolben verfügt über radial elastische Umfangsbereiche in seiner Mantelflä­ che 23, die durch Ausnehmungen in Form von Durchgangsöffnungen 25 von ei­ nem Kolbengrundkörper 27 getrennt sind. Die radial elastischen Umfangsberei­ che, bzw. die Wandungen 29 des Kolbens, stehen unter Vorspannung zur Innen­ fläche des Zylinders. Die Vorspannungen stellen eine Kraft dar, die als Normal­ kräfte auf den Kolbenmittelpunkt gerichtet sind und ihn folglich über die Wan­ dungen 25 im Zylinder führen.

Die Fig. 3a bis 3c zeigen den Kolben 5 als Einzelteil. Der Kolben ist als ein Vieleck, in diesem Ausführungsbeispiels als ein Viereck, ausgeführt. In jeder "Ecke" des Kolbens wird ein radial elastischer Bereich durch die Wandungen 29 gebildet, die die Durchgangsöffnungen 25 einschließen. Aus der Fig. 3a ist er­ sichtlich, daß die Ausnehmungen bogenförmig in Umfangsrichtung verlaufen. Der Außenradius Ra ist kleiner als der Innenradius Ri. Die Wandstärke der Wandun­ gen ist konstant, so daß auch der Kolben im Bereich der Wandungen bzw. der "Ecken" einen kleineren Radius Re als den Halbmesser H aufweist. An den Schei­ telpunkten, jeweils die Schnittpunkte der Mittellinien des Kolbens mit den Wan­ dungen, findet eine Berührung zwischen dem Zylinder 7 und dem Kolben statt, wobei sich die Berührung von einer Linienberührung bis zu einer flächigen Berüh­ rung über die gesamten Wandungen erstrecken kann.

Zwischen den elastischen Umfangsbereichen liegen Aussparungen 31 vor. Diese Aussparungen bilden Überströmquerschnitte, die dem Durchströmungsquer­ schnitt 17 nachgeschaltet sind und in Abhängigkeit der Schaltstellung des Kol­ benringes 15 die beiden Arbeitsräume 9; 11 (s. Fig. 1) verbinden. In Umfangs­ richtung des Kolbens gibt es demzufolge keine Mantelflächenteile, die keine nutzbare Funktion bieten.

Auf dem Kolbengrundkörper 27 ist in der Form eines Zahnrades eine Zentrierung für den Kolbenring 15 ausgeführt. In jeder Ecke des Kolbens sind in Umfangsrich­ tung verlaufende Zentrierflächen 21 zu der besagten Zahnradform zusammenge­ faßt. Damit ist die radiale Beweglichkeit des Kolbenringes 15 (Fig. 1) beschränkt.

Der Kolben 5 ist aus einem urformbaren Kunststoff hergestellt. Die Zentrierflä­ chen werden dementsprechend sofort mit dem restlichen Kolbenteilen ausge­ formt. Desachsierungsfehler der Zentrierflächen 21 zu den Wandungen 29 sind damit ausgeschlossen.

Die Fig. 4a und 4b zeigen im Prinzip denselben Kolben wie in den Fig. 3a bis 3c. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ausgenutzt, daß drei Punkte oder Flä­ chen zur Zentrierung eines Kolbens schon ausreichen. Folglich weist dieser Kol­ ben eine dreieckige Grundform auf, wobei in jeder "Ecke" ein radial elastischer Umfangsbereich mit einer Wandung 29 ausgeführt ist. Auch dieser Kolben ver­ fügt über Zentrierflächen 21, eine pro Durchgangsöffnung 25. Bei dieser Kolben­ variante werden die Aussparungen 31 von einer das Dreieck des Kolbens bilden­ den Kante 5b und dem Innendurchmesser des Zylinders gebildet. Insgesamt er­ gibt sich durch diese Kolbengestaltung eine besonders einfache Spritzform für die Kolbenherstellung, da kaum Versprünge zwischen den Kanten und Flächen vor­ liegen.

Bei einer Kolbenstangenbewegung in Einfahrrichtung wird der Kolbenring 15 durch die wirksame Reibkraft zwischen dem Kolbenring und dem Zylinder an die Deckscheibe 19 des Kolbens verschoben. Dabei werden die Durchströmungsöff­ nungen je nach Dimensionierung der Bauteile größtenteils bis ganz verschlossen. Die Durchströmungsöffnungen spielen für die Verbindung zwischen den Arbeits­ räumen keine Rolle, so daß man hinsichtlich der Gestaltung keinen strömungs­ technischen Gesichtspunkten unterworfen ist.

Claims (8)

1. Kolben-Zylinderaggregat, umfassend einen Zylinder, in dem ein Kolben an einer Kolbenstange axial beweglich angeordnet ist, wobei der Innendurchmesser des Zylinders eine Führung für eine Mantelfläche des Kolbens bildet und der Kolben ausgehend von einem Kolbengrundkörper mehrere radial elastische Umfangs­ bereiche mit einer geschlossenen Kontur der Mantelfläche für einen Toleranz­ ausgleich zum Innendurchmesser des Zylinders aufweist, wobei der Kolben­ grundkörper in seinen Umfangsbereichen radiale Ausnehmungen aufweist, die von einer Wandung eingeschlossen werden, wobei die Wandung am Innen­ durchmesser des Zylinders anliegt, und zwischen den Umfangsbereichen die radialen Aussparungen liegen, die nicht am Innendurchmesser des Zylinders anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Ausnehmungen in den Umfangsbereichen als Durchgangsöff­ nungen (25) ausgeführt sind.

2. Kolben-Zylinderaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (25) bogenförmig in Umfangsrichtung ausgeführt sind, wobei der Außenradius Ra der Ausnehmung kleiner ist als der Innenradius Ri.

3. Kolben-Zylinderaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbengrundkörper (27) als ein Viel-Eck ausgeführt ist, wobei in jeder Ecke ein radial elastischer Umfangsbereich ausgeführt ist und zwischen den Ecken eine radiale Aussparung (31) durch den Kolben vorliegt.

4. Kolben-Zylinderaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenbereich des Kolbens in jeder Ecke einen kleineren Radius RE aufweist, als der Halbmesser H des Kolbens (5) beträgt.

5. Kolben-Zylinderaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) einen Kolbenring (15) aufweist, der axial beweglich ausge­ führt ist und in Abhängigkeit seiner Schaltstellung einen Durchströmungsquer­ schnitt (17) freischaltet oder blockiert.

6. Kolben-Zylinderaggregat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbengrundkörper (27) Zentrierflächen (21) für den Kolbenring (15) aufweist.

7. Kolben-Zylinderaggregat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierflächen (21) in den Ecken des Kolbengrundkörpers (27) ange­ ordnet sind.

8. Kolben-Zylinderaggregat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring (15) bezogen auf die Durchgangsöffnungen (25) in Rich­ tung des sich verkleinernden Arbeitsraumes (9) bei einfahrender Kolbenstan­ ge (3) angeordnet ist.