DE3932287A1 - Hydropneumatische kolbenzylinderanordnung mit einem hochviskosen hydraulikmedium - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydropneumatische Kolbenzylinderanordnung mit einem Zylinder, einem innerhalb des Zylinders koaxial angeordneten, einendig an einem Zylinderkopf befestigten Innenrohr und einem im Ringraum zwischen dem Zylinder und dem Innenrohr axialbeweglich geführten, zwei mit einem hydraulischen Medium gefüllte Ringkammern abteilenden und mit einer hohlzylindrischen, abgedichtet aus dem Zylinder nach außen geführten Kolben­ stange verbundenen Ringkolben, wobei innerhalb des Innen­ rohrs ein Trennkolben schwimmend geführt ist, der einen mit mindestens einer der Ringkammern hydraulisch verbundenen, mit dem hydraulischen Medium gefüllten Ausgleichsraum von einer mit einem weiteren Medium gefüllten Kammer trennt.

Eine derartige Kolbenzylinderanordnung ist aus der GB-PS 4 93 657 bekannt, wobei das weitere Medium aus einem kom­ pressiblen Gas besteht, so daß eine Gasfederkammer gebildet wird. Bei diesen Kolbenzylinderanordnungen mit Gasfederkam­ mer kann es zur starken Erwärmung des Gases kommen, wodurch ein erhöhter Druck des Hydraulikmediums erzeugt wird. Diese Druckerhöhung bewirkt aber ein Ausfahren der Kolbenzylin­ dervorrichtung, was aber deshalb unerwünscht ist, und zwar beim Einbau in Kraftfahrzeugen, da hierdurch eine ungewoll­ te Veränderung des Bodenabstandes der Fahrzeugkarrosserie bewirkt wird. Weiterhin erfolgt hierdurch eine Veränderung der Federcharakteristik, da diese vom Druck in der Gasfe­ derkammer abhängig ist. Weiterhin ist die gasdichte Abdich­ tung des Trennkolbens relativ aufwendig und sie setzt eine äußerst glatte Oberfläche der Innenwandung des Innenrohres voraus.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydropneumatische Kolbenzylinderanordnung zu schaffen, die die vorstehenden Nachteile nicht aufweist und die bei verringerten Abmessungen ein gutes Federungs- und Dämpfungsverhalten und eine wesentlich verringerte Temperaturempfindlichkeit besitzt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das hydrau­ lische Medium aus einem kompressiblen, hochviskosen Medium besteht und das in der von dem Trennkolben begrenzten Kammer befindliche Medium ein nicht kompressibles Medium ist. Hierbei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die das nicht kompressible Medium aufweisende Kammer auf der dem Zylinderkopf zugekehrten Seite des Trennkolbens angeordnet ist.

Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wirkt das kom­ pressible Medium als Feder, da dieses durch die beim Zusam­ menfahren auftretende Volumenverkleinerung kompremiert wird, so daß eine Federwirkung durch Kompression erzeugt wird. Hierbei verändert sich die Lage des Trennkolbens nicht, da das nicht kompressible Medium dies verhindert. Gleichzeitig weist die erfindungsgemäße Kolbenzylinderan­ ordnung auch ein hinreichendes Dämpfungsverhalten auf, und zwar bedingt durch die zwischen dem Ausgleichsraum und den Ringräumen befindlichen Bohrungen und Durchtrittsöffnungen bzw. Spalten und die hohe Viskosität des kompressiblen Mediums. Aufgrund der hohen Viskosität des Hydraulikmediums kann auch eine Abdichtung des Trennkolbens gegenüber der Atmosphäre bzw. der anderen Druckkammer mit einfachen Dichtungsmitteln erfolgen. Da das verwendete hochviskose Medium weniger kompressibel als Gas ist, kann für den Be­ trieb der erfindungsgemäßen Kolbenzylinderanordnung ein höheres Druckniveau gewählt werden als bei den bekannten Kolbenzylinderanordnungen, so daß das erfindungsgemäße System bei gleichen Lastanforderungen kleiner dimensioniert werden kann. Zudem ist insgesamt die Gefahr beim Platzen der Kolbenzylinderanordnung wegen der geringeren Ausdeh­ nungsfähigkeit des hochviskosen Hydraulikmediums reduziert.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten und werden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispie­ len näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Kol­ benzylinderanordnung im eingefahrenen Zustand und

Fig. 2 einen Axialschnitt der Kolbenzylinderanordnung gemäß Fig. 1 im ausgefahrenen Zustand,

Fig. 3 einen Axialschnitt durch eine weitere Ausfüh­ rungsform einer erfindungsgemäßen Kolbenzylinder­ anordnung im eingefahrenen Zustand und

Fig. 4 einen Axialschnitt der Kolbenzylinderanordnung gemäß Fig. 3 im ausgefahrenen Zustand.

Eine erfindungsgemäße Kolbenzylinderanordnung 2 besteht aus einem Zylinder 4, der einendig einen Zylinderkopf 6 auf­ weist und anderendig offen ausgebildet ist. Der Zylinder 4 ist im Bereich des Zylinderkopfes beispielsweise an einem in den Zeichnungsfiguren nur angedeuteten Rahmenteil 8 z. B. eines Kraftfahrzeuges oder an einer beliebigen anderen "gefederten Masse" befestigbar. Innerhalb des Zylinders 4 ist koaxial zu diesem ein Innenrohr 10 angeordnet. Dieses Innenrohr 10 ist einendig am Zylinderkopf 6 befestigt und erstreckt sich anderendig etwa bis in den Bereich des offenen Endes des Zylinders 4, im dargestellten Beipsiel allerdings noch etwas darüber hinaus.

Zwischen dem Zylinder 4 und dem Innenrohr 10 ist folglich ein Zylinder-Ringraum 12 gebildet. In diesem Ringraum 12 zwischen dem Zylinder 4 und dem Innenrohr 10 ist ein Ring­ kolben 14 axialbeweglich geführt. Dieser Ringkolben 14 unterteilt den Ringraum 12 in eine dem Zylinderkopf 6 abgekehrte, untere Ringkammer 18. Der Ringkolben 14 ist mit einer hohlzylindrischen, abgedichtet aus dem offenen Ende des Zylinders 4 nach außen geführten Kolbenstange 20 ver­ bunden. Die Kolbenstange 20 besitzt an ihrem aus dem Zylin­ der 4 ragenden Ende ein Befestigungselement 22, mit dem die Kolbenzylinderanordnung 2 beispielsweise mit einem in der Zeichnung strichpunktiert angedeuteten KFZ-Rad 24 oder einer anderen "ungefederten Masse" verbindbar ist. Inner­ halb des Innenrohrs 10 ist ein Trennkolben 26 axial ver­ schiebbar geführt, wobei dieser Trennkolben 26 einen Aus­ gleichsraum 28 von einer mit einem nicht kompressiblen Medium, insbesondere Wasser oder einem Wasser-Öl-Gemisch gefüllten Kammer 30 trennt. Die beiden Zylinder-Ringkammern 16 und 18 sowie der Ausgleichsraum 28 sind jeweils mit einem kompressiblen hochviskosen Medium, z. B. Silikon-Öl, gefüllt, wobei der Ausgleichsraum 28 mit mindestens einer der Ringkammern 16, 18 hydraulisch verbunden ist.

Erfindungsgemäß ist nun die Kammer 30 auf der dem Zylinder­ kopf 6 zugekehrten Seite des Trennkolbens 26 angeordnet. Dementsprechend befindet sich der Ausgleichsraum 28 auf der gegenüberliegenden, dem Zylinderkopf 6 abgekehrten Seite des Trennkolbens 26. Vorzugsweise im Bereich des Zylinder­ kopfes 6 besitzt der Zylinder 4 erfindungsgemäß einen in die Kammer 30 mündenden Steueranschluß 32. Dieser Steueran­ schluß 32 ist über eine nicht dargestellte Leitungsverbin­ dung mit einer ebenfalls nicht gezeigten Pumpeinrichtung verbindbar. Durch Veränderung des Volumens des nicht kom­ pressiblen Mediums in der Kammer 30 kann eine Niveau-Ein­ stellung vorgenommen werden. Das Innenrohr 10 ist vorteil­ hafterweise an seinem dem Zylinderkopf 6 abgekehrten Ende über einen geschlossenen Boden 34 druckdicht geschlossen und in diesem Bereich über eine Umfangsdichtung 36 gegen die Innenwandung der Kolbenstange 20 abgedichtet. Hierdurch ist im sich axial über das Innenrohr 10 hinaus erstrecken­ den Bereich der Kolbenstange 20 eine durch Federungsbewe­ gungen volumenveränderliche Kammer 38 gebildet, die vor­ zugsweise über mindestens eine am Ende der Kolbenstange 20 angeordnete Lüftungsöffnung 40 be- und entlüftet ist.

Die obere Ringkammer 16 und die untere Ringkammer 18 sind über eine strichpunktiert eingezeichnete, insbesondere außerhalb des Zylinders 4 verlaufende Leitungsverbindung 42 miteinander verbunden. Zum Anschluß der Leitungsverbindung 42 besitzt der Zylinder 4 vorzugsweise im Bereich des Zylinderkopfes 6 eine in die obere Ringkammer 16 mündende Anschlußöffnung 46 sowie in dem Zylinderkopf 6 abgekehrten Endbereich seiner Zylinderwandung eine in die untere Ring­ kammer 18 mündende Anschlußöffnung 48.

In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kolbenstange 20 erfindungsgemäß derart im Ringraum 12 zwischen dem Zylinder 4 und dem Innenrohr 10 koaxial zu diesen angeordnet, daß die dem Zylinderkopf 6 abgekehrte, untere Ringkammer 18 von der Wandung der Kol­ benstange 20 in eine zwischen dieser und dem Innenrohr 10 liegende, innere Ringkammer 18a und eine zwischen der Kolbenstange 20 und dem Zylinder 4 angeordnete, äußere Ringkammer 18b unterteilt ist, wobei die Kolbenstange 20 in der Nähe des Ringkolbens 14 mindestens eine die innere Ringkammer 18a mit der äußeren Ringkammer 18b verbindende Strömungsöffnung 50 sowie das Innenrohr 10 in seinem Zylin­ derkopf 6 abgekehrten Endbereich mindestens eine die innere Ringkammer 18a mit dem Ausgleichsraum 28 verbindende Strö­ mungspassage 52 aufweisen. Dies bedeutet, daß bei dieser Ausführungsform die Anschlußöffnung 48 der unteren Ring­ kammer 18 in deren äußere Ringkammer 18b mündet. Erfin­ dungsgemäß ist somit der Ausgleichsraum 28 einerseits unmittelbar über die Strömungspassage(n) 52 mit der unteren Ringkammer 18 bzw. deren inneren Ringkammer 18a sowie auch mittelbar über die Strömungsöffnung(en) 50, die äußere Ringkammer 18b, die Anschlußöffnung 48, die Leitungsverbin­ dung 42 sowie die Anschlußöffnung 46 auch mit der oberen Ringkammer 16 verbunden. Dabei wird die Verbindung des Ausgleichraums 28 nach außen erfindungsgemäß durch einen axialen Versatz der Strömungsöffnung(en) 50 gegenüber der Anschlußöffnung 48 und der Strömungspassage 52 erreicht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist innerhalb der Kammer 30 ein Endanschlag für den Trennkolben 26 insbesondere durch eine innere Ringstufe 54 des Innen­ rohrs 10 derart gebildet, daß die axiale Bewegung des Trennkolbens 26 in Richtung des Zylinderkopfes 6 auf einen bestimmten, ein Mindestvolumen der Kammer 30 gewährleisten­ den Abstand von dem Zylinderkopf 6 begrenzt ist.

Die Abdichtung der hohlen Kolbenstange 20 nach außen wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zwischen der Kolben­ stange 20 und dem Zylinder 4 eine äußere Umfangsdichtung 56 sowie zwischen der Kolbenstange 20 und dem Innenrohr 10 die oben bereits erwähnte innere Umfangsdichtung 36 jeweils unter dichtender Anlage angeordnet sind. Der Ringkolben 14 ist über eine innere Umfangsdichtung 58 gegen das Innenrohr 10 sowie über eine äußere Umfangsdichtung 60 gegen den Zylinder 4 abgedichtet.

Der Trennkolben 26 ist über eine Umfangsdichtung 59 gegen die Innenwandung des Innenrohrs 10 abgedichtet. Zudem ist es vorteilhaft, wenn der Trennkolben 26 topf- oder becher­ förmig mit einer axialen, in Richtung der Kammer 30 offene Vertiefung 61 ausgebildet ist, da sich hierdurch das Ge­ samtvolumen der Kammer 30 vergrößert, ohne die Kolbenzylin­ deranordnung 2 selbst vergrößern zu müssen. Zudem stellt die Vertiefung 61 stets - auch ohne den oben beschriebenen Anschlag - ein Mindest-Restvolumen der Kammer 30 sicher.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Kolbenzylinderanordnung 2 ist nun wie folgt:
In Fig. 1 ist die Einfederungsbewegung anhand der Pfeil­ richtung 62 dargestellt. Hierbei wird das hochviskose, kompressible Medium von dem Ringkolben 14 aus der oberen Ringkammer 16 verdrängt. Das Medium gelangt dann über die externe Leitungsverbindung 42 in die untere Ringkammer 18 und der Ausgleichskammer 28. Da die Kolbenstange 20 sich in die untere Ringkammer 18 hinein verschiebt, wird ein dem Volumen der Wandung der Kolbenstange 20 entsprechendes Teilvolumen des hydraulischen Mediums demzufolge kompre­ miert, da sich das Gesamtvolumen aufgrund des in der Kammer 30 befindlichen, nicht kompressiblen Mediums nicht vergrö­ ßern kann. Die Kompression dieses Teilvolumens erzeugt eine pneumatische Federwirkung.

In Fig. 2 ist anhand der Pfeilrichtung 66 die Ausfederungs­ bewegung des Kolbens 14 bzw. der Kolbenstange 20 darge­ stellt, wobei diese Ausfederung durch die Entspannung der Kompression des hochviskosen Mediums bewirkt wird und, unterstützt durch die pneumatische Federkraft auf dem Ringkolben 14, die Kolbenstange aus der unteren Ringkammer 18 heraus verschoben wird. Hierbei fließt das kompressible Medium zurück in die obere Ringkammer 12. Durch die Strö­ mung des kompressiblen, hochviskosen Mediums, durch die Strömungspassage 52 und der Strömungsöffnung 50 erfolgt auch eine Dämpfung innerhalb der erfindungsgemäßen Kolben­ zylinderanordnung.

In den Fig. 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kolbenzylinderanordnung dargestellt, wobei gleiche Teile wie in den Fig. 1 und 2 mit densel­ ben Bezugsziffern gekennzeichnet sind. Hierbei ist der Trennkolben 26 als Druckübersetzer ausgebildet, wodurch der im durch das inkompressible Medium aufzubringende Druck im Falle einer Niveauregulierung vergleichbar gering gehalten werden kann, da die wirksame Druckfläche 70 des Trennkol­ bens 26 wesentlich größer ist als seine wirksame Druckflä­ che 72 innerhalb des kompressiblen Mediums. Hierbei ist zwischen dem Ausgleichsraum 28 und dem Trennkolben 26 eine Zwischenkammer 74 ausgebildet, indem das Innenrohr 10 eine Zwischenwand 76 aufweist. An dem Trennkolben 26 ist ein Plungerfortsatz 78 angeordnet, der durch eine Öffnung 80 in der Zwischenwand 76 verläuft und in dieser umfangsgemäß abgedichtet geführt ist. Dieser Plungerfortsatz 78 ragt in die Ausgleichkammer 28 hinein und weist endseitig die wirksame Druckfläche 72 auf. Auf der dem Plungerfortsatz 78 gegenüberliegenden Seite des Trennkolbens 26 ist eine Führungsstange 80 angeordnet, die mit ihrem freien Ende im Zylinderkopf 6 verschiebbar in einer Bohrung 82 geführt und umfangsgemäß abgedichtet ist. Im Inneren der Führungsstange 80 ist eine Verbindungsbohrung 84 ausgebildet, die einendig in der Zwischenkammer 74 mündet und mit dem gegenüberlie­ genden Ende in einer Verbindungsbohrung 86 der Bohrung 82, die auf der Außenseite des Zylinderkopfes 6 endet, so daß die Zwischenkammer 74 über die Verbindungsbohrung 80 mit der freien Atmosphäre verbunden ist.

Im übrigen weist die Ausführung gemäß den Fig. 3 und 4 die gleiche Funktionsweise auf, wie die Ausführung gemäß den Fig. 1 und 2 nur mit dem Unterschied, daß eine Druckübersetzung über den Trennkolben erfolgt.

Die erfindungsgemäße Kolbenzylinderanordnung kann mit Drücken von 100 bar und mehr arbeiten, wobei das kompressi­ ble, hochviskose Medium eine Viskosität besitzt, die vor­ zugsweise 20mal größer ist als die von üblicherweise verwendeten Hydraulikölen.

Claims (12)

1. Hydropneumatische Kolbenzylinderanordnung mit einem Zylinder, einem innerhalb des Zylinders koaxial ange­ ordneten, einendig an einem Zylinderkopf befestigten Innenrohr und einem im Ringraum zwischen dem Zylinder und dem Innenrohr axialbeweglich geführten, zwei mit einem hydraulischen Medium gefüllte Ringkammern abtei­ lenden und mit einer hohlzylindrischen, abgedichtet aus dem Zylinder nach außen geführten Kolbenstange verbundenen Ringkolben, wobei innerhalb des Innenrohrs ein Trennkolben schwimmend geführt ist, der einen mit mindestens einer der Ringkammern hydraulisch verbunde­ nen, mit dem hydraulischen Medium gefüllten Aus­ gleichsraum von einer mit einem kompressiblen Medium gefüllten Gasfederkammer trennt, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Medium aus einem kompressiblen, hochvis­ kosen Medium besteht, und das in der von dem Trennkol­ ben (26) begrenzten Kammer (30) befindliche Medium ein nicht kompressibles Medium ist.

2. Kolbenzylinderanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das nicht kompressible Medium aufweisende Kammer (30) auf der dem Zylinderkopf (6) zugekehrten Seite des Trennkolbens (26) angeordnet ist.

3. Kolbenzylinderanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (4) vorzugsweise im Bereich des Zylinder­ kopfes (6) einen in die mit dem nicht kompressiblen Medium gefüllte Kammer (30) mündenden Steueranschluß (32) aufweist.

4. Kolbenzylinderanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (10) an seinem dem Zylinderkopf (6) abge­ kehrten Ende druckdicht geschlossen und in diesem Bereich über eine innere Umfangsdichtung (36) gegen die Kolbenstange (20) abgedichtet ist, wobei vorzugs­ weise die Kolbenstange (20) in ihrem sich axial über das Innenrohr (10) hinaus nach außen erstreckenden Bereich mindestens eine Lüftungsöffnung (40) aufweist.

5. Kolbenzylinderanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (4) vorzugsweise im Bereich des Zylinder­ kopfes (6) eine in die dem Zylinderkopf (6) zugekehr­ te, obere Ringkammer (16) mündende Anschlußöffnung (46) sowie im dem Zylinderkopf (6) abgekehrten Endbe­ reich seiner Zylinderwandung eine in die untere Ring­ kammer (18) mündende Anschlußöffnung (48) aufweist.

6. Kolbenzylinderanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (20) die dem Zylinderkopf (6) abgekehrte, untere Ringkammer (18) in eine innere Ringkammer (18a) und eine äußere Ringkammer (18b) unterteilt, wobei die Kolbenstange (20) in der Nähe des Ringkolbens (14) mindestens eine die innere (18a) mit der äußeren (18b) Ringkammer verbindende Strömungsöffnung (50) und das Innenrohr (10) in seinem dem Zylinderkopf (6) abge­ kehrten Endbereich mindestens eine die innere Ring­ kammer (18a) mit dem Ausgleichsraum (28) verbindende Strömungspassage (52) aufweisen.

7. Kolbenzylinderanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Kammer (30) ein Endanschlag für den Trennkolben (26) insbesondere durch eine innere Ring­ stufe (54) des Innenrohrs (10) derart gebildet ist, daß die axiale Bewegung des Trennkolbens (26) in Richtung des Zylinderkopfes (6) auf einen be­ stimmten, ein Mindestvolumen der Kammer (30) gewähr­ leistenden Abstand von dem Zylinderkopf (6) begrenzt ist.

8. Kolbenzylinderanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kolbenstange (20) und dem Zylinder (4) eine äußere Umfangsdichtung (56) unter dichtender Anlage angeordnet ist.

9. Kolbenzylinderanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkolben (14) über eine innere Umfangsdichtung (58) gegen das Innenrohr (10) sowie über eine äußere Umfangsdichtung (60) gegen den Zylinder (4) abgedich­ tet ist.

10. Kolbenzylinderanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Trennkolben (26) und der Ausgleichskammer (28) eine mit der Atmosphäre verbundene Zwischenkammer (74) durch eine Zwischenwand (76) ausgebildet ist und durch diese Zwischenwand (76) ein in das hochviskose, kompressible Medium eintauchender Plungerfortsatz (78) des Trennkolbens (26) dichtend hindurchgeführt ist, dessen Stirnfläche als wirksame Druckfläche (72) kleiner ist als die an das nicht kompressible Medium angrenzende wirksame Druckfläche (70) des Trennkolbens (26).

11. Kolbenzylinderanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der den Plungerfortsatz (78) gegenüberliegenden Seite des Trennkolbens (26) eine Führungsstange (80) ange­ ordnet ist, die in dem Zylinderkopf (6) umfangsgemäß abgedichtet verschiebbar geführt ist und durch die Führungsstange (8) hindurch eine Verbindungsbohrung (84) in axialer Richtung verläuft, die einendig in der Zwischenkammer (74) mündet und anderendig in eine im Zylinderkopf (6) ausgebildeten Bohrungsanordnung (82, 86) zur Atmosphäre.

12. Kolbenzylinderanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als kompressibles, hochviskoses Medium Silikonöl und als nicht kompressibles Medium Wasser oder ein Wasser- Ölgemisch verwendet wird.