DE4122481C2 - Kolben-Zylinder-Anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Kolben-Zylinder-Anordnung ist aus der DE 28 15 833 A1 bekannt. Bei der dort beschriebenen Anordnung ist die Kolben­ dichtung (Radialdichtung) gleichzeitig als Dämpfungselement ausgebil­ det. Fährt der Kolben durch Druckbeaufschlagung eines Zylinderrau­ mes gegen seinen internen Zylinderanschlag, so kommt es zu einer axialen Stauchung der Kolbendichtung. Hierdurch wird die Radialkraft der Dichtung erhöht, d. h. die radiale Dichtlippe mit erhöhter Kraft gegen die Zylinderinnenwand gedrückt. Eine solche Dichtkrafterhö­ hung tritt wegen der endseitigen Anschläge in der Regel an den Stel­ len der Hubumkehr, also in den Endlagen des Kolbens auf.

Gerade an den Stellen der Hubumkehr ist jedoch ein geschlossener, tragfähiger Schmierfilm zwischen Kolben und Zylinder von besonderer Bedeutung, da nur dann ein reibungs- und damit auch verschleißarmes Anfahren des Kolbens gewährleistet ist. Durch die erhöhte Flächen­ pressung bei der Stauchung der Kolbendichtung wird jedoch dieser Schmierfilm häufig zerstört oder verdrängt, so daß vor allem nach längeren Stillstandszeiten, wenn der Zylinder unter Druck gestanden hat, erhebliche Unterschiede zwischen Haft- und Gleitreibung auf­ treten. Dies führt zum Ruckgleiten, dem sogenannten Stick-Slip, was es zu vermeiden gilt.

Aus der DE 35 07 167 C2 ist eine Kolben-Zylinder-Anordnung be­ kannt, bei der zum Zwecke der berührungslosen Abtastung von Kol­ benpositionen ein Ringmagnet in die Stirnseite des Kolbens eingelas­ sen ist. Auf diesen Ringmagnet spricht ein an der Außenseite des Zylinders angeordneter magnetempfindlicher Sensor an, wodurch die Kolbenposition bestimmbar oder auch Schaltvorgänge bei Erreichen einer bestimmten Kolbenposition ausgelöst werden können. Die dort beschriebene Kolben-Zylinder-Anordnung ist aufgrund des fehlenden Dämpfungselementes nur bedingt einsetzbar, da bei speziellen Anwen­ dungsfällen Schwingungsprobleme auftreten können. Eine zusätzliche Anbringung eines Dämpfungselementes würde die bewußt kleingehalte­ ne axiale Baulänge der Anordnung vergrößern. Schließlich ist das stirnseitige Einsetzen des Ringmagneten in den Kolben fertigungs­ technisch sehr aufwendig, da zunächst eine stirnseitige Nut in den Kolben einzustechen ist, die sowohl in ihrem Innen- als auch Außen­ durchmesser sowie in ihrer Tiefe nur enge Toleranzen aufweisen darf. Im übrigen muß zur Halterung des Ringmagneten im Kolben eine zusätzliche Sicherung vorgesehen werden.

Eine Kolben-Zylinder-Anordnung mit Sensorik zur Positionserkennung des Kolbens ist auch aus DE 38 03 268 A1 bekannt. Bei der dort beispielhaft beschriebenen Ausführung besteht der Kolben im wesentli­ chen aus einem Permanentmagneten, der unter Zwischenschaltung von zwei Dichtungsscheiben auf der Kolbenstange eingespannt ist. Bei dieser Anordnung werden sämtliche in Achsrichtung auf den Kolben wirkenden Kräfte auf den Permanentmagneten übertragen, was be­ kanntermaßen nachteilig ist, da der Permanentmagnet in der Regel aus einem harten und spröden Material besteht, das insbesondere dyna­ misch nicht so hoch belastbar ist. Im übrigen treten auch bei der dort beschriebenen Ausführungsform aufgrund der zwischengeschalteten Dichtungsscheiben die eingangs erwähnten Probleme des Ruckgleitens auf. Zwar werden diese Probleme bei der dargestellten Ausführungs­ form deutlich vermindert auftreten, doch nur deshalb, weil auf eine Dämpfung fast völlig verzichtet worden ist. Werden jedoch dort Dich­ tungen mit besserer Dämpfungswirkung eingesetzt, so treten auch die einleitend geschilderten Probleme auf. Im übrigen wird sich die Bau­ größe dann insbesondere in axialer Richtung erheblich ausweiten.

Aus DE 31 07 177 A1 ist es zwar bekannt, wie man eine Kolbendich­ tung anordnet, ohne diese Belastungen in Axialrichtung auszusetzen, doch tritt bei jener Dichtungsanordnung zwangsläufig der Nachteil der fehlenden Kolbendämpfung auf. Eine Kombination von Radialdichtung und Kolbendämpfung ist dieser Druckschrift hingegen nicht zu entneh­ men.

Ausgehend von dem einleitend genannten Stand der Technik gemäß DE 28 15 833 A1 liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, eine Kolben-Zylinder-Anordnung der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß bei geringer axialer Kolbenabmessung einerseits die einleitend geschilderten Probleme des Ruckgleitens aufgrund des Stick-Slip-Effektes vermieden werden und andererseits eine ausrei­ chende Dämpfung des Kolbens erreichbar ist. Zudem soll eine berüh­ rungslos und magnetisch arbeitende Sensorik zur Positionserkennung des Kolbens vorgesehen sein und der Kolben eine möglichst geringe axiale Baulänge aufweisen. Schließlich soll der Kolben einfach und kostengünstig zu fertigen sein.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen den Kolbenscheiben ein Ringmagnet angeordnet ist, daß an der Zylin­ deraußenwand ein magnetempfindlicher Sensor zur Positionsdetektie­ rung des Kolbens angebracht ist und daß die Radialdichtung und das Dämpfungselement baulich und funktionell voneinander getrennt zwischen den Kolbenscheiben angeordnet sind, und zwar derart, daß der Abstand der Kolbenscheiben durch die axiale Länge des Dämp­ fungselementes bestimmt ist.

Die erfindungsgemäße Lösung schafft eine axial klein bauende Kolben- Zylinder-Anordnung mit gedämpften Kolben, wobei die Dichtung und das Dämpfungselement vorteilhaft so voneinander entkoppelt sind, daß die vorbeschriebenen Nachteile durch Stauchung der Dichtung nicht auftreten. Zudem wird der Freiraum zwischen Dämpfungselement und Zylinderwand einerseits sowie zwischen den Kolbenscheiben anderer­ seits zur formschlüssigen Anordnung von Ringmagnet und Radialdich­ tung genutzt, was nicht nur fertigungstechnisch erhebliche Vorteile mit sich bringt. Da der Ringmagnet bis nahe an die Zylinderwand herangeführt sein kann, wird ein hoher magnetischer Fluß erreicht, wodurch eine sehr zuverlässig arbeitende Sensorik zur Positionsdetektierung des Kolbens erzielbar ist. Ein solcher mehrstückig aufgebauter Kolben wird in der Regel ein aus Kunststoff bestehendes Dämpfungselement mit metallischen Kolbenscheiben aufweisen. Die Dämpfungskennlinie kann durch Mate­ rialwahl und Geometrie des Dämpfungselementes gewählt werden. Die Kolbenschei­ ben können als Stanzteile oder Stanzprägeteile kostengünstig hergestellt werden. Hierdurch wird nicht nur die Herstellung des Kolbens im Vergleich zu bekannten Ausbildungen verbilligt, sondern auch das Kolbengewicht erheblich reduziert, woraus sich eine höhere zulässige Kolbenbeschleunigung ergibt.

Für den Zusammenhalt dieses mehrteilig aufgebauten Kolbens wird vorteilhaft die ohnehin vorhandene Kolbenstange eingesetzt, die hierzu einen abgesetzten Teil aufweist, auf welcher der Kolben befestigt ist. Der Kolben wird auf diesem abgesetz­ ten Teil der Kolbenstange zwischen einem Absatz und einem weiteren Formschlußteil gehalten. Als Formschlußteil kann in einfachster Ausführung ein Axialsicherungsring dienen. An Stelle dieses Sicherungsringes kann auch eine Gewindeverbindung der Art vorgesehen sein, daß der Kolben zwischen den Kolbenstangenabsatz und einer Mutter eingespannt ist, welche auf einem mit Gewinde versehenen abgesetzten Teil der Kolbenstange sitzt. Eine solche Befestigung erlaubt größere axiale Toleranzen und durch die Vorspannmöglichkeit des Dämpfungselementes auch eine in gewissen Grenzen veränderbare Feder-Dämpfungskennlinie ohne Austausch des Dämpfungs­ elementes. Dies kann von Vorteil sein, wenn mit Schwingungsproblemen zu rechnen ist. Schließlich kann auch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Kolbenscheibe und Kolbenstange, beispielsweise eine Schweißverbindung, vorgesehen sein.

Um den vom Ringmagneten ausgehenden magnetischen Fluß schärfer zu bündeln und zu verstärken ist es von Vorteil, den Ringmagneten mit ferromagnetischen Scheiben zu umgeben. Dies kann bei entsprechender Materialwahl einerseits die Kolbenscheibe selbst und andererseits eine ferromagnetische Ringscheibe sein. Bei einer solchen Anordnung kann dann ein verhältnismäßig kleiner und leichter Ringmagnet ver­ wendet werden. Da der Ringmagnet dann einen deutlich größeren Abstand von der Zylinderwandung haben kann, vergrößern sich auch die Fertigungstoleranzen für seinen Außendurchmesser.

Vorteilhaft sind beide Kolbenscheiben identisch ausgebildet. Bei einer Formgebung der Scheiben in axialer Richtung sollte diese so gewählt werden, daß die Kolben­ scheiben durch Drehung um 180° zu beiden Seiten des Dämpfungselementes einge­ setzt werden können. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, die Kolbenscheiben stufenförmig auszubilden, so daß das stirnseitig entsprechend stufenförmig ausgebil­ dete Dämpfungselement axial und radial formschlüssig innerhalb der Kolbenscheiben liegt.

Es versteht sich, daß bei einer mehrteiligen Kolbenausbildung an den erforderlichen Stellen innerhalb des Kolbens Dichtmittel vorgesehen werden müssen. Regelmäßig wird es erforderlich sein, die Stirnflächen zwischen Kolbenscheibe und Dämpfungs­ element zumindest bereichsweise dichtend auszubilden. Dies kann vorteilhaft durch entsprechende Formgebung der Stirnseiten des Dämpfungselementes erfolgen. Andererseits können auch die Kolbenscheiben entsprechend geformt sein, so daß in Verbindung mit dem Dämpfungselement eine Dichtwirkung auftritt.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung liegen primär in der Kolbengestaltung, da der Kolben direkt einen Teil der beim Anfahren des endsei­ tigen Anschlages umzuwandelnden kinetischen Energie aufnehmen kann, ohne dadurch auf die Tribologie zwischen Kolbendichtung und Zylinderinnenwand Einfluß zu nehmen. Des weiteren ergibt sich durch die Gestaltung und Herstellung gleicher Kolbenscheiben sowie des Dämpfungselementes mit angeformten Dichtungen eine beträchtliche Preisreduzierung, insbesondere bei hohen Stückzahlen. Die direkte flächige Anordnung des Ringmagneten an der Kolbenscheibe sowie die unmittelbare Nutzung der Magnetstirnfläche als Anlagefläche für die Dichtlippe trägt zu einer wesentlichen Verkürzung der Gesamtbaulänge bei gleichem Hub bei. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft im Bereich sogenannter Kurzhubzylinder aus, bei denen größt­ möglicher Hub aus kleinsten Baueinheiten gefordert wird.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Kolben-Zylinder-Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschritt einer anderen Ausführungsform in Darstellung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Dämpfungselement in vergrößerter Darstel­ lung,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Kolbenscheibe in vergrößerter Darstellung und

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Kolben mit anders ausgebildeten Dämp­ fungselement, in Darstellung entsprechend den Fig. 3 und 4.

Die Kolben-Zylinder-Anordnung 1 weist einen Zylinder 2 auf, dessen Zylinderraum 5 stirnseitig von einer Stirnwand 3 sowie einem Zylinderdeckel 4 abgeschlossen ist. Die Stirnwand 3 ist einstückig mit dem Zylinder ausgebildet, während der Zylin­ derdeckel 4 in den Zylinder 2 formschlüssig und dichtend eingesetzt ist. Selbstver­ ständlich kann statt der festen Stirnwand 3 auch an dieser Seite ein Zylinderdeckel vorgesehen sein.

Der Zylinder 2 weist nahe seinen Endseiten zwei die Zylinderwandung durchsetzende Anschlüsse 6 und 7 auf, die zur Fluidbeaufschlagung des Zylinderraumes bzw. zur Abfuhr desselben dienen. Der Zylinderdeckel 4 weist eine zentrische Durchbrechung zur Durchführung einer Kolbenstange 8 auf. Die Kolbenstange 8 ist an ihrem innerhalb des Zylinders 2 liegenden Ende abgesetzt ausgebildet. An diesem abgesetzten Teil 9 der Kolbenstange 8 ist ein Kolben 10 befestigt.

Der Kolben 10 ist mehrteilig aufgebaut und besteht aus zwei diesen axial begrenzen­ den Kolbenscheiben 11, die identisch ausgebildet sind. Die Kolbenscheiben 11 können planparallel sein, sind jedoch in den dargestellten Ausführungsbeispielen als Stanz-Prägeteile ausgebildet und weisen einen flächig vorstehenden Rezeß (konzentrische Stufe) 12 auf. Ein solcher Rezeß 12 kann beispielsweise bei einfach wirkenden Kolben-Zylinder-Anord­ nungen zur Aufnahme und Führung der Rückstellfeder dienen.

Die identisch ausgebildeten Kolbenscheiben 11 sind um 180° gedreht angeordnet, und zwar so, daß die Rezesse 12 voneinander wegweisen. Die Kolbenscheiben 11 sind durch ein Dämpfungselement 15 beabstandet, das zwischen diesen ebenfalls auf dem abgesetzten Teil 9 der Kolbenstange 8 sitzt.

Ein Ringmagnet 13, dessen Außendurchmesser geringfügig kleiner als der Zylin­ derinnendurchmesser des Zylinderraumes 5 ist, liegt flächig an der dem Dämpfungs­ element 15 zugewandten Innenfläche der einen Kolbenscheibe 11 an. Der Innen­ durchmesser des Ringmagneten 13 entspricht dem Außendurchmesser des Dämp­ fungselementes 15, so daß der Ringmagnet radial auf dem Dämpfungselement geführt ist. Dieses wiederum ist radial innerhalb der Kolbenscheiben 11 geführt, die zentrisch auf der Kolbenstange 8 sitzen.

Neben dem Ringmagnet 13 sitzt auf dem Dämpfungselement 15 eine Radialdichtung 14, die selbstzentrierend ist und mit einer stirnseitigen Dichtlippe 20 an der Innensei­ te der anderen Kolbenscheibe 11 sowie mit einer Dichtlippe 21 an der Anlagefläche des Ringmagneten 13 anliegt. Die Befestigung des Kolbens 10 auf dem abgesetzten Teil 9 der Kolbenstange 8 ist bei den dargestellten Ausführungen durch den Absatz auf der Kolbenstange 8 einerseits und einen Axialsicherungsring 18 andererseits gewährleistet.

Um das nach außen gerichtete magnetische Streufeld des Ringmagneten einzugrenzen und zu bündeln ist es vorteilhaft, die mit dem Ringmagneten 13 seitlich zur Anlage kommende Kolbenscheibe 11 aus ferromagnetischem Werkstoff herzustellen. Selbst­ verständlich ist es dann aus Kostengründen zweckmäßig, beide Kolbenscheiben aus einem solchen Werkstoff zu fertigen. Die vom Ringmagneten 13 entfernte Kolben­ scheibe 11 beeinflußt das magnetische Feld des Ringmagneten 13 auch bei einer solchen Materialwahl praktisch nicht.

Eine weitere Bündelung und Verstärkung des vom Ringmagneten 13 ausgehenden magnetischen Feldes kann dadurch erreicht werden, daß dieser an seiner zur Dichtung 14 weisenden Seite mit einer daran anliegenden ferromagnetischen Ringscheibe 24 versehen wird, wie dies in Fig. 2 beispielhaft dargestellt ist. Dann bildet die Stirnseite 25 der Ringscheibe 24 die Anlagefläche für die Dichtlippe 21 der Dichtung 14.

Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, das Dämpfungselement 15 mit möglichst steiler Dämpfungskennlinie auszustatten und aus Kunststoff herzustellen. Die Dämp­ fungscharakteristik kann jedoch nicht nur über die Materialwahl, sondern auch über die Formgestaltung des Dämpfungselementes beeinflußt werden. So kann es unter Umständen auch erforderlich sein, eine progressive Dämpfungskenninie zu erhalten.

Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen und in den Zeichnungen dargestell­ ten Dämpfungselemente 15 sind als Kunststofformteile ausgebildet, wobei diesen Kunststofformteilen Dichtelemente 26, 27 zur Abdichtung gegenüber den daran anliegenden Kolbenscheiben 11 angeformt sind. Weiterhin sind am Innenumfang des Dämpfungselementes 15 Dichtelemente 29 und 30 angeformt, die zur Abdichtung gegenüber dem abgesetzten Teil 9 der Kolbenstange 8 vorgesehen sind und diesen umgreifen. Die Ausbildung solcher Dichtelemente ist an sich bekannt und beispielhaft anhand von Fig. 3 dargestellt.

Anhand von Fig. 4 ist beispielhaft dargestellt, daß auch die Kolbenscheiben 11 während des Stanz-Prägevorganges in einem Arbeitsgang mit umlaufenden Dicht­ elementen 28 versehen werden können, die sich in montiertem Zustand dann am Dämpfungselement 15 abstützen und demgegenüber abdichten.

Fig. 5 zeigt einen Kolbenaufbau, bei dem das Dämpfungselement einen sich vom Außenumfang radial erhebenden umlaufenden Ring 31 aufweist, dessen Breite kleiner als die des Ringmagneten 13 ist. Durch diese Ausbildung werden unterhalb des Ringmagneten 13 Freiräume geschaffen, welche den im Dämpfungsfall radial auf­ tretenden Volumenüberschuß des Dämpfungselementes 15 aufnehmen können. Statt eines Rings können auch mehrere schmale Ringe vorgesehen sein, die die radiale Führung des Ringmagneten 13 gewährleisten.

Weiterhin zeigt Fig. 5 einen neben dem Ringmagneten 13 angeordneten, den umlaufenden Ring 31 radial überragenden umlaufenden Ring 32. Dieser Ring sichert den Ringmagneten 13 gegen Axialbewegungen.

Die Positionsbestimmung des Kolben berührungslos mittels Magneten und magnet­ empfindlichen Sensor ist an sich bekannt und braucht daher hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden. In dem Fig. 1 und 2 ist hierzu beispielhaft ein mit 22 gekennzeichneter Reedkontakt dargestellt, der in einer Führung an der Außenseite 23 des Zylinders 2 verschieb- und festsetzbar angeordnet ist. Dieser Reedkontakt 22 schließt, wenn der Kolben an diesen vorbeifährt, wodurch die Positionsbestimmung möglich ist.

Claims (12)

1. Kolben-Zylinder-Anordnung mit einem innerhalb eines Zylinders durch Fluidbeaufschlagung axial verfahrbaren Kolben, der mehrteilig aufgebaut ist und zwei auf einer Kolbenstange angeordnete Kolbenscheiben aufweist, zwischen denen ein Dämp­ fungselement und eine Radialdichtung eingegliedert sind, wobei die Kolbenstange einen der beiden stirnseitigen Zylinderwände durchsetzt, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Kolbenscheiben (11) ein Ringmagnet (13) angeordnet ist,
daß an der Zylinderaußenwand (23) ein magnetempfindli­ cher Sensor (22) zur Positionsdetektierung des Kolbens (10) angebracht ist,
daß die Radialdichtung (14) und das Dämpfungselement (15) baulich und funktionell voneinander getrennt derart zwischen den beiden Kolbenscheiben (11) angeordnet sind, daß der Abstand der Kolbenscheiben (11) durch die axiale Länge des Dämpfungselementes (15) bestimmt ist.

2. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringmagnet (13) auf dem Außenumfang des Dämpfungselementes (15) angeordnet ist.

3. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialdichtung (14) auf dem Außenumfang des Dämpfungselementes (15) angeordnet ist.

4. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (10) auf einem abgesetzten Teil (9) der Kolbenstange (8) befestigt ist.

5. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenscheiben (11) unter Zwischenschaltung des Dämpfungselementes (15) auf dem abgesetzten Teil (9) der Kolbenstange (8), vorzugsweise zwischen einem Absatz der Kolbenstange (8) und einer auf einem mit Gewinde versehenem Abschnitt der Kolbenstange (8) angeord­ neten Mutter, befestigt und/oder eingespannt sind.

6. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die dem Ringmagneten (13) benachbarte Kolbenscheibe (11) aus ferromag­ netischem Werkstoff besteht.

7. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ringmagneten (13) eine ferromagnetische Ringscheibe (24) zugeordnet ist, deren Außendurchmesser vorzugsweise größer als der des Ringmagneten (13) ist und dem der Kolbenscheiben (11) entspricht.

8. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenscheiben (11) gleich ausgebildet, jedoch um 180° gedreht angeordnet sind.

9. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenscheiben (11) als Stanzteile mit einer konzentrischen Stufe (12) zur formschlüs­ sigen Aufnahme des stirnseitig entsprechend stufenförmig ausge­ bildeten Dämpfungselementes (15) ausgebildet sind.

10. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kolbenscheiben (11) und Dämpfungselement (15) Dichtelemente (26, 27; 28) vor­ gesehen sind, die vorzugsweise einstückig mit dem Dämpfungs­ element (15) oder den Kolbenscheiben (11) ausgebildet sind.

11. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenscheiben (11) mindestens in einem an das Dämpfungselement (15) grenzenden Teilbereich abwechselnd konvex und konkav ausgebildete Ring­ strukturen als Dichtelement (28) aufweisen.

12. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialdichtung (14) stirnseitig axiale Dichtlippen aufweist, mit denen sie dichtend an die benachbarten Kolbenteile (11, 13; 11, 24) anschließt.