DE4317483A1

DE4317483A1 - Kolben, insbesondere für den Servozylinder einer Hilfskraftlenkanlage

Info

Publication number: DE4317483A1
Application number: DE19934317483
Authority: DE
Inventors: Bernd Toepperwien; Jochen Burgdorf; Wilhelm Beer; Wolf-Dieter Hirt; Mathias Wuerz
Original assignee: ITT Automotive Europe GmbH; Alfred Teves GmbH
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 1993-05-26
Filing date: 1993-05-26
Publication date: 1994-12-01

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, insbesondere zur Verwendung in einem Servozylinder einer hydraulischen Hilfskraftlenkanlage.

Aus der DE 42 15 074 ist ein gattungsgemäßer Kolben bekannt. Bei diesem Kolben ist die Halterung für Gleitring und Dichtelement in der Form eines Kranzes mit einer äußeren umlaufenden Vertiefung ausgebildet, und mittels elastischen Materials mit der Kolbenstange verbunden.

Diese Ausführung weist zum einen den Nachteil auf, daß sich die Montage von Gleitring und Dichtelement in der Halterung aufgrund der geometrischen Form der Halterung schwierig gestaltet. So ist es beispielsweise notwendig, Gleitring und Dichtelemente zu dehnen, um sie in die Halterung einzubringen, was zu Materialermüdung bzw. schlechter Passung führen kann. Zum anderen ist es als nachteilig anzusehen, daß die Halterung mittels elastischen Materials an der Kolbenstange befestigt ist. Diese - gegen hohe Drücke nicht beständige - Form der Verbindung verhindert den Einsatz des Kolbens in hydraulischen Anlagen, die zur Verminderung des Bauvolumens mit unter hohem Druck stehendem Hydraulikmedium betrieben werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kolben vorzuschlagen, dessen Dichtungsanordnung einerseits einer hohen Druckbelastung im Dauerbetrieb standhält, sowie andererseits aus einfach herzustellenden und zu montierenden Bauteilen besteht. Weiterhin soll der vorgestellte Kolben ein für den Betrieb von hydraulischen Hilfskraftlenkanlagen benötigtes radiales Spiel aufweisen, sowie im Temperaturbereich bis zu 150°C einwandfrei funktionieren.

Eine Lösung der gestellten Aufgaben wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und den Unteransprüchen angegebenen Merkmale erzielt.

Es ist vorgesehen, die Halterung für Dichtelement und Gleitring aus zwei Stützringen, die jeweils mittels eines Halteelementes auf der Kolbenstange befestigt sind, auszubilden. Diese Stützringe sind sowohl einfach herzustellen, als auch ohne Verformung von Gleitring und Dichtelement mit diesen montierbar.

Nach Anspruch 2 weisen die Halteelemente die Form eines zylindrischen Rings auf, und rasten in auf der Kolbenstange angebrachten Nuten ein. Dies gewährleistet eine einfache Montage. Dabei können die Ringe geschlossen, oder offen ausgeführt sein, z. B. mit einer Lücke von 90°.

In Anspruch 3 ist eine vorteilhafte Kombination von Nuttiefe und Durchmesser des ringförmigen Zylinders des Halteelements angegeben. Die Tiefe der Nut soll einerseits möglichst gering sein, andererseits aber so groß, daß das Halteelement im Betrieb sicher gehalten wird. Dies ist dann der Fall, wenn der Winkel zwischen der Oberfläche des Halteelements an dem radial äußersten Berührungspunkt von Halteelement und Kolbenstange und einer senkrecht zur Achse der Kolbenstange stehend gedachten Ebene nicht mehr als 15° beträgt.

Eine besonders einfache Ausführungsform des Stützrings wird in Anspruch 4 angegeben. Eine kugelzonenförmige Ausbildung der der Zylinderinnenwand zugewandten Fläche des Stützrings nach Anspruch 5 bewirkt, daß das Hydraulikmedium sowohl eine axiale als auch eine radiale Kraftkomponente auf den Stützring ausübt, wodurch die Druckbelastung von Dichtelement und Gleitring gemindert wird.

Nach Anspruch 6 ist vorgesehen, die dem Halteelement zugewandte Seite eines Stützringes so auszubilden, daß sie flächig an dem Halteelement anliegt, wodurch sich diese Elemente gegenseitig besonders gut aneinander abstützen. Eine weitere Verbesserung des Zusammenhalts von Stützring und Halteelement läßt sich dadurch erreichen, daß der Stützring das Halteelement nach Anspruch 7 zumindest teilweise umgreift.

In Anspruch 8 ist eine vorteilhafte Form der dem Halteelement zugewandten Seite eines Stützringes angegeben. Dabei kann zugunsten einer leichteren Montierbarkeit der dem kugelzonenförmigen Bereich des Stützrings entsprechende Radius größer gewählt werden, als der entsprechende Radius des Stützringes.

Die in Anspruch 9 angegebenen Maßnahmen ermöglichen es, den Gleitring bezüglich des zwischen Kolbenstange und Zylinderinnenwand bestehenden Spalts sowohl in radiale als auch in axiale Richtung relativ groß, d. h. massiv zu gestalten. Der Gleitring ist somit in der Lage, die durch die Halteelemente sowie den hydraulischen Druck auf ihn ausgeübten Kräfte gleichmäßig über sein relativ großes Volumen zu verteilen, wodurch seine Stabilität verbessert wird.

Die nach Anspruch 10 vorgesehenen kreisförmigen Füllscheiben, deren äußere Umfangsflächen an der Zylinderinnenwand anliegen, schützen das Gleitelement vor dem direkten Kontakt mit dem Druckmedium. Eine mögliche Beeinträchtigung oder Zerstörung des Gleitrings durch rasche Druckänderung des Hydraulikmediums wird somit verhindert. Um ein ausreichendes radiales Spiel des Kolben zu gewährleisten, ist vorgesehen, zwischen Füllscheibe und Kolbenstange einen Spalt vorzusehen, der etwa ein Zehntel des Spalts zwischen Kolbenstange und Zylinderinnenwand beträgt.

Die Anordnung einer weiteren Füllscheibe nach Anspruch 11, sorgt dafür, daß das relativ flexible elastomere Dichtelement bei einer Bewegung des Kolbens nicht in den Spalt zwischen Kolbenstange und erster Füllscheibe gelangen kann. Dadurch wird einer möglichen Zerstörung des Dichtelements vorgebeugt.

Ein weitere Möglichkeit, das elastomere Dichtelement zu schützen, ist in Anspruch 12 angegeben. Danach ist zwischen dem elastomeren Dichtelement und der Kolbenstange ein Schutzring angeordnet, der aus einem starreren Material als das Dichtelement besteht und daher nicht in den Spalt zwischen Kolbenstange und Füllscheibe eindringen kann.

Ein vorteilhaftes Material, aus dem Schutzring und Gleitring hergestellt sein können, kann z. B. PTFE, EPDM oder ein anderer Kunststoff sein.

Nach Anspruch 13 ist vorgesehen, zwischen Schutzring, elastischem Dichtelement und Gleitring einerseits sowie dem Stützring andererseits eine Füllscheibe anzuordnen, die sowohl zur Kolbenstange als auch zur Zylinderinnenwand ein radiales Spiel aufweist. Man spart somit die jeweils zweite Füllscheibe ein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Abbildungen.

Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Servozylinder einer hydraulischen Hilfskraftlenkanlage mit erfindungsgemäßem Kolben, in teilweise geschnittener Darstellung,

Fig. 2 bis Fig. 6 verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Kolbens, vergrößerter Ausschnitt A aus Fig. 1,

Fig. 7 einen vergrößerten Ausschnitt B aus Fig. 6.

In Fig. 1 erkennt man den Zylinder 1 einer hydraulischen Hilfskraftlenkanlage, in dem eine Kolbenstange 2 angeordnet ist. Die Kolbenstange 2 wird von zwei Führungselementen 3, 4 geführt, wobei das eine Führungselement 3 ein radiales Spiel der Kolbenstange 2 im Zylinder 1 ermöglicht.

In den Führungselementen 3, 4 sind Dichtelemente 5, 6 untergebracht. Der dadurch im Zylinder 1 abgedichtete Raum wird durch den Kolben 7 in zwei Arbeitskammern 8, 9 unterteilt, in die jeweils ein Druckanschluß 10, 11 mündet. Die Druckanschlüsse 10, 11 sind in bekannter Weise mit dem Steuerventil der hydraulischen Hilfskraftlenkanlage verbunden und werden je nach Bedarf mit einer Druckquelle bzw. mit einem drucklosen Behälter verbunden. Die jeweils druckbeaufschlagte Kammer 8 bzw. 9 vergrößert dabei ihr Volumen durch Verschieben des Kolbens 7, und damit der Kolbenstange 2, in Richtung der jeweils nicht druckbeaufschlagten Kammer 9 bzw. 8. Aus Platzersparnisgründen soll die jeweils druckbeaufschlagte Fläche des Kolbens 7 möglichst klein sein. Man verwendet daher sehr hohe hydraulische Drücke, die bis zu p = 150 bar reichen können. Es ist daher erforderlich, daß sowohl die Dichtelemente 5, 6 als auch die Abdichtung des Kolbens 7 einem Druck von 150 bis 250 bar standhalten, sowie im Temperaturbereich bis 150°C, der im Betrieb auftreten kann, einwandfrei funktionieren. Gleichzeitig muß der Kolben 7 ein gewisses radiales Spiel aufweisen, damit die Kolbenstange 2 im Betrieb nicht verklemmen kann. Um den Aufbau des Kolbens 7 zu erläutern, ist in den folgenden Abbildungen der Ausschnitt A der Fig. 1 vergrößert dargestellt. Dabei sind jeweils gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 2 erkennt man den den Kolben 7 bildenden Bereich der Kolbenstange 2, der von den umlaufenden Nuten 12, 13 begrenzt wird. Das Profil der umlaufenden Nuten 12, 13 weist in dem abgebildeten Schnitt die Form eines Kreisabschnittes auf. In den umlaufenden Nuten 12, 13 sind die als zylindrische Ringe ausgebildeten Halteelemente 14, 15 angebracht. An die Halteelemente 14, 15 schließt sich in Richtung auf den Kolben 7 jeweils ein Stützring 16, 17 an. Zwischen den Stützringen 16, 17 sind der Gleitring 18, sowie als elastomeres Dichtelement zwei Dichtringe 19, 20 untergebracht. Dabei liegen die Dichtringe 19, 20 nebeneinander auf der Kolbenstange 2, zwischen ihnen und der Zylinderinnenwand 21 befindet sich der Gleitring 18. Die den Dichtringen 19, 20 zugewandte Seite des Gleitringes 18 weist eine gewisse Krümmung auf, die bewirkt, daß die Dichtringe 19, 20 gegeneinander gepreßt werden. Die Dichtringe 19, 20 stehen unter einer gewissen Vorspannung, so daß sie zwar ein radiales Spiel des Gleitringes 18 zulassen, aber jederzeit für eine Abdichtung der Arbeitskammern 8, 9 gegeneinander sorgen. Der Gleitring 18 ist so auf die Zylinderinnenwand 21 abgestimmt, daß er ebenfalls als Dichtung zwischen Arbeitskammer 8 und 9 wirkt. Die Stützringe 16, 17 weisen auf ihre dem Gleitring 18 zugewandten Seite eine kreisringförmige Fläche auf, mit der sie an dem Gleitring 18 flächig anliegen. Zur Kolbenstange 2 hin sind die Stützringe 16, 17 zylinderförmig ausgebildet, zur Zylinderinnenwand 21 weisen sie die Form einer Kugelzone auf. Die Halteelemente 14 bzw. 15 werden von dem jeweiligen Stützring 16 bzw. 17 umgriffen.

Ein Druckaufbau z. B. in Arbeitskammer 8 bewirkt, daß eine Kraft in Richtung auf die andere Arbeitskammer 9 auf das Halteelement 14 den Stützring 16 und den Gleitring 18 ausgeübt wird. Die auf das Halteelement 14 ausgeübte Kraft wird von diesem auf die umlaufende Nut 12 und somit auf die Kolbenstange 2 übertragen. Die auf den Stützring 16 einwirkende Kraft wird einerseits durch die Umgreifung des Halteelements 14 auf dieses, und zum anderen auf den Gleitring 18 übertragen. Der Gleitring 18 ist wiederum über den Stützring 17 und das Halteelement 15 an der Kolbenstange 2 abgestützt. Wenn das Druckmedium bei einem schnellen Druckaufbau einen Druckstoß auf den Kolben ausübt, bewirkt die abgerundete Form der Stützringe 16, 17, daß eine Verwirbelung des Hydraulikmediums im Bereich der Stützringe 16, 17 auftritt, wodurch nur ein verringerter Druckstoß auf den Gleitring 18 übertragen wird. Durch die im Vergleich zu dem zwischen den beiden Stützringen 16, 17 befindlichen Raum große axiale und radiale Abmessung des Gleitrings 18 ist dieser dazu in der Lage, den Kraftstoß abzufangen und an den jeweils benachbarten Stützring weiterzugeben, ohne daß eine Formänderung und eine damit einhergehende Verminderung der Dichtwirkung auftritt.

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäßer Kolben mit Füllscheiben 22, 23 abgebildet. Halteelemente 14, 15 und Stützringe 16, 17 entsprechen denjenigen aus Fig. 2. Der Gleitring 18 hat hier eine etwas geringere Ausdehnung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung, als in Fig. 2. Es ist daher nur ein elastomeres Dichtelement 24 vorgesehen, dessen Schnittfläche in der Bildebene der Fig. 3 etwa gleich groß ist, wie derjenige des Gleitringes 18. Auch hier steht das elastomere Dichtelement 24 unter einer gewissen Vorspannung, so daß die Dichtwirkung auch bei einer radialen Verschiebung der Kolbenstange 2 erhalten bleibt. Zum Schutz des Gleitringes 18 gegen den bei einem schnellen Druckwechsel möglicherweise auftretenden Druckstoß sind zwei Füllscheiben 22, 23 vorgesehen, deren Außendurchmesser bis auf einem extrem kleinen, eine axiale Bewegung ermöglichenden Spalt, dem Durchmesser der Zylinderinnenwand 21 entspricht, während ihr Innendurchmesser größer als der Durchmesser der Kolbenstange 2 ist. Die Füllscheiben 22, 23 werden somit von der Zylinderinnenwand geführt, eine Bewegung der Kolbenstange 7 in radialer Richtung ist möglich.

Die in Fig. 4 abgebildete Ausführungsform der Erfindung weist ein zweites Paar Füllscheiben 25, 26 auf, deren Innendurchmesser dem der Kolbenstange 2 entspricht, während ihr Außendurchmesser kleiner als derjeniger der Zylinderinnenwand 21 ist. Die Füllscheiben 25, 26 sind jeweils zwischen Gleitring 18 und elastomerem Dichtelement 24 einerseits sowie den anderen Füllscheiben 22, 23 andererseits angebracht. Die Füllscheiben 25, 26 verhindern ein mögliches Eindringen des elastomeren Dichtelements 24 in die zwischen Kolbenstange 2 und den Füllscheiben 22 bzw. 23 befindlichen Räume. Das elastomere Dichtelement 24 ist dadurch gegen mögliche Beschädigungen durch Einquetschen bei radialer Verschiebung der Kolbenstange 2 gegenüber den Füllscheiben 22, 23, geschützt.

In Fig. 5 ist ein Schutzring 27 vorgesehen, der zwischen Kolbenstange 2 und elastomerem Dichtelement 24 angeordnet ist. Der Schutzring 27 besteht, wie der Gleitring 18, aus einem im Vergleich zum elastomeren Dichtelement 24 relativ starren Material, so daß eine Beschädigung bei radialer Bewegung des Kolbens nicht auftreten kann. Es kann daher auf ein Paar Füllscheiben verzichtet werden. In Fig. 5 ist jeweils nur eine Füllscheibe 28, 29 vorgesehen, bei der sowohl der Innendurchmesser größer als derjenige der Kolbenstange 2 ist, als auch der Außendurchmesser kleiner als der Durchmesser der Zylinderinnenwand 21. Vorteilhafterweise können hier natürlich auch an der Zylinderinnenwand 21 geführte Füllscheiben nach Fig. 3 eingesetzt werden. Die den Halteelementen 14, 15 zugewandten Seiten der Stützringe 16, 17 sind in diesem Ausführungsbeispiel in der Form einer hohlen Kugelzone gestaltete, wobei der entsprechende Kugelradius größer ist als der Radius des in der Zeichenebene der Fig. 5 liegenden Schnitts durch die Halteelemente 14, 15. Dies gewährleistet eine einfache Montierbarkeit der Halteelemente, da diese nur noch in die umlaufenden Nuten 12 bzw. 13 und nicht zusätzlich in die Stützringe 16, 17 einrasten müssen.

In dem in Fig. 6 abgebildeten Ausführungsbeispiel übernehmen die Füllscheiben 28, 29 die Funktion der Stützringe mit, was zu einem vereinfachten Aufbau des Kolbens führt. Da die Kraftübertragung von Füllscheibe 28 bzw. 29 auf das jeweilige Halteelement 14 bzw. 15 lediglich über deren Berührungslinie erfolgt, ist es erforderlich, die Abmessungen der umlaufenden Nuten 12, 13, der Halteelemente 14, 15 sowie der Füllscheiben 28, 29 aufeinander und auf diejenigen der Kolbenstange 2 und des Zylinders 1 abzustimmen.

Bevorzugte Maße dazu sind in Fig. 7, die einen vergrößerten Ausschnitt B der Fig. 6 zeigt, eingezeichnet. Zwischen der Füllscheibe 29 und der Zylinderinnenwand 21 befindet sich ein Zwischenraum, der in radialer Richtung die Abmessung a hat, zwischen Füllscheibe 29 und Kolbenstange 2 besteht der entsprechende Abstand b. Sowohl a als auch b betragen etwa 5% des zwischen Kolbenstange 2 und Zylinderinnenwand 21 befindlichen Abstand c. Der in Fig. 7 sichtbare Schnitt durch das Halteelement 15 ist ein Kreis mit dem Radius e, dessen Mittelpunkt M radial außerhalb der Kolbenstange 2 liegt. Am Berührungspunkt zwischen Kolbenstangenaußenfläche und Halteelement 15 ist die Tangente y eingezeichnet, die mit einer senkrecht auf der Kolbenstangenachse stehenden Geraden x den Winkel PHI einschließt. Dabei betragen die bevorzugten Werte PHI < 15° und a=b=0,05*c.

Bezugszeichenliste

1 Zylinder
2 Kolbenstange
3 Führungselement
4 Führungselement
5 Dichtelement
6 Dichtelement
7 Kolben
8 Arbeitskammer
9 Arbeitskammer
10 Druckanschluß
11 Druckanschluß
12 umlaufende Nut
13 umlaufende Nut
14 Halteelement
15 Halteelement
16 Stützring
17 Stützring
18 Gleitring
19 Dichtring
20 Dichtring
21 Zylinderinnenwand
22 Füllscheibe
23 Füllscheibe
24 elastomeres Dichtelement
25 Füllscheibe
26 Füllscheibe
27 Schutzring
28 Füllscheibe
29 Füllscheibe
30 Kolbenstangenaußenfläche

Claims

1. Kolben (7) für eine in einem Zylinder (1) geführte Kolbenstange (2) insbesondere für hydraulische Hilfskraftlenkanlagen, bei dem ein an der Zylinderinnenwand (21) gleitender Gleitring (18) und ein bezüglich diesem radial innenliegendes elastomeres Dichtelement (19, 20, 24) in einer Halterung in axialer Richtung gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung aus zwei Stützringen (16, 17) besteht, die jeweils mittels eines Halteelementes (14, 15) auf der Kolbenstange (2) befestigt sind.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteelemente (14, 15) die Form eines zylindrischen Rings aufweisen und daß auf der Kolbenstange (2) umlaufende Nuten (12, 13) angebracht sind, in denen die Halteelemente (14, 15) einrasten.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement (14, 15) an der durch umlaufende Nut (12, 13) und Kolbenstangenaußenfläche (30) gebildeten Kante, an der das Halteelement (14, 15) anliegt, mit einer durch diese Kante verlaufenden, senkrecht auf der Achse der Kolbenstange (2) stehend gedachten Ebene einen Winkel von maximal 15° einschließt.

4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (16, 17) einen rechteckigen Querschnitt sowie einen radialen Abstand zur Kolbenstange (2) und zur Zylinderinnenwand (21) aufweist.

5. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der Kolbenstange (2) zugewandte Fläche eines Stützrings (16, 17) zylinderflächenförmig, die der Zylinderinnenwand (21) zugewandten Fläche kugelzonenförmig, und die dem Dichtelement (19, 20, 24) zugewandte Fläche kreisringförmig ausgebildet ist.

6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Halteelement (14, 15) zugewandte Seite eines Stützrings (16, 17) der Form des Halteelements (14, 15) angepaßt ist und daß der Stützring (16, 17) am Halteelement (14, 15) anliegt.

7. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Halteelement (14, 15) zugewandte Seite eines Stützringes (16, 17) der Form des Halteelements (14, 15) angepaßt ist und daß der Stützring (16, 17) das Halteelement (14, 15) umgreift.

8. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Halteelement (14, 15) zugewandte Seite eines Stützrings (16, 17) die Form einer hohlen Kugelzone aufweist.

9. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das elastomere Dichtelement aus zwei axial nebeneinander liegenden elastomeren Dichtringen (19, 20) besteht, wobei diese Dichtringe (19, 20) eine geringe Ausdehnung bezüglich der radialen Richtung der Kolbenstange (2) aufweisen und direkt mit der Kolbenstange (2) in Berührung stehen.

10. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gleitring (18) und elastomerem Dichtelement (24) einerseits sowie den Stützringen (16, 17) andererseits jeweils eine kreisringförmige Füllscheibe (22, 23) angeordnet ist, deren äußere Umfangsfläche an der Zylinderinnenwand (21) anliegt, während ihre innere Umfangsfläche eine radiales Spiel zur Kolbenstange (2) aufweist.

11. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gleitring (18) und Dichtelement (24) einerseits sowie den Füllscheiben (22, 23) andererseits jeweils eine zweite Füllscheibe (25, 26) angeordnet ist, die an der Kolbenstange (2) anliegt und radiales Spiel zur Zylinderinnenwand (21) aufweist.

12. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzring (27) zwischen dem elastomeren Dichtelement (24) und der Kolbenstange (2) angeordnet ist.

13. Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Schutzring (27), elastomerem Dichtelement (24) und Gleitring (18) einerseits sowie dem Stützring (16, 17) andererseits eine Füllscheibe (28, 29) angeordnet ist, die sowohl zur Kolbenstange (2) als auch zur Zylinderinnenwand (21) radiales Spiel aufweist.