DE8704728U1

DE8704728U1 - Gasfeder

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Publication number: DE8704728U1
Application number: DE8704728U
Authority: DE
Original assignee: RANTOM Inc CANTON MICH US
Current assignee: RANTOM Inc CANTON MICH US
Priority date: 1987-03-31
Filing date: 1987-03-31
Publication date: 1987-07-30

Description

Gasfeder

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasfeder/ insbesondere eine Hochdruck-Gasfeder und zwar besonders eine Stickstoffeder, mit einem kombinierten Rückschlag- und Auslaßventil, das es erlaubt/ die Feder mit einem Hochdrückgas zu füllen und auf einfache und sichere Weise eine Druckabsenkung der Feder im wesentlichen bis auf Atmosphärendrück durchzuführen. Das Ventil senkt außerdem bei überschreiten eines bestimmten Schwellwertes den Drück ab.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch die Mitte einer Gasfedereinheit,

Figur 2 eine vergrößerte Schnittansicht der Ventilanordnung, und

Figur 3 einen Ausschnitt aus der Schnittansicht der

Ventilanordhung mit einer anderen Äüsführungsform derselben.

In Figur 1 ist eine Gasfedereinheit 10 mit einem im Inneren hohlen Gehäuse 11 dargesteLLt, welches eine Druckkammer 12 bildet. An dem inneren Ende einer sich aus dem Gehäuse nach außen erstreckenden Kolbenstange 14 ist

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ein Kolben 13 befestigt, der entlang der MittenäChse 15 Gehäuses verschiebbar gelagert ist.

Das Gehäuse umfaßt einen rohrförmigen Hauptkörper 16, der •n seinen Enden durch Stirnkappen 17 und 18 verschlossen ist* Die Stirnkappe 18 umfaßt einen hülsenförmigen Abschnitt, der in den Häuptkörper 16 eingeschraubt ist. Angrenzend an den hülsenförmigen Abschnitt 19 ist ein Anschlagring 21 angeordnet.

Der Kolben 13 unterteilt das Innere der Druckkammer 12 in •ine Hauptdruckkammer 22 und in eine Ausgleichkammer b2w. Reservoire 23. Die Hauptdruckkammer 22 ist hinter dem Kolben 13 (in Figur 1 links von dem Kolben 13) gebildet und umfaßt den inneren Hohlraum der Kolbenstange 14, Wäftrend das Reservoire 23 vor dem Kolben (in Figur 1 rechts von dem Kolben) gebildet ist und den Ringspalt zwischen dem Hauptkörper 16 und der Kolbenstange 14 mit umfaßt. Der Kolben 13 besitzt eine oder mehrere Bohrungen 24, die sich in axialer Richtung durch ihn hindurch erstrecken, um eine dauernde und unbehinderte Verbindung zwischen den Kammer 22 und 23 vorzusehen, damit der Druck zwischen den beiden Kammern ausgeglichen werden kann.

Die Kolbenstange 14 erstreckt sich durch eine Mittenbohrung 25 in der Stirnkappe 18. Diese Bohrung 25 Weist eine zugehörige Packungsanordnung 26 auf, um einen abgedichteten Gleitsitz für die Kolbenstange vorzusehen; d.hi,*die Kolbenstange 14 ist in Längsrichtung verschiebbar in der Packungsanordnung 26 gelagert, wobei aber die Kolbenstange gegenüber der Packungsanordnüng 26 abgedreht ist. Die Packungsanordnüng 26 umfaßt vorzugsweise ein Paar axial voneinander beabstandete Lagerschalen 27 und 2S und einen dazwischen angeordneten Dichtungsring 29 aus einem Elastomer.

Damit die Druckkammer 22 auf- Und nachgefüllt werden kann und damit sich der höhe Druck in der Gasfeder entspännen kann, entweder absichtlich oder im Falle einer &egr;&ugr; hohen Druckbelastung, besitzt die Gasfedereinheit 10 eine tugehörige Ventilanordnung 31. Diese Ventilanordnung 31 ist vorzugsweise in das Gehäuse, Z₄B₄ in die Stifnkäppe 17 integriert und steuert das Ein- und Ausströmen des

bruckfluids in die und aus der Druckkammer 22*

Die Ventilanordnung 31 ist innerhalb einer Bohrung 32 angeordnet, die eine Gewindeöffnung 33 aufweist, passend für ein herkömmliches Gewindeanschlußstück 34, welches selbst wiederum eine Gewindedurchgangsbohrung 35 aufweist. Die Durchgarigsbohrung 35 paßt zu einem herkömmlichen Cewindeende einer Versorgungsleitung. Das Anschlußstück 34 besitzt eine innere Stirnfläche 36, die als Anschlag Wi rkt.

Die Bohrung 32 steht zwischen ihren beiden Enden mit einem

in Querrichtung ausgerichteten Zuführkanal in Verbindung,

der selbst in ständiger Verbindung mit der Druckkammer 22 steht.

Das innere Ende der Bohrung 32 endet an einer ringförmigen Stirnwand 38, die eine konkave, konische Gestalt aufweist und so einen Ventilsitz bildet. &ie Stirnwand 38 schließt «it ihrer Mitte bzw» Spitze an das eine Ende eines •ittleren Ausläßkanates 39 an, der mit seinem anderen Ende in ständiger Verbindung mit der Druckkammer 22 steht. Außerdem schließt sich an das innere Ende der Bohrung 32 ein äußerer Auslaßkanal 41 an. Der Auslaßkanal 41 steht mit seinem anderen Ende mit der Atmosphäre oder einem Reservoire in Verbindung, welches im wesentlichen auf Atmosphärendruck gehalten wird. Der Kanal 41 weist eine

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kleinere QuerschnittsfLäche auf aLs der mittlere Kanal 39, wobei die Querschnittsfläche des Kanales 39 vorzugweise mindestens ungefähr zweimal so groß ist wie die Querschnittsfläche des Kanales 41.

Die Ventilanordnung 31 umfaßt ein Steuerelement 42, welches in abgedichteter Ueise verschiebbar in der Bohrung 32 gelagert ist. Das Steuerelement 42 ist als Kolben oder Ventilschieber ausgebildet. Der Steuerkolben 42 weist gegenüberliegende Stirnflächen 43 und 44 auf, welche im wesentlichen die gleiche Fläche besitzen. Die Stirnfläche A3 ist dem Anschlag 36 direkt gegenüberliegend angeordnet. Die andere Stirnfläche 44 sitzt normalerweise auf einem bewegbaren Ventilkörper 45 auf, der vc^rzugsweise als sphärischer Metallkörper oder KugeL ausgebildet ist. Diese metallene Ventilkugel 45 sitzt in abdichtender Weise in dem Ventilsitz 38 und schließt den mittleren Kanal 39, um eine Verbindung zwischen dem inneren Ende der Bohrung 32 und der Druckkammer 22 zu unterbinden.

Der Steuerkolben 42 weist eine sich in Längsrichtung erstreckene Axialbohrung 46 auf. Die Axialbohrung 46 weist eine abgestufte, zyLinderförmige Gestalt auf, die sich von dem Ende 43 aus nach innen öffnet und nur in einer ausgewählten axialen Ausdehnung erstreckt. Das äußere Ende dieser Bohrung 46 steht in direkter Verbindung zu der öffnung 35. Die Bohrung 46 umfaßt ein hierin angebrachtes Einweg-Rückschlagventil 51, das einen Durchfluß in den unteren Teil der Bohrung 46 und von ü'irt durch einen Radialkanal 47 in einen um den Steuerkolben herum ausgebildeten Ringkanal 48 gestattet. Der Ringkanal 48 erstreckt sich in axialer Richtung etwa so weit, daß er stets in direkter Verbindung mit dem Anschluß 37 steht*

Das Rückschlagventil 51 umfaßt ein hütsenförmiges Gehäuse

52, welches stromauf des KanaLes 47 in die Bohrung 46 eingeschraubt ist. Das Gehäuse 52 besitzt eine Durchgangsbohrung, in welcher ein Ventilkörper 53 angeordnet ist, der normalerweise durch eine Feder in eine Schließposition (in Figur 2 nach oben) gedruckt wird, um einen Rückstrom, bzw. ein Ausströmen des Druckfluids aus der Druckkammer 22 zu verhindern. Das überdruckventil 51 selbst ist herkömmlicher Bauart und entspricht im wesentlichen einem Rückschlagventil, wie es für Autoreifen verwendet wird.

Die Ventilanordnung 31 bildet Steuerkammern 54 und 55, die angrenzend an die innere und an die äußere Stirnfläche der Bohrung 32 angeordnet sind. Das Druckfluid innerhalb dieser Kammern wirkt gegen die Stirnflächen 43 und 44, so daß entweder die Ventilkugel 45 des Auslaßventiles in der in Figur 1 dargestellten geschlossenen Position gehalten wird, oder daß das Auslaßventil 45 in eine Offenstellung bewegt wird, wenn der Steuerkolben 42 so weit nach oben bewegt wird, da3 er an den Anschlag 36 anstößt.

Die Gasfedereinheit 10 ist vorzugsweise mit einem Speichertank 56 verbunden, der ein Hochdruckgas, wie z.B. Stickstoff, bei einem Druck von ungefähr 140 bar (2.000 psi) enthält. Der Tank 46 ist mit einer Versorgungsleitung

57 verbunden, die an ein Steuerelement 58, wie z.B. ein Dreiwegeventil angeschlossen ist. Dieses Steuerelement ist dann mit der Versorgungsleitung 59 ve-bunden. Das Ventil

58 kann auch mit der Drainageleitung 51 verbunden sein. Das Ventil 58 kann in einem Zustand gehalten werden, in dem die Leitungen 57 und 59 miteinander in Verbindung stehen, so daß der Druck in dem Tank 56 die Bohrung 32 beaufschlagt, wodurch die Gasfedereinheit 10 und die Ventilanordnung 31 normalerweise in der durch die Figuren I Und 2 däfgestelLten Position gehalten werden.

Im folgenden wird die Betriebsweise der Gasfedereinheit beschrieben. Ausgehend von der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Position der Gasfedereinheit strömt Hochdruckgas aus dem Tank 56 in die Bohrung 32 und öffnet das Einweg-RückschlagventiL 51, so daß das Druckfluid durch den Kanal 37 in die Druckkammer 22 strömt. Wenn in der Kammer 22 der durch einen hier nicht dargestellten Druckregler gesteuerte, gewünschte Druck erreicht ist, oder wenn der Druck in der Kammer 22 im wesentlichen gleich, aber normalerweise ein wenig geringer als in dem Drucktank 56 ist, wird die dem Rückschlagventil 51 zugeordnete F^der das Rückschlagventil 5.1 in seine geschlossene Stellung drücken. Die Gasfedereinheit 10 ist somit mit einem Hochdruckgas, in diesem besonderen Fall mit Stickstoff, gefüllt, welches einen Druck von etwa 140 bar (2»00P osi) aufweist. Die Kolbenstange 14 wird sich normalerweise in ihrer ausgefahrenen, in Figur 1 dargestellten Position befinden.

Wenn auf die Kolbenstange 14 eine stoßartige Belastung aufgebracht wird, die eir>e Bewegung des Kolbens 15 nach innen und somit zumindest eine begrenzte Druckerhöhung des in der Kammer 22 eingeschlossenen Gases bewirkt, verbleibt das komprimierte Gas normalerweise in der Gasfedereinheit eingefangen, da das Rückschlagventil 51 einen Rückstrom des Gases verhindert und die Ventilkugel 45 gegen den Ventilsitz 38 abdichtet. In diesem Zustand ist die Steuerkammer 54 mit dem Versorgungsdruck aus dem Tank 56 beaufschlagt. Dieser Druck wirkt gegen die Stirnfläche Dadurch wird der Steuerkolben 42 nach unten gedrückt und das Ventil 45 gegen den Ventilsitz 38 abdichtend gehalten. Wenn eine stoßförmige Belastung auf die Gasfedereinheit aufgebracht wird, wird der höhere Druck in der Kammer 22 In den mittleren Kanal 39 übergeleitet und wirkt gegen die

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VentiLkugeL 45. Die mit Druck beaufschlagte Fläche der Kugel 45 entspricht jedoch der Querschnittsfläche des Kanals 39 und macht daher nur einen kleinen Teil der Querschnittsfläche des Kolbens 42 aus, wie z.B. ungefähr 1/5 der Querschnittsfläche des Kolbens. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die mit Druck beaufschlagte Fläche sogar nur ungefähr 1/10 der Kolbenfläche. Die während einer normalen Betriebsweise der Gasfedereinheit 10 auf die Kugel 45 wirkende Druckkraft ist nicht im Stande, die Kugel 45 entgegen den nach unten wirkenden Steuerkolben 42 nach oben zu drücken, weshalb das Kugelventil 45 in seinem Schließzustand bleibt.

Wenn jedoch der sich in der Kammer 22 ausbildende Druck einen vorbestimmten SchwelLwert überschreitet, wie z.B. einen Druck in der Größenordnung von 1400 bar (20.000 psi) dann reicht der i&eegr; dem Kanal 39 gegen die kleine Fläche der Kugel 45 wirkende Ruhedruck aus, um den geringeren, gegen die größere Fläche der Stirnwand 43 wirkenden kleineren Druck zu überwinden und somit die Kugel 45 und den Kolben 42 um eine begrenzte Strecke nach oben zu bewegen. Ein Teil des Hochdruckfluids strömt dann sofort aus der Druckkammer 22 durch den Kanal 39 in die unsere Steuerkammer 55. Da der Auslaßkanal 41 einen geringeren Querschnitt aufweist und daher als Strömungswiderstand wirkt, baut sich in der Steuerkämmer 55 ein Druck auf, der den Kolben 42 in seiner obersten Stellung im Anschlag an der Fläche 36 hält. Dadurch kann der hohe Druck in der Kammer 22 aufgrund des durch den Kanal 39 in die Steuerkammer 55 strömenden DruckfluiJs abgelassen wtrden und durch den Kanal 41 in die Umgebungsatmosphäre entweichen. Der Kolben 42 verbleibt in seiner obersten Position, bis der Druck in der Druckkammer 42 auf einen sicheren Betriebswert abfällt, Welcher im Wesentlichen gleich dem anfänglichen Fülldruck ist. Bei diesem

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Betriebsdruckwert Wird der DfUCk in der oberen Kämmer 54 den Druck in der unteren Kammer 55 übersteigen/ so daß sich der Steuerkolben 42 wieder nach Unten bewegt Und die Ventilkugel 45 gegen den Ventilsitz 38 drückt.

Um zu Wartungszwecken Druck aus der Gasfedereinheit abzulassen/ wird das Ventil 58 geschlossen/ um die Tank 56 von der GaSfedereinheit abzutrennen. Ih diesem Zustand ist die Zuführleitung 59 mit der Drainageleitung 61 verbunden/ so daß die Bohrung 32 dem Atmosphärendruek ausgesetzt ist. Der Druck aus der oberen Steuerkammer 54 kann daher entweichen. Der Druck in der Kammer 22 wirkt über den Kanal 39 gegen die Ventilkugel 45 und bewirkt, daß der Steuerkolben 42 sich nach oben if» seine Offenstellung bewegt/ in der der Kolben an den Anschlag 36 anstößt. Das Druckfluid aus der Kammer 22 strömt dann in die untere Steuerkammer 55 und bewirkt einen Druckaufbau in der Kammer, welcher dafür sorgt, daß der Steuerkolben in seiner obersten Stellung gehalten wird. Das Hochdruckfluid aus der Druckkammer 22 strömt dann durch den Kanal 39 in die Kammer 55 und von dort über den Kanal 41 in die Atmosphäre. Die Ventilanordnung wird so lange in ihrer OffenstelLung gehalten, bis der Druck in der Kammer 22 im wesentlichen gleich dem Umgebungsdruck in der Atmosphäre ist. Mit der Gäsfedereinheit 10 können zahlreiche andere Steueranordnungen oder Leitungen verbunden sein.

Die Figur 3 stellt eine weitere bevorzugte Ausführungsform

dar, bei der die entsprechenden feile, die auch in Figur 2.

dargestellt sind, mit denselben Bezugszeichen benannt

werden, wobei die Bezugszeichen zusätzlich mit einem '"" versehen sind.

Die Ventilkugel 45' in Figur 3 besteht aus einem elastomeren Material, vorzugsweise Polyurethan, um die

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Kugel zumindest mit eingeschränkten elastomereri Eigenschaften auszustatten"« Das elastomere Material der Kugel 45* ist hart und steif Und erlaubt hur eine

begrenzte Verformung. Die Pölyurethänkugel 4 5' weist vorzugsweise eine Durometei—Härte von ungefähr 90 (bei

einem Härtegrad D) auf/ obwohl auch noch eine »

Durometer-Härte im Bereich zwischen etwa 70 und 100 \

akzeptabel ist. Die begrenzte Elastizität der Kugel 4S' | bewirkt, daß eine säubere, ringförmige Abdichtung zwischen S der Kugel 45' und dem Ventilsitz 38' in Beziehung zu dem \

Kanal 39' erzielt wird.

Die Ventilkugel 45' sitzt in einer im wesentlichen halbkugelförmigen Ausnehmung 72, die in dem Steuerkolben 42' ausgebildet ist. Von dem inneren Ende des Steuerkolbens 42' aus erstreckt sich axial ein Abschnitt

71 mit verringertem Durchmesser, in welchem die Ausnehmung

72 ausgebildet ist. Die Ausnehmung 72 gewährleistet, daß der Steuerkolben 72' die Kugel 45' über im wesentlichen eine Hälfte der äußeren Kugeloberfläche umschließt und trägt, so daß der auf die elastomere Kugel einwirkende spezifische Druck minimiert wird* Die Tiefe der Ausnehmung 72 übersteigt in geringem Maße den Radius der Kugel 45', während die Ausnehmung 72 selbst vorzugsweise mit demselben Radius Wie die Kugel 45' erzeugt wird. Hieraus resultiert, daß die Stirnfläche 44' des Steuerkolbens leicht unterhalb der Mitte der Ventilkugel 45' liegt. Die innere Kante 73 der Stirnfläche 44' ist vorzugsweise um

i-tinen geringen Betrag nach innen geformt, ümsdie Kugel 45' _;. in der Ausnehmung 72 zu halten und ein Herausfallen der Kugel zu vermeiden. |

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine

6asfedereinheit mit einem Gehäuse und einem verschiebbar in dem Gehäuse gelagerten und sich aus dem Gehäuse nach

außen erstreckenden KoLben. Das Gehäuse und die Kälbenänofdnüng wirken zusammen/ Um zwischen sich eine Druckkammer zu bilden/ welche mit einem Hochdruckgas, vorzugsweise Stickstoff/ befüllt wird/ um von außen auf die Kölbenanördnung aufgebrachte Stoßkräfte aufzufangen. Hn erster, ein Ei riweg-Rückschl ägvent i I enthaltender Kähäl &diams;rstreckt sich durch die Stirnkappe des Gehäuses/ um ein Befüllen der Druckkammer mit dem Hochdruckgas zu gestatten Und zusätzlich ein Nachfüllen des in die Kammer •inzuführenden Gases zu gestatten. Durch die Stirnkappe erstreckt sich ein zweiter Kanal/ um Druck aus der druckkammer abzulassen/ z.B. bei einer unzulässigen Druckerhöhung, oder wenn ein Ablassen des Druckes gewünscht wird. Dem zweiten Kanal ist ein bewegbares Abläßventil zugeordnet. Das öffnen und Schließen des AbLaßvehtiles wird durch einen Steuerkolben gesteuert/ der In der Stirnkappe verschiebbar angeordnet ist und dessen gegenüberliegenden Enden zum Steuern seiher Position den brücken in dem ersten und dem zweiten Kanal ausgesetzt sind.

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Claims

*■ tm r · t · ··· ·» , ^v ro Gasfeder Schutzansprüche

1. Gasfeder mit einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse verschiebbar angeordneten Kolbenstange, die aus einer ersten Position, in der sie sich um einen bestimmten Betrag nach außen erstreckt, und einer zweiten Position, •In der sie im wesentlichen teleskopartig in das Gehäuse eingeschoben ist, verschiebbar ist, wobei das Gehäuse und die Kolbenstange zusammenwirken, um zwischen sich eine Druckkammer zur Aufnahme einer bestimmten Menge eines Hocharuckgases einzuschließen,
gekennzei chnet durch einen zumindest teilweise in dem Gehäuse ausgebildeten ersten Kanal (37), der mit der Druckkammer (22) in Verbindung steht,

ein mit dem ersten Kanal (37) verbundenes Einweg-Rückschlagventil (51),

ein zweiter zumindest teilweise in dem Gehäuse ausgebildeter Kanal (39), der die Druckkammer (22) mit einer N'iederdruckablaßöffnung (41) verbindet, wobei der zweite Kanal unabhängig und getrennt von dem ersten Kanal angeordnet ist,

ein mit dem zweiten Kanal (39) verbundenes Ventil (45) zum Steuern des Gasstromes aus der Druckkammer (22) zu der Niederdrucköffnung (41),

einen Steuerkolben (42), der aus einer Position, in der er das Ventil (45) geschlossen hält, und einer zweiten Position, in der er eine öffnung des Ventils zuläßt, "verschiebbar ist Und der a eine erste Druckfläche (43) aufweist, die von dem Druck in dem ersten Kanal (37)

stromauf des RückschlagventiLes (51) beaufschlagt ist und

f b eine zweite Druckfläche aufweist, die ausschließlich mit

dem Druck in dem zweiten Kanal (39) stromab des Ventils

(45) beaufschlagt ist,

wobei jeweils der erste und der zweite Kanal (37, 39) eine erste und eine zweite Zwischensteuerkammer (54, 55) zur

\ Aufnahme des Druckgases umfassen und die erste und die

zweite Druckfläche (43, 44) dem Gasdruck in der jeweiligen

ersten und zweiten Steuerkammer (54, 55) ausgesetrt sind, wobei der zweite Kanal einen Zwischenkanal umfaßt, oer sich von der Druckkammer (22) in die zweite Steuerkammer

(55) erstreckt und an seiner Mündung in die zweite Steuerkammer (55) einen umlaufenden Ventilsitz (38) aufweist und darüber hinaus einen Ausls3kanal umfaßt, der die zweite Steuerkammer (55) rr.it der Niederdrucköffnung (41) verbindet und eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als die QuerschnittsfLache des Zwischenkanales (39) und

wobei das Ventil (45) aus einer bewegbaren, zwischen dem Ventilsitz (38) und der zweiten Druckfläche (44) des Steuerkolbens (42) angeordneten Ventilkugel besteht, die entweder als lose an dem Steuerkolben (42) angeordnete Retallkugel (45) oder als elastomere, in den Steuerkoluen (42¹) eingelassene Kugel (45¹) ausgebildet ist.

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2. Gasfeder nach Anspruch 1/

dadurch gekennzeichnet/ daß die Venti Ikifgel aus einem elästömeren Material mit einer DUfometer-Härte im Bereich Von etwa 70 bis etwa 1ÖÖ besteht Und daß der SteUerkoLberi (42¹) eine Ausnehmung (72/ 70) von im wesentlichen halbkugelförmiger Gestalt an seinem Ende aufweist/ Wobei die Ventilkugel (A 5' > und die

Ausnehmung (72) etwa den gleichen Durchmesser aufweisen

und die Ventilkugel £45·) fest umschlossen in die

Ausnehmung (72) eingesetzt ist.