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Hydraulisches System, insbesondere für Kraftfahrzeugbremsen
Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen von hydraulischen Systemen, insbesondere für Kraftfahrzeugbremsen, u. zw. auf die Anordnung und Ausbildung der Kolbendichtungsmittel.
Gegenstand der Erfindung ist u. a. die Ausstattung eines hydraulischen Druckkolbens mit elastischen Dichtungsringen, die, frei beweglich zwischen starren Kolbenteilen gelagert und mit letzteren gleichachsig verlaufend, bei Ausübung eines Axialdruckes wirksam werden. Ferner bezweckt die Erfindung die Vereinfachung der Kolbenkonstruktion zwecks Senkung der Erzeugungskosten und die Erreichung einer grösstmöglichen Vereinheitlichung der wirksamen Teile.
Die erfindungsgemässen Dichtungsringe passen sich verhältnismässig hohen Temperaturen leicht an, ohne dass eine untragbare Erhöhung des Reibungswiderstandes, der denKolbenbewegungen in den Zylindern entgegenwirken würde, auftritt. Weitere Gegenstände und Vorteile der Erfindung werden im folgenden beschrieben.
Die schematischen Zeichnungen zeigen bei-
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Die Druckfeder 10 ist im Zylinder unter Vorspannung gelagert. Der Kolben mit den Teilen 4, 5, 6 arbeitet als Bewegungsgeber, während der Kolben, bestehend aus den Teilen 11, 12, 13 als Ventil wirkt und die Verbindung mit dem über dem Zylinder angeordneten, über a angeschlossenen Vorratsbehälter steuert.
Der elastische Dichtungsring 5 des Arbeitskolbens weist, wenn er keinem axialen Druck unterworfen ist, einen grössten Aussendurchmesser auf, der etwas kleiner als der Innendurchmesser des Arbeitszylinders gehalten ist. Der Axialquerschnitt dieses Dichtungsringes ist in Fig. 5 mit Vollstrichen wiedergegeben. Aus dieser Figur geht hervor, dass der Aussenmantel des Dichtungsringes konvexe Form aufweist. Der Dichtungsring 5 ist zwischen dem metallischen Kopf 4 des Kolbens und dem Federteller 6 frei und beweglich gelagert und steht unter mechanischem Druck der Federn 10 und 7. Die Feder 10 findet mit ihren Enden in den Teilen 6 und 11 je eine Lagerung.
Diese beiden Federn drücken den Dichtungs- ring in axialer Richtung zusammen, auch wenn die Flüssigkeit im Zylinder nicht unter Druck steht, d. h. wenn von aussen kein Druck auf das
System ausgeübt wird. Dieses axiale Zusammen- drücken bewirkt eine radiale Ausdehnung des Dichtungsringes, so dass letzterer im Bereich seines grössten Aussendurchmessers mit der Zylinderwandung in Berührung kommt, während die den Stirnflächen des Ringes benachbarten Bereiche der konvexen Fläche von der Zylinderwandung distanziert sind. Diese Berührung bleibt dauernd aufrecht und verhindert einerseits den Eintritt von Luft in den Zylinder und anderseits den Austritt der hydraulischen Flüssigkeit aus demselben. Eine Begrenzungsscheibe 8 mit Sprengring 9 am rückwärtigen Zylinderende begrenzt den Rücklaufhub des Kolbens.
Der elastische Dichtungsring 12 des Ventilkolbens ist frei und beweglich zwischen dem metallischen Kopf 13 und dem Führungsteil gelagert und hat einen maximalen Durchmesser, welcher kleiner ist als jener der Zylinderbohrung, so dass diese Dichtung von vornherein vollkommen von der Zylinderwandung distanziert ist, soferne sie nicht unter Druck steht.
Ein elastischer Dichtungsring 5', identisch mit dem
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Ring S des Arbeitskolbens, ist in der Zylinderbasis eingesetzt ; dieser Ring 5', gegen den der Kopf 13 drückt, bleibt ortsfest im Zylinder und verhindert, dass nach radialer Ausdehnung des Ringes 12 und dadurch bewirktem Verschluss des zwischen Teil 11 und der Zylinderwandung bestehenden Spiels Flüssigkeit vom Innenraum des Ventilkolbenkopfes 13 durch den Einlass a in den Vorratsbehälter gelangen kann.
Der Teil 13 bezweckt die Distanzierung des Dichtungsringes 12 von dem Einlass a.
Zwischen den Metallteilen 11 und 13 des Ventilkolbens und dem Zylinder 1 besteht normale Gleitpassung. Die Feder 14, welche gegen den Teil 11 und den Zylinderboden wirkt, wird durch die Feder 10 unter axialem Druck gehalten wobei sich eine Gleichgewichtslage ausbildet. Die Vorspannung der Feder 14 in der äussersten Lage des Bewegungskolbens kann etwas grösser sein als jene der Feder 10, so dass der Dichtungsring 12 im Ausgangszustand lose zwischen dem Teil 11 und dem Kopf 13 gehalten wird. Die Einzelteile des Ventilkolbens sind längsgebohrt, um eine freie Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Zylinder und dem äusseren hydraulischen Kreislauf zu gewährleisten.
In der äussersten zurückgeschobenen Stellung des Arbeitskolbens, in welcher der Kopf 4 gegen die Begrenzungsscheibe 8 gepresst ist, ist der Zylinder mit Flüssigkeit gefüllt.
Bei Vorwärtsbewegung des Arbeitskolbens wird auf die Zylinderfüllung ein Druck ausgeübt, der bestrebt ist, diese über den zwischen Zylinderwandung und Teil 11 bestehenden Zwischenraum in den Behälter zurückzufördern.
Gleichzeitig wird die Feder 10 zusammengedrückt, wobei die kombinierte Wirkung des Druckes dieser Feder und des von der Flüssigkeit auf den Teil 11 und auf die Stirnfläche der Fedemplatte 6 ausgeübten Druckes den Teil 11 und die Federnplatte 6 gegen die elastischen Dichtungsringe 12 und 5 drückt. Der auf diese Weise parallel zur Achse dieser Dichtungen ausgeübte Druck presst dieselben in axialer Richtung zusammen und dehnt sie in radialer Richtung aus, wie in Fig. 2 dargestellt, in welcher sich der Arbeitskolben bei mit dem Vorratsbehälter unterbrochenem Kreislauf und vollkommen mit Flüssigkeit gefülltem Zylinder in vorgeschobener Stellung befindet.
Ausserdem wirkt der Flüssigkeitsdruck auch senkrecht zur Innenfläche der Dichtungsringe 12 und 5 und trägt dadurch zur Ausdehnung derselben in radialer Richtung bei.
Hieraus folgt, dass a) der Dichtungsring 5, dessen Aussenfläche mit der Zylinderinnenfläche auch dann in Berührung steht, wenn von aussen ein Druck nicht ausgeübt wird, bestrebt ist, im Bereich seines grössten Aussendurchmessers die Berührungsfläche zu vergrössern, so dass die Dichtung 5 auch bei unter Druck stehender Flüssigkeit weiter dicht abschliesst ; b) der Ring 12, dessen Aussenfläche anfänglich mit der Zylinderwandung nicht in Berührung ist, mit dieser Wandung in Berührung kommt und die Verbindung zwischen Zylinder und Vorratsbehälter unterbricht, wodurch die im Zylinder enthaltene Flüssigkeit in den Vorratsbehälter nicht zurückfliessen kann.
Im vorhergehenden wurde der Fall betrachtet, bei welchem der Zylinder mit Flüssigkeit gefüllt ist, wie dies beim normalen Betrieb der Flüssigkeitsbremsen zutrifft.
Wesentlich ist aber, dass die Bremse gemäss der schematischen Darstellung nach Fig. 1 auch dann arbeiten kann, wenn sich im Zylinder Luft befindet.
Da die Luft im Vergleich zur Flüssigkeit beim Durchtritt zwischen dem Teil 11 und der Wandung des Zylinders 1 einen geringeren Widerstand findet, wird sie zu Beginn des Hubes des Arbeitskolbens, bevor der Dichtungsring 12 mit der Zylinderwandung in Berührung gekommen ist und den zwischen Zylinder und Teil 11 vorhandenen Zwischenraum abgeschlossen hat, in den Vorratsbehälter gepresst, aus welchem die Luft herausgedrückt werden kann. Der in Fig. 1 dargestellte Zylinder gestattet somit, etwa darin eingetretene Luft selbsttätig herauszudrücken.
Während des Rücklaufhubes des Arbeitskolbens werden die Teile des Ventilkolbens entlastet, so dass Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter durch die Öffnung a und durch die Längsbohrung der Ventilkolbenteile nachgesaugt werden kann.
Nach Wiederherstellung der Verbindung zwischen Zylinder und Vorratsbehälter kann die gesamte überschüssige Flüssigkeit aus dem Zylinder ohne weiteres in den Vorratsbehälter zurückfliessen, wodurch der Gefahr eines Festklemmens der Bremse infolge Flüssigkeitsüberschusses vorgebeugt wird.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass die gleichzeitige Wirkung eines axialen mechanischen Druckes und eines radialen Flüssigkeitsdruckes auf die Ringe eine dauernde Verformung der Dichtungsringe verhütet. Dieser Umstand ist beim Betrieb der Bremsen von wesentlicher Bedeutung, da jede dauernde Verformung des Ringes 12, die den Ring selbst mit der Zylinderwand in dauernde Berührung bringen würde, bestrebt wäre, die Verbindung zwischen Zylinder und Vorratsbehälter zu verhindern und dadurch die zuverlässige Funktion der Bremse in Frage zu stellen.
Daraus, dass beim Aufhören des von aussen auf den Arbeitskolben ausgeübten Druckes die Berührungsfläche zwischen Dichtungsring 5 und Zylinderinnenwand verkleinert wird, ergeben sich zwei wichtige Folgerungen : a) wird eine entsprechende Schmierung des Umfanges des Dichtungsringes 5 durch die im Zylinder enthaltene Flüssigkeit ermöglicht, die den Dichtungsring gegen Austrocknen schützt ; b) wirkt dem Rücklaufhub des Kolbens unter der Wirkung der Feder 10 ein sehr geringer Reibungswiderstand entgegen.
Würde der ganze Umfang des elastischen Dichtungsringes in festen Kontakt mit der Zylinderwand gebracht werden, so würde letztere
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trockengewischt und ein hoher Reibungswider- stand und starke Abnützung auftreten.
Bei der Vorrichtung in Fig. 3 sind zwei einander gegenüberliegende Kolben im Steuerzylinder 1 angeordnet. Sie werden durch die Rückführ- feder 10, die unter Axialdruck im Zylinder ein- gesetzt ist, beweglich im Abstand voneinander gehalten. Zum Arbeitskolben gehören der Feder- teller 6, die zwei Dichtungsringe 5 und 5', das röhrenförmige Abstandsglied 3 und der Kolben- kopf 4. Die zwei Dichtungsringe, deren Axial- querschnitt in Fig. 5 mit Vollstrichen wieder- gegeben ist, sind frei und beweglich zwischen den starren Teilen 6 und 3 bzw. 3 und 4 gelagert und stehen unter dem axialen Druck der Federn 10 und 7, welche in ihrer Wirkung und Anordnung den entsprechenden Federn 10 und 7 in Fig. 1 entsprechen.
Eine Begrenzungsscheibe 8 und der Sprengring 9 begrenzen den Rücklaufhub des Kolbens wie in der Anordnung gemäss
Fig. 1.
Der Ventilkolben besteht aus dem starren
Kopf 13, dem elastischen Dichtungsring 5" und dem Teil 11. Die Teile 11 und 13 sind längsgebohrt, um eine freie, ungehinderte Ver- bindung zwischen dem Zylinder und dem äusseren hydraulischen Kreislauf zu gewähr- leisten. Auf der Zylindergrundfläche ist ein weiterer Dichtungsring 5"'angebracht, gegen welchen der Ventilkolbenkopf 13 drückt.
Sämtliche Dichtungsringe weisen in völlig entspanntem Zustande, d. h. wenn sie weder einem radialen noch einem axialen Druck aus- gesetzt sind, einen grössten Durchmesser auf, der etwas geringer ist als der Innendurchmesser des
Steuerzylinders. Im Querschnitt weisen sie die in Vollstrichen in Fig. 5 gezeigte Form auf.
Der Ventildichtungsring 5"ist frei und beweglich zwischen den starren Teilen 13 und 11 gelagert und steht unter dem axialen Druck der Federn 14 und 10 wie in der Anordnung nach Fig. 1. Auch hier gewährleistet ein Flüssigkeitszulauf a die Verbindung zwischen dem Zylinder und dem Vorratsbehälter, der oberhalb des Zylinders liegt. Am entgegengesetzten Zylinderende unmittelbar vor dem Dichtungsring 5' befindet sich eine kleine Öffnung b, die mit dem Vorratsbehälter in Verbindung steht.
Bei der Betätigung wird, sobald die ganze Luft in der üblichen Weise durch in den Radzylindem gelegene Auslassöffnungen aus dem System ausgepresst wurde und der Arbeitskolben nach vorne bewegt wird, die Öffnung b durch die Kolbendichtung 5'sofort verschlossen, die Verbindung mit dem Vorratsbehälter unterbrochen und der hydraulische Druck auf die Arbeitszylinder übertragen. Bei Aufhebung des Druckes wird der Arbeitskolben durch die Feder 10 im Zylinder zurückgeschoben, so dass in letzterem eine Saugwirkung entsteht und die Ventilkolbenteile entlastet werden, wodurch der Kopf 13 auf den auf der Zylindergrundfläche sitzenden Dichtungs- ring 5"'nicht mehr fest aufgepresst und durch den Einlass a um die Führungsfläche des Kopfes 13 hydraulische Flüssigkeit in den Zylinder gezogen werden kann.
Sobald der Arbeitskolben ganz zurückgeholt wurde, ist die Öffnung b offen, durch welche jeder in den Zylinder gezogene Flüssigkeitsüberschuss in den Vorratstank austreten kann. Die Öffnung b hat auch den Zweck, den Volumsausgleich der Bremsflüssigkeit im System zu gewährleisten und die thermische Expansion und Kontraktion der Bremsflüssigkeit im Vorratsbehälter auszugleichen.
Wie schon gezeigt, dient der Druck der Feder 7 auf den Arbeitskolben dazu, die freigelagerten Kolbenteile während des Rücklaufhubes miteinander in Verbindung zu halten und so den Austritt von Bremsflüssigkeit oder das Einströmen von Luft zu verhindern.
In Fig. 4 sind zwei Kolben in einem Radzylinder einander gegenüberliegend, wie üblich, zwischen den Bremsbacken der Räder von Motorfahrzeugen gelagert, wobei dieser Radzylinder in geeigneter Weise mit dem Steuerzylinder verbunden ist. Die Kolben sind in ihrem Aufbau mit dem Arbeitskolben aus Fig. 1 identisch. Sie werden in der Mitte des Zylinders 1 unter dem Druck der Ausgleichsfeder 14, die der Feder 14 im Steuerkolben der Anordnung in Fig. 1 entspricht und durch die Rückholfeder 15 der Bremsbacken in Abstand voneinander gehalten. Dieser Abstand wird durch an den Bremsbacken in üblicher Weise angebrachte Einstellnocken gesichert.
Die Dichtungsringe 5 entsprechen in ihrer Form den Ringen 5 und 5'der Fig. 1-3.
Bei Ausbleiben jeglichen Druckes ist ihr grösster Durchmesser etwas geringer als der Innendurchmesser des Radzylinders und derart bemessen, dass der Bereich ihres grössten Aussendurchmessers unter der Wirkung des axialen Druckes der Feder 14 bei nicht zusammengedrückter Flüssig- keit mit der Innenwand des Zylinders 1 in Berührung kommt und dadurch einen dauernden dichten Abschluss gewährleistet. Wird die Flüssigkeit unter Druck gesetzt, so dehnen sich die Dichtungen 5 und verhalten sich genau so wie die Dichtungen 5 des Arbeitszylinders gemäss Fig. 1.
Bei den Radzylindern ist die durch die wieder- holte Bremsung entstehende Erwärmung zu berücksichtigen, die den Zylinder auf Temperaturen von über 100 C erwärmen kann. Es ist daher von grösster Bedeutung, die Dichtungsringe 5 derart zu bemessen, dass ihre grössten Durchmesser bei Raumtemperatur und noch nicht eingetretener Druckwirkung auf die Flüssigkeit etwas geringer sind als der Innendurchmesser des Zylinders. Denn hätten die Dichtungen 5 anfänglich einen grösseren Durchmesser als der Zylinder, so hätte eine Temperaturzunahme eine Vergrösserung der Berührungsfläche zwischen Dichtungsring und Zylinder und demnach eine erhöhte Reibung oder sogar das Festklemmen der Bremse zur Folge.
Da sich die Dichtungsringe in diesem Falle infolge Begrenzung durch die Innenwand des Zylinders in radialer Richtung nicht ausdehnen könnten, so würden sie dazu
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neigen, sich in axialer Richtung auszudehnen.
Fig. 5 zeigt strichliert die sich dann ergebende Verformung eines Dichtungsringes. Hiezu sei bemerkt, dass der Dichtungsring beim Abkühlen seine Ausgangsform nicht genau wieder annimmt, sondern zum Teil verformt bleibt.
Infolge der besonderen Ausbildung der elastischen Dichtungsringe, welche genügend stark sind, die axiale, mechanische Kompression ohne Zerquetschung und Verdrehung im Zylinder auszuhalten, bedürfen die Dichtungsringe keiner Versteifungen und können, wie gezeigt, zwischen den starren, innen angrenzenden Elementen frei beweglich gelagert werden.
Das Wegfallen starrer Versteifungen ist von wesentlicher Bedeutung, da solche Teile jede Wärmeausdehnung des Dichtungsringes nach dem Ringinneren verhindern, wodurch die bleibenden Verformungen des Dichtungsringes infolge Wärmeausdehnung noch zunehmen. Diese Nachteile können im vorliegenden Falle deshalb nicht auftreten, weil die Dichtungsringe 5 derart bemessen werden, dass ihr grösster Aussendurchmesser bei nicht vorhandenem Druck geringer ist als der Innendurchmesser des Zylinders.
Es ist klar, dass die hier beschriebenen und entwickelten Konstruktionen und Anordnungen nur die Arbeitsprinzipien der erfindungsgemässen Einrichtung darstellen und in ihren Einzelheiten abgeändert werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hydraulisches System, insbesondere für Kraftfahrzeugbremsen, bestehend aus einem Steuerzylinder mit einem Arbeitskolben, einem Flüssigkeitszu1aufund einem als Ventil wirkenden und die Verbindung zwischen dem Flüssigkeitszulauf und dem Zylinder steuernden Kolben, sowie aus mit dem Steuerzylinder verbundenen Radbremszylindern, gekennzeichnet durch zwischen starren Elementen frei angeordnete,
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den Radbremszylindern unter der kombinierten Wirkung eines mechanischen, axialen und eines radialen Flüssigkeitsdruckes radial frei ausdehnen können, wobei der axiale Druck von einem durch ein elastisches Element (10) sowie durch den Flüssigkeitsdruck beeinflussten Schubglied (11) ausgeübt wird, während der radiale Flüssigkeitsdruck senkrecht zur Innenfläche der axialen Bohrung der Dichtungsringe wirkt,
welche Bohrung mit den starren Teilen nicht in Berührung steht.
2. Steuerzylinder für hydraulisches System