AT515144A1 - Kolben-Zylindereinheit - Google Patents

Abstract

Kolben-Zylindereinheit für Verstellelemente mit einem, innerhalb eines Zylinders (1) geführten Kolben (3) und einer Kolbenstange (2), wobei der Zylinder zumindest eine iteinem Fluid beaufschlagbare Druckkammer (11) aufweist, die von einer bei Druckbeaufschlagung durch das Fluid verschiebbaren Kolbendruckfläche des Kolbens (3) verschiebbar begrenzt wird, bei der erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Kolbenstange (2) zumindest einen Hohlraum (8) aufweist, und zumindest ein den Kolben (3) querender Kanal Druckbeaufschlagung der (10) vorgesehen ist, Druckkammer (11) der bei eine Druckübertragungsstrecke zwischen der Druckkammer (11) und dem zumindest einen Hohlraum (8) bildet. Die Kolbenstange (2) erweist sich trotz der durch den Hohlraum (8) verursachten, strukturellen Schwächung dennoch stabiler als bei ihrer Ausführung als Vollkörper. Die Kolbenstange (2) kann jedoch aufgrund des zumindest einen Hohlraumes (8) unter weniger Materialeinsatz und daher kostengünstiger und vor allem mit geringerem Gewicht ausgeführt werden, oder bei gleichem Gewicht belastbarer ausgeführt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolben-Zylindereinheit für Verstellelemente mit einem, innerhalb eines Zylinders geführten Kolben und einer Kolbenstange, wobei der Zylinder zumindest eine mit einem Fluid beaufschlagbare Druckkammer aufweist, die von einer bei Druckbeaufschlagung durch das Fluid verschiebbaren Kolbendruckfläche des Kolbens verschiebbar begrenzt wird, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Kolben-Zylindereinheiten für Verstellelemente finden vielfältige Anwendungen, etwa im Möbel- oder Automobilbau oder anderen industriellen Anwendungen, und bestehen im

Wesentlichen aus einem Zylinder mit einem Zylindermantel, Zylinderboden und einem Zylinderkopf, wobei innerhalb des Zylinders ein Kolben mithilfe einer Kolbenstange geführt ist. Der Kolben unterteilt den Zylinderraum in zwei Teilräume, von denen zumindest ein Teilraum als Druckkammer ausgeführt ist und hierfür geeignete Anschlüsse zur Zu- und Abfuhr eines Fluids aufweist. Die der Druckkammer zugewandte Kolbenfläche des Kolbens begrenzt diese Druckkammer und wird vom Fluid beaufschlagt. Diese Kolbenfläche wird in weiterer Folge als Kolbendruckfläche bezeichnet. Über eine Steuerung des Fluiddrucks in der Druckkammer kann somit der Kolben verschoben und das mit dem Kolben und der Kolbenstange verbundene Verstellelement gesteuert.werden. Derartige Kolben-Zylindereinheiten für Verstellelemente dienen in Form von Pneumatikzylinder, Hydraulikzylinder oder Gasdruckfedern als Antriebs- oder Dämpfungselemente linearer Bewegungen, wobei vielfältige Ausführungen in Form einfach- oder doppeltwirkender Zylinder bekannt sind.

Bei der Fertigung der druck- und zugbelasteten Teile wie dem Zylindermantel, dem Kolben und der Kolbenstange werden in der Regel metallische Werkstoffe verwendet, woraus mitunter ein hohes Gesamtgewicht der Kolben-Zylindereinheit folgt. In vielen Anwendungen spielt , das Gesamtgewicht der Kolben-Zylindereinheiten aber eine große Rolle, wobei eine Reduktion des Gesamtgewichts mit Vorteilen in der Herstellung und Verwendung verbunden ist, etwa hinsichtlich Materialersparnis v in der Fertigung, oder hinsichtlich einer Energieersparnis bei Anwendungen etwa im Automobilbereich. Insbesondere im Großzylinderbau ergibt sich durch die Verwendung metallischer Werkstoffe ein erhebliches Gesamtgewicht der Kolben-Zylindereinheiten mit entsprechenden Fertigungskosten.

Es ist daher ' das Ziel der Erfindung eine Kolben-Zylindereinheit bereitzustellen, die im Vergleich zu herkömmlichen Kolben-Zylindereinheiten bei vergleichbarer Druck- und Zugfestigkeit über ein kleineres Gewicht verfügt. Die erfindungsgemäßen 'Kolben-Zylindereinheiten sollen somit auch Kostenvorteile in der Fertigung bieten.

Diese Ziele werden durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich auf eine Kolben-Zylindereinheit für Verstellelemente mit einem, innerhalb eines Zylinders geführten Kolben und einer Kolbenstange, wobei der Zylinder zumindest eine mit einem Fluid beaufschlagbare Druckkammer aufweist, die von einer bei Druckbeaufschlagung durch das Fluid verschiebbaren Kolbendruckfläche des Kolbens verschiebbar begrenzt wird. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass die Kolbenstange zumindest einen Hohlraum aufweist, und zumindest ein den Kolben querender Kanal vorgesehen ist, der bei Druckbeaufschlagung der Druckkammer eine Druckübertragungsstrecke zwischen der Druckkammer und dem zumindest einen Hohlraum bildet.

Wird Fluid unter Druck der Druckkammer zugeführt, um den Kolben und die Kolbenstange zu verstellen, wird somit der in der Druckkammer herrschende Druck auf den Hohlraum der Kolbenstange übertragen. Im einfachsten Fall kommuniziert der Hohlraum, über einen offenen Kanal mit der Druckkammer, sodass bei Druckbeaufschlagu'ng der Druckkammer das Fluid unter Druck -über den erfindungsgemäß vorgesehenen Kanal in den Hohlraum der Kolbenstange eintritt und die Kolbenstange auf diese Weise verstärkt. Die verstärkende Wirkung ist dabei umso größer, je höher der Druck des Fluids in der Druckkammer ist und je höher somit auch die Belastung auf die Kolbenstange ist. Die Kolbenstange kann aber dennoch aufgrund des zumindest einen Hohlraumes unter weniger Materialeinsatz und daher kostengünstiger und mit geringerem Gewicht ausgeführt werden. Die Kolbenstange musste nämlich bislang stets als Vollkörper eines widerstandsfähigen Materials hoher Dichte gefertigt werden, um trotz des vergleichsweise geringeren Querschnittes den hohen Belastungen standzuhalten. Zudem musste er auf die maximal auftretenden Belastungen ausgelegt werden. Dadurch erwies sich die Kolbenstange stets als vergleichsweise schwerer Bauteil. Die Anordnung von Hohlräumen in der Kolbenstange ermöglicht eine wesentliche Gewichtsreduktion des gesamten Zylinders, ohne die Belastbarkeit des gesamten Zylinders zu reduzieren. Die Belastbarkeit der Kolbenstange ist dabei umso größer, je höher der Druck innerhalb der Druckkammer ist, also genau dann, wenn die höchten Belastungen auf die Kolbenstange wirken.

Eine einfache Ausführung sieht etwa vor, dass der Hohlraum durch einen rohrförmig ausgeführten Abschnitt der Kolbenstange gebildet wird. Der zumindest eine Hohlraum kann in Platzierung und Formgebung auch an die unter Belastung zu erwartenden Spannungsverläufe in der Kolbenstange angepasst werden und etwa in jenen Bereichen der Kolbenstange angeordnet werden, in denen auch die höchsten Belastungen zu erwarten sind.

Der den Kolben querende Kanal kann etwa als zentrale, axiale Bohrung des Kolbens ausgebildet sein. Der rohrförmige Abschnitt ist dabei vorzugsweise koaxial zur zentralen Bohrung angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform kann die Kolbenstange mit ihrem rohrförmig ausgeführten Abschnitt am Kolben befestigt sein, sodass die Bohrung des Kolbens unmittelbar. in den Hohlraum mündet. Das Fluid, tritt somit über eine Öffnung in der Kolbendruckfläche in die Bohrung des Kolbens ein, quert den Kolben und .gelangt unmittelbar in den Hohlraum der Kolbenstange. In der Druckkammer und im.Hohlraum besteht somit im Wesentlichen stets derselbe Druck, wobei mit Druck im Folgenden stets Überdruck als auch Unterdrück relativ zu den übrigen Zylinderbereichen verstanden wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann aber auch vorgesehen sein, dass der rohrförmige Abschnitt die zentrale, axiale Bohrung des Kolbens durchsetzt und die Kolbendruckfläche des

Kolbens überragt. Auf diese Weise mündet der. Hohlraum direkt in die Druckkammer. Der über die Kolbendruckfläche ragende Endbereich des rohrförmigen Abschnittes kann etwa als Anschlag am Kolbenboden dienen, um auf diese Weise das kleinste Volumen der Druckkammer zu begrenzen.

Falls es sich bei der Druckübertragungsstrecke um eine beidseits offene Strecke handelt, also der zumindest eine Hohlraum der Kolbenstange über einen offenen Kanal durch den Kolben mit der Druckkammer verbunden ist, bestehen in der

Druckkammer und im Hohlraum dieselben Druckverhältnisse. Des

Weiteren ist ein direkter Austausch von Fluid möglich. Falls im Inneren des Hohlraumes der Kolbenstange ein anderes Fluid gewünscht ist, als in der Druckkammer, oder unterschiedliche Druckverhältnisse gewünscht sind, oder thermisch bedingte Volumsschwankungen des Fluids auszugleichen sind, kann in der Druckübertragungsstrecke auch eine den Kanal querende Membran angeordnet sein. Diese Membran stellt eine elastische Trennschicht zwischen dem Hohlraum und der Druckkammer dar, sodass etwa unterschiedliches Fluid in der Druckkammer und im Hohlraum der Kolbenstange verwendet werden kann. Die Membran könnte aber auch bei Verwendung eines inkompressiblen Fluids im Hohlraum zur direkten Druckausübung verwendet werden, oder um thermisch bedingte Volumsschwankungen eines Fluids in einem •dann abgeschlossenen Hohlraum auszugleichen.

Die Erfindung wird in weiterer Folge anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe der beiliegenden Figur näher erläutert. Es zeigt hierbei die

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylindereinheit mit einer erfindungsgemäßen

Kolbenstange.

Die Fig. 1 zeigt dabei lediglich eine schematische Darstellung einer Kolben-Zylindereinheit mit einem Zylindermantel 1, einer Kolbenstange 2, sowie einem Kolben 3. Der Zylinderboden 4 des Zylinders weist eine Bodenbefestigung auf, und ist ebenso wie das Anschlusselement 5 für das Verstellelement lediglich schematisch dargestellt. Die Kolbenstange 2 ist im

Zylinderkopf 6 des Zylinders in einer Führungsbuchse geführt. Die Anschlüsse 9 für die Zu- und Abfuhr des Fluids in die Druckkammer 11 und zur Steuerung der Kolben-Zylindereinheit entsprechen herkömmlichen Ausführungen und sind daher in der Fig. 1 ebenfalls lediglich schematisch dargestellt. Das Fluid kann der Druckkammer 11 durch die Anschlüsse 9 entlang der eingezeichneten Pfeilrichtungen unter Druck zugeführt und abgeführt werden. Unter "Druck" ist hierbei sowohl Unter- als auch Überdruck relativ zu den verbleibenden Bereichen des Zylinders auf der der Druckkammer abgewandten Seite des Kolbens gemeint. Bei der gezeigten Kolben-Zylindereinheit handelt es sich etwa um einen Pneumatikzylinder oder einen Hydraulikzylinder oder eine Gasdruckfeder, die als Antriebsoder Dämpfungselemente linearer Bewegungen von Verstellelementen dienen.

Der Zylindermantel 1, der Zylinderkopf 6 und der Zylinderboden 4 können etwa in herkömmlicher Weise als Drehteil gefertigt werden, oder mithilfe von kostengünstigen und raschen Spritzoder Druckgussverfahren. Aber auch spezielle Spritzgussverfahren wie das Pulverspritzgießen („PIM"; Powder Injection Molding) sind denkbar, bei denen ein mit einem Binder versehenes Metall- („MIM"; Metal Injection Molding) oder Keramikpulver („CIM"; Ceramic Injection Molding) in einem Spritzgussprozess verarbeitet wird, wobei der Binder anschließend entfernt wird. Hierdurch ist es möglich, komplex geformte Teile in größeren Stückzahlen mit sehr geringen Toleranzen herzustellen.

Die Kolbenstange 2 weist einen Hohlraum 8 auf, der gemäß der gezeigten Ausführungsform.. durch einen rohrförmig ausgeführten Abschnitt 7 der Kolbenstange 2 gebildet wird. Die Kolbenstange 2 kann etwa als Stahlrohr gefertigt sein, dessen Inneres den erfindungsgemäß vorgesehenen Hohlraum 8 bereit stellt. Der rohrförmig ausgeführten Abschnitt 7 kann sich dabei bis in den Kolben 3 oder das Anschlusselement 5 erstrecken, oder der Kolben 3 und/oder das Anschlusselement 5 sind aus anderen Werkstoffen gefertigt und am rohrförmig ausgeführten Abschnitt 7 der Kolbenstange 2 über übliche Fügetechniken befestigt.

Gemäß der Ausführungsform der Fig. 1 ist lediglich ein einziger Hohlraum 8 vorgesehen, der durch das Innere eines rohrförmigen Abschnittes 7 gebildet wird. Es könnten aber auch mehrere kleinere Hohlräume 8 vorgesehen sein, die über die radiale und axiale Erstreckung der Kolbenstange 2 verteilt angeordnet sind, und zwar insbesondere in jenen Bereichen, in denen auch die höchsten Belastungen zu erwarten sind. Des Weiteren ist der den Kolben 3 -querende· Kanal 10 als zentrale, axiale Bohrung des Kolbens 3' ausgebildet, wobei der rohrförmige Abschnitt 7 koaxial zur zentralen Bohrung angeordnet ist, sodass der rohrförmige Abschnitt 7 mit dem als zentrale Bohrung des Kolbens 3 ausgeführten Kanal 10 einen gemeinsamen Hohlraum 8 bildet, der über eine Öffnung in der Kolbendruckfläche direkt in die Druckkammer 11 mündet.

In der einfachen Ausführungsform gemäß der Fig. 1 öffnet sich der Hohlraum 8 somit direkt in die Druckkammer 11, sodass das Fluid von der Druckkammer 11 in den Hohlraum 8 der Kolbenstange 2 einfließen und auch wieder in die Druckkammer 11 rückfließen kann. Falls Fluid unter Druck der Druckkammer 11 zugeführt wird, tritt das Fluid somit über eine Öffnung in der Kolbendruckfläche in den Kanal 10 und in weiterer Folge auch in den Hohlraum 8 der Kolbenstange 2 unter Druck ein und verstärkt die Kolbenstange 2 auf diese Weise. Die in einem Fluid gegebene, allseitige Druckfortpflanzung begünstigt diesen Vorgang. Bei Verwendung eines inkompressiblen Fluids könnte der Kanal 10 auch mit einer druckleitenden Membran bedeckt sein, die den Druck der Druckkammer 11 auf ein, im Inneren des Hohlraumes 8 befindliches, inkompressibles Fluid überträgt.

Die Wirkfläche des Fluids für das Verstellen des Kolbens 3 und der Kolbenstange 2 muss dabei nicht unbedingt verringert werden, wie etwa anhand der Ausführungsform von Fig. 1 ersichtlich ist, da jene Wirkfläche, die durch den Querschnitt des . Kanals 10 gegeben ist und den Querschnitt der Kolbendruckfläche verringert, lediglich in das Innere der Kolbenstange 2 verschoben wird. Zusätzlich erzeugt das unter Druck in den Hohlraum 8 einströmende Fluid nach außen gerichtete, radiale Kräfte auf den rohrförmigen Abschnitt 7 der Kolbenstange 2, die äußeren radialen Belastungen des rohrförmigen Abschnittes 7 entgegen wirken. Die verstärkende Wirkung ist dabei umso größer, je höher der Druck des Fluids in der Druckkammer 11 ist und je höher somit auch die äußere Belastung auf die Kolbenstange 2 ist. Versuche des Anmelders haben ergeben, dass sich die Kolbenstange 2 trotz der durch den Hohlraum 8 verursachten, strukturellen Schwächung dennoch stabiler erweist als bei ihrer Ausführung als Vollkörper. Die Kolbenstange 2 kann aber aufgrund des zumindest einen

Hohlraumes 8 unter weniger Materialeinsatz und daher kostengünstiger und vor allem mit geringerem Gewicht ausgeführt werden.

Das Auffüllen des zumindest einen Hohlraumes 8 bedingt freilich die Verwendung größerer Mengen an Fluid für die Druckkammer 11. Aufgrund der geringeren Dichte des Fluids im Vergleich zu den üblicher Weise verwendeten Materialien der Kolbenstange 2 weist eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Kolben-Zylindereinheit jedoch insgesamt bei gleicher Belastbarkeit ein vergleichsweise geringeres Gewicht auf, oder bei gleichem Gewicht eine höhere Belastbarkeit.

Mithilfe der Erfindung wird somit eine Kolben-Zylindereinheit bereitgestellt, die im Vergleich zu herkömmlichen Kolben-Zylindereinheiten bei vergleichbarer Druck- und Zugfestigkeit über ein kleineres Gewicht verfügt, und dabei Kostenvorteile in der Fertigung bietet.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Kolben-Zylindereinheit für Verstellelemente mit einem, innerhalb eines Zylinders (1) geführten Kolben (3) und einer Kolbenstange (2), wobei der Zylinder zumindest eine mit einem Fluid beaufschlagbare Druckkammer (11) aufweist, die von einer bei .Druckbeaufschlagung durch das Fluid verschiebbaren Kolbendruckfläche des Kolbens (3) verschiebbar begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (2) zumindest einen Hohlraum (8) aufweist, und zumindest ein den Kolben (3) querender Kanal (10) vorgesehen ist, der bei Druckbeaufschlagung der Druckkammer (11) eine Druckübertragungsstrecke zwischen der Druckkammer (11) und dem zumindest einen Hohlraum (8) bildet.
2. 2. Kolben-Zylindereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (8) durch einen rohrförmig ausgeführten Abschnitt (7) der Kolbenstange (2) gebildet wird.
3. 3. Kolben-Zylindereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der den Kolben (3) querende Kanal (10) ' als zentrale, axiale Bohrung des Kolbens (3) ausgebildet ist.
4. 4. Kolben-Zylindereinheit nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Abschnitt (7) koaxial zur zentralen Bohrung angeordnet ist.
5. 5. Kolben-Zylindereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Abschnitt (7) mit der zentralen Bohrung des Kolbens (3) einen gemeinsamen Hohlraum (8) bildet.
6. 6. Kolben-Zylindereinheit nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Abschnitt (7) die zentrale, axiale Bohrung des Kolbens (3) durchsetzt und die Kolbendruckfläche des Kolbens (3) überragt.
7. 7. Kolben-Zylindereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckübertragungsstrecke eine den Kanal (10) querende Membran angeordnet ist. Wien, am