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Die
Erfindung betrifft einen automatisch arbeitenden Gasdruckstab. Angestrebt
wird die Erzielung einer schnellen, einfachen und sicheren Montage,
einer Temperaturkompensation über
einen weiten Temperaturbereich sowie eines variablen Dämpfungsverhaltens.
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Gasdruckstäbe sind
im wesentlichen jeweils als abgeschlossene Zylinder ausgebildet,
in denen ein ein nahezu ideales Gasverhalten aufweisendes Gas enthalten
ist, und zwar üblicherweise
unter hohem Druck, typischerweise zwischen 1000 bis 2000 psi (entsprechend
69 bis 138 bar) stehender Stickstoff. Über einen durch das unter Druck
stehende Gas betätigbaren
Kolben wird das Ausfahren einer Kolbenstange an einem Ende des Zylinders
bewirkt. Ein Einsatz von Gasdruckstäben als Federelemente bringt
vielerlei Vorteile mit sich. von Nachteil ist aber, daß bei fallender
Außentemperatur
der Druck des Stickstoffes entsprechend den Gesetzmäßigkeiten idealer
Gase innerhalb des Temperaturbereiches von + 8°C bis – 40°C um 26 % abfällt, was
eine Reduzierung der am Kolben wirkenden Bewegungskraft um denselben
Prozentsatz zur Folge hat. Gasdruckstäbe haben daher den Nachteil,
daß ihre
Ausfahrkraft von der Außentemperatur
abhängig
ist. Werden Gasdruckstäbe
bei Kraftfahrzeugen zur Unterstützung des Öffnungsvorganges
von Heckklappen eingesetzt, so nimmt die Öffnungsgeschwindigkeit der Heckklappen
bei fallender Außentem peratur
ab. Bei sehr kaltem Wetter kann es vorkommen, daß der Gasdruckstab die Heckklappe
nicht mehr vollständig zu öffnen vermag.
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Um
diesem Problem abzuhelfen, hat man den Einsatz von Gasdruckstäben mit
höheren
Ausfahrkräften
vorgeschlagen, was jedoch ein zu schnelles Aufschwingen der Heckklappe
bei hohen Temperaturen zur Folge hatte.
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Aus
der
US 46 13 115 bzw.
der
DE 33 24 214 C2 ist
ein Gasdruckstab mit zwei unterschiedlichen, unter hohem Druck stehenden
Gasen bekannt, die durch einen als Trennelement bzw. Abdichtelement wirkenden
Kolben voneinander getrennt sind. Eines der Gase, nämlich Stickstoff,
bildet das Primärgas. Das
Sekundärgas,
beispielsweise Freon, weist die Eigenschaft auf, daß dessen
Druck sich schneller mit der Temperatur ändert, als es bei Stickstoff
der Fall ist. Das sekundäre
Gas erzeugt eine der Ausfahrkraft durch das Stickstoffgas entgegengesetzt
wirkende Kraft, so daß die
Netto-Ausfahrkraft
der Differenz der beiden Kräfte
entspricht. Der Druck des Sekundärgases ändert sich
mit der Temperatur in der Weise, daß die Netto-Ausfahrkraft im
wesentlichen konstant bleiben kann. Das Sekundärgas wird dabei so gewählt, daß eine Gegenkraft
ausgeübt
wird, welche durch die Dampfdruckphase des Systems bestimmt wird.
Bei dem Sekundärgas
muß es
sich um ein ein kontinuierliches Zwei-Phasen-Gas-System darstellendes Gas handeln, in
welchem die Gas- und die Flüssigphase in
dem Temperaturbereich von – 30°C bis – 80°C im Gleichgewicht
stehen. In der
US 46 13 115 sind
lediglich drei Gase benannt, die über den genannten Temperaturbereich
ein kontinuierliches Zwei-Phasen-Gas-System aufrechterhalten, nämlich Ammonium,
Freon 12 und Schwefelhexafluorid. Eine entsprechende Funktionsfähigkeit
anderer vorgeschlagener Gase, so z.B. von Acetylen, Ethan, Propan,
Propadien, Perfluorid-Propan, Dimethyl-Ether, N-Butan, Hydrogen-Bromid
und Hydrogen-Jodid, wurde nicht nachgewiesen.
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Der
Vorschlag gemäß
US 46 13 115 ist nie realisiert
worden, wohl deshalb, weil es außerordentlich schwierig ist,
zwei unter hohem Druck stehende Gase jeweils in entsprechende Kammern
zu leiten und deren Mischung zu verhindern, da sich an dem dichtenden
Kolben, der die beiden Gasvolumina voneinander trennt, zwangsläufig ein
Entlangströmen einstellt.
Es erscheint daher problematisch, mit dem Vorschlag gemäß
US 46 13 115 an der Kolbenstange im
wesentlichen konstante Ausfahrkräfte
bei sich ändernder
Außentemperatur
zu erzeugen.
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Ferner
beschreibt die
EP 160
429 A2 einen Gasstoßdämpfer für ein Kraftfahrzeug,
welcher in einem Kolbenraum ein eingeschlossenes Gasvolumen als
Puffer aufweist. Im Rahmen der Erzeugung dieses Gasvolumens wird
vorgeschlagen, eine in die Gasphase überführbare "schlafende" Substanz, z.B. Trockeneis oder chemisch
zersetzbarer Stoffe, im Kolbenraum vorzusehen und diese nach Zusammenbau
der Anordnung zu aktivieren, das heißt komplett in die Gasphase
zu überführen.
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In ähnlicher
Weise beschreibt die
US 4 664 234 einen
Stoßdämpfer, bei
welchem während
der Herstellung eine feste Substanz in einer Gasdruckkammer angeordnet
wird, die nach dem Zusammenbau chemisch in ein Gas zersetzt wird.
Der Einsatz von Trockeneis wird hierbei nicht erwähnt.
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Die
DE 198 12 750 A1 betrifft
einen Behälter mit
einer temperaturkompensierten Gasfüllung, wobei eine gasförmige Substanz
in temperaturabhängiger
Weise in einen Feststoff eingelagert wird, wodurch sich ihr Druck ändert.
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Der
Erfindung liegt im wesentlichen die Aufgrunde zugrunde Gasdruckstäbe mit automatischer Temperaturkompensationseinrichtung
bereitzustellen, die sicher arbeiten und bei denen ein wirtschaftlich
günstiges
Sekundärgas
einsetzbar ist, welches bei Umgebungstemperaturen den Aggregatzustand eines
festen Körpers
einnimmt.
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Eine
weitere, der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine
automatische temperaturkompensierte Einrichtung bereitzustellen,
bei der die Druckflächen
für Primär- und Sekundärgas untereinander
in einem solchen Verhältnis
stehen, daß die
Netto-Ausfahrkraft, verglichen mit den Lösungen gemäß dem Stand der Technik, über eine größere Temperaturspanne
konstant bleibt.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine automatische
temperaturkompensierte Einrichtung bereitzustellen, bei der ein von
der Gasfeder getrenntes Zylindergehäuse vorgesehen ist, um damit
den Einsatz komplexer und störanfälliger Dichtungsstrukturen
zwischen Gasfeder und dem kompensierenden Gas überflüssig zu machen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung eines automatischen temperaturkompensierten Gasdruckstabes
mit den nachfolgenden Verfahrensschritten:
- (i)
Bereitstellen eines äußeren Zylinders
mit einander gegenüberliegenden
Enden, wobei ein Ende geschlossen ausgebildet ist und das andere Ende
eine Öffnung
aufweist, durch welche eine Kolbenstange bewegbar ist;
- (ii) Bereitstellen eines inneren Zylinders innerhalb des äußeren Zylinders
mit einem radialen Zwischenraum zwischen dem inneren Zylinder und dem äußeren Zylinder,
wobei der innere Zylinder an beiden Enden offen ist;
- (iii) Unterteilen des Raumes zwischen den Zylindern in eine
erste Kammer, die dem geschlossenen Ende des äußeren Zylinders benachbart
ist, und eine zweite Kammer, die dem geschlossenen Ende abgewandt
angeordnet ist;
- (iv) Einführen
eines Kolbens in gleitender, abdichtender Weise in das Innere des
inneren Zylinders, wobei der Kolben eine Kolbenstange aufweist,
die sich vom Kolben ausgehend erstreckt und die Öffnung des inneren Zylinders
abdichtet, und
- (v) ein nach dem Zuführen
eines unter hohem Druck stehenden, nicht kondensierenden Gases in
die erste Kammer erfolgendes Einbringen einer vorgegebenen Menge
von Kohlendioxid in Festkörperform
(Trockeneis) in die zweite Kammer unter Umgebungsbedingungen, wobei
das Trockeneis innerhalb der zweiten Kammer zu einem kondensierbaren
und unter hohem Druck stehenden Gas sublimiert, welches einen Ausgleich
des Druckes an den gegenüberliegenden
Seiten des Kolbens bewirkt, derart, daß eine im wesentlichen konstante
Netto-Kraft auf die Kolbenstange über einen größeren Betriebstemperaturbereich
ausgeübt
wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird eine krafterzeugende Anordnung
mit einer Temperaturkompensationseinrichtung vorgeschlagen, wobei
die Anordnung umfaßt:
- a) eine Zylinderanordnung mit einem ersten,
außenliegenden
Zylinder und einem zweiten, inneren Zylinder, wobei der zweite Zylinder
innerhalb des ersten Zylinders angeordnet ist und die Innenräume beider
Zylinder miteinander in Verbindung stehen,
- b) bewegbare Elemente, durch die die miteinander verbundenen
Innenräume
unterteilt sind, derart, daß zumindest
eine geschlossene, jedoch ein variables Volumen aufweisende Kammer
gebildet ist,
- c) ein in der Kammer enthaltenes Gas mit in Zwei-Phasen kondensierendem
CO2,
- d) ein eine Kraft erzeugendes Element außerhalb der Zylinder, und
- e) eine mechanische Verbindung zwischen dem krafterzeugenden
Element und dem bewegbaren, die Trennung bewirkenden Element zur Übertragung
einer Netto-Kraft, welche im Temperaturbereich zwischen – 40°C und + 80°C temperaturunabhängig – bezogen
auf die Umgebungstemperatur – wirksam
ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine schematische Teilschnittansicht einer
Ausführungsform
der Erfindung mit der Darstellung eines integrierten automatischen
und temperaturkompensierten Gasdruckstabes;
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2 eine graphische Darstellung
des Druckes in Abhängigkeit
von der Temperatur für
ein CO2-Gas und ein ideales Gas;
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3 eine graphische Darstellung
eines sich an der Heckklappe eines Kraftfahrzeugs einstellenden
Kraftverlaufes in Abhängigkeit
von der Temperatur, und zwar kompensiert gemäß den der vorliegenden Erfindung
zugrundeliegenden Prinzipien;
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4 eine fragmentarische Darstellung
des unteren Bereichs der Ausführungsform
gemäß 1 mit einer Darstellung
verschiedener Abwandlungen für
die Herbeiführung
eines variablen Dämpfungsverhaltens;
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5 und 6 fragmentarische Darstellungen eines
Teils von 1 mit entsprechenden
Abwandlungen zur Verbesserung der Dichtwirkung unter hohem Gasdruck,
und zwar sowohl in gelüftetem
als auch in ungelüftetem
Zustand;
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7 eine schematische Schnittdarstellung einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit einer außerhalb angeordneten, temperaturkompensierten
Einrichtung für
einen Gasdruckstab;
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8 und 9 in schematischer Ansicht eine Darstellung
der Art der Unterbringung und des Einsatzes einer außerhalb
angeordneten temperaturkompensierten Einrichtung gemäß 7 in einem Kraftfahrzeug;
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10 eine schematische Schnittdarstellung
eines weiteren Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung mit einem integrierten automatischen
temperaturkompensierten Gasdruckstab und
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11 eine schematische Schnittdarstellung
eines Gasdruckstabes nach dem Stande der Technik.
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11 zeigt einen gasdruckunterstützten Federstab 10 mit
innerhalb einer Kammer 12 unter Druck stehendem Gas, wie
z.B. Stickstoff. Das Gas befindet sich oberhalb und unter halb eines
Kolbens 13 und kann auf eine Kolbenstange 17 eine
Kraft in Richtung des Pfeils 16 ausüben. Der Kolben 13 gleitet
mit einem diesen umgebenden Abstreifring 15 längs einer
Innenwandung 14.
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Zur
Abdichtung des im Inneren des Zylinders enthaltenen Gasvorrates
ist an der Stirnseite 19 eines Gehäuses, durch welches die Kolbenstange
ein- und ausfahrbar ist, eine Dichtlippe 18 vorgesehen. Das
Volumen der Kammer 12 ist so bemessen, daß der bei
einem Ausfahren der Kolbenstange 17 auftretende Druckverlust
des Gases 11 relativ gering ist. Zur Steuerung der Ausfahrrate
der Kolbenstange ist der Kolben dahingehend ausgebildet, daß ein kontrolliertes
Abströmen
(filtering) des Gases 11 um den Kolben herum sowie durch
Durchgangsöffnungen 20 erfolgen
kann, so daß bei
einer Ausfahrbewegung der Kolbenstange 17 eine Dämpfung erzielbar
ist. Eine Dämpfungswirkung
in entgegengesetzter Richtung ist nicht erwünscht. Aus diesem Grund ermöglicht ein
(nicht dargestelltes) Bypassventil während der Kompressionsphase
die Passage eines größeren Gasvolumens
durch den Kolben. Wichtige Charakteristika eines konventionellen
Gasdruckstabes sind daher: ein einziger Gasvorrat, der unter hohem
Druck in einer einzigen Kammer steht, sowie ein Kolben, der nicht
gegen das Zylinderinnere abgedichtet ist, wobei dieser Kolben eine
sich mit der Umgebungstemperatur erheblich ändernde Kraft auf die Kolbenstange
ausübt.
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Aus 1 ist eine Ausführungsform
eines ersten Gasdruckstabes gemäß der Erfindung
ersichtlich. Eine mit 21 bezeichnete Einrichtung weist
einen äußeren Zylinder 22 auf,
der an einem ersten Ende geschlossen ausgebildet ist und an seinem
zweiten Ende 25 zumindest eine Öffnung 24 aufweist,
durch die eine Bewegung einer Kolbenstange 26 möglich ist.
Im Inneren des äußeren Zylinders 22 befindet sich
ein innerer Zylinder 27. Die beiden Zylinder sind in einem
Abstand zueinander angeordnet, und zwar ist der innere Zylinder 27 innerhalb
des äußeren Zylinders 22 radial
zu diesem beabstandet angeordnet. Der innere Zylinder 27 weist Überström öffnungen 28 bzw. 29 an
seinen einander gegenüberliegenden
Enden 30 und 31 auf, derart, daß eine Passage
von Gas möglich
ist. An einem Ende einer Kolbenstange 26 ist ein Kolben 32 angebracht.
Dieser weist eine Dichtlippe 33 auf, die gegen die Innenwand
des inneren Zylinders 27 anliegt. Der innere Zylinderraum
ist mittels einer Unterteilung 34 und der Dichtlippe 33 am
Kolben in eine erste Kammer 35, die dem geschlossenen Ende 23 des
Zylinders 22 zugeordnet ist, und eine in Bezug auf das
geschlossene Ende 23 von diesem entfernt liegende Kammer 36 unterteilt.
In der Kammer 36 befindet sich unter hohem Druck stehendes
CO2-Gas (ca. 62 bar (900 psi) bei
20°C), während in
der Kammer 35 unter hohem Druck stehender Stickstoff enthalten
ist.
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Die
Unterteilung 34 ist gasdicht ausgebildet. Der Kolben 32 ist
gleitend bewegbar ausgebildet, und zwar ohne Dämpfungswirkung, jedoch abdichtend. Der
Kolben ist so bewegbar, daß das
relative Volumen, welches jedes Gas innerhalb des inneren Zylinders
einnimmt, von der Position der Kolbenstange abhängig ist. Am oberen und unteren
Ende des inneren Zylinders (außerhalb
des Bewegungsbereiches des Kolbens) ermöglichen die Überströmöffnungen 28, 29 ein
ungehindertes Überströmen eines
jeden Gases von der entsprechenden Sektion des inneren Zylinders
in den entsprechenden äußeren Ringraum der
jeweiligen Kammer.
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Die
beiden Gase wirken auf den Kolben in entgegengesetzte Richtungen
ein. Der Stickstoff, der mit einer seinem Kompressionsdruck entsprechenden
Kraft auf die Querschnittsfläche
des Kolbens drückt,
versucht die Kolbenstange auszufahren. Dieser Ausfahrbewegung entgegengesetzt
wirkt das CO2-Gas, welches versucht, die Kolbenstange
in die Zylinderanordnung hineinzudrücken. Da das Kohlendioxid auf
einen kleineren Abschnitt des Kolbens einwirkt, und zwar auf einen
Bereich, der der Gesamtquerschnittsfläche des Kolbens abzüglich der
Querschnittsfläche
der Kolbenstange entspricht, wird durch dieses bei gleichem Druck
eine geringere Gegenkraft aufgebracht. Beide Gase stehen typischerweise
unter einem Druck in der Größenordnung
von etwa 70 bar (1000 psi), so daß der Einfluß des Atmosphärendrucks
auf die Kolbenstange vernachlässigbar
ist.
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Wesentlich
für das
erfindungsgemäß vorgeschlagene
verbesserte Temperaturkompensationsverhalten der Einrichtung 21 ist
die Auswahl des Gases in der zweiten Kammer 36. Wird CO2 eingesetzt, so ist ein Zwei-Phasensystem
lediglich über
einen Teilbereich, insbesondere die untere Hälfte des Betriebstemperaturbereiches
der Einrichtung erreichbar. Der Betriebstemperaturbereich erstreckt
sich zwischen etwa – 40°C oder niedriger
bis zu einer oberen Betriebstemperatur von maximal + 80°C. Kohlendioxid
weist lediglich bei Temperaturen unter + 26°C ein Zwei-Phasen-System-Verhalten
auf. Da die Flächen,
auf die die Gase einwirken, festliegen, beeinflußt eine Veränderung der Relativdrücke der
beiden Gase das Kräftegleichgewicht
an der Kolbenstange. Der Druck des Stickstoffs nimmt – ähnlich dem
Verhalten eines idealen Gases – mit
der Temperatur ab. Dementsprechend nimmt der von diesem Gas aufgebrachte
Beitrag zur Ausfahrkraft des Kolbens mit der Temperatur ab. Nimmt
jedoch der Druck des Kohlendioxids in schnellerem Maße ab, so
wird dadurch der Druckabfall des Stickstoffes kompensiert, mit dem
Ergebnis, daß die
auf den Kolben einwirkende Gesamtkraft mehr oder weniger konstant bleibt,
und zwar unabhängig
von der Temperatur. Das Kohlendioxid-Gas muß dann die Eigenschaft aufweisen,
daß sein
Dampfdruck mit dem Stickstoffdruck bei maximaler Betriebstemperatur
vergleichbar ist.
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Kohlendioxid-Gas
wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung wegen seiner geringen
Kosten, wegen des Fehlens umweltschädlicher Einflüsse, seiner
Nichtentflammbarkeit sowie seiner hervorragenden Temperaturkompensations-Charakteristika ausgewählt. Weiterhin
ist seine leichte Transportier- und Verpackbarkeit vorteilhaft.
Der kritische Punkt von Kohlendioxid liegt bei + 31°C, wie aus 2 ersichtlich. Für eine optimale
Temperaturkompensation wird die der Kammer 36 zugeführte Menge
von Kohlendioxid so gewählt,
daß die
flüssige Phase
verdampft, bevor der genannte kritische Temperaturpunkt erreicht
wird. Dadurch wird eine andernfalls möglicherweise auftretende Überkompensation
verhindert. Falls erwünscht,
kann die Temperatur, bei der das Kompensationsverhalten endet, auf
höhere oder
niedrigere Temperaturen verschoben werden, und zwar dadurch, daß während der
Montage und Herstellung mehr oder weniger Kohlendioxid zugeführt wird.
Ein optimales Temperaturkompensationsverhalten ist dann erzielbar,
wenn das Kohlendioxid lediglich bei Temperaturen unter 26°C ein Zwei-Phasen-System-Verhalten
aufweist. Es handelt sich dabei um etwa die untere Hälfte des
Betriebstemperaturbereichs der Einrichtung (– 40°C bis + 40°C).
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Bei
richtiger Auswahl des Verhältnisses
von Kolbendurchmesser zu Kolbenstangendurchmesser kann eine hervorragende
Temperaturkompensation erzielt werden. Gute Resultate erzielt man,
wenn das Verhältnis
derart festgelegt wird, daß durch
Wirkung des Kohlendioxids eine Zusammenfahrkraft erzeugt wird, die
bei etwa 22 % der durch den Stickstoff erzielten Ausfahrkraft liegt.
Die resultierenden Kräfte ergeben
sich aus 3: der Kurvenverlauf
A zeigt den temperaturkompensierten Verlauf der Druckstabkraft,
während
der Kurvenzug B den entsprechenden Kurvenverlauf bei fehlender Temperaturkompensation
darstellt. Bei der genannten Auswahl der Parameter kann über einen
größeren Arbeitstemperaturbereich,
insbesondere bis zu – 40°, ein Kraftausgleich
(+ 2,6 %) erzielt werden. Während
die Kraft A eines nichtkompensierten Druckstabs im Temperaturbereich
von + 80°C
bis – 40°C um ca.
26 % abnimmt, schwankt die Kraft A einer temperaturkompensierten
Einrichtung um ± 2,6
% und ist somit nahezu konstant.
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Das
verfahren zur Herstellung eines automatischen, temperaturkompensierten
Druckstabes gemäß der vorliegenden
Erfindung ist insbesondere hinsichtlich seiner Gasdruckerzeugung
vorteilhaft. Aus der
US-PS 46
13 115 ist ein Verfahren zum Einführen und Trennen zweier verschiedener
Gase bei hohen Drücken
bekannt. Das Verfahren erfordert einen erheblichen Aufwand, was
zum einen sehr teuer und aufwendig und zum anderen wegen eines die beiden
Gase trennenden Kolbens nicht zuverlässig ist. Demgegenüber wird
erfindungsgemäß Kohlendioxid
in Form von Pellets
40 aus Trockeneis ohne hohen Druck
in die Sekundärgaskammer
36 eingeführt, und
zwar in geeigneter Menge (vgl.
1).
Eine geeignete Menge liegt beispielsweise bei etwa 30 % des Volumens
der zweiten Kammer
36. Die Trockeneis-Pellets werden einfach
in die leere Kammer
36 eingefüllt, worauf sich das Einführen des
Kolbens
32 und der Kolbenstange
36 anschließt. Danach
wird der äußere Zylinder
an seinem Ende
25 mittels einer umbördelten Endplatte verschlossen.
In der Druckkammer
36 geht das Trockeneis bei einem Druck
von etwa 62 bar (900 psi) in den gasförmigen Zustand über. Wenn
gewünscht,
kann der Vorgang in normaler Atmosphäre ablaufen, da die in dem
Zylinder eingeschlossene Luft mit Umgebungsdruck (1 bar, entsprechend
14 psi)
im Vergleich zu dem unter hohem Druck (62 bar, entsprechend 900
psi) stehenden Kohlendioxid lediglich als geringfügige Verunreinigung
(etwa 1,5 %) anzusehen ist.
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Das
Verfahren umfaßt
folgende Schritte:
- (a) Bereitstellen eines äußeren Zylinders 22,
der an einem Ende 23 geschlossen ist und an seinem anderen
Ende eine eine Bewegung einer Kolbenstange 26 durch diese
ermöglichende Öffnung 24 aufweist;
- (b) Bereitstellen eines inneren Zylinders 27 innerhalb
des äußeren Zylinders,
wobei die beiden Zylinder in radialem Abstand zueinander angeordnet sind
und der innere Zylinder an gegenüberliegenden
Enden 28, 29 geöffnet ist;
- (c) Bereitstellen einer Unterteilung 34 zwischen den
Zylindern zur Trennung in eine dem geschlossenen Ende des äußeren Zylinders 22 benachbarte
erste Kammer 35 und eine dem geschlossenen Ende des äußeren Zylinders
abgewandte zweite Kammer 36;
- (d) Injizieren eines unter hohem Druck stehenden nicht kondensierenden
Gases (d.h. Stickstoff) in die erste Kammer und anschließendes Schließen der
ersten Kammer durch Einführen
eines Kolbens 32 in abdichtender, gleitender Weise in das Innere
des inneren Zylinders 27, wobei der Kolben eine sich aus
dem Zylinder nach außen
erstreckende Kolbenstange aufweist;
- (e) Einführen
einer vorbestimmten Menge 40 von Trockeneis unter Umgebungsbedingungen
in die zweite Kammer und Verschließen der zweiten Kammer unter
Beibehaltung der Bewegungsmöglichkeit
der Kolbenstange, und
- (f) Sublimieren des Trockeneises zur Erzeugung eines kondensierbaren,
unter hohem Druck stehenden Gases innerhalb der zweiten Kammer, wobei
das Gas dazu geeignet ist, die auf die gegenüberliegenden Kolbenflächen einwirkenden Drücke dahingehend
auszubalancieren, daß eine im
wesentlichen konstante, auf die Kolbenstange einwirkende Netto-Kraft
erzeugt wird, und zwar unabhängig
von Betriebstemperaturänderungen innerhalb
eines gewünschten
Betriebsbereiches.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 werden die beiden unter
Hockdruck stehenden Gase dadurch an einer Mischung gehindert, daß eine Dichtlippe 33 an
dem Kolben 32 vorgesehen ist, durch deren Wirkung ein Entlangströmen der
Gase längs
des Kolbens verhindert wird. Der Einsatz einer dartigen einfachen
Dichtlippe hat sich als sehr zuverlässig herausgestellt, wenn auf
die Dichtung in richtiger Richtung eine große Druckdifferenz ansteht, durch
die die Dichtlippe gegen die Dichtfläche 41 gedrückt wird.
Da die beiden komprimierten Gase Drücke vergleichbarer Größe haben
können,
kann es vorkommen, daß auf
die Dichtlippe nicht immer eine große Druckdifferenz einwirkt,
und daß es
durchaus zu Vorzeichenänderungen
kommen kann, wenn Temperatur und Kolbenstangenposition sich ändern (siehe 2). Wie aus der Darstel lung
gemäß 5 ersichtlich, kann durch
Einsatz einer Doppellippe 42 gemäß der vorliegenden Erfindung
erreicht werden, daß ein
solches Dichtelement unter gleichem oder vergleichbar hohem Druck
stehende Gase effektiv voneinander trennt. Die mit 43, 44 bezeichneten
ringförmigen
flexiblen Dichtlippen sind durch eine Ringnut 45 voneinander
getrennt. Die Kolbenstange ist durch ein rohrförmiges Element 47 ersetzt,
dessen zentrale Öffnung 48 über eine
Verbindung 46 an einem Ende mit der Ringnut und am anderen
Ende mit der Atmosphäre
in Verbindung steht. Auf diese Weise wird durch den voll wirksamen
Druck der unter hohem Druck stehenden Gase jede der Dichtlippen 43 bzw. 44 eng
an die innere Dichtfläche 41 des
den inneren Zylinder 27 bildenden rohrförmigen Elementes angepreßt.
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In 6 ist eine Variante der
Dichtlippen aufweisenden druckunterstützten Abdichtung dargestellt.
Durch eine relativ große
Nut 49 wird eine Kammer 50 einer gewünschten
Größe gebildet.
In dieser Kammer herrscht anfangs Atmosphärendruck; solange der Druckverlust über die
Dichtungen gering ist, wird der Druck in der Kammer 50 während der
Lebensdauer des Druckstabes nicht das Druckniveau in den Kammern 35, 36 erreichen,
wodurch sichergestellt ist, daß die
Doppellippen stets gleichmäßig gegen
die innere Dichtfläche 41 des
inneren Zylinders 27 gedrückt werden.
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Gasdruckstäbe werden
häufig
bei Heckklappen oder Motorhauben von Kraftfahrzeugen eingesetzt.
Für ein
sanftes, gleichmäßiges Öffnen der Heckklappe
oder der Motorhaube ist eine variable Dämpfung der Öffnungskraft erwünscht, so
daß die Heckklappe
oder die Motorhaube nicht abrupt bewegt wird. Anzustreben ist ein
eher gleichmäßiges Öffnen in
eine sanft abgebremste Halteposition in Öffnungsstellung. Wie aus 4 ersichtlich, kann eine
Dämpfung
der Ausfahrbewegung erfindungsgemäß dadurch erfolgen, daß eine der Überströmöffnungen 29 ein
Rückschlagventil 52 aufweist.
Während
sowohl für
den Stickstoff als auch für
das kondensierbare Kohlendioxid Überströmöffnungen
vorgesehen sein können,
ergeben sich ins besondere Vorteile durch das Vorhandensein einer Überströmöffnung für das kondensierbare
Gas. Eine derartige Überströmöffnung 29 ist
durch das Rückschlagventil 22 normalerweise
verschlossen. Das Ventil öffnet
jedoch, wenn der Druckstab komprimiert wird, so daß eine freie
Gaspassage ohne sich einstellendes Dämpfen erfolgen kann. Beim Ausfahren
des Druckstabes schließt
jedoch das Rückschlagventil 52,
und das Kohlendioxid-Gas durchströmt dann eine Anzahl kleinerer Öffnungen 53, 54, 55 bzw. 56,
was eine variable Dämpfungswirkung
zur Folge hat. Bei Anordnung der Öffnungen in der dargestellten
Art wird bei einer Abwärtsbewegung
des Kolbens 58 durch dessen Rand 57 eine Öffnung nach
der anderen verschlossen, so daß der
Dämpfungseffekt
gegen Ende des Hubes verstärkt
und beispielsweise eine Heckklappe allmählich gegen ihren Anschlag
gefahren wird.
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Die
Temperaturkompensationseinrichtung kann auch als separate Einrichtung
ausgeführt
sein und bei konventionellen Druckstäben eingesetzt werden. 7 zeigt eine schematische
Darstellung einer solchen separat angeordneten Einrichtung. Da die mit 60 bezeichnete
separate Einrichtung lediglich Kohlendioxid-Gas enthält, ist
keine Unterteilung erforderlich. Da die Temperaturkompensationseinrichtung
im Gegensatz zu der Kraft des Heckklappendruckstabes eine Zugkraft
erzeugt, kann die Einrichtung 60 in Verbindung mit einem
konventionellen Druckstab eingesetzt und mit dem Heckklappendruckstab 63 über eine
flexible Leitung 61 verbunden werden. Die letztgenannte
Anordnung erlaubt es, die Einrichtung 60 an einer Vielzahl
von Stellen, beispielsweise unterhalb eines rückwärtigen Fensters zwischen der
Außenseite
des Fahrzeugs und dessen innerem Rahmen oder innerhalb der Heckklappe 64 selbst
anzuordnen. Die flexible Leitung 61 führt von der Einrichtung 60 durch
eine Umhüllung 62 zu
einer Aufnahme des Heckklappendruckstabes 63 an einer Heckklappe 64 (vgl. 8). Bei Einsatz einer Rolle kann
diese als Doppelrolle ausgebildet sein, wobei eine der Rollen den
doppelten Durchmesser der anderen Rolle aufweist, was zu einer mechanischen Übersetzung
im Verhältnis
2:1 führt
(9). Auf diese weise
läßt sich
der Hub der Einrichtung 60 um den Faktor 2 reduzieren.
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Die
Einrichtung 60 gemäß 7 weist einen inneren Zylinder 66 und
einen äußeren Zylinder 67 auf.
Im Gegensatz zur Anordnung gemäß 1 ist keine Unterteilung
zwischen den beiden Zylindern erforderlich. Weiterhin ist keine
spezielle Abdichtung des inneren Hohlraumes 69 des inneren
Zylinders 66 erforderlich. Weiterhin braucht der Kolben 68 nicht gesondert
gegenüber
dem Inneren des Hohlraumes 69 abgedichtet zu werden. Zudem
ist lediglich ein einziges Gas oder ein anderes kondensierbares
Gas, wie beispielsweise Kohlendioxid, erforderlich. Eine derartige
Einrichtung kann, wie bereits dargelegt, an jeder geeigneten Stelle
eines Fahrzeugs angeordnet werden; es ist lediglich erforderlich,
eine Leitung von der Einrichtung entweder zur Heckklappe oder zu den
konventionellen Druckstäben
vorzusehen. Wird die Heckklappe entriegelt, so beginnt der Öffnungsvorgang
der Heckklappe durch die Wirkung konventioneller Druckstäbe. Wird
durch die auffahrende Heckklappe Zug auf das flexible Kabel ausgeübt, wird
dies durch die Kolbenstange 70 ausgefahren, wobei das Kohlendioxid
in der inneren Kammer 71 und der äußeren Kammer 72 der
Temperaturkompensationseinrichtung komprimiert wird. Im Zylinderhohlraum 30 bildet
sich oberhalb des Kolbens ein Vakuum. Die passende Netto-Hubkraft
kann durch entsprechende Ausbildung des konventionellen Druckstabes
und der Temperaturkompensationseinrichtung erreicht werden. Eine
O-Ringdichtung 74 um die Kolbenstange bildet eine gasdichte
Abdichtung. Die Dichtwirkung muß aber
nicht perfekt sein, da sie nur für
die wenigen Minuten oder Stunden anzuhalten braucht, während derer
die Heckklappe ihren geöffneten
Zustand einnimmt, und nicht etwa während der gesamten Lebensdauer
des Fahrzeugs. Außerdem wird
bei dem jeweils nachfolgenden Schließzyklus dasjenige Gas, welches
die Dichtung 74 passiert hat, ausgeblasen. Dies erfolgt
mittels eines Einwegventils 75, welches ebenfalls nicht
vollständig
druckdicht ausgebildet zu sein braucht. Wird die Heckklappe geschlossen,
so wird der Kolben 68 durch den Druck des komprimierten
Gases in der Kammer 71 nach oben gedrückt. Soweit Gas in die Vakuumkammer eingetreten
sein sollte, wird dieses komprimiert und zwangsweise durch das Einwegeventil 75 geleitet. Von
Fall zu Fall kann es wünschenswert
sein, daß die Dichtungen
absichtlich so ausgelegt sind, daß sich während einer gleichbleibenden
Zeitspanne einiger Sekunden eine Leckage einstellt. Dadurch wird
sichergestellt, daß auch
dann, wenn die Heckklappe durch Wirkung der Druckstäbe nicht
ohne zusätzliche Unterstützung geöffnet werden
kann (beispielsweise dann, wenn eine Schneelast auf der Heckklappe liegt),
dann, wenn der Fahrer das vollständige Öffnen der
Heckklappe unterstützt
hat, der Anstieg der Netto-Anhebekraft
nach der Leckage dazu beiträgt,
die Heckklappe im geöffneten
Zustand zu halten und ein schnelles Herabschwenken zu verhindern.
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Da
konventionelle Druckstäbe
gedämpft ausgebildet
sind, ist es nicht erforderlich, an der Temperaturkompensationseinrichtung
eine zusätzliche Dämpfung vorzusehen.
Um jedoch zu verhindern, daß das
flexible Kabel plötzlich
zurückschnellt,
wenn es von von der Heckklappe in deren Öffnungsstellung abgenommen
wird, kann eine Öffnung 76 im
unteren Bereich des inneren Zylinders 66 so ausgelegt sein, daß ein minimaler
Dämpfungseffekt
eintritt, der entsprechenden Sicherheitsüberlegungen Rechnung trägt.
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Die
Temperaturkompensationsfähigkeit
der Temperaturkompensationseinrichtung beruht auf dem Einsatz von
Kohlendioxid oder eines anderen kondensierbaren Gases, welches in
eine Flüssigphase
kondensiert und über
wenigstens einen Teil des unteren Betriebstemperaturbereiches einen
hohen Dampfdruck aufweist. Folglich nimmt der Druck des Kohlendioxid-Gases
schneller mit der Temperatur ab, als es bei dem Stickstoff in einem
konventionellen Druckstab der Fall ist. Während die Anhebekraft von konventionellen
Druckstäben
mit der Temperatur abnimmt, fällt
die entgegengesetzt wirkende Kraft der Temperaturkompensationseinrichtung
dementsprechend um den gleichen Betrag, so daß die auf eine Heckklappe einwirkende Netto-Hubkraft
mehr oder weniger temperaturunabhängig ist. Zum Ausgleich der
auf jede Seite der Heckklappe einwirkenden Kräfte sollte die Größe der Komponenten
so gewählt
werden, daß die
Netto-Kraft eines konventionellen Druckstabes und der Temperaturkompensationseinrichtung,
die auf eine Seite der Heckklappe einwirkt, in etwa der Ausfahrkraft
eines konventionellen Druckstabes auf der anderen Seite bei einer
bestimmten Bezugstemperatur entspricht. Bei anderen Temperaturen
werden die auf die beiden Seiten der Heckklappe einwirkenden Kräfte nicht
völlig
gleich sein, aber der Unterschied wird so gering sein, daß diese
Unausgeglichenheit kein Problem darstellt. Die Temperaturkompensationseinrichtung
selbst kann eine wesentlich kleinere Bauart als ein herkömmlicher
Gasdruckstab aufweisen, da die durch die Temperaturkompensationseinrichtung
bereitzustellenden Kräfte
die Größenordnung
lediglich der Hälfte oder
weniger der von konventionellen Gasdruckstäben bereitzustellenden Kräfte haben
müssen.
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Wie
bereits unter Bezugnahme auf 9 erläutert, kann
bei einer am Fahrzeug angebrachten und Doppelrollen unterschiedlicher
Größen aufweisenden
Rollenvorrichtung das flexible Kabel der Temperaturkompensationseinrichtung
auf die Rolle mit kleinerem Durchmesser aufgewickelt sein, während auf
die zweite Rolle mit größerem Durchmesser ein
zweites Kabel aufgewickelt ist, welches sich bis zum Druckstab oder
zur Heckklappe erstreckt. Hierbei ist vorteilhaft, daß auf diese
Weise die Baugröße der Temperaturkompensationseinrichtung
bei höheren
Kräften
kleiner ausgebildet sein kann.
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Entsprechend
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung (10) können die
dort mit 80 bezeichnete Temperaturkompensationseinrichtung und
ein konventioneller Druckstab 81 gemeinsam in einem Gehäuse 82 angeordnet
sein, wobei jedoch ihre gesonderten Funktionen aufrechterhalten
bleiben und jeweils eine Beaufschlagung der gesonderten Kolben 86 bzw. 87 mit
den jeweils zugeordneten Kolbenstangen 83, 84 erfolgt.
Die Kolbenstangen 83, 84 sind außerhalb
des Gehäuses 82 über eine
Verbindungseinrichtung 85 miteinander verbunden. Die Arbeitsweisen
der jeweiligen Einrichtung und des konventionellen Druckstabes sind
die gleichen, wie wenn die Temperaturkompensationseinrichtung und der
Druckstab getrennt voneinander angeordnet und mittels eines flexiblen
Kabels verbunden sind, wie vorstehend beschrieben.