DE10108246A1 - Kolben mit Stützstegen für eine Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere Stoßdämpferkolben - Google Patents

Abstract

Kolben für eine Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere Stoßdämpferkolben, mit einem Kolbenkörper (6), der auf seiner Umfangsfläche an beiden jeweils ein Kolbenende begrenzenden Bereichen mit einem umlaufenden, die Umfangsfläche überragenden Umlaufsteg (12) versehen ist, an den sich in Richtung auf das andere Kolbenende erstreckende, parallel mit Abstand nebeneinander angeordnete, längslaufende Stützstege (10) anschließen, wobei jeweils zwei benachbarte Stützstege (10) eine nutförmige Ausnehmung (11) begrenzen und mit einer manschettenförmigen Dichtung (9) aus einem warmformbaren Dichtungsmaterial, die auf den Kolbenkörper (6) so aufgeformt ist, daß sowohl die Umlaufstege (12) als auch die Stützstege (10) nur über einen Teil ihrer Höhe in das Material der manschettenförmigen Dichtung (9) eingeformt sind.

Description

Aus EP-A-0 658 611 ist ein Stoßdämpferkolben bekannt, der einen Kolbenkörper aufweist, der auf seiner Umfangsfläche mit einem umlaufenden Steg versehen ist, an den sich eine Viel­ zahl von in Achsrichtung verlaufenden Stegen auf einer Seite des umlaufenden Stegs anschließt. Auf diesen Kolbenkörper ist im Spritzgießverfahren eine Dichtung aus thermoplasti­ schem Kunststoff aufgespritzt, wobei insbesondere die sich in axialer Richtung erstreckenden Stege mit ihren dazwischen liegenden, voll mit Dichtungswerkstoff ausgefüllten Nuten der zuverlässigen Verankerung des Dichtungswerkstoffs und der Führung des Kolbens dienen. Die im Spritzguß aufgebrachte Dichtung ermöglicht eine enge Tolerierung, um das sogenannte "blow-by" zu vermeiden und so eine zuverlässige Abdichtung der einander zugeordneten Zylinderräume zu bewirken. Das Ver­ fahren zur Herstellung derartiger spritzgegossener Dichtun­ gen ist verhältnismäßig aufwendig.

Aus US-A-3 212 411 ist eine Kolben-Zylinder-Anordnung be­ kannt, deren Kolbenkörper auf seiner Umfangsfläche eine Viel­ zahl von umlaufenden Rillen aufweist. Zum Aufbringen der Dichtung ist ein napfförmiger Vorformling aus PTFE (Poly­ tetrafluorethylen) vorgesehen, der zunächst auf den Kolben­ körper lose aufgesetzt wird. Der so vorbereitete Kolbenkörper wird anschließend zunächst in einen hoch aufgeheizten Form- und Kalibrierzylinder eingedrückt, wobei unter Wärmeeinfluß das PTFE-Material in die Rillen auf der Umfangsfläche des Kolbenkörpers eingepreßt wird. Anschließend wird der Kolben­ körper mit der aufgepreßten Dichtung in einem entsprechend ausgebildeten Kühlzylinder abgekühlt. Die Rillen sind voll­ ständig mit dem Dichtungswerkstoff ausgefüllt, um so eine formschlüssig-feste Verbindung der Dichtung mit der Umfangs­ fläche des Kolbenkörpers zu bewirken. Für den Einsatz als Stoßdämpferkolben muß anschließend noch die die Stirnfläche des Kolbenkörpers auf einer Seite überdeckende Bodenfläche des Vorformling entfernt werden.

Aus EP-A-682 190 ist ein Stoßdämpferkolben bekannt, der sich in seiner Herstellung von dem vorstehend beschriebenen Ver­ fahren im wesentlichen nur dadurch unterscheidet, daß zum Aufbringen der Dichtung statt eines napfförmigen Vorformlings eine gestanzte Kreisringscheibe eingesetzt wird. Diese Kreis­ ringscheibe wird auf ein Ende des Kolbenkörpers aufgesetzt. Der so vorbereitete Kolbenkörper wird wiederum in einen auf­ geheizten Form- und Kalibrierzylinder eingepreßt, wobei die Kreisringscheibe als Band auf die Umfangsfläche des Kolben­ körpers umgelegt und anschließend in die in Umfangsrichtung des Kolbenkörpers verlaufenden Rillen unter Wärmeeinfluß ein­ gepreßt wird. Anschließend wird der mit seiner aufgepreßten Dichtung versehene Kolben durch ein Kühlrohr geführt. Der Dichtungswerkstoff füllt auch hierbei die Rillen praktisch vollständig aus, so daß die Dichtung formschlüssig-fest mit der Umfangsfläche des Kolbenkörpers verbunden ist.

Die beiden vorstehend beschriebenen Verfahren weisen den Nachteil auf, daß für das Umformen und das Einpressen des Dichtungsmaterials in die Rillen auf der Umfangsfläche des Kolbenkörpers erhebliche Preßdrücke erforderlich sind und das die Dichtung bildende Dichtungsmaterial starken Umformungen unterworfen wird, die nachteilig die Struktur des Dichtungs­ werkstoffs beeinflußt.

Aus DE-198 47 342 A ist ein Kolben für eine Kolben-Zylinder- Anordnung, insbesondere Stoßdämpferkolben bekannt, mit einem Kolbenkörper, der auf seiner Umfangsfläche in einem an ein Kolbenende angrenzenden Bereich mit wenigstens einem umlau­ fenden, die Umfangsfläche überragenden Umlaufsteg versehen ist, an den sich in Richtung auf das andere Kolbenende er­ streckende, parallel mit Abstand nebeneinander angeordnete längslaufende Stützstege anschließen, wobei jeweils zwei be­ nachbarte Stützstege eine nutförmige Ausnehmung begrenzen, die an ihren dem Umlaufsteg abgewandten Enden in Längsrich­ tung offen sind, und mit einer manschettenförmigen Dichtung aus einem warmverformbaren Dichtungsmaterial, die auf den Kolbenkörper so aufgeformt ist, daß sowohl der Umfangssteg als auch die Stützstege zumindest über einen Teil ihrer Höhe in das Material der Dichtung eingeformt sind.

Diese vorbekannte Lösung hat gezeigt, daß es für eine gute Abdichtung zwischen der manschettenförmigen Dichtung des Kol­ bens einerseits und der Innenwandung des Zylinders anderer­ seits nicht erforderlich ist, daß die Dichtung auf der vollen Höhe des Kolbenkörper anliegt. Es genügt, wenn sich die Dichtmanschette in Umfangsrichtung auf dem relativ schmalen Umlaufsteg fest abstützt. Es hat sich ferner überraschender­ weise herausgestellt, daß es für eine einwandfreie und zuver­ lässige Verbindung zwischen Dichtung und Kolbenkörper nicht erforderlich ist, daß die nutförmigen Ausnehmungen zwischen den längslaufenden Stützstegen vom Dichtungsmaterial voll­ ständig ausgefüllt sind, wie dies aus EP-A-0 685 611 bekannt ist.

Es hat sich für Stoßdämpferkolben, auf die die manschetten­ förmige Dichtung in der in EP-A-682 190 beschriebenen Weise aufgeformt wird, ferner herausgestellt, daß es genügt, wenn außer dem Umlaufsteg auch die längslaufenden Stützstege nur über einen Teil ihrer Höhe in das Material der Dichtung ein­ geformt werden. Einerseits ergibt sich hierbei ein einwand­ freier Formschluß zwischen der manschettenförmigen Dichtung und dem Kolbenkörper, und zwar sowohl in Längsrichtung als auch in Umfangsrichtung und zum anderen nur eine mäßige Um­ formung des Dichtungsmaterials, so daß nicht nur geringere Preßkräfte aufzubringen sind, sondern auch in wesentlich ge­ ringerem Maße ein Materialfluß bei der Umformung erfolgt und damit eine nachteilige Beeinflussung der Materialstruktur praktisch vermieden wird. Selbst bei einer Umformung der Kreisringscheibe in einem solchen Maße, daß die nutförmigen Ausnehmungen vollständig ausgefüllt werden, ergibt sich durch die in der in Erstreckung der Ausnehmung erfolgenden Bewegung des Kolbenkörpers eine Umformung des Dichtungsmaterials in Querrichtung und somit ein günstiger "Materialfluß", so daß auch bei dieser Umformung eine nachteilige Beeinflussung der Materialstruktur vermieden wird. Da durch die nur teilweise Einformung der Stützstege in das Dichtungsmaterial die dazwi­ schen liegenden nutförmigen Ausnehmungen nicht vollständig ausgefüllt werden, verbleibt ein genügender Freiraum, in dem das Dichtungsmaterial bei Ausdehnungen infolge Temperaturer­ höhungen ausweichen kann, der Kolben jedoch über die längs­ laufenden Stützstege einwandfrei geführt ist. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn sich die Längsstege bis an das Ende des Kol­ benkörpers erstrecken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kolben, insbesondere Stoßdämpferkolben zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgen­ den Beschreibung von Ausführungsbeispielen und den Unteran­ sprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt in Achsrichtung durch eine Kolben-Zylinder-Anordnung für einen Stoßdämpfer,

Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Kolbens für einen Stoß­ dämpfer in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch den Kolben gemäß der Linie III-III in Fig. 2 ohne Dichtmanschette,

Fig. 4 einen Teilschnitt gem. der Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Kolbens in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 6 einen Horizontalschnitt durch den Kolben gemäß der Linie VI-VI in Fig. 5,

Fig. 7 eine Ausführungsform mit einem Umlauf­ steg in Form eines aufgesetzten Ringes.

Fig. 1 zeigt als Funktionsschema einen axialen Schnitt durch einen Stoßdämpfer, der zwei relativ zueinander bewegbare Tei­ le, beispielsweise eine Fahrzeugachse und einen Fahrzeugrah­ men miteinander verbindet. Der Stoßdämpfer weist einen Zylin­ derteil 1 auf, der mit einem der beiden relativ zueinander bewegbaren Teile verbunden ist. Im Zylinder 1 ist ein Kolben 2 geführt, der an einer Kolbenstange 3 befestigt ist, die mit ihrem freien Ende am anderen Teil der beiden relativ zueinan­ der bewegbaren Teile festgelegt ist. Der Zylinder 1 ist hier­ bei beidseitig geschlossen und mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt, so daß die Kolben-Zylinder-Anordnung doppelt wirkend ausgelegt ist, wobei der Kolben zwei Zylinderräume 4, 5 vor­ einander trennt.

Der Kolbenkörper 6 des Kolbens 2 weist mehrere nebeneinander verlaufende Durchtrittskanäle 7, 8 auf. Die Durchtrittskanäle 7, 8 sind jeweils auf ihrer in der Funktion noch zu erläu­ ternden Austrittsseite mit einem Drosselventil 7.1 bzw. 8.1 abgedeckt. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß je­ weils mehrere Durchtrittskanäle 7 und mehrere Durchtrittska­ näle 8 alternierend um die Zylinderachse angeordnet vorgese­ hen sind.

Die Umfangsfläche des Kolbens 2 ist mit einer manschettenför­ migen Dichtung 9 versehen, die für eine Abdichtung des Zylin­ derraums 4 gegenüber dem Zylinderraum 5 sorgt. Bei einer Be­ wegung des Kolbens 2 in den Zylinderraum 4 hinein, wird die Flüssigkeit durch die Durchtrittskanäle 7 gegen die Rück­ stellkraft der Drosselventile 7.1 gepreßt. Die Durchtritts­ öffnungen 8 werden hierbei durch den auf die Drosselventile 8.1 lastenden Druck des Flüssigkeitsraums 4 verschlossen ge­ halten. Bei einer Bewegung in umgekehrter Richtung werden die Durchtrittskanäle 7 durch die Drosselventile 7.1 geschlossen, während die Flüssigkeit durch die durchströmenden Kanäle 8 aus dem Zylinderraum 5 in den Zylinderraum 4 zurückströmen kann.

In Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Aus­ führung des Kolbens 2 in Fig. 1 ohne die Anordnung der Dros­ selventile 7.1 und 8.1 wiedergegeben. Die Aufsicht gemäß Fig. 3 zeigt den Kolben 2 ohne die Dichtung 9, um die Struktur der Kolbenumfangsfläche zu zeigen. Die Teilschnittdarstellung in Fig. 2 zeigt den Kolben mit der Dichtung 9.

Der Kolbenkörper 6 ist auf seiner Umfangsfläche mit einer Vielzahl von längslaufenden Stützstegen 10 versehen, die je­ weils entsprechende nutförmige Ausnehmungen 11 begrenzen. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die nutförmi­ gen Ausnehmungen 11 so angeordnet, daß sie sich von einer der Stirnflächen, der ein erster Umlaufsteg 12 zugeordnet ist, beispielsweise der Stirnfläche 5.1 des Kolbenkörpers 6 bis an einen zweiten Umlaufsteg 12.1 erstrecken, der am anderen Ende des Kolbenkörpers 6 im Bereich nahe oder an der Stirnfläche 4.1 angrenzend in Umfangsrichtung verläuft und die nutförmi­ gen Ausnehmungen 11 an diesem Kolbenende begrenzt. Die Um­ laufstege 12 und die längslaufenden Stützstege 10, die eine Außenfläche des Kolbenkörpers 6 bilden, sind niveaugleich. Aus Gründen einer besseren Darstellung ist diese Außenfläche mit einer Schraffur versehen. Die Stützstege 10 und entspre­ chend die Nuten 11 können, wie dargestellt, achsparallel verlaufen oder unter einem Winkel zur Bewegungsachse des Kolbens 2 ausgerichtet sein.

Die auf dem Umfang des Kolbenkörpers 6 angeordnete manschet­ tenförmige Dichtung 9 besteht aus einem warmverformbaren Kunststoff, vorzugsweise aus PTFE. Die manschettenförmige Dichtung 9 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch Warmumformung auf den Kolbenkörper 6 aufgeformt worden.

Bei der Warmumformung des Dichtungsmaterials, das aus einer vorkonfektionierten Kreisringscheibe oder einem vorkonfek­ tionierten Rohrstück bestehen kann, werden die Stützstege 10 und die Umlaufstege 12 nur über einen Teil ihrer Höhe in das Material der manschettenförmigen Dichtung 9 eingeformt, so daß zwischen dem Material der Dichtung 9 und dem Boden nut­ förmigen Ausnehmungen 11 noch ein gewisser Freiraum ver­ bleibt, so daß beim Formen der Dichtung 9 das Dichtungsmate­ rial frei und ohne Zwängung in die Nut 11 einfließen kann. Bei diesem Umformungsvorgang wird die zylindrische Außenflä­ che 13 der Dichtung 9 gleichzeitig kalibriert, so daß die ge­ wünschten Toleranzen zum Innendurchmesser des Zylinders 1 eingehalten werden können. Da insbesondere bei der Verwendung einer derartigen Kolben-Zylinder-Anordnung als Stoßdämpfer im Betrieb eine Erwärmung des Gesamtsystems auftritt, erlaubt dieser verbleibende Freiraum im Nutgrund innerhalb gewisser Grenzen auch eine Ausdehnung des Dichtungsmaterials in die Nut hinein, so daß der Verschleiß der Dichtung auf der an die Ränder angrenzenden zylindrischen Umfangsfläche der Dichtung 9 herabgesetzt wird. Der Kolben 2 ist über seine Höhe insge­ samt praktisch kippfrei abgestützt. Die Dichtung 9 stützt sich jeweils an den Nutenenden der Innenseite des jeweiligen Umlaufstegs 12 ab.

In Fig. 3 ist der Kolben 2 in einem Horizontalschnitt gem. der Linie III-III in Fig. 2 mit abgenommener Dichtung 9 dar­ gestellt, so daß die Struktur von Stützstegen 10 und Nuten 11 erkennbar ist.

Fig. 2 und 3 sowie die Darstellung des Kolbens 2 im Teil­ längsschnitt gemäß Fig. 4 lassen erkennen, daß die manschet­ tenförmige Dichtung 9 so auf den Kolbenkörper 6 aufgeformt ist, daß sowohl die Umlaufstege 12 als auch die längslaufen­ den Stützstege 10 nur über einen Teil ihrer Höhe in das Dich­ tungsmaterial eingeformt sind, so daß jeweils an den nutför­ migen Ausnehmungen 11 zwischen der Innenfläche der manschet­ tenförmigen Dichtung 9 und dem Grund der nutförmigen Ausneh­ mungen 11 ein geringer Freiraum verbleibt (rechte Seite der Fig. 2). Die längslaufenden Stützstege 10 sind jedoch durch­ gehend in gleicher Dicke wie die Umlaufstege 12 mit der man­ schettenförmigen Dichtung 9 abgedeckt. Die ausgestellten ge­ genüber dem Kolbenkörper 6 freiliegenden Ränder 9.1 bzw. 9.2 der Dichtung 9 bewirken, daß diese sich jeweils bei Druckbe­ aufschlagung der Dichtung 9 geringfügig aufweiten und die Ab­ dichtung zwischen Kolben und Zylinderwand verbessern. Je nach den Betriebsanforderungen kann es ausreichen, nur einen frei­ stehenden Rand der Dichtung 9 vorzusehen.

Um nun eine derartige Nut-Steg-Anordnung, die endseitig durch die Umlaufstege 12 und 12.1 begrenzt ist, günstig herstellen zu können, ist es zweckmäßig, zumindest einen der Umlaufstege 12 bzw. 12.1 als gesonderten Ring 12.0 herzustellen und nach der Formgebung des Kolbenkörpers 6 auf diesen als stegförmige Begrenzung der Nuten 11 aufzuschieben und festzulegen, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Es ist aber auch möglich, einen Kolbenkörper herzustellen, der nur die längslaufenden Stützstege 10 aufweist und auf diesen jeweils endseitig einen Ring aufzuschieben, dem den Umlaufsteg aufweist.

Ein derartiger Kolbenkörper 6 kann bevorzugt aus einem, ins­ besondere aber aus zwei pulvermetallurgisch hergestellten Teilelementen 6.1 und 6.2 gebildet werden. Die Teilelemente 6.1 und 6.2 werden aus einem sintermetallurgischen Pulver ge­ preßt. Die gepreßten und gesinterten Teilelemente werden dann in einer Fügeoperation entsprechend zusammengefügt. Der zu­ sammengefügte Preßling wird anschließend kalibriert, so daß beide Teilelemente 6.1 und 6.2 fest miteinander verbunden sind. Dieses Verfahren ist auch bei der vorstehend beschrie­ benen Gestaltung mit dem Ring 12.0 anwendbar. Die Formgebung derartiger Geometrien ist mit kostengünstigen Werkzeugen her­ zustellen.

Um die Scherbelastbarkeit der Verbindung zwischen dem Kolben 2 und der Dichtung 9 zu verbessern, sind die einander zuge­ kehrten Enden 10.1 und 10.2 der den einzelnen Teilelementen 6.1 und 6.2 zugeordneten Stegteile abgeschrägt, wie darge­ stellt, oder stufenförmig abgesetzt, so daß die Stege 10 in diesem Bereich jeweils unterbrochen sind. Bei der Anformung, insbesondere einer Warmanformung des Materials der Dichtung 9 wird dieses in die Unterbrechung entsprechend eingeformt, so daß sich, bezogen auf die Bewegungsrichtung des Kolbens 2 (Doppelpfeil A in Fig. 1), ein zusätzlicher Formschlußbereich in Form einer sogenannten Verkrallung ergibt. In diesem Be­ reich ist die praktisch bis auf den Grund der durch Abschrä­ gungen 10.1 und 10.2 begrenzende Stoßnut 10.3 durchgeformt.

Die in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellte Ausführungsform der Er­ findung entspricht in Aufbau und Funktion der Ausführungsform gem. Fig. 2, 3 und 4. Der Unterschied besteht bei dieser Aus­ führungsform darin, daß die beiden Teilelemente 6.1 und 6.2 um eine Nutteilung der Nuten 11 versetzt zusammengefügt sind und so der auf Scherung belastete Querschnitt des in die jetzt versetzt zueinander angeordneten Nutenbereiche einge­ formten Dichtungsmaterials vergrößert wird.

Dieser Nutversatz muß allerdings bei der Formgebung eines Teilelementes hinsichtlich des Verlaufs der Kanäle 7 und 8 berücksichtigt werden. Auch bei dieser Ausführungsform ist es zweckmäßig, wenn die einander zugekehrten Enden der Stützste­ ge 10 abgeschrägt oder abgerundet sind.

Claims (7)

1. Kolben für eine Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere Stoßdämpferkolben, mit einem Kolbenkörper (6), der auf seiner Umfangsfläche an beiden jeweils ein Kolbenende begrenzenden Bereichen mit einem umlaufenden, die Umfangsfläche überragen­ den Umlaufsteg (12) versehen ist, an den sich in Richtung auf das andere Kolbenende erstreckende, parallel mit Abstand ne­ beneinander angeordnete, längslaufende Stützstege (10) an­ schließen, wobei jeweils zwei benachbarte Stützstege (10) ei­ ne nutförmige Ausnehmung (11) begrenzen, und mit einer man­ schettenförmige Dichtung (9) aus einem warmverformbaren Dich­ tungsmaterial, die auf den Kolbenkörper (6) so aufgeformt ist, daß sowohl die Umlaufstege (12) als auch die Stützstege (10) zumindest über einen Teil ihrer Höhe in das Material der manschettenförmigen Dichtung (9) eingeformt sind.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die manschettenförmige Dichtung (9) wenigstens einen freistehen­ den Rand aufweist, der gegenüber dem Umfangsbereich des Kol­ benkörpers (6) freiliegt.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenkörper (6) pulvermetallurgisch hergestellt ist.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kolben (6) in einer Teilungsebene quer zur Achse in zwei Teilelemente (6.1, 6.2) unterteilt ist, die zu­ sammengefügt und fest miteinander verbunden sind, wobei min­ destens ein Teilelement (6.1, 6.2) einen Umlaufsteg (12, 12.1) mit daran anschließenden Stützstegen (10.1, 10.2) auf­ weist, dem ein Teilelement (6.2) mit einer nutförmigen Aus­ nehmung (11) begrenzender Umlaufsteg zugeordnet ist.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Teilelemente (6.1, 6.2) um eine Breite der Stützstege (10) gegeneinander versetzt zusammenge­ fügt sind.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die manschettenförmige Dichtung (9) aus PTFE als wärmeverformbarem Kunststoff besteht.

7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die manschettenförmige Dichtung (9) zumindest in ihrem die Stege (10, 12) überdeckenden Bereich unter Kali­ brierung ihrer Außenfläche (13) aufgepreßt ist.