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Die
Erfindung betrifft eine Zylinder/Kolben-Einheit, insbesondere für
ein aktives Fahrwerkstabilisierungssystem, umfassend einen Hydraulikzylinder
mit einer Längsachse, wobei der Hydraulikzylinder mehrere
Druckanschlüsse aufweist, und einen axial geführten
Kolben, der den Hydraulikzylinder unterteilt in zwei Arbeitskammern,
in denen jeweils eine erste Öffnung für einen
ersten Druckanschluß und eine zweite Öffnung für
einen zweiten Druckanschluß ausgebildet ist, wobei der
Hydraulikzylinder zwei Endanschläge aufweist, die jeweils
eine axiale Endanschlagstellung des Kolbens festlegen.
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Aus
dem Stand der Technik sind bereits Zylinder/Kolben-Einheiten bekannt,
die in den axialen Endpositionen des Kolbens eine Endanschlagdämpfung
aufweisen, um einen abrupten, harten Anschlag des Kolbens am Zylinder
zu verhindern. Dadurch werden unerwünschte Anschlaggeräusche
sowie extreme Bauteilbelastungen minimiert oder vermieden.
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Beispielsweise
ist in der
DE 42 21
459 A1 ein Hydraulikzylinder beschrieben, der im Bereich
seiner axialen Enden U-förmige Nuten aufweist, welche im Bereich
der Endanschlagstellungen des Kolbens ein Überströmen
von Hydraulikfluid aus der Hochdruckkammer in die Niederdruckkammer
des Zylinders erlauben, wodurch die Druckdifferenz zwischen den
Arbeitskammern minimiert und der Endanschlag gedämpft wird.
Um eine gewünschte Dämpfung zu erreichen, müssen
sowohl die Nuten im Zylinder als auch die Passungen zwischen dem
Kolben und dem Zylinder mit äußerst geringen Fertigungstoleranzen hergestellt
werden. Eine derart maßgenaue Bauteilproduktion ist jedoch
mit großem Aufwand verbunden und dementsprechend teuer.
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Die
in der Herstellung aufwendigen, U-förmigen Präzisionsnuten
sind in der gattungsgemäßen
EP 0 737 610 A2 jeweils
durch eine Bypaßleitung ersetzt, die aus zwei Zylinderbohrungen
besteht, wobei mittels der Bypaßleitung im Bereich der
Endanschlagstellung des Kolbens eine Strömungsverbindung
zwischen der Hochdruckkammer und einem Druckanschluß der
Niederdruckkammer geschaffen wird, um eine Bewegung des Kolbens
in gewünschter Weise zu dämpfen. Somit stellt
sich im Bereich der Endanschlagstellung ein Volumenstrom von der Hochdruckleitung über
die Zylinder/Kolben-Einheit zur Rücklaufleitung ein, analog
zur
DE 42 21 459 A1 . Im übrigen
läßt sich auch hier die gewünschte Dämpfung
nur über eine relativ aufwendige Abstimmung und Anpassung
der Bohrungsquerschnitte einstellen.
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Aufgabe
der Erfindung ist daher die Schaffung einer Zylinder/Kolben-Einheit,
bei der ein Endanschlag des Kolbens mit geringem Aufwand zuverlässig
gedämpft wird.
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Gelöst
wird die Aufgabe durch eine Zylinder/Kolben-Einheit der eingangs
genannten Art, wobei der Kolben in seinen axialen Endanschlagstellungen
die erste Öffnung der jeweils kleineren Arbeitskammer überdeckt.
Durch diese Bauweise wird der Rückfluß von Hydraulikfluid
aus der kleineren Arbeitskammer gedrosselt, um eine Endanschlagdämpfung
zu erreichen. Es findet keine Überströmung vom
Hochdruckanschluß zum Rücklaufanschluß statt,
so daß (unter Vernachlässigung möglicher
Leckageverluste) in den Endanschlagstellungen kein Hydraulikfluid
umgewälzt werden muß. Da der Kolben außerdem
bei einer Bewegung in seine Endanschlagstellung die erste Öffnung
zunächst mehr und mehr abdeckt, bis er sie schließlich
vollständig überdeckt, nimmt die Drosselwirkung
und damit auch die Dämpfung in Richtung zur Endanschlagstellung
in gewünschter Art und Weise kontinuierlich zu.
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Besonders
bevorzugt ist im zweiten Druckanschluß ein Dämpfungselement
vorgesehen, das bei einem Fluidfluß von der Arbeitskammer
weg einen geringeren Durchflußquerschnitt aufweist als
bei einem Fluidfluß zur Arbeitskammer hin. Dieses Dämpfungselement
sorgt zum einen für eine optimale Dämpfung bei
einer Bewegung des Kolbens in seine Endanschlagstellung und zum
anderen für eine rasche Anfangsbewegung des Kolbens aus
seiner Endanschlagstellung heraus. Darüber hinaus läßt sich
mit diesem Dämpfungselement auf besonders einfache Art
und Weise eine gewünschte Endanschlagdämpfung
einstellen, ohne daß Änderungen an der übrigen
Zylinder/Kolben-Einheit vorgenommen werden müssen. Dementsprechend
kann die Zylinder/Kolben-Einheit komplett vorgefertigt werden und
die gewünschte Dämpfung nachträglich
durch den Einbau geeigneter Dämpfungselemente eingestellt
werden.
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Im
Bereich der Endanschlagstellungen des Kolbens kann die jeweils kleinere
Arbeitskammer über das Dämpfungselement und/oder über
einen radialen Spalt zwischen dem Kolben und dem Hydraulikzylinder
mit einer zugeordneten Hydraulikleitung in Verbindung stehen. Bei
entsprechendem Spiel zwischen dem Kolben und dem Zylinder ist auch
bei einer kompletten Überdeckung der ersten Öffnung durch
den Kolben ein gewisser Fluidfluß durch die erste Öffnung
möglich. Um ein vorbestimmtes Dämpfungsverhalten
möglichst exakt einstellen zu können, ist es daher
vorteilhaft, diesen Fluidfluß bei der Auswahl eines geeigneten
Dämpfungselements zu berücksichtigen. Im Extremfall
wird die gewünschte Dämpfung bereits durch das
radiale Spiel zwischen dem Kolben und dem Zylinder erreicht, so
daß das Dämpfungselement einen Fluidfluß von
der Arbeitskammer weg komplett sperrt.
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Vorzugsweise
ist das Dämpfungselement ein Drosselventil, welches bei
einem Fluidfluß zur Arbeitskammer hin einen definierten
Durchflußquerschnitt und bei einem Fluidfluß von
der Arbeitskammer weg einen geringeren Drosselquerschnitt aufweist.
Mit diesem (vorzugsweise austauschbaren) Drosselventil ist über
den Durchflußquerschnitt die Kolbenbewegung aus der Endanschlagstellung
heraus und über den Drosselquerschnitt die Bewegung bzw.
Dämpfung zur Endanschlagstellung hin mit geringem Aufwand
einstellbar.
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Vorteilhafte
und zweckmäßige Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens
sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform
beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt
ist. In diesen zeigt:
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1 einen
schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße
Zylinder/Kolben-Einheit vor dem Erreichen einer axialen Endanschlagstellung;
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2 den
Längsschnitt der Zylinder/Kolben-Einheit aus 1 bei
Erreichen der axialen Endanschlagstellung;
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3 den
Längsschnitt der Zylinder/Kolben-Einheit aus 2 bei
einer Bewegung aus der Endanschlagstellung heraus;
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4 ein
Schnittdetail durch einen Druckanschluß der erfindungsgemäßen
Zylinder/Kolben-Einheit gemäß den 1 bis 3;
und
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5a bis 5c Ansichten
und Schnittzeichnungen eines Dämpfungselements für
die erfindungsgemäße Zylinder/Kolben-Einheit.
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Die 1 zeigt
eine Zylinder/Kolben-Einheit 10, insbesondere für
ein aktives Fahrwerkstabilisierungssystem (nicht gezeigt), umfassend
einen Hydraulikzylinder 12 mit einer Längsachse
X, wobei der Hydraulikzylinder mehrere Druckanschlüsse 14, 14', 16, 16 aufweist,
und einen axial geführten Kolben 18, der den Hydraulikzylinder 12 unterteilt
in zwei Arbeitskammern 20, 20', in denen jeweils
eine erste Öffnung 22, 22' für
einen ersten Druckanschluß 14, 14' und
eine zweite Öffnung 24, 24' für
einen zweiten Druckanschluß 16, 16' ausgebildet
ist. Der Hydraulikzylinder 12 weist zwei Endanschläge 26, 26' auf,
die jeweils eine axiale Endanschlagstellung des Kolbens 18 festlegen,
wobei der Kolben 18 in den axialen Endanschlagstellungen
die erste Öffnung 22, 22' der jeweils
kleineren Arbeitskammer 20, 20' überdeckt (vgl. 2 und 3).
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Die
beiden Arbeitskammern 20, 20' weisen jeweils eine
Stirnseite 28, 28' des Hydraulikzylinders 12 als
Kammerbegrenzung auf, wobei die zweite Öffnung 24, 24' näher
an der Stirnseite 28, 28' ihrer jeweiligen Arbeitskammer 20, 20' angeordnet
ist als die erste Öffnung 22, 22'.
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Ferner
ist den beiden Arbeitskammern 20, 20' jeweils
eine Hydraulikleitung 30, 30' zugeordnet, wobei
jede Arbeitskammer 20, 20' sowohl über
ihre erste Öffnung 22, 22' und ihren
ersten Druckanschluß 14, 14' als auch über
ihre zweite Öffnung 24, 24' und ihren
zweiten Druckanschluß 16, 16' mit der jeweiligen
Hydraulikleitung 30, 30' in Verbindung steht.
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Ein
Fluidfluß durch die Druckanschlüsse 14, 14', 16, 16' wird
in den 1 bis 3 durch Pfeile 32 symbolisiert.
Beispielhaft ist ein Fluidfluß zur rechten Arbeitskammer 20' hin
und dementsprechend von der linken Arbeitskammer 20 weg
dargestellt, woraus eine axiale Beaufschlagung und Bewegung des
Kolbens 18 nach links resultiert (vgl. Pfeil 34).
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Die
in 1 dargestellte Ausführungsvariante der
Zylinder/Kolben-Einheit 10 ist deshalb besonders vorteilhaft,
weil im zweiten Druckanschluß 16, 16' jeweils
ein Dämpfungselement 36, 36' vorgesehen
ist, das bei einem Fluidfluß von der Arbeitskammer 20, 20' weg einen geringeren
Durchflußquerschnitt aufweist als bei einem Fluidfluß zur
Arbeitskammer 20, 20' hin. Auf die genaue Konstruktion
des Dämpfungselements 36, 36' wird weiter
unten in der Beschreibung zu den 4 und 5a bis 5c noch
genauer eingegangen.
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Im
Gegensatz zum zweiten Druckanschluß 16, 16' weist
der erste Druckanschluß 14, 14' bei einem
Fluidfluß von der Arbeitskammer 20, 20' weg
im wesentlichen den gleichen Durchflußquerschnitt auf wie
bei einem Fluidfluß zur Arbeitskammer 20, 20' hin.
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Gemäß 1 ist
der erste Druckanschluß 14' der Arbeitskammer 20' freigegeben
und das Dämpfungselement 36' im zweiten Druckanschluß 16' weist
für den Fluidfluß zur Arbeitskammer 20' hin einen
definierten Durchflußquerschnitt A1 (vgl. 5a bis 5c)
auf. Damit kann bei geringem Durchflußwiderstand Hydraulikfluid
aus der Hydraulikleitung 30' in die Arbeitskammer 20' eingeleitet
werden.
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Bei
der in 1 gezeigten Kolbenstellung ist auch der erste
Druckanschluß 14 der Arbeitskammer 20 freigegeben, über
den bei geringem Durchflußwiderstand der maßgebliche
Anteil des Fluidflusses von der Arbeitskammer 20 in die
zugeordnete Hydraulikleitung 30 abgegeben wird. Ein deutlich
geringerer Anteil wird über den zweiten Druckanschluß 16 an
die Hydraulikleitung 30 abgegeben, da das Dämpfungselement 36 bei
einem Fluidfluß von der Arbeitskammer 20 weg einen
geringeren Durchflußquerschnitt aufweist.
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Analog
zu 1 zeigt die 2 einen Schnitt
durch die Zylinder/Kolben-Einheit 10, wobei der Kolben 18 nach
links in eine axiale Endanschlagstellung bewegt worden ist. Bei
dieser Bewegung wurde die erste Öffnung 22 der
Arbeitskammer 20 in zunehmendem Maße abgedeckt,
bis sie der Kolben 18 in der Endanschlagstellung schließlich
komplett überdeckt. Vorzugsweise wird die erste Öffnung 22 bereits
kurz vor der Endanschlagstellung vollständig überdeckt,
um bereits vor Erreichen der Endanschlags 26 die Maximaldämpfung
bereitzustellen.
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Damit
muß kurz vor der Endanschlagstellung im wesentlichen das
gesamte Fluidvolumen der Arbeitskammer der 20 über
den zweiten Druckanschluß 16 zur Hydraulikleitung 30 abgeführt
werden. Da das Dämpfungselement 36 bei diesem
Fluidfluß von der Arbeitskammer 20 weg einen geringen Durchflußquerschnitt
und damit einen hohen Durchflußwiderstand aufweist, kann
das Hydraulikfluid die Arbeitskammer 20 nur langsam verlassen,
wodurch der Kammerdruck steigt. Infolge des steigenden Kammerdrucks
erhöht sich die nach rechts wirkende, resultierende Kraft
auf den Kolben 18, so daß sich dessen Bewegung
nach links verlangsamt und insgesamt eine Endanschlagdämpfung
erreicht wird.
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Die
kleinere Arbeitskammer 20 steht im Bereich der linken Endanschlagstellung
des Kolbens 18 über das Dämpfungselement 36 und/oder über
einen radialen Spalt 38 zwischen dem Kolben 18 und
dem Hydraulikzylinder 12 mit ihrer zugeordneten Hydraulikleitung 30 in
Verbindung. Dieser radiale Spalt 38 ist in 2 durch
einen kleinen Pfeil symbolisiert und ergibt sich aus dem vorhandenen
Spiel zwischen dem Hydraulikzylinder 12 und dem Kolben 18.
Dieses Spiel resultiert größtenteils aus Fertigungstoleranzen,
wobei ein gewisses radiales Spiel jedoch auch für eine
leichtgängige Zylinder/Kolben-Einheit 10 notwendig
ist.
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Vorzugsweise
wird der Fluidfluß über den Spalt 38,
die erste Öffnung 22 und den ersten Druckanschluß 14 bei
der Dimensionierung des geringeren Durchflußquerschnitts
im Dämpfungselement 36 berücksichtigt.
Falls dabei der Fluidfluß über den Spalt 38 bereits
für eine gewünschte Dämpfung ausreicht, kann
das Dämpfungselement 36 in einer Ausführungsvariante
der Zylinder/Kolben-Einheit 10 als Rückschlagventil
ausgebildet sein, welches bei einem Fluidfluß zur Arbeitskammer 20 hin
den definierten Durchflußquerschnitt A1 aufweist
und den Fluidfluß von der Arbeitskammer 20 weg
sperrt. Bei einer sehr paßgenauen Fertigung der Zylinder/Kolben-Einheit 10 verschließt
der Kolben 18 im Bereich der Endanschlagstellungen hingegen
im wesentlichen die erste Öffnung 22 der kleineren
Arbeitskammer 20, so daß die Dämpfung
ausschließlich durch das Dämpfungselement 36 eingestellt
wird.
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Die 3 zeigt
den Schnitt durch die Zylinder/Kolben-Einheit 10 in der
linken Endanschlagstellung gemäß 2,
wobei jetzt allerdings die linke Arbeitskammer 20 mit einem
Hydraulikdruck beaufschlagt wird. Es findet also ein Fluidfluß zur
linken Arbeitskammer 20 hin und von der rechten Arbeitskammer 20' weg
statt, wodurch der Kolben 18 nach rechts beaufschlagt und
bewegt wird (vgl. Pfeil 34). Der Fluidfluß von
der Arbeitskammer 20' weg erfolgt bei geringem Durchflußwiderstand
hauptsächlich über die erste Öffnung 22' und
den zugeordneten ersten Druckanschluß 14'. Darüber
hinaus wird auch über die zweite Öffnung 24' und
den zugeordneten zweiten Druckanschluß 16' Hydraulikfluid
abgeführt, wobei das Dämpfungselement 36' jedoch
bei diesem Fluidfluß von der Arbeitskammer 20' weg
einen geringeren Durchflußquerschnitt aufweist als bei
einem Fluidfluß zur Arbeitskammer 20' hin.
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Der
Zufluß zur Arbeitskammer 20 ist im wesentlichen
nur über den zweiten Druckanschluß 16 und
die zweite Öffnung 24 der Arbeitskammer 20 möglich,
da die erste Öffnung 22 noch vom Kolben 18 überdeckt
ist. Da das Dämpfungs element 36 bei einem Fluidfluß zur
Arbeitskammer 20 hin den definierten, großen Durchflußquerschnitt
A1 aufweist, ist eine ausreichend schnelle
Anfangsbewegung des Kolbens 18 aus seiner linken Endanschlagstellung
gewährleistet.
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Wenn
der zweite Druckanschluß 16 insgesamt mit einem
Drosselquerschnitt A2 ausgebildet wird,
ist prinzipiell auch eine Endanschlagdämpfung ohne Dämpfungselemente 36, 36' möglich.
In diesem Fall muß der Fluidfluß zur Arbeitskammer 20 hin
(vgl. 3) jedoch ebenfalls über diesen Drosselquerschnitt
A2 erfolgen, was zu einer relativ langsamen Anfangsbewegung
des Kolbens 18 aus seiner Endanschlagstellung führen
würde.
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Die 4 zeigt
einen Detailschnitt durch die Druckanschlüsse 14, 16 der
linken Arbeitskammer 20, wobei im zweiten Druckanschluß 16 das
Dämpfungselement 36 vorgesehen ist. Das Dämpfungselement 36 ist
in der dargestellten Ausführungsvariante ein Drosselventil 37,
welches bei einem Fluidfluß zur Arbeitskammer 20 hin
einen definierten Durchflußquerschnitt A1 und
bei einem Fluidfluß von der Arbeitskammer 20 weg
einen geringeren Drosselquerschnitt A2 aufweist.
Das Drosselventil 37 hat hierfür einen zwischen
einer Öffnungsposition und einer Drosselposition beweglichen
Ventilkörper 40, in dem Aussparungen 42, 44 vorgesehen
sind, die den Durchflußquerschnitt A1 und
den Drosselquerschnitt A2 definieren.
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Diese
Aussparungen 42, 44 sind in den Ansichts- bzw.
Schnittzeichnungen der 5a bis 5c besonders gut zu erkennen.
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Bezogen
auf 4 zeigt die 5a eine
Ansicht des Ventilkörpers 40 von links, während
die 5c eine Ansicht des Ventilkörpers 40 von
rechts zeigt. Es sind vier Aussparungen 42 vorgesehen,
die jeweils in Form eines Kegelstumpfsegments ausgebildet sind und
zusammen den definierten Durchflußquerschnitt A1 in der Öffnungsposition des Ventilkörpers 40 festlegen.
In 4 entspricht dabei die Öffnungsposition
des Ventilkörpers 40 einer linken Ventilstellung
des Drosselventils 37, in welcher der Ventilkörper 40 an
einem Ventilanschlag 46 anliegt.
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Die 5b zeigt oben den Schnitt durch den Ventilkörper 40 gemäß 4 und
unten einen dazu senkrechten Schnitt. Anhand dieser Schnitte wird klar,
daß die Aussparung 44 als Nut ausgebildet ist und
den Drosselquerschnitt A2 in einer Drosselposition
des Ventilkörpers 40 definiert. Die Drosselposition entspricht
dabei der in 4 gezeigten, rechten Ventilstellung
des Drosselventils 37.
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Wie
bereits oben erwähnt, kann das Dämpfungselement 36 in
einer speziellen Ausführungsvariante der Zylinder/Kolben-Einheit 10 statt
als Drosselventil 37 auch als Rückschlagventil
ausgeführt sein, bei dem die nutförmige Aussparung 44 im
Ventilkörper 40 fehlt. Dadurch wird ein von der
Arbeitskammer 20 weg gerichteter Fluidfluß verhindert,
und der zweite Druckanschluß 16 ist gesperrt.
Die Dämpfung erfolgt dann im wesentlichen über
den radialen Spalt 38 (vgl. 2).
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Insgesamt
wird durch die beschriebene Konstruktion eine einfache Endanschlagdämpfung
für die Zylinder/Kolben-Einheit 10 bereitgestellt,
die auf einer Drosselung des Fluidrücklaufs aus der „komprimierten” Arbeitskammer 20, 20' beruht.
Besonders bevorzugt wird die Dämpfung ohne weitergehende bauliche Änderungen
an der Zylinder/Kolben-Einheit 10 lediglich durch ein austauschbares
Dämpfungselement 36 gesteuert. Dadurch kann ein
gewünschtes Dämpfungsverhalten mit geringem Aufwand
exakt eingestellt werden, ohne daß mit hohem Aufwand eine
besonders paßgenaue Fertigung der Zylinder/Kolben-Einheit 10 notwendig
ist. Darüber hinaus findet über die Zylinder/Kolben-Einheit 10 (abgesehen
von Leckageverlusten) kein Fluidfluß zwischen den Hydraulikleitungen 30, 30' statt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4221459
A1 [0003, 0004]
- - EP 0737610 A2 [0004]