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Druckmittelzylinder, hier insbesondere Hydraulikzylinder, werden zur Schonung des Materials und aus Gründen der Komfortverbesserung im Einsatz oft mit Dämpfungssystemen ausgestattet, die kurz vor Erreichen der Endlage des Zylinderkolbens dessen Geschwindigkeit reduzieren. Die Konstruktionsprinzipien beruhen darauf, dass ein Restölvolumen beim Verlassen des Zylinderraums über kleine Durchflussquerschnitte wie Drosseln, Spalten oder kleine Bohrungen gezwungen wird. Die dabei auftretenden Drücke im „Dämpferraum” bremsen die Bewegung des Kolbens ab und vermeiden einen harten Anschlag bei Erreichen der Kolbenendlage.
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Stand der Technik:
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Dämpfungsvarianten bekannt, die auf unterschiedliche Art und Weise diese Dämpfung realisieren. Eine einfache einstufige, in beide Richtungen wirkende Drosselfunktion wird in
DE 101 58 123 A1 beschrieben. Vor und hinter dem Kolben ist axial beabstandet ein in axiale Richtung federnd gelagertes Dichtelement angebracht. Kurz vor Erreichen der Kolbenendlage verdeckt das Dichtelement die ursprüngliche Austrittsöffnung für das Druckmittel und dieses wird stattdessen über eine Bypassöffnung mit verminderten Strömungsquerschnitt gezwungen, wodurch die Kolbenbewegung abgebremst wird.
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In
DE 202 13 021 wird ein ähnliches Dämpfungsprinzip beschrieben. Dem Hydraulikkolben in Bewegungsrichtung vorgelagert ist eine Scheibe mit gleichen Durchmesser wie der Kolben. Diese Scheibe ist gegenüber dem Kolben in axialer Richtung verschiebbar und über eine Druckfeder axial auf Abstand zum Kolben gehalten, so dass zwischen Kolben und Scheibe ein ringförmiger Raum gefüllt mit Hydraulikflüssigkeit verbleibt. Kurz vor Erreichen der Kolbenendlage, erreicht die Scheibe den Endanschlag wodurch die Hydraulikflüssigkeit in dem ringförmigen Raum gestaucht wird und nur über ein genau definierten Drosselquerschnitt in der Scheibenfläche verzögert austreten kann.
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In
DE 38 25 453 A1 wird die Dämpfung über einen mit dem eigentlichen Kolben fest verschraubten Dämpfungsbolzen realisiert, wobei der Dämpfungsbolzen einen gegenüber dem Kolben verringerten und der zugehörigen Zylinderkammer angepassten Durchmesser aufweist. Kurz vor Erreichen der Kolbenendlage trifft der Dämpfungsbolzen auf die Zylinderkammer und drückt das darin befindliche und ab diesem Zeitpunkt vom Zylinderraum separierte Hydrauliköl über eine entsprechend eingestelltes Drosselventil zurück in den Zylinderraum. Diese Lösung setzt sehr hohe Anforderungen an die Fertigungs- und Montagequalität des Hydraulikzylinders, da kleinste Fertigungstoleranzen, vor allem leichte Exzentrität bei Dämpfungsbolzen und Kolben die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen und/oder die Standzeit verringern.
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Allen oben beschriebenen Lösungen gemeinsam ist, dass sie auf relativ einfache Art und Weise eine Dämpfung realisieren. Diese Dämpfung erfolgt allerdings sehr abrupt kurz vor Erreichen der Kolbenendlage, was den Bedienungskomfort noch immer erheblich einschränkt und zudem zu einem, wenn auch gegenüber ungedämpften Systemen vermindert harten Anschlagen des Kolbens in seiner Endlage führt. Um die damit verbundenen Nachteile (Materialverschleiß, unharmonisches Bedienen) zu minimieren, ist es wünschenswert, die Dämpfungsintensität in Abhängigkeit von der jeweiligen Lage des Kolbens zu variieren und insgesamt so zu gestalten, dass unter Beachtung einer zügigen Arbeitsgeschwindigkeit des Kolbens am Ende des Hubvorgangs ein allmähliches Abbremsen einsetzt, sich die Dämpfungsintensität danach kontinuierlich steigert und erst unmittelbar vor Erreichen der Kolbenendlage ihren Maximalwert erreicht. Zudem ist es für eine zügige Arbeitsgeschwindigkeit wünschenswert, dass beim anschließenden Bewegen des Kolbens aus seiner Endlage heraus die vorher wirkende Dämpfungsfunktion wieder deaktiviert ist.
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In
DE 42 01 464 A1 wird vorgeschlagen, die Dämpfung eines Zylinders dadurch zu realisieren, dass der Zylinder mit einer elektronischen Steuereinheit kombiniert wird, die nach einer vorzugebenden Funktion den Drosselquerschnitt z. B. eines Ventils in Abhängigkeit von der Lage des Kolbens einstellt. Hierbei ist zu bedenken, dass eine elektronische Steuereinheit und elektrisch verstellbare Ventile einen wesentlichen konstruktiven Mehraufwand bedeutet, der in vielen Fällen nicht realisiert werden kann.
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In
EP 0 949 422 B1 wird stattdessen ein geschlitzter Kolbenring als Drosselventil genutzt, wobei der Kolbenring selber als Spannkörper ausgebildet ist, der so vorgespannt ist, dass er mit seiner Außenseite jederzeit an der Innenseite einer Dämpfungsbuchse anliegt und über die konisch verlaufende Innenseite dieser Dämpfungsbuchse die Spaltweite des Kolbenrings vorgegeben und somit der jeweilige Strömungsquerschnitt in Abhängigkeit von der Kolbenlage definiert wird. Jede Kolbenbewegung ist aber hierdurch mit einem zusätzlichen Reibvorgang verbunden, so dass die Dauerhalbbarkeit einer solchen Konstruktion durch den zu erwartenden Verschleiß vermutlich stark eingeschränkt ist.
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In
DE 10 2007 021 052 A1 wird ein Hydraulikzylinder beschrieben, bei dem eine weitgehend kontinuierliche Dämpfung dadurch erzielt wird, dass im Kolben koaxial eine zylindrische Bohrung eingebracht ist, die ein in axiale Richtung federndes Dämpfungssystem enthält. Das Dämpfungssystem beinhaltet eine Durchflussbohrung, deren Strömungsquerschnitt dadurch verringert wird, dass eine konisch zulaufende Düsennadel durch diese Durchflussbohrung geführt und in Abhängigkeit von der Kolbenstellung axial gegenüber dieser verschoben wird. Konstruktionsbedingt ist diese Lösung recht aufwändig und aufgrund des integrierten Federsystems nicht wartungsfrei.
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Die beschriebenen Systeme bieten für bestimmte Einsatzgebiete eine ausreichende Dämpfungsfunktion. Aufgrund der beschriebenen Unzulänglichkeiten der existierenden Dämpfungssysteme ist jedoch eine andere Konstruktion des Dämpfungssystems wünschenswert.
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Aufgabenstellung:
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dämpfungssystem zu entwickeln, dessen Dämpfung kurz von Kolbenendlage schleichend einsetzt, dessen Dämpfungsintensität sich anschließend in der Bewegungsendphase in Abhängigkeit von der Kolbenstellung kontinuierlich erhöht und dessen Dämpfungsaktivität andererseits beim späteren Wiederanfahren des Kolbens aus der Endlage deaktiviert ist, wobei der gesamte Druckmittelzylinder insgesamt konstruktiv so gestaltet sein soll, dass er relativ einfach und kompakt hergestellt und mit geringen Wartungsaufwand betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem Druckmittelzylinder der bekannten Bauform neben dem Kolben ein ebenfalls auf der Kolbenstange mit axialem Spiel gelagertes zylindrisches Dämpfungselement vorgelagert ist, das in Kolbenendlage in einer im Durchmesser angepasste separaten Zylinderkammer innerhalb des Druckmittelzylinders versenkt ist, wobei der Außendurchmesser des Dämpfungselements mehrere auf dem Durchmesser gleichverteilte, sich in Richtung Kolben verjüngenden Einfräsungen aufweist, die beim Eintritt des Dämpfungselements in die Zylinderkammer den Strömungsquerschnitt vorgeben und über die Länge des Dämpfungshubes verändern, mit dem das Öl im Zylinderraum in den Ölauslaß fließen kann.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist das Dämpfungselement mit definiertem Spiel schwimmend auf der Kolbenstange gelagert, so dass es sich unabhängig von möglicherweise existierenden Exzentrizität bei Fertigung und/oder Montage der Einzelkomponenten, durch den Druckmittelfluss automatisch gegenüber dem exakt angepassten Außendurchmesser der Zylinderkammer zentriert und berührungslos und damit verschleißfrei in diese eindringt.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist das axial verschiebbare Dämpfungselement mit einem zwischen Dämpfungselement und Kolben montierten, vorgespannten Federelement kombiniert, das in druckfreiem Zustand das Dämpfungssystem gegen einen auf der Kolbenstange befindlichen Anschlag drückt und beim Wiederanfahren des Kolbens den Aufprall der Dämpfungsbuchse auf die Stirnfläche des Kolbens dämpft.
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In einer vorteilhaften Ausführung besitzt der Druckmittelzylinder ein doppelseitiges Dämpfungssystem der vorher beschriebenen Art, so dass die Kolbenbewegung in Richtung beider Endlagen gleichermaßen abgebremst wird.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist der Druckmittelzylinder als einfach wirkender Plungerzylinder ausgeführt, bei dem der Kolben einen Außendurchmesser aufweist, der deutlich kleiner ist als der Innendurchmesser des rohrartigen Zylindergehäuses, so dass der Kolben den Zylinderraum nicht mehr in zwei Teilzylinderräume aufspaltet sondern ein einzelner großer Zylinderraum existiert.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist der Druckmittelzylinder als Gleichlaufzylinder ausgeführt, indem der Kolben als Mittelkolben konzipiert ist, der mit einer durchgehenden Kolbenstange verbunden ist, die mit Ihren zwei Enden an beiden Stirnflächen des Zylindergehäuses austritt.
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Ausführungsbeispiel:
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
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1: einen Teilschnitt durch einen endlagengedämpften Druckmittelzylinder in Ruhestellung
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2: eine räumliche Darstellung von Kolbenstange, Kolben und Dämpfungselement nach 1
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3: eine Teilansicht als Teilschnittdarstellung des endlagengedämpften Druckmittelzylinders nach 1 in ausgefahrener Endlage
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Das Ausführungsbeispiel in 1 zeigt einen Druckmittelzylinder (1), bestehend aus einem einseitig geschlossenen, rohrartigem Zylindergehäuse (2), das mit einem Zylinderdeckel (3) verschraubt ist. Im Inneren des Druckmittelzylinders (1) befindet sich ein gleitend verschiebbarer Kolben (4), der mit einer Kolbenstange (5) fest verbunden ist.
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Im Gehäuse des Druckmittelzylinders (1) sind an beiden Enden Einlass-/Auslassöffnungen (6 + 7) angebracht, über die das Druckmedium zugeführt oder abgeführt werden kann.
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Nicht abgebildet sind Dichtungen und Führungen der beweglichen Komponenten. Diese entsprechen dem Stand der Technik, so wie sie in Druckmittelzylinder üblicherweise Verwendung finden.
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Die Kolbenstange (5) tritt durch Bohrung (8) aus dem Druckmittelzylinder (1) aus. Auf der Kolbenstange ist axial und radial bewegbar eine zylindrisch geformte Dämpfungsbuchse (9) montiert, deren axiale Verschiebbarkeit einerseits durch den Kolben (4) und andererseits durch einen Anschlag (10) auf der Kolbenstange (5) begrenzt wird.
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Auf der Kolbenseite der Dämpfungsbuchse (9) ist zudem ein Federelement (11) montiert, dass die Dämpfungsbuchse (9) gegen den Anschlag (10) drückt und dafür sorgt, dass die Dämpfungsbuchse (9) eine einmal zentrierte Position beibehält und jeder weitere Dämpfungshub von vornherein optimal abläuft.
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Auf der dem Kolben (4) zugewandten Stirnseite der Dämpfungsbuchse (9) sind zudem mehrere, auf dem Umfang gleich verteilte und von der Mittelachse der Dämpfungsbuchse (9) aus nach außen verlaufende Kanäle (13) eingebracht, die sicherstellen, dass das im Zylinderraum (15) befindliche Druckmedium auch dann zwischen Kolben (4) und Dämpfungsbuchse (9) strömen kann, wenn beim Wiederanfahren des Zylinders die dem Kolben (4) zugewandte Stirnfläche der Dämpfungsbuchse (9) das Federelement (11) plan gegen die Stirnfläche (17) des Kolbens (4) drückt.
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Die Dämpfungsbuchse (9) ist „schwimmend” auf der Kolbenstange (5) gelagert, d. h. der Innendurchmesser der Dämpfungsbuchse (9) ist etwas größer als der Außendurchmesser der Kolbenstange (5), die Passung weist ein definiertes radiales Spiel auf. Der Außendurchmesser der Dämpfungsbuchse (9) wiederum ist angepasst an den Außendurchmesser des von der Form des Zylinderdeckels (3) begrenzten ringförmigen Teilzylinderraums (15), so dass die Dämpfungsbuchse (9) mit definierter Spiel in den Teilzylinderraum (15) eindringen kann. Die Dämpfungsbuchse (9) weist zudem, wie in 2 gezeigt, auf dem Umfang mehrere versetzt angebrachte, sich in Richtung des Kolbens kontinuierlich verjüngende Einfräsungen (16) auf, die beim Einfahren der Dämpfungsbuchse (9) in den Teilzylinderraum (15) den Strömungsquerschnitt definieren, über den das im Teilzylinderraum (14) befindliche Druckmedium in die Einlass-/Auslassöffnungen (6) zurückfließen kann.
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Dem Druckmittelzylinder (1) wird über die Einlass-/Auslassöffnungen (7) ein Druckmedium zugeführt. Der ansteigende Druck im Teilzylinderraum (19) bewirkt, dass der Kolben in Richtung Zylinderdeckel (3) bewegt wird und das sich in den Zylinderräumen (14 + 15) befindliche Druckmedium über die Einlass-/Auslassöffnungen (6) ausströmt. Kurz bevor die Dämpfungsbuchse (9) den Teilzylinderraum (15) erreicht, führt das Strömungsverhalten des Druckmediums dazu, dass sich die auf der Kolbenstange (5) schwimmend gelagerte Dämpfungsbuchse (9) gegenüber dem Außendurchmesser des Teilzylinderraums (15) zentrisch ausrichtet. Das Einfahren in den Teilzylinderraum (15) erfolgt somit berührungs- und verschleißfrei mit dem Vorteil, dass die Anforderungen an die Materialfestigkeit der Dämpfungsbuchse (9) geringer sind als bei bislang verwendeten Dämpfungssystemen. Dadurch, dass das Federelement (11) die Dämpfungsbuchse (9) gegen den Anschlag (10) auf der Kolbenstange (5) drückt, sorgt sie gleichzeitig dafür, dass nach einmaliger zentrischer Ausrichtung der Dämpfungsbuchse (9) gegenüber dem Außendurchmesser des Teilzylinderraums (15) diese Position gehalten wird und fortan keine die Kontinuität der Hubbewegung störende erneute Ausrichtung mehr erfolgen muss.
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Das Einfahren der Dämpfungsbuchse (9) in den Teilzylinderraum (15) führt schließlich dazu, dass der Teilzylinderraum (15) vom Zylinderraum (14) separiert wird. Das Druckmedium im Teilzylinderraum (14) kann nur noch verzögert durch die von den Einfräsungen (16) auf dem Umfang der Dämpfungsbuchse (9) definierten Strömungsquerschnitte abfließen und bremst damit die Kolbenbewegung ab.
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Durch den ansteigenden Druck im Teilzylinderraum (14) wird gleichzeitig die Dämpfungsbuchse (9) gegen den Anschlag (10) gedrückt und dadurch der Bypass, der durch die „schwimmende” Lagerung der Dämpfungsbuchse (9) auf der Kolbenstange (5) vorhanden ist, geschlossen. Das Druckmedium kann nur noch über den durch die Einfräsungen (16) auf der Dämpfungsbuchse (9) vorgegebenen Strömungsquerschnitt gedrosselt abfließen. Aufgrund der sich in Richtung Kolben (4) verjüngenden Einfräsungen (16) verringert sich der Strömungsquerschnitt und damit die Arbeitsgeschwindigkeit umso mehr, je näher sich der Kolben (4) seiner Endlage nähert. Der Kolben (4) erreicht seine Endlage, wenn er mit seiner in Richtung Dämpfungsbuchse (9) liegenden Stirnfläche (17) die Stirnfläche (18) des Zylinderdeckels (3) berührt. Dieser Zustand ist in 3 dargestellt.
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Beim Wiederanfahren des Zylinders entgegen seiner vorherigen Richtung wird die Dämpfungsbuchse (9) durch das über die Ein-/Außlassöffnung (6) einströmende Druckmedium gegen die Stirnfläche (17) des Kolben (4) gedrückt wird. Das Federelement (11) sorgt dafür, dass der Aufprall abgemildert wird. Dadurch dass die Dämpfungsbuchse (9) gegen die Stirnfläche (17) des Kolben (4) gedrückt wird, wird der Bypass, der durch die „schwimmende” Lagerung der Dämpfungsbuchse (9) auf der Kolbenstange (5) vorhanden ist, wieder geöffnet. Die Kanäle (13) in der dem Kolben (4) zugewandten Stirnfläche der Dämpfungsbuchse (9) sorgen dafür, dass das Druckmedium auch bei plangedrücktem Federelement (11) weiter in den Teilzylinderraum (14) strömen kann. Das Druckmedium wirkt auf diese Weise sofort auf den Kolben (4) ohne den Widerstand über die durch die Einfräsungen (16) definierte Drosselstelle, so dass dieser ohne Zeitverzögerung angefahren werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10158123 A1 [0001, 0003]
- DE 20213021 [0001, 0004]
- DE 3825453 A1 [0001, 0005]
- DE 4201464 A1 [0001, 0007]
- EP 0949422 B1 [0001, 0008]
- DE 102007021052 A1 [0001, 0009]
