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Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine doppeltwirkende Kolben-Zylinder-Einheit sowie eine hydraulische Servolenkung mit einem Servozylinder, in dem ein solcher Kolben angeordnet ist.
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Um die zur Betätigung des Lenkrads in einem Kraftfahrzeug notwendige Kraft zu reduzieren, insbesondere bei Lenkvorgängen im Stand oder während des Rangierens bei geringer Fahrgeschwindigkeit, werden in vielen Fahrzeugen Servolenkungen eingesetzt. Die Servolenkung unterstützt eine vom Fahrer aufgebrachtes Lenkkraft, indem eine Lenkhilfskraft in das Lenkgestänge eingebracht wird. Eine hydraulische Servolenkung weist zur Erzeugung der Lenkhilfskraft einen Servozylinder mit einem doppeltwirkenden Kolben auf. Der Kolben einer solchen Kolben-Zylinder-Einheit ist mit einem Dichtring, der Kolbendichtung, gegenüber dem Zylinder abgedichtet. Im Falle eines Lastwechsels wie er z. B. bei einer Vorzeichenumkehr der Lenkhilfskraft auftritt, kann es aufgrund eines Axialspiels zwischen Kolben und Dichtring zu einem unerwünschten Geräusch kommen, welches dann häufig vom Fahrer reklamiert wird. Dieses Geräusch ist durch das vorhandene Axialspiel zwischen Kolben und Dichtring bedingt, und entsteht durch eine durch die Lastwechselvorzeichenumkehr bedingte Verschiebung des Dichtringes auf dem Kolben. Das unerwünschte Geräusch entsteht beim Anschlagen des Dichtringes an die Flanken der Kolbennut, nach Überbrückung des Axialspiels.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben sowie eine hydraulische Servolenkung mit einem solchen Kolben anzugeben, welcher/welche im Hinblick auf ihr Verhalten bei Lastwechseln verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird ein Kolben für eine doppeltwirkende Kolben-Zylinder-Einheit angegeben. Der Kolben weist eine Kolbennut auf, die zumindest einen Dichtring aufnimmt. Die Kolbennut ist außerdem so ausgestaltet, dass die zur axialen Verschiebung des Kolbenrings nötige Energie, die der Dichtring bei einer Änderung der Druckverhältnisse am Kolben erfährt, minimal ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Kolbennut so ausgestaltet sein, dass die bei Lastwechseln mit Vorzeichenwechsel zur axialen Verschiebung des Dichtringes und somit zur Überbrückung des Axialspiels zwischen Dichtring und Kolben erforderliche Energie minimal ist. Dieser Effekt kann dadurch erreicht werden, dass eine aus dem Betriebsdruck resultierende, auf den Dichtring wirkende und zu seiner Verschiebung in Axialrichtung notwendige Axialkraft schneller mit zunehmendem Betriebsdruck ansteigt, als die aus dem Betriebsdruck resultierende, den Dichtring an die Zylinderlauffläche pressende und somit die Axialverschiebung zwischen Dichtring und Zylinder bzw. Kolben hemmende Radialkraft. Vorteilhaft kann durch die geometrische Gestaltung der Kolbennutflanken, gemäß einer solchen bevorzugten Ausführungsform, gewährleistet werden, dass die Dichtringflanken stets mit Betriebsdruck beaufschlagt werden können. Ein solcher vorteilhafter Effekt wird bei aus dem Stand der Technik bekannten Kolben- bzw. Kolbennutgeometrien häufig durch ein Haften (Adhäsion) des Dichtringes an den Kolbennutflanken anfänglich verhindert.
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Bei einem Lastwechsel tritt eine Veränderung der Druckverhältnisse am Kolben des doppeltwirkenden Zylinders auf. Zur Vermeidung der bekannten Geräusche werden bei dem Kolben gemäß unterschiedlichen Aspekten der Erfindung im Wesentlichen zwei Konzepte verfolgt. Ein erstes Konzept setzt darauf, ein axiales Spiel zwischen dem Dichtring und den beiden Flanken der Kolbennut möglichst zu vermeiden bzw. zu minimieren. Ein weiteres Konzept verfolgt den Ansatz, ein ggf. unvermeidbares axiales Spiel des Dichtrings in seiner Kolbennut im Rahmen von Betriebsdruckvorzeichenwechseln bereits bei möglichst niedrigen Drücken zu überbrücken. So kann eine schlagartige Bewegung des Dichtrings mit hoher Energiedichte und somit mit hoher, ein entsprechendes Geräusch erzeugender, Impulseinleitung des Dichtrings in den Kolben bei seinem Anschlagen an die Nutflanke, wie sie mit zunehmendem Betrag der Arbeitsdrücke und spezifischen Druckaufbau- und Druckwechselgeschwindigkeiten auftreten kann, verhindert oder zumindest minimiert werden. Selbstverständlich können beide Konzepte auch miteinander kombiniert werden. Beiden Lösungsansätzen liegt das gemeinsame Konzept zugrunde, bei Änderung der Druckverhältnisse am Kolben, die zur axialen Verschiebung des Dichtrings und somit zur Axialspielüberbrückung auf den Dichtring einwirkende und notwendige Energie zu minimieren. Bei dem zuerst genannten Konzept wird die Wegstrecke minimiert, die der Dichtring in Folge eines Lastwechsels zurück legen kann. Gemäß dem zweiten Konzept wird die an dem Dichtring angreifende Energie minimiert, indem dessen ggf. unvermeidbares axiales Spiel bereits bei geringen Drücken und somit geringen hydraulischen Kräften abgebaut wird.
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Gemäß einer Ausführungsform liegt zur Vermeidung eines axialen Spiels der Dichtring an beiden Kolbennutflanken kraft- und/oder formschlüssig an. So kann bei einem Wechsel der Druckverhältnisse an dem Kolben keine oder nur eine äußerst geringe und somit zu vernachlässigende Bewegung des Dichtrings stattfinden. Eine weitere Verbesserung stellt sich ein, wenn der Dichtring in Axialrichtung gegen die Nut verspannt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Kolben zumindest eine Kolbennutflanke auf, die schräg zu einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht auf einer Mittelachse des Kolbens steht. Bevorzugt weist die Kolbennut einen parallelogramm- oder trapezförmigen Querschnitt auf. Eine solche Kolbennut lässt sich verhältnismäßig einfach herstellen. Auch bisher verwendete Dichtringe können ohne weitere Anpassung in der Kolbennut verspannt werden.
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Vorteilhaft kann die Kolbennut Positioniervorsprünge aufweisen, die an gegenüberliegenden Nutflanken der Kolbennut angeordnet sind. Diese Positioniervorsprünge können einander in Axialrichtung gegenüberliegen oder aber in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sein. Bei den einander gegenüberliegenden Vorsprüngen kann eine Verbiegung des Kolbenrings vermieden werden. Bei den in Umfangsrichtung versetzten Positioniervorsprüngen kann hingegen eine solche Verbiegung oder Verspannung des Kolbenrings gezielt ausgenutzt werden. Je nachdem welcher Effekt gewünscht ist, kann auf die eine oder die andere Ausführungsform zurückgegriffen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die Kolbennut zumindest zwei Umfangsabschnitte aufweisen, die in unterschiedlichen Ebenen liegen. Diese Ebenen stehen jeweils senkrecht auf der Mittelachse des Kolbens. Es versteht sich von selbst, dass diese beiden Ebenen bezüglich einer in Richtung der Mittelachse des Kolbens orientierten Axialrichtung voneinander beabstandet sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen den Umfangsabschnitten jeweils ein Übergangsabschnitt vorhanden, der schräg zu den jeweils senkrecht auf der Mittelachse stehenden Ebenen verläuft. Bei der Montage des Dichtrings wird dieser vorverformt und in die Kolbennut eingesetzt. Er steht dann in beidseitigem Kontakt mit den Nutflanken.
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Eine weitere Ausführungsform verfolgt das eingangs bereits erwähnte zweite Konzept. Dieses beruht darauf, dass ein ggf. unvermeidbares axiales Spiel zwischen dem Dichtring und den Innenwänden der Nut bei möglichst geringen hydraulischen Drücken abgebaut wird. So kann eine schlagartige Bewegung des Dichtrings verhindert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung hat die Kolbennut eine Axialbreite, die maximal 0,1 mm größer ist als die Breite des Dichtrings. Bevorzugt weist die Kolbennut einen in Richtung der Mantelfläche des Kolbens geöffneten trapezförmigen Querschnitt auf. Bei einem solchen Kolben liegt der Kolbenring mit einer seiner beiden radial innen liegenden Innenkanten an der jeweils benachbarten Nutflanke an. Ändern sich die Druckverhältnisse am Zylinder, wird aufgrund des trapezförmigen Querschnitts der Nut, insbesondere aufgrund der gegenüber einer senkrecht auf der Axialrichtung stehenden Ebene geneigten Nutflanke, nahezu die vollständige Seitenfläche des Dichtrings mit Betriebsdruck beaufschlagt. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen wirkt der Betriebsdruck an einer größeren in Axialrichtung projizierten Fläche des Dichtrings, und übt auf diese bereits bei geringen Betriebsdrücken die Kraft aus, die zur axialen Verschiebung des Dichtringes und somit zur Überbrückung des Axialspiels des Dichtrings in seiner Nut erforderlich ist. Hierdurch ist der vom Dichtring bei seinem Anschlagen an die Nutflanke des Kolbens in den Kolben eingeleitete Impuls geringer als bei aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen. Das bekannte Schlagen des Dichtrings kann auf diese Weise vorteilhaft vermieden werden.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine hydraulische Servolenkung mit einem Servozylinder angegeben, wobei dieser einen Kolben gemäß einem oder mehreren der vorstehend erwähnten Ausführungsformen der Erfindung umfasst.
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Gleiche oder ähnliche Vorteile, die bereits im Hinblick auf den Kolben gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung erwähnt wurden, treffen auch auf die hydraulische Servolenkung zu und bedürfen daher keiner weiteren Erläuterung.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigt:
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1 eine vereinfachte Schnittansicht einer Kolben-Zylinder-Einheit,
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2 und 3 je eine vereinfachte detaillierte Schnittansicht eines Kolbens und eines Dichtrings einer solchen Kolben-Zylinder-Einheit, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung und
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4a, 4b und 5 jeweils vereinfachte Ansichten, die die Lage eines Dichtrings in einer Kolbennut darstellen, gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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1 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer Kolben-Zylinder-Einheit 2. Diese umfasst einen Zylinder 4, welcher eine Kolbenstange 12 umschließt, wobei ein Kolben 6 fest mit der Kolbenstange 12 verbunden ist. Der Kolben 6 läuft entlang einer Zylinderachse L, welche in Richtung einer Axialrichtung A orientiert ist. Die Kolben-Zylinder-Einheit 2 ist doppeltwirkend, entsprechend schließt sich an eine erste und eine zweite Stirnseite 81, 82 des Kolbens 6 eine erste bzw. zweite Druckkammer 101, 102 an. Die Kolben-Zylinder-Einheit 2 kann ein Teil einer hydraulischen Servolenkung sein, und dient der Erzeugung einer Lenkhilfskraft, welche in das Lenkgestänge eines Kraftfahrzeugs eingeleitet werden kann. Die Lenkhilfskraft wird über die Kolbenstange 12 übertragen, die mit dem Kolben 6 verbunden ist und sich in Axialrichtung A erstreckt. Wahlweise kann eine der beiden Druckkammern 101, 102 mit einem Betriebsdruck beaufschlagt werden. Über die Kolbenstange 12 kann so eine Lenkhilfskraft mit wechselndem Vorzeichen erzeugt werden. Die Druckkammern 101, 102 sind mit einem in einer radial umlaufenden Kolbennut 14 liegenden Dichtring (nicht dargestellt), der an der Innenseite 7 des Zylinder 4 anliegt, gegeneinander abgedichtet.
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2 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht der Kolben-Zylinder-Einheit 2 aus 1, im Bereich der Kolbennut 14. Der Dichtring 16 liegt mit einer dichtenden Außenseite 18 an der Innenseite 7 des Zylinders 4 an. Eine Innenseite 20 des Dichtrings 16 ist einem Nutgrund 22 des Kolbens 6 zugewandt. An dieser Innenseite 20 wird der Dichtring 16 mit einer in Radialrichtung R wirkenden Kraft beaufschlagt. Zu diesem Zweck wird ein dichtendes Vorspannelement 24, z. B. ein elastischer Ring, in die Kolbennut 14 eingelegt.
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Der Dichtring 16 liegt mit zumindest einer seiner Innenkanten 261, 262 an einer ersten bzw. zweiten Nutflanke 281, 282 der Kolbennut 14 an. Die erste Innenkante 261 erstreckt sich zwischen der Innenseite 20 des Dichtrings 16 und einer ersten Seitenfläche 301. Die zweite Innenkante 262 erstreckt sich zwischen der Innenseite 20 des Dichtrings 16 und einer zweiten Seitenfläche 302. Die Kolbennut 14 kann bevorzugt plane Nutflanken 281, 282 aufweisen, die mit einer zu der Axialrichtung A (welche parallel zu der Mittelachse (L) des Kolbens 6 orientiert ist; vgl. 1) senkrecht stehenden Ebene E einen spitzen Winkel α einschließen. In 2 ist beispielhaft die erste Nutflanke 281 als gestachelte Linie verlängert angedeutet. Die senkrecht zur Axialrichtung A stehende Ebene E ist gepunktet dargestellt. Der zwischen der Ebene E und der ersten Nutflanke 281 liegende spitze Winkel α wird in der dargestellten Querschnittsansicht gemessen. Der Winkel α wird jeweils zwischen einer der Kolbennut 14 zugewandten Seite der Nutflanke 281, 282 und der Ebene E gemessen. Der Drehsinn des Winkels α ist also für die beiden Nutflanken 281, 282 jeweils entgegengesetzt.
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Die Nutflanken 281, 282 der Kolbennut 14 sind so geneigt, dass die Kolbennut 14 einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, der sich in Richtung einer Mantelfläche 32 des Kolbens 6 öffnet. Die Angaben zur Form der Kolbennut 14 beziehen sich wiederum auf eine Querschnittsansicht, die eine Achse L des Kolbens 6 einschließt (vgl. auch 1).
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Es wird nun beispielhaft angenommen, dass die links des Dichtrings 16 befindliche erste Druckkammer 101 zur Erzeugung einer Lenkhilfskraft mit einem höheren Druck als die zweite Druckkammer 102 beaufschlagt wird. Indem das in der ersten Druckkammer 101 vorhandene Druckfluid unter Druck gesetzt wird, erhöht sich auch der Druck in dem zwischen der Innenseite 7 des Zylinders 4 und der Mantelfläche 32 des Kolbens 6 vorhandenen Spalt. Der Dichtring 16 liegt nicht vollständig spielfrei an beiden Nutflanken 281, 282 der Kolbennut 14 an. Mit steigendem Druck in der ersten Druckkammer 101 wird die erste Seitenfläche 301 des Dichtrings 16 ebenfalls druckbeaufschlagt. Da dieser an nahezu der kompletten Seitenfläche 301 des Dichtrings 16 angreift, wirkt auf den Dichtring 16 bereits bei verhältnismäßig geringem hydraulischem Druck eine recht große Kraft. Dies ist möglich, da die Nutflanken 281, 282 der Kolbennut 14 gegenüber der Ebene E geneigt sind. Die auf den Dichtring 16 wirkende Kraft überwindet die Haftreibung zwischen der Außenseite 18 des Dichtrings 16 und der Innenseite 7 des Zylinders 4. So wird der Dichtring 16 bereits bei einem geringen Druckanstieg in der ersten Druckkammer 101 in Richtung der zweiten Druckkammer 102 axial verschoben. Im Vergleich zu bekannten Lösungen erfolgt ein sanftes Verschieben des Dichtrings 16, so dass ein ruck- und knackfreier Lastwechsel erfolgen kann. Die an dem Dichtring 16 anliegende hydraulische Kraft wird bereits bei geringen Druckunterschieden nahezu vollständig über die zweite Innenkante 262, die an der zweiten Nutflanke 282 der druckabgewandten Seite der Kolbennut 14 anliegt, in den Kolben 6 einleitet.
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3 zeigt eine vereinfachte detaillierte Schnittansicht eines Kolbens 6, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Kolbennut 14 weist vorzugsweise planparallelen Nutflanken 281, 282 auf und hat – im Querschnitt betrachtet – die Form eines Parallelogramms. Zumindest ist aber eine der Nutflanken 281, 282 der Kolbennut 14 gegenüber einer senkrecht auf der Axialrichtung A stehenden Ebene E geneigt. So schließt die erste Nutflanke 281 (wiederum als gestrichelte Linie verlängert angedeutet) mit der senkrecht auf der Axialrichtung A stehenden Ebene E einen spitzen Winkel α ein.
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Der Dichtring 16 ist in der parallelogrammförmigen Kolbennut 14 verspannt bzw. verkantet, so dass dessen Spiel in Axialrichtung A minimiert ist. Um den Dichtring 16 in der Kolbennut 14 zu verspannen liegt die erste Seitenfläche 301 des Dichtrings 16 mit dessen erster Innenkante 261 an der ersten Nutflanke 281 der Kolbennut 14 an. Eine zweite Seitenfläche 302 des Dichtrings 16 liegt an der gegenüberliegenden zweiten Nutflanke 282 der Kolbennut 14 an. Genauer gesagt liegt der Dichtring 16 an einer oberen Kante 36 der Kolbennut 14 an, welche sich zwischen der zweiten Nutflanke 282 und einer Mantelfläche 32 des Kolbens 6 erstreckt.
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Die 4a, 4b und 5 zeigen schematische Ansichten, die die Lage des Dichtrings 16 in der Kolbennut 14 illustrieren. Bei den Darstellungen handelt es sich nicht um Schnittansichten. Die Lage des Dichtrings 16 wird entlang eines halben Umfangs des Kolbens 6 betrachtet und der in Aufsicht auf die Mantelfläche 32 des Kolbens 6 gewonnen Blick wird in eine Ebene projiziert.
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Bei dem in 4a gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der Dichtring 16 an einem sich in Umfangsrichtung erstreckenden ersten Positioniervorsprung 381 der ersten Nutflanke 281 an. Die gegenüberliegende zweite Seitenfläche 302 des Dichtrings 16 liegt an einem zweiten Positioniervorsprung 382 der zweiten Nutflanke 282 an. Der erste und zweite Positioniervorsprung 381, 382 liegen einander in Axialrichtung A gegenüber.
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Bei dem in 4b gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich ein erster und ein zweiter Positioniervorsprung 381, 382 in Umfangsrichtung versetzt auf der ersten bzw. der zweiten Nutflanke 281, 282. Der Betriebsdruck der doppeltwirkenden Kolben-Zylinder-Einheit 2 greift je nach gewünschter Bewegungsrichtung an einer der beiden Seitenflacken 301, 302 des Dichtrings 16 an.
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Die in den 4a und 4b gezeigten Ausführungsbeispiele erlauben eine Verformung des Dichtrings 16 in Axialrichtung A. Dies führt zur Energiedissipation und nebenbei, basierend auf der Druckbeaufschlagung der nahezu gesamten Seitenfläche 301 bzw. 302 des Dichtrings 16, schon bei Beaufschlagung mit geringem Betriebsdruck zu einem gleichmäßigen und nicht schlagartigen Anlegen des Dichtringes 16.
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Das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt die gezielte Verspannung des Dichtrings 16. Bei diesem Ausführungsbeispiel variiert die axiale Position der Kolbennut 14, betrachtet in Umfangsrichtung des Kolbens 6. Die Kolbennut 14 weist einen ersten und einen zweiten Umfangsabschnitt 401, 402 auf, welche in unterschiedlichen jeweils senkrecht zu einer Mittelachse L der Kolbens 6 orientierten Ebenen liegen. Zwischen den Umfangsabschnitten 401, 402 befindet sich ein Übergangsbereich 42, der schräg zu einer senkrecht zu einer Mittelachse L der Kolbens 6 orientierten Ebene verläuft. Die Nutflanken 281, 282 der Kolbennut 14 schließen in diesem Übergangsbereich 42 wiederum einen spitzen Winkel α mit der Ebene E ein, die senkrecht auf der Mittelachse L der Kolbens 6 steht. Bevor der Dichtring 16 in die Kolbennut 14 eingesetzt wird, wird dieser vorverformt und anschließend gezielt verspannt, sodass es zu einer beidseitigen bevorzugt formschlüssigen Anlage von dessen Seitenflächen 301, 302 an den Mutflanken 281, 282 der Kolbennut 14 kommt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kolben-Zyllinder-Einheit
- 4
- Zylinder
- 6
- Kolben
- 7
- Innenseite des Zylinders
- 81
- erste Stirnseite
- 82
- zweite Stirnseite
- 101
- erste Druckkammer
- 102
- zweite Druckkammer
- 12
- Kolbenstange
- 14
- Kolbennut
- 16
- Dichtring
- 18
- Außenseite des Dichtrings
- 20
- Innenseite des Dichtrings
- 22
- Nutgrund
- 24
- Vorspannelement
- 261
- erste Innenkante
- 262
- zweite Innenkante
- 281
- erste Nutflanke
- 282
- zweite Nutflanke
- 301
- erste Seitenfläche
- 302
- zweite Seitenfläche
- 32
- Mantelfläche
- 36
- obere Kante
- 381
- erster Positioniervorsprung
- 382
- zweiter Positioniervorsprung
- 401
- erster Umfangsabschnitt
- 402
- zweiter Umfangsabschnitt
- 42
- Übergangsbereich
- A
- Axialrichtung
- L
- Zylinderachse
- R
- Radialrichtung
- E
- Ebene
- α
- spitzer Winkel
