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Die Erfindung betrifft eine Trennkolbendichtungsanordnung sowie einen Schwingungsdämpfer.
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In der Praxis sind Trennkolbendichtungsanordnungen seit langem integraler Bestandteil von Schwingungsdämpfern, wie diese beispielsweise bei Fahrzeugen als sogenannte Stoßdämpfer eingesetzt werden. Derartige Trennkolbendichtungs-anordnungen weisen ein als Trennkolben ausgeführtes erstes Maschinenteil und ein als Zylinder ausgeführtes zweites Maschinenteil auf, in dem der Trennkolben üblicher Weise entlang einer Bewegungsachse verschiebbar geführt ist.
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Der Trennkolben dient einem Abtrennen eines mit hohem Druck gefüllten Gasraums von einem Druckmittelspeicherraum des Zylinders. Der Gasraum kann mit Stickstoff (N2), Kohlendioxid (Co2) oder einem anderen geeigneten Gas befüllt sein. Im Druckmittelspeicherraum kann insbesondere Öl oder ein anderes geeignetes flüssiges Druckmittel angeordnet sein.
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Zur Abdichtung des Trennkolbens gegenüber dem Zylinder dient in der Praxis üblicher Weise ein gummielastischer Dichtungsring, der in einer Nut eines der beiden Maschinenteile angeordnet ist. Der Dichtungsring liegt dabei mit einer Dichtkante an einer Dichtfläche des jeweils anderen der beiden Maschinenteile dichtend an.
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Die am Markt verfügbaren Trennkolbenanordnungen sowie die damit versehenen Schwingungsdämpfer weisen – nicht zuletzt aufgrund von (Haft-)Reibungskräften zwischen dem Dichtungsring und der Dichtfläche – häufig ein träges Ansprechverhalten auf, so dass eine gewünschte Dämpferkraft erst nach einem unerwünscht langen zeitlichen Latenzintervall bereitgestellt wird.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Trennkolbenanordnung und einen Schwingungsdämpfer bereitzustellen, die auf konstruktiv einfache Weise ein insgesamt verbessertes Ansprechverhalten ermöglichen.
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Die die Trennkolbendichtungsanordnung betreffende Aufgabe wird durch eine Trennkolbendichtungsanordnung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Der erfindungsgemäße Schwingungsdämpfer weist die in Patentanspruch 9 angegebenen Merkmale auf.
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Die erfindungsgemäße Trennkolbendichtungsanordnung weist einen Dichtungsring mit einem nutgrundseitig angeordneten Halteabschnitt und mit einem Kopfabschnitt auf, der mit einer Dichtkante versehen ist. Der Kopfabschnitt weist – bezogen auf den Halteabschnitt – eine Neutralstellung auf, in der der Kopfabschnitt mit seiner Mittelachse orthogonal zur Bewegungsachse ausgerichtet ist. Die Dichtkante weist in der Neutralstellung des Kopfabschnitts einen dem Druckmittelspeicherraum zuweisenden ersten Kontaktflächenwinkel α auf, der größer ist, als ein dem Gasraum zugewandter zweiter Kontaktflächenwinkel β. Dadurch kann ein besonders effektives Abdichtverhalten es Dichtungsrings realisiert werden. Darüber hinaus ergibt sich daraus ein vorteilhaftes Rücksschleppvermögen der Trennkolbendichtungsanordnung von aus dem Druckmittelspeicherraum ausgetretenem Druckmittel, das an dem Trennkolben bzw. der Innenwand des Zylinders anhaftet. Der Kopfabschnitt ist mit dem Halteabschnitt des Dichtungsrings kippgelenkig verbunden und durch eine Verschiebebewegung des Trennkolbens entlang der Bewegungsachse aus seiner Neutralstellung in zwei einander entgegen gerichtete Kipprichtungen gegenüber dem Halteabschnitt des Dichtungsrings verkippbar. Der Kopfabschnitt kann dadurch aufgrund einer zwischen der Dichtkante und der Dichtfläche des einen Maschinenteils gegebenen Reibung bei einem periodischen Hin- und Her-Bewegen des Trennkolbens im Zylinder zwischen zwei Kipppstellungen abwechselnd gegenüber dem Halteabschnitt des Dichtungsrings abgeklappt werden. In den Kippstellungen schließt die Mittelachse des Kopfabschnitts mit der Bewegungsachse bzw. mit dem anderen Maschinenteil jeweils einen von der Neutralstellung abweichenden (Auslenk-)Winkel γ von unter 90° ein. Eine Relativbewegung zwischen der Dichtkante und der zugeordneten Dichtfläche findet erst dann statt, wenn der Kopfabschnitt des Dichtungsrings seine jeweilige maximale Kippstellung relativ zum Halteabschnitt, d. h., seine jeweilige maximale Auslenkposition gegenüber dem Halteabschnitt, erreicht hat. Eine zwischen der Dichtkante und der Dichtfläche gegebene Haftreibung ist daher für das Ansprechverhalten der Trennkolbendichtungsanordnung (zunächst) ohne Einfluss. Das Ansprechverhalten der Trennkolbendichtungsanordnung kann dadurch auf konstruktiv einfache Weise insgesamt verbessert werden. Der erfindungsgemäße Trennkolbendichtungsanordnung ist insbesondere für Kurzhubanwendungen geeignet und bietet speziell auch bei Anwendungen mit höheren und hohen Schwingungsfrequenzen Vorteile. Unter Kurzhubanwendung werden derartige Anwendungen der Trennkolbendichtungsanordnung verstanden, bei denen eine Amplitude der Trennkolbenbewegung relativ zum Zylinder maximal der 3-fachen Nutbreite der Nut beträgt.
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Der Kopfabschnitt des Dichtungsrings kann nach der Erfindung insbesondere über einen im Vergleich zum Kopfabschnitt materialgeschwächten Befestigungsabschnitt mit dem Halteabschnitt des Dichtungsrings verbunden sein. Die Anlenkung des Kopfabschnitts am Halteabschnitt kann dadurch auf fertigungstechnisch einfache Weise realisiert werden. Der Befestigungsabschnitt erstreckt sich in Neutralstellung des Kopfabschnitts vorzugsweise orthogonal zur Bewegungsachse der beiden Maschinenteile.
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Nach der Erfindung kann der Dichtungsring im Bereich seines Befestigungsabschnitts, vorzugsweise beidseits, eingeschnürt sein. Der Befestigungsabschnitt weist dadurch eine geringere Breite als der Kopfabschnitt auf. Durch die Einschnürung bzw. Einschnürungen ergeben sich im Querschnitt eine oder mehrere seitliche Einbuchtungen des Dichtungsrings im Bereich des Befestigungsabschnitts. Die Einbuchtungen können insbesondere gerundet, d. h. konkav, ausgeführt sein. Dies bietet fertigungstechnische Vorteile.
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Der Kopfabschnitt des Dichtungsrings weist erfindungsgemäß vorzugsweise eine axiale Breite auf, die 50% bis 80% der axialen Breite des Halteabschnitts des Dichtungsrings bzw. der Nut beträgt. Dadurch kann der Kopfabschnitt des Dichtungsrings zumindest abschnittsweise innerhalb der Nut des einen Maschinenteils angeordnet sein, ohne dass dieser in seinem gewünschten Bewegungsumfang durch eine Nutflanke der Nut begrenzt wird. Darüber hinaus kann eine oder können beide Nutflanken der Nut auch als definierte Anschläge für die Verkippbewegung des Kopfabschnitts gegenüber dem Halteabschnitt dienen. Auch im Hinblick auf eine Querschnittsgröße (Bauhöhe) der Trennkolbendichtungsanordnung ist dies von Vorteil. Darüber hinaus kann der Dichtungsring dadurch noch zuverlässiger in der Nut gegenüber einem unerwünschten axialen Herausdrücken des Dichtungsrings aus der Nut gesichert werden.
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Der Halteabschnitt des Dichtungsrings kann erfindungsgemäß in der Nut im axialen Formschluss oder auch im axialen Preßsitz gehalten angeordnet sein.
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Eine nochmals verbessertes Ansprechverhalten der Trennkolbendichtungsanordnung kann erfindungsgemäß dadurch realisiert werden, dass der Halteabschnitt des Dichtungsrings in der Nut mit einem vorzugsweise geringen, axialen Spiel angeordnet ist. Bei einem axialen Translationsbewegung des Trennkolbens gegenüber dem Zylinder kann der Dichtungsring so durch den Trennkolben in der Nut gegenüber dem die Nut aufweisenden Maschinenteil axial synchron mitverschoben werden.
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Ein verbessertes Dichtvermögen der Trennkolbendichtungsanordnung kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, dass der Dichtungsring mit seinem Halteabschnitt am Nutgrund der Nut mit einer Anlagefläche anliegt, die mit Einbuchtungen versehen ist. Die Einbuchtungen können insbesondere ringförmig ausgebildet sein und somit umlaufend am Dichtungsring angeordnet sein. Maßtoleranzen der beiden Maschinenteile können dadurch zuverlässig kompensiert werden.
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Der erste Kontaktflächenwinkel α der Dichtkante kann erfindungsgemäß insbesondere 30° bis 70° und der zweite Kontaktflächenwinkel β kann insbesondere 5° bis 15° betragen.
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Der erfindungsgemäße Schwingungsdämpfer weist zumindest eine der vorstehend erläuterten Trennkolbendichtungsanordnungen aus. Der Schwingungsdämpfer zeichnet sich dadurch durch ein verbessertes Ansprechverhalten aus und ist insbesondere für mobile Anwendungen, beispielsweise bei Luft- und/oder Kraftfahrzeugen, geeignet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der, Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigt
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1 eine Trennkolbendichtungsanordnung mit zwei Maschinenteilen, die relativ zueinander verschiebbar sind und mit einem Dichtungsring, der einen in einer Nut eines der beiden Maschinenteile angeordneten Halteabschnitt und einen am Halteabschnitt gelenkig angeordneten Kopfabschnitt mit einer Dichtkante aufweist, mit in Neutralstellung angeordnetem Kopfabschnitt, im ausschnittsweisen Querschnitt;
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2 die Trennkolbendichtungsanordnung aus 1 in einem Betriebszustand, in dem der Kopfabschnitt des Dichtungsrings in einer ersten Kipprichtung gegenüber dem Halteabschnitt des Dichtungsrings ausgelenkt ist, im ausschnittsweisen Querschnitt;
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3 die Trennkolbendichtungsanordnung gemäß 1 in einem Betriebszustand, in dem der Kopfabschnitt des Dichtungsrings in einer zu der Darstellung in 2 anderen Kipprichtung gegenüber dem Halteabschnitt des Dichtungsrings ausgelenkt ist, im ausschnittsweisen Querschnitt; und
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4 einen Schwingungsdämpfer mit einer Trennkolbendichtungsanordnung gemäß 1, in einer Seitenansicht.
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1 zeigt eine Trennkolbendichtungsanordnung 10 für Kurzhubanwendungen mit einem als Trennkolben ausgebildeten ersten Maschinenteil 12 und einem als Zylinder ausgebildeten zweiten Maschinenteil 14. Das erste Maschinenteil 12 ist im zweiten Maschinenteil 14 entlang einer Bewegungsachse 16 verschiebbar geführt. Durch den Trennkolben 16 ist ein Druckmittelspeicherraum 18 des zweiten Maschinenteils 14 von einem zum Druckmittelspeicherraum 18 axial beabstandet angeordneten Gasraum 20 des zweiten Maschinenteils 14 getrennt. Während eines Betriebs der Trennkolbendichtungsanordnung 10 ist im Gasraum 20 ein nicht näher wiedergegebenes Gas, beispielsweise Stickstoff, und im Druckmittelspeicherraum 18 ein flüssiges Druckmittel, beispielsweise Öl, angeordnet. In einer Nut 22 des ersten Maschinenteils 12 ist ein gummielastisch verformbarer Dichtungsring 24 angeordnet. Der Dichtungsring 24 dient einem druckdichten Abdichten des Druckmittelspeicherraums 18 gegenüber dem Gasraum 20. Der Dichtungsring 22 ist somit als Außendichtungsring ausgebildet. Es versteht sich, dass der Dichtungsring 24 aber auch in einer Nut 22 des als Zylinder ausgebildeten zweiten Maschinenteils 14 angeordnet und somit als Innendichtungsring ausgelegt sein kann.
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Wie aus 1 hervorgeht, weist der Dichtungsring 24 einen nutgrundseitig angeordneten Halteabschnitt 26, einen materialgeschwächten Befestigungsabschnitt 28 und einen Kopfabschnitt 30 auf. Der Kopfabschnitt 30 ist mit einer Dichtkante 32 versehen, über die der Dichtungsring 24 an einer Dichtfläche 34 des zweiten Maschinenteils 14 vorgespannt dichtend anliegt. Der Halteabschnitt 26 des Dichtungsrings 24 ist in der Nut 22 im axialen Formschluss gehalten angeordnet, kann in der Nut 22 aber auch im axialen Preßsitz bzw. mit axialen Spiel angeordnet sein.
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Der Halteabschnitt 26 des Dichtungsrings liegt am Nutgrund 36 der Nut 22 mit einer Anlagefläche 38 an, die mit umlaufenden (ringförmigen) gerundeten Einbuchtungen 40 versehen ist. Die Einbuchtungen 40 dienen vorrangig einem Toleranzausgleich zwischen den beiden Maschinenteilen 12, 14.
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Der Dichtungsring 24 ist Bereich des materialgeschwächten Befestigungsabschnitts 28 beidseits seitlich eingeschnürt. Der Dichtungsring 24 weist dadurch beidseits seitliche ringförmige Einbuchtungen 40' auf, die vorliegend gerundet ausgeführt sind. Die Einbuchtungen 40, 40' können auch eine andere Gestalt aufweisen.
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Der Kopfabschnitt 30 des Dichtungsrings 24 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel teilweise innerhalb der Nut 22 des ersten Maschinenteils 12 angeordnet und somit zu beiden Seiten teilweise von Nutflanken 42 der Nut 22 in axialer Richtung überdeckt. Der Kopfabschnitt 30 des Dichtungsrings 24 weist eine axiale Breite b auf, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ungefähr 75% der der axialen Breite b' des Halteabschnitts 26 bzw. der Nut 22 beträgt. Der Kopfabschnitt 30 kann grundsätzlich eine axiale Breite b aufweisen, die ungefähr 50% bis 80% der Breite b' des Halteabschnitts 26 entspricht.
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Der Kopfabschnitt 30 ist über den materialgeschwächten Befestigungsabschnitt 28 kippgelenkig mit dem Halteabschnitt 26 verbunden. Der Kopfabschnitt 30 ist dabei um eine mit 44 bezeichnete ringförmige Kippachse aus seiner gezeigten Neutralstellung in einander entgegengesetzten Kipprichtungen 46, 48 gegenüber dem Halteabschnitt 26 des Dichtungsrings 24 verkippbar bzw. abklappbar. In Neutralstellung ist die Mittelachse 50 des Kopfabschnitts 30 orthogonal zur Bewegungsachse 16 der beiden Maschinenteile 12, 14 ausgerichtet.
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Wie aus 1 weiter hervorgeht, weist die Dichtkante 32 in der gezeigten Neutralstellung des Kopfabschnitts 30 einen dem Druckmittelspeicherraum 18 zuweisenden ersten Kontaktflächenwinkel α und einen dem Gasraum 20 zugewandten zweiten Kontaktflächenwinkel β auf. Der erste Kontaktflächenwinkel α ist zwecks einer effektiven Dichtwirkung größer als der zweite Kontaktflächenwinkel β. Der kleinere zweite Kontaktflächenwinkel β gewährleistet ein hinreichend hohes Druckmittel-Rückschleppvermögen des Dichtungsrings 24. Der erste Kontaktflächenwinkel α der Dichtkante 32 beträgt vorliegend ungefähr 55°, kann aber zwischen 30° bis 70° betragen. Der zweite Kontaktflächenwinkel β der Dichtkante 32 beträgt ungefähr 10° und kann einen Wert zwischen 5° und maximal ungefähr 15° aufweisen.
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2 zeigt die Trennkolbendichtungsanordnung 10 während einer Verschiebebewegung des Trennkolbens entlang der Bewegungsachse 16 gegenüber dem zweiten Maschinenteil in einer ersten Bewegungsrichtung 52. Der Kopfabschnitt 30 wurde zu Beginn der Verschiebebewegung des Trennkolbens durch seinen Kontakt mit der Dichtfläche des Zylinders unmittelbar gegenüber dem Halteabschnitt 26 des Dichtungsrings in eine erste Kippstellung gegenüber dem Halteabschnitt verkippt. Die Mittelachse 50 des Kopfabschnitts 30 schließt in der gezeigten ersten Kippstellung mit der Bewegungsachse 16 bzw. dem zweiten Maschinenteil 14 einen Auslenkwinkel γ mit γ < 90°, hier von ungefähr 80°, ein. Der Kopfabschnitt 30 des Dichtungsrings 24 berührt die gasraumseitige Nutflanke 42 der Nut 22 nicht. Die Dichtkante 32 liegt in der ersten Kippstellung an dem zweiten Maschinenteil 14 dichtend an.
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In 3 ist die Trennkolbendichtungsanordnung 10 bei einer Verschiebebewegung des Trennkolbens gegenüber dem zweiten Maschinenteil 14 in einer zu der ersten Bewegungsrichtung 52 (2) entgegengesetzten zweiten Bewegungsrichtung 52' gezeigt.
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Der Kopfabschnitt 30 ist in der zur Kipprichtung 46 entgegengesetzten Kipprichtung 48 über die Neutralstellung (1) hinaus in seiner zweiten Kippstellung relativ zum Halteabschnitt des Dichtungsrings verkippt angeordnet.
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Die Mittelachse 50 des Kopfabschnitts 30 ist gegenüber der Bewegungsachse 16 der beiden Maschinenteile 12, 14 abgewinkelt angeordnet und schließt mit der Bewegungsachse bzw. dem zweiten Maschinenteil einen Auslenkwinkel γ von unter 90°, hier von ungefähr 75°, ein. Der Kopfabschnitt 30 des Dichtungsrings 24 berührt die druckmittelraumseitige Nutflanke 42 der Nut 22 nicht. Die Dichtkante 32 des Dichtrings 24 liegt an dem zweiten Maschinenteil 14 dichtend an.
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4 zeigt einen Schwingungsdämpfer 100 mit einer Kolbenstange 102 und einer vorstehend erläuterten Trennkolbendichtungsanordnung 10. Beim Einfahren der Kolbenstange 102 in das als Zylinder ausgebildete zweite Maschinenteil 14 wird das im Druckmittelspeicherraum 18 des Zylinders 14 angeordnete Druckmittel, hier Öl, verdrängt. Der verschiebbar gelagerte Trennkolben drückt das im Gasraum 20 des Zylinders angeordnete Gaspolster (beispielsweise Stickstoff) zusammen. Beim Ausfahren der Kolbenstange 102 drückt das Gas den Trennkolben wieder in seine Ausgangslage zurück.
