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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kolbenzylindereinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige Kolbenzylindereinheit ist aus der
EP 1 234 975 A2 bekannt. Die bekannte Kolbenzylindereinheit weist einen in einer Bohrung des Zylinders hinund herbewegbaren Kolben auf, an dessen Umfangsfläche eine Reihe von radial umlaufenden Quernuten sowie wenigstens zwei, sich in Längsrichtung erstreckende Längsnuten ausgebildet sind. Die Längsnuten sind axial in Längsrichtung des Kolbens betrachtet durch zwei, in relativ geringem axialen Abstand zueinander angeordnete Quernuten voneinander getrennt. Zwischen den beiden Quernuten findet ein gezielter, erhöhter Leckageverlust durch eine entsprechende Geometrie des Kolbens zwischen des beiden Quernuten statt, so dass Schmiermittel, das sich unter hohem Druck im Bereich der einen Seite des Zylinders befindet, über eine in Längsrichtung des Kolbens stattfindende Strömung in den Längsnuten bis zum Austrittsbereich des Kolbens an der anderen Seite des Zylinders gefördert wird. Dadurch wird über die gesamte Länge des Zylinders eine gewünschte Schmierung erzeugt. Nachteilig dabei sind jedoch die relativ hohen Leckageverluste.
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Darüber hinaus ist es aus der
EP 1 275 864 B1 bekannt, mittels eines Laserstrahls Taschen in eine Kolbenlauffläche einzubringen, die als geschlossene Mikrodruckkammern für ein Schmiermittel dienen. Weiterhin werden die Oberflächen durch Honen so strukturiert, dass ein Netz aus Kanälen entsteht, die zufällig verteilt sind und eine zufällig variierende Tiefe aufweisen. Diese Strukturierung bewirkt ebenfalls eine Reduzierung der Reibung. Eine derartige Strukturierung der Kolbenlauffläche ist relativ aufwendig herzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenzylindereinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, das bei hinreichend guten Schmiereigenschaften die Leckageverluste möglichst gering sein sollen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Kolbenzylindereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Eintrittsbereich des Kolbens in den Zylinder, mit Ausnahme von eventuell auftretenden Leckageverlusten, in jeder Betriebsstellung des Kolbens hydraulisch getrennt von dem der ersten Seite des Zylinders abgewandten Endbereich der wenigstens einen Längsvertiefung angeordnet ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die wenigstens eine Längsvertiefung in einem gewissen Abstand von dem Eintrittsbereich des Kolbens in den Zylinder auf der der Schmiermittelversorgung abgewandten Seite des Zylinders endet. Insbesondere orientiert sich die Dimensionierung der Länge der Längsvertiefung dabei an den in den Kolben eingeleiteten Kräften. So treten üblicherweise auf den Kolben Querkräfte auf, die zu einem Verkippen des Kolbens in der Bohrung des Zylinders führt. Dieses Verkippen hat zur Folge, dass die Flächenpressung zwischen dem Kolben und der Bohrung im Zylinder über den Umfang gesehen unterschiedlich groß ist. Um zu vermeiden, dass eine erhöhte Leckage über den Bereich stattfindet, der eine relativ geringe Belastung bzw. Flächenpressung aufweist, ist es bei derartigen Querkräften sinnvoll bzw. vorteilhaft, wenn die Länge nicht bis in den Bereich der Bohrung bzw. des Kolbens reicht, der eine erhöhte bzw. verringerte Flächenpressung aufweist. Darüber hinaus ist der axiale Abschnitt des Kolbens bzw. der Bohrung im Zylinder zwischen dem Ende der wenigstens einen Längsvertiefung und dem Eintrittsbereich des Kolbens in den Zylinder derart ausgestaltet, dass fertigungsbedingt lediglich Leckageverluste auftreten, die aufgrund der Fertigung bzw. aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten entstehen. Es soll somit eine derartige Passung zwischen dem Kolben und dem Zylinder erzielt werden, dass möglichst keine bzw. nur geringe Leckageverluste auftreten. Insbesondere sollen in dem angesprochenen Bereich, im Gegensatz zur Lehre des Stands der Technik, keine zusätzlichen Längsnuten o.ä. zur Schmiermittelführung vorgesehen sein.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kolbenzylindereinheit sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In konstruktiv bevorzugter Umsetzung des erfindungsgemäßen Gedankens wird vorgeschlagen, dass die wenigstens eine Längsvertiefung von einer Stirnseite des Kolbens ausgeht, die mit einem Schmiermittelreservoir Verbindung hat.
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Zur Minimierung der Leckageverluste in Richtung des Niederdruckbereichs (bezogen auf den Druck des Schmiermittels) ist es darüber hinaus bevorzugt vorgesehen, dass der im Zylinder befindliche Abschnitt des Kolbens sowie die damit zusammenwirkende Fläche des Zylinders, mit Ausnahme der wenigstens einen Längsvertiefung sowie fertigungsbedingter Oberflächenrauhigkeiten, als vertiefungsfreie Oberflächen ausgebildet sind.
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Um über den Umfang des Kolbens bzw. der Bohrung eine möglichst gleichmäßige Schmierung zu erzielen, ist es darüber hinaus in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass mehrere Längsvertiefungen vorgesehen sind, die in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnet sind.
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Als vorteilhafte Breiten der wenigstens einen Längsvertiefung haben sich Breiten zwischen 1 µm und 100 µm als vorteilhaft erwiesen. Derartige, relativ schmale Längsvertiefungen lassen sich bevorzugt mittels einer Laserstrahleinrichtung erzeugen, da diese die benötigten Fertigungstoleranzen ermöglicht.
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Darüber hinaus hat es sich für die mechanisch definierte Führung des Kolbens im Zylinder als vorteilhaft erwiesen, dass die wenigstens eine Längsvertiefung maximal 20% der Umfangfläche des Kolbens in dem axialen Abschnitt des Kolbens überdeckt, in dem die wenigstens eine Längsvertiefung angeordnet ist.
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Eine Beeinflussung der Schmierwirkung über die axiale Länge des Kolbens im Zylinder kann erzielt werden, wenn sich die Querschnittsfläche der wenigstens einen Längsvertiefung über deren axiale Länge verändert.
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Insbesondere kann eine derartige Beeinflussung besonders einfach und nachvollziehbar durch eine Veränderung der Querschnittsfläche über eine Variation der Nutbreite erfolgen. Gerade bei einer Variation der Nutbreite erweist sich das bereits angesprochene Ausbilden der wenigstens einen Längsvertiefung mittels einer Laserstrahleinrichtung als besonders vorteilhaft, da damit besonders einfach und genau unterschiedliche Nutbreiten erzeugt werden können.
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Um die Schmierwirkung über die wenigstens eine Längsvertiefung im Endbereich der wenigstens einen Längsvertiefung kontinuierlich ausklingen zu lassen, ist es darüber hinaus in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Tiefe der wenigstens einen Längsvertiefung im Endbereich der Längsvertiefung zumindest bereichsweise kontinuierlich abnimmt.
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Darüber hinaus kann eine verbesserte bzw. gezielte Versorgung der wenigstens einen Längsvertiefung mit Schmiermittel über eine in dem Kolben in dessen Längsrichtung angeordnete Versorgungsbohrung stattfinden, insbesondere in Form einer Sacklochbohrung, sowie einer die wenigstens eine Längsvertiefung mit der Versorgungsbohrung verbindenden Bohrung, die hydraulisch mit der Seite des Zylinders verbunden ist, über die die Schmiermittelversorgung stattfindet.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft den Fall des Auftretens von Querkräften. Speziell kann es dabei im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, auf der dem Eintrittsbereich zugewandten Seite des Zylinders an dem Kolben eine Kraft angreift, die senkrecht zur Längsachse des Kolbens verläuft, dass durch die Kraft in dem dem Eintrittsbereich des Zylinders zugewandten Endabschnitt des Zylinders in einem Bereich eine gegenüber dem restlichen Bereich des Zylinders erhöhte Druckspannung bzw. Flächenpressung zwischen dem Kolben und dem Zylinder erzeugt wird, und dass die wenigstens eine Längsvertiefung beabstandet zum Bereich an dem Kolben endet. Eine derartige Ausbildung sorgt für eine Minimierung von Leckageverlusten. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, abhängig von der Höhe der Kraft und der sonstigen Geometrie eine entsprechend erhöhte Druckspannung bzw. Flächenpressung zu definieren, die hinsichtlich des Abstands als relevant angesehen wird. So kann der Bereich der erhöhten Druckspannung bzw. Flächenpressung per Definition zum Beispiel dahingehend definiert werden, dass mindestens eine Druckspannung bzw. Flächenpressung vorhanden ist, die 20% oder mehr über dem Mittelwert der durch die Kraft erhöhten Druckspannung bzw. Flächenpressung beträgt.
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Um in allen Betriebsstellungen des Kolbens die Leckageverluste gering zu halten und darüber hinaus etwaige fertigungsbedingte Bauteiltoleranzen zu berücksichtigen, ist es bei der zuletzt beschriebenen Ausgestaltung der Erfindung besonders bevorzugt vorgesehen, dass zwischen dem Bereich der erhöhten Druckspannung bzw. Flächenpressung des Zylinders und dem Endbereich der wenigstens einen Längsvertiefung in allen Stellungen des Kolbens im Zylinder wenigstens ein Abstand von 10% der Länge des Zylinders ausgebildet ist. Auch dieser Wert kann selbstverständlich ggf. im Rahmen der tatsächlich vorhandenen Umstände im Einzelfall erhöht bzw. verringert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kolbenzylindereinheit,
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2 bis 5 unterschiedliche Querschnitte von Längsnuten in Kolbenoberflächen, in jeweils perspektivischer Ansicht,
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6 bis 8 unterschiedliche Auslaufbereiche von Längsnuten, jeweils im Längsschnitt,
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9 bis 11 typische Querschnittsverläufe der Längsnuten über deren axiale Länge, in vereinfachten Draufsichten und
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12 einen abgewandelten Zylinder mit einer Schmiermittelversorgungsbohrung.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Kolbenzylindereinheit 10 dargestellt. Die Kolbenzylindereinheit 10 umfasst einen im Ausführungsbeispiel hülsenförmig ausgebildeten Zylinder 11 in Form einer Buchse 12 mit einer zylindrischen Durchgangsbohrung 13. In die Durchgangsbohrung 13 ragt ein Kolben 15 mit einem Endbereich 16 hinein, der in Richtung des Doppelpfeils 17 hin- und herbeweglich angeordnet ist.
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Die eine Stirnseite des Zylinders 11 ist auf der dem Kolben 15 abgewandten Seite in Wirkverbindung mit einem unter hohem Druck befindlichen Schmiermittelreservoir 20 angeordnet. Über das Schmiermittelreservoir 20 gelangt Schmiermittel in die offene Durchgangsbohrung 13 des Zylinders 11. Darüber hinaus ist durch die Kraft F die Richtung einer Querkraft verdeutlicht, die senkrecht zur Längsachse 21 des Kolbens 15 an dem aus dem Zylinder 11 herausragenden Bereich des Kolbens 15 wirkt, und die zusätzlich zu einer Kraft wirkt, die für eine Bewegung des Kolbens 15 im Zylinder in Richtung des Doppelpfeils 17 verantwortlich ist. Diese Kraft F hat zur Folge, dass in einem Bereich 22, der sich auf der Kraft F gegenüberliegenden Seite des Kolbens 15 befindet, im Eintrittsbereich des Kolbens 15 in den Zylinder 11 eine erhöhte Druckspannung bzw. Flächenpressung zwischen dem Zylinder 11 und dem Kolben 15 auftritt. Dieser Bereich 22 ragt im dargestellten Ausführungsbeispiel in etwa bis zu einem Drittel in die Durchgangsbohrung 13 hinein. Der Bereich 22 wird auch als Tragbereich bezeichnet, wobei durch die Kraft F aufgrund der Toleranzen zwischen dem Durchmesser des Kolbens 15 und der Durchgangsbohrung 13 ein Verkippen des Kolbens 15 in der Durchgangsbohrung 13 bewirkt wird.
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Erfindungsgemäß weist der Kolben 15 an seiner Mantel- bzw. Umfangsfläche 23 wenigstens eine, insbesondere jedoch mehrere, in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnete Längsnuten 25 auf. Die Längsnuten 25 reichen von der einen Stirnseite 26 des Zylinders 15, die sich auf der Schmiermittelreservoir 20 zugewandten Seite des Kolbens 15 befindet bis in etwa in dem mittleren Bereich der axialen Erstreckung des Zylinders 11. Wesentlich ist, dass keine der Längsnuten 25, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel alle dieselbe Länge aufweisen, unabhängig von der Bewegung des Kolbens 15 in Richtung des Doppelpfeils 17 bzw. der Stellung des Kolbens 15 bis in den Bereich 22 reicht.
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Darüber hinaus ist es vorgesehen, dass die Umfangsfläche 23 des Kolbens 15 zumindest von den Endbereichen 27 der Längsnuten 25 auf der dem Schmiermittelreservoir 20 abgewandten Seite bis zum einen Niederdruckbereich ausbildenden Eintrittsbereich 28 des Kolbens 15 in den Zylinder 11, mit Ausnahme fertigungsbedingter Oberflächenrauhigkeiten als vertiefungsfreie Oberfläche ausgebildet ist. Ebenso ist die Oberfläche der Durchgangsbohrung 13 in dem angesprochenen Bereich möglichst vertiefungsfrei ausgebildet. Durch die vertiefungsfreie Ausbildung der Umfangsfläche 23 sowie der Durchgangsbohrung 12 sollen Leckageverluste zwischen den Endbereichen 27 und dem Eintrittsbereich 28 möglichst vermieden bzw. minimiert werden, die bei einem Verkippen des Zylinders 15 aufgrund der Querkraft F insbesondere auf der dem Bereich 22 radial gegenüberliegenden Seite auftreten können.
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In den 2 bis 5 sind unterschiedliche Querschnittsformen der Längsnuten 25 dargestellt. So weist die Längsnut 25a entsprechend der Darstellung der 2 eine halbkreisförmige Querschnittsfläche auf. Die Längsnut 25b der 3 weist hingegen eine dreiecksförmige Querschnittsfläche auf. Die Querschnittsfläche der Längsnut 25c der 4 ist rinnenförmig mit zwei schräg angeordneten Seitenflächen ausgebildet. Zuletzt ist die Längsnut 25d entsprechend der 5 mit einem rechteckförmigen Querschnitt ausgestattet.
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Auch der Endbereich 27 der Längsnuten 25, 25a bis 25d kann unterschiedlich ausgestaltet sein. So erkennt man anhand der Darstellung der 6 einen gerundet ausgebildeten Endbereich 27a. Der Endbereich 27b entsprechend der 7 weist demgegenüber eine Schräge 29 auf, die vom Grund der Längsnut 25 bis zu deren Oberseite reicht. Zuletzt ist der Endbereich 27c bei der Längsnut 25 entsprechend der 8 ohne eine Reduzierung der Nuttiefe ausgebildet.
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Zuletzt kann auch die Nutbreite b der Längsnut 25 über deren axiale Länge unterschiedlich ausgestaltet sein. Bei der Längsnut 25e entsprechend der 9 ist die Breite b der Längsnut 25e über deren gesamte Länge gleich breit. Demgegenüber ist die Nutbreite b der Längsnut 25f bei der 10 über deren axiale Länge unterschiedlich, derart, dass die Nutbreite b auf der dem Schmiermittelreservoir 20 zugewandten Seite die größte Breite aufweist. Die Nutbreite b der Längsnut 25g bei der 11 weist demgegenüber in Längsrichtung schwankende Breiten auf, derart, dass in einem mittleren Bereich der Längsnut 25g eine Art Taille mit der geringsten Breite erzielt wird. Zusätzlich zur Versorgung der Längsnuten 25, 25a bis 25g über die dem Schmiermittelreservoir 20 zugewandte Stirnseite 26 des Kolbens 15 kann es entsprechend der 12 vorgesehen sein, dass der Kolben 15 beispielsweise eine in der Längsachse 21 verlaufende, von der Stirnseite 26 ausgehende Versorgungsbohrung 30 in Form einer Sacklochbohrung aufweist. Über die Versorgungsbohrung 30 sowie von der Versorgungsbohrung 30 ausgehende Querbohrungen 31 können die Längsnuten 25, 25a bis 25g über deren axiale Länge gesehen gezielt und zusätzlich mit Schmiermittel versehen werden. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass eine Längsnut 25, 25a bis 25g über mehrere Querbohrungen 21 mit Schmiermittel versorgt wird.
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Die soweit beschriebenen Längsnuten 25, 25a bis 25g weisen eine Breite zwischen 1 µm und 100 µm auf und sind bevorzugt durch eine Laserstrahleinrichtung bzw. mittels eines Laserstrahls erzeugt.
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Die erfindungsgemäße Kolbenzylindereinheit 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Sie findet bevorzugt, jedoch nicht einschränkend, Verwendung bei Kraftfahrzeugerzeugnissen, insbesondere bei Pumpen, Ventilen oder ähnlichen Bauteilen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1234975 A2 [0002]
- EP 1275864 B1 [0003]
