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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System, bestehend aus einem Zylinder und einem in dem Zylinder zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) translatorisch auf und ab bewegbaren Kolben, wobei zumindest in einem Abschnitt eines Reibbereichs zwischen dem Zylinder und dem Kolben ein Schmiermittel vorgesehen ist.
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Stand der Technik
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Ein derartiges System, bestehend aus einem Zylinder und einem Kolben ist aus der
DE 199 20 476 A1 bekannt. Dieses System soll die Unzugänglichkeiten eines ölbefüllten Systems vermeiden, indem in dem Zylinder Filzstreifen und Ölverteilungsringe angeordnet sind. Die Filzstreifen und Ölverteilungsringe bilden ein Kapillarsystem, über das Öl gefördert wird. Das Öl dient unter anderem zur Schmierung eines Reibbereichs zwischen dem Zylinder und dem Kolben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System, bestehend aus einem Zylinder und einem in dem Zylinder translatorisch bewegbaren Kolben bereitzustellen, wobei der Reibbereich zwischen dem Kolben und dem Zylinder zuverlässig geschmiert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im Bereich zumindest eines Totpunkts wenigstens eine in der Bewegungsrichtung des Kolbens verlaufende Längsrille zur Zuführung des Schmiermittels zu dem Reibbereich vorgesehen ist. Diese Längsrille bewirkt einen hochwirksamen Schmiermitteltransport des Schmiermittels zu dem Reibbereich zu dem Kolben und dem Zylinder. Dabei ist eine derartige Längsrille vorzugsweise im Bereich des unteren Totpunkts als auch des oberen Totpunkts angeordnet. Die Längsrille ist so ausgebildet, dass durch diese beim Zusammenwirken mit dem zumindest über einen Teilabschnitt der Längsrille hinweg gleitenden Kolben ein Kapillareffekt erzeugt wird, indem nämlich von dem bewegten Kolben Schmiermittel, das sich endseitig der Längsrille befindet, mitgerissen wird und über die gesamte Länge der Längsrille geführt wird. Dieses sehr effektive oberflächliche Schmiermittelkriechen innerhalb von Kapillaren in einer beliebigen Oberfläche sorgt für eine beständige Schmiermittelversorgung des Systems.
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Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Auslegung eines solchen aus dem Kolben und dem Zylinder bestehenden Systems das Problem besteht, dass einerseits der Reibbereich beziehungsweise die Reibfläche des Kolbens in dem Zylinder für eine hohe Dichtwirkung und einen Aufbau eines hydrodynamischen Schmierfilms des zu fördernden Mediums glatt beziehungsweise gegebenenfalls gehont sein solle, andererseits eine Schmierung der Reibfläche des in dem Zylinder bewegten Kolbens im Bereich des Reibbereichs zwischen dem Zylinder und dem Kolben sichergestellt sein muss. Eine glatte Oberfläche wirkt wie eine Kriechbarriere für das Schmiermittel und folglich versagt die Schmierung im Bereich des Reibbereichs. Andererseits ist es aber auch so, dass der Verschleiß mit geringer werdender Mischreibung ebenfalls abnimmt. Diese Problematik wird durch die erfindungsgemäße Strukturierung der Zylinderwand des Zylinders (und/oder aber auch wie nachfolgend noch erläuter wird, des Kolbens) mit Längsrillen entschärft beziehungsweise ausgeschaltet. Die Zylinderwandung kann auch im Bereich zwischen den Längsrillen sehr glatt sein, während Schmiermittel über die Längsrillen in den gefährdeten Bereich geführt wird. Ein weiteres Problem ist die lokale Erwärmung in dem Reibbereich. Diese ist umso höher, je schlechter die Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien (beispielsweise Kunststoffe) ist. Das Schmiermittel meidet den partiell heißen Kontakt, weil seine Oberflächenspannung temperaturabhängig ist, dass heißt, es zieht sich dorthin zurück, wo es am kältesten ist (Marangoni-Effekt). Auch dieser Effekt wird durch die Längsrillen reduziert, da das Schmiermittel durch die Längsrillen zwangsweise auch zu den heißen Bereichen geführt wird.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Längsrille in den Zylinder eingelassen. Dieses ist die bevorzugte Ausführungsform, wobei aber auch in weiterer Ausgestaltung alternativ oder zusätzlich die Längsrille in einem an dem Zylinder angrenzenden Gehäuse, einer Hülse, die ebenfalls an den Zylinder im Bereich insbesondere unterhalb des Kolbens angrenzt, und/oder dem Kolben selbst angeordnet ist. Bezüglich der Anordnung wird eine Auswahl nach den jeweiligen Gegebenheiten und den Erfordernissen bezüglich der zu erfolgenden Schmierung gewählt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind eine Anzahl von Längsrillen in dem Zylinder, dem Gehäuse, der Hülse und/oder dem Kolben angeordnet. Auch hier erfolgt eine Auswahl der Anzahl der Längsrillen nach den jeweiligen Gegebenheiten. Hierbei ist es aber grundsätzlich nicht erforderlich, dass die Rillen benachbart dicht an dicht angeordnet sind. Es kann je nach den Gegebenheiten des Systems ausreichen sein, wenn die Längsrillen mit einem deutlichen Abstand voneinander angeordnet sind. Dabei ist dieser Abstand so zu bemessen, dass im Betrieb der Bereich zwischen zwei benachbarten Längsrillen von dem durch die Längsrillen geförderten Schmiermittel letztendlich vollständig benetzt wird.
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In Weiterbildung der Erfindung ragt die Längsrille zu ca. 1% bis 10%, bevorzugt bis zu 5% der von dem Kolben berührten Fläche in den Bereich des oberen Totpunkts und des unteren Totpunkts hinein. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung gewährleistet, dass der Kapillarspalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder gleichmäßig mit Schmiermittel benetzt wird.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Längsrille eine Tiefe und eine Breite von 1 µm bis ca. 100 µm, bevorzugt von jeweils 50 µm auf. Eine solche mittlere Tiefe und Breite haben sich als besonders geeignet zur Erzeugung des Kapillareffekts erwiesen. Das Verhältnis von Tiefe zu Breite liegt vorzugsweise bei 1.
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In Weiterbildung der Erfindung mündet die Längsrille benachbart zu dem Reibbereich in einem Schmiermitteldepot. Das Schmiermitteldepot ist dauerhaft mit dem Schmiermittel, das insbesondere Schmieröl ist, gefüllt. Bei einer Anordnung der Längsrille und des Schmiermitteldepots in dem Zylinder wird das Schmiermitteldepot bei der unteren Totpunktstellung und der oberen Totpunktstellung von dem Kolben vollständig überfahren.
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In Weiterbildung der Erfindung mündet die Längsrille in einer ringförmigen Vertiefung, die im Bereich eines Totpunkts angeordnet ist. Wiederum in weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Vertiefung in Kolbenrichtung einen Auslauf mit einem Winkel α in dem entsprechenden Bauteil, also dem Zylinder und/oder dem Kolben, mit einer abnehmenden Tiefe auf.
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In Weiterbildung der Erfindung beträgt der Auslaufwinkel α der Vertiefung zwischen 1° und 10°. Dieser Auslaufwinkel α stellt einen weichen Auslauf der von der Längsrille gebildeten Vertiefung in Kolbenrichtung sicher.
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In Weiterbildung der Erfindung beträgt ein Randwinkel β der Vertiefung gegenüberliegend zu dem Auslaufwinkel α bevorzugt 60° bis 90°. Eine solchermaßen ausgebildete Kante wirkt als Schmiermittelabstreifer und verhindert, dass das Schmiermittel in Richtung des Schmiermitteldepots zurückgefördert wird.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Längsrillenstruktur mit einem Ultrakurzpulslaser in eine (metallische) Spritzgießform des aus einem Kunststoffwerkstoff gefertigten Zylinders eingebracht. Diese Ausgestaltung hat sich insbesondere bei einem aus einem Kunststoffwerkstoff, beispielsweise Thermoplast, gefertigten Zylinder, besonders geeignet und kann (fast) beliebig vervielfältigt werden. Dies ermöglicht eine sehr kostengünstige Herstellung eines entsprechenden Zylinders. Die Verwendung von Kunststoffen hat weiterhin den besonderen Vorteil, dass diese wegen des gegenüber einem metallischen Werkstoff geringeren E-Moduls sehr gut an den Gegenkörper, also dem Kolben anschmiegen und somit hervorragend abdichten. Zudem wird, bedingt durch die größere Kontaktfläche, sehr effektiv ein hydrodynamischer Schmierfilm aufgebaut, der den Mischreibungsanteil verringert und somit den Verschleiß gering hält. Auch müssen Toleranzen nicht so eng vorgegeben werden, wie dies bei einer Verwendung von rein metallischen Bauteilen notwendig ist.
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Wie schon zuvor ausgeführt worden ist, kann auch der Kolben mit entsprechenden Längsrillen, die auch im Rahmen der Erfindung als Kapillarrillen bezeichnet werden können, versehen werden. Diese kommen von dem oberen und unteren Rand des Kolbens und münden vorzugsweise in einer ringförmigen Vertiefung. Die Kontur dieser Längsrillen in dem Kolben wird genauso wie bei einer Anordnung in dem Zylinder, dem Gehäuse oder der Hülse gewählt werden. Die ringförmige Vertiefung sollte vorzugsweise nicht weiter als 5% der Kolbenlänge in die äußere Kolbenfläche hineinragen, weil dieser mit einer glatten Fläche gegen die Zylinderwand dichten muss. Die Versorgung mit Schmiermittel aus einem Schmiermitteldepot, das beispielsweise in dem Zylinder angeordnet ist, erfolgt wie zuvor beschrieben.
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Das System, bestehend aus dem Kolben und dem Zylinder dient beispielsweise als Pumpe zur Förderung von gasförmigen oder flüssigen Medien oder aber auch als Verbrennungsmotor. Eine Schmierung dieser Systeme ist in der Regel zwingend erforderlich, weil bei einem denkbaren Trockenlauf die Dichtheit ungenügend ist und eine zu große Reibung und somit Verschleiß entsteht. Neben einer Schmierung mit dem Schmiermittel Schmieröl kommt auch eine Schmierung mit dem Schmiermittel Fett in Frage. Eine Versorgung des Reibbereichs mit dem Schmiermittel Fett ist aber durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung und Anordnung der Längsrille zusammenwirkend mit dem Schmiermitteldepot, in dem Fett bevorratet wird, ebenfalls sichergestellt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines System, bestehend aus einem Zylinder und einem in dem Zylinder von einem Kurbeltrieb translatorisch auf und ab bewegten Kolben,
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2 eine mit erfindungsgemäßen Längsrillen strukturierte Zylinderwand des Zylinders,
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3 eine perspektivische Ansicht von nebeneinander angeordneten Längsrillen,
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4 eine Detailansicht von Längsrillen, die in einer ringförmigen Vertiefung auslaufen,
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5 eine Schnittdarstellung durch eine ringförmige Vertiefung mit einer darin auslaufenden Längsrille;
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6 ein mit erfindungsgemäßen Längsrillen strukturierter Kolben und
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7 eine Schnittdarstellung eines Systems, bestehend aus einem Zylinder und einem Kolben, wobei unterhalb des Zylinders eine Hülse mit Längsrillen angeordnet ist.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Kurbeltrieb, der eine schematisch dargestellte Kurbelwelle 1 mit einem an einem Kurbelzapfen 2 angelenkten Pleuel 3 aufweist. Das Pleuel 3 ist über einen Kolbenbolzen 4 mit einem Kolben 5 gelenkig verbunden, der in einem Zylinder 6 bewegbar ist. Bei einer Drehbewegung der Kurbelwelle 1 wird der Kolben 5 in dem Zylinder 6 zwischen einem oberen Totpunkt (OT) 7 und einem unteren Totpunkt (UT) 8 translatorisch auf und ab bewegt.
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Das aus dem Kolben 5 und dem Zylinder 6 bestehende System ist beispielsweise als eine Pumpe zur Förderung eines Mediums, beispielsweise eines Fluids oder eines Gases, ausgelegt. Die Kurbelwelle 1, das Pleuel 3 und der Kolben 5 sind vorzugsweise wie die diese Bauteile verbindenden Komponenten aus einem metallischen Werkstoff gefertigt, während der Zylinder 6 alternativ zu einer Fertigung ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff auch aus einem Kunststoffwerkstoff, beispielsweise Thermoplast oder Elastomer, gefertigt sein kann.
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Bei vielen Anwendungen des aus dem Kolben 5 und dem Zylinder 6 bestehenden Systems ist eine Schmierung eines Reibbereichs zwischen dem Kolben 5 und dem Zylinder 6 erforderlich. Diese Schmierung kann im Grunde durch ein beliebiges Schmiermittel in flüssiger (beispielsweise in Form eines Schmieröls) oder konsistenter Form (beispielsweise in Form eines Fetts) erfolgen. Beim Gegenstand der Erfindung wird bevorzugt ein Schmiermittel verwendet, das in einem konsistenten und/oder mehr oder weniger flüssigen Zustand vorliegt, das also insbesondere ein Fett ist.
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Bei der Auslegung eines solchen aus dem Kolben 5 und dem Zylinder 6 bestehenden Systems besteht das Problem, dass einerseits der Reibbereich beziehungsweise die Reibfläche des Kolbens 5 in dem Zylinder 6 für eine hohe Dichtwirkung und einen Aufbau eines hydrodynamischen Schmierfilms des zu fördernden Mediums glatt beziehungsweise gegebenenfalls gehont sein solle, andererseits eine Schmierung der Reibfläche des in dem Zylinder 6 bewegten Kolbens 5 im Bereich des Reibbereichs zwischen dem Zylinder 6 und dem Kolben 5 sichergestellt sein muss. Eine glatte Oberfläche wirkt wie eine Kriechbarriere für das Schmiermittel und folglich versagt die Schmierung im Bereich des Reibkontakts. Andererseits ist es aber auch so, dass der Verschleiß mit geringer werdender Mischreibung ebenfalls abnimmt. Diese Problematik wird durch die in 2 dargestellte Strukturierung der Zylinderwand des Zylinders 6 mit Längsrillen 9 entschärft beziehungsweise gelöst. Die Zylinderwandung kann auch im Bereich zwischen den Längsrillen 9 sehr glatt sein, während Schmiermittel über die Längsrillen 9 in den gefährdeten Bereich geführt wird. Ein weiteres Problem ist die lokale Erwärmung in dem Reibbereich. Diese ist umso höher, je schlechter die Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien (beispielsweise Kunststoffe) ist. Das Schmiermittel (Schmieröl) meidet den partiell heißen Kontakt, weil seine Oberflächenspannung temperaturabhängig ist, dass heißt, es zieht sich dorthin zurück, wo es am kältesten ist (Marangoni-Effekt). Auch dieser Effekt wird durch die Längsrillen 9 ausgeschaltet, da das Schmiermittel durch die Längsrillen 9 zwangsweise auch zu den heißen Bereichen geführt wird. Die Längsrillen 9 bildende Bergrücken werden beispielsweise mit einem Ultrakurzpulslaser in eine vorzugsweise aus einem metallischen oder gegebenenfalls auch aus einem keramischen Werkstoff hergestellten Spritzgießform eingearbeitet, indem der Bereich zwischen den Bergrücken durch den Ultrakurzpulslaser abgetragen wird. Je nach dem gewünschten Abstand der Längsrillen 9 in dem zu fertigenden Zylinder 6 sind die Bergrücken eng oder weiter beabstandet zueinander in der Spritzgießform angeordnet.
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Die Bergrücken übertragen sich bei dem entsprechenden Spritzvorgang des aus einem Kunststoffwerkstoff herzustellenden Zylinders 6 als Längsrillen auf diesen. Die Längsrillen 9 sind in einem unteren Bereich des Zylinders 6 ausgehend von einem Schmiermitteldepot 10 bis zu einem unteren Totpunkt (UT) 8 oder darüber hinaus mit einer geringen Überlappung eines in dem Zylinder 6 bewegten Kolbens sowie in einem oberen Bereich des Zylinders 6 ebenfalls ausgehend von einem Schmiermitteldepot 10 bis zu einem oberen Totpunkt (OT) 7 oder darüber hinaus ebenfalls mit einer geringen Überlappung angeordnet. (Die oberen Längsrillen 9 sind zur besseren Übersichtlichkeit nur im hinteren Bereich des Zylinders 6 dargestellt). Das Fett im Depot 10 gibt als Funktion von Zeit und Temperatur kontinuierlich Öl in die Längsrillen 9 ab und füllt diese auf. Durch die Längsrillen erfolgt ein Schmiermitteltransport wesentlich schneller (bis zu einhundert mal schneller) als bei einer rauen Oberfläche.
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3 zeigt in einer (mikroskopischen) Ausschnittsvergrößerung nebeneinanderliegende Längsrillen 9, die beispielsweise eine Breite (B) und Tiefe (T) von jeweils 50µm aufweisen.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Längsrillen 9 ausgehend von dem hier nicht dargestellten Schmiermitteldepot 10 in einer ringförmigen Vertiefung 11 enden. Die ringförmige Vertiefung 11 ist jeweils Im Bereich der Überlappung von Kolben 5 und Zylinder 6 des oberen Totpunkts (OT) 7 und des unteren Totpunkts (UT) 8 angeordnet. Die ringförmige Vertiefung 11 wird von allen Längsrillen 9 mit Schmiermittel versorgt und ist somit „schmiermittelgefüllt“. Die ringförmige Vertiefung 11 liegt entweder direkt unter dem Randbereich des jeweiligen Totpunkts 7, 8 oder berührt diesen Randbereich des Totpunkts 7, 8 nur. Die ringförmige Vertiefung 11 läuft in Kolbenrichtung in jedem Falle weich (siehe auch 5) aus, damit Schmiermittel durch den Kolben 5 mitgeschleppt wird.
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5 zeigt einen Schnitt durch eine Längsrille 9 und eine anschließende ringförmige Vertiefung 11, die von einem Kolben 5 überfahren wird. Ein Auslaufwinkel α der Längsrille 9 in die ringförmige Vertiefung 11 beträgt zwischen 1° und 10°, während auf der gegenüberliegenden Seite der ringförmigen Vertiefung 11 der Randwinkel β groß ist und zwischen 60° und 90° beträgt, damit diese Kante als Ölabstreifer dient und das Schmiermittel von dem Kolben 5 nicht zurück in Richtung des Schmiermitteldepots 10 gefördert wird. Die ringförmige Vertiefung 11 hat eine maximale Tiefe und Breite, die größer als die maximale Tiefe und Breite der Längsrille 9 sein kann.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 6 zeigt einen Kolben 5, in den ebenfalls Längsrillen 9 und eine ringförmige Vertiefung 11 an dessen Kolbenboden und Kolbenhals angebracht sind. Die jeweilige ringförmige Vertiefung 11 ragt jeweils nicht weiter als 5% der Kolbenlänge in die äußere Kolbenfläche hinein, um eine hinreichende Abdichtwirkung des Kolbens 5 gegenüber dem Zylinder 6 bei einer Förderung des von dem System zu fördernden Mediums zu gewährleisten. Die Versorgung aus dem Schmiermitteldepot 10 erfolgt wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen beschrieben ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 ist im unteren Bereich des Zylinders 6 eine vorzugsweise aus einem thermoplastischen Werkstoff hergestellte Hülse 12 angeordnet, die mit Längsrillen 9 versehen ist. Die Längsrillen 9 transportieren Öl aus einem Ölsumpf des Systems bis zu dem Kolben 5 im Bereich des unteren Totpunkts (UT) 8. Die Hülse 12 ist passgenau in den Zylinder 6 eingesetzt und weist folglich einen Außendurchmesser auf, der dem Zylinderdurchmesser entspricht. Die Hülse 12 endet am unteren Totpunkt (UT) 8. Die Längsrillen 9 sind bevorzugt an der Außenseite der Hülse 12 angeordnet, so dass die Ölkanäle zwischen der Zylinderwand und der Hülse realisiert werden. Die Längsrillen 9 können aber alternativ oder zusätzlich auch an der Innenseite der Hülse 12 aufgebracht werden. Wichtig ist hierbei, dass am Ende der Hülse 12 in Richtung Kolben 5 die Längsrillen 9 um den oberen Rand der Hülse 12 herum gezogen werden, damit die Zylinderwand im Bereich des unteren Totpunkts (UT) 8 benetzt wird. Alternativ zu der Hülse 12 können die Längsrillen 9 auch in einem an den Zylinder 6 angrenzenden Gehäuse angeordnet sein. Bei diesen Ausgestaltungen muss kein Schmiermitteldepot 10 vorgesehen sein, wenn der tiefere Bereich 13 des Systems beispielsweise ölgefüllt ist.
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Abschließend wird darauf hingewiesen, dass beliebige zuvor beschriebene Teilaspekte der verschieden Ausgestaltungen der Erfindung untereinander und miteinander kombiniert sein können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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