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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungsdämpfer zur Dämpfung von Fluidschwingungen in einer Druckleitung, umfassend
- – ein Gehäuse mit einem über eine Eintrittsöffnung fluidleitend mit der Druckleitung verbindbaren Hohlraum und
- – einen den Hohlraum des Gehäuses in einen fluidleitend mit der Eintrittsöffnung verbundenen Druckraum und einen mit der Eintrittsöffnung unverbundenen Gegendruckraum unterteilenden Kolben, welcher abhängig von einer Druckdifferenz zwischen dem Druckraum und dem Gegendruckraum zwischen einer sich bei Druckgleichheit zwischen Druckraum und Gegendruckraum einstellenden Drucklosstellung und einer sich bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenz-Überdrucks im Druckraum gegenüber dem Gegendruckraum einstellenden Maximaldruckstellung verschieblich gelagert und entgegen einer Verschiebung in Richtung seiner Maximaldruckstellung federvorgespannt ist.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein hydraulisches oder pneumatisches System, umfassend
- – eine fluidführende Druckleitung,
- – eine einerseits mit der Druckleitung verbundene Druckquelle,
- – ein andererseits mit der Druckleitung verbundenes und mittels Fluiddruck in der Druckleitung betätigbares Stellglied und
- – einen Schwingungsdämpfer der vorgenannten Art, welcher über seine Eintrittsöffnung mit der Druckleitung verbunden ist.
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Stand der Technik
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Derartige Schwingungsdämpfer und pneumatische oder hydraulische Systeme sind bekannt aus der
DE 10 08 479 A1 . Diese Druckschrift offenbart eine Vorrichtung, bestehend aus einem Druckleitungs-Teilstück, in dessen Wandung ein Schwingungsdämpfer integriert ist. Dieser weist die Form eines Querstutzens auf, der in seinem Fußbereich über eine Eintrittsöffnung mit dem Druckleitungsabschnitt verbunden ist, sodass grundsätzlich Fluid aus der Druckleitung in den von dem Stutzen gebildeten Hohlraum strömen kann. In seinem Kopfbereich ist der Stutzen von einem Gehäusedeckel abgeschlossen, sodass das Innere des Stutzens einen – mit Ausnahme der Eintrittsöffnung – geschlossenen Hohlraum bildet. Innerhalb dieses Hohlraumes ist ein (bezogen auf den Stutzen) axial verschieblich gelagerter Kolben angeordnet. Dieser Kolben unterteilt den Hohlraum des Gehäuses in zwei Teilräume, nämlich einen als Druckraum wirkenden, fußseitigen Teilraum und einen als Gegendruckraum wirkenden, kopfseitigen Teilraum. Der fußseitige Teilraum ist über die Eintrittsöffnung mit der Druckleitung verbunden. Der kopfseitige Teilraum ist hingegen nicht fluidleitend mit der Druckleitung verbunden. Vielmehr verhindert eine den Umfang des Kolbens umlaufende und an der Innenwandung des Stutzens radial anliegende Ringdichtung einen Fluidaustausch zwischen den beiden Teilräumen. In seinem Kopfbereich weist der Kolben einen zentralen Dorn auf, der eine ihn umgebende, axial ausgerichtete Druckfeder zentriert. Die Druckfeder stützt sich einerseits an Schultern des Kolbens, welche den Dorn umlaufen, und andererseits am Gehäusedeckel ab. Durch Einbau der bekannten Vorrichtung in eine Druckleitung, welche eine Druckquelle mit einem hydraulisch oder pneumatisch betätigbaren Stellglied verbindet, entsteht ein gedämpftes hydraulisches oder pneumatisches System. Plötzliche Druckschwankungen in der Druckleitung können durch entsprechende Bewegung des Kolbens abgepuffert werden. Derartige Systeme finden beispielsweise Einsatz im Bereich der Ansteuerung von Kupplungen bei Kfz-Getrieben. Nachteilig bei dem bekannten Schwingungsdämpfer ist jedoch, dass die umfangsseitige Ringdichtung eine potenzielle Leckagequelle darstellt, was bei viel genutzten Hydraulik- oder Pneumatikstrecken durch den entsprechend hohen Verschleiß noch verstärkt wird.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Schwingungsdämpfer und ein entsprechendes hydraulisches oder pneumatisches System zur Verfügung zu stellen, bei dem das Leckagerisiko deutlich verringert wird.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Kolben in seiner Maximaldruckstellung dichtend an einem Anschlag anliegt.
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Eine besonders vorteilhafte Wirkung erzielt ein derart verbesserter Schwingungsdämpfer in einem gattungsgemäßen hydraulischen oder pneumatischen System, in welchem das Stellglied so ausgelegt ist, dass ein zu seiner Betätigung erforderlicher Betriebsdruck in der Druckleitung eine Überschreitung des vorgegebenen Grenz-Überdrucks im Druckraum des Schwingungsdämpfers verursacht.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Die Erfindung beruht zunächst auf der Erkenntnis, dass insbesondere bei der hydraulischen oder pneumatischen Ansteuerung von Schaltelementen im Kfz- und insbesondere im Kfz-Getriebebereich Druckspitzen vorwiegend während einer frühen Phase der Druckaufbringung auftreten. Hat sich der zur Betätigung des Stellgliedes benötigte Betriebsdruck erst einmal stabil aufgebaut, treten in der Regel keine Druckschwankungen mehr auf. In dieser Phase ist ein effektiv arbeitender Schwingungsdämpfer eigentlich unnötig oder zumindest von untergeordneter Bedeutung. Während des Druckanstiegs jedoch treten häufig sehr hohe Druckspitzen auf, die abgepuffert werden sollten, um eine Beschädigung anderer Komponenten des hydraulischen Systems und entsprechende Leckagen zuverlässig zu unterbinden.
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Der erfindungsgemäße Schwingungsdämpfer nutzt diese Erkenntnis insofern, als er lediglich bei vergleichsweise niedrigen Überdrücken im Druckraum eine effektive Schwingungsdämpfung bewirkt. Bei Überschreitung des Grenz-Überdrucks, der bei einem erfindungsgemäß ausgelegten pneumatischen oder hydraulischen System unterhalb (vorzugsweise geringfügig unterhalb) des Betriebsdrucks liegt, nimmt seine Schwingungsdämpfungswirkung aufgrund des Anschlags rapide ab, sichert jedoch eine zuverlässige und verschleißfreie Leckagedichtung. Mit anderen Worten wirkt der erfindungsgemäße Schwingungsdämpfer unterhalb des Grenz-Überdrucks im Druckraum als echter Schwingungsdämpfer, oberhalb des Grenz-Überdrucks jedoch als Dichtelement. Ein Verschleiß der Anschlagdichtung durch eine reibende Kolbenbewegung, wie bei der Umfangsdichtung des Standes der Technik, ist ausgeschlossen. Auch bei langen Standzeiten bildet der erfindungsgemäße Schwingungsdämpfer daher keine potenzielle Leckagequelle.
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Günstigerweise liegt der Kolben in seiner Maximaldruckstellung mit seiner Stirnseite an dem Anschlag an. Dies hat den Vorteil, dass der Kolben im Übrigen weitgehend frei und den Anforderungen des Einzelfalls entsprechend geformt sein kann.
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Günstigerweise weist das Gehäuse einen den Hohlraum abschließenden Gehäusedeckel auf, wie dies aus dem zitierten Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist. Ein solcher Gehäusedeckel kann nämlich, wenigstens in einem Bereich, den Anschlag für den Kolben, insbesondere für dessen Stirnseite, bilden. Eine solche Gestaltung ist insbesondere im Hinblick auf die Formgebung und Montage des Gehäuses vorteilhaft. So kann das Gehäuse beispielsweise hohlzylindrisch ausgestaltet sein. Bei der Montage wird ein im Wesentlichen zylindrischer Kolben eingesetzt und das Gehäuse im Anschluss mit dem Gehäusedeckel verschlossen. Dies ist einer komplexen Formgebung der Gehäusewandungen vorzuziehen.
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Bevorzugt weist der Gehäusedeckel einen den Gegendruckraum fluidleitend mit der Gehäuseumgebung verbindende Austrittsöffnung auf. Wie oben erläutert, ist der Gegendruckraum durch den Kolben von dem Betriebsfluid des Systems getrennt. Gleichwohl ist er regelmäßig mit einem Umgebungsfluid, beispielsweise Luft, gefüllt. Ist der Gegendruckraum durch den Gehäusedeckel druckdicht verschlossen, kann das Umgebungsfluid darin, insbesondere bei geringen Drücken, einer Bewegung des Kolbens in Richtung seiner Maximaldruckstellung entgegenwirken. Ist hingegen, wie bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, im Gehäusedeckel eine Austrittsöffnung vorgesehen, kommuniziert der Gegendruckraum mit der Gehäuseumgebung, sodass in ihm keine die Bewegung des Kolbens behindernde Kompression des Umgebungsfluides erfolgt, sondern dieses vielmehr barrierefrei aus dem Gegendruckraum entweichen kann.
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Grundsätzlich ist denkbar, die Anschlagsflächen des Kolbens und des Anschlags selbst so präzise aufeinander abzustimmen und fein zu bearbeiten, dass die bloße Anlage der Flächen aneinander die erwünschte Dichtwirkung erzeugt. Kostengünstiger und daher vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Anschlag oder ein in der Maximaldruckstellung des Kolbens an dem Anschlag anliegender Bereich des Kolbens, d.h. eine der wechselwirkenden Anschlagflächen, ein Dichtelement trägt. Insbesondere kann es sich dabei um einen in eine offene Ringnut eingelegten Elastomerring handeln. Dem Fachmann sind solche, beispielsweise als O-Ring-Dichtung bekannte Dichtungsmechanismen geläufig. Ihre Dichtwirkung beruht wesentlich auf einer Abstimmung des O-Ring-Durchmessers und der Nut-Dimensionen, wobei dem Fachmann die entsprechenden Gesetzmäßigkeiten geläufig sind.
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Über den bereits erwähnten Kostenvorteil hinaus hat eine solche Ausgestaltung der Dichtung noch den zusätzlichen Vorteil, dass der Elastomerring auch in der Maximaldruckstellung des Kolbens eine geringfügige federnde Kolbenbewegung zulässt, sodass auch bei anstehendem Betriebsdruck im hydraulischen bzw. pneumatischen System eine Rest-Dämpfungswirkung erhalten bleibt. In Systemen, in denen bewusst auf eine solche Rest-Dämpfungswirkung verzichtet werden soll, können selbstverständlich auch andere Arten von Dichtungen, beispielsweise Metalldichtungen, eingesetzt werden.
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Hinsichtlich der Formgestaltung des Kolbens wird als vorteilhaft angesehen, wenn der Kolben als ein gegen den Druckraum geschlossener und gegen den Gegendruckraum offener Hohlzylinder ausgebildet ist, in dessen Innerem eine einerseits gegen den Boden des Hohlzylinders und andererseits gegen den Gehäusedeckel abgestützte Druckfeder angeordnet ist. Die Stirnfläche eines solchen Kolbens ist ringförmig. Dieser Ring kann an einem entsprechend dimensionierten, ringförmigen Dichtungselement des Gehäusedeckels anschlagen bzw. es kann ein solches Dichtelement in eine in die ringförmige Stirnseite des Kolbens eingearbeitete Ringnut eingelegt sein. Die zur Sicherstellung einer Rückstellung des Kolbens erforderliche Federvorspannung wird am einfachsten durch eine Druckfeder erzeugt, die jedoch Montageraum benötigt. Dieser Montageraum wird durch das hohle Innere des Kolbens zur Verfügung gestellt. Der Boden des Kolbens wirkt somit als Trennung zwischen Druck- und Gegendruckraum, seine Zylinderwände als Träger der Anschlagfläche und sein Innenraum als Aufnahme für die Druckfeder. Ein weiterer Vorteil dieser speziellen Formgebung liegt in der großen Kontaktfläche zwischen den radialen Kolbenwänden und dem Gehäuse, die gemeinsam ein Gleitlager für die Kolbenbewegung darstellen. Aufgrund der großen Kontaktfläche bildet sich hier eine wirksame Dichtung aus, die auch ohne zusätzliche, verschleißanfällige Dichtelemente eine Leckage von Fluid aus dem Druckraum in den Gegendruckraum während der Kolbenbewegung verhindert (in der Maximaldruckstellung, d.h. bei erhöhten Drücken wird eine solche Leckage, wie oben erläutert, durch die Anschlagdichtung verhindert).
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers in Drucklosstellung,
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2 den Schwingungsdämpfer von 1 in Maximaldruckstellung.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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Die 1 und 2 zeigen in stark schematisierter Darstellung einen erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfer 10 in seiner Drucklosstellung (1) und in seiner Maximaldruckstellung (2). Der Schwingungsdämpfer 10 weist ein Gehäuse 12 auf, welches einen Hohlraum 14 umgibt, der über eine Eintrittsöffnung 16 mit einer nicht dargestellten Druckleitung verbindbar ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Gehäuse 12 sogar über zwei Eintrittsöffnungen 16 mit einer Druckleitung verbindbar, an die jeweils ein Abschnitt der Druckleitung, beispielsweise durch Verschraubung, angeschlossen werden kann. Im Inneren des Gehäuses 12 ist ein (in Bezug auf das Gehäuse) axial verschieblich gelagerter Kolben 18 angeordnet. Dieser unterteilt mit seinem Boden 181 den Hohlraum 14 im Gehäuse in einen Druckraum 20 und einen Gegendruckraum 22. Der Druckraum 20 ist im endmontierten Zustand über die Eintrittsöffnungen 16 fluidleitend mit der Druckleitung verbunden. Der Gegendruckraum ist durch den Kolben 18 gegen den Druckraum 20 abgedichtet, wobei die Kontaktfläche zwischen Kolbenaußenwand und Gehäuseinnenwand dichtend wirkt.
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Der Kolben 18 ist im Wesentlichen in Form eines einseitig offenen Hohlzylinders ausgebildet. Am Umfang seines kreisscheibenförmig ausgebildeten Bodens 181 erstreckt sich eine den Mantel des Hohlzylinders bildende Ringwand 182 in axialer Richtung. Sie wird von einer kreisringförmigen Stirnfläche 183 begrenzt. Das Gehäuse, dessen hohler Innenraum beispielsweise durch eine Senkbohrung sowie Querbohrungen für die Eintrittsöffnungen 16 ausgebildet sein kann, wird von einem Gehäusedeckel 26 abgeschlossen. Der Gehäusedeckel kann beispielsweise mit der Gehäusewandung verschraubt sein. Selbstverständlich sind auch andere Verbindungsarten, beispielsweise Verschweißen, Verlöten, Verstemmen oder Ähnliches möglich. Der Gehäusedeckel 26 weist eine zentrale Austrittsöffnung 28 auf, die den Innenraum 14 mit dem Gehäuseäußeren verbindet. Auf seiner Innenseite weist der Gehäusedeckel 26 eine Ringnut 29 auf, in die ein elastischer O-Ring 30 eingelegt ist. Position und Durchmesser des O-Rings sind, wie weiter unten in Zusammenhang mit 2 beschrieben, auf die Stirnfläche 183 des Kolbens 18 abgestimmt.
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Im hohlen Inneren des Kolbens 18, d.h. im Wesentlichen im Gegendruckraum 22, ist eine Druckfeder 32 angeordnet, die sich einerseits gegen den Kolbenboden 181 und andererseits gegen den Gehäusedeckel 26 abstützt und den Kolben in Richtung seiner in 1 gezeigten Drucklosstellung vorspannt. Die Drucklosstellung stellt sich aufgrund der Federvorspannung 32 automatisch ein, wenn Druckgleichheit zwischen dem Druckraum 20 und dem Gegendruckraum 22 vorliegt. Der Fachmann wird erkennen, dass die Drucklosstellung auch dann stets vorliegt, wenn der im Druckraum 20 herrschende Druck eine geringere Kraft auf den Kolben ausübt, als die Druckfeder 32.
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Übersteigt jedoch der im Druckraum 20 vorliegende Fluiddruck, insbesondere bei Druckbeaufschlagung der Druckleitung zur Betätigung eines nicht dargestellten, an die Druckleitung angeschlossenen Stellgliedes, die von der Druckfeder 32 ausgeübte Vorspannung, verschiebt sich der Kolben 18 in Richtung seiner Maximaldruckstellung, d.h. nach oben in 1.
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Die maximale Verschiebestellung in dieser Richtung, d.h. die Maximaldruckstellung des Kolbens 18 ist in 2 schematisch dargestellt. In dieser Stellung schlägt der Kolben 18 mit seiner Stirnfläche 183 am Gehäusedeckel 26 an, wobei der O-Ring 30 im Bereich der Anschlagsfläche liegt. Hierdurch kommt eine zuverlässig dichtende Anlage zustande. Jegliches Fluid, welches zwischen der Außenwandung des Kolbens 18 und der Innenwandung des Gehäuses 12 vordringt, wird an dieser Dichtung gestoppt, wobei jeder Druckanstieg die Dichtwirkung erhöht. Eine derartige Anschlagdichtung ist daher leckage- und verschleißfrei.
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Wird also die Druckleitung eines erfindungsgemäßen hydraulischen oder pneumatischen Systems druckbeaufschlagt, um ein Stellglied zu betätigen, werden Druckspitzen während des Druckanstiegs aufgrund der durch die Druckfeder 32 erzeugten Elastizität des Dämpfers 10 abgepuffert. Insbesondere werden steile und hohe Druckspitzen, die empfindliche Elemente des Systems beschädigen könnten, abgefangen. Ist jedoch der Betriebsdruck, der bei einem erfindungsgemäß ausgelegten System geringfügig, d.h. nicht mehr als 10%, über dem konstruktiv vorgegebenen Grenz-Überdruck des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfer liegt, erreicht, befindet sich der Kolben 18 in seiner Maximaldruckstellung, in der er nicht mehr als Schwingungsdämpfer, sondern lediglich als Dichtung wirkt. Je nach Auslegung des Anschlags kann eine geringe Rest-Dämpfung verbleiben. Dies ist beispielsweise bei der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform der Fall, wo die Materialelastizität des O-Rings 30 diese Rest-Dämpfungswirkung erzielt. Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schwingungsdämpfer
- 12
- Gehäuse
- 14
- Hohlraum
- 16
- Eintrittsöffnung
- 18
- Kolben
- 181
- Boden von 18
- 182
- Ringwand von 18
- 183
- Stirnfläche von 18
- 20
- Druckraum
- 22
- Gegendruckraum
- 24
- Kontaktfläche
- 26
- Gehäusedeckel
- 28
- Austrittsöffnung
- 29
- Ringnut
- 30
- O-Ring
- 32
- Druckfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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