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Die Erfindung betrifft eine Zylinder-Kolben-Vorrichtung, insbesondere einen Hydraulikspeicher, mit einem aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigten Zylinder und wenigstens einem Kolben, der an wenigstens einer Seite eine von wenigstens einer Wandung umgebene Ausnehmung umfasst.
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Aus dem Stand der Technik sind Zylinder-Kolben-Vorrichtungen bekannt, die beispielsweise als Aktuatoren, Energiespeicher und/oder Dämpfungsvorrichtungen genutzt werden können. Bei ihrer Nutzung können sich Dichtspalte zwischen dem Zylinder und dem Kolben bzw. zwischen dem Rohr und dem Hydraulikkolben bilden bzw. aufweiten. Diese Aufweitung ist von Faktoren wie den Materialien und den Abmessungen der Zylinder-Kolben-Vorrichtung sowie den Druckverhältnissen in der Zylinder-Kolben-Vorrichtung abhängig. Große Aufweitungen können insbesondere bei dünnwandigen Hydraulikzylindern und/oder Kolbenspeichern auftreten.
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Das Aufweiten des Dichtspaltes kann zu einem Versagen der Kolbendichtung bzw. zu einem Nachlassen der Dichtwirkung der Kolbendichtung führen. Dies trift auch auf die üblicherweise aus Stahl hergestellten Zylinder-Kolben-Vorrichtungen zu, welche geringe Verformungen der mit Druck beaufschlagten Komponenten sicherstellen sollen.
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Vor diesem Hintergrund soll eine verbesserte Kolben-Zylinder-Vorrichtung bereitgestellt werden, die auch in einem druckbeaufschlagten Zustand ein sicheres Funktionieren der Kolbendichtung und damit der gesamten Kolben-Zylinder-Vorrichtung ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Zylinder-Kolben-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Zylinder-Kolben-Vorrichtung kann als Hydraulikspeicher genutzt werden bzw. ausgebildet sein. Denkbar ist jedoch auch eine Ausführung als Dämpfungsvorrichtung, als Aktuator oder als sonstige Zylinder-Kolben-Vorrichtung. Ferner ist die Erfindung nicht auf eine hydraulische Vorrichtung beschränkt sondern von dem Erfindungsgedanken sind auch pneumatische Vorrichtungen umfasst.
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Die erfindungsgemäße Zylinder-Kolben-Vorrichtung umfasst einen aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigten Zylinder. Innerhalb des Zylinders kann ein Kolben bzw. ein Kolbenabschnitt vorgesehen sein, der an wenigstens einer Seite eine von wenigstens einer Wandung umgebene Ausnehmung umfasst. Im Bereich der Wandung kann der Kolben dabei eine in radialer Richtung des Kolbens veränderliche bzw. flexible Struktur aufweisen. Die derart flexibel mit dem weiteren Gefüge des Kolbens verbundene Wandung kann ferner wenigstens eine Dichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist den Dichtspalt zwischen Kolben und Zylinder abzudichten.
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Über die Wandung der Ausnehmung kann der innerhalb des Zylinders vorliegende Druck auf die Wandung einwirken und diese so radial nach außen gegen die Innenwandung des Zylinders drücken. Die zwischen Zylinder und Kolben vorgesehene Dichtung kann so auch bei einem druckbeaufschlagten und radial nach außen verformten Zylinder stets eine Dichtwirkung zwischen dem Zylinder und dem Kolben entfalten bzw. sicherstellen. Die Eigenschaften und Vorteile, welche vorliegend im Zusammenhang mit einer Ausführung der Erfindung mit einer Ausnehmung beschrieben sind, gelten analog auch für eine Ausführung der Erfindung mit zwei Ausnehmungen.
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In einer bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass die Ausnehmung einen wenigstens teilweise trapezförmigen Querschnitt aufweist. Der trapezförmige Querschnitt kann dabei besonders einfach herstellbar sein. Die Eckbereiche des im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitts können abgerundet sein oder anderweitig abweichend von einem echten Trapez ausgebildet sein. Die Ausnehmung kann in eine Richtung ausgerichtet sein, welche der Längsrichtung der Zylinder-Kolben-Vorrichtung entspricht.
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In einer bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass der Kolben an zwei gegenüberliegenden Seiten je eine Ausnehmung umfasst. Die beiden einander gegenüberliegenden Seiten können dabei in radialer Richtung des Kolbens voneinander beabstandet sein bzw. in radialer Richtung des Kolbens einander gegenüberliegen. Jede der beiden Ausnehmungen kann somit einem unterschiedlichen Bereich des Zylinders zugeordnet sein, in dem insbesondere unterschiedliche Druckverhältnisse herrschen können oder eingestellt werden können. Durch eine entsprechende Ausgestaltung des Kolbens und des Zylinders können auch doppelwirkende Zylinder-Kolben-Vorrichtungen die erfindungsgemäß erzielten Vorteile aufweisen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass die beiden Ausnehmungen einen wenigstens teilweise trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Die trapezförmigen Querschnitte der beiden Ausnehmungen können sich dabei voneinander unterscheiden oder identisch sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist ferner denkbar, dass beide Ausnehmungen von Wandungen umgeben sind und/oder, dass im Bereich beider Wandungen Dichtungen vorgesehen sind. Die Wirkprinzipien und Vorteile, welche bei einer Ausgestaltung mit lediglich einer Ausnehmung und einer Wandung des Kolbens auftreten, können bei einer Ausführung mit zwei Ausnehmungen und zwei Dichtungen ebenfalls verwirklicht werden bzw. auftreten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass der Kolben eine Kolbenstange und einen damit gekoppelten Kolbenkopf umfasst. Die Kopplung zwischen der Kolbenstange und dem Kolbenkopf kann permanent oder lösbar sein. Der Kolbenkopf kann derjenige Bereich des Kolbens sein, auf welchem der Druck von wenigstens einem Arbeitsbereich bzw. von wenigstens einer Kammer des Zylinders wirkt bzw. der den Zylinder in wenigstens zwei fluidisch getrennte Bereiche trennt, in denen entsprechend unterschiedliche Drücke einstellbar sind. Insbesondere kann der Kolbenkopf den als Wandung bezeichneten Abschnitt bzw. die als Wandungen bezeichneten Abschnitte umfassen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass der Kolbenkopf eine radial innen angeordnete Durchführung umfasst, die zum Koppeln der Kolbenstange mit dem Kolbenkopf ausgebildet ist. Die Durchführung kann hierbei beispielsweise ein Gewinde bzw. ein Innengewinde umfassen, in das ein entsprechendes Gegengewinde bzw. ein Außengewinde der Kolbenstange einschraubbar ist.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung ist dabei denkbar, dass die Durchführung zum Aufnehmen eines Teils der Kolbenstange und/oder wenigstens eines Feststellmittels ausgebildet ist. Bei dem Feststellmittel kann es sich beispielsweise um wenigstens eine Mutter oder wenigstens eine Schraube handeln, die im Bereich der Durchführung bzw. in einem an die Durchführung angrenzenden Bereich mit der Koppelstange koppelbar ist und beispielsweise in einem Randbereich der Durchführung an dem Kolbenkopf anliegen kann.
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In einer bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass ein radial äußerer Bereich des Kolbenkopfs symmetrisch ausgebildet ist. Die Symmetrie des radial äußeren Bereichs des Kolbenkopfs kann sich hierbei auf eine Symmetrie in axialer Richtung des Kolbenkopfs beziehen, so dass zwei sich axial gegenüberliegenden Seiten des Kolbenkopfs, welche unterschiedlichen Arbeitsräumen des Zylinders zugeordnet sein können, gleich oder annähernd gleich ausgebildet sein können. Der Kolbenkopf bzw. ein radial äußerer Bereich des Kolbenkopfs kann zusätzlich oder alternativ rotationssymmetrisch bzw. im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet sein, wobei nicht rotationssymmetrische Abschnitte wie beispielsweise ein Innengewinde zur Kopplung des Kolbenkopfs mit der Kolbenstange von der Rotationssymmetrie und/oder von der Achsensymmetrie offensichtlich nicht erfasst sind. Die Rotationssymmetrie kann sich beispielsweise auf die Längsachse der Zylinder-Kolben-Vorrichtung beziehen.
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Die Erfindung ist ferner auf einen Hydraulikkolben für eine Zylinder-Kolben-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gerichtet. Der Hydraulikkolben kann an wenigstens einer Seite eine von einer Wandung umgebene Ausnehmung und wenigstens eine im Bereich der Wandung an einer radial außen gelegenen Seite des Kolbens vorgesehene Dichtung und/oder Nut zur Aufnahme einer Dichtung umfassen. Die Nut und/oder die Dichtung können dabei an einer der Ausnehmung gegenüberliegenden Seite der Wandung angeordnet sein. Der Kolben kann weitere oder alle der im Zusammenhang mit dem Kolben der Zylinder-Kolben-Vorrichtung beschriebenen Merkmale aufweisen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind anhand der in der Figur beispielhaft gezeigten Ausführung erläutert.
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Die einzelne Figur zeigt erfindungsgemäße eine Zylinder-Kolben-Vorrichtung, welche beispielsweise als Hydraulikspeicher ausgebildet sein kann. Innerhalb eines aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigten Zylinders 1 ist ein Kolben 2 verschieblich gelagert. Im Ausführungsbeispiel der Figur zeigt der Kolben 2 an zwei axial einander gegenüberliegenden Seiten Ausnehmungen 22, 22', die von jeweils einer Wandung 21, 21' umgeben sind.
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Die axiale Richtung ist mit der gestrichelten Linie A gekennzeichnet und entspricht im Wesentlichen der Bewegungsrichtung des Kolbens 2 innerhalb des Zylinders 1. Zwischen der Innenseite des Zylinders 1 und der Außenseite des Kolbens 2 und im Bereich der Wandungen 21, 21' können sich Dichtungen 23, 23' befinden, die den Kolben 2 gegen die Innenwand des Zylinders 1 abdichten. Erfindungsgemäß kann wenigstens eine einzelne Dichtung 23 vorgesehen sein, welche an einer Wandung 23 einer Ausnehmung 22 zum Abdichten des entsprechenden Bereichs angeordnet ist.
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Der Kolben kann somit wenigstens teilweise in Becherform gestaltet sein und dazu ausgebildet sein, sich unter Druck auszuweiten. Die Dichtungen 23, 23' bzw. die Dichtung 23 kann hierbei nahe des Kolbenrands bzw. des Kolbenhorns angeordnet sein.
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Die beiden Ausnehmungen 22, 22' sind in der Ausführung der Figur trapezförmig und/oder identisch ausgeführt. Denkbar sind auch davon abweichende Querschnitte. Die Querschnitte der Ausnehmungen 22, 22' bzw. die Ausnehmungen 22, 22' stellen sicher, dass auf die Wandungen 21, 21' eine druckbedingte Kraft in radial nach außen gerichtete Richtung wirken kann und damit die Dichtungen 23, 23' bzw. wenigstens eine Dichtung 23 gegen in die Innenwand des Zylinders 1 pressen bzw. wirken kann.
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Hierzu kann es vorgesehen sein, dass die Dichtung 23, 23' in einem Bereich der Wandung 21, 21' angeordnet ist, in dem radial innen bezogen auf die Dichtung 23, 23' die Ausnehmung 22, 22' einen Hohlraum zur Aufnahme von druckbeaufschlagtem Fluid bereitstellt. Vorliegend können sich im Zusammenhang mit zwei Wandungen 21, 21', Ausnehmungen 22, 22' und Dichtungen, 23, 23' beschriebene Merkmale der Erfindung immer auch auf eine Ausführung mit jeweils einer der genannten Komponenten beziehen und umgekehrt.
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In der in der Figur gezeigten Ausführung mit zwei Ausnehmungen 22, 22' und zwei die Ausnehmungen 22, 22' umgebenden Wandungen 21, 21' kann vorgesehen sein, dass die beiden Wandungen 21, 21' einen wenigstens teilweise gemeinsamen äußeren Abschnitt haben, der insbesondere der dem Zylinder 1 nächstliegende Abschnitt der Wandungen 21, 21' ist. Allgemein kann wenigstens ein Teil der radial äußeren Abschnitte der Wandungen 21, 21' eine insbesondere einheitliche Zylinderform aufweisen.
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Bei den beiden die Ausnehmungen 22, 22' umgebenden Wandungen 21, 21' kann es sich um hohlzylinderförmige Abschnitte handeln oder um Abschnitte, welche hohlzylinderähnlich oder teilweise hohlzylinderförmig aufgebaut sind. Die Wandungen 21, 21' können einen außen hohlzylinderförmigen Abschnitt umfassen, der an seiner Innenseite kegelstumpfförmig ausgespart ist. Die Wandungen 21, 21' können dabei einstückig mit dem restlichen Gefüge des Kolbenkopfs 25 ausgebildet sein.
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Die Dichtungen 23, 23' können in einem radial und/oder axial äußeren Bereich des Kolbenkopfs 25 vorgesehen und/oder in einem Bereich der Wandungen 21, 21' vorgesehen sein, in dem diese eine geringere Stärke aufweisen bzw. eine geringere radiale Erstreckung aufweisen, als Bereiche der Wandungen 21, 21', welche axial weiter in der Mitte des Kolbenkopfs 25 liegen.
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Wie der Figur ferner zu entnehmen ist, kann der Kolben 2 eine Kolbenstange 24 und einen damit gekoppelten Kolbenkopf 25 umfassen, an welchem wie oben geschildert die Wandung 21, 21', die Ausnehmungen 22, 22' und die Dichtungen 23, 23' angeordnet sein können. Ein Teil oder alle der genannten Komponenten können auch einstückig mit dem Kolbenkopf 25 ausgebildet sein und/oder nur einfach an dem Kolben 2 vorgesehen sein.
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Die Dichtung 23 bzw. die Dichtungen 23, 23' können jeweils in einer dafür vorgesehene Nut angeordnet sein. Die radiale Erstreckung der Nut bzw. die Tiefe der Nut in radialer Richtung kann größer sein, als die geringste radiale Erstreckung bzw. Dikke der Wandungen 21, 21'.
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Die Kolbenstange 24 kann wenigstens teilweise in einer der Ausnehmungen 22' angeordnet sein. In dieser Hinsicht kann die Kolbenstange dazu führen, dass die Ausnehmung 22' die Form eines hohlen Rotationsvolumens bzw. Rotationskörpers hat.
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Die Kolbenstange 24 kann weiterhin wenigstens zwei unterschiedliche Durchmesser aufweisen, wobei der Durchmesser der Kolbenstange 24 in dem Bereich, in dem diese mit dem Kolbenkopf 25 in Kontakt ist der kleinere oder der kleinste Durchmesser der Kolbenstange 24 sein kann.
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Der größere bzw. der größte Durchmesser der Kolbenstange 24 kann wenigsten halb so groß sein wie der Durchmesser des Kolbenkopfs 25. Die axiale Abmessung des Kolbenkopfs 25 kann um weniger als 50%, insbesondere um weniger als 25% und besonders bevorzugt um weniger als 10% von der radialen Abmessung bzw. vom Durchmesser des Kolbenkopfs 25 abweichen.
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Zwischen den Bereichen mit unterschiedlichen Durchmessern kann ein Anschlag bzw. eine Schulter vorgesehen sein, mittels dem bzw. mittels der die Kolbenstange 24 gegen den Kolbenkopf 25 in wenigstens eine Richtung feststellbar ist.
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In einem radial und/oder axial innen gelegenen Bereich des Kolbenkopfs 25 kann eine Durchführung 26 vorgesehen sein, die zum Koppeln der Kolbenstange 24 mit dem Kolbenkopf 25 ausgebildet sein kann. In einer einfachen Ausführung kann die Durchführung 26 ein Gewinde und die Kolbenstange 24 ein entsprechendes Gegengewinde umfassen, welche zum Koppeln des Kolbenkopfs 25 an der Kolbenstange 24 miteinander verschraubt werden können.
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In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführung kann die Durchführung 26 oder ein der Durchführung 26 benachbarter Teil des Kolbenkopfs 25 zur Aufnahme wenigstens eines Teils der Kolbenstange 24 und/oder eines Feststellmittels ausgebildet sein.
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Denkbar ist beispielsweise, dass an einer der Stangenseite des Kolbenkopfs 25 gegenüberliegenden Seite ein oder mehrere Aufnahmebereiche für eine Mutter oder einen Schraube vorgesehen sind, die mit der Kolbenstange 24 zum Feststellen der Kolbenstange 24 am Kolbenkopf 25 verschraubbar sind.
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Wie der Figur ferner zu entnehmen ist, kann der Kolbenkopf 25 wenigstens teilweise symmetrisch aufgebaut sein. Denkbar ist, dass der Kolbenkopf 25 relativ zu einer bezogen auf die Längsachse A der Zylinder-Kolben-Vorrichtung senkrechten Fläche spiegelsymmetrisch aufgebaut ist und/oder dass er bezogen auf die Längsachse A der Zylinder-Kolben-Vorrichtung wenigstens teilweise rotationssymmetrische Abschnitte aufweist.
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Der radial innere Bereich des Kolbenkopfs 25 kann hohlzylinderförmig ausgebildet sein und die Wandungen 21, 21' können sich direkt an diesen radial inneren Bereich anschließen. In einer besonders einfachen Ausführung kann der Kolbenkopf 25 aus dem hohlzylinderförmigen radial inneren Bereich und einer sich direkt daran anschließenden Wandung 21 bestehen. Die Ausnehmung 22 kann wenigstens teilweise von der Wandung 21 und von dem radial inneren Bereich des Kolbenkopfs 25 begrenzt sein. Die Ausnehmung 22 kann ferner von einem planaren Abschnitt der Kolbenstange 24 begrenzt sein. Bei dem planaren Abschnitt kann es sich um einen Endabschnitt der Kolbenstange 24 handeln.
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Von der Erfindung sind Zylinder-Kolben-Vorrichtungen jeglicher Bauart umfasst, die einen aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigten Zylinder 1 umfassen. So sind beispielsweise einfach oder doppelt wirkende Zylinder-Kolben-Vorrichtungen genauso denkbar, wie Zylinder-Kolben-Vorrichtungen, bei denen eine Kolbenstange 24 auf beiden Seiten des Kolbenkopfs 25 vorgesehen ist.
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Der Kolben 2 kann innerhalb des Rohrs bzw. des Zylinders 1 so gestaltet sein, dass er sich durch seine becherförmigen Enden bzw. Ausnehmungen 22, 22' und die außenliegenden Dichtungen unter Druck aufweitet und/oder der Aufweitung des Rohrs bzw. des Zylinders 1 folgt. Dabei kompensiert er die Aufweitung und erreicht eine Reduzierung der Aufweitung des Dichtspalts zwischen Kolben 2 und Rohr bzw. Zylinder 1. Der Kolben 2 kann ein- oder mehrteilig sein und Komponenten aus Metall und/oder Kunststoff umfassen.
