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Die Erfindung betrifft einen Gaskolbenspeicher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 oder des Anspruches 2 sowie ein Verfahren zur Gas-Befüllung eines solchen Gaskolbenspeichers nach dem Anspruch 8.
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Ein Gaskolbenspeicher ist als eine Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet, deren Hydraulikraum mit einer Hydraulikleitung verbindbar ist. Auf den Hydraulikraum wirkt ein mit einer Vorspannkraft vorgespannter Druckkolben ein, um die Hydraulikflüssigkeit in der Hydraulikleitung mit einem Speicherdruck zu beaufschlagen. Die Vorspannkraft wird durch einen Gasdruck in einem Gasraum erzielt, der über den Druckkolben vom Hydraulikraum abgetrennt ist.
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Der aus dem Stand der Technik bekannte Gaskolbenspeicher ist einwandig mit einer Zylinderwand aufgebaut, an deren oberer Ringschulter ein Füllventil eingebaut ist. An die Zylinderwand des einwandigen Gaskolbenspeichers sind hohe Anforderungen gestellt: Einerseits bildet der Innenumfang der Zylinderwand eine Kolben-Lauffläche, entlang der sich der Druckkolben im Lade-/Entladevorgang des Gaskolbenspeichers axial verstellt. Andererseits wirkt die Zylinderwand des Gaskolbenspeichers in Doppelfunktion auch als eine lasttragende Struktur, so dass deren Wandstärke sowie deren Materialauswahl entsprechend angepasst werden muss. Zudem ist der Verbau eines Füllventils im Gaskolbenspeicher mit hohem Fertigungsaufwand sowie hohen Kosten verbunden.
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Aus der
US 3 287 008 A sind ein Stoßdämpfer sowie ein Verfahren zum Druckaufbau im Stoßdämpfer bekannt. Aus der
DE 36 03 075 A1 ist eine Gasfeder bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Gaskolbenspeicher bereitzustellen, der im Vergleich zum Stand der Technik mit reduziertem Fertigungsaufwand bereitstellbar ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1, 2 oder 8gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Erfindungsgemäß ist der Gaskolbenspeicher nicht mehr einwandig, sondern vielmehr doppelwandig ausgeführt, und zwar mit einem Innenrohr, in dem der Druckkolben axial geführt ist, und einem Außenrohr, dass das Innenrohr unter Bildung eines Ringspalts mit Abstand umzieht. Auf diese Weise bildet das Innenrohr in erster Linie die Kolben-Lauffläche für den Druckkolben. Das Außenrohr wirkt dagegen funktionell unabhängig vom Innenrohr schwerpunktmäßig als lasttragende Struktur.
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In einer technischen Umsetzung kann der Druckkolben das Rohrinnere des Innenrohrs in den Hydraulikraum und den Gasraum unterteilen. Der Ringspalt zwischen Innen- und Außenrohr ist flüssigkeits- und druckdicht vom Hydraulikraum abgetrennt. Demgegenüber ist der Ringspalt strömungstechnisch mit dem Gasraum in Verbindung. Beispielhaft kann zumindest ein Strömungsdurchlass bereitgestellt sein, mit dem der im Innenrohr gebildete Gasraum mit dem Ringspalt strömungstechnisch verbunden ist.
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Bei einer solchen Konstruktion wird eine Befüllmethode angewendet, die in ähnlicher Form im Bereich einer Stoßdämpferfertigung Anwendung findet. So wird der Gaskolbenspeicher zunächst vollständig und drucklos montiert. Anschließend wird das Außenrohr in einem Anstich-Schritt angestochen. Durch das Anstich-Loch im Außenrohr kann der Ringspalt sowie der strömungstechnisch damit verbundene Gasraum evakuiert werden. Im Anschluss an diese Evakuierung kann der Gasraum mit Stickstoff befüllt werden. Nach erfolgter Stickstoff-Befüllung wird das Anstich-Loch durch einen Schweißpunkt oder ähnliches wieder verschlossen. Aufgrund der Doppelwandigkeit des Gaskolbenspeichers bietet sich diese Art der Befüllung besonders an, da das Außenrohr keine Funktionsfläche (das heißt Druckkolben-Lauffläche) mehr darstellt und eine Verformung des Außenrohrs durch den Einstich-Prozessschritt nicht mehr funktionsrelevant ist.
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Mittels der Erfindung ist somit ein schneller, einfacher sowie großserientauglicher Befüllprozess ohne Bereitstellung eines Füllventils ermöglicht. Zudem kann das Gehäuse des Gaskolbenspeichers vollständig verschweißt werden, wie etwa ein Stoßdämpfer. Dabei können Dichtringe zwischen Gehäuseteilen wegfallen und ist das Gaskolbenspeicher-Gehäuse vollständig permeationsfrei realisierbar. Ferner kann der Vorspanndruck des Gasfederkolbens (aufgrund geringer Toleranzen) exakt eingestellt werden. Zudem kann ein als mechanischer Anschlag wirkender Sicherungsring weggelassen werden.
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In einer Weiterbildung kann der Hydraulikraum des Innenrohrs in der Axialrichtung durch einen hydraulikseitigen Zylinderboden des Gaskolbenspeichers begrenzt sein. In dem hydraulikseitigen Zylinderboden ist die Mündung (Ölzulauf) der Hydraulikleitung ausgebildet. Demgegenüber kann der im Innenrohr befindliche Gasraum in der Axialrichtung durch einen gasseitigen Zylinderboden des Gaskolbenspeichers begrenzt sein. Der gasseitige Zylinderboden und der hydraulikseitige Zylinderboden sind an den gegenüberliegenden Gaskolbenspeicher-Stirnseiten angeordnet. Beide Zylinderböden (oder zumindest einer davon) können als mechanische Kolben-Anschläge für den Druckkolben wirken. Zudem können die beiden Zylinderböden zusammen mit dem Außenrohr ein äußeres Druckkolbenspeicher-Gehäuse bilden, in dem das Außenrohr materialeinheitlich und/oder einstückig in die beiden axial gegenüberliegenden Zylinderböden übergeht.
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Eine formstabile Befestigung des Innenrohrs im Gaskolbenspeicher ist im Hinblick auf eine einwandfreie Betriebsfähigkeit von großer Bedeutung. Vor diesem Hintergrund ist ein hydraulikseitiges Rohrende des Innenrohrs in Richtung auf den hydraulikseitigen Zylinderboden konisch aufgeweitet, um den Ringspalt zu überbrücken. Das konisch aufgeweitete hydraulikseitige Rohrende des Innerohres kann am Innenumfang des Außenrohrs befestigt sein.
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Zudem ist das Innenrohr an seinem gasseitigen Rohrende ebenfalls konisch aufgeweitet, wodurch der Ringspalt überbrückt wird. In das gasseitige Rohrende ist am Innenumfang des Außenrohrs befestigt. Der Strömungsdurchlass zwischen dem Radialspalt und dem Gasraum kann bevorzugt im konisch aufgeweiteten gasseitigen Rohrende des Innenrohrs ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß bildet der Innenumfang des Innenrohrs die Druckkolben-Lauffläche, während das Außenrohr funktionell entkoppelt vom Druckkolben ist. Die im Innenrohr gebildete Druckkolben-Lauffläche kann bevorzugt komplett glattzylindrisch ausgebildet sein, und zwar ohne eine Ringnut zur Anordnung eines Sicherungsrings, der im Stand der Technik als mechanischer Druckkolben-Anschlag wirkt. In diesem Fall ist in einem vollständig entleerten Zustand der Druckkolben mit der im Gasraum generierten Vorspannkraft in Druckanlage gegen den hydraulikseitigen Zylinderboden gedrückt. Bei einer übermäßig großen Druckanlagefläche zwischen dem Druckkolben und dem hydraulikseitigen Zylinderboden besteht die Problematik, dass der Druckkolben aufgrund eines Saugnapfeffekts dazu neigt, am hydraulikseitigen Zylinderboden anzuhaften. Dies kann zu Druckspitzen und/oder Druckschwankungen im Hydraulikbetrieb führen. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, wenn die, dem hydraulikseitigen Zylinderboden zugewandte Kolbenfläche aufgeteilt ist in eine axial zurückgesetzte Grundfläche, von der eine Anschlagstruktur über einen Axialversatz vorragt. Im vollständig entleerten Zustand kann daher nicht die gesamte Druckkolbenfläche großflächig in Druckanlage mit dem hydraulikseitigen Zylinderboden sein, sondern lediglich die flächenkleinere Anschlagstruktur. Besonders bevorzugt ist es, wenn im entleerten Zustand die Anschlagstruktur des Druckkolbens zusammen mit dem hydraulikseitigen Zylinderboden und dem Innenrohr eine Einfüllkammer begrenzt. Bei einem erneuten Ladevorgang des Gasdruckspeichers kann Hydraulikflüssigkeit von der Hydraulikleitung zunächst in die Einfüllkammer einströmen, um ein Loslösen des (am hydraulikseitigen Zylinderboden anhaftenden) Druckkolbens vom hydraulikseitigen Zylinderboden zu unterstützen.
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Alternativ zu einem entleerten Zustand kann der Gaskolbenspeicher nach einem Ladevorgang vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt sein. Im vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zustand ist der Druckkolben entgegen der Vorspannkraft bis in Druckanlage gegen den gasseitigen Zylinderboden gedrückt. Bei einer übermäßig großen Kontaktfläche zwischen dem Druckkolben und dem gasseitigen Zylinderboden besteht ebenfalls die Problematik, dass aufgrund eines Saugnapfeffektes der Druckkolben auch nach Abschluss des Ladevorgangs (das heißt mit Beginn eines Entladevorgangs) zunächst am gasseitigen Zylinderboden haften bleibt. Um beim Start eines Entladevorgangs ein Loslösen des Druckkolbens von dem gasseitigen Zylinderboden zu unterstützen, kann der Druckkolben an seiner Gasseite aufgeteilt sein, in eine axial zurückgesetzte Grundfläche, von der eine Anschlagstruktur über einen Axialversatz vorragt.
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Im vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zustand (das heißt Druckkolben ist in Druckanlage mit dem gasseitigen Zylinderboden) kann die Anschlagstruktur zusammen mit dem gasseitigen Zylinderboden und dem Innenrohr eine Einfüllkammer begrenzen. Mit dem Start des Entladevorgangs kann sich Gas vom Ringspalt über den Strömungsdurchlass bis in das Innenrohr hinein entspannen und in die gasseitige Einfüllkammer einströmen, wodurch der Druckkolben vom gasseitigen Zylinderboden losgelöst wird.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Aufstandsfläche des Druckkolbens am jeweiligen Zylinderboden durch eine besondere Kolbengeometrie auf ein Minimum reduziert ist. Dennoch ist zu gewährleisten, dass eine gleichmäßige Kraftübertragung der auf den Druckkolben wirkenden Kräfte erfolgt, so dass der Druckkolben selbst nur einer geringen Durchbiegungsbelastung ausgesetzt wird. Beispielhaft kann als Kolbenmaterial im Hinblick auf einen Kolben-Leichtbau aus Faserverbundkunststoff hergestellt sein.
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Vor diesem Hintergrund kann die am Druckkolben ausgebildete Anschlagstruktur einen von der Druckkolben-Grundfläche vorragenden hülsenförmigen Fortsatz aufweisen. Der hülsenförmige Fortsatz kann bevorzugt konzentrisch zum Druckkolben-Umfang und/oder koaxial zu einer Gaskolbenspeicher-Längsachse angeordnet sein. In diesem Fall kann sich die gasseitige/hydraulikseitige Einfüllkammer in der Umfangsrichtung durchgängig ringförmig um den hülsenförmigen Fortsatz erstrecken. Im Hinblick auf eine weitere Vergleichmäßigung der Kraftübertragung ist es bevorzugt, wenn die Anschlagstruktur zusätzliche Radialstege aufweist, die vom Außenumfang des hülsenförmigen Fortsatzes abragen. Deren radial äußere Stegseiten sind um einen Radialversatz innerhalb des Druckkolbenumfangs angeordnet, um eine in Umfangsrichtung durchgängig offene Einfüllkammer zu gewährleisten.
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Der hülsenförmige Fortsatz der Anschlagstruktur des Druckkolbens kann radial innen eine sacklochartige Vertiefung definieren. Im vollständig von Hydraulikflüssigkeit entleerten Zustand oder im vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zustand kann die freie ringförmige Stirnseite des hülsenförmigen Fortsatzes der Druckkolben-Anschlagstruktur in Druckanlage mit dem jeweiligen Zylinderboden sein. Von daher ist die sacklochartige Vertiefung im vollständig von Hydraulikflüssigkeit entleerten Zustand oder im vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zustand fluiddicht entkoppelt von der radial außerhalb des hülsenförmigen Fortsatzes befindlichen Einfüllkammer.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 in einer Schnittdarstellung einen Gaskolbenspeicher;
- 2 und 3 jeweils Teilschnittdarstellungen des Gaskolbenspeichers in unterschiedlichen Betriebspositionen;
- 4 bis 6 jeweils unterschiedliche Ansichten des Druckkolbens; sow i e
- 7 und 8 Ansichten, die Prozessschritte zur Gas-Befüllung des Gaskolbenspeichers veranschaulichen.
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In der 1 ist ein Gaskolbenspeicher gezeigt, der als eine Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet ist. Der Gaskolbenspeicher ist in der 1 doppelwandig mit einem Innenrohr 1 und einem Außenrohr 3 ausgebildet.
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Im Innenrohr 1 ist ein Druckkolben 5 axial geführt. Der Druckkolben 5 unterteilt das Rohrinnere des Innenrohrs 1 in einen unteren Hydraulikraum 7 und einen oberen Gasraum 9. Das Innenrohr 1 ist mit einem Radialabstand unter Bildung eines Ringspalts 13 von dem Außenrohr 3 beabstandet.
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In der 1 ist der im Innenrohr 1 befindliche Gasraum 9 in Axialrichtung nach oben durch einen gasseitigen Zylinderboden 15 begrenzt. In gleicher Weise ist der im Innenrohr 1 befindliche Hydraulikraum 7 in Axialrichtung nach unten durch einen hydraulikseitigen Zylinderboden 17 begrenzt, in dem eine Mündung (Ölzulauf) 19 einer Hydraulikleitung 21 ausgebildet ist. Die beiden Zylinderböden 15, 17 bilden zusammen mit dem Außenrohr 3 ein äußeres zylindrisches Gaskolbenspeicher-Gehäuse 23.
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Wie aus den 1, 2 und 3 weiter hervorgeht, ist ein hydraulikseitiges Rohrende 25 des Innenrohrs 1 in Richtung auf den hydraulikseitigen Zylinderboden 17 konisch ausgeweitet, wodurch der Ringspalt 13 radial nach außen überbrückt ist. Das konisch ausgeweitete, hydraulikseitige Rohrende 25 ist in druckfester sowie flüssigkeitsdichter Schweißverbindung am Inneneckbereich zwischen dem Außenrohr 3 und dem hydraulikseitigen Zylinderboden 17 verschweißt.
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In gleicher Weise ist ein gasseitiges, oberes Rohrende 27 in Richtung auf den gasseitigen Zylinderboden 15 konisch ausgeweitet, wodurch der Ringspalt 13 radial nach außen überbrückt wird. Das konisch ausgeweitete gasseitige Rohrende 27 ist in der 1 oder 3 am Inneneckbereich zwischen dem Außenrohr 3 und dem gasseitigen Zylinderboden 15 befestigt. Auf diese Weise ergibt sich insgesamt eine formstabile Doppelwandstruktur, bei der im Vergleich zu einer Einfachwandstruktur ein geringerer Materialeinsatz erforderlich ist.
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Der als Druckkolben-Lauffläche wirkende Innenumfang des Innenrohrs 1 ist komplett glattzylindrisch zwischen den beiden Rohrenden 25, 27 ausgebildet.
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In der 3 ist der Gaskolbenspeicher nach einem Entladevorgang in einem vollständig ölleeren Zustand gezeigt. Demzufolge ist der Druckkolben 5 durch eine Vorspannkraft FV , die durch einen Gasdruck pgas im Gasraum 9 erzeugt wird, in Druckanlage gegen den hydraulikseitigen Zylinderboden 17 gedrückt. Bei einer übermäßig großen Kontaktfläche zwischen dem Druckkolben 5 und dem hydraulikseitigen Zylinderboden 17 kann es beim Start eines Ladevorgangs zu einer Haftverbindung (aufgrund eines Saugnapfeffekts) zwischen dem Druckkolben 5 und dem hydraulikseitigen Zylinderboden 17 kommen. Um beim Start des Ladevorgangs ein Loslösen des Druckkolbens 5 vom hydraulikseitigen Zylinderboden 17 zu unterstützen, weist der Druckkolben 5 eine flächenkleine Anschlagstruktur 29 auf, die über einen Axialversatz Δa (1) von einem axial zurückgesetzten Kolben-Grundkörper 31 abragt. Im vollständig entleerten Zustand gemäß der 3 ist der Druckkolben 5 daher über seine flächenkleine Anschlagstruktur 29 auf dem hydraulikseitigen Zylinderboden 17 abgestützt. Wie aus der 3 weiter hervorgeht, ist im ölleeren Zustand zwischen dem Kolben-Grundkörper 31, der Anschlagstruktur 29, dem Innenrohr-Innenumfang sowie dem hydraulikseitigen Zylinderboden 17 eine Hydraulik-Einfüllkammer 33 definiert. Beim Start des Ladevorgangs strömt daher Hydraulikflüssigkeit von der Hydraulikleitung 21 zunächst in die Einfüllkammer 33 ein, um ein Loslösen des Druckkolbens 5 vom hydraulikseitigen Zylinderboden 17 zu unterstützen.
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In der 2 ist der Gaskolbenspeicher nach einem erfolgten Ladevorgang vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt. Entsprechend ist in der 2 der Druckkolben 5 entgegen der Vorspannkraft FV in Druckanlage gegen den gasseitigen Zylinderboden 15 gedrückt. Der Druckkolben 5 weist an seiner Gasseite ebenfalls eine um einen Axialversatz Δa vom Kolben-Grundkörper 31 vorragende Anschlagstruktur 29 (1) auf. In der 2 definiert die Anschlagstruktur 29 zusammen mit dem Innenrohr-Innenumfang, dem Kolben-Grundkörper 31 sowie dem gasseitigen Zylinderboden 15 eine gasseitige Einfüllkammer 35. Mit dem Start eines Entladevorgangs entspannt sich das Gas und strömt vom Ringspalt 13 über den Strömungsdurchlass 10 in das Innenrohr 1 und weiter in die gasseitige Einfüllkammer 35 ein, um ein Loslösen des Druckkolbens 5 vom gasseitigen Zylinderboden 15 zu unterstützen. Der Druckkolben 5 weist daher beidseitig, das heißt sowohl auf seiner Hydraulikseite als auch auf seiner Gasseite jeweils eine flächenreduzierte Anschlagstruktur 29 auf, die mit dem zugeordneten Zylinderboden 15, 17 in Anschlag bringbar ist.
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Gemäß der 4 weist der Druckkolben 5 an seinem Kolben-Außenumfang eine umlaufende Kolbenringdichtung 37 auf, um ein leichtgängiges axiales Verstellen des Druckkolbens 5 entlang der Druckkolben-Lauffläche im Innenrohr 1 zu gewährleisten.
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In der 5 ist die Anschlagstruktur 29 an der Gasseite (das heißt Unterseite) des Druckkolbens 5 gezeigt. Demzufolge weist die Anschlagstruktur 29 einen vom Druckkolben-Grundkörper 31 vorragenden hülsenförmigen Fortsatz 39 auf, der konzentrisch zum Druckkolben-Umfang positioniert ist. Die hydraulikseitige Einfüllkammer 33 erstreckt sich durchgängig ringförmig um den hülsenförmigen Fortsatz 39 des Druckkolbens 5. Am Außenumfang des hülsenförmigen Fortsatzes 39 ragen sternförmig sowie gleichmäßig umfangsverteilt Radialstege 41 ab, deren radial äußere Stegseiten um einen Radialversatz Δr ( 5) innerhalb des Druckkolben-Umfangs angeordnet sind.
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In der 6 ist der Druckkolben 5 an seiner Gasseite (das heißt Oberseite) gezeigt. Demzufolge ist die gasseitige Anschlagstruktur 29 im Wesentlichen baugleich aufgebaut wie die hydraulikseitige Anschlagstruktur 29 (5). Der sowohl an der Gasseite als auch an der Hydraulikseite des Druckkolbens 5 ausgebildete hülsenförmige Fortsatz 39 begrenzt in den 2 oder 3 radial innen eine sacklochartige Vertiefung 40. Im vollständig von Hydraulikflüssigkeit entleerten Zustand (3) oder im vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zustand (2) ist die freie ringförmige Stirnseite des jeweiligen hülsenförmigen Fortsatzes 39 der Druckkolben-Anschlagstruktur 29 in Druckanlage mit dem jeweiligen Zylinderboden 15, 17. Von daher ist in der 2 oder 3 die sacklochartige Vertiefung 40 im vollständig von Hydraulikflüssigkeit entleerten Zustand oder im vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zustand vollständig fluiddicht entkoppelt von der radial außerhalb des hülsenförmigen Fortsatzes 39 befindlichen Einfüllkammer 33, 35.
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Anhand der 7 und 8 werden Prozessschritte zur Gas-Befüllung des Gaskolbenspeichers veranschaulicht. Demzufolge wird in einem Anstichschritt I eine Füllöffnung 43 in das Außenrohr 3 eingebracht. Anschließend erfolgt ein Evakuierungsschritt II, bei dem der Innenraum des Gaskolbenspeichers von Luft evakuiert wird. Nach Abschluss des Evakuierschrittes II wird ein Füllschritt III (8) durchgeführt, bei dem über die seitlich am Außenrohr 3 ausgebildete Füllöffnung 43 der Ringspalt 13 und der damit strömungstechnisch verbundene Gasraum 9 im Innenrohr 1 mit Gas, insbesondere Stickstoff, befüllt werden. Nach dem Füllvorgang wird in einem Schließschritt IV die Füllöffnung 43 geschlossen, etwa zugeschweißt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Innenrohr
- 3
- Außenrohr
- 5
- Druckkolben
- 7
- Hydraulikraum
- 9
- Gasraum
- 13
- Ringspalt
- 15
- gasseitiger Zylinderboden
- 17
- hydraulikseitiger Zylinderboden
- 19
- Ölzulauf
- 21
- Hydraulikleitung
- 23
- Gaskolbenspeicher-Gehäuse
- 25
- hydraulikseitiges Rohrende
- 27
- gasseitiges Rohrende
- 29
- Anschlagstruktur
- 31
- Kolben-Grundkörper
- 33
- hydraulikseitige Einfüllkammer
- 35
- gasseitige Einfüllkammer
- 37
- Kolbendichtring
- 39
- hülsenförmiger Fortsatz
- 40
- sacklochartige Vertiefung
- 41
- Radialstege
- Δa
- Axialversatz
- Δr
- Radialversatz
- pgas
- Gasdruck
- pS
- Speicherdruck
- FV
- Vorspannkraft
- I bis IV
- Prozessschritte
