DE102020130252A1

DE102020130252A1 - Sicherungsvorrichtung zum Abbremsen einer Relativgeschwindigkeit zweier Bauteile zueinander sowie Kraftfahrzeug mit einer solchen Sicherungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102020130252A1
Application number: DE102020130252.5A
Authority: DE
Inventors: Steffen Ullrich; Paul Gowling; Istvan Virag; Holm Schubert; Helmut Kammerer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-11-17
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2021-11-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sicherungsvorrichtung (10) zum geschwindigkeitsabhängigen Abbremsen einer Relativgeschwindigkeit zweier Bauteile (12, 13) zueinander, wobei die Sicherungsvorrichtung (10) als Zylinder-Kolben-Anordnung mit einer Kolbenstange (4) und einem fluidgefüllten Zylinder (1) ausgestaltet ist und ein Ende der Kolbenstange (4) mit einem Kolben (2) verbunden ist, der in dem Zylinder (1) angeordnet ist und der einen Bypass-Kanal (3) für das Zylinder-Fluid (9) aufweist. Die Erfindung sieht vor, dass vor einer Einströmöffnung (8) des Bypass-Kanals (3) in einem Abstand ein elastisches Membranelement (6) angeordnet ist, welches die Einströmöffnung (8) zu zumindest einer Seite (20) hin überragt, sodass ein Spalt (17) zwischen dem Membranelement (6) und dem Kolben (2) ausgebildet ist, durch welchen hindurch während einer Einschiebe-Bewegung das Fluid (9) mit einer Einströmgeschwindigkeit (18) zur Einströmöffnung (8) hin strömt und durch den entstehenden Unterdruck das elastische Membranelement (6) zu dem Kolben (2) hin ansaugt und dabei verformt, wodurch sich der Spalt verschmälert.

Description

Die Erfindung betrifft Sicherungsvorrichtung zum Abbremsen einer Relativgeschwindigkeit zweier Bauteil zueinander, um beispielsweise ein unkontrolliertes herabfallen eines der Bauteile abzubremsen. Die Erfindung umfasst auch ein Kraftfahrzeug, bei welchem zwei Bauteile, insbesondere eine Heckklappe und eine Fahrzeugheck, über die Sicherungsvorrichtung verbunden sind, um ein unkontrolliert schnelles Schließen der Heckklappe zu verhindern.
Bei einer Heckklappe eines Kraftfahrzeugs kann deren Schwenkgeschwindigkeit mittels einer Gasdruckfeder begrenzt werden, die beispielsweise am Heck oder Rahmen des Kraftfahrzeugs abgestützt ist und mit der Heckklappe verbunden ist. Eine solche Gasdruckfeder ist eine Dämpferanordnung mit einem Zylinder und einem darin beweglich gelagerten Kolben, durch welchen ein Innenraum des Zylinders in zwei Kammern geteilt ist. Wird der Kolben in dem Zylinder bewegt, strömt in dem Zylinder für einen Druckausgleich ein Fluid, beispielsweise ein Gas oder ein Öl, durch einen Bypass-Kanal des Kolbens aus der sich verkleinernden Kammer in die sich vergrößernde Kammer. Ein Durchmesser oder Querschnitt des Bypass-Kanals legt hierbei fest, welcher Kraftaufwand nötig ist, um eine bestimmte Schwenkgeschwindigkeit der Heckklappe zu erreichen. Dies ist beispielsweise aus dem Dokument DE 10 2018 215 619 B3 bekannt.
Soll die Heckklappe motorisiert bewegt werden, kann eine elektrische Antriebseinheit vorgesehen sein, beispielsweise ein Elektromotor, die über eine Zahnstange oder eine Spindel die Heckklappe verschwenken kann. Bei einem Bruch der Zahnstange oder Spindel kann die Heckklappe allerdings ungebremst zufallen, wogegen man Benutzer des Kraftfahrzeugs schützen möchte. Sieht man hierzu allerdings zusätzlich die beschriebene Gasdruckfeder vor, so muss die elektrische Antriebseinheit im unbeschädigten Zustand dauerhaft gegen die Kraft der Gasdruckfeder anarbeiten, um die Heckklappe zu verschwenken. Dies würde den Leistungsbedarf der Antriebseinheit vergrößern und zusätzlich einen unerwünschten zusätzlichen Verschleiß in der Antriebseinheit verursachen.
Das beschriebenen Problem der Sicherstellung einer begrenzten oder abgebremsten Relativgeschwindigkeit zweier Bauteile zueinander besteht nicht nur bei einer Heckklappe eines Kraftfahrzeugs. Generell kann man daran interessiert sein, zwei Bauteile relativ zueinander zu bewegen und dies für den Fall, dass die Relativgeschwindigkeit unter einem Schwellenwert liegt, mit einem geringeren Kraftaufwand zu ermöglichen als für den Fall, dass die Relativgeschwindigkeit oberhalb eines Schwellenwerts liegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherungsvorrichtung zum geschwindigkeitsabhängigen Abbremsen oder zum Begrenzen einer Relativgeschwindigkeit zweier Bauteile zueinander bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Fig. beschrieben.
Die Erfindung umfasst eine Sicherungsvorrichtung zum Abbremsen oder zum Begrenzen einer Relativgeschwindigkeit zweier Bauteil zueinander. Die Sicherungsvorrichtung ist als Dämpfer-Anordnung (auch genannt Feder-Kolben-Anordnung oder Zylinder-Kolben-Anordnung) mit einer Kolbenstange zum Verbinden mit dem ersten Bauteil und mit einem Zylinder zum Verbinden mit dem zweiten Bauteil ausgestaltet. Der Zylinder ist mit einem Fluid gefüllt. In dem Zylinder ist in an sich bekannter Weise ein Kolben angeordnet, der mit einem Ende der Kolbenstange verbunden ist. Der Kolben weist in der beschriebenen Weise einen Bypass-Kanal für das Fluid auf.
Die Erfindung basiert somit auf einer Anordnung, die eine Gasdruckfeder oder einen Öldämpfer weiterbildet. Diese Anordnung ist hier als Dämpfer-Anordnung bezeichnet. Die Kolbenstange und der Zylinder können jeweils direkt oder indirekt mit dem jeweils zugeordneten Bauteil verbunden sein. Das Fluid im Innenraum des Zylinders kann gasförmig oder flüssig sein, also durch ein Gas oder Gasgemisch oder durch z.B. ein Öl realisiert sein, um nur Beispiele zu nennen. Durch den Kolben ist in an sich bekannter Weise der Innenraum des Zylinders in zwei Kammern unterteilt. Wird die Kolbenstange bewegt, gleitet der Kolben im Innenraum des Zylinders an der Innenwand entlang und verkleinert hierdurch eine der Kammern während sich die andere Kammer vergrößert. Durch den Bypass-Kanal kann für einen Druckausgleich das Fluid aus der sich verkleinernden Kammer in die sich vergrößernde Kammer strömen. Die im Folgenden beschriebene erfindungsgemäße Lösung wirkt dabei für eine Bewegungsrichtung, also entweder eine Einschiebebewegung (Kolbenstange wird in den Zylinder eingeschoben) oder eine Ausziehbewegung (Kolbenstange wird aus dem Zylinder herausgezogen).
Um bei zu großer Relativgeschwindigkeit einen Abbremseffekt zu erzeugen, ist räumlich vor einer Einströmöffnung des Bypass-Kanals ein elastisches Membranelement angeordnet, welches die Einströmöffnung zusätzlich zu zumindest einer Seite hin überragt, sodass zwischen dem Membranelement einerseits und einer Stirnseite des Kolbens andererseits ein Zwischenraum oder Spalt ausgebildet ist, durch welchen hindurch das Fluid während der Einschiebe- oder Ausziehbewegung mit einer Einströmgeschwindigkeit zur Einströmöffnung hin strömt. Das Membranelement liegt also als ein Deckel über der Einströmöffnung und ist dabei aber von dem Kolben beabstandet, sodass das Fluid um das Membranelement herum in die Einströmöffnung einströmen kann. Ein Durchmesser des Membranelements ist dabei größer als der Durchmesser der Einströmöffnung, wodurch sich der Spalt ergibt. Indem das Fluid zwischen Membranelement und Kolben zur Einströmöffnung hin strömt, ergibt sich ein Sogeffekt und damit wird das elastische Membranelement zu dem Kolben hin ansaugt und dabei verformt, sodass durch das Verformen des Membranelements eine Spaltbreite des Spalts mit zunehmender Einströmgeschwindigkeit verringert ist. Die Spaltbreite verringert sich geschwindigkeitsabhängig um bis zu 100 Prozent, wobei dann in der erreichten Endstellung das Membranelement an einer Kontaktanlage anliegt und gegen eine weitere Verformung abgestützt ist. Die Spaltbreite oder der im Spalt vom Fluid durchströmbare Querschnitt ist also je nach aktueller Einströmgeschwindigkeit um beispielsweise 60 Prozent oder mehr (relativ zur ursprünglichen Spaltbreite) verringert oder verengt. Der kleinste mögliche Wert der Spaltbreite oder der minimale Restquerschnitts von 60 Prozent oder mehr ist hier nur ein beispielhafter Wert und der Fachmann kann durch Wahl der Kontaktanlage und/oder der Form des Membranelements den verbleibenden minimalen Restquerschnitt von der konkreten Applikation abhängig einstellen.
Vor der Einlassöffnung des Bypass-Kanals ist als Membranelement beispielsweise eine Haut oder eine Platte angeordnet. Ein Durchmesser ist hierbei größer als ein Durchmesser der Einströmöffnung, sodass das Membranelement als Deckel oder Abdeckung über die Einströmöffnung (in einem Abstand größer als 0) angeordnet ist. Bei im Zylinder stillstehendem Kolben ergibt sich der Abstand des Membranelements zu der Einströmöffnung und der umliegenden Stirnseite des Kolbens, sodass das Fluid an dem Membranelement vorbei zwischen Membranelement und Kolben in dem Spalt zur Einströmöffnung hin strömen kann. Der im Vergleich zum Innenraum des Kolbens verringerte Strömungsquerschnitt im Spalt sorgt für einen Druckabfall im Fluid im Verhältnis zum Fluiddruck in der sich verkleinernden Kammer, wodurch das Fluid in der sich verkleinernden Kammer auf das Membranelement drückt. Das Membranelement wird aufgrund seiner Elastizität hierdurch angesaugt und verformt und verringert dadurch die Spaltbreite des Spalts, wobei dieser Effekt umso größer ist, je größer die Einströmgeschwindigkeit des Fluids im Spalt ist. Je schneller also der Kolben in dem Zylinder bewegt wird, desto größer ist die Einströmgeschwindigkeit des Fluids in dem Spalt und desto schmaler wird der Spalt, was wiederum einen vergrößerten Strömungswiderstand für das Fluid beim Einströmen in die Einströmöffnung darstellt.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein dynamischer oder geschwindigkeitsabhängiger Strömungswiderstand für das Fluid beim Einströmen in die Einströmöffnung des Bypass-Kanals. Dies bewirkt eine Bremskraft am Kolben und somit die beschriebene Begrenzung oder das Abbremsen der Relativgeschwindigkeit der beiden Bauteile, die über diese Sicherungsvorrichtung miteinander verbunden sind.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Eine Ausführungsform umfasst, dass die Spaltbreite bei stillstehendem Kolben einen Ruhewert aufweist (z.B. in einem Bereich von 0.1 Millimeter bis 3.0 Millimeter) und dass die Spaltbreite mit zunehmender Einströmgeschwindigkeit abnimmt, bis ein Minimalwert erreicht ist, bei welchem durch das Membranelement ein von dem Fluid durchströmbarer Querschnitt minimiert ist. Durch das sich verformende Membranelement kann somit bewirkt werden, dass der Bypass-Kanal vollständig verschlossen wird. Von da an kann auf der dem Kolben abgewandten Seite des Membranelements der dort vorhandene Fluiddruck das Membranelement auf die Einströmöffnung pressen.
Eine Ausführungsform umfasst, dass bei minimalem durchströmbaren Querschnitt die Einströmöffnung vollständig oder bis auf einen verbleibenden durchströmbaren Restquerschnitt verschlossen ist. Wird die Einströmöffnung vollständig verschlossen, so kann damit die Relativbewegung der beiden Bauteile zueinander angehalten werden oder abgefedert werden. Wird dagegen sichergestellt, dass ein verbleibender Restquerschnitt größer als 0 erhalten bleibt, also das Membranelement die Einströmöffnung nur unvollständig oder nicht vollständig verschließt, sondern lediglich verringert, so kann eine Beweglichkeit der Bauteile zueinander sichergestellt werden.
Eine Ausführungsform umfasst, dass das Membranelement an einer dem Kolben zugewandten und den Spalt begrenzenden Seite eine Oberflächenstruktur, insbesondere Noppen und/oder Rippen, aufweist, durch welche der besagte Restquerschnitt festgelegt ist. Durch Einstellen einer Noppenhöhe oder Rippenhöhe und/oder eines Abstands zwischen den Noppen oder den Rippen kann der Restquerschnitt gezielt geometrisch festgelegt werden.
Eine Ausführungsform umfasst, dass das Membranelement bei stillstehendem Kolben eine Ruhestellung aufweist und mit zunehmender Einströmgeschwindigkeit das Membranelement die Spaltbreite graduell oder aber bei Überschreiten eines Schwellenwerts der Einströmgeschwindigkeit durch Wechseln zwischen zwei bistabilen Zuständen mit einem Schnappeffekt verringert. Somit sind zwei unterschiedliche Ausführungsformen für das Begrenzen oder Abbremsen der Relativgeschwindigkeit der beiden Bauteile möglich, indem nämlich mit zunehmender Relativgeschwindigkeit graduell die Bremskraft erhöht wird (also stetig zunimmt) oder nach dem Knackfrosch-Prinzip das Membranelement über der Einströmöffnung zuschnappt und damit ein Schalteffekt bewirkt ist. Um den Schnappeffekt zu erhalten, kann ein geometrischer Dickeverlauf des Membranelements und/oder eine Form des Membranelements, beispielsweise durch Ausgestalten als gewölbte oder halbkuppelförmige Platte.
Eine Ausführungsform umfasst, dass durch den Kolben ein Innenraum des Zylinders in der beschriebenen Weise in zwei Kammern geteilt ist und der Bypass-Kanal die einzige Durchgangsöffnung zwischen den Kammern ist oder dass zusätzlich zu dem Bypass-Kanal ein von dem Membranelement unbeeinflusster weiterer Bypass-Kanal bereitgestellt ist. Ist der Bypass-Kanal die einzige Durchgangsöffnung, so kann der durchströmbare Querschnitt, durch welchen hindurch das Fluid bei einer Bewegung des Kolbens fließen kann, vollständig mittels des Membranelements kontrolliert werden. Mittels eines zusätzlichen Bypass-Kanals kann sichergestellt werden, dass auch für den Fall, dass das Membranelement die beschriebene Einströmöffnung vollständig verschließt, dennoch das Fluid durch den anderen Bypass-Kanal weiter hindurchströmen kann.
Eine Ausführungsform umfasst, dass das Membranelement als Ring oder Scheibe ausgestaltet ist und an einer Stirnseite des Kolbens oder zwischen zwei Kolbenteilen angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung ist die Montage des Membranelements an dem Kolben mit technisch geringem Aufwand möglich, was insbesondere für die industrielle Fertigung vorteilhaft ist. Durch Anordnen des Membranelements an der Stirnseite des Kolbens ist das Membranelement der Stirnseite des Kolbens vorgelagert. Wird dagegen das Membranelement in den Kolben integriert, indem es zwischen zwei Kolbenteile angeordnet wird, kann beispielsweise ein Montageverfahren zum Vernieten der Kolbenstange mit dem Kolben sogleich auch das Membranelement befestigen.
Eine Ausführungsform umfasst, dass das Membranelement als Spritzgussteil bereitgestellt ist und/oder für seine Elastizität ein Gummi und/oder ein Polymer aufweist. Eine Gasdruckfeder, insbesondere für eine Heckklappe eines Kraftfahrzeugs, kann einen Zylinder aufweisen, dessen Innendurchmesser weniger als 20 Millimeter beträgt. Diese verhältnismäßig kleinen Abmessungen erfordern eine hohe Fertigungsgenauigkeit, um das Strömungsverhalten des Fluids geschwindigkeitsabhängig gemäß einer gewünschten Kennkurve einzustellen. Diese Fertigungsgenauigkeit kann mittels eines Spritzgussverfahrens für das Membranelement sichergestellt werden, um eine geschwindigkeitsabhängige Membranverformung oder Membranstellung auf eine vorgegebene Charakteristik gemäß einer Kennkurve (Kolbengeschwindigkeit zu Membranstellung) einzustellen. Durch Verwendung von Gummi und/oder einem Polymer ergibt sich der Vorteil, dass für das Membranelement keine relativbeweglichen mechanischen Teile und keine Stahlfeder notwendig sind. Zudem kann durch Verwendung von Gummi und/oder einem Polymer im Membranelements sowohl dessen Elastizität als auch dessen Dichtwirkung dargestellt werden, was mit einer starren Ventilkappe beispielsweise nicht erreicht werden könnte.
Eine Ausführungsform umfasst, dass das Membranelement mittels einer Clipsverbindung oder einer Nietverbindung oder einer Steckverbindung oder einer Schraubverbindung oder in einer Kappe des Kolbens gehalten ist. Das Membranelement kann auf diese Weise mit geringem technischen Aufwand und dennoch schnell montiert werden.
Eine Ausführungsform umfasst, dass die Sicherungsvorrichtung als Gasdruckfeder oder als Öldämpfer für eine Fahrzeugklappe ausgestaltet ist. Mit anderen Worten kann die Sicherungsvorrichtung in derselben Weise in einem Kraftfahrzeug verbaut werden wie eine Gasdruckfeder oder ein Öldämpfer, wobei nun aber in der Sicherungsvorrichtung die zusätzliche Funktion der geschwindigkeitsabhängigen Bremswirkung vorhanden ist.
Die Erfindung umfasst auch ein Kraftfahrzeug mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung, wobei zwei gegeneinander beweglich gelagerte Bauteile des Kraftfahrzeugs über der Sicherungsvorrichtung miteinander verbunden sind. Bei dem Kraftfahrzeug ist in vorteilhafter Weise verhindert, dass eines der Bauteile beispielsweise durch Einfluss der Schwerkraft oder durch kraftvolles Zuschlagen auf eine Geschwindigkeit beschleunigt wird, die oberhalb eines vorgegebenen Maximalwerts liegt. Bei gegebener Kraft, die auf das Bauteil wirkt, kann durch Auslegung der Sicherungsvorrichtung mittels dieser einer Gegenkraft bewirkt werden, die eine weitere Beschleunigung des Bauteils verhindert. Dagegen ist bei einer Relativgeschwindigkeit der Bauteile unterhalb eines gegebenen Schwellenwerts der Einfluss des Membranelements nicht signifikant, wenn dieses in seiner Ruhestellung verharrt.
Eine Ausführungsform umfasst, dass das Kraftfahrzeug eine motorisierte Heckklappe aufweist, welche mittels eines Scharniers an einem Fahrzeugheck verschwenkbar gelagert ist, wobei eine elektrische Antriebseinheit dazu eingerichtet ist, die Heckklappe zwischen einer Offenstellung (Kofferraumöffnung freigegeben) und einer Geschlossenstellung (Kofferraumöffnung geschlossen) zu bewegen, und wobei die Heckklappe unabhängig von der Antriebseinheit zusätzlich über die Sicherungsvorrichtung mit dem Fahrzeugheck verbunden ist. Somit ist bei dem eingangs beschriebenen Fehlerfall eines Bruches beispielsweise einer Zahnstange oder einer Spindel der Antriebseinheit dennoch sichergestellt, dass die Heckklappe aufgrund der Bremskraft der Sicherungsvorrichtung nur mit einer abgebremsten Relativgeschwindigkeit bezüglich des Fahrzeughecks zufällt. Im fehlerfreien Fall bremst die Sicherungsvorrichtung die Bewegung der Heckklappe dagegen nicht.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer Sicherungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
2 eine Ausführungsform der Sicherungsvorrichtung mit einem Membranteil, das als Zwei-Komponenten-Teil an einen Kolben der Sicherungsvorrichtung angeclipst ist;
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Sicherungsvorrichtung, bei welcher das Membranelement durch eine Clipsverbindung an einer Stirnseite des Kolbens gehalten ist;
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Sicherungsvorrichtung, bei welcher das Membranelement durch eine Schraubverbindung an dem Kolben gehalten ist;
5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Membranelements, bei welcher eine Vernietverbindung zwischen Kolben und Kolbenstange ermöglicht ist;
6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines asymmetrischen Membranelements; und
7 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Sicherungsvorrichtung, bei welcher das Membranelement zwischen zwei Kolbenteilen in den Kolben integriert ist.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine Sicherungsvorrichtung 10, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug 11 bereitgestellt sein kann. Mittels der Sicherungsvorrichtung 10 können zwei Bauteile 12, 13 relativbeweglich miteinander verbunden sein. Die Bauteile 12, 13 sind hier lediglich symbolisch repräsentiert. Beispielsweise kann eines der Bauteil 12, 13 ein Fahrzeugheck des Kraftfahrzeugs 11 sein und das andere der Bauteil 12, 13 eine Heckklappe zum Verschließen einer Hecköffnung eines Kofferraums des Kraftfahrzeugs 11. Zusätzlich zu einem Scharnier, an welchem die Heckklappe verschwenkt werden kann, kann durch die Sicherungsvorrichtung 10 eine weitere Verbindung zwischen Fahrzeugheck und Heckklappe bereitgestellt sein, um zu verhindern, dass die Heckklappe ungebremst zufallen kann, wenn beispielsweise eine (nicht dargestellte) elektrische Antriebseinheit zum Bewegen der Heckklappe bricht.
Die Sicherungsvorrichtung 10 kann mit dem Formfaktor einer Gasdruckfeder oder eines Öldämpfers ausgestaltet sein. Hierzu kann die Sicherungsvorrichtung 10 einen Zylinder 1 und einen darin angeordneten Kolben 2 aufweisen. Der Zylinder 1 kann mit dem Bauteil 12 mechanisch verbunden sein. Der Kolben 2 kann über eine Kolbenstange 4 mit dem Bauteil 13 verbunden sein. Wenn das Bauteil 13 eine Relativbewegung bezüglich des Bauteils 12 ausführt, resultiert dies in einer Einschiebebewegung 7 der Kolbenstange 4 und damit des Kolbens 2 bezüglich des Zylinders 1.
Der Kolben 2 kann einen Innenraum des Zylinders 1 in zwei Kammern 1A und 1B einteilen. Durch die Einschiebebewegung 7 kann ein in dem Innenraum des Zylinders 1 befindliches Fluid 9 in der sich verkleinernden Kammer 1A komprimiert werden, wodurch ein Druck p₁ in der Kammer 1A steigt. Der Kolben 2 kann einen Bypass-Kanal 3 aufweisen, welcher die beiden Kammern 1A und 1B fluidisch miteinander verbindet oder koppelt, sodass es zu einem Druckausgleich zwischen den Kammern 1A und 1B kommt. Um hierbei eine Relativgeschwindigkeit V des Bauteils 13 bezüglich des Bauteils 12 geschwindigkeitsabhängig abzubremsen oder zu begrenzen, kann einer Einströmöffnung 8 des Bypass-Kanals 3 ein Membranelement 6 vorgelagert sein und somit in Richtung der Einschiebebewegung 7 vor der Einströmöffnung 8 angeordnet sein. Bei stillstehendem Kolben 2 ergibt sich ein Abstand oder eine Spaltbreite 15 zwischen dem Membranelement 6 und der Einströmöffnung 8, sodass zwischen einer Stirnseite 16 des Kolbens 2 und dem Membranelement 6 ein Spalt 17 ausgebildet ist, der auch als Funktionsspalt bezeichnet werden kann, da er eine Schließfunktion des Membranelements 6 steuert. Diese Schließfunktion besteht darin, dass durch die Anordnung des Membranelements 6 vor der Einströmöffnung 8 bei der Einschiebebewegung 7 das Fluid 9 aufgrund der Breite des Membranelements 6 um das Membranelement 6 herum durch den Spalt 17 hindurch zur Einströmöffnung 8 und dann in den Bypass-Kanal 3 fließen muss. Eine Fließgeschwindigkeit oder Einströmgeschwindigkeit 18 des Fluids 9 im Spalt 17 ist dabei größer als eine Fließgeschwindigkeit 19 vor dem Spalt 17 (in der Kammer 1A) und/oder hinter dem Spalt 17 (im Bypass-Kanal 3).
Das Membranelement 6 ist flexibel oder elastisch ausgestaltet, indem es beispielsweise als Gummiring bereitgestellt ist. An dem Kolben 2 wird vor dem Bypasseingang, d.h. der Einströmöffnung 8, auf der in Bewegungsrichtung der Einschiebebewegung 7 vorderen Seite durch das flexible Membranelement aufgrund seiner Material- und/oder Geometrieeigenschaften eine federnde Charakteristik bereitgestellt. Zwischen dem Membranelement 6 und der Einströmöffnung 8 wird hierdurch die Spaltbreite 15 bei einer Verformung des Membranelements 6 variabel oder dynamisch. Je nach Applikation kann durch Festlegen des Durchmessers der Einströmöffnung 8 und der Spaltbreite 15 die Einströmgeschwindigkeit 18 und damit ein lokal verminderter Fluiddruck p₈ bereitgestellt oder eingestellt werden, der sich mit der Relativgeschwindigkeit V bei der Einschiebebewegung 7 ändert. Es wird insgesamt erreicht, dass der lokale Fluiddruck p₈ kleiner ist als der Fluiddruck p₁ in der vorgelagerten Kammer 1A, sodass das Membranelement 6 aus seiner Ruhestellung (wie in 1 dargestellt) heraus verformt wird und in Richtung der Bypass-Öffnung oder Einströmöffnung 8 gesaugt wird und dadurch die Einströmöffnung 8 des Bypass-Kanals 3 komplett oder teilweise verschließt und damit ein weiteres Einströmen des Fluids 9 komplett verhindert oder zumindest einen Einströmwiderstand vergrößert.
An der Stirnseite 16 des Kolbens und/oder einer der Stirnseite zugewandten Seite 20 des Membranelements 6 kann eine Oberflächenstruktur, also beispielsweise eine Rauigkeit, und/oder eine Kerbe/Nut/ein Schlitz oder ein Loch vorgesehen sein, um in der Endstellung des Membranelements 6, wenn dieses beispielsweise an der Stirnseite 16 des Kolbens 2 anliegt, weiterhin einen durchströmbaren Restquerschnitt für das Fluid 9 in den Bypass-Kanal 3 zu erhalten. Dann kann (mit erhöhtem Kraftaufwand im Vergleich zu dem Fall, dass das Membranelement 6 in der Ruhestellung ist) dennoch der Kolben 2 weiter in die Richtung der Einschiebebewegung 7 bewegt werden und somit das Bauteil 13 verlangsamt oder abgebremst weiter bewegt werden und/oder es kann ein Rückfedereffekt vermieden werden.
Das flexible und/oder elastische Membranelement verkörpert somit als eine Einheit oder ein Bauteil ein Ventil, welches gegen seine eigene, durch die Elastizität bewirkte Federkraft F_F geschlossen wird und durch seine eigene Federkraft F_F bei stillstehendem Kolben 2 wieder öffnet. Es kann durch seine Geometrie an dem Kolben 2 befestigt oder gehalten sein. Durch die Ausgestaltung als flexibles Membranelement 6, das mit der Spaltbreite 15 beabstandet vor der Einströmöffnung 8 angeordnet wird, spart man die Notwendigkeit, ein präzise gefertigtes Ventil beispielsweise aus Metall bereitstellen zu müssen, das eine zusätzliche Führung benötigen würde und vorgespannte zusätzliche Federn aus Stahl aufweisen müsste. Des Weiteren spart man mit diesem Konzept die aktuell übliche Bypass-Nut in der Wandung des Zylinders 1, die ebenfalls sehr toleranzempfindlich für Fertigungstoleranzen ist und zudem kostenintensiv in der Herstellung.
Beim Öffnen, also einer Ausziehbewegung entgegen der Einschiebebewegung 7, wenn das Bauteil 13 entgegen der Relativgeschwindigkeit V wieder bewegt wird, kann das Fluid dagegen ungehindert durch den Bypass-Kanal 3 von der Kammer 1B zurück in die sich dann wieder vergrößernde Kammer 1A strömen und der Bypass-Kanal 3 bleibt geöffnet. Auch für den Fall, dass die Relativgeschwindigkeit V kleiner als ein Schwellenwert ist, unterhalb welchem die Verformung des Membranelements 6 derart klein ist, dass der Ansaugeffekt gegen die Federkraft F_F zu klein für eine signifikante Verformung des Membranelements ist (z.B. bei einer Verformung kleiner als 5 Prozent), bleibt das Membranelement 6 unverformt oder nur unwesentlich verformt, sodass auch dann ein Abbremsen des Kolbens 2 durch das Membranelement 6 verhindert ist, selbst bei der Einschiebebewegung 7. Damit kann beispielsweise das beschriebene elektrische Antriebselement das Bauteil 13, insbesondere eine Heckklappe, bewegen, ohne dass zusätzliche Kraft oder Leistung aufgrund eines verengten Spalts 17 notwendig wäre.
Mit den folgenden zusammenwirkenden Faktoren kann die Schließempfindlichkeit oder Sensitivität des Membranelements 6 abgestimmt werden und somit an die Anforderungen bezüglich der Absicherung der Relativgeschwindigkeit V der Bauteile 12, 13, also insbesondere Fahrzeuganforderungen, abgestimmt werden:

- Durchmesser des Bypass-Kanals 3,
- Ausgestaltung und Spaltbreite 15 des Spalts 17 zwischen Membranelement 6 und Stirnseite 16 des Kolbens 2,
- Material des Membranelements 6 (wodurch die Federeigenschaft in Abhängigkeit von Temperaturbereich und zum Beispiel die Shore-Härte ergeben),
- Geometrie des Membranelements 6, wodurch die Federeigenschaft oder Elastizität eingestellt wird.

Idealerweise wird das Membranelement 6 als Ein-Komponenten- oder Zwei-Komponenten-Spritzgussbauteil bereitgestellt, wodurch bei industriellen Herstellung in Serie die entstehenden oder erzeugten Sicherungsvorrichtungen mit geringer Toleranz hergestellt werden können, und somit der Schließeffekt nur eine geringe Streuung zwischen den unterschiedlichen Sicherungsvorrichtungen aufweist. Zum Einstellen der benötigten Federkraft F_f kann eine Spritzgusswerkzeug zunächst mit einer dünneren Geometrie hergestellt werden, sodass sich gezielt weichere oder zu weiche Membranelemente 6 ergeben. In einer Matching-Phase kann dann anhand von Prototypen durch Nachfräsen des Spritzgusswerkzeugs die gewünschte Federhärte oder der Federcharakter des Membranelements 6 eingestellt werden.
Um die Kammern 1A und 1B gegeneinander abzudichten, kann der Kolben 2 in an sich bekannter Weise einen Kolben-Dichtring 5 aufweisen. Das Membranelement 6 berührt dagegen insbesondere nicht den Zylinder 1.
Die folgenden 2 bis 7 stellen beispielhafte mögliche Ausgestaltungen der Sicherungsvorrichtung 10 dar. Es ist jeweils ein Längsschnitt A, eine perspektivische Ansicht B des Kolbens und eine Explosionszeichnung C des Kolbens 2 dargestellt.
2 zeigt noch einmal die Ausführungsform der Sicherungsvorrichtung 10, wie sie in Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde. Noch einmal dargestellt ist der Längsschnitt A sowie zusätzlich eine perspektivische Ansicht B und eine Explosionsdarstellung C. Das Membranelement 6 ist als Zwei-Komponenten-Bauteil mit einem elastischen Teil 22, welcher den Bypass-Kanal 3 verschließen kann, und einem Trägerteil oder Halteteil 23 gebildet. Das Halteteil 23 kann den elastischen Teil 22 tragen und/oder an dem Kolben 2 halten. Hierzu kann eine Clipsverbindung 24 vorgesehen sein, mittels welcher das Membranelement 6 an dem Kolben 2 gehalten ist.
3 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher der elastische Teil 22 des Membranelements 6 mit einer Falte 25 ausgebildet ist, wodurch gezielt der Wert der Federkraft F_F auf einen Sollwert eingestellt werden kann und zusätzlich ein Kraftverlauf in Abhängigkeit von der Verformung des Membranelements 6 festgelegt werden kann.
4 veranschaulicht, wie an Stelle der Clipsverbindung (2 und 3) eine Schraubverbindung 26 vorgesehen sein kann, mittels welcher sowohl das Membranelement 6 als auch der Kolben 2 zusammen an der Kolbenstange 4 gehalten werden können. Somit ist ein einzelner Montageschritt zur vollständigen Montage ausreichend.
5 veranschaulicht alternativ dazu eine Nietverbindung 27, mittels welcher ebenfalls das Membranelement 6 zusammen mit dem Kolben 2 an der Kolbenstange 4 befestigt werden kann. Hierzu kann die Nietverbindung 27 mittels eines Endes der Kolbenstange 4 erzeugt werden. Zur Stabilisierung der Nietverbindung 27 kann eine Scheibe oder ein Ring 28 aus Metall vorgesehen sein, welcher als Einlegering in das Membranelement 6 eingelegt werden kann, um dann das Ende der Kolbenstange 4 durch Spreizen zu vernieten.
6 veranschaulicht, wie beispielsweise bei der Nietverbindung 27 das Membranelement 6 nachträglich angefügt werden kann. Hierzu kann das Membranelement 6 mit seinem Halteteil 23 durch eine Steckverbindung 29 an dem Kolben 2 gehalten sein. Es können hierzu an dem Membranelement 6 ein oder mehrere Stifte 30 ausgebildet sein.
6 veranschaulicht des Weiteren, wie der Kolben 2 aus zwei Teilen 31 gebildet sein kann, um hierdurch das Anbringen beispielsweise des Dichtrings 5 zu vereinfachen, indem in den Dichtring 5 die beiden Teile 31 angesteckt oder angelegt werden.
7 veranschaulicht, wie in diesem Zusammenhang bei einem zweiteiligen Kolben 2 der zweite Teil 32 als Kappe ausgestaltet sein kann, in welche das Membranelement 6 beispielsweise als Ring eingelegt werden kann. Somit ist das Membranelement 6 in den Kolben integriert, indem es in der Kappe angeordnet ist. In dem Zusammenhang ist dann der Bypass-Kanal 3 in dem ersten Teil 31 angeordnet und die Einströmöffnung 8 befindet sich in diesem ersten Teil 31, während die Kappe 32 mehrere Zuflussöffnungen 34 aufweisen kann, die von dem Membranelement 6 unbeeinflusst bleiben.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie eine schließgeschwindigkeitsabhängige Einschubdämpfung mittels eines schaltbaren Kolbens oder Kolbenpakets in einer Gasdruckfeder oder in einem Öldämpfer bereitgestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018215619 B3 [0002]

Claims

Sicherungsvorrichtung (10) zum geschwindigkeitsabhängigen Abbremsen einer Relativgeschwindigkeit zweier Bauteile (12, 13) zueinander, wobei die Sicherungsvorrichtung (10) als Dämpfer-Anordnung mit einer Kolbenstange (4) zum Verbinden mit dem ersten Bauteil (12, 13) und mit einem Zylinder (1) zum Verbinden mit dem zweiten Bauteil (12, 13) ausgestaltet ist und der Zylinder (1) mit einem Fluid (9) gefüllt ist und ein Ende der Kolbenstange (4) mit einem Kolben (2) verbunden ist, der in dem Zylinder (1) angeordnet ist und der einen Bypass-Kanal (3) für das Fluid (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Einströmöffnung (8) des Bypass-Kanals (3) ein elastisches Membranelement (6) angeordnet ist, welches die Einströmöffnung (8) zu zumindest einer Seite (20) hin überragt und damit einen Spalt (17) zwischen dem Membranelement (6) und dem Kolben (2) ausbildet, durch welchen hindurch während der Einschiebe- oder Ausziehbewegung das Fluid (9) mit einer Einströmgeschwindigkeit (18) zur Einströmöffnung (8) hin strömt und damit das elastische Membranelement (6) zu dem Kolben (2) hin ansaugt und dabei verformt, sodass durch das verformte Membranelement (6) eine Spaltbreite (15) des Spalts (17) mit zunehmender Einströmgeschwindigkeit (18) verringert ist.
Sicherungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Spaltbreite (15) bei stillstehendem Kolben (2) einen Ruhewert aufweist und die Spaltbreite (15) mit zunehmender Einströmgeschwindigkeit (18) abnimmt, bis durch eine Kontaktanlage ein Minimalwert erreicht ist, bei welchem durch das Membranelement (6) ein von dem Fluid (9) durchströmbarer Querschnitt minimiert ist.
Sicherungsvorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei bei minimalem durchströmbaren Querschnitt die Einströmöffnung (8) vollständig oder bis auf einen verbleibenden durchströmbaren Restquerschnitt verschlossen ist.
Sicherungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei das Membranelement (6) und/oder der Kolben (2) an einer dem Spalt (17) zugewandten und den Spalt (17) begrenzenden Seite (16, 20) eine Oberflächenstruktur, insbesondere Noppen und/oder Rippen, aufweist, durch welche der Restquerschnitt festgelegt ist.
Sicherungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Membranelement (6) bei stillstehendem Kolben (2) eine Ruhestellung aufweist und mit zunehmender Einströmgeschwindigkeit (18) das Membranelement (6) die Spaltbreite (15) graduell verringert oder bei Überschreiten eines Schwellenwerts der Einströmgeschwindigkeit (18) durch Wechseln zwischen zwei bistabilen Zuständen mit einem Schnappeffekt verringert.
Sicherungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch den Kolben (2) ein Innenraum des Zylinders (1) in zwei Kammern (1A, 1B) geteilt ist und der Bypass-Kanal (3) die einzige Durchgangsöffnung zwischen den Kammern (1A, 1B) ist oder zusätzlich zu dem Bypass-Kanal (3) ein von dem Membranelement (6) unbeeinflusster weiterer Bypass-Kanal (3) bereitgestellt ist.
Sicherungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Membranelement (6) als Ring (28) oder Scheibe ausgestaltet ist und an einer Stirnseite (16) des Kolbens (2) oder zwischen zwei angeordnet ist.
Sicherungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Membranelement (6) als Spritzgussteil bereitgestellt ist und/oder für seine Elastizität einen Gummi und/oder ein Polymer aufweist.
Sicherungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Membranelement (6) mittels einer Clipsverbindung (24) oder einer Nietverbindung (27) oder einer Steckverbindung (29) oder einer Schraubverbindung (26) oder in einer Kappe (32) des Kolbens (2) gehalten ist.
Sicherungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sicherungsvorrichtung (10) als Gasdruckfeder oder als Öldämpfer für eine Fahrzeugklappe ausgestaltet ist.
Kraftfahrzeug (11) mit einer Sicherungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei gegeneinander beweglich gelagerte Bauteile (12, 13) des Kraftfahrzeugs (11) über der Sicherungsvorrichtung (10) miteinander verbunden sind.
Kraftfahrzeug (11) nach Anspruch 11, wobei das Kraftfahrzeug (11) eine motorisierte Heckklappe aufweist, welche mittels eines Scharniers an einem Fahrzeugheck verschwenkbar gelagert ist, wobei eine elektrische Antriebseinheit dazu eingerichtet ist, die Heckklappe zwischen einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung zu bewegen, und wobei die Heckklappe unabhängig von der Antriebseinheit zusätzlich über die Sicherungsvorrichtung (10) mit dem Fahrzeugheck verbunden ist.