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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verstellelement mit einem Zylinder,
dessen Innenraum ein insbesondere unter Druck stehendes Medium enthält, mit
einem in dem Zylinder verschiebbar angeordneten Kolben und einer
daran befestigten Kolbenstange, die an einer Seite durch eine ringförmige Kolbenstangendichtung
aus dem Zylinder herausgeführt
ist, wobei die Kolbenstangendichtung eine koaxiale Bohrung zur Aufnahme
der Kolbenstange aufweist und aus einem elastischem Dichtungsring
sowie einem koaxialen starren Verstärkungsring besteht. Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Verstellelements.
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Derartige
Verstellelemente, die vorzugsweise Gasfedern sind, können pneumatische
Verstellelemente zur leichten Handhabung für die Kofferraumklappe bzw.
die Motorhaube eines Kraftfahrzeugs sein, um beispielsweise einen
Gewichtsausgleich der zu verstellenden Teile zu ermöglichen.
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Ein
Verstellelement mit einer Dichtung und einem Verstärkungselement
ist aus der
DE 297
23 414 U1 bekannt. Die Dichtung sitzt auf dem Verstärkungsring
auf bzw. umgibt einen Teil des Verstärkungsrings. Durch den Verstärkungsring
wird die Formstabilität
des Dichtungsring erhöht,
um so eine Dichtwirkung mit möglichst
geringen Leckageraten zu erzielen. Die Leckageraten sind unter anderem auf
Temperaturschwankungen zurückzuführen. Diese
führen
beim Zylinder und der Kolbenstange zu veränderlichen Durchmessern. In
dem elastischen Dichtungsring ist dieser Effekt geringer ausgeprägt. Aufgrund
dieser Unterschiede ergibt sich eine durch Temperaturschwankungen
hervorgerufene veränderliche
Dichtwirkung. Insbesondere am Zylinder sind diese Effekte am größten.
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Mangels
einer Nachfüllmöglichkeit
werden derartige Verstellelemente während der Herstellung einmalig
mit dem Medium gefüllt,
welches über
die gesamte Lebensdauer gehalten werden muß. Die Lebensdauer liegt aufgrund
der Leckageraten bei einigen Jahren. Die Verstellelemente sind daher
als Verschleißteile
ausgebildet, die nach der Lebensdauer oder bei Erreichen eines gewissen
Restdrucks ausgetauscht werden müssen.
Mit der Forderung nach längeren
Lebensdauern bis hin zu Zeiträumen von
20 Jahren sind die bekannten Dichtungen aufgrund ihrer Leckageraten überfordert.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verstellelement der eingangs genannten
Art mit deutlich verringerten Leckageraten zu schaffen, ohne den
Aufwand für
die Kolbenstangendichtung wesentlich zu erhöhen. Weiterhin soll ein Verfahren
zur Herstellung eines solchen Verstellelements geschaffen werden.
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Die
erste Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß der
Verstärkungsring
mittels einer radial umlaufenden Schweißnaht mit dem Zylinder verbunden
ist.
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Durch
die radial umlaufende Schweißnaht wird
der das Medium enthaltende Innenraum des Zylinders gasdicht gegen
die Atmosphäre
abgedichtet. Die gasdichte Verschweißung ist eine zusätzliche Abdichtung
im Bereich des Zylinders, der bisher den gefährdetsten Bereich bildete.
Damit werden die Leckageraten nochmals drastisch gesenkt.
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Um
sowohl die Formstabilität
des Dichtungsrings zu gewährleisten
als auch mit dem Zylinder eine stoffliche Verbindung einzugehen,
besteht der Verstärkungsring
aus einem Metall oder einer Metallegierung.
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Durch
Verschweißen
des Verstärkungsrings mit
der Innenwand des Zylinders kann der Verstärkungsring unverändert beibehalten
werden.
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Eine
einfachere Verbindung des Verstärkungsrings
mit dem Zylinder besteht darin, den Verstärkungsring mit seiner nach
außen
weisenden Seite am offenen Ende des Zylinders anzuordnen oder bis
in diesen Bereich auszubilden, so daß sich die radial umlaufende
Schweißnaht
am offenen Ende des Zylinders befindet.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, den Verstärkungsring
mittels der radial umlaufenden Schweißnaht mit der Außenwand
des Zylinders zu verbinden, wobei der Verstärkungsring das offene Ende
des Zylinders umgreifend ausgebildet ist. Durch das Umgreifen des
offenen Endes durch den Verstärkungsring
entsteht eine Art Labyrinth, welches die Abdichtung des Innenraums
zusätzlich
unterstützt.
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Gute
Dichtwirkungen lassen sich mit einem Dichtungsring aus einem Elastomer,
vorzugsweise einem Gummi oder einer Gummimischung, erzielen.
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Vorzugsweise
ist die Verbindungsstelle zwischen dem Dichtungsring und dem Verstärkungsring als
fest haftender Verbund ausgebildet. Dadurch wird eine Relativbewegung
der beiden Bauteile infolge von Temperaturänderungen aufgrund ihrer unterschiedlichen
Ausdehnungskoeffizienten verhindert. Über den fest haftenden Verbund
mit dem Verstärkungsring
wird der Dichtungsring mitbewegt, so daß sie mit ihren Dichtflächen immer
an der Kolbenstange und an der Innenwand des Zylinders anliegt:
Die radial außen
angeordnete Dichtfläche
bildet damit eine zusätzliche
Sicherheit gegen Leckagen im Bereich des Zylinderumfangs. Die sehr
geringen erreichbaren Leckageraten ermöglichen eine längere Lebensdauer
des Verstellelements. Der Aufwand für die Herstellung eines fest
haftenden Verbunds zwischen dem Dichtungsring und dem Verstärkungsring
führt nur
zu einer geringen Erhöhung
des Aufwands in der Fertigung.
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Ein
besonders fester und auch dichter Verbund zwischen dem Dichtungsring
und dem Verstärkungsring
wird durch das Aufvulkanisieren des Dichtungsrings erreicht.
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In
weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen ist der Dichtungsring mittels
Anspritzen oder Kleben fest haftend mit dem Verstärkungsring
verbunden.
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Durch
die gasdichte Verschweißung
mittels der radial umlaufenden Schweißnaht des Verstärkungsrings
am Zylinder ist in diesem Bereich keine Dichtung mehr notwendig.
Das ermöglicht
die Verwendung eines Dichtungsrings, der ausschließlich an der
Kolbenstange anliegt. Der Dichtungsring kann daher in radialer Erstreckung
kleiner ausgebildet werden: Mit dem Wegfall von radial außen abdichtenden
Funktionsflächen
gestaltet sich der Dichtungsring konstruktiv einfacher, was neben
dem geringeren Materialaufwand zu Kosteneinsparungen führt.
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In
einer besonders einfachen Ausgestaltung ist der Dichtungsring ein
O-Ring.
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Die
durch Temperaturschwankungen hervorgerufenen Effekte sind bei Dichtungsringen
mit kleinerer radialer Erstreckung nicht so ausgeprägt, so daß auf den
fest haftenden Verbund verzichtet werden kann und der Dichtungsring
lose an dem Verstärkungsring
in Anlage sein kann.
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Um
eine gesicherte Aufnahme des Dichtungsrings zu gewährleisten,
besitzt der Verstärkungsring
eine zum Kolben gerichtete topfförmige Ausnehmung,
in der der Dichtungsring angeordnet ist.
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Zur
radialen Entlastung des elastischen Dichtrings kann koaxial zu Dichtungsring
und Verstärkungsring
ein Führungsring
angeordnet sein, durch dessen koaxiale Bohrung die Kolbenstange geführt ist.
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Die
gleiche Sicherung wie für
den für
den Verstärkungsrings
wird für
den Führungsring
erreicht, wenn der Verstärkungsring
eine nach außen
gerichtete, topfförmige
Erweiterung besitzt, in der der Führungsring angeordnet ist.
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Ein
derart ausgebildeter Verstärkungsring
erlaubt eine Vormontage des Dichtungsrings und des Führungsrings,
wodurch die Endmontage vereinfacht wird.
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Durch
die Ausbildung der nach außen
gerichteten, topfförmigen
Ausnehmung des Verstärkungsrings
mit einem nach radial innen gerichteten Rand wird der Führungsring
axial festgelegt und somit zuverlässig gegen ein Lösen aus
der Kolbenstangendichtung gesichert. In einer vorteilhaften Ausgestaltung
wird der Rand nach der Montage des Führungsrings durch Umbördeln erzeugt.
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Das
Verstellelement kann durch die Kolbenstangendichtung unterschiedliche
Außendurchmesser
aufweisen. Verschiedene Außendurchmesser werden
vermieden, wenn die zum Kolben gerichtete topfförmige Ausnehmung des Verstärkungsrings
den gleichen Außendurchmesser
wie der Zylinder besitzt und der Verstärkungsring mit seiner zum Kolben
gerichteten topfförmigen
Ausnehmung mit dem offenen Ende des Zylinders verschweißt ist.
Diese Ausgestaltung zur Verbesserung des optischen Erscheinungsbilds
ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Verstellelement in sichtbaren
Bereichen eingesetzt wird. Zudem kann der Zylinder kürzer gestaltet
werden, wodurch sich der Materialaufwand reduziert.
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Eine
Montage des Führungsrings
entfällt, wenn
der Verstärkungsring
und der Führungsring
als ein Bauteil ausgebildet sind.
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Um
ein Klemmen der Kolbenstange in der Bohrung des Verstärkungsrings
aufgrund eng gewählter
Toleranzen und einer großen
Stützlänge der Bohrung
zu vermeiden, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine zur
Kolbenstange hin offene Ringnut in einem oder beiden axialen Endbereichen
der Bohrung des Verstärkungsrings
angeordnet.
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Die
zweite Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verstärkungsring
mit einer durch Laserschweißen
erzeugten, radial umlaufenden Schweißnaht mit dem Zylinder verbunden
wird.
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Durch
die Charakteristik des Laserschweißens ist der Energieeintrag
in die Schweißstelle örtlich sehr
begrenzt, was ein Schweißen
mit geringem Energieeintrag ermöglicht.
Infolge dessen findet nur ein geringer Wärmetransport durch Wärmeleitung statt.
Die Erwärmung
der die Schweißnaht
umgebenden Bereiche ist daher beim Laserschweißen so gering, daß der Verstärkungsring
mit nahezu unveränderten
Abmessungen übernommen
werden kann, ohne daß es
zu thermischen Schäden
an dem Dichtungsring kommt.
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Das
Laserschweißen
ist gut automatisierbar, so daß sich
das Verfahren besonders wirtschaftlich gestaltet. Vorzugsweise wird
als Laser ein Neodym-YAG-Laser verwendet.
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Mehrere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden
näher beschrieben.
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Es
zeigen
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1: einen Querschnitt eines
zylinderseitigen Endes eines Verstellelements,
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2: einen Querschnitt einer
zweiten Ausführungsform
eines Verstellelements,
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3, 4: einen Querschnitt einer dritten und vierten
Ausführungsform
eines Verstellelements mit einem am offenen Ende des Zylinders verschweißten Verstärkungsring,
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5a, b:
einen Querschnitt einer fünften und
sechsten Ausführungsform
eines Verstellelements,
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6: einen Querschnitt einer
siebten Ausführungsform
eines Verstellelements mit einem an der Außenwand des Verstellelements
verschweißten Verstärkungsring,
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7: einen Querschnitt einer
achten Ausführungsform
eines Verstellelements,
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8: einen Querschnitt einer
neunten Ausführungsform
eines Verstellelements mit konstantem Außendurchmesser.
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Das
Verstellelement 1 in 1 besitzt
einen Zylinder 2, dessen Innenraum 3 mit einem
unter Druck stehendem Gas gefüllt
ist. Der Zylinder 2 besitzt an einer Seite ein offenes
Ende 4. Im Innenraum 3 ist ein verschiebbarer
Kolben 5 angeordnet. Am Kolben 5 ist eine Kolbenstange 6 befestigt.
Die Kolbenstange 6 durchdringt das offene Ende 4.
Die Kolbenstange 6 wird gegen das offene Ende 4 mit
einer Kolbenstangendichtung abgedichtet.
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Die
Kolbenstangendichtung besteht aus einem Dichtungsring 7,
einem Verstärkungsring 8 aus Metall
und einem Führungsring 13.
Der aus Gummi bestehende Dichtungsring 7 besitzt eine Bohrung 10, welche
die Kolbenstange 6 an ihrem Umfang abdichtet. Eine am Umfang
des Dichtungsrings 7 radial außen angeordnete Dichtfläche 11 liegt
an der Innenwand 12 des Zylinders 2 an und dichtet
den Innenraum 3 gegen die Atmosphäre ab. Mittels einer in der Bohrung 10 angeordneten
radial innen liegende Dichtfläche 9 erfolgt
die Abdichtung des Innenraums 3 an der Kolbenstange 6.
Mit ihrer dem Kolben 5 abgewandten Seite ist der Dichtungsring 7 auf
dem Verstärkungsring 8 aufgeklebt.
Der Verstärkungsring 8 ist
scheibenförmig
ausgebildet. An den Verstärkungsring 8 schließt sich
der Führungsring 13 an.
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Zur
Montage des Verstellelements 1 wird der Kolben 5 mit
der Kolbenstange 6 in den Zylinder 2 eingeführt. Im
Anschluß daran
wird eine radial im Zylinder 2 verlaufende Kolbenanschlagssicke 14 erzeugt.
Bevor der Verstärkungsring 8 mit
dem Dichtungsring 7 montiert wird, wird ein Stützring 15 in
den Zylinder 2 geschoben, bis er an der Kolbenanschlagssicke 14 zur
Anlage kommt. Der Stützring 15 gewährleistet
zum einen eine sichere Anlage an der Kolbenanschlagssicke 14 und
zum anderen bietet es dem Dichtungsring 7 eine ausreichend
große
Anlagefläche.
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Nachdem
der Verstärkungsring 8 in
den Zylinder 2 eingebracht ist, wird mit einem nicht dargestellten
Neodym-YAG-Laser der Verstärkungsring 8 mit
der Innenwand 12 des Zylinders 2 gasdicht verschweißt, indem
an der dem offenen Ende 4 des Zylinders 2 zugewandten
Seite 16 des Verstärkungsrings 8 eine
als Kehlnaht ausgebildete radial umlaufende Schweißnaht 17 erzeugt
wird.
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Nach
dem Schweißen
wird der Führungsring 13 auf
die Kolbenstange 6 aufgeschoben. Eine Fase 18 als
Aussparung für
die Schweißnaht 17 gewährleistet
eine stirnseitige Anlage des Führungsrings 13 am
Verstärkungsring 8.
Durch Umbördeln
des offenen Endes 4 des Zylinders 2 wird der Führungsring 13 axial
festgelegt.
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2 zeigt eine gegenüber 1 leicht veränderte Ausgestaltung
des Verstellelements 1. Mit dem stoffschlüssigen Verbinden
des Verstärkungsrings 8 mit
dem Zylinder 2 mittels der Schweißnaht 17 ist die Kolbenstangendichtung
axial festgelegt, so daß der
Stützring
entfallen kann.
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Infolge
dieser gasdichten Verbindung kann auf eine zusätzliche Abdichtung des Innenraums 3 im Bereich
des Zylinders 2 verzichtet werden. Der Dichtungsring 7 besitzt
daher eine geringere radiale Erstreckung als der Verstärkungsring 8,
so daß er
den Innenraum 3 nur im Bereich der Kolbenstange 6 gegen
die Atmosphäre
abdichtet.
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Das
Verstellelement 1 in 3 unterscheidet sich
von dem Verstellelement nach 1 in
dem Führungsring.
Dieser ist einteilig mit dem Verstärkungsring 8 ausgebildet.
Aufgrund der axialen Länge des
Verstärkungsrings 8 reicht
dieses bis zum offenen Ende 4 des Zylinders 2,
so daß der
Verstärkungsring 8 unter
Bildung einer radial umlaufenden Schweißnaht 17 mit dem Zylinder 2 verbunden
wird. Die Schweißnaht 17 ist
als Stirnnaht ausgebildet.
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Auf
der dem Kolben 5 zugewandten Seite 19 ist der
Dichtungsring 7 durch Aufvulkanisieren fest haftend mit
dem Verstärkungsring 8 verbunden.
Aufgrund des radial kleineren Dichtungsring 7 liegt der Verstärkungsring 8 direkt
an dem Stützring 15 an. Der
Stützring 15 ist
im Anschlag an der die Lage der Kolbenstangendichtung festlegenden
Kolbenanschlagssicke 14.
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Das
Verstellelement 1 in 4 besitzt
einen Verstärkungsring 8,
der wie in 2 einteilig
mit dem Führungsring
ausgebildet ist und mit dem offenen Ende 4 des Zylinders 2 verschweißt ist.
Auf der dem Kolben 5 zugewandten Seite 19 besitzt
der Verstärkungsring 8 eine
topfförmige
Ausnehmung 20, in der der Dichtungsring 7 angespritzt
ist.
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Mit
seiner axialen Ausdehnung besitzt der Verstärkungsring 8 eine
große
Stützlänge. Um
ein Klemmen der Kolbenstange 6 zu vermeiden, sind zu beiden
Seiten 16, 19 des Verstärkungsrings 8 je eine Ringnut 21 angeordnet,
wodurch sich die Stützlänge des
Verstärkungsrings 8 verringert.
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Die 5a zeigt ein Verstellelement 1 mit
einem Zylinder 2, dessen offenes Ende 4 mit dem
aus Metall bestehenden Verstärkungsring 8 mittels
der Schweißnaht 17 gasdicht
verbunden ist. Zusätzlich zu
der Ausbildung nach 3 besitzt
der Verstärkungsring 8 auf
seiner dem offenen Ende zugewandten Seite 16 ebenfalls
eine topfförmige
Ausnehmung 22, in der der Führungsring 13 angeordnet
ist. Die topfförmige
Ausnehmung 22 besitzt einen kleineren Außendurchmesser
als die gegenüberliegende
Ausnehmung 20. Indem der Verstärkungsring 8 mit seinem
großen
Außendurchmesser
auf Stoß zum
offenen Ende 4 positioniert ist, läßt sich die Schweißnaht 17 als
Stirnnaht ausbilden.
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5b zeigt eine weitere Ausgestaltung
der Befestigung des Verstärkungsrings 8 am
Zylinder 2. Durch die axial weiter nach außen gesetzte
Anordnung des Verstärkungsrings 8 ragt
dieser mit seinem am Zylinder 2 anliegenden Außendurchmesser
aus dem Zylinder 2 hervor, so daß die radial umlaufende Schweißnaht 17 als
Kehlnaht ausgebildet ist.
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Der
Verstärkungsring 8 in 6 besitzt wiederum zu beiden
Seiten 16, 19 topfförmige Ausnehmungen 20, 22,
wobei die topfförmige
Ausnehmung 20 einen Innendurchmesser aufweist, der dem
Außendurchmesser
des Zylinders 2 entspricht. Dadurch läßt sich der Verstärkungsring 8,
das offene Ende 4 umgreifend, auf den Zylinder 2 aufschieben.
Die als Kehlnaht ausgebildete Schweißnaht 17 verbindet den
Verstärkungsring 8 mit
der Außenwand 23 des Zylinder 2.
Unterschiedlich tiefes Einschieben des offenen Endes 4 in
die topfförmige
Ausnehmung 20 ermöglicht
dabei den Ausgleich der Montagelänge
des Verstellelements.
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Der
lose auf dem Verstärkungsring 8 aufliegende
Dichtungsring 7 dichtet den Innenraum 3 wiederum nur im
Bereich der Kolbenstange 6 ab. Der Dichtungsring 7 ist
von dem Stützring 15 umgeben, welcher
eine größere axiale
Erstreckung als der Dichtungsring 7 aufweist. Der Stützring 15 dient
als Schutz des Dichtungsrings 7 vor einer Beschädigung durch
den Kolben 5, wenn dieser am Stützring 15 zur Anlage
kommt.
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7 zeigt eine weitere Ausgestaltung
des Verstellelements 1 gemäß 5b. Der Führungsring 13 ist
in der nach außen
weisenden topfförmigen Ausnehmung 22 angeordnet.
Zum Schutz gegen ein axiales Lösen
des Führungsrings 13 besitzt
die topfförmige
Ausnehmung 22 einen radial nach innen gerichteten Rand 24.
Durch den Rand 24 wird der Führungsring 13 axial
festgelegt. Der Rand 24 wird durch Umbördeln erzeugt.
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In 8 besitzt der Verstärkungsring 8 zum nicht
dargestellten Kolben und nach außen gerichtete topfförmige Ausnehmungen 20, 22.
Der Außendurchmesser
des Verstärkungsrings 8 mit
seinen beiden Ausnehmungen 20, 22 ist gleich dem
Außendurchmesser
des Zylinders 8. Zur Verbindung des Verstärkungsrings 8 mit
dem Zylinder 2 ist die zum Kolben gerichtete Ausnehmung 20 mit
dem offenen Ende 4 des Zylinders mit einer radial umlaufenden Schweißnaht 17 verschweißt. Eine
Kolbenanschlagssicke 14 im Zylinder 2 dient als
Anschlag für den
Kolben, um die Ausfahrbewegung des Kolbens zu begrenzen.
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- 1
- Verstellelement
- 2
- Zylinder
- 3
- Innenraum
- 4
- offenes
Ende
- 5
- Kolben
- 6
- Kolbenstange
- 7
- Dichtungsring
- 8
- Verstärkungsring
- 9
- radial
innere Dichtfläche
- 10
- Bohrung
- 11
- radial äußere Dichtfläche
- 12
- Innenwand
- 13
- Führungsring
- 14
- Kolbenanschlagssicke
- 15
- Stützring
- 16
- Endbereich
- 17
- Schweißnaht
- 18
- Fase
- 19
- Endbereich
- 20
- topfförmige Ausnehmung
- 21
- Ringnut
- 22
- topfförmige Ausnehmung
- 23
- Außenwand
- 24
- Rand