DE19755080A1 - Gasfeder mit Zwischenstopfunktion und Temperaturkompensation - Google Patents

Gasfeder mit Zwischenstopfunktion und Temperaturkompensation

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Description

Die Erfindung betrifft ein Kolben-Zylinderaggregat entsprechend dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus der DE 33 01 544 A1 ist ein Kolben-Zylinderaggregat in der Bauform einer Gasfeder bekannt, die zum Öffnen von nach oben schwenkbaren Klappen, beispielsweise Heck­ klappen bei einem Fahrzeug, eingesetzt wird. Die Besonderheit der Gasfeder liegt darin, daß zwei Öffnungswinkelbereiche vorgegeben sind. In einem ersten Öffnungswinkelbe­ reich fährt die Gasfeder aufgrund der Druckkraft, die auf den Querschnitt der Kolben­ stange wirkt, selbsttätig aus, bis der Kolben das Ende einer Bypassnut erreicht hat, die die beiden Arbeitsräume, die von dem Kolben im zweiten Öffnungswinkelbereich ge­ trennt werden, verbindet.
Im Bereich des zweiten Öffnungswinkelbereichs wird der Fluidaustausch von einem Überdruckventil beeinflußt, das aus einer Schraubenfeder und einer Ventildichtung be­ steht. Bei der Anwendung kann das Überdruckventil durch eine zusätzliche äußere Kraft, der Handkraft des Benutzers, geöffnet werden, wodurch sich die Klappe im zwei­ ten Öffnungswinkelbereich verstellen läßt.
Sobald die Klappe losgelassen wird, verschließt die durch die Feder vorgespannte Ven­ tildichtung eine Ventilöffnung. Das im kolbenstangenfernen Arbeitsraum eingespannte Gaspolster hält die Klappe in der gewünschten Stellung im zweiten Öffnungswinkelbe­ reich. Soll die Klappe weiterbewegt werden, so ist erneut eine Hand kraft einzusetzen.
Ein grundsätzliches Problem, das allen Gasfedern eigen ist, liegt darin, daß die Aus­ schubkraft sehr stark temperaturabhängig ist. Für dieses Problem gibt es vielfältige Lö­ sungsmöglichkeiten. Eine Möglichkeit besteht z. B. darin, die Temperatur des Gases in der Gasfeder durch eine elektrische Beheizung auf einem Soll-Wert zu halten. Die DE 44 21 773 A1 beschreibt ein solches System. Ein grundsätzlicher Nachteil liegt darin, daß der apparative Aufwand und der Energieeinsatz schon beträchtlich sind.
Die DE 694 01 158 T2 beschreibt eine sich selbst blockierende Gasfeder mit einem tem­ peraturabhängigen Bypassventil. Das temperaturabhängige Bypassventil enthält eine Bimetallfeder, deren Federkraft mit abnehmen der Temperatur steigt und dabei ein Ventil in Schließrichtung vorspannt. Je nach Temperatur wird das besagte Ventil von dem Be­ triebsdruck im kolbenstangenseitigen Arbeitsraum mehr oder weniger stark geöffnet, wodurch die Ausschubkraft der Gasfeder möglichst konstant gehalten werden soll.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kolben-Zylinderaggregat in der Bauform einer Gasfeder mit mindestens zwei Öffnungsbereichen derart auszugestalten, daß die Haltekraft der Gasfeder in dem Bereich, in dem die Ausfahrbewegung der Kolbenstange von Hand ausgelöst oder weitergeführt wird, temperaturunabhängig ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Feder des Überdruckventils eine temperaturabhängige Federkraft aufweist, die mit steigender Betriebstemperatur eine größere Federkraft aufweist, wodurch die zum Öffnen des Überdruckventils not­ wendige Druckkraft im gleichen Maß ansteigt. Die zum Öffnen des Überdruckventils notwendige Druckkraft ist temperaturabhängig. Je größer die Temperatur, um so größer ist auch die Druckkraft in Öffnungsrichtung des Überdruckventils. Im selben Maße steigt aber auch die Druckkraft, die in Ausfahrrichtung der Kolbenstange wirkt. Folglich stellt sich ein gleichsinniges Verhalten zwischen den wirksamen Druck- und Federkräften ein, die dazu führen, daß die im Betrieb u. U. notwendige Hand kraft konstant bleibt und vor allem die Haltekraft der Gasfeder unabhängig von der Temperatur ebenfalls konstant wird. Beim Stand der Technik mußte sichergestellt werden, daß auch bei hohen Betrieb­ stemperaturen eine ausreichende Haltekraft in der Zwischenstopstellung zur Verfügung stand, mit der Folge, daß die zum Überdrücken der Zwischenstopstellung bei niedrigen Temperaturen einen sehr hohen Handkraftaufwand bedurfte. Mit der erfindungsgemä­ ßen Lösung tritt dieses Problem nicht mehr auf.
Im Hinblick auf einen einfachen und kostengünstigen Aufwand wird die temperaturab­ hängige Feder von einer Bimetallfeder gebildet. Man kann auf Fremdenergie oder Steu­ ereinrichtungen verzichten, da bei einer geschickten Auslegung der Komponenten im üblichen Temperaturbereich zwischen -40°C und 80° eine Temperatur- und damit eine Kraftkompensation vorliegt.
In weiterer konstruktiver Ausgestaltung weist der Kolben einen Hülsenabschnitt mit ei­ nem Boden auf, wobei der Boden einen Durchtrittsquerschnitt aufweist, der von dem Ventilkörper des Überdruckventils abdeckbar ist. Mit einem geringen fertigungstechni­ schen Aufwand kann ein Ventilsitz hergestellt werden. Es ist vorgehen, daß der Hülsen­ abschnitt im Kolben ein Verschlußstück aufweist, auf dem sich die Feder des Überdruck­ ventils abstützt. Damit bildet der Hülsenabschnitt ein Gehäuse für das Überdruckventil. Insbesondere wenn das Überdruckventil und das Verschlußstück in Achsrichtung des Kolben-Zylinderaggregates angeordnet sind, läßt sich der Kolben gut montieren.
Die Feder des Überdruckventils unterliegt wie auch die anderen Bauteile des Kolben-Zy­ linderaggregates häufig mehr oder weniger starken Vibrationen, insbesondere in ei­ nem Kraftfahrzeug. Zusätzlich können durch die Temperaturänderungen Längendeh­ nungen auftreten, die die Lage der Feder verändern. Zur Sicherung der Einbaulage der Feder des Überdruckventil weist das Verschlußstück eine schlitzförmige Führung auf.
Da die Feder einen im wesentlichen u-förmigen Querschnitt aufweist, stellt das Ver­ schlußstück für einen Schenkel der Feder, der den Ventilkörper trägt, in Richtung des Schenkels eine weitere Führungsfläche bereit. Die Bewegungsfreiheit der Feder ist damit schon in einer Achse beschränkt.
Zusätzlich weist die schlitzförmige Führung eine Anschlagfläche auf, auf der bei extre­ men Tieftemperaturen der Schenkel der Feder zur Anlage kommt. Es soll vermieden werden, daß sich die u-förmige Feder derart stark krümmt, daß der Ventilkörper aus seiner vorgesehenen Lage fällt.
Um einen möglichst kurzen und verwinkelungsfreien Fluidfluß durch den Kolben zu er­ reichen, weist das Verschlußstück eine Fluidverbindung zum kolbenstangenfernen Ar­ beitsraum auf.
Bei Bedarf kann der Vorteil genutzt werden, daß das Verschlußstück eine Verschlußplat­ te aufweist, die für einen Druckanschlag eine Anschlagfläche bereitstellt.
Zur Vereinfachung der Herstellung des Kolben ist der Kolben auf einen Zapfen der Kol­ benstange aufgeschoben und daran befestigt ist, wobei für den Kolbenstangenzapfen eine Aufnahmeöffnung im Kolben ausgeführt ist, von der ein Abschnitt einen Ventilvor­ raum für das Überdruckventil darstellt. Man erspart sich den zusätzlichen Aufwand für einen separaten Ventilvorraum. Die Verbindung zwischen dem Kolben und dem Kolben­ zapfen muß nicht einmal druckdicht sein, da eine kleine Leckage keinen Einfluß auf das Betriebsverhalten des Kolben-Zylinderaggregat mit sich bringt.
Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt:
Fig. 1 Darstellung einer beispielhaften Einbausituation
Fig. 2 Prinzipdarstellung des Kolben-Zylinderaggregates
Fig. 3 Detaildarstellung des Kolbens von dem Kolben-Zylinderaggregat
Fig. 4 Detaildarstellung des Verschlußstücks
Fig. 5 Kraft-Wegdiagramm des erfindungsgemäßen Kolben-Zylinderaggregates
Die Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Anwendung eines Kolben-Zylinderaggregates (1) in der Bauform einer Gasfeder, im weiteren Gasfeder (1) genannt, an einer Heckklappe (3) eines Kraftfahrzeuges (5). Die Heckklappe verfügt über mindesten einen Öffnungswin­ kelbereich α1, der aufgrund der Gasfederausfahrkraft FGas unabhängig von einer Hand­ kraft FHand selbsttätig zurückgelegt wird. Am Ende des ersten Öffnungswinkelbereichs bleibt die Klappe stehen. Der Sinn dieser Maßnahme liegt darin, daß es einerseits nicht ausgeschlossen ist, daß in niedrigen Garagen die Heckklappe an der Garagendecke an­ schlägt oder eine kleinwüchsige Person den Griff zum Schließen der Heckklappe nicht mehr erreichen würde. Für großgewachsene Personen besteht die Möglichkeit, daß die Heckklappe durch den Einsatz der Handkraft FHand im zweiten Öffnungswinkelbereich bis-zu einem gewünschten Öffnungswinkel weiter geöffnet werden kann. Es kann auch die Auslegung getroffen werden, daß der zweite Öffnungswinkelbereich als ein einfa­ cher Zwischenstop in einem Haltepunkt ausgeführt ist, und sich ein weiterer Öffnungs­ winkelbereich anschließt, in dem die Gasfeder wieder selbsttätig ohne Hand kraft eine Ausfahrbewegung zurücklegt.
Die Fig. 2 zeigt die Gasfeder 1 in einer Schnittdarstellung. Die Gasfeder 1 besteht aus einem Zylinder 7 mit einem endseitigen Boden 9. Das offene Ende des Zylinders wird von einer Kolbenstangenführung 11, die eine Kolbenstange 13 axial beweglich lagert, druckdicht verschlossen. An der Kolbenstange ist ein Kolben 15 befestigt, der den Zylin­ der 7 in zwei Arbeitsräume 17; 19 unterteilt. Der Kolben 15 verfügt über zwei Ventile. Ein Schaltventil 21 besteht aus einem Kolbenring 23, der in einer Kolbenringnut 25 axial beweglich angeordnet ist und in Reibkontakt zur Innenwandung des Zylinders 7 steht. In Abhängigkeit der Schaltstellung innerhalb der Kolbenringnut wird eine Strömungs­ verbindung 27 zwischen den Arbeitsräumen freigegeben oder gesperrt. Liegt der Kol­ benring an einer oberen Nutseitenwand 29 an, so ist die Strömungsverbindung geöff­ net, hingegen bei Anlage an der unteren Nutseitenwand 31 geschlossen.
Ein Ventil 33 ist als ein Überdruckventil ausgeführt, das aus einem absperrbaren Ventil­ querschnitt DB und einem von einer Druckfeder 35 vorgespannten Ventilkörper 37, be­ steht. Die Druckfeder ist als eine Bimetallfeder ausgeführt, die eine mit zunehmender Temperatur des Gases in dem Zylinder größere Federkraft FFeder ausübt.
Unabhängig von der Temperatur stellt sich folgendes Betriebsverhalten ein.
In einem ersten Längenabschnitt des Zylinders 7 ist in die Innenwandung eine Bypass­ nut 39 eingearbeitet, deren Länge dem Öffnungswinkel α1 proportional ist. Der Gas­ druck im Zylinder, der auf den Querschnitt der Kolbenstange 13 mit dem Durchmes­ ser DK wirkt, läßt die Kolbenstange unabhängig von der Schaltstellung der beiden Venti­ le 29; 33 ausfahren, bis das Ende der Bypassnut erreicht ist. Danach bleibt die Kolben­ stange stehen, da die Strömungsverbindung über die Bypassnut unterbrochen ist, das Schaltventil 29 ebenfalls geschlossen ist, da der Kolbenring 23 an der unteren Nutsei­ tenwand nach einer Ausfahrbewegung aufgrund der wirksamen Reibkraft zwischen dem Kolbenring und der Innenwandung des Zylinders grundsätzlich zur Anlage kommt und der Ventilkörper von der Feder 35 auf den Ventilquerschnitt DB vorgespannt ist. Zur weiteren Ausfahrbewegung wird die Kolbenstange über eine zusätzliche Hand kraft an der Klappe aus dem Zylinder gezogen, wodurch das Überdruckventil 33 aufgrund des Druckaufbaus im Arbeitsraum 17 geöffnet wird. Einem nutfreien Abschnitt 41 schließt sich eine weitere Bypassnut 43 an, die die Gasfeder wie innerhalb der ersten Bypassnut selbsttätig ausfahren läßt.
In Einfahrrichtung wird der Kolbenring 23 aufgrund der Reibkraft ausgehend von der Innenwand des Zylinders an die obere Nutseitenwand zur Anlage bewegt, wodurch die Strömungsverbindung 27 frei wird. Es kann ein Fluidaustausch zwischen den beiden Arbeitsräumen 17; 19 stattfinden und die Kolbenstange läßt sich einfahren.
Die Fig. 3 zeigt das den Kolben 15 an der Kolbenstange 13 als Einzelteil, wobei abwei­ chend zur Fig. 2 eine in Achsrichtung angeordnete Druckfeder 35 eingesetzt wird. Die Entscheidung hinsichtlich der Ausrichtung der Druckfeder ist maßgeblich vom Durch­ messer des Zylinders 7 abhängig.
Wie ersichtlich ist, besteht der Kolben aus einem Hauptteil mit einem Hülsenab­ schnitt 45, der von einem Boden 47 ausgeht. In dem Boden 47 ist ein Durchtrittsquer­ schnitt DB ausgeführt, der von dem Ventilkörper 37 absperrbar ist. Der Kolbenhauptkör­ per besitzt eine Aufnahmeöffnung, in die ein Kolbenstangenzapfen 49 eingeschoben werden kann. Am Kolbenstangenzapfen ist eine Einschnürung 51 eingeformt, so daß die Wandung, die die Aufnahmeöffnung bildet, teilweise in die Einschnürung gepreßt werden kann, wodurch eine formschlüssige Verbindung hergestellt wird. Die Aufnah­ meöffnung ist tiefer als die Einschubtiefe des Kolbenstangenzapfens, so daß zwischen dem Boden 47 und der Stirnfläche des Kolbenstangenzapfens ein Ventilvorraum 52 vor­ liegt, der an den Durchtrittsquerschnitt DB grenzt und radiale Anschlüsse 53 in die Kol­ benringnut 25 aufweist.
In dem Hülsenabschnitt 45 des Kolbens 15 ist ein Verschlußstück 55 angeordnet, daß ebenfalls über eine Formschlußverbindung am Kolben befestigt ist. Zu dem Verschluß­ stück gehört eine Verschlußplatte 57, auf der ein Haltezapfen 59 für die u-förmig aus­ gebildete Druckfeder 35 ausgeführt ist. Damit ist die Druckfeder an ihrem unteren Schenkel 35a fixiert. Der vertikale Schenkel 35b liegt am Hülsenabschnitt 45 an, wobei zu berücksichtigen ist, daß die Druckfeder aus einem ebenen Bandmaterial besteht und der Hülsenabschnitt zylindrisch ausgeführt ist, so daß der vermeintliche Abstand zwi­ schen dem vertikalen Schenkel 35b und dem Hülsenabschnitt nur durch die bildliche Darstellung herrührt.
Für die folgende Beschreibung sind die Fig. 4a bis 4c einzubeziehen. Das Verschluß­ stück verfügt noch über einen im wesentlichen halbkreisförmigen Zentrierabschnitt 61, dessen obere Abschlußfläche 63 am Boden 47 an liegt. Der Zentrierabschnitt besitzt im Bereich des oberen Querschenkels 35c der Druckfeder 35 eine schlitzförmige Ausspa­ rung 65, die eine erste Führungsfläche 67, die den Querschenkel 35c der Druckfeder radial führt. Des weiteren übernehmen Seitenwände 69; 71 eine Führung der Druckfe­ der in Querrichtung. Eine Anschlagfläche 73 sorgt dafür, daß sich die Druckfeder bei extremen Tieftemperaturen nicht zu stark nicht innen verformt und der Ventilkörper von der Druckfeder fällt.
Wie zu der Fig. 2 bereits beschrieben, durchströmt das Fluid die Kolben über das Über­ druckventil 33. In der Fig. 3 ist ersichtlich, daß das Fluid in den Hülsenabschnitt einströ­ men kann. Zwischen dem Hülsenabschnitt und dem kolbenstangenfernen Arbeitsraum liegt mindestens eine Fluidverbindung 75 (Fig. 4c) im Bereich der Verschlußplatte 57 vor. Das Verschlußstück läßt sich beispielsweise gießtechnisch herstellen. Deshalb sind die Fluidenverbindungen 75 am Rand der Verschlußplatte ausgeführt, damit das Entformen erleichtert wird. Im übrigen eignet sich die massive Verschlußplatte auch als Anschlag für einen Druckanschlag 77 (s. Fig. 2) im unteren Arbeitsraum der Gasfeder.
Die Fig. 5 soll das Betriebsverhalten der Gasfeder verdeutlichen. Das Diagramm besteht aus einer horizontalen Achse, auf der der Kolbenstangenhub s aufgetragen ist. Die ver­ tikale Achse gibt als Größe die Kraft F an, die beim Kolbenstangenhub s von der Gasfe­ der ausgeübt wird. Der Punkt P1 entspricht der ausgefahrenen Kolbenstange, die aus­ gehend vom Pkt. 1 bis zum Punkt 2 eingefahren wird. Ab dem Pkt. 3 fährt die Kolben­ stange wieder aus, wobei der Kraftunterschied zwischen den Punkten P2 und P3 u. a. mit der Reibung innerhalb der Gasfeder zu begründen ist. Am oberen Auslauf der Bypassnut 39 wird der Pkt. P4 erreicht. Im Punkt 4 kann noch gerade ein Fluidaustausch zwischen den Arbeitsräumen 17; 19 stattfinden, hingegen sind im Pkt. 5 das Schaltven­ til 21 und das Überdruckventil 33 geschlossen. Im oberen Arbeitsraum 17 stellt sich ein größerer Druck ein als im unteren Arbeitsraum 19. Der Druckunterschied Δp zwischen den Arbeitsräumen 17; 19 berechnet sich wie folgt:
Δp = FFeder/((π/4) × DB 2) (1)
FFeder = Kraft der Feder 35 im Überdruckventil 33
DB = Durchmesser des Durchlasses am Überdruckventil 33.
Aus dem Druckunterschied Δp kann die reduzierte Ausschubkraft Fred zwischen dem Punkt 4 und Punkt 5 berechnet werden.
Fred = Δp × π/4 × (Dzyl 2 - DK 2) (2)
Dzyl = Innendurchmesser des Zylinders 7 der Gasfeder
DK = Durchmesser der Kolbenstange 13.
Ersetzt man Δp in der Gleichung (2) durch den Inhalt der Gleichung (1), so ergibt sich:
Fred = FFeder × ((Dzyl 2 - DK 2)/DB 2) (3)
Des weiteren gilt für den Zusammenhang zwischen reduzierter Ausschubkraft Fred, Aus­ schubkraft FAus bei geschlossenen Ventilen 21; 33 und Ausschubkraft FGas bei geöffne­ ten Ventilen 21; 33 (s. Fig. 5):
Fred = FGas - FAus (4)
Setzt man die Gleichungen (3) und (4) gleich, so erhält man den Zusammenhang:
FFeder × ((Dzyl 2 - DK 2)/DB 2) = FGas - FAus (5)
Betrachtet man die Kräfte an der Klappe bei geschlossenen Ventilen 21; 33, so ergibt sich folgende Kräftegleichgewichtsbedingung:
FAus = FG - FHand (6)
FG = Gewichtskraft, beispielsweise der Fahrzeugklappe
FHand = Handkraft zur Überwindung der Stopposition der Gasfeder.
Ersetzt man in der Gleichung (5) den Term FAus durch den Inhalt der Gleichung (6), so ergibt sich:
FFeder × ((Dzyl 2 - DK 2)/DB 2) = FGas - FG + FHand (7)
Die Größen FFeder und FGas sind temperaturabhängig, in dem Sinn, daß beide Kräfte pro­ portional ansteigen oder abnehmen. Die Gewichtskraft FG ist eine Konstante in der Glei­ chung (7). Folglich ist auch die Handkraft FHand konstant.

Claims (10)

1. Gasfeder, umfassend einen Zylinder mit einer Fluidfüllung, die zumindest teilweise aus einem Druckgas besteht, wobei in dem Zylinder ein an einer Kolbenstange ange­ ordneter Kolben den Zylinder in zwei Arbeitsräume unterteilt und im Kolben ein be­ wegungsrichtungsabhängiges Schaltventil angeordnet ist, zu dem ein aus einer Feder und einem Ventilkörper bestehendes Überdruckventil parallel geschaltet ist, wobei in einem ersten Hubbereich des Kolbens ein Bypass das Schaltventil und das Überdruck­ ventil überbrückt, dem sich ein weiterer bypassfreier Hubbereich anschließt, wobei die Gasfeder im bypassfreien Hubbereich arretiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (35) des Überdruckventils (33) eine temperaturabhängige Federkraft aufweist, die mit steigender Betriebstemperatur eine größere Federkraft aufweist, wodurch die zum Öffnen des Überdruckventils (33) notwendige Druckkraft im glei­ chen Maß ansteigt.
2. Gasfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängige Feder (35) von einer Bimetallfeder gebildet wird.
3. Gasfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (15) einen Hülsenabschnitt (45) mit einem Boden (47) aufweist, wo­ bei der Boden (47) einen Durchtrittsquerschnitt (DB) aufweist, der von dem Ventilkör­ per (37) des Überdruckventils (33) abdeckbar ist.
4. Gasfeder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hülsenabschnitt (45) im Kolben (15) ein Verschlußstück (55) aufweist, auf dem sich die Feder (35) des Überdruckventils (33) abstützt.
5. Gasfeder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (55) eine schlitzförmige Führung (65) für die Feder (35) des Überdruckventils (33) aufweist.
6. Gasfeder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (35) einen im wesentlichen u-förmigen Querschnitt aufweist, wobei das Verschlußstück (55) für einen Schenkel (35c) der Feder (35), der den Ventilkörper (37) trägt, in Richtung des Schenkels (35c) eine weitere Führungsfläche (67) bereitstellt.
7. Gasfeder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schlitzförmige Führung (65) eine Anschlagfläche (73) aufweist, auf der bei ex­ tremen Tieftemperaturen der Schenkel (35c) der Feder (35) zur Anlage kommt.
8. Gasfeder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (55) eine Fluidverbindung (75) zum kolbenstangenfernen Arbeitsraum (19) aufweist.
9. Gasfeder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (55) eine Verschlußplatte (57) aufweist, die für einen Druck­ anschlag (77) eine Anschlagfläche bereitstellt.
10. Gasfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (15) auf einen Zapfen (49) der Kolbenstange (13) aufgeschoben und daran befestigt ist, wobei für den Kolbenstangenzapfen eine Aufnahmeöffnung im Kolben (15) ausgeführt ist, von der ein Abschnitt einen Ventilvorraum (52) für das Überdruckventil (33) darstellt.
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