DE19756557A1 - Gasfeder - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasfeder. Eine Gas­ feder ist ein hydropneumatisches Verstellelement mit einem in sich geschlossenen Gas- und Ölsystem als Energiespeicher. Die Federkraft wird durch ein komprimiertes Füllmedium er­ zeugt.

Herkömmliche Gasfedern bestehen im wesentlichen aus einem zylindrischen Druckrohr, das auf einer Seite mit einem Deckel und auf der gegenüberliegenden Seite durch ein Dich­ tungs- und Führungspaket gasdicht verschlossen ist. Durch das Dichtungs- und Führungspaket wird eine Kolbenstange axial beweglich geführt, an deren Ende im Inneren des Druck­ rohres ein Kolben befestigt ist, der zugleich den Ausschub der Kolbenstange begrenzt. Das außenliegende Ende der Kol­ benstange und das Druckrohrende ist jeweils mit einem dem Anwendungsfall angepaßten Befestigungsmittel versehen.

Die gewünschte Feder-, Ein- oder Ausschubkraft der Kolben­ stange einer Gasfeder wird durch das Einbringen eines be­ stimmten Gasüberdrucks in das zylindrische Druckrohr er­ reicht. Ferner ist die Querschnittsfläche des Kolbens, auf den der Druck im zylindrischen Druckrohr wirkt, für die Be­ stimmung der gewünschten Feder-, Ein- und Ausschubkraft von Bedeutung.

Beim Einschieben der Kolbenstange und des Kolbens einer Gas­ feder wird der Volumenraum des Gases reduziert und eine Druckerhöhung, die ein Maß für die Steigerung der potentiel­ len Energie für die jeweilige Position darstellt, bewirkt.

Der Kolben im Inneren der Gasfeder hat die Funktionen, eine spezifische Ausschubgeschwindigkeit zu ermöglichen, eine dem Anwendungsfall angepaßte Dämpfung zu bewirken, als Führungs­ element zu dienen und die Ausschubweite der Kolbenstange zu begrenzen.

Es sind Kolbenkonstruktionen bekannt, bei denen der Kolben mit einer oder mehreren kleinen Düsenbohrungen oder mit einem Labyrinthsystem versehen ist. Bei der Verwendung eines solchen Kolbens kann durch das Überströmen von Gas eine ge­ zielte Dämpfung beim Ein- und Ausschieben der Kolbenstange erzielt werden.

Zur Schmierung von Gasfedern befindet sich im zylindrischen Druckraum eine bestimmte Ölmenge, die gleichzeitig auch als lageabhängige hydraulische Endlagendämpfung verwendet werden kann. Weitere Endlagendämpfungen sind durch Schraubenfedern oder Gummiendanschläge bekannt.

Die Federkennlinie einer herkömmlichen Gasfeder wird im Kraft-Weg-Diagramm (F-s-Diagramm) dargestellt. Die Kraftver­ läufe folgen näherungsweise einer Geraden und weisen ver­ gleichsweise zu Schraubenfedern einen geringen Kraftanstieg über dem Federweg auf. Die Losbrechkraft, welche die Kraft kennzeichnet, mit der die Kolbenstange zu Beginn einer Bewe­ gung losgelöst werden muß, wird üblicherweise im F-s- Diagramm nicht gezeigt. Diese Losbrechkraft beträgt übli­ cherweise ein Vielfaches der anfänglichen Ein- oder Aus­ schubkraft.

Die Federkennlinie der herkömmlichen Gasdruckdämpfer kann z. B. durch das Einbringen von Öl verändert werden. Eine er­ höhte Ölmenge innerhalb der Gasfeder verursacht erhöhte Ein­ schub- und Ausschubkräfte. Ferner kann die Federkennlinie durch Veränderung der Abmessungen des Druckrohrs und der Kolbenstange variiert werden. Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Federkennlinie besteht darin, ein Feder­ element im Volumenraum vorzusehen, wodurch die Federkennli­ nie der Gasfeder mit der des Federelements überlagert wird.

Die Herstellung solcher Gasfedern, insbesondere der Kolben­ stange, erfordert einen erheblichen produktionsaufwand, da die Oberfläche eine Dichtfläche ist. Die Kolbenstange muß gehärtet sein und eine maximale Rauhtiefe von ungefähr 1 bis 3 µm aufweisen. Dazu wird sie herkömmlicherweise geschlif­ fen, oberflächengehärtet und verchromt.

Ein weiteres Verfahren, das alternativ zum Verchromen ange­ wandt werden kann, ist ein Salzbad-Härteverfahren. Die Kol­ benstangen werden in einem Salzbad auf z. B. 580°C erwärmt und verbleiben eine bestimmte Zeit darin. Dieses Verfahren ist ein Aufstieghärteverfahren, das gleichzeitig einen Rost­ schutz für die Oberfläche der Kolbenstange bildet. Nachdem die Kolbenstangen aus dem Salzbad entfernt werden, müssen sie auf einer Poliermaschine bearbeitet werden, um die er­ forderliche Oberflächengüte zu erhalten.

Die bekannten Gasfedern und Verfahren zu ihrer Herstellung haben insbesondere die Nachteile, daß die Kennlinie nicht beliebig verändert werden kann, die Funktionsfähigkeit der Gasfeder bei kleinsten Beschädigungen an der Kolbenstange oder am Rohr nicht mehr gewährleistet ist, und hohe System­ drücke in der Gasfeder erforderlich sind, wodurch bei erhöh­ ten Temperaturen, z. B. bei Fahrzeugbränden, ein erhebliches Gefahrenpotential ausgeht. Weitere Nachteile sind die hohe Losbrechkraft der Kolbenstange, das aufwendige Herstellver­ fahren der Kolbenstange und die damit verbundenen Umweltpro­ bleme. Problematisch sind diesbezüglich insbesondere umwelt­ schädliche Rückstände beim Verchromen und/oder Salzbad-Här­ teverfahren, sowie Schleif- und polierrückstände bzw. Schlämme, die als hochgiftiger Sondermüll sehr aufwendig und teuer entsorgt werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Gasfeder zur Verfügung zu stellen.

Die Gasfeder der vorliegenden Erfindung hat insbesondere die Vorteile, daß sie umweltfreundlich hergestellt werden kann, da die Kolbenstange keinem besonderem Verfahren unterzogen werden muß, bei dem umweltbelastende Stoffe anfallen. Be­ schädigungen an der Kolbenstange und am Außenrohr der erfin­ dungsgemäßen Gasfeder haben keinerlei Funktionsbeeinträchti­ gung zur Folge. Der Gasdruck in der Gasfeder kann bis zu 50% reduziert werden. Ferner ist die Kennlinie der erfindungs­ gemäßen Gasfeder variabel gestaltbar, ohne daß zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind. Die Ausschub- bzw. Einschubge­ schwindigkeit der Kolbenstange kann beliebig eingestellt werden. Die Gasfeder kann ferner variable Befestigungsmittel an Zylinder aufweisen, eine Klemmvorrichtung zur Fixierung der Kolbenstange in jeder beliebigen axialen Position haben und Mittel zur Endlagendämpfung beinhalten.

Ein weiterer Vorteil ist die geringe Losbrechkraft der Kol­ benstange und die vielseitige Verwendbarkeit, aufgrund ihrer hohen passiven Sicherheit. Des weiteren kann die Gasfeder der Erfindung aus handelsüblichen Bauteilen hergestellt wer­ den, wodurch eine weitere Reduzierung der Herstellkosten er­ zielt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand verschiedener Ausfüh­ rungsformen beispielhaft beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zwei-Rohr-Gasfeder;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Zwei-Rohr-Gasfeder; und

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform der Zwei-Rohr-Gasfeder.

Die Zwei-Rohr-Gasfeder 2 der vorliegenden Erfindung besteht im wesentlichen aus einem Innenrohr 4 und einem im wesentli­ chen koaxial dazu angeordneten Außenrohr 6. Im Innenrohr 4 befindet sich ein Kolben 8, der im Innenrohr 4 gleitbar ge­ lagert ist. Der Kolben 8 ist, vorzugsweise durch ein Ge­ winde, mit einer Kolbenstange 10 verbunden. Zur Führung der Kolbenstange 10 ist an einem ersten Ende 12 der Rohre 4 und 6 ein Führungselement 14 vorgesehen, welches die Kolben­ stange 10 führt, vorzugsweise gleichzeitig das Innenrohr 4 gegenüber dem Außenrohr 6 abdichtet und Mittel 16 gegen Ein­ dringen von Schmutz von außen aufweist. Das gegenüberlie­ gende Ende 18 ist mit einer Steuereinheit 20 verschlossen. Somit bildet das Innenrohr 4, der Kolben 8 und die Steuereinheit 20 einen ersten Volumenraum 22. Der Ringraum zwischen dem Innenrohr 4 und dem Außenrohr 6 bildet zusammen mit dem Führungselement 14 und der Steuereinheit 20 einen zweiten Volumenraum 24. Die beiden Volumenräume 22 und 24 sind durch die Steuereinheit 20 miteinander verbunden oder verbindbar, indem die Steuereinheit 20 einen Steuerschlitz 26 und einen Ringkanal 28 aufweist. Die Abmessungen des Steuerschlitzes 26 und des Ringkanals 28 definieren die Aus­ schubgeschwindigkeit der Kolbenstange 10. Durch Variieren der Größe der Volumenräume 22 und 24, d. h. durch Variieren der Rohrdurchmesser und -längen können beliebige Druckver­ hältnisse eingestellt werden, so daß die Kennlinie der Zwei- Rohr-Gasfeder im F-s-Diagramm je nach Anwendungsfall ange­ paßt werden kann.

Die Befüllung der Volumenräume 22 und 24 mit Gas, vorzugs­ weise mit Stickstoff, erfolgt durch eine radiale Gasfüllboh­ rung 30. Beide Volumenräume 22 und 24 werden somit mit dem gleichen Gasdruck beaufschlagt. Die Gasfüllbohrung 30 ist mit einem Verschluß 32 verschlossen, der gleichzeitig als Berstschutz für die Zwei-Rohr-Gasfeder wirkt. Der Verschluß 32 ist in Form eines ringförmigen Elastik-Elementes z. B. aus Gummi, das innerhalb der Gasfüllbohrung 30 angeordnet ist, verwirklicht, so daß beim Befüllen der Zwei-Rohr-Gasfeder der Verschluß 32 nach innen gedrückt wird, während danach der Druck des Gases den Verschluß 32 auf die Gasfüllbohrung 30 drückt und abdichtet. Erhöht sich der Druck innerhalb der Zwei-Rohr-Gasfeder übermäßig, z. B. durch Erwärmung bei einem Brand, so wird das Verschlußelement 32 aus Gummi durch die Gasfüllöffnung 30 gedrückt, wodurch ein vergrößerter Volu­ menraum entsteht oder der Gasdruck schließlich entweichen kann. Somit ist ausgeschlossen, daß die Kolbenstange zum Ge­ schoß wird, falls der Innendruck der Gasfeder über ein zu­ lässiges Höchstmaß hinaus zunimmt.

Der Kolben 8 der Zwei-Rohr-Gasfeder 2 ist mit einer Nut- Ring-Manschette 34 versehen, welche eine V-förmige Nut auf­ weist, wodurch der Systemdruck im ersten Volumenraum 22 auf die Nut-Ring-Manschette 34 wirkt und der Abdichtungseffekt verstärkt wird.

Die Kolbenstange 10 ist an einem dem Kolben 8 gegenüberlie­ genden Ende mit einem Verbindungselement 36 versehen, das je nach Anwendungsfall verschiedenartig ausgebildet sein kann. Ebenso weist das Außenrohr 6 oder die Steuereinheit 20 ein Verbindungselement 38 auf, das je nach Anwendungsfall flexi­ bel ausgelegt werden kann.

Zum Betrieb der Zwei-Rohr-Gasfeder werden die beiden Volu­ menräume 22 und 24 über die Gasfüllöffnung 30 mit dem glei­ chen Systemdruck beaufschlagt. Durch den Systemdruck wird der Kolben 8 und die Kolbenstange 10 in eine ausgefahrende Grundposition gebracht. Wird die Kolbenstange 10 eingescho­ ben, so bewegt sich der Kolben 8 im Innenrohr 4 in Richtung der Steuereinheit 20 und verkleinert so das Volumen des ersten Volumenraums 22. Dadurch strömt das Gas vom ersten Volumenraum 22 durch die Steuereinheit 20 in den zweiten Vo­ lumenraum 24 und wird vorgespannt. Beim Entlasten der Kol­ benstange wird sie vom vorgespannten Gasdruck im zweiten Vo­ lumenraum 24 mit einer genau definierten Ausschubgeschwin­ digkeit ausgeschoben. Diese Ausschubgeschwindigkeit wird durch den Ringkanal 28 und den Steuerschlitz 26 definiert.

Zur Schmierung der Gasfeder befindet sich in den Volumen­ räumen 22 und 24 eine geringe Menge Schmieröl.

Gasfedern werden insbesondere in Fahr- und Flugzeugen, Stüh­ len und beliebigen Maschinen verwendet. Ein typisches Anwen­ dungsbeispiel findet sich an Heckklappen oder Motorhauben von Kraftfahrzeugen.

Zur Abdichtung der beiden Volumenräume 22 und 24 gegeneinan­ der am Führungselement 14 und an der Steuereinheit 20 werden vorzugsweise O-Ringe verwendet. Gegen das Eindringen von Schmutz von außen entlang der Kolbenstange 10 ist das Dich­ tungsmittel 16 ebenfalls vorzugsweise als O-Ring ausgebil­ det. Zum gleichen Zweck ist am Kolben 8 ein weiterer O-Ring vorgesehen.

Die in Fig. 2 dargestellte Zwei-Rohr-Gasfeder zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Abweichend von der ersten Ausführungsform befindet sich hier das Verbindungs­ element 38 nicht an der Steuereinheit 20 sondern am Außen­ rohr 6 der Zwei-Rohr-Gasfeder 2. Ferner ist die Verbindung zwischen dem ersten Volumenraum 22 und dem zweiten Volumen­ raum 24 in der Steuereinheit 20 durch einen spiralförmigen Steuerschlitz 40 und den Ringkanal 28 gebildet. Zur Entla­ gendämpfung der Kolbenstange 10 befindet sich in einem Ring­ raum 42 zwischen dem Führungselement 14 und dem Kolben 8 ein Federelement 44 in Form einer Schrauben-Druck-Feder. Es könnte jedoch anstelle der Schraubenfeder jedes andere kompressible Medium zur Dämpfung verwendet werden.

Die in Fig. 3 dargestellte dritte Ausführungsform der Zwei- Rohr-Gasfeder 2 der Erfindung entspricht im wesentlichen der in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Gasfeder. Der Kolben 8 ist jedoch mit einem Quartring 46 als dynamische Dichtung versehen. Das Führungselement 14 ist ferner zur Aufnahme einer Klemmvorrichtung 48 ausgebildet. Diese Klemmvorrich­ tung 48 besteht aus einem Ringspannkeil 50, einem Ringdruck­ stück 52 und einer Mutter 54, die auf das Führungselement 14 aufgeschraubt werden kann und so den Ringspannkeil 50 ver­ klemmt, wodurch die Kolbenstange 10 festgeklemmt ist.

Neben dieser Ausführungsform der Klemmvorrichtung können auch sämtliche weiteren bekannten Ausführungsformen von Klemmvorrichtungen zum Festsetzen der Kolbenstange 10 an der Zwei-Rohr-Gasfeder 2 vorgesehen sein. Eventuelle Beschädi­ gungen der Kolbenstange oder des Außenrohrs 6 der erfin­ dungsgemäßen Zwei-Rohr-Gasfeder beeinträchtigen die Funkti­ onsweise nicht im geringsten, da die Kolbenstangen-Oberflä­ chengüte und die Beschaffenheit des Außenrohrs 6 für die Funktion unwichtig sind und an ihnen oder durch sie keine gasabdichtende Wirkung erzielt wird.

Die in den verschiedenen Ausführungsformen dargestellten Zwei-Rohr-Gasfedern sind Gasdruckfedern. Die der Erfindung zugrunde liegende Idee kann jedoch auch für Gaszugfedern An­ wendung finden. Dazu kann z. B. das Führungselement 14 gleichzeitig als Steuereinheit ausgebildet sein und der Ringraum 42 den ersten Volumenraum darstellen.

Das Führungselement 14 der Zwei-Rohr-Gasfeder dient ledig­ lich der besseren Führung der Kolbenstange 10, ist jedoch kein zwingend erforderliches Bauelement. Bei Zwei-Rohr-Gas­ federn der Erfindung kann, anstelle des Führungselements 14, der zweite Volumenraum 24 lediglich verschlossen sein, z. B. durch einen ringförmigen Deckel.

Die Steuereinheit 20 kann anstelle des Steuerschlitzes 26 und des Ringkanals 28 ebenso durch ein Ventil gebildet sein, mit dem der Durchlaßquerschnitt variiert werden kann.

Eine erfindungsgemäße Gasfeder kann außerdem noch weitere Volumenräume durch das Vorsehen weiterer Rohre aufweisen. Deren genaue Ausbildung sollte dann entsprechend dem zuvor Beschriebenen erfolgen.

Claims (14)

1. Gasfeder, die als Mehr-Rohr-Gasfeder, vorzugsweise als Zwei-Rohr-Gasfeder (2), ausgebildet ist.

2. Gasfeder nach Anspruch 1, wobei sie ein Innenrohr (4), ein darum angeordnetes Außenrohr (6), einen Kolben (8), eine Kolbenstange (10) und eine Steuereinheit (20) auf­ weist, wobei ein erster Volumenraum (22) und ein zweiter Volumenraum (24) gebildet wird, die durch die Steuerein­ heit (20) miteinander verbindbar sind.

3. Gasfeder nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit (20) durch einen axialen (26) oder spiralförmigen Steuer­ schlitz (40) und/oder einen Ringkanal (28) gebildet ist.

4. Gasfeder nach Anspruch 2 oder 3, wobei sie ferner Dich­ tungsmittel aufweist, die die beiden Volumenräume (22, 24) gegeneinander und zur Umgebung abdichten.

5. Gasfeder nach Anspruch 4, wobei das Dichtungsmittel, welches den ersten Volumenraum (22) am Kolben (8) zur Umgebung abdichtet, eine Nut-Ring-Manschette (34), die vom Gasdruck im ersten Volumenraum (22) beaufschlagt ist, oder ein Quartring (46) ist.

6. Gasfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sie ferner ein Führungselement (14) aufweist, welches die Kolbenstange (10) führt.

7. Gasfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sie ferner eine Füllöffnung (30), einen Verschluß und/oder einen Berstschutz (32) für die Füllöffnung (30) auf­ weist.

8. Gasfeder nach Anspruch 7, wobei die Füllöffnung (30) eine Radialbohrung im Außenrohr (6) ist, die durch einen Verschluß (32) in Form eines Elastik-Elements verschlos­ sen ist, der gleichzeitig den Berstschutz darstellt.

9. Gasfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei sie ferner Mittel (44) zur Endlagendämpfung der Kolbenstange (10) und des Kolbens (8) aufweist.

10. Gasfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei sie ferner Mittel zum Blockieren (48) der Kolbenstange (10) in jeder beliebigen axialen Position aufweist.

11. Gasfeder nach Anspruch 10, wobei die Mittel zum Blockie­ ren (48) der Kolbenstange (10) durch einen Ringspannkeil (50) gebildet sind, der zwischen der Kolbenstange (10) und dem Führungselement (14) festklemmbar ist.

12. Gasfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei sie als Gas-Druck-Feder und/oder Gas-Zug-Feder ausgelegt ist.

13. Verfahren zur Herstellung einer Gasfeder, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten:

• (a) Ausbilden eines Innenrohrs (4) in ein Außenrohr (6);
• (b) Einführen eines Kolbens (8) mit einer Kolbenstange (10) in das Innenrohr (4);
• (c) Ausbilden einer Steuereinheit (20) an den beiden Rohren (4, 6);
• (d) Verschließen der offenen Enden der Rohre (4, 6); und
• (e) Befüllen der Gasfeder mit Gas und/oder Schmieröl durch eine Füllöffnung (30).

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei zum Befüllen der Gas­ feder eine Füllöffnung (30) durch radiales Aufbohren des Außenrohrs (6) ausgebildet wird, die durch ein Elastik- Element als Verschluß (32) abgedichtet wird.