DE19842562C1 - Feststellelement - Google Patents

Abstract

Feststellelement, umfassend eine Kolbenstange mit einem Kolben, der über ein Ventilelement den Austausch von Medium zwischen zwei Arbeitsräumen beeinflußt, wobei das Ventilelement einen axial beweglichen Dichtring aufweist, der eine erste Strömungsverbindung zwischen den beiden Arbeitsräumen ansteuert, und mit einem Kolbenring zusammenwirkt, der ebenfalls in Achsrichtung der Kolbenstange beweglich ist, wobei in Abhängigkeit der Stellung des Kolbenringes der Dichtring eine Verstellbewegung in dieselbe Richtung ausführt wie der Kolbenring, und der Kolbenring und der Dichtring eine einstückige Baueinheit bilden, so daß jede Bewegung des Kolbenringes synchron vom Dichtring mit ausgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Feststellelement entsprechend dem Oberbegriff von Patentan­ spruch 1.

Aus der DE 196 09 040 A1 ist ein Feststellelement, umfassend eine Kolbenstange mit einem Kolben, der ein Ventilelement den Austausch von Medium zwischen zwei Ar­ beitsräumen beeinflußt, wobei das Ventilelement einen axial beweglichen Dichtring aufweist, der eine erste Strömungsverbindung zwischen den beiden Arbeitsräumen an­ steuert, und mit einem Kolbenring zusammenwirkt, der ebenfalls in Achsrichtung der Kolbenstange beweglich ist, wobei in Abhängigkeit der Stellung des Kolbenringes der Dichtring eine Verstellbewegung in dieselbe Richtung ausführt wie der Kolbenring. Prak­ tisch stellt der Kolbenring mit dem Ventilelement (Bezugsziffer 33) eine vom Dichtring unabhängige Ventileinheit dar. Der Dichtring ist bezogen auf das Ventilelement 33 als ein Folgeventil anzusehen. Die Öffnungs- und Schließbewegung ist maßgeblich von den Druck- und Reibungsverhältnissen am Dichtring abhängig. Als schlechtester Fall ist der Zustand anzusehen, wenn das Ventilelement mit dem Kolbenring bereits die maximale Verschiebeposition eingenommen hat, der Dichtring seine Dichtstellung aber noch ein­ nimmt. Es kann auch sein, daß der Dichtring nur einen kurzen Weg zurücklegt, bis die Druckkraft des Arbeitsmediums und die Reibungskraft am Dichtring im Kräftegleichge­ wicht stehen. Um diese Möglichkeiten auszuschließen, werden sehr präzise gefertigte Teile eingesetzt und der Dichtring weist einen kleinen Reibungsbeiwert auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Öffnungs- und Schließverhalten des Dichtringes ausgehend von der geschilderten Problematik zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kolbenring und der Dich­ tring eine einstückige Baueinheit bilden, so daß jede Bewegung des Kolbenringes syn­ chron vom Dichtring ausgeführt wird. Funktional ist der Dichtring nicht mehr als Folge­ ventil anzusehen, da über den Kolbenring eine Zwangsbewegung auf den Dichtring ausgeübt wird. Der Kolbenring verfügt über eine eigene druckbeaufschlagte Fläche, die für die Kolbenringbewegung notwendig ist. Die damit verbundenen Kräfte sind deutlich größer als die Druckkräfte, die auf den Dichtring wirken. Da die Reibungskräfte im Ver­ gleich zum Stand der Technik annähernd gleich sein werden, die Druckkräfte auf den Dichtring aber größer sind, ist der Einfluß der Reibungskräfte geringer und damit das Öffnungs- und Schießverhalten präziser.

Zur Festigkeitssteigerung weist die Baueinheit Dichtring-Kolbenring eine Armierung auf. Vorteilhafterweise ist die Armierung auf der Oberseite der Baueinheit angeordnet und weist eine Anschlagfläche zum Kolben auf. Die Baueinheit besteht im wesentlichen aus elastischem Dichtwerkstoff, der spritztechnisch in seine Form gebracht wird. Eine Armie­ rung innerhalb der Baueinheit würde den Spritzvorgang deutlich komplizierter werden lassen, da man die Armierung in der Spritzform positionieren müßte.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist der Kolben einen Kolbengrundkörper auf, der zusammen mit der Baueinheit Dichtring-Kolbenring einen Staudruckraum bildet, wobei die vom Dichtring gesteuerte Strömungsverbindung zum Staudruckraum eine parallele Strömungsverbindung aufweist. Über die eine Strömungsverbindung wird der Staudruckraum versorgt, damit die Fläche des Kolbenringes mit Arbeitsmedium druck­ beaufschlagt wird. Ist ein Druckniveau erreicht, das den Kolbenring samt Dichtring in einer geöffneten Stellung der Strömungsverbindung hält, kann in den parallelen Strö­ mungsverbindung mit einer geringeren Drosselung Arbeitsmedium von dem einen Ar­ beitsraum in den anderen Arbeitsraum strömen.

In diesem Zusammenhang ist noch zu sehen, daß die Baueinheit Dichtring-Kolbenring auf einem Führungskörper axial verschiebbar ist, wobei der Führungskörper einen im wesentlichen axial verlaufenden Strömungskanal aufweist und der Abflußkanal in den Strömungskanal mündet. Des weiteren ist vorgesehen, daß der Führungskörper einen Polygonquerschnitt aufweist, der ggf. ausgerundet ist und die auf dem Führungskörper verschiebbare Baueinheit Dichtring-Kolbenring einen Querschnitt aufweist, der in Wirk­ verbindung mit dem Führungskörper partielle Führungsbahnen darstellt, wobei zwi­ schen den Führungsbahnen die Strömungskanäle verlaufen. Die partiellen Führungs­ bahnen garantieren einen reibungsarmen Bewegungsablauf der Baueinheit. Zusätzlich erhält man relativ große Querschnitt bei den Strömungskanälen.

Im Hinblick auf eine möglichst kostengünstige Fertigung weist das Polygonprofil an mindestens einem Ende einen Freistich auf und die parallel zum Staudruckraum verlau­ fende Strömungsverbindung ist an den Freistich angeschlossen. Der Vorteil dieser Maß­ nahme liegt darin, daß die Strömungsverbindung und die Strömungskanäle nicht in ei­ ner Flucht liegen müssen, sondern auch in Umfangsrichtung versetzt sein können. Bei der Fertigung muß man deshalb der Anordnung der Strömungskanäle zu den Strö­ mungsverbindungen keine Aufmerksamkeit schenken.

Für einen Druckausgleich im Staudruckraum bei einer Schließbewegung der Baueinheit Dichtring-Kolbenring weist die Armierung eine Drosselöffnung auf, die eine Übertritt von Arbeitsmedium zwischen den beiden Arbeitsräumen ermöglicht. Die Armierung besteht aus einem Metallkörper, in den man die Drosselöffnung besonders präzise ferti­ gen kann.

Entsprechend einem weiteren vorteilhaften Merkmal weist die Baueinheit Dichtring- Kolbenring mindestens einen die Drosselöffnung mit dem Arbeitsraum verbindenden Abflußkanal auf. Die Baueinheit Dichtring-Kolbenring wird von einem Schieber großflä­ chig gehalten, der von der Ventilfeder vorgespannt ist. Es könnte sein, daß der Schieber, der zwar auch Öffnungen in seiner Haltefläche aufweist, die Drosselöffnungen abdeckt. Der mindestens eine Abflußkanal verläuft radial, so daß die Einbaulage der Baueinheit Dichtring-Kolbenring in Umfangsrichtung keinen Einfluß auf die Funktion ausübt.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal ist auch der Abflußkanal der Baueinheit Dichtring-Kolbenring an den Freistich für die Strömungskanäle angeschlossen.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 Schnittdarstellung des Feststellers

Fig. 2 Führungskörper als Einzelteil

Fig. 3 Schnitt durch den Führungskörper

Die Fig. 1 zeigt ein Feststellelement 1 zum Feststellen zweier relativ zueinander beweg­ licher Objekte, beispielsweise für eine Anwendung bei einer Fahrzeugtür oder Fahr­ zeugklappe. Selbstverständlich sind auch andere Anwendungen denkbar, auf die aber im Rahmen der Figurenbeschreibung nicht näher eingegangen werden soll.

Das Feststellelement umfaßt u. a. einen Zylinder 3, in dem eine Kolbenstange 5 mit ei­ nem Kolben 7 axial beweglich führt ist. Der Kolben 7 unterteilt den Zylinder 3 in einen kolbenstangenseitigen (oberen) und einen kolbenstangenfernen (unteren) Arbeits­ raum 9; 11. Ein Kolbengrundkörper 13 stellt das Basisbauteil des Kolbens 7 dar. Zur Verlängerung der Kolbenstange 7 dient ein Führungskörper 15. Der Kolbengrundkör­ per 13 und ein Anschlagbund 17 bilden eine Ringnut 21, in der ein Kolbenring 23 an­ geordnet ist. In Richtung des Anschlagbundes 17 ist die Ringnut konisch ausgeführt, so daß der Kolbenring das Bestreben hat, den kleineren Durchmesser der Ringnut einzu­ nehmen. Je nach Betriebszustand legt sich der Kolbenring an den Anschlagbund 17 oder einen Absatz 25 des Kolbengrundkörpers 13. In dem Zustand, wenn der Kolben­ ring 23 an dem Anschlagbund anliegt, kann der Kolbengrundkörper 13 mittels eines Bypasses 14 von einem Arbeitsmedium innerhalb des Zylinders umströmt werden. Als Arbeitsmedium kann ein unter Druck stehendes Gas verwendet werden. Alternativ oder in Kombination ist natürlich auch ein hydraulisches Medium denkbar.

Radial innen verfügt der Kolbengrundkörper 13 über Umgehungen 27. Diese Umge­ hungen 27 werden in Abhängigkeit der Stellung eines Dichtringes 29 freigegeben oder gesperrt. Der Betriebsdruck im Arbeitsraum 9 sorgt dafür, daß der Dichtring stets an einer Stirnfläche 31 eines axial beweglichen Schiebers 33 anliegt. Der Schieber wird von einer Ventilfeder 19 in Richtung einer Deckfläche 35 des Kolbengrundkörpers 13 vorge­ spannt (s. rechte Schnitthälften der Fig. 1).

Der Dichtring 29 ist innerhalb eines Ringkanal 37 verschiebbar, der die Verlängerung der Umgehung 27 bildet. Der Ringkanal 37 besitzt entweder Schrägnuten oder eine trichter­ förmige Durchmessererweiterung als Querschnittserweiterung. Die Umgehung 27, in einer konkreten Lösung als Bohrungen ausgeführt werden nicht unmittelbar abgedeckt, sondern nur der Ringkanal selbst. Daraus folgt, daß zwischen dem Ausgang der Umge­ hung 27 und dem Dichtring 29 ein Abstand vorliegt, der in Verbindung mit dem Bloc­ kiermedium eine kreisringförmige Druckbeaufschlagungsfläche A darstellt.

Der Dichtring 29 bildet zusammen mit einem zweiten Kolbenring 39 eine Baueinheit, bei der der Kolbenring mit einer radialbeweglichen, elastischen Dichtlippe 41 ausgeführt ist. Diese Dichtlippe ist in der Lage, Durchmesseränderungen im Zylinder 3 auszuglei­ chen, andererseits bei einer Druckbeaufschlagung aus dem kolbenstangenfernen Ar­ beitsraum 11 ihre Dichtwirkung aufzuheben. Die Baueinheit Dichtring- Kolbenring 29; 39, im weiteren nur noch Baueinheit genannt, ist als ein Kunst­ stoffspritzteil mit einem L-förmigen Halbschnitt ausgeführt und weist aus Festigkeits­ gründen eine Armierung 43 auf. Die Armierung 43 erstreckt sich von der Dichtlippe 39 bis zum Dichtring 29 und liegt auf der Oberseite der Baueinheit 29; 39. Sie bildet damit eine Anschlagfläche 45, die an der Deckfläche 35 des Kolbengrundkörpers 13 zur Anla­ ge kommt. In der Baueinheit 29; 39 ist eine Drosselöffnung 47 eingearbeitet. Um eine besonders kleine und genaue Drosselöffnung 47 zu erreichen, ist diese in der Armie­ rung 43 ausgeführt. Prinzipiell ließe sich die Drosselöffnung auch im Kunststoffteil aus­ führen.

Des weiteren verfügt die Baueinheit 29; 39 über mindestens einen radial verlaufenden Abflußkanal 49, der an einen axial verlaufenden Strömungskanal 51 angeschlossen ist. Der Sinn des Abflußkanals ist darin zu sehen, daß die Baueinheit 29; 39 großflächig auf dem Schieber 33 aufliegt. Im Schieber 33 sind zwar axiale Öffnungen 53 eingebracht, die der Entformung des Schiebers aus der Spritzform beim Herstellungsvorgang dienen, doch kann nicht sichergestellt werden, daß die Drosselöffnung 47 in der Bauein­ heit 29; 39 exakt mit den axialen Öffnungen 53 im Schieber zur 33 Überdeckung kommt. Der mindestens eine Abflußkanal 49 garantiert unabhängig von der Einbaulage der Baueinheit 29; 39 in Umfangsrichtung den Arbeitsmediumstrom vom oberen Ar­ beitsraum 9 in den Strömungskanal 51.

In der linken Schnitthälfte ist der von dem Dichtring 29 freigegebene Ringkanal 37 voll­ ständig geöffnet dargestellt. Im Führungskörper 15 sind axial verlaufende Strömungs­ verbindungen 55 ausgeführt, so daß am Innendurchmesser des Dichtrings 29 ein Durchfluß erfolgen kann. Die Strömungsverbindungen sind an einen umlaufenden Frei­ stich 57 im Führungskörper 15 angeschlossen.

Die Fig. 2 zeigt den Führungskörper 15 als Einzelteil. Am oberen Ende ist ein Fortsatz 59 mit einer Zentralöffnung 61 ausgeführt, die als Nietkopf zur Verbindung an den Kol­ bengrundkörper 13 dient. Es schließt sich ein erster Abschnitt 63 an, auf dem die Bau­ einheit 29; 39 mit ihrem abgesetzten Innendurchmesser entlang gleitet und geführt wird. Ein zweiter Abschnitt 65, dargestellt in der Fig. 3, zeigt ein Polygon-Profil mit aus­ gerundeten Ecken. Dieses Polygon-Profil wird durch ein Unrunddrehverfahren herge­ stellt. Dabei wird das Werkzeug abwechselnd radial zugestellt und zurückbewegt, wo­ durch dieses Profil entsteht. Man könnte auch ein Fräsverfahren einsetzen, doch ist der zeitliche Fertigungsaufwand deutlich größer. Mit dem Polygon-Profil ergeben sich an den ausgerundeten Ecken Führungsbahnen 66, die wiederum die Strömungskanäle 51 in Umfangsrichtung begrenzen. Zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 63; 65 ist der umlaufende Freistich 57 zu erkennen. Der Freistich 57 ermöglicht es, daß zwischen den Strömungsverbindungen 55 und den Strömungskanälen 51 keine Win­ kelpositionierung ausgeführt werden muß. Das Arbeitsmedium kann über den Freistich 57 einen Versatz in Umfangsrichtung zurücklegen.

In der rechten Schnitthälfte der Fig. 1 sind die Arbeitsräume durch die Baueinheit 29; 39 getrennt. Der Dichtring 29 dichtet mit seinem Innen- und seinem Außendurchmesser den Ringkanal 37 ab. Dazu verfügt der Dichtring 29 über elastische Lippen an seinen beiden Durchmessern. Der erste Kolbenring 23 übt in diesem Bereich des Zylinders keine Dichtwirkung aus, da der Bypass 14 geöffnet ist. Bei einer Auszugsbewegung der Kol­ benstange 5 bzw. einer Komprimierung des oberen Arbeitsraums, baut sich in einem Staudruckraum 67, der sich zwischen dem Kolbengrundkörper 13 und der Baueinheit erstreckt, ausgehend von der Dichtlippe nach radial innen, ein Staudruck auf. Die Dros­ selöffnung 47 wird von der Deckfläche 35 des Kolbengrundkörpers 13 noch abgedeckt. Man könnte die Drosselöffnung 47 auch weiter radial außen ausführen, doch ist diese Anordnung besonders vorteilhaft, da keine Staudruckverluste auftreten. Der Staudruck im Staudruckraum 67 übt auf die Baueinheit 29; 39 eine axiale Verschiebekraft gegen die Kraft der Ventilfeder 19 aus. Sobald die Federkraft und eine Stützkraft von Stützmit­ teln 69, die sich vom Schieber 33 bis zu einer Bundscheibe 71 erstrecken, überwunden sind, bewegt sich die Baueinheit mit dem Schieber in die in der linken Schnitthälfte dar­ gestellte Schaltstellung. Dabei wird der Dichtring 29 zwanghaft von dem Kolbenring 39 mitgezogen. Es liegt eine eindeutige Stellung zwischen dem Dichtring 29 und dem Kol­ benring 39 vor. Das Arbeitsmedium kann mit einer geringen Drosselung durch die Um­ gehungen 27 in den Ringkanal 37 und von dort in die Strömungsverbindung 55 ein­ strömen. Der weitere Weg führt über den Freistich 57 und die Strömungskanäle 51 in den unteren Arbeitsraum 11.

Wird die Kolbenbewegung gestoppt, stellt sich ein Druckausgleich in den Arbeitsräu­ men 9; 11 und dem Staudruckraum 67 ein. Die Federkraft der Ventilfeder 19 bewegt den Schieber 33 zusammen mit der Baueinheit 29; 39 in Richtung des Kolbengrundkör­ pers 13. Die Drosselöffnungen 47 sind dabei vollständig geöffnet und können das aus dem sich verkleinernden Staudruckraum verdrängte Arbeitsmedium über den minde­ stens einen Abflußkanal 49 in den unteren Arbeitsraum 11 abführen. Sobald die Bau­ einheit 29; 39 wieder an der Deckfläche 35 des Kolbengrundkörpers 13 anliegt, hat auch der Dichtring 29 seine vorbestimmte Position eingenommen.

In diesem Ausführungsbeispiel verfügt der Zylinder 3 über einen Hubbereich H₁ mit ei­ nem vergrößerten Innendurchmesser D. Die vorstehende Funktionsbeschreibung bezog sich auf den Hub des Zylinders mit dem vergrößerten Innendurchmesser. Oberhalb von dem Hubbereich H₁ ist der Zylinder mit einem Nenninnendurchmesser D_N ausgeführt. In diesem Hubbereich H₂ spielt die Lage des ersten Kolbenringes 23 eine Rolle, da dieser Kolbenring 23 ein Schaftventil darstellt, das in Einfahrrichtung der Kolbenstange 5 durch den Reibkontakt zur Wandung des Zylinders 3 öffnet, indem der erste Kolbenring 23 am Anschlagbund 17 zur Anlage kommt und in Ausfahrrichtung am Absatz 25 des Kol­ bengrundkörpers 13 anliegt und damit den angesprochenen Bypass 14 verschließt.

Der wesentliche Unterschied für die Einleitung der Öffnungsbewegung des Dichtrin­ ges 29 besteht darin, daß im ersten Hubbereich H₁ der Staudruckraum 67 mit seinem kreisringförmigen Querschnitt ausgehend von der elastischen Dichtlippe 41 bis an den Kolbengrundkörper 13 als druckbeaufschlagte Fläche zur Verfügung steht. Im zweiten Hubbereich H₂ wird der Staudruckraum 67 in Ausfahrrichtung der Kolbenstange 5 durch das geschlossene Schaltventil 17; 23; 25 vom oberen Arbeitsraum 9 getrennt. Als druckbeaufschlagte Fläche steht dann der kleine Kreisringquerschnitt des Dichtringes 29 zur Verfügung. Folglich ist im zweiten Öffnungsbereich H₂ die aufzubringende Venti­ löffnungskraft größer als im ersten Hubbereich H₁.

Claims (10)

1. Feststellelement, umfassend eine Kolbenstange mit einem Kolben, der über ein Ventilelement den Austausch von Medium zwischen zwei Arbeitsräumen beeinflußt, wobei das Ventilelement einen axial beweglichen Dichtring aufweist, der eine erste Strömungsverbindung zwischen den beiden Arbeitsräumen ansteuert, und mit ei­ nem Kolbenring zusammenwirkt, der ebenfalls in Achsrichtung der Kolbenstange beweglich ist, wobei in Abhängigkeit der Stellung des Kolbenringes der Dichtring eine Verstellbewegung in dieselbe Richtung ausführt wie der Kolbenring, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring (39) und der Dichtring (29) eine einstückige Baueinheit bilden, so daß jede Bewegung des Kolbenringes (39) synchron vom Dichtring (29) mit aus­ geführt wird.

2. Feststellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit Dichtring-Kolbenring (29; 39) eine Armierung (43) aufweist.

3. Feststellelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung (43) auf der Oberseite der Baueinheit (29; 39) angeordnet ist und eine Anschlagfläche (45) zum Kolben (7) aufweist.

4. Feststellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (7) einen Kolbengrundkörper (13) aufweist, der zusammen mit der Baueinheit Dichtring-Kolbenring (29; 39) einen Staudruckraum (67) bildet und die vom Dichtring (29) gesteuerte Strömungsverbindung zum Staudruckraum (67) eine parallele Strömungsverbindung (55) aufweist.

5. Feststellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit Dichtring-Kolbenring (29; 39) auf einem Führungskörper (15) axial verschiebbar ist, wobei der Führungskörper (15) mindestens einen im wesentli­ chen axial verlaufenden Strömungskanal (51) aufweist.

6. Feststeller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungskörper (15) einen Polygonquerschnitt aufweist, der ggf. ausgerun­ det ist und die auf dem Führungskörper (15) verschiebbare Baueinheit Dichtring- Kolbenring (29; 39) einen Querschnitt aufweist, der in Wirkverbindung mit dem Führungskörper (15) partielle Führungsbahnen (66) darstellt, wobei zwischen den Führungsbahnen (66) die Strömungskanäle (51) verlaufen.

7. Feststellelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Polygonprofil an mindestens einen Ende einen Freistich (57) aufweist und die parallel zum Staudruckraum verlaufende Strömungsverbindung (55) an den Frei­ stich (57) angeschlossen ist.

8. Feststellelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung (43) eine Drosselöffnung (47) aufweist, die eine Übertritt von Arbeitsmedium zwischen den beiden Arbeitsräumen (9; 11) ermöglicht.

9. Feststellelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit Dichtring-Kolbenring (29; 39) einen die Drosselöffnung (47) mit dem Arbeitsraum (11) verbindenden Abflußkanal (49) aufweist.

10. Feststellelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abflußkanal (49) der Baueinheit Dichtring-Kolbenring (29; 39) an den Frei­ stich (57) für die Strömungskanäle (51) angeschlossen ist.