Die vorliegende Erfindung betrifft einen Arbeitszylinder für eine Fahrzeughy
draulik, insbesondere zur Betätigung einer zwischen einer Brennkraftma
schine und einem Zahnräderwechselgetriebe angeordneten Schalttrenn
kupplung. Derartige Arbeitszylinder umfassen ein hohlzylindrisch gestalte
tes, einen Druckraum bildendes Gehäuse mit einem Zulaufanschluß und
einem Druckanschluß. In dem Druckraum ist ein axial verschiebbar ange
ordneter Kolben eingesetzt, der gegenüber dem Gehäuse abgedichtet ist.
Dem Kolben ist eine Druckfeder zugeordnet, die den Kolben in Richtung
einer spielfreien Endlage kraftbeaufschlagt. An dem vom Druckraum abge
wandten Ende ist am Kolben eine Kolbenstange schwenkbeweglich ange
lenkt. Das weitere Ende der Kolbenstange kann beispielsweise an einem
Kupplungspedal befestigt sein, zur manuellen Betätigung der Schalttrenn
kupplung.
Aus der DE 37 13 248 C2 ist ein Arbeitszylinder der eingangs genannten
Bauart bekannt. Dieser Arbeitszylinder umfaßt einen Kolben, der mit einer
Stahlhülse umgeben ist. Als Abdichtung eines Ringspaltes zwischen dem
Kolben und der Stahlhülse ist druckraumseitig eine Ringnut im Kolben vor
gesehen zur Aufnahme eines Runddichtrings, welcher sich dichtend an der
Stahlhülse abstützt. Zur Führung des Kolbens ist im Gehäuse eine soge
nannte Zwischenhülse eingesetzt, deren Länge deutlich kleiner ist als die
Längserstreckung des Kolbens. Die Zwischenhülse ist zur Lagepositionie
rung durch ein Halteglied gesichert, deren radial vorgespannte Schnappna
sen in der Einbaulage in Ausnehmungen des Gehäuses verrasten. An bei
den Stirnseiten der Zwischenhülse sind in Ausnehmungen Nutringdichtun
gen eingesetzt, die den Ringspalt zwischen dem Kolben und der Zwischen
hülse abdichten. Die im Druckraum des Gehäuses eingebrachte Druckfeder
stützt sich zwischen einem Gehäuseboden und dem Kolben ab. In einer
Neutrallage nimmt der Kolben aufgrund der von der Druckfeder ausgeübten
Federkraft eine Endlage ein, bei der dieser mit einer stirnseitigen radialen
Kolbenplatte an der Zwischenhülse abgestützt ist. Der Aufbau des bekann
ten Arbeitszylinders umfaßt eine Vielzahl von Einzelbauteilen, die einen er
höhten Montageaufwand erfordern und gleichzeitig die Herstellkosten erhö
hen. Der bekannte Arbeitszylinder besitzt weiterhin einen Zulaufanschluß,
der rechtwinklig zur Längsachse des Arbeitszylinders angeordnet ist und
axial versetzt zum Druckanschluß des Arbeitszylinders. Die Anordnung die
ser Anschlüsse gestattet keinen senkrechten Einbau, bei dem der Zulaufan
schluß oberhalb des Druckanschlusses angeordnet ist, zur Erzielung einer
selbsttätigen Entlüftung des Hydrauliksystems.
Die Nachteile der bekannten Vorrichtung berücksichtigend, ist es Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, einen Aufbau für einen Arbeitszylinder zu
schaffen
- - mit einem bauteiloptimierten Aufbau;
- - der eine Selbstentlüftung auch bei senkrechtem Einbau gewähr
leistet;
- - mit dem ein Kostenvorteil erzielbar ist.
Gemäß der Erfindung ist der Kolben druckraumseitig mit einem Steuerele
ment verbunden, das abhängig von der Stellung des Kolbens den Zulaufan
schluß öffnet oder schließt. Dabei ist der Zulaufanschluß in einem recht
winklig zu einer Längsachse des Arbeitszylinders angeordneten Boden im
Gehäuse eingebracht. Ein derartiger Zulaufanschluß in Verbindung mit ei
nem Druckanschluß, der in einem zylindrischen Abschnitt des Gehäuses
axial versetzt zum Zulaufanschluß angeordnet ist, gewährleistet eine
selbsttätige Entlüftung, d. h. Evakuierung der im Hydrauliksystem einge
schlossenen Luft, auch bei einem senkrechten Einbau des Arbeitszylinders.
Für das federkraftbeaufschlagte, relativ zum Kolben verschiebbar angeord
nete Steuerelement ist ein Hub bzw. ein Verstellweg vorgesehen, der kleiner
ist als der maximale Hub des Kolbens. Aufgrund dieser Anordnung ist in der
Endstellung des Kolbens, die der eingerückten Position der Schalttrenn
kupplung entspricht, ein stets geöffneter Zulaufanschluß gewährleistet, über
den eine selbsttätige Entlüftung erfolgen kann. Weiterhin ist ein selbsttätiges
Nachströmen eines Druckmittels aus einem Reservoir ermöglicht, das mit
dem Zulaufanschluß verbunden ist, um bei Bedarf das Hydrauliksystem mit
Druckmittel aufzufüllen. Ein für den Druckaufbau erforderlicher geschlosse
ner Zulaufanschluß stellt sich selbsttätig nach einem Teilhub des Kolbens
ein. Der Kolbenhub zum Schließen des Zulaufkanals kann dabei durch die
Länge des Steuerelementes bestimmt werden, die gleichzeitig ein Spaltmaß
zwischen dem Steuerelement und dem geöffneten Zulaufanschluß definiert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der
Ansprüche 2 bis 19.
In vorteilhafter Weise ist das Steuerelement topfartig als ein Steuerkorb ge
staltet, der einen zum Zulaufanschluß ausgerichteten, geschlossenen Bo
den umfaßt, an dem sich umfangsverteilt axial in Richtung des Kolbens
ausgerichtete Haltearme anschließen, die formschlüssig am Kolben befe
stigt sind.
Erfindungsgemäß ist weiterhin eine Druckfeder zwischen dem Steuerele
ment bzw. dem Steuerkorb und dem Kolben vorgesehen. Die Federanord
nung sorgt für ein stets in Richtung des Zulaufanschlusses kraftbeauf
schlagtes Steuerelement. Die Ausbildung des Steuerelementes in Verbin
dung mit der Druckfeder sorgt dafür, daß in einer Neutralstellung, die gleich
zeitig der oberen Stellung des Kupplungspedals entspricht, der Zulaufan
schluß geöffnet ist durch die Bildung eines definierten Ringspaltes zwischen
dem Steuerelement und dem Zulaufanschluß. In dieser Stellung des Steu
erelementes kann ein Befüllen oder Schnüffeln des Hydrauliksystems erfol
gen. Durch die Verwendung einer Feder mit einer relativ geringen Anfede
rung des Steuerelementes ist weiterhin eine Vakuumabsenkung bei einem
Pedalschnalzen denkbar. Zur Betätigung der Kupplung, bei der sich der
Kolben des Arbeitszylinders verschiebt, stützt sich nach einem Teilhub des
Kolbens das Steuerelement dichtend am Zulaufanschluß ab und ermöglicht
damit einen Druckaufbau im Druckraum des Arbeitszylinders.
Zur Vermeidung einer Luftblasenbildung innerhalb des Steuerelements ist
dieses seitlich geschlitzt bzw. die Haltearme sind so weit voneinander beab
standet angeordnet, daß eine ungehinderte Druckmittelströmung durch das
Steuerelement erfolgen kann. Eine Ausgestaltung des Steuerelementes
sieht vor, daß deren Haltearme an einer Innenwandung des Gehäuses ge
führt sind und endseitig zur Bildung von Haltenasen rechtwinklig nach innen
abgekantet sind. Zur Lagefixierung hintergreifen die Haltenasen formschlüs
sig eine stirnseitige Kolbenscheibe oder einen radialen Vorsprung des Kol
bens.
Die Erfindung schließt weiterhin ein Steuerelement ein, dessen Haltearme in
Längsführungen des Gehäuses eingreifen und deren endseitig abgekantete
Haltenasen am Kolben verschnappt sind. Eine derartige Führung des Steu
erelementes ermöglicht eine verlängerte Kolbenführung, da die Bereiche
zwischen den Längsführungen im Gehäuse für die Führung des Kolbens
nutzbar sind.
Die Haltenasen der Haltearme greifen in Längsnuten des Kolbens ein, die
endseitig durch einen Ansatz geschlossen ist. Diese Ausbildung ermöglicht
ebenfalls eine Relativverschiebung zwischen dem Kolben und dem Steuer
element, die sich einstellt, sobald das Steuerelement dichtend am Zulaufan
schluß anliegt.
Zur Sicherstellung einer selbsttätigen Entlüftung des Systems schließt die
Erfindung eine Einbaulage ein, bei der der Zulaufanschluß stets die höchste
statische Höhe des Arbeitszylinders einnimmt. Dadurch ergibt sich eine Dif
ferenzhöhe zwischen dem Zulaufanschluß und dem Druckanschluß.
Als eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist ein zweigeteiltes Ge
häuse vorgesehen zur Aufnahme des Kolbens und des Steuerelementes.
Dabei ist einem Oberteil sowohl der Zulaufanschluß als auch der Druckan
schluß zugeordnet, an dessen Innenwandung das Steuerelement allein oder
gemeinsam mit dem Kolben geführt ist. Ein weiteres Unterteil des Gehäuses
dient vorzugsweise zur Führung des Kolbens.
Der Gehäuseaufbau sieht weiterhin einen zentrisch am Boden des Oberteils
vorgesehenen Zulaufanschluß vor. Konzentrisch zu dem Zulauf ist eine im
Boden des Oberteils eingebrachte Dichtung angeordnet, zur Bildung eines
Dichtsitzes. Der zentrische Zulaufanschluß in Verbindung mit der Dichtung
bewirkt eine relativ großflächige Abstützung des Steuerelementes und ver
meidet damit eine die Funktion behindernde Schieflage.
Der Druckanschluß ist erfindungsgemäß rechtwinklig zur Längsachse des
Arbeitszylinders im Oberteil eingebracht, vorzugsweise mit einem geringen
axialen Versatz zum Boden des Oberteils. Eine ungehinderte Zuströmung
von Druckmittel in der Neutralstellung von dem Zulaufanschluß zum Druck
anschluß ermöglicht eine an der Innenwandung des Oberteils eingebrachte
Nut, die vom Druckanschluß bis zum Boden des Oberteils geführt ist.
Die Erfindung schließt weiterhin eine Zentrierung für die zwischen dem Kol
ben und dem Steuerelement eingesetzte Druckfeder ein. Zumindest ein
Federende ist am Kolben oder dem Steuerelement innen- oder außenzen
triert, zur Erzielung einer stets gleichen Position der Druckfeder und zur
Vermeidung einer Schieflage, die sich nachteilig auf die Funktion des ge
samten Arbeitszylinders auswirken kann. Weiterhin bietet es sich an, inner
halb des Steuerelementes einen Kolbenanschlag vorzusehen. Ein derartiger
Kolbenanschlag verhindert eine Anlage an der auf Block zusammenge
drückten Druckfeder.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zur Führung des Kolbens
eine Führungshülse vorgesehen, die vorzugsweise im Unterteil des Gehäu
ses eingebracht ist. Zur Verschleißoptimierung ist die Führungshülse aus
einem Werkstoff hergestellt, der im Vergleich zum Kolben vorzugsweise
eine höhere Festigkeit aufweist.
Alternativ zu einem zweigeteilten Gehäuse schließt die Erfindung ebenfalls
ein einteiliges Gehäuse ein, in dem der Kolben unmittelbar an einer Innen
bohrung des Gehäuses geführt ist oder alternativ dazu aus einer im Gehäu
se eingebrachten Führungshülse.
Die Abdichtung des Kolbens umfaßt zumindest eine Dichtung. Vorzugswei
se ist dazu eine zwischen dem Ober- und dem Unterteil angeordnete Nu
tringdichtung vorgesehen. Die Nutringdichtung ist dabei außenseitig im
Oberteil geführt und stützt sich mit einem Dichtungsrücken stirnseitig am
Unterteil ab. Die Dichtlippen der Nutringdichtung sind in Richtung des Druck
raums ausgerichtet, wobei deren radial innere Dichtlippe radial vorgespannt
an der Mantelfläche des Kolbens dichtend anliegt.
Die Ausgestaltung einer Fügestelle zwischen dem Unter- und dem Oberteil
des Gehäuses sieht vor, daß ein Endabschnitt des Oberteils radial aufge
weitet ist. Dabei umschließt die Aufweitung einen Endabschnitt des Unter
teils. Der radial aufgeweitete Bereich des Oberteils dient gleichzeitig zur
Aufnahme der Nutringdichtung, die sich an einer Schulter abstützt.
Das Unterteil ist vorzugsweise topfartig gestaltet, dessen Boden eine zen
trale Öffnung für eine Kolbenstange aufweist. Der Boden bildet gleichzeitig
einen Endanschlag für den Kolben in der Neutrallage.
Neben den zuvor genannten Ausführungen der Erfindung hinsichtlich der
Gehäusegestaltung sowie der Abdichtung schließt die Erfindung weiterhin
alle bisher bekannten Gestaltungen von Arbeitszylindern ein.
Für das erfindungsgemäße Steuerelement bietet es sich an, dieses vor
zugsweise aus einem metallischen Material herzustellen. Dazu eignet sich
beispielsweise ein Stahlblech, das durch ein spanloses Tiefziehverfahren
entsprechend umformbar ist. Für das Gehäuse des Arbeitszylinders, unab
hängig davon, ob dieses ein- oder zweiteilig ausgeführt ist, bietet sich die
Verwendung eines Kunststoffs an, beispielsweise ein Glasfaserverstärker
kunststoff, wie beispielsweise PA66GF. Zur Erzielung gleicher Werkstoff
paarungen eignet sich ebenfalls ein aus Kunststoff hergestellter Kolben. Als
Werkstoff für die Führungshülse eignet sich insbesondere ein metallisches
Material. Die Erfindung schließt selbstverständlich auch Werkstoffpaarungen
ein, die von den zuvor genannten Werkstoffen abweichen.
Nachstehend wird die Erfindung in der Beschreibung von insgesamt 2 Figu
ren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 in einem Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Ar
beitszylinder;
Fig. 2 einen Arbeitszylinder mit einem alternativ gestalteten
Steuerelement.
Die Fig. 1 zeigt einen Arbeitszylinder 1a, der ein aus Kunststoff hergestell
tes Gehäuse 2 umfaßt mit einem Oberteil 3 sowie einem Unterteil 4. Das
weitestgehend rotationssymmetrisch gestaltete Gehäuse 2 bildet einen
Druckraum 5 und dient zur Aufnahme und Führung eines Kolbens 6a. Zur
Führung des Kolbens 6a ist im Unterteil 4 eine Führungshülse 7 eingesetzt,
die vorzugsweise aus einem metallischen Material hergestellt ist. Eine Ver
schiebung des Kolbens 6a ausgehend von der in Fig. 1 abgebildeten Stel
lung in Pfeilrichtung, wird vorzugsweise über ein in Fig. 1 nicht abgebilde
tes, manuell zu betätigendes Kupplungspedal ausgelöst, mit dem der Ar
beitszylinder 1a über eine Kolbenstange 8 verbunden ist. Druckraumseitig
schließt sich ein dem Kolben 6a axial vorgelagertes Steuerelement 9a an,
ausgebildet als ein Steuerkorb. Das Steuerelement 9a umfaßt einen Boden
10, an den sich umfangsseitig symmetrisch verteilt angeordnete Haltearme
11a anschließen, die übereinstimmend axial in Richtung des Kolbens 6a
ausgerichtet sind. Am freien Ende ist jeder Haltearm 11a rechtwinklig nach
innen abgekantet zur Bildung einer Schnappnase 12, die einen radialen
Überstand zu einer Mantelfläche des Kolbens 6a einer stirnseitig angeord
neten Kolbenscheibe 13 hintergreift. Zwischen dem Boden 10 des Steuer
elementes 9a und der Kolbenscheibe 13 ist eine Druckfeder 14 eingesetzt,
mit der das Steuerelement 9a in Richtung des Zulaufanschlusses 15 verla
gert wird.
Das Oberteil 3 verfügt über einen zentrisch im Boden 17 vom Oberteil 3
angeordneten Zulaufanschluß 15. Weiterhin ist das Oberteil 3 mit einem
Druckanschluß 16 versehen, welcher rechtwinklig zu einer Längsachse 18
des Arbeitszylinders 1a im zylindrischen Abschnitt des Oberteils 3 angeordnet
ist.
Aufgrund der beabstandet angeordneten Haltearme 11a ergeben sich
Längsschlitze zur Bildung eines korbähnlichen Steuerelementes 9a. Die
Lageposition des Kolbens 6a in Verbindung mit dem Steuerelement 9a in
der Neutrallage verdeutlicht ein Ringspalt, der sich zwischen dem Boden 10
des Steuerelementes 9a und einer Dichtung 19 im Boden 17 des Oberteils 3
einstellt, und der durch "x" gekennzeichnet ist. In dieser Neutrallage des
Kolbens 6a kann bei Bedarf Druckmittel über den Zulaufanschluß 15 unge
hindert in das Hydrauliksystem, d. h. in den Druckraum 5 über den Druck
anschluß 16 nachströmen. Weiterhin ermöglicht eine vertikale Einbaulage
des Arbeitszylinders 1a, gemäß Fig. 1, ein selbsttätiges Entlüften bzw.
Evakuieren der im Hydrauliksystem eingeschlossenen Luft, die über den an
statisch höchster Stelle des Arbeitszylinders 1a zugeordneten Zulaufan
schluß 15 entweichen kann.
Bei einer Betätigung des Arbeitszylinders 1a, bei der sich der Kolben 6 in
Pfeilrichtung verschiebt, kommt es nach einem Teilhub, der dem Ringspalt
"x" entspricht, zu einer Anlage des Bodens 10 von dem Steuerelement 9a
an der Dichtung 19 und verschließt damit den Zulaufanschluß 15. Die Dich
tung 19 bildet dabei gemeinsam mit dem Boden 10 einen Dichtsitz 32.
Nach einer Anlage des Steuerelementes 9a an der Dichtung 19 bzw. am
Boden 17 des Oberteils 3 verschiebt sich der Kolben 6a in das Steuerele
ment 9a und presst dabei die Druckfeder 14 zusammen. Zur Lagepositionie
rung der Druckfeder 14 ist diese am Boden 10 des Steuerelementes 9a in
nen zentriert über einen axial in Richtung des Kolbens 6a vorspringenden
Ansatz 21, der gleichzeitig die Funktion eines Endanschlages für den Kol
ben 6a ausübt.
Der mit der Kolbenbewegung ansteigende Druck im Druckraum 5 wird bei
geschlossenem Zulaufanschluß 15 über den Druckanschluß 16 und einer
sich daran anschließenden Hydraulikleitung auf einen in Fig. 1 nicht abge
bildeten weiteren Arbeitszylinder bzw. Nehmerzylinder übertragen. Nach
Ende des Schaltvorgangs bzw. einer Kupplungsbetätigung und einer Um
kehrung der Kolbenbewegung entgegen der Pfeilrichtung bleibt der Zu
laufanschluß 15 solange geschlossen, bis es zu einer Anlage der Schnapp
nase 12 an der Kolbenscheibe 13 kommt und damit das Steuerelement 9a
von der Dichtung 19 abhebt. Als unterstützende Maßnahme, die ein unge
hindertes Nachströmen von Druckmittel von dem Zulaufanschluß 15 zu dem
Druckanschluß 16 ermöglicht bzw. eine Entlüftung in umgekehrter Richtung
ist im Oberteil 3 eine vom Druckanschluß 16 bis zum Boden 17 reichende
Längsnut 20 eingebracht.
Das Oberteil 3 ist mit dem Unterteil 5 unlösbar verbunden. Dazu besitzt das
Oberteil 3 endseitig eine radiale Aufweitung 22, die einen Endabschnitt des
Unterteils 4 übergreift. Die aus Kunststoff hergestellten Bauteile, das Ober
teil 3 und das Unterteil 4 sind in dem überlappten Bereich der Aufweitung 22
vorzugsweise durch eine Ultraschallschweißung unlösbar miteinander ver
bunden. Stirnseitig stützt sich am Unterteil 4 im Bereich der Aufweitung 22
ein Nutdichtring 23 ab, dessen radial äußere Dichtlippe 24 an der Innen
wandung des Oberteils 3 dichtend anliegt und deren radial innere Dichtlippe
25 an der Mantelfläche des Kolbens 6a dichtend abgestützt ist. Das topf
förmig gestaltete Unterteil 4 ist ebenfalls mit einem Boden 26 versehen, der
für den Kolben 6a in dessen Neutralstellung einen Endanschlag bildet.
Weiterhin ist der Boden 26 mit einer zentrischen Öffnung 27 für die Kolben
stange 8 versehen, die schwenkbeweglich am Kolben 6 befestigt ist.
In Fig. 2 ist der Arbeitszylinder 1b abgebildet, der sich zum Arbeitszylinder
1a gemäß Fig. 1 durch eine geänderte Ankopplung des Steuerelementes
9b am Kolben 6b sowie durch ein einteilig gestaltetes Gehäuse 28 unter
scheidet. Jedem Haltearm 11b des Steuerelementes 9b ist eine Längsfüh
rung 29 im Gehäuse 28 zugeordnet. Die Schnappnasen 12 der Haltearme
11b greifen in Längsnuten 30 des Kolbens 6b ein, die druckraumseitig durch
einen Ansatz 33 verschlossen sind. Eine derartige Ankopplung des Steuer
elementes 9b ermöglicht eine verlängerte Führung des Kolbens 6b im Ge
häuse 28. Bei gleicher Kolbendimensionierung und gleichem Volumen des
Druckraumes 5 verringert diese Konstruktion den erforderlichen radialen
Bauraum des Arbeitszylinders 1b und bewirkt damit eine gewünschte vor
teilhafte Bauraumoptimierung.
Gleichzeitig erlaubt der in Fig. 2 abgebildete Arbeitszylinder 1b die Ver
wendung eines einteiligen Gehäuses 28, welches an dem vom Boden 17
abgewandten Ende ein Verschlußteil 31 aufweist, zur Schaffung eines Kol
benanschlages und Sicherung des Nutdichtrings 23, wobei das Verschluß
teil 31 vorzugsweise durch eine Schnappverbindung mit dem Gehäuse 28
verbunden ist.
Alle übrigen in Fig. 2 mit Bezugsziffern versehenen Bauteile stimmen
überein mit den entsprechenden der Fig. 1, so daß bezüglich deren Be
schreibung auf die Ausführung zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen
werden kann.
Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungs
vorschläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes.
Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung
und/oder Zeichnungen offenbarte Merkmale zu beanspruchen.
In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere
Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des
jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzie
lung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der
rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.
Die Gegenstände dieser Unteransprüche bilden jedoch auch selbständige
Erfindungen, die eine von den Gegenständen der vorhergehenden Unteran
sprüche unabhängige Gestaltung aufweisen.
Die Erfindung ist auch nicht auf (das) die Ausführungsbeispiel(e) der Be
schreibung beschränkt. Vielmehr sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche
Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten,
Elemente und Kombinationen und/oder Materialien, die zum Beispiel durch
Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den in der
allgemeinen Beschreibung und Ausführungsformen sowie den Ansprüchen
beschriebenen und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Ele
menten oder Verfahrensschritten erfinderisch sind und durch kombinierbare
Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten
bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Ar
beitsverfahren betreffen.