DE2210551C3

DE2210551C3 - Arbeitselement mit einem Kolben

Info

Publication number: DE2210551C3
Application number: DE2210551A
Authority: DE
Inventors: Poul Christian Kirke-Hoerup Dyhr-Mikkelsen (Daenemark)
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1972-03-04
Filing date: 1972-03-04
Publication date: 1975-07-17
Also published as: GB1411878A; DE2210551B2; US3832850A; CA983450A; IT977674B; DE2210551A1; FR2175410A5

Description

8. Arbeitselement nach Anspruch 7, dadurch gebende Material über den Sack auf den Kolben ausgekennzeichnet, daß das Umfangsverhältnis im geübt und der Kolben aus dem Sack verdrängt wird, Bereich von etwa 1,05 bis etwa 1,30, vorzugsweise 5° legen sich die Sackwände nach der Verdrängung des bei 1,10, liegt. Kolbens eng aneinander. Dabei werden die Sack-

9. Arbeitselement nach einem der Ansprüche 1 wände an zwei sich diametral gegenüberliegenden, in bis 8, bei dem sich der Kolben an der Stirnseite Achsrichtung des Sackes bzw. Kolbens verlaufender und der Sack am Boden in ihrer Längsrichtung Linien um einen Winkel von 180° zusammengeboverjüngen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kan- 55 gen, so daß sich Längskanten ergeben. Umgekehrl lenwinkel an der Spitze in der Größenordnung wird der Sack beim entgegengesetzten Kolbenhub des erwähnten Winkels (t%) liegt und die Spitze während der Sack in den Kolben eingezogen wird abgestumpft ist. um den gleichen Winkel aufgebogen. Dieses Biegen

10. Arbeitselement nach einem der Ansprüche 1 wiederholt sich bei jedem Kolbenhub. Infolgedesser bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Längskan- 60 ist die Lebensdauer des Sacks verhältnismäßig gering ten (11) des Kolbens (8) in der Querschnitts- Man verwendet dennoch einen Sack als zusätzliche ebene einen Krümmungsradius (r_K) von etwa 0,1 Dichtung, weil der zulässige Druck in der Kammer bis etwa 0,5 mm, vorzugsweise von etwa 0,3 mm, dann wesentlich höher ist als ohne Sack,
aufweisen. Es ist ferner ein Arbeitselement der eingangs ge

11. Arbeitselement nach einem der Ansprüche 1 65 nannten Art bekannt (deutsche Offenlegungsschrif bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Längs- 1 601 523), bei dem die innere Kontur des Sack kanten (12) des durch den Kolben (8) aufgeweite- querschnitts in der Ruhelage dreieckförmig und die ten Sacks (7) in der Querschnittsebene einen äußere ebenso wie die des Kolbens kreisförmig ist

^{1 3} 4

Durch die Dreieckform der inneren Querschnittskon- gelöst, daß die innere und äußere Kontur des Sack-

tur soll die Biegebeanspruchung gegenüber einer querschnitte in der Ruhelage und die Kontur eines

kreisförmigen Innenkontur an den äußeren Biegestel- Kolbenquerschnitts etwa der Kontur einer Linse ent-

len verringert werden. Dies trifft nur dann zu, wenn sprechen, wobei die Querschnittsfläche des Kolbens

der Sack verhältnismäßig dickwandig ist, da sich 5 höchstens gleich der Innenquerschnittsfläche des

dann im wesentlichen nur die den Eckpunkten des Sacks ist.

Dreiecks gegenüberliegenden Wandteile verbiegen. Diese Form des Sacks in der Ruhelage, in der er Zum Zusammendrücken des dickwandigen Sacks sind durch den Kolben oder auf Grupd einer Elastizität mithin verhältnismäßig hohe Biegekräfte erforderlich, des Sackmaterials ohne äußeren Druck aufgeweitet was die Empfindlichkeit auf Volumenänderungen des io ist, hat den Vorteil, daß der Winkel, in dem die in den Sack umgebenden Materials verringert. In jedem der Ebene des Sackquerschnitts liegenden Schnitt-Falle ist der Biegewinkel an den inneren Biegestellen kanten in der Ruhelage zusammenlaufen, wesentlich ebenso wie bei eurem kreisförmigen inneren Quer- kleiner als 180° ist Da diese« Winkel dem maxischnitt gleich 180°, da die kreisförmige Querschnitts- malen Biegewinkel der Sackwämde entspricht, wird fläche des Kolbens größer als die dreieckförmige 15 das Material der Sackwände beim Auf- und Zubiegen innere Querschnittsfläche des Sacks ist, so daß die des Sacks nicht in dem Maße beansprucht, wie bei innere Querschnittsfläche des Sacks bei in den Sack einem inneren und äußeren Kreisquerschnitt mit zurückgezogenem Kolben ebenfalls kreisförmig ist. einem Biegewinkel von 180°. Dementsprechend ist Das Sackmaterial unterliegt daher an den inneren auch die Lebensdauer eines Sacks mit linsenförmiger Biegestellen einer mindestens ebenso hohen Biege- 10 Querschnittskontur höher als die eines Sacks mit beanspruchung wie bei kreisförmigem innerem Sack- kreisförmiger Querschnittskontur, querschnitt, weil der innere Biegewinkel bei sich in Gegenüber einer Sackform mit außen kreisförmi« den Sack hineinbewegendem Kolben und zunächst gem und innen viereckigem Querschnitt ist die Zugnoch zusammengedrücktem Sack in der einen Rieh- beanspruchung der Materialfasern an den Biegestellen tung von 0 bis auf 180° vergrößert und dann bei der »5 gering«, weil der Biegewinkel der auf Zug bean-Rückbewegung des Kolbens wieder von 180 bis auf spruchten Materialfasern an den äußeren Längs-0° verringert wird. Bekanntlich wird aber ein Mate- kanten des Sacks geringer ist und sich die Zugbeanrial, das abwechselnd in der einen und dann in der spruchung der Sackwand zwischen den Längskanten anderen Richtung um einen verhältnismäßig großen über einen größeren Querschnittsbereich verteilt. Winkel, nämlich zwischen 0 und 180°, gebogen wird, 30 Unmittelbar in der Mitte zwischen den beiden Längssehr schnell brüchig. kanten ist die Biegebeanspruchung sogar null, weil

Schließlich ist ein Arbeitselement der genannten sich hier der 180°-Winkel beim Verbiegen der Sack-Art bekannt (USA.-Patentschrift 3 064 477), bei dem wand nicht ändert.

der äußere Sackquerschnitt ebenfalls kreisförmig ist, Im Normalfall ist der Kolbenquersdhnitt etwa

während der innere Sackquerschnitt, abgesehen von 35 gleich dem Innenquerschnitt des nicht belasteten

der Spitze, entweder kreisförmig oder viereckig ist. Sacks. Die innere Querschnittsfläche des Sacks kann

Als Viereckform wird eine Quader- oder Rautenform aber auch größer als die des Kolbens sein. Auf jeden

gewählt. Die Rautenform weist Winkel von 110 und Fall ist der Biegewinkel der Sackwände an Stellen

70° auf. Diese viereckige Form des inneren Sack- zwischen den Längskanten des Sacks im Vergleich

querschnitts hat den Zweck, bevorzugte Biegestellen 40 zu einem kreisförmigen Sackquerschnitt ebenfalls

zu schaffen und dadurch die Ansprechempfindlichkeit kleiner.

auf Druckänderungen zu erhöhen. Denn selbst die Bekanntlich hat ein Kreis einen kleineren Umfang Rautenform des inneren Sackquerschnitts führt nicht als irgendeine andere zweidimensionale geometrische /ü einer ausreichenden Erhöhung de Lebensdauer Figur mit gleich großer Fläche. Da die Querschnittsdes Sacks. Kritisch sind beim Verbiepen der Sack- 45 fläche des Kolbens maßgebend für die Kraft ist, mit wand jeweils nur diejenigen Materisilfasern. die auf der der Kolben in Axialrichtung verschoben wird, Zug beansprucht werden, während diejenigen, die auf muß man zur Erzielung der gleichen Kolbenkraft, die Druck beansprucht werden, verhältnismäßig unkritisch man bei kreisförmigem Kolbenquerschnitt und gleisind. Auf Zug werden einmal nur diejenigen Mate- chem Materialdruck in der Kammer erreicht, die rialfasern bei der Rautenform beansprucht, die den 50 linsenförmige Querschnittsfläche des Kolbens gleich Innenwinkel von 110° einschließen uni in einer zu dieser kreisförmigen Querschnittsfläche des Kolbens der 110°-Biegelinie senkrechten Ebene zwischen der wählen. Dann ist der Umfang und entsprechend auch Innenseite und der neutralen Linie liegen, und zum die Oberfläche des Kolbens mit linsenförmigem anderen diejenigen, die von innen nach außen ge- Querschnitt größer als der Umfang bzw. die Obersehen, jenseits der neutralen Linie in einer zu der 55 fläche des Kolbens mit kreisförmigem gleich großem durch den 70°-Winkel gebildeten Biegelinie senk- Querschnitt. Die größere Oberfläche des Kolbens rechten Ebene verlaufen. Eine zu hohe Zugbeanspru- führt jedoch zu einer größeren Reibungskraft zwichung einer Materialfaser führt zu einem Riß, der sehen Kolben und Sack bei gleichem Druck des sich schnell über die gesamte Wanddicke des Sacks Materials in der Kammer Um diese Zunahme der fortsetzt, wenn diese zu dünn ist. Eine zu hohe 60 Reibungskraft in vertretbaren Grenzen zu halten, Druckbeanspruchung ist dagegen deshalb unkritisch, kann die Form des Kolben- und/oder Sackquerweil dadurch kein Riß entstehen kann. Schnitts entsprechend gewählt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die So können die in der Ebene dieses Querschnitts Lebensdauer des Sacks bei einem Arbeitselement der liegenden Schnittkanten in Richtung auf die Längsgenannten Art, insbesondere unter Vermeidung einer 65 kante des Kolbens oder Sacks unter einem zwischen zu hohen Zugbeanspruchung an den Biegestellen, zu etwa 15 und 120° liegenden Winkel zusammenlaufen,

verlängern. Günstig ist der Bereich zwischen 70 und 90° für den

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch Winkel. Vorzugsweise liegt er bei 80°.

Die mittleren Abschnitte der Querschnittskontur förmigem Querschnitt (s. Fig. 2a). Der Kolben 4

zwischen den erwähnten Längskanten sind Vorzugs- ist noch durch eine weitere Dichtung 5 an seinem

weise kreisförmig. Dabei können die an diesen Längs- Umfang abgedichtet. Über einen Stutzen 6 kann eine

kanten angrenzenden Abschnitte der Querschnitts- Flüssigkeit während des Betriebs oder wenn ein ther-

kontur geradlinig sein. 5 mostatisches Arbeitselement gleichzeitig als Tempe-

Wenn das Verhältnis der Länge jedes an die raturfühler dient, bei der ersten Füllung in die Kam-

Längskante angrenzenden Abschnitts zur Länge der mer 1 geleitet werden.

geradlinigen Verlängerung dieses Abschnitts bis zur Wenn sich die Flüssigkeit in der Kammer 1 ausVerlängerung der kleinen Querschnittsachse im dehnt, verdrängt sie den Kolben 4 aus der Kammer 1 Bereich von 0 bis 0,6, vorzugsweise bei 0,4, liegt, io und den Sack 2, wie es in Fig. 2b dargestellt ist, ergeben sich ebenfalls günstige Reibungsverhält- wobei sich der Sack 2 entsprechend Fig. 2b zusamnisse. mendrückt. Beim entgegengesetzten Hub des KoI-

Der Umfang des Kolbens in der Querschnittsebene bens 4 wird der Sack 2 wieder in die Form nach

kann um etwa 5 bis zu etwa 5O°/o größer als der eines F i g. 2 a mit kreisförmigem Querschnitt aufgeweitet.

Kolbens mit gleich großer, aber kreisförmiger Quer- 15 Dabei ändert sich der Winkel, um den die Sackwand

schnittsfläohesein. gebogen wird, zwischen α = 180° (Fig. 2a) und

Das Umfangsverhältnis ist günstig im Bereich von <*, = 0^υ (Fig. 2b). Diese große Winkeländerung

1,05 bis etwa 1,30 und liegt vorzugsweise bei 1,10. führt zu einer starken Biegebeanspruchung der Sack-

Um auch am Boden des Sacks vergleichbare Biege- wand in der Längsschnittebene, die mit den in Langs-

verhältnisse bei einem Arbeitselement zu erzielen, ao richtung des Sacks verlaufenden Knickkanten zu-

bei dem sich der Kolben an der Stirnseite und der sammenfällt. Diese hohe Biegebeanspruchung führt

Sack am Boden in ihrer Längsrichtung verjüngen, zu einer Verringerung der Lebensdauer des Sacks 2.

kann auch an der Spitze der Kantenwinkel in der Durch die in den Fig. 3a und 4 bis 7b dargestell-

Größenordnung des erwähnten Winkels liegen und ten, etwa linsenförmigen Querschnittskonturen von

die Spitze abgestumpft sein. »5 Sack 7 und Kolben 8 werden diese Nachteile besei-

Um einen zu scharfen Knick an den Längskanten tigt. Bei der linsenförmigen Querschnittskontur ist der

des Sacks zu vermeiden, können die Längskanten des Winkel α von Sack 7 und Kolben 8 in der Ruhelage,

Kolbens und des Sacks in der Querschnittsebene in der der Kolben 8 den Sack 7 aufweitet, kleiner als

einen Krümmungsradius aufweisen, wobei der Krüm- 180°, so daß die Sackwand nur um einen kleineren

mungsradius des Kolbens größer als der oder gleich 30 Winkel <* gebogen zu werden braucht. Entsprechend

dem Krümmungsradius des Sacks gewählt ist. Dabei verringert sich die Beanspruchung des Sackmaterials

sollte der Krümmungsradius einen Betrag von etwa vornehmlich in der Längsebene, die mit der großen

0,1 bis etwa 0,5 rom, vorzugsweise von etwa 0,3 mm, Querschnittsachse 9 zusammenfällt. Aber auch in den

aufweisen und der Krümmungsradius des Sacks im übrigen Bereichen des Sackquerschnitts verringert

Bereich von etwa 0,05 bis etwa 0,4 mm, vorzugsweise 35 sich die Beanspruchung des Sackmaterials, weil auch

bei 0,2 mm, liegen. liier der Biegewinkel geringer als bei kreisförmigem

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden Querschnitt ist.

im folgenden an Hand von Zeichnungen eines be- Vorzugsweise haben Kolben 8 und Sack 7 etwa die

kannten Arbeitselements und eines erfindungsgemä- gleiche Querschnittskontur und etwa die gleiche

ßen Ausführungsbeispiels näher beschrieben. 40 Querschnittsfläche, so daß der Sack 7 am Kolben-

F i g. 1 a stellt einen Längsschnitt durch ein an umfang weitgehend anliegt, wie es in F i g. 5 darge-

sich bekanntes Arbeitselement in der Ruhelage dar; stellt ist

Fig. Ib stellt das gleiche Arbeitselement wie Die Abschnitte B der Querschnittskontur sind

F i g. 1 a in der Betätigungslage dar; vorzugsweise geradlinig und die Abschnitte A kreis-

Fig. 2a stellt die Ansicht des Querschnitts A-A 45 förmig. Die Abschnitte A und B gehen ferner stetig

nach F i g. 1 a dar; ineinander über. Die Abschnitte B können statt des-

Fig. 2b stellt die Ansicht des Querschnitts B-B sen auch nach innen oder leicht nach außen gebogen

nach F i g. 1 b dar; sein. Die Linsenkontur kann statt dessen durch Kur-

Fig. 3a stellt eine der Fig. 2a entsprechende venabschnitte höherer Ordnung, beispielsweise durch

Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Arbeits- 5° Parabel- und/oder Ellipsenabschnitte, gebildet sein.

elements dar; Das Verhältnis der Länge b eines Abschnitts B zui

Fig. 3b stellt eine der Fig. 2b entsprechende Länge / der geradlinigen Verlängerung des Ab-Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Arbeits- Schnitts B bis zur Verlängerung der kurzen Querelements dar; schnittsachse 10 ist vorzugsweise gleich 0,40 gewählt.

F i g. 4 und 5 stellen eine erfindungsgemäße Quer- 55 Der Kolben 8 hat vorzugsweise einen kleinen

schnittsform von Kolben and Sack dar; Krümmungsradius r_K an seiner Längskante 11 in dei

F i g. 6 stellt einen kreisförmigen Ausschnitt der Querschnittsebene, der größer ist als der Krümmungs-

F i g. 5 in vergrößertem Maßstab dar; radius r_s des Sacks 7 an seiner inneren Längskante 12.

F i g. 7 a stellt eine Seitenansicht eines erfindungs- Die Stirnseite des Kolbens 8 und der Boden des

gemäßen Kolbens dar, und 60 Sacks 7 verjüngen sich unter einem entsprechenden

F i g. 7 b stellt eine Ansicht des gegenüber F i g. 7 a Winkel a, wie es in den F i g. 7 a und 7 b dargestellt

um 90° um seine Längsachse gedrehten Kolbens dar. ist.

Das bekannte Arbeitselement nach den Fig. la Die speziellen Parameter der Form des Kolben-

bis 2 b besteht aus einer zylindrischen Kammer 1, und Sackquerschnitts sind vorzugsweise so gewählt,

einem Sack 2 aus Gummi, der zur Abdichtung des 65 daß sich keine unzulässig hohe Reibung zwischen

Kolbens 4 mit seinem Öffnungsrand durch einen Kolben 8 und Sack 7 ergibt.

ringförmigen Halter 3 an der Innenseite der Kammer- In der folgenden Tabelle sind bevorzugte, günstige

wand festgehalten ist, und einem Kolben 4 mit kreis- und verwendbare Parameter aufgeführt.

Tabelle der Parameter der Form des Kolben- und Sackquerschnitts

Parameter	Bevorzugt verwendet	Günstiger Bereich	Verwendbarer Bereich
Abschnitt A	Kreisbogen	alle anderen Bogen, die einem Kreis bogen ähneln	wie nebenstehend angegeben
Abschnitt B	gerade Linie	nach innen oder leicht nach außen gebogen	wie nebenstehend angegeben
Winkel«	80°	70 ... 90°, wenn B geradlinig	abhängig von B, kann aber liegen bei 15 ... 120°
	1,10	1,05... 1,30	1,05 .. . 1,50
Umfangsverhältnis .... l/_koIben/l/_kreis bei glei cher Querschnitts fläche
Krümmungsradius r_K .. (Kolben)	0,3 mm	0,2 ... 0,3 mm	0,1 ... 0,5 mm
Krümmungsradius r_s .. (Sack)	0,2 mm	0,1 .. .0,2 mm	0,05 ... 0,4 mm
*Tvlfa*
*b/f*	0,40	X	0 bis 0,60

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Krümmungsradius (rs) von etwa 0,05 bis etwa Patentansprüche: 0,4· mm, vorzugsweise von etwa 0,2 mm, auf weisen.

1. Arbeitselement mit einem Kolben, der in 12. Arbeitselement nach den Ansprüchen 10 eine Kammer ragt, von einem deformierbaren, 5 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der eram offenen Ende festgehaltenen Sack umgeben ist wähnte Krümmungsradius faj des Kolbens (8) und in diesem Sack auf Grund einer Volumen- größer als der oder gleich dem erwähnten Krümänderung eines in der Kammer angeordneten mungsradius (r_s) des Sacks (7) ist

Materials verschiebbar ist, wobei die innere Kontur eines Querschnitts des Sacks in der Ruhelage io

winklig ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die innere und äußere Kontur des Sackquerschnitts in der Ruhelage und die Kontur eines DieErfindung betrifft einArbeitselement mit einem Kolbenquerschnitts etwa der Kontur einer Linse Kolben, der in eine Kammer ragt, von einem deforentsprechen, wobei die Querschnittsfläche des 15 mierbaren, am offenen Ende festgehaltenen Sack Kolbens (8) höchstens gleich der Innenquer- umgeben ist und in diesem Sack auf Grund einer schnittsSüche des Sacks (7) ist. Volumenänderung eines in der Kammer angeord-

2. Arbeitselement nach Anspruch 1, dadurch neten Materials verschiebbar ist, wobei die innere gekennzeichnet daß die in der Ebene dieses Kontur eines Querschnitts des Sacks in der Ruhelage Querschnitts liegenden Schnittkanten in Richtung »o winklig ist.

»uf die Längskanten (11, 12) des Kolbens (8) Ein derartiges Arbeitselement ist insbesondere für

oder Sacks (7) unter einem zwischen etwa 15 thermostatische Systeme geeignet, aber nicht auf die-

»nd 120° liegenden Winkel (a) zusammenlaufen. sen Anwendungsfall beschränkt. Es kann ganz allge-

3. Arbeitselement nach Anspruch 2, dadurch mein als Umformer zur Umformung der Volumengekennzeichnet, daß der erwähnte Winkel (λ) zwi- as änderung eines Materials, z. B. eines Fluids, oder ichen 70 und 90°, vorzugsweise bei 80°, liegt. eines verformbaren Stoffes, in einen Weg verwendet

4. Arbeitselement nach Anspruch 2 oder 3, da- weiden. Diese Volumenänderung kann ihrerseits durch gekennzeichnet, daß die mittleren Ab- durch die Änderung einer anderen physikalischen •chnitte (A) der Querschnittskontur zwischen den Größe, z. B. eine Druck- oder Temperaturänderung, erwähnten Längskanten (11, 12) kreisförmig sind. 30 hervorgerufen sein. Ebenso kann der Weg des KoI-

5. Arbeitselement nach einem der Ansprüche 2 bens in eine andere physikalische Größe umgeformt bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an diesen werden, z. B. einen Druck und/oder eine Verdrängung. Längskanten (11, 12) angrenzenden Abschnitte Es sind Arbeitselemente für Kühlerthermostate beiß) der Querschnittskontur geradlinig sind. kannt, bei denen der Sack aus Gummi ist und als

6. Arbeiteelement nach Anspruch 5, dadurch 35 Dichtung wirkt und das Material ein Dehnstoff, z. B. gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge (b) eine Flüssigkeit, ist, dessen Volumenänderung auf jedes an die Längskante (11, 12) angrenzenden Grund von Temperaturänderungen über den Gummi-Abschnitts (ß) zur Länge (/) der geradlinigen sack auf den Kolben einwirkt und diesen in seiner Verlängerung dieses Abschnitts (B) bis zur Ver- Axialrichtung verschiebt. Der Kolben dieser Arbeitslängerung der kleinen Querschnittsachse (10) im 40 elemente hat einen kreisförmigen Querschnitt, ebenso Bereich vor. 0 bis 0,6, vorzugsweise bei 0,40, liegt. der Sack innen und außen in der Ruhelage, in der er

7. Arbeits,element nach einem der Ansprüche 1 durch den eingezogenen Kolben aufgeweitet ist oder bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang die er ohne Kolben und ohne Ausübung eines äußedes Kolbens (8) in der Querschnittsebene um ren Druckes bei Verwendung eines elastischen Sacketwa 5 bis zu etwa 50⁰O größer als der eines KoI- 45 materials einnimmt.

bens mit gleich großer, aber kreisförmiger Quer- Wenn bei dieser Form von Kolben und Sack ein

»chnittsfläche ist. Druck durch das den Sack in der Kammer uin-