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Kolben-Zylinder-Anordnung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolben-Zylinder-Anordnung, vorzugsweise eines
Teleskop-Schwingungsdämpfers oder eines durch Radkräfte auf Biegung beanspruchten
Federbeines mit im Zylinder geführtem Dämpfungskolben.
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In dem Maschinen- und Apparatebau sowie im Anlagenbau sind pneumaische
und hydraulische Arbeitszylinder - überwiegend als internationale Normbauteile -
in verschiedensten Ausführungsformen und verschiedenen Befestigungsarten eingeführt.
Die Art der Befestigung des Zylinders und des Anschlusses der Kolbenstange sind
im allgemeinen derart ausgebildet, daß die Kolbenstange nur axial belastet werden
soll undkeine Radialkräfte oder Biegemomente aufzunehmen hat. Trotzdem treten bei
hoher Druckbelastung einer ausgefahrenen Kolbenstange manchmal durch Biegemomente
Radialkräfte auf, die von der Kolbenstangenführung und von der Mantelfläche des
im Zylinder laufenden Kolbens aufgenommen werden müssen. Solche Radialkräfte führen
- verursacht durch Reibung -im
Laufe der Zeit zu erhöhtem Verschleiß
der Gleitflächen des Kolbens und der Zylinderinnenfläche.
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Man hat deshalb bisher versucht, durch gezielte Auswahl bzw.
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Paarung der Werkstoffe diesem Verschleiß entgegenzuwirken. Als reibungsmindernde
Maßnahmen werden z.B. mit reibungsmindernden Werkstoffen beschichtete Kolben und
bzw. oder Kolbenstangen sowie Nutringe angewendet. Es sind ebenso Ausführungen bekanntgeworden,
nach denen die Radialkolbenfläche mit reibungsarmen Folien z.B. Polyamid- oder PTFE-Folien
belegt sind.
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Im Fahrzeugbau, beispielsweise auch im Flugzeugbau und Schiffsbau,
werden vorwiegend als Schwingungsdämpfer sowie Federbeine hydraulischer Systeme
eingesetzt, welche - obwohl äußerlich eine Ähnlichkeit mit dem mechanischen Aufbau
eines hydraulischen Arbeitszylinders gegeben ist, vollkommen verschiedene Arbeitsbedingungen
wie die eines Stellzylinders zu erfüllen haben.
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Beispielsweise haben Schwingungsdämpfer die Aufgabe, Schwingungsenergie
in Wärme umzuwandeln und damit Schwingungen zum Abklingen zu bringen. Die Wirksamkeit
der Schwingungsdämpfer ist neben dem Einfluß auf die Federungseigenschaften von
wesentlicher Bedeutung für die Betriebsstabilität beispielsweise die Fahrstabilität
eines Fahrzeugs und damit für die Fahrsicherheit. Der Wärmehaushalt der Stoßdämpfer
ist einer derjenigen Faktoren, welche die Funktionsfähigkeit und die Dauerhaftigkeit
dieser Elemente im Gebrauchszustand bestimmen. Mit ansteigender Temperatur der Dämpfungsflüssigkeit
verringert sich die für einen
Betriebszyklus erforderliche mechanische
Arbeit und bewirkt eine Minderung der Dämpfungskraft und somit beispielsweise eine
Verschlechterung des Fahrkomforts eines Fahrzeugs. Das Ansteigen der Temperatur
ist bei solchen Schwingungsdämpfern besonders stark zu befürchten, wenn Reibung
des Kolbens im Zylinder auftritt.
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Besondere Schwierigkeiten bieten in diesem Zusammenhang bei Fahrzeugen
Vorderachsfederbeine, weil diese im Unterschied zu Schwingungsdämpfern durch Radkräfte
besonders auf Biegung beansprucht werden. Dadurch sind bei solchen Federbeinen bevorzugt
Radialkräfte an den Glitstellenvorhanden, die Reibung verursachen und sogar bei
starken Belastungen zum Verklemmen des Elementes führen können. Als Zentralteil
eines Federbeines ist das teleskopische Dämpfungselement anzusehen. Dieses Dämpfungselement
besteht aus den Baugruppen "Kolbenstange mit Dämpfungskolben" und "Außenrohr mit
Führung". Kolben und Führung sind beides Gleitstellen an denen Reibung auftritt.
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Es ist daher anzustreben, die Reibung in derartigen Kolben-Zylinder-Anordnungen
möglichst klein zu halten um ein ruckfreies Ansprechen des Dämpfungselementes zu
gewährleisten.
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Zur Verminderung der Reibungs- und Verklemmungserscheinungen sind
daher auch bereits Federbeinausführungen vorgeschlagen worden, bei denen durch zusätzliche,
entgegenwirkende Biegemomentbelastungen Verbesserungen erzielt werden sollen. Eine
bekannte
Möglichkeit besteht darin, Schraubenfedern exentrisch zur Achse des Dämpfungselementes
anzuordnen. Hierdurch lassen sich aber nur teilweise Verbesserungen erzielen, da
die Varianten der Belastung so vielfältig sind, daß nur eine Kompromißlösung angewandt
werden kann.
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Ein anderer bekannter Vorschlag besteht darin, die Aufnahme der Biegekräfte
mittels PTFE-Führungen am Außenrohr vorzunehmen und dadurch eine Entlastung der
Kolbenstange zu erzielen. Vom Belastungsgrad abhängig, tritt bei diesen bekannten
Konstruktionen erhöhter Verschleiß auf, wodurch nur eine beschränkte Lebensdauer
erreichbar ist.
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Demgegenüber soll durch die Erfindung eine wesentliche Verbesserung
für die Kolbenführung im Zylinder und die Aufnahme von Radialkräften geschaffen
werden, so daß Temperaturerhöhung durch Reibung und Verschleiß wesentlich herabgesetzt
werden und in jeder Stellung des Kolbens im Zylinder ein ruckfreies Ansprechen des
Dämpfungsgliedes gewährleistet wird.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß am Dämpfungskolben
zur Aufnahme der an ihm auftretenden Radialkräfte zusätzlich ein hochdruckbelastbares,
temperaturbeständiges, verschleißfestes, wartungsfreies, zylindrisches Gleitlagerelement
mit Gleitschicht an der zylindrischen Außenfläche angebracht ist.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen darin, daß die
auftretenden
Radialkräfte zusätzlich am radialen Teil des Dämpfungskolbens von dem zusätzlichen
Gleitlagerelement aufgenommen werden, wodurch der Reibungswiderstand verkleinert,
der Verklemmungsgefahr entgegengewirkt und damit die Lebensdauer verlängert wird.
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Das Gleitlagerelement kann bevorzugt aus einem dünnwandigen Gleitlagerschichtwerkstoff
gebildet sein und zwar aus solchem mit einem dünnwandigen, metallischen Stützträger
mit oder ohne einen metallischen, porösen Zwischenträger und darauf einer äußeren
Gleitschicht aus einem thermoplastischen mit reibungsmindernden und bzw. oder temperaturverbessernden
Werkstoffen gefüllten Kunststoff.
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Das Gleitlagerelement kann mit seiner Gleitschicht an der Außenseite
als gezogenes oder gerolltes zylindrisches Teil in Ring-oder Topfform hergestellt
sein.
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Bevorzugt wird man das Gleitlagerelement an der der Kolbenstange entgegengesetzten
Kolbenseite anbringen. Beispielsweise kann man ein topfförmiges Gleitlagerelement
mit seiner Bodenwand an der Kolbenstirnseite anbringen, so daß es mit seiner Umfangswand
gegenüber der Kolbenstirnseite an der der Kolbenstange entgegengesetzten Seite axial
vorsteht. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Gleitlagerelement mit seiner
Umfangswand in eine von der Kolbenstirnseite her am Kolbenumfang ausgebildete ringförmige
Aufnahme einzusetzen. Im letzteren Fall wird das Gleitlagerelement
durch
den Kolben radial abgestützt. Bevorzugt-wird man das Gleitlagerelement sich mit
seiner ringförmigen Umfangswand bis in die Nähe des am Kolbenumfang angebrachten
Dichtungsringes erstrecken lassen, um so auch den Dichtungsring wirksam gegen Radialkräfte
abzustützen.
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Im Rahmen der Erfindung kann die Gleitschicht den reibungsarmen Werkstoff
und bzw. oder die temperaturmindernden Füllstoffe zumindest teilweise in fasriger
Form enthalten. So kann beispielsweise die Gleitschicht Teilchen von reibungsarmem
Fluorkohlenwasserstoff-Polymer und metallische Fasern, beispielsweise als Gewebe,
vorzugsweise aus Gleitlagerlegierung enthalten. Eine andere Möglichkeit besteht
im Rahmen der Erfindung darin, daß die Gleitschichtteilchen von reibungsarmem Fluorkohlenwasserstoff-Polymer
und Fasern aus nichtmetallischem, anorganischem Material wie Kohlenstoff oder Asbest
enthält. Die Gleitschicht kann aber auch Fasern aus organischem Material, insbesondere
PTFE-Fasern enthalten.
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In einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel ist das Gleitlagerelement
aus Gleitlagerschichtwerkstoff geformt, bei dem eine reibungsarme, einseitig klebfähige
textile Struktur mittels Haftvermittler auf einem Trägermaterial festgebunden und
der Haftvermittler mit reibungs- und temperaturmindernden sowie fasrigen Füllstoffen
versetzt ist
Bei einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist das Gleitlagerelement aus Gleitlagerschichtwerkstoff geformt,
bei dem auf einem metallischen oder nichtmetallischen Trägerwerkstoff einseitig
oder zweiseitig Haftvermittler aufgespritzt oder aufgesprüht ist und auf einer Seite
thermoplastischer Lagerwerkstoff aufgebracht und zusammengeschmolzen ist, wobei
dieser Schichtwerkstoff durch Walzen auf das erforderliche Dickenmaß gebracht und
verdichtet ist. Dabei kann ein Gleitlagerelement aus Schichtwerkstoff vorgesehen
sein, mit Trägerwerkstoff aus Stahl, Haftvermittler aus Butadien-Styrol-Copolymerisat
und thermoplastischem Lagerwerkstoff aus Polyamid, insbesondere Polyamid 11.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann
das Gleitlagerelement aus Gleitlagerschichtwerkstoff geformt sein, bei dem auf einem
vorzugsweise metallischen Trägerwerkstoff eine Lagerlaufschicht aus mit Metallpulver
gefülltem Polytetrafluoräthylen und beigemischtem Bindemittel angebracht ist, wobei
das Bindemittel zugleich als zwischen der Laufschicht und der sie tragenden Oberfläche
des Trägerwerkstoffs wirkender Haftvermittler eine im wesentlichen thermoplastische
Verbindung aus der Gruppe von Polytrifluorchloräthylen, Polyvinylfluorid oder Polyvinylidenfluorid,
insbesondere ein thermoplastisches Copolymer aus Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen
ist.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Kolben-Zylinder-Anordnung
gemäß der Erfindung im Teilschnitt; Fig. 2 das in der Kolben-Zylinder-Anordnung
nach Fig. 1 vorgesehene Gleitlagerelement in axialem Schnitt; Fig. 3 eine zweite
Ausführungsform einer Kolben-Zylinder-Anordnung gemäß der Erfindung in axialem Schnitt,
wobei die Kolbenstange der Ubersichlichkeit halber weggelassen ist und Fig. 4 das
in der Kolben-Zylinder-Anordnung nach Fig. 1 benutzte Gleitlagerelement in axialem
Schnitt.
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Im Beispiel nach Fig. 1 und 2 handelt es sich um einen Schwingungsdämpfer
beispielsweise einen Federbein-Schwingungsdämpfer mit einem Zylinder 1, der das
Außenrohr eines einfachen Schwingungsdämpfers oder das Innenrohr eines Teleskop-Schwingungsdämpfers
sein kann. In dem Zylinder 1 läuft der Dämpfungskolben 2 mit seiner Kolbenstange
3. Am Auenumfang des Dämpfungskolbens 2 ist ein Dichtungsring 4 eingesetzt, so daß
die Dämpferflüssigkeit durch die bekannten Einrichtungen wie Strömungsdrosseln und
Ventile und die Durchlässe 5 des Kolbens 2 treten muß, wenn der Kolben 2 innerhalb
des Zylinders 1 axial verschoben wird.
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An der der Kolbenstange 3 entgegengesetzten Seite des Kolbens 2 ist
ein topfförmig ausgebildetes Lagerelement 6 angesetzt, das mit seiner Gleitschicht
7 an der Innenfläche des Zylinders 1 läuft. Das Lagerelement 6 ist,wie Fig. 1 zeigt,
mit mittiger Öffnung versehen, durch die der sich durch den Kolben 2 erstreckende
Befestigungszapfen 8 der Kolbenstange 3 greift, so daß das Lagerelement 6 mit der
Befestigungsmutter 9 der Kolbenstange 3 gegen die der Kolbenstange 3 entgegengesetzten
Stirnfläche des Kolbens 2 gezogen wird. Naturgemäß weist das topfförmige Lagerelement
6 in seinem Boden die den Kolbendurchlässen 5 entsprechenden Durchlässe 10 auf.
Wie Fig. 1 zeigt, erstreckt sich das Lagerelement 6 mit seiner zylindrischen Umfangswand
11 axial in entgegengesetzter Richtung wie die Kolbenstange 3, wobei diese zylindrische
Umfangswand 11 des Lagerelements 6 am Kolben 2 bis an den Dichtungsring 4 heranreicht.
Das Lagerelement 6 ist im dargestellten Beispiel aus Schichtwerkstoff tiefgezogen.
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Das in Fig. 1 und 2 gezeigte Gleitlagerelement 6 hat einen metallischen
Stützträger 13, auf dessen Außenseite die Gleitschicht 7 angebracht ist. Diese Gleitschicht
7 erstreckt sich im dargestellten Beispiel - bedingt durch das Herstellen durch
Tiefziehen auch über die Außenseite der Bodenwand 12.
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Die Gleitschicht 7 besteht bevorzugt aus thermoplastischem Kunststoff,
der mit reibungsmindernden und bzw. oder temperaturverbessernden Werkstoffen gefüllt
ist.
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Im einzelnen kann eine Zusammensetzung dieser Gleitschicht 7 vorgesehen
sein, wie sie oben in ihren verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten erläutert wird.
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Im Beispiel der Fig. 3 und 4 ist der Kolben 22 an seiner der (nicht
gezeigten) Kolbenstange entgegengesetzten Seite mit einer ringförmigen axialen Verlängerung
23 ausgebildet. An der Umfangs-, fläche dieser axialen Verlängerung 23 und des sich
anschließenden Kolbenteils bis in die Nähe des Dichtungsringes 4 ist eine ringförmige
Aufnahme 24 für das Gleitlagerelement 26 ausgebildet. Das Gleitlagerelement 26 kann
in diesem Beispiel aus Gleitlager-Schichtwerkstoff gerollt und mit einem einwärts
gerichteten Flansch 28 ausgebildet sein. Die Umfangswand 29 dieses Gleitlagerelements
26 sitzt somit fest in der Aufnahme 24, während der einwärts geformte Flansch 28
sich gegen die Stirnfläche der ringförmiger Kolbenverlängerung 23 abstützt. An der
Außenseite des Gleitlagerelements 26 ist wiederum die Gleitschicht 7, für die gleiches
gilt wie für die Gleitschicht 7 nach Fig. 1 und 2.
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Die obigen Ausführungsbeispiele sollen nur zur Erläuterung dienen
Die Ausbildung des Gleitlagerelementes 6 bzw. 26 und die Befestigungsweise am Kolben
2 bzw. 22 können dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend abgewandelt und gewählt
werden. Desgleichen kann für die Zusammensetzung und Ausbildung der Gleitschicht
7 die für den jeweiligen Anwendungsfall am günstigsten erscheinende Wahl aus den
oben erläuterten Möglichkeiten getroffen werden.
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- Patentansprüche -
L e e r s e i t e