DE4122481A1 - Kolben-zylinder-anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Anordnung mit einem innerhalb eines Zylinders durch Fluidbeaufschlagung axial verfahrbaren Kolben, der mehrteilig unter Eingliederung eines Dämpfungselementes sowie einer Radialdichtung aufgebaut ist und der mit einer Kolbenstange verbunden ist, die eine der beiden stirnseitigen Zylinderwände durchsetzt.

Eine derartige Kolben-Zylinder-Anordnung ist aus der DE 28 15 833 A1 bekannt. Bei der dort beschriebenen Anordnung ist die Kolbendichtung (Radialdichtung) gleichzeitig als Dämpfungselement ausgebildet. Fährt der Kolben durch Druckbeauf­ schlagung eines Zylinderraumes gegen seinen internen Zylinderanschlag, so kommt es zu einer axialen Stauchung der Kolbendichtung. Hierdurch wird die Radialkraft der Dichtung erhöht, d. h. die radiale Dichtlippe mit erhöhter Kraft gegen die Zylinderinnenwand gedrückt. Eine solche Dichtkrafterhöhung tritt wegen der endseiti­ gen Anschläge in der Regel an den Stellen der Hubumkehr, also in den Endlagen des Kolbens auf.

Gerade an den Stellen der Hubumkehr ist jedoch ein geschlossener, tragfähiger Schmierfilm zwischen Kolben und Zylinder von besonderer Bedeutung, da nur dann ein reibungs- und damit auch verschleißarmes Anfahren des Kolbens gewährleistet ist. Durch die erhöhte Flächenpressung bei der Stauchung der Kolbendichtung wird jedoch dieser Schmierfilm häufig zerstört oder verdrängt, so daß vor allem nach längeren Stillstandszeiten, wenn der Zylinder unter Druck gestanden hat, erhebliche Unterschiede zwischen Haft- und Gleitreibung auftreten. Dies führt zum Ruckgleiten, den, sogenannten Stick-slip, was es zu vermeiden gilt.

Aus der DE 35 07 167 C2 ist eine Kolben-Zylinder-Anordnung bekannt, bei der zum Zwecke der berührungslosen Abtastung von Kolbenpositionen ein Ringmagnet in die Stirnseite des Kolbens eingelassen ist. Auf diesen Ringmagnet spricht ein an der Außenseite des Zylinders angeordneter magnetempfindlicher Sensor an, wodurch die Kolbenposition bestimmbar oder auch Schaltvorgänge bei Erreichen einer bestimmten Kolbenposition ausgelöst werden können. Die dort beschriebene Kolben-Zylinder-An­ ordnung ist aufgrund des fehlenden Dämpfungselementes nur bedingt einsetzbar, da bei speziellen Anwendungsfällen Schwingungsprobleme auftreten können. Eine zusätzliche Anbringung eines Dämpfungselementes würde die bewußt kleingehaltene axiale Baulänge der Anordnung vergrößern. Schließlich ist das stirnseitige Einsetzen des Ringmagnetes in den Kolben fertigungstechnisch sehr aufwendig, da zunächst eine stirnseitige Nut in den Kolben einzustechen ist, die sowohl in ihrem Innen- als auch Außendurchmesser sowie in ihrer Tiefe nur enge Toleranzen aufweisen darf. Im übrigen muß zur Halterung des Ringmagneten im Kolben eine zusätzliche Sicherung vorgesehen werden.

Ausgehend von dem einleitend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile eine Kolben- Zylinder-Anordnung zu schaffen, die einen gedämpften Kolben bei kleiner axialer Baulänge und kostengünstiger Fertigung aufweist und die weiterhin eine berührungs­ los und magnetisch arbeitende Sensorik zur Positionserkennung des Kolbens aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung schafft eine axial klein bauende Kolben-Zylinder-An­ ordnung mit gedämpften Kolben, wobei die Dichtung und das Dämpfungselement vorteilhaft so voneinander entkoppelt sind, daß die vorbeschriebenen Nachteile durch Stauchung der Dichtung nicht auftreten. Zudem wird der Freiraum zwischen Dämp­ fungselement und Zylinderwand einerseits sowie zwischen den Kolbenscheiben andererseits zur formschlüssigen Anordnung von Ringmagnet und Radialdichtung genutzt, was nicht nur fertigungstechnisch erhebliche Vorteile mit sich bringt. Da der Ringmagnet bis nahe an die Zylinderwand herangeführt sein kann, wird ein hoher magnetischer Fluß erreicht, wodurch eine sehr zuverlässig arbeitende Sensorik zur Positionsdetektierung des Kolbens erzielbar ist. Ein solcher mehrstückig aufgebauter Kolben wird in der Regel ein aus Kunststoff bestehendes Dämpfungselement mit metallischen Kolbenscheiben aufweisen. Die Dämpfungskennlinie kann durch Mate­ rialwahl und Geometrie des Dämpfungselementes gewählt werden. Die Kolbenschei­ ben können als Stanzteile oder Stanzprägeteile kostengünstig hergestellt werden. Hierdurch wird nicht nur die Herstellung des Kolbens im Vergleich zu bekannten Ausbildungen verbilligt, sondern auch das Kolbengewicht erheblich reduziert, woraus sich eine höhere zulässige Kolbenbeschleunigung ergibt.

Für den Zusammenhalt dieses mehrteilig aufgebauten Kolbens wird vorteilhaft die ohnehin vorhandene Kolbenstange eingesetzt, die hierzu einen abgesetzten Teil aufweist, auf welcher der Kolben befestigt ist. Der Kolben wird auf diesem abgesetz­ ten Teil der Kolbenstange zwischen einem Absatz und einem weiteren Formschlußteil gehalten. Als Formschlußteil kann in einfachster Ausführung ein Axialsicherungsring dienen. An Stelle dieses Sicherungsringes kann auch eine Gewindeverbindung der Art vorgesehen sein, daß der Kolben zwischen den Kolbenstangenabsatz und einer Mutter eingespannt ist, welche auf einem mit Gewinde versehenen abgesetzten Teil der Kolbenstange sitzt. Eine solche Befestigung erlaubt größere axiale Toleranzen und durch die Vorspannmöglichkeit des Dämpfungselementes auch eine in gewissen Grenzen veränderbare Feder-Dämpfungskennlinie ohne Austausch des Dämpfungs­ elementes. Dies kann von Vorteil sein, wenn mit Schwingungsproblemen zu rechnen ist. Schließlich kann auch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Kolbenscheibe und Kolbenstange, beispielsweise eine Schweißverbindung, vorgesehen sein.

Um den vom Ringmagneten ausgehenden magnetischen Fluß schärfer zu bündeln und zu verstärken ist es von Vorteil, den Ringmagneten mit ferromagnetischen Scheiben zu umgeben. Dies kann bei entsprechender Materialwahl einerseits die Kolbenscheibe selbst und andererseits eine ferromagnetische Ringscheibe sein. Bei einer solchen Anordnung kann dann ein verhältnismäßig kleiner und leichter Ringmagnet ver­ wendet werden. Da der Ringmagnet dann einen deutlich größeren Abstand von der Zylinderwandung haben kann, vergrößern sich auch die Fertigungstoleranzen für seinen Außendurchmesser.

Vorteilhaft sind beide Kolbenscheiben identisch ausgebildet. Bei einer Formgebung der Scheiben in axialer Richtung sollte diese so gewählt werden, daß die Kolben­ scheiben durch Drehung um 180° zu beiden Seiten des Dämpfungselementes einge­ setzt werden können. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, die Kolbenscheiben stufenförmig auszubilden, so daß das stirnseitig entsprechend stufenförmig ausgebil­ dete Dämpfungselement axial und radial formschlüssig innerhalb der Kolbenscheiben liegt.

Es versteht sich, daß bei einer mehrteiligen Kolbenausbildung an den erforderlichen Stellen innerhalb des Kolbens Dichtmittel vorgesehen werden müssen. Regelmäßig wird es erforderlich sein, die Stirnflächen zwischen Kolbenscheibe und Dämpfungs­ element zumindest bereichsweise dichtend auszubilden. Dies kann vorteilhaft durch entsprechende Formgebung der Stirnseiten des Dämpfungselementes erfolgen. Andererseits können auch die Kolbenscheiben entsprechend geformt sein, so daß in Verbindung mit dem Dämpfungselement eine Dichtwirkung auftritt.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung liegen primär in der Kolbengestaltung, da der Kolben direkt einen Teil der beim Anfahren des endsei­ tigen Anschlages umzuwandelnden kinetischen Energie aufnehmen kann, ohne dadurch auf die Tribologie zwischen Kolbendichtung und Zylinderinnenwand Einfluß zu nehmen. Des weiteren ergibt sich durch die Gestaltung und Herstellung gleicher Kolbenscheiben sowie des Dämpfungselementes mit angeformten Dichtungen eine beträchtliche Preisreduzierung, insbesondere bei hohen Stückzahlen. Die direkte flächige Anordnung des Ringmagneten an der Kolbenscheibe sowie die unmittelbare Nutzung der Magnetstirnfläche als Anlagefläche für die Dichtlippe trägt zu einer wesentlichen Verkürzung der Gesamtbaulänge bei gleichem Hub bei. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft im Bereich sogenannter Kurzhubzylinder aus, bei denen größt­ möglicher Hub aus kleinsten Baueinheiten gefordert wird.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Kolben-Zylinder-Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt einer anderen Ausführungsform in Darstellung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Dämpfungselement in vergrößerter Darstel­ lung,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Kolbenscheibe in vergrößerter Darstellung und

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Kolben mit anders ausgebildeten Dämp­ fungselement, in Darstellung entsprechend den Fig. 3 und 4.

Die Kolben-Zylinder-Anordnung 1 weist einen Zylinder 2 auf, dessen Zylinderraum 5 stirnseitig von einer Stirnwand 3 sowie einem Zylinderdeckel 4 abgeschlossen ist. Die Stirnwand 3 ist einstückig mit dem Zylinder ausgebildet, während der Zylin­ derdeckel 4 in den Zylinder 2 formschlüssig und dichtend eingesetzt ist. Selbstver­ ständlich kann statt der festen Stirnwand 3 auch an dieser Seite ein Zylinderdeckel vorgesehen sein.

Der Zylinder 2 weist nahe seinen Endseiten zwei die Zylinderwandung durchsetzende Anschlüsse 6 und 7 auf, die zur Fluidbeaufschlagung des Zylinderraumes bzw. zur Abfuhr desselben dienen. Der Zylinderdeckel 4 weist eine zentrische Durchbrechung zur Durchführung einer Kolbenstange 8 auf. Die Kolbenstange 8 ist an ihrem in­ nerhalb des Zylinders 2 liegenden Ende abgesetzt ausgebildet. An diesem abgesetzten Teil 9 der Kolbenstange 8 ist ein Kolben 10 befestigt.

Der Kolben 10 ist mehrteilig aufgebaut und besteht aus zwei diesen axial begrenzen­ den Kolbenscheiben 11, die identisch ausgebildet sind. Die Kolbenscheiben 11 können planparallel sein, sind jedoch in den dargestellten Ausführungsbeispielen als Stanz-Prägeteile ausgebildet und weisen einen flächig vorstehenden Rezeß 12 auf. Ein solcher Rezeß 12 kann beispielsweise bei einfach wirkenden Kolben-Zylinder-Anord­ nungen zur Aufnahme und Führung der Rückstellfeder dienen.

Die identisch ausgebildeten Kolbenscheiben 11 sind um 180° gedreht angeordnet, und zwar so, daß die Rezesse 12 voneinander wegweisen. Die Kolbenscheiben 11 sind durch ein Dämpfungselement 15 beabstandet, das zwischen diesen ebenfalls auf dem abgesetzten Teil 9 der Kolbenstange 8 sitzt.

Ein Ringmagnet 13, dessen Außendurchmesser geringfügig kleiner als der Zylin­ derinnendurchmesser des Zylinderraumes 5 ist, liegt flächig an der dem Dämpfungs­ element 15 zugewandten Innenfläche der einen Kolbenscheibe 11 an. Der Innen­ durchmesser des Ringmagneten 13 entspricht dem Außendurchmesser des Dämp­ fungselementes 15, so daß der Ringmagnet radial auf dem Dämpfungselement geführt ist. Dieses wiederum ist radial innerhalb der Kolbenscheiben 11 geführt, die zentrisch auf der Kolbenstange 8 sitzen.

Neben dem Ringmagnet 13 sitzt auf dein Dämpfungselement 15 eine Radialdichtung 14, die selbstzentrierend ist und mit einer stirnseitigen Dichtlippe 20 an der Innensei­ te der anderen Kolbenscheibe 11 sowie mit einer Dichtlippe 21 an der Anlagefläche des Ringmagneten 13 anliegt. Die Befestigung des Kolbens 10 auf dem abgesetzten Teil 9 der Kolbenstange 8 ist bei den dargestellten Ausführungen durch den Absatz auf der Kolbenstange 8 einerseits und einen Axialsicherungsring 18 andererseits gewährleistet.

Um das nach außen gerichtete magnetische Streufeld des Ringmagneten einzugrenzen und zu bündeln ist es vorteilhaft, die mit dem Ringmagneten 13 seitlich zur Anlage kommende Kolbenscheibe 11 aus ferromagnetischem Werkstoff herzustellen. Selbst­ verständlich ist es dann aus Kostengründen zweckmäßig, beide Kolbenscheiben aus einem solchen Werkstoff zu fertigen. Die vom Ringmagneten 13 entfernte Kolben­ scheibe 11 beeinflußt das magnetische Feld des Ringmagneten 13 auch bei einer solchen Materialwahl praktisch nicht.

Eine weitere Bündelung und Verstärkung des vom Ringmagneten 13 ausgehenden magnetischen Feldes kann dadurch erreicht werden, daß dieser an seiner zur Dich­ tung 14 weisenden Seite mit einer daran anliegenden ferromagnetischen Ringscheibe 24 versehen wird, wie dies in Fig. 2 beispielhaft dargestellt ist. Dann bildet die Stirnseite 25 der Ringscheibe 24 die Anlagefläche für die Dichtlippe 21 der Dichtung 14.

Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, das Dämpfungselement 15 mit möglichst steiler Dämpfungskennlinie auszustatten und aus Kunststoff herzustellen. Die Dämp­ fungscharakteristik kann jedoch nicht nur über die Materialwahl, sondern auch über die Formgestaltung des Dämpfungselementes beeinflußt werden. So kann es unter Umständen auch erforderlich sein, eine progressive Dämpfungskennlinie zu erhalten.

Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen und in den Zeichnungen dargestell­ ten Dämpfungselemente 15 sind als Kunststofformteile ausgebildet, wobei diesen Kunststofformteilen Dichtelemente 26, 27 zur Abdichtung gegenüber den daran anliegenden Kolbenscheiben 11 angeformt sind. Weiterhin sind am Innenumfang des Dämpfungselementes 15 Dichtelemente 29 und 30 angeformt, die zur Abdichtung gegenüber dem abgesetzten Teil 9 der Kolbenstange 8 vorgesehen sind und diesen umgreifen. Die Ausbildung solcher Dichtelemente ist an sich bekannt und beispielhaft anhand von Fig. 3 dargestellt.

Anhand von Fig. 4 ist beispielhaft dargestellt, daß auch die Kolbenscheiben 11 während des Stanz-Prägevorganges in einem Arbeitsgang mit umlaufenden Dicht­ elementen 28 versehen werden können, die sich in montiertem Zustand dann am Dämpfungselement 15 abstützen und demgegenüber abdichten.

Fig. 5 zeigt einen Kolbenaufbau, bei dem das Dämpfungselement einen sich vom Außenumfang radial erhebenden umlaufenden Ring 31 aufweist, dessen Breite kleiner als die des Ringmagneten 13 ist. Durch diese Ausbildung werden unterhalb des Ringmagneten 13 Freiräume geschaffen, welche den im Dämpfungsfall radial auf­ tretenden Volumenüberschuß des Dämpfungselementes 15 aufnehmen können. Statt eines Rings können auch mehrere schmale Ringe vorgesehen sein, die die radiale Führung des Ringmagneten 13 gewährleisten.

Weiterhin zeigt Fig. 5 einem neben dem Ringmagneten 13 angeordneten, den umlaufenden Ring 31 radial überragenden umlaufenden Ring 32. Dieser Ring sichert den Ringmagneten 13 gegen Axialbewegungen.

Die Positionsbestimmung des Kolben berührungslos mittels Magneten und magnet­ empfindlichen Sensor ist an sich bekannt und braucht daher hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden. In den Fig. 1 und 2 ist hierzu beispielhaft ein mit 22 gekennzeichneter Reedkontakt dargestellt, der in einer Führung an der Außenseite 23 des Zylinders 2 verschieb- und festsetzbar angeordnet ist. Dieser Reedkontakt 22 schließt, wenn der Kolben an diesen vorbeifährt, wodurch die Positionsbestimmung möglich ist.

Claims (12)

1. Kolben-Zylinder-Anordnung mit einem innerhalb eines Zylinders durch Fluid­ beaufschlagung axial verfahrbaren Kolben, der mehrteilig unter Eingliederung eines Dämpfungselementes sowie einer Radialdichtung aufgebaut ist und der mit einer Kolbenstange verbunden ist, die eine der beiden stirnseitigen Zylinderwände durch­ setzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (10) zwei Kolbenscheiben (11) aufweist, die durch das Dämpfungselement (15) beabstandet sind, daß zwischen den Kolbenscheiben (11) ein Ringmagnet (13) und die Radialdichtung (14) eingegliedert sind und daß an der Zylinderaußenwand (23) ein magnetempfindlicher Sensor (22) zur Positionsdetektierung des Kolbens (10) angeordnet ist.

2. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringmagnet (13) auf dem Außenumfang des Dämpfungselementes (15) angeord­ net ist.

3. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialdichtung (14) auf dem Außenumfang des Dämpfungselementes (15) angeordnet ist.

4. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (10) auf einem abgesetzten Teil (9) der Kolbenstange (8) befestigt ist.

5. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenscheiben (11) unter Zwischenschaltung des Dämpfungselementes (15) auf dem abgesetzten Teil (9) der Kolbenstange (8), vor­ zugsweise zwischen einem Absatz der Kolbenstange (8) und einer auf einem mit Gewinde versehenem Abschnitt der Kolbenstange (8) angeordneten Mutter, befestigt und/oder eingespannt sind.

6. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die dem Ringmagneten (13) benachbarte Kolbenscheibe (11) aus ferromagnetischem Werkstoff besteht.

7. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ringmagneten (13) eine ferromagnetische Ring­ scheibe (24) zugeordnet ist, deren Außendurchmesser vorzugsweise größer als der des Ringmagneten (13) ist und dem der Kolbenscheiben (11) entspricht.

8. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenscheiben (11) gleich ausgebildet, jedoch um 180° gedreht angeordnet sind.

9. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenscheiben (11) als Stanzteile mit einer kon­ zentrischen Stufe (12) zur formschlüssigen Aufnahme des stirnseitig entsprechend stufenförmig ausgebildeten Dämpfungselementes (15) ausgebildet ist.

10. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kolbenscheiben (11) und Dämpfungselement (15) Dichtungen (26, 27; 28) vorgesehen sind, die vorzugsweise einstückig mit dem Dämpfungselement (15) und/oder den Kolbenscheiben (11) ausgebildet sind.

11. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenscheiben (11) mindestens ein einem an das Dämpfungselement (15) grenzenden Teilbereich abwechselnd konvex und konkav ausgebildete Ringstrukturen als Dichtmittel (28) aufweist.

12. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialdichtung (14) stirnseitig axiale Dichtlippen aufweist, mit denen sie dichtend an die benachbarten Kolbenteile (11,13; 11, 24) anschließt.