DE4412298C2 - Steuerkolben für eine Motorbremseinrichtung an einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Steuerkolben für eine Motorbremseinrichtung an einer Brennkraftmaschine, bei welcher der Steuerkolben zum Öffnen und Schließen eines für einen zuge­ hörigen Motorzylinder vorgesehenen Zusatzauslaßventils längs­ verschieblich in eine entsprechende Aufnahme eingesetzt ist.

Ein derartiger Steuerkolben ist in der Offenlegungsschrift DE 34 28 626 A1 offenbart. Der Steuerkolben ist Teil einer hilfs­ kraftbetätigten Verstelleinrichtung, durch die abhängig von der Stellung eines Bremspedals das jeweilige Zusatzauslaßventil geöffnet und geschlossen wird, wobei zum Öffnen des Ventils eine Stempelfläche des Steuerkolbens gegen das Ende einer Ven­ tilstange des Zusatzauslaßventils anschlägt und anschließend die Ventilstange in Längsrichtung aus der Schließstellung gegen den Druck der im Motorzylinder verdichteten Luft wegdrückt. Bei der bisher gängigen Ausführung besteht der Steuerkolben aus einem Stahlkörper und einer separat in eine Ringnut am Außen­ umfang des Stahlkörpers eingesetzten Dichtung, die zweiteilig durch einen O-Kunststoffringkern und einen diesen umschließen­ den Dichtring aus Polytetrafluoräthylen-Bronze gebildet ist.

Die hohe Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit des Zusatzaus­ laßventils im Betrieb bedeutet eine entsprechend hoch be­ schleunigte Bewegung des Steuerkolbens in seiner Aufnahme­ bohrung, weshalb eine geringe Steuerkolbenmasse und ein ge­ ringer Reibwiderstand zwischen Steuerkolbenaußenwand und Auf­ nahmebohrungsinnenwand wünschenswert ist. Ein geringer derarti­ ger Reibwiderstand vermindert zudem die Gefahr des Verklemmens des Steuerkolbens in der Aufnahme.

Aus der Offenlegungsschrift EP 0 515 771 A1 ist es bekannt, einen Stößel für den Ventilbetrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einem zumindest anteilig aus polymerem Werkstoff bestehenden Gehäuse zu fertigen, um das Gewicht des Stößels und damit die auftretenden Belastungen zu reduzieren und den Verschleiß zu mindern. Dazu ist dort vorgesehen, das Gehäuse tassenförmig auszubilden, wobei der Boden bei einteiliger Gehäuseausführung ebenfalls aus polymerem Werkstoff besteht. Alternativ kann ein Gehäuseboden aus metallischem oder keramischem Werkstoff in Form einer Bodenplatte auf eine axiale Endseite eines Gehäuserings aus polymerem Werkstoff aufgesetzt sein, wobei die Bodenplatte nur an einer Stirnseite sowie teilweise umfangsseitig mit dem polymeren Gehäuseringkörper in Kontakt steht.

Der Erfindung liegt als Aufgabe die Bereitstellung eines Steuerkolbens der eingangs genannten Art mit vergleichs­ weise geringem Eigengewicht zugrunde, der einfach herstellbar ist und es im Betrieb ermöglicht, den Reibwiderstand zwischen ihm und der ihn umgebenden Aufnahmewandung gering zu halten.

Dieses Problem wird durch einen Steuerkolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 2 gelöst. Die Ausführung des Steuerkolben­ körpers aus einem Kunststoffmaterial bedeutet gegenüber der be­ kannten Stahlausführung eine merkliche Gewichtsreduktion, so daß der Steuerkolben mit geringeren Betätigungskräften und/oder einer kürzeren Ansprechzeit betreibbar ist. Gleichzeitig hält die Verwendung eines Kunststoffmaterials den Reibwiderstand zwischen dem Steuerkolben und seiner Aufnahme gering. Der ver­ wendete Kunststoff hält aufgrund seiner Temperaturfestigkeit die im Motorzylinderkopfbereich herrschenden Temperaturen aus. Durch die Realisierung des Steuerkolbenkörpers aus Kunststoff wird außerdem ein Fressen des Steuerkolbens bei unzureichender Schmierung oder Schieflage verhindert. Um das Kunststoffmaterial vor zu hohem Verschleiß durch direktes Aufschlagen gegen die Ventilstange des Zusatzauslaßventils zu schützen, ist ein Stahlstempel, der eine Anschlagfläche für die Ventilstange bereitstellt, mittig in den Steuerkolbenkörper eingegossen. Das Eingießen des Stempels erfolgt günstigerweise bei der Herstellung des Steuerkolbenkörpers, so daß für dessen Anbringung kein zusätzlicher Montageschritt erforderlich ist. Da dieser Stahlstempel nur einen kleinen Teil des Steuerkolbenvolumens ausmacht, bleibt der Vorteil einer merklichen Gewichtsreduktion gegenüber der bekannten Steuerkolbenrealisierung ganz aus Stahl erhalten. Dabei ist der Stahlstempel so eingegossen, daß er axial in beiden Richtungen über eine oder mehrere radial abstehende Scheibenflächen gegen das umgebende Kunststoffmaterial des Bodens abgestützt ist, so daß eine günstige Kräfteübertragung vom Stahlstempel auf den Kunststoffkörper in beiden Axialrichtungen ermöglicht ist.

Als Kunststoff für den Steuerkolbenkörper wird vorzugsweise ein Polypropylen(PP)-, Polyacetal-, d. h. Polyoximethylen(POM)-, oder ein Polytetrafluoräthylen (PTFE)-Material verwendet.

Des weiteren ist es vorteilhaft möglich, am Außenumfang des Steuerkolbenkörpers aus Kunststoff einen in eine Ringnut ein­ gegossenen Dichtring vorzusehen. Auch in diesem Fall erfolgt das Eingießen vorzugsweise gleichzeitig mit der Herstellung des Steuerkolbenkörpers, so daß im Gegensatz zu dem bekannten Steuerkolben kein zusätzlicher Montageschritt zur Anbringung des Dichtrings am fertigen Steuerkolbenkörper erforderlich ist. Bevorzugte Materialien für den Dichtring sind in Anspruch 4 angegeben. Diese Materialien sind ebenso wie die vorzugsweise für den Steuerkolbenkörper verwendeten Materialien beständig gegen Öl und Kraftstoff sowie teilweise auch gegen Rauchgase und in einem für den Einsatzzweck am Motorzylinder ausreichenden Maße temperaturbeständig.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt einen Steuerkolben mit hantel­ förmigem Druckstempel aus Stahl und

Fig. 2 im Längsschnitt ausschnittweise einen Steuerkolben mit einem Druckstempel anderer Form als in Fig. 1.

Der in Fig. 1 gezeigte Steuerkolben 1 ist für eine nicht gezeigte Motorbremseinrichtung an einer Brennkraftmaschine verwendbar, wobei er in der herkömmlichen, eingangs beschrie­ benen Weise, wie in DE 34 28 626 A1 offenbart, in eine zuge­ hörige Aufnahmebohrung am Motorzylinder längsverschieblich eingesetzt ist, um ein dort befindliches Zusatzauslaßventil zu betätigen, durch dessen Öffnen eine Motorbremswirkung erzielt wird. Er ist von um seine Längsachse 3 rotationssymmetrischer Bauart und beinhaltet einen zylindrischen Steuerkolbenkörper 2, der aus PTFE-Kunststoff, alternativ aus PP- oder POM- Kunststoff, besteht. Am Außenumfang des Steuerkolbenkörpers 2 ist eine Ringnut 9 ausgebildet, in der sich ein eingegossener Dichtring 5 aus PTFE-Kunststoff mit eingelagerten Graphitparti­ keln als Gleitpartikel, alternativ aus Graphit oder einem fluorhaltigen Elastomer, wie z. B. die unter den Warenzeichen Viton und Teflon vertriebenen Elastomere, befindet. An seiner in Fig. 1 unten gelegenen, nach Einbau des Steuerkolbens 1 in die zugehörige Aufnahme am Motorzylinder dem Zusatzauslaßventil zugewandten Stirnseite ist der Steuerkolbenkörper 2 mit einer Ringnut 4 versehen, die zusammen mit einer korrespondierenden Fläche in der nicht gezeigten Aufnahmebohrung zur Bewegungs­ begrenzung der Steuerkolbenbewegung dient. Während der Steuer­ kolbenkörper 2 an diesem Stirnende zur Einführung der Ventil­ stange des Zusatzauslaßventils offen ist, ist er am gegenüber­ liegenden Stirnende durch einen Boden geschlossen, in dem sich ein Druckstempel 6 aus Stahl C45 oder einer ähnlichen Stahl­ sorte befindet. Der Stempel 6 ist von hantelförmiger Gestalt und durchsetzt den Boden des Steuerkolbenkörpers 2 längs­ mittig mit in der Steuerkolbenlängsachse 3 liegender Hantel­ achse, wobei er außenseitig plan mit dem Boden des Steuer­ kolbenkörpers 2 abschließt, während auf der gegenüberliegen­ den Seite eine Kontaktfläche 7 bereitsteht, die nach Einbau des Steuerkolbens 1 mit der Ventilstange des Zusatzauslaß­ ventils zusammenwirkt.

Im Betrieb wird der Steuerkolben 1, der nach Einbau gegen den Boden seiner Aufnahme federelastisch abgestützt ist, von der Außenseite des Kolbenbodens her bremspedalstellungsabhängig druckkraftbeaufschlagt, z. B. mittels Druckluft, wonach er in Richtung Ventil beschleunigt wird, bis die Kontaktfläche 7 des Druckstempels 6 gegen die Ventilstange anschlägt und diese anschließend in der Längsbewegung zum Öffnen des Zusatz­ auslaßventils mitnimmt. Der Stempel 6 dient somit als Druck­ stück zur Betätigung des Ventils, so daß das Kunststoffmaterial des Steuerkolbenkörpers 2 nicht von dem ständigen Anschlagen gegen die Ventilstange belastet ist. Durch diese Maßnahme bleibt der Verschleiß des Steuerkolbens 1 gering. Das Kunst­ stoffmaterial für den Steuerkolbenkörper 2 ist so gewählt, daß es eine ausreichende Festigkeit und Formstabilität auf­ weist, um die auftretenden Kräfte von und zum Stempel 6 über­ tragen zu können und gleichzeitig in Verbindung mit dem Dicht­ ring 5 eine bleibende Abdichtung zwischen dem Ventilraum einerseits und dem Druckfluidraum andererseits aufrechtzuerhal­ ten.

Der Stempel 6 wird ebenso wie der Dichtring 5 bei der Her­ stellung des Steuerkolbenkörpers 2 in diesen ein- bzw. an diesen angegossen, d. h. Stempel 6 und Dichtring 5 werden vor dem Gießen des Steuerkolbenkörpers 2 in die zugehörige Gießform eingelegt und dann von der Kunststoffgießmasse des Steuerkolbenkörpers 2 umgossen. Dies gewährleistet einen sicheren Halt von Dichtring 5 und Stempel 6 im Steuer­ kolbenkörper 2, so daß zum einen die insbesondere beim Auf­ treffen des Stempels 6 auf die Ventilstange jeweils auf diesen einwirkenden Kräfte zuverlässig auf den Steuerkolben­ körper 2 übertragen und von diesem abgefangen werden können und zum anderen der Dichtring 5 beim Entlanggleiten an der Aufnahmebohrungswand sicher in seiner Aufnahmenut 9 ver­ bleibt.

Die oben beschriebene Wahl der Materialien für den Steuer­ kolbenkörper 2, den Stempel 6 und den Dichtring 5 be­ deutet, daß der Steuerkolben 1 gegen Öl- und Kraftstoffein­ wirkung sowie weitestgehend auch gegen Rauchgase beständig ist, so daß er eine große Lebensdauer besitzt, obwohl er diesen Stoffen durch das jeweilige Öffnen des Zusatzauslaßventils und der damit bestehenden Verbindung zum Motorzylinderraum aus­ gesetzt ist. Die verwendeten Materialien sind außerdem in einem für diesen Einsatzzweck am Motorzylinder ausreichenden Maße temperaturbeständig.

Die Realisierung des Steuerkolbenkörpers 2 aus Kunststoff an­ stelle der bekannten Realisierung aus Stahl verhindert nicht nur ein eventuelles Fressen des Steuerkolbens bei unzureichen­ der Schmierung oder Schieflage desselben, sondern verkürzt darüberhinaus die Ansprechdauer bei Betätigung, da der so gebildete Steuerkolben 1 ein gegenüber einer Ganzstahlausfüh­ rung beträchtlich geringeres Gewicht besitzt und daher bei gleicher Betätigungskraft schneller beschleunigt wird. Zudem ergibt sich gegenüber der bekannten Ausführung die Einsparung eines zusätzlichen Montageschritts zur Anbringung des Dicht­ rings 5, der nunmehr bei der Herstellung des Steuerkolben­ körpers 2 mit eingegossen wird und nicht nachträglich ange­ fügt zu werden braucht.

In Fig. 2 ist ein Steuerkolben 1′ ausschnittweise darge­ stellt, der demjenigen von Fig. 1 bis auf die Gestalt des Druckstempels 6′ und dem etwas dünner ausgebildeten Boden des Steuerkolbenkörpers 2′ hinsichtlich Einsatzzweck, Form und verwendeter Materialien vollkommen entspricht. Der hier ver­ wendete Stempel 6′, der ebenfalls aus Stahl besteht, weist eine scheibenförmige Platte 8 auf, auf deren einer Seite ein schmaler Stiftansatz angeformt ist, während sich auf der anderen Seite eine scheibenförmige Kontaktplatte mit geringerem Radius anschließt, welche die Kontaktfläche 7′ zum Anschlagen gegen die Ventilstange bereitstellt. Hierzu tritt der Stempel 6′ mit dieser Kontaktflächenseite ventilseitig aus dem Boden des Steuerkolbenkörpers 2′ heraus, während die Scheibenplatte 8 mit dem größeren Durchmesser und der daran angeformte Stift ganz in den Boden des Steuerkolbenkörpers 2′ eingegossen sind. Selbstverständlich wird auch in diesem Fall der Stempel 6′ ebenso wie der hier nicht gezeigte Dichtring gleichzeitig mit der Herstellung des Steuerkolbenkörpers 2′ ohne zusätz­ lichen nachträglichen Montageschritt eingegossen.

Für den Steuerkolben nach Fig. 2 ergeben sich dieselben Vor­ teile im Vergleich zu dem bekannten Steuerkolben, wie dies oben bereits bezüglich des Steuerkolbens von Fig. 1 beschrieben wurde, inbesondere Verschleißverhinderung des Steuerkolben­ körpers 2′ aus Kunststoff durch Anbringung des Stahlstempels 6′, Montageersparnis durch Eingießen des Dichtrings bei der Fertigung des Steuerkolbenkörpers 2′, hohe Standfestigkeit und damit Lebensdauer durch die vorgenommene Materialwahl, zuverlässige Funktion durch relativ geringen Reibwiderstand des Steuerkolbenkörpers 2′ an der Metallwandung der Aufnahme­ bohrung und Vermeidung von Fressen des Steuerkolbens 1′ bei unzureichender Schmierung oder Schieflage sowie höhere An­ sprechgeschwindigkeit aufgrund der Gewichtsreduzierung durch Ausführung des Steuerkolbenkörpers 2′ in Kunststoff. Insbe­ sondere ist zu dieser Variante vorteilhaft anzumerken, daß hier der Druckstempel 6′ verhältnismäßig klein gebaut und damit von relativ geringem Gewicht ist, was sich weiter positiv auf die Ansprechgeschwindigkeit des Steuerkolbens 1′ auswirkt, wobei durch die spezielle Gestaltung des Stempels 6′ dafür Sorge getragen ist, daß er sicher im Steuerkolbenkörper 2′ gehalten und eine zuverlässige Übertragung bzw. Aufnahme von Kräften zwischen Stempel 6′ und Steuerkolbenkörper 2′ ge­ währleistet ist.

Claims (4)

1. Steuerkolben für eine Motorbremseinrichtung an einer Brennkraftmaschine, bei welcher der Steuerkolben (1) zum Öffnen und Schließen eines für einen zugehörigen Motorzylinder vorgesehenen Zusatzauslaßventils längsverschieblich in eine zugehörige Aufnahme eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Körper (2) des Steuerkolbens (1) aus einem formstabilen, temperaturfesten Kunststoffmaterial gefertigt ist,
• - der Körper (2) einen Boden aus dem Kunststoffmaterial aufweist, in den ein Druckstempel (6) aus Stahl, der eine Kontaktfläche (7) zum Zusammenwirken mit einer Betätigungsstange des Zusatzauslaßventils und an seinen beiden Enden je eine radial abstehende Scheibe aufweist, derart eingegossen ist, daß der Druckstempel (6) mit einander zugewandten Flächen der Scheiben gegen das benachbarte Kunststoffmaterial des Bodens abgestützt ist, und
• - die Kontaktfläche (7) von einer Außenfläche einer Scheibe gebildet wird.

2. Steuerkolben für eine Motorbremseinrichtung an einer Brennkraftmaschine, bei welcher der Steuerkolben (1′) zum Öffnen und Schließen eines für einen zugehörigen Motorzylinder vorgesehenen Zusatzauslaßventils längsverschieblich in eine zugehörige Aufnahme eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Körper (2′) des Steuerkolbens (1′) aus einem formstabilen, temperaturfesten Kunststoffmaterial gefertigt ist,
• - der Körper (2′) einen Boden aus dem Kunststoffmaterial aufweist, in den ein Druckstempel (6′) aus Stahl, der eine Kontaktfläche (7′) zum Zusammenwirken mit einer Betätigungsstange des Zusatzauslaßventils und eine radial abstehende Scheibe (8) aufweist, derart eingegossen ist, daß der Druckstempel (6′) mit beiden Stirnflächen der Scheibe gegen das benachbarte Kunststoffmaterial des Bodens abgestützt ist, und
• - die Kontaktfläche (7′) von einer Stirnseite des Druckstempels (6′) gebildet wird (Fig. 2).

3. Steuerkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolbenkörper (2) aus Polypropylen, Polyacetal oder Polytetrafluoräthylen besteht.

4. Steuerkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dichtring (5), der aus einem Viton- oder Teflon-Kunststoffmaterial, Graphit oder Polytetrafluoräthylen mit eingelagerten Gleitpartikeln besteht, in eine Ringnut (9) am Außenumfang des Steuerkolbenkörpers (2) eingegossen ist.