DE4445145A1 - Zylindereinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylindereinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Zylindereinheit, dort "Regelzylinder" ge­ nannt, zeigt die DE 38 42 348 A1. In dieser Zylinderein­ heit sind die Kolbenfläche und die Charakteristik einer den Kolben entgegen dem zugeführten Druck beaufschlagen­ den Feder so aufeinander abgestimmt, daß diese Zylinder­ einheit innerhalb ihres Arbeitsbereiches einen Kolben­ stangenhub liefert, dessen Größe von dem zugeführten Druck abhängt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zylinder­ einheit der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln so fortzubilden, daß sie beim Auftreten einer vorbe­ stimmten Kolbenstangenkraft eine Begrenzung ihres Kol­ benstangenhubs auf den gerade vorhandenen Wert ermög­ licht.

Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 an­ gegebene Erfindung gelöst. Fortbildungen und vorteil­ hafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen ange­ geben.

Die Erfindung eignet sich auf allen technischen Gebieten zur Bewegung von Gegenständen, auf die eine Kolbenstan­ genkraft nur bis zu einem Höchstwert ausgeübt werden darf. In diesen Fällen war es bisher üblich, zwischen der Kolbenstange der bekannten Zylindereinheit und dem zu bewegenden Gegenstand ein getrennte s Ausgleichsglied vorzusehen, welches beim Auftreten der besagten Höchst­ kraft den weiteren Kolbenstangenhub elastisch aufnimmt.

Ein solches Ausgleichsglied ist beispielsweise in Kapi­ tel 9.2 in Verbindung mit Abb. 18 der WABCO-Druck­ schrift "Das integrierte Sicherheitssystem für Nutzfahr­ zeuge. Anti-Blockier-System ABS mit Antriebs-Schlupf-Re­ gelung ASR", Ausgabe 3.87, beschrieben. Die Erfindung bietet eine Lösung ohne ein solches Ausgleichsglied und bietet damit einen erheblichen Kostenvorteil. Mit dem Entfall des Ausgleichsglieds bietet die Erfindung auch den Vorteil geringeren Raumbedarfs.

Die Erfindung läßt sich in Verbindung mit allen Druck­ mitteln einsetzen. Von besonderer praktischer Bedeutung als Druckmittel ist Druckluft.

Weitere Vorteile der Erfindung werden in deren nunmehr folgender Erläuterung anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele angegeben.

Unter durchgehender Verwendung gleicher Bezugszeichen für Bauteile mit gleichen Funktionen zeigen

Fig. 1 zwei Ausgestaltungen einer Zylinder­ einheit,

Fig. 2 eine andere Zylindereinheit,

Fig. 3 zwei Ausgestaltungen einer weiteren Zylindereinheit.

Fig. 1 zeigt in der oberen Bildhälfte eine Zylinderein­ heit und in der unteren Bildhälfte eine Fortbildung der­ selben.

In der Zylindereinheit ist im Innenraum eines Gehäuses (7) ein Kolben (6) zwischen zwei Gehäuseanschlägen (3) und (9) längsverschieblich und mittels eines Dichtele­ ments (5) abgedichtet geführt. Die Gehäuseanschläge (3) und (9) begrenzen die Verschiebbarkeit des Kolbens. Der mögliche Kolbenhub, der den Arbeitsbereich der Zylinder­ einheit definiert, ist der Abstand der Gehäuseanschläge (3, 9) abzüglich der zwischen den Gehäuseanschlägen (3, 9) gemessenen Kolbenlänge.

Mittels des Dichtelements (5) unterteilt der Kolben (6) das Gehäuseinnere in eine Druckkammer (2) und einen Fe­ derraum (8). Die der Druckkammer (2) zugewandte Stirn­ fläche des Kolbens (6) ist eine die Druckkammer (2) be­ grenzende Kolbenfläche (15). Andererseits werden die Druckkammer (2) von einer der Kolbenfläche (15) gegen­ überstehenden Gehäusefläche (19) und der Federraum (8) von einem nicht näher bezeichneten Gehäuseboden be­ grenzt.

Die Druckkammer (2) und die Kolbenfläche (15) sind durch Zuführung von Druckmittel über einen Gehäuseanschluß (1) in die Druckkammer (2) mit Druck beaufschlagbar. Der Fe­ derraum (8) wird über eine im Gehäuseboden vorgesehene Atmungsöffnung (10) beatmet und steht daher unter Umge­ bungsdruck, der im allgemeinen gleich dem Atmosphären­ druck ist. Zum Schutz gegen das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit ist die Atmungsöffnung (10) mit einem nicht näher bezeichneten Filter versehen. In dem Feder­ raum (8) ist eine Feder (12) angeordnet, die zwischen der der Kolbenfläche (15) abgewandten Seite des Kolbens (6) und dem Gehäuseboden gefangen ist.

Die Zylindereinheit weist ferner eine Kolbenstange (11) auf, deren eines Ende in die Druckkammer (2) hineinragt. Ausgehend von diesem Ende durchdringt die Kolbenstange (11) zunächst den Kolben (6), dann den Federraum (8) so­ wie den den Federraum (8) abschließenden Gehäuseboden und endet außerhalb des Gehäuses (7). Die Kolbenstange (11) ist in dem Kolben (6) und in dem Gehäuseboden ver­ schiebbar geführt. Die Führung der Kolbenstange (11) im Kolben (6) erfolgt mittels eines Dichtelements (4) abge­ dichtet, so daß kein Druckmittel entlang dieser Führung aus der Druckkammer (2) entweichen kann. Ein nicht be­ zeichnetes Dichtelement im Gehäuseboden dient dem Schutz gegen das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit in das Gehäuseinnere.

An ihrem in der Druckkammer (2) befindlichen Ende weist die Kolbenstange (11) einen Kopf (17) auf. Dessen dem Kolben (6) zugewandte Stirnfläche bildet einen der Kol­ benfläche (15) gegenüberstehenden Anschlag (18). Dieser Anschlag (18) steht in der Darstellung mit einem Bereich der Kolbenfläche (15) in Eingriff, der einen kolbensei­ tigen Anschlag (16) bildet. Befinden sich beide An­ schläge (16 und 18) im Eingriff, begrenzen sie die Ver­ schiebbarkeit der Kolbenstange (11) gegenüber dem Kolben (6) in Wirkrichtung des die Kolbenfläche (15) beauf­ schlagenden Drucks.

In der bisher beschriebenen Grundausführung funktioniert die Zylindereinheit wie folgt.

In dem dargestellten Ruhezustand der Zylindereinheit, d. h. solange in der Druckkammer (2) kein höherer Druck als in dem Federraum (8) herrscht, drückt die Feder (12) den Kolben (6) gegen den in der Darstellung links befindli­ chen Gehäuseanschlag (3), der die Ruhelage des Kolbens (6) und damit den Kolbenhub Null definiert. Der Kolben (6) hat in dieser Lage die Kolbenstange (11) über die Anschläge (16, 18) in ihre Ruhelage mit dem Kolbenstan­ genhub Null mitgenommen.

Werden nun die Druckkammer (2) und damit die Kolbenflä­ che (15) mit Druck beaufschlagt, so verschiebt die da­ durch am Kolben (6) entstehende Kolbenkraft nach Über­ windung der durch das Dichtelement (5) hervorgerufenen Reibkraft den Kolben (6) gegen die Kraft der Feder (12) in der Darstellung nach rechts in Richtung des Gehäuse­ anschlags (9). Dabei wird die Feder (12) um einen Feder­ weg zusammengedrückt, der in bekannter Weise von ihrer Federsteife und dem Druck abhängt.

Der die Kolbenfläche (15) beaufschlagende Druck lastet auch auf dem Querschnitt der Kolbenstange (11), der von dem Dichtelement (4) zwischen Kolben (6) und Kolben­ stange (11) eingeschlossen ist. Deshalb erzeugt der Druck eine den Anschlag (18) der Kolbenstange (11) und den Anschlag (16) des Kolbens (6) vorspannende Kolben­ stangenkraft. Zunächst unterstützt diese Kolbenstangen­ kraft die durch den Druck erzeugte Kolbenkraft und be­ wirkt, daß die Kolbenstange (11) sich mit dem Kolben (6) verschiebt. Der Kolben (6) treibt also die Kolbenstange (11) nur indirekt an.

Der bei der Verschiebung von Kolben (6) und Kolbenstange (11) zurückgelegte Kolbenhub bzw. Kolbenstangenhub ist gleich dem Federweg. Da für eine gegebene Zylinderein­ heit die Federsteife eine unveränderliche Größe ist, kann für diese Zylindereinheit gesagt werden, daß der Kolbenhub bzw. der Kolbenstangenhub im wesentlichen von dem zugeführten Druck abhängen. Die Einschränkung "im wesentlichen" ist deshalb geboten, weil die Reibkraft des Dichtelements (5) zwischen Kolben und Gehäuse (7) die genannte Abhängigkeit, wenn auch in einem vernachlässigbaren Umfang, beeinflußt.

Die vorstehend beschriebene Verschiebung von Kolben (6) und Kolbenstange (11) endet, wenn der die Kolbenfläche (15) und die Kolbenstange (11) beaufschlagende Druck ausreicht, den Kolben (6) bis zur Anlage an den in der Darstellung rechts befindlichen Gehäuseanschlag (9) zu verschieben und damit den Arbeitsbereich der Zylinder­ einheit voll auszunutzen.

Bei ihrer Verschiebung ist die Kolbenstange (11) in der Lage, auf einen von ihr bewegten Gegenstand eine Kraft bis zu der Größe der auf sie von dem Druck ausgeübten Kolbenstangenkraft zuzüglich der Reibkraft des Dichtele­ ments (4) auszuüben. Nimmt der Gegenstand diese Kraft auf, endet die gemeinsame Verschiebung von Kolbenstange (11) und Kolben (6).

Das Verhalten der Kolbenstange (11) bei weiterer Ver­ schiebung des Kolbens (6) hängt davon ab, welche Kraft der von ihr bewegte Gegenstand aufzunehmen vermag. Die zur weiteren Verschiebung des Kolbens erforderliche Druckerhöhung erhöht nämlich auch die Kolbenstangen­ kraft. Ist der von der Kolbenstange (11) bewegte Gegen­ stand in der Lage, etwa weil er gegen einen Anschlag läuft, die Erhöhung der Kolbenstangenkraft voll aufzu­ nehmen, so bleibt die Kolbenstange (11) stehen. Übt der Gegenstand auf die Kolbenstange (11) entgegen der von dem Druck erzeugten Kolbenstangenkraft eine diese zuzüg­ lich der Reibkraft des Dichtelements (5) überwiegende Kraft aus, so ist die Kolbenstange (11) auch gegenläufig zum Kolben (6) verschiebbar. Ist hingegen der Gegenstand nicht in der Lage, die Erhöhung der Kolbenstangenkraft voll aufzunehmen, so wird die Kolbenstange (11) bis zum Wiederanlegen ihres Anschlags (18) an den kolbenseitigen Anschlag (16) unabhängig von dem Kolben (6) verschoben.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß auch bei einer Zy­ lindereinheit nach dem Stand der Technik mit fester Ver­ bindung zwischen Kolben und Kolbenstange die Verschie­ bung der Kolbenstange endet, wenn der von letzterer be­ wegte Gegenstand gegen einen Anschlag läuft. Allerdings werden in diesem Fall der Gegenstand und der Anschlag mit der vollen Kolbenkraft, bei der erfindungsgemäßen Zylindereinheit hingegen nur mit der druckbedingten Kol­ benstangenkraft zuzüglich der Reibkraft des Dichtele­ ments (4) belastet. Die erfindungsgemäße Zylindereinheit ermöglicht also den Einsatz eines großen Kolbens (6) mit entsprechend großen Kolben- und Federkräften und dadurch mit gutem Ansprechverhalten sowie guter Abstufbarkeit bei trotzdem geringer Kolbenstangenkraft.

In einer in der unteren Bildhälfte dargestellten Fort­ bildung der Zylindereinheit wird die die Anschläge (16 und 18) des Kolbens (6) und der Kolbenstange (11) vor­ spannende Kraft teilweise von einer Vorspannfeder er­ zeugt. Diese ist zwischen dem Kolben (6) und der Kolben­ stange (11) gefangen. Zu diesem Zweck ist auf dem inner­ halb des Federraums (8) befindlichen Teil der Kolben­ stange (11) ein Federteller (13) angebracht. Zwischen diesem Federteller (13) und einem nicht näher bezeich­ neten Teil des Kolbens (6) ist die Vorspannfeder (14) gefangen. Die Vorspannfeder (14) ist als Druckfeder aus­ gebildet. Sie spannt die Anschläge (16 und 18) des Kol­ bens (6) und der Kolbenstange (11) schon im drucklosen Zustand vor, stellt dadurch sicher, daß bei kleinen Drücken infolge von Wirkungen des von der Kolbenstange (11) bewegten Gegenstands die Kolbenstange (11) nicht gegenüber dem Kolben (6) zurückbleiben kann, und verbes­ sert dadurch das Ansprechverhalten der Zylindereinheit. Die von der Vorspannfeder (14) über den Federteller (13) auf die Kolbenstange (11) ausgeübte Kraft unterstützt die druckbedingte Kolbenstangenkraft und bietet damit die Möglichkeit, bei unverändertem Kolbenstangendurch­ messer die Größe der auf den von der Kolbenstange (11) bewegten Gegenstand ausübbaren Kolbenstangenkraft zu variieren. Die Vorspannfeder (14) stellt deshalb ein besonders einfaches Mittel zur Anpassung der Zylinder­ einheit an unterschiedliche Einsatzfälle dar.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der dem kol­ benseitigen Anschlag (16) gegenüberstehende Anschlag der Kolbenstange (22) innerhalb der Druckkammer (2) nicht an einem an der Kolbenstange (22) ausgebildeten Kopf, son­ dern an einem in üblicher Weise in eine Nut der Kolben­ stange (22) eingelassenen Axialsicherungselement (20) angeordnet.

Außerdem ist in diesem Ausführungsbeispiel die Kolben­ stange (22) auf einem Teil ihrer Länge hohl ausgebildet. In dem dadurch entstandenen Hohlraum ist die Vorspann­ feder (21) angeordnet. Die wieder als Druckfeder ausge­ bildete Vorspannfeder (21) ist zwischen der Stirnfläche des Hohlraums innerhalb der Kolbenstange und der der Kolbenfläche (15) gegenüberstehenden Gehäusewand (19), also zwischen der Kolbenstange und einer Gehäusewand, gefangen.

Im übrigen Aufbau und in der Wirkungsweise deckt sich dieses Ausführungsbeispiel mit demjenigen der unteren Bildhälfte der Fig. 1. Auch in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 treibt der Kolben (6) die Kolbenstange (22) nur indirekt an.

Fig. 3 zeigt in der oberen Bildhälfte und in der unte­ ren Bildhälfte verschiedene Ausgestaltungen eines Aus­ führungsbeispiels für Einsatzfälle, in denen keine druckbedingte Kolbenstangenkraft erforderlich und/oder erwünscht ist. Charakteristisch für beide Ausgestaltun­ gen ist, daß die in der oberen Bildhälfte mit (26) und in der unteren Bildhälfte mit (27) bezeichnete Kolben­ stange mit ihrem den Kolben (6) durchdringenden Ende ab­ gedichtet in einen der Kolbenfläche (15) gegenüberste­ henden Gehäuseteil (23, 25) eindringt. Dieser Gehäuse­ teil (23, 25) besteht aus einer der Kolbenfläche (15) gegenüberstehenden Gehäusewand (25) und einem daran an­ schließenden Gehäusehohlraum (23). Der Abdichtung dient ein Dichtelement (24) in der Gehäusewand (25).

Im Ausführungsbeispiel ist der von dem Dichtelement (24) eingeschlossene Querschnitt der Kolbenstange (26 bzw. 27) gleich dem von dem Dichtelement (4) zwischen dem Kolben (6) und der Kolbenstange (26 bzw. 27) eingeschlossenen Querschnitt. Deshalb tritt bei dem dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel überhaupt keine druckbedingte Kolbenstan­ genkraft auf. Die Vorspannung muß in diesem Fall aus­ schließlich von der Vorspannfeder aufgebracht werden.

In nicht dargestellter Weise kann für Einsatzfälle, in denen nur eine Verringerung der druckbedingten Kolben­ stangenkraft angestrebt wird und/oder erwünscht ist, der Durchmesser der Kolbenstange (26, 27) im Bereich des Dichtelements (24) verkleinert sein, so daß der von dem Dichtelement (24) eingeschlossene Querschnitt kleiner als der von dem Dichtelement (4) eingeschlossene Quer­ schnitt der Kolbenstange (26, 27) ist und eine druckbe­ dingte Rest-Kolbenstangenkraft verbleibt.

Jenseits der das Dichtelement (24) aufnehmenden Gehäuse­ wand (25) tritt die Kolbenstange (26, 27) in den Gehäu­ sehohlraum (23) ein, der mittels einer gegen das Ein­ dringen von Schmutz und Feuchtigkeit geschützten At­ mungsöffnung (28) gegen einen Druckaufbau gesichert ist. Es versteht sich, daß der Hohlraum (23) in Verschiebe­ richtung ausreichend bemessen sein muß, das Erreichen der Endlage von Kolben (16) und Kolbenstange (26, 27) zu gewährleisten.

Hinsichtlich der Anordnung der Vorspannfeder lehnt sich dieses Ausführungsbeispiel in der oberen Bildhälfte an die Lösung gemäß der unteren Bildhälfte der Fig. 1 und in der unteren Bildhälfte an die Lösung gemäß Fig. 2 an. Dabei ist in der unteren Bildhälfte die Vorspann­ feder (21) zwischen der Stirnseite des Hohlraums in der Kolbenstange (27) und dem Boden des Gehäusehohlraums (23) gefangen.

In nicht dargestellter Weise kann dieses Ausführungsbei­ spiel auch ohne den die Kolbenstange (26, 27) aufnehmen­ den Gehäusehohlraum (23) ausgebildet werden. Die Kolben­ stange (26, 27) würde in diesem Fall jenseits der das Dichtelement (24) aufnehmenden Gehäusewand (25) frei en­ den und verschiebbar sein. Bei Durchführung der in der unteren Bildhälfte dargestellten Anordnung der Vorspann­ feder (21) müßte in diesem Fall die Vorspannfeder (21) statt am Boden des Gehäusehohlraums (23) an einer ande­ ren geeigneten Fläche, beispielsweise eines Nachbar-Bau­ teils, abgefangen werden.

Als Anwendungsfälle der erfindungsgemäßen Zylinderein­ heit seien beispielhaft aus dem Gebiet der Fahrzeugtech­ nik Einrichtungen zur Antriebs-Schlupf-Regelung oder zur Betätigung einer Abgasdrosselklappe erwähnt. In der Ein­ richtung zur Antriebs-Schlupf-Regelung erspart die Er­ findung das in der oben genannten WABCO-Druckschrift er­ wähnte getrennte Ausgleichsglied. Eine Abgasdrossel­ klappe dient der Verstärkung der Bremswirkung des An­ triebsmotors. In der Einrichtung zur Betätigung einer solchen Abgasdrosselklappe dient die Zylindereinheit dem Schließen der Abgasdrosselklappe und der Begrenzung des stromaufwärts der Abgasdrosselklappe auftretenden Abgas- Staudrucks. Wenn nämlich dieser Staudruck einen Grenz­ wert erreicht, übt die Abgasdrosselklappe auf die Kol­ benstange der Zylindereinrichtung eine Kraft aus, welche der auf der gegenseitigen Vorspannung der Anschläge von Kolbenstange und Kolben beruhenden Kolbenstangenkraft gleich ist oder diese überwiegt und dadurch ein voll­ ständiges Schließen der Abgasdrosselklappe auch bei vol­ lem möglichem Kolbenhub verhindert.

Der Fachmann erkennt, daß die vorstehend zu einem Aus­ führungsbeispiel gemachten Ausführungen für die anderen Ausführungsbeispiele entsprechend mit gelten, sofern sich aus diesen Ausführungen nichts Widersprechendes er­ gibt.

Der Fachmann erkennt auch, daß sich der Schutzbereich der Erfindung nicht in den Ausführungsbeispielen er­ schöpft, sondern vielmehr alle Ausgestaltungen erfaßt, deren Merkmale sich den Patentansprüchen unterordnen.

Claims (7)

1. Zylindereinheit mit einem eine druckbeaufschlagbare Kolbenfläche (15) aufweisenden Kolben (6) und einer Kolbenstange (11; 22; 26, 27),
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kolbenstange (11; 22; 26, 27) gegenüber dem Kol­ ben (6) verschiebbar ist,
die Verschiebbarkeit der Kolbenstange (11; 22; 26, 27) in Wirkrichtung des die Kolbenfläche (15) beauf­ schlagenden Drucks durch Anschläge (16, 18) an dem Kolben (6) und an der Kolbenstange (11; 22; 26, 27) begrenzt ist,
die Anschläge (16, 18) mit vorbestimmter Kraft gegen­ einander vorgespannt sind.

2. Zylindereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kolbenstange (11; 22; 26, 27) den Kolben (6) abgedichtet durchdringt und der an ihr angeordnete Anschlag (18) der wenigstens teilweise als kolbensei­ tiger Anschlag (16) dienenden Kolbenfläche (15) ge­ genübersteht.

3. Zylindereinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Anschläge (16, 18) vorspannende Kraft we­ nigstens teilweise von einer Vorspannfeder (14; 21) erzeugt wird.

4. Zylindereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannfeder (14) zwischen dem Kolben (6) und der Kolbenstange (11) gefangen ist.

5. Zylindereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (21) zwischen der Kolbenstange (22; 27) und einer der Kolbenfläche (15) gegenüberstehenden Gehäusefläche (19) gefangen ist.

6. Zylindereinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (26, 27) den Kolben (6) abge­ dichtet durchdringt und der an ihr angeordnete An­ schlag der wenigstens teilweise als kolbenseitiger Anschlag dienenden Kolbenfläche (15) gegenübersteht, und daß die Kolbenstange (26, 27) mit ihrem den Kol­ ben durchdringenden Ende abgedichtet in einen der Kolbenfläche (15) gegenüberstehende Gehäuseteil (23, 25) eindringt.

7. Zylindereinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtquerschnitte der Kolbenstange (26, 27) in dem Kolben (6) und in dem Gehäuseteil gleich sind.