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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Hydraulikzylinder und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, einen
Hydraulikzylinder zum Steuern der Bewegung einer beweglichen Platte
eines Fahrzeugs, wie beispielsweise einer Tür, einer Motorhaube oder einer
Kofferraumklappe gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Hydraulikzylinder dieses Typs mit
einem Paar Ventile, die vorzugsweise parallel angeordnet sind, sind
bekannt, so beispielsweise aus FR 2594473,
DE 14 59 182 oder
US 4099602 . In Funktion erzeugen diese
Zylinder veränderliche
Kräfte,
die durch Änderungen
an den Flächen
bewirkt werden, auf die Fluiddruck ausgeübt wird.
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Diese Anordnungen sind jedoch sehr
unpraktisch. Normalerweise werden die Ventile beispielsweise mit
einer Feder vorgespannt. Bei dieser Anordnung kann, wenn das Ventil
offen ist, der Übergang
zwischen der geschlossenen Position und der offenen Position zu
Instabilitäten
führen,
da die von der Feder ausgeübte
Kraft mit zunehmender Öffnung des
Ventils zunimmt.
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Bekannt ist auch die Bereitstellung
eines Hydraulikzylinders mit einem Anhalte-Betriebszustand mit in
Reihe angeordneten Ventilen (derartige Anordnungen sind aus
EP 0620345 oder FR 2712651
bekannt). Auch diese Zylinder weisen Probleme hinsichtlich der Instabilität auf. Eine
Lösung,
die in FR 2766887 vorgeschlagen wird, ist besonders kompliziert
und teuer.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Hydraulikzylinder geschaffen, der eine Zylindereinrichtung,
eine Kolbenstange, die sich durch ein erstes Ende der Zylindereinrichtung hindurcherstreckt,
und einen Kolben umfasst, der von der Kolbenstange getragen wird
und dichtend in der Zylindereinrichtung gleiten kann, wobei der
Kolben die Zylindereinrichtung in eine erste fluidgefüllte Kammer,
die die Kolbenstange enthält,
und eine zweite fluidgefüllte
Kammer unterteilt, und der Kolben ein erstes sowie ein zweites Ventil
enthält,
die jeweils einen Ventilverschluss haben, der an entsprechenden
Ventilsitzen abdichten kann, die in dem Kolben ausgebildet sind,
jedes Ventil so betätigt
werden kann, dass es Fluidstrom in jeweils entgegengesetzte Richtungen
zwischen der ersten und der zweiten Kammer in Reaktion auf einen
Druckunterschied zwischen den zwei Kammern zulässt, wobei der Hydraulikzylinder
dadurch gekennzeichnet ist, dass jedes Ventil einen Abschnitt aus
Magnetmaterial enthält,
so dass jedes Ventil durch magnetische Anziehung zwischen dem Ventilverschluss
und dem entsprechenden Ventilsitz in eine geschlossene Position
gespannt wird, wobei das erste Ventil so eingerichtet ist, dass
es einen zunehmenden ersten Strömungsweg an
dem Bereich bildet, an dem sich der Weg zwischen den Kammern verringert,
wenn der Druck in der ersten Kammer zunehmend höher wird als der Druck in der
zweiten Kammer, so dass die Widerstandskraft, die von dem Zylinder
erzeugt wird und Bewegung der Kolbenstange Widerstand entgegensetzt,
im Allgemeinen unabhängig
von der Geschwindigkeit der Kolbenstange ist.
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Ausführungen von Hydraulikzylindern
gemäß der Erfindung
werden im Folgenden als Beispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1A eine
schematische Schnittansicht des Zylinders ist;
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1B eine
vergrößerte Ansicht
eines Abschnitts in 1A ist;
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1C eine
Schnittansicht entlang der Linie A-A in 1A ist;
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1D eine
Schnittansicht entlang der Linie B-B in 1A ist;
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2 eine
schematische Schnittansicht des Zylinders in seiner Anhalte-Funktionsphase
ist, wobei die Kolbenstange aus dem Zylinder herausgezogen ist;
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3 eine
schematische Schnittansicht des Zylinders in seiner Anhalte-Funktionsphase
ist, wobei die Kolbenstange in den Zylinder hineingeschoben ist:
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4 eine
schematische Schnittansicht des Zylinders in einer ersten Phase
der freien Bewegung ist, wobei der Kolben in den Zylinder hineingeschoben
ist;
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5 eine
schematische Schnittansicht des Zylinders in einer zweiten Phase
der freien Bewegung ist, wobei die Kolbenstange in den Zylinder
hineingeschoben ist;
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6 eine
schematische Schnittansicht des Zylinders in einer freien Phase
der Bewegung ist, wobei die Kolbenstange aus dem Zylinder herausgezogen
ist;
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7 eine
schematische Schnittansicht des Zylinders ist, wenn er sich seinem
voll ausgefahrenen Zustand nähert;
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8 eine
schematische Schnittansicht einer alternativen Ausführung des
Zylinders ist, die billiger in der Herstellung ist als die Zylinder
der vorangehenden Figuren;
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9 eine
schematische Schnittansicht einer weiteren alternativen Ausführung des
Zylinders ist;
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10 eine
schematische Schnittansicht eines Zylinders mit einem hydroelastischen
Endanschlag ist; und
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11 eine
schematische Schnittansicht eines Zylinders mit einem alternativen
hydroelastischen Endanschlag ist.
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Wie unter Bezugnahme von 1A zu sehen ist, hat der
Hydraulikzylinder einen Zylinder 2, der einen Kolben 4 aufnimmt,
der an einer Kolbenstange 6 befestigt ist. Die Kolbenstange
gleitet in einer Stangenführung 8,
die auch dazu dient, ein erstes Ende des Zylinders 2 abzudichten.
Am vorderen Ende des Zylinders 2 ist eine gasgefüllte Ausgleichskammer 10 zwischen
dem vorderen Ende des Zylinders 2 und einer beweglichen
Wand 12 ausgebildet. Ein beweglicher Puffer 14 befindet
sich zwischen dem Kolben 4 und der beweglichen Wand 12.
Eine Schraubenfeder 16 spannt die bewegliche Wand 12 und
den beweglichen Puffer 14 so auseinander, dass der bewegliche
Puffer 14 im Allgemeinen auf das erste Ende des Zylinders 2 zugespannt
wird.
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Der Zylinder 2 hat daher
drei Hydraulikkammern, d. h. eine erste Kammer 18, die
sich zwischen dem Kolben 4 und dem ersten Ende des Zylinders 2 befindet,
eine zweite Kammer 20, die sich zwischen dem Kolben 4 und
dem beweglichen Puffer 14 befindet, und eine dritte Kammer 22,
die sich zwischen dem beweglichen Puffer 14 und der beweglichen Wand 12 befindet.
Strömungsdurchlasse 24 sind
in dem beweglichen Puffer 14 vorhanden, um im Allgemeinen
freie axiale Bewegung des beweglichen Puffers 14 zuzulassen.
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Eine Buchse 26, die sich
am ersten Ende des Zylinders 2 befindet, wirkt mit einem
Dämpferelement 29 zusammen,
um gedämpfte
Bewegung des Kolbens 4 zu ermöglichen, wenn er das erste
Ende des Zylinders 2 erreicht. Dies ist in Funktion in 7 dargestellt und wird weiter
unten ausführlicher
beschrieben.
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Der Kolben 4 enthält zwei
Ventile. Das erste Ventil wird durch einen Ventilkolben 28 gebildet,
der durch eine Schraubenfeder 30 leicht gespannt wird. Der
Ventilkolben 28 wirkt als Verschluss und dichtet einen
Strömungsdurchlass 32 ab,
der in dem Kolben 4 ausgebildet ist, wenn er sich in seiner
Position am weitesten links befindet. Der Ventilkolben 28 enthält einen
Abschnitt aus magnetischem Material 34, der vorzugsweise
ausgebildet wird, indem er auf ein Kunststoffsubstrat aufgeformt
wird. Metalleinsätze 36 sind
in dem Kolben 4 ausgebildet und dienen dazu, den magnetischen
Abschnitt 34 des Ventilkolbens 28 anzuziehen,
um so die Hauptschließkraft
für dieses Ventil
zu erzeugen. Die Feder 30 gleicht die durch den Druckunterschied über den
Ventilkolben 28 beim Strömen von Fluid durch das Ventil
erzeugte Kraft aus. Das Dichtungselement 38 trägt dazu
bei, eine gute Dichtung zwischen dem Ventilkolben 28 und dem
Kolben 4 zu erzeugen und hilft auch, Geräusch zu
verringern, das entstehen kann, wenn das Ventil schließt. Wenn
sich der Ventilkolben 28 in den Figuren nach rechts bewegt,
strömt
Fluid in den Strömungsdurchlass 32 aus
der ersten Kammer und über eine
abgestufte Nut 40 aus dem Ventil und anschließend in
die zweite Kammer 20.
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Das zweite Ventil hat einen ähnlichen
Aufbau, ist jedoch so ausgeführt,
dass es in der entgegengesetzten Richtung wirkt. Dieses Ventil hat
einen Ventilkolben 42, einen magnetischen Abschnitt 44, Kolbeneinsätze 46,
einen Strömungsdurchlass 48, eine
Spannfeder 50 und eine abgesetzte Nut 52.
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Der Zylinder ist so eingerichtet,
dass er zwei Bewegungsphasen hat. In einer ersten, der "Anhalte"-Bewegungsphase (wenn
der Kolben 4 im Allgemeinen zum linken Ende des Zylinders 2 hin
angeordnet ist), bleibt der Kolben 4 so lange stationär in dem
Zylinder 2, bis eine Kraft über einem vorgegebenen Schwellenwert
(der ausreicht, um das erste oder das zweite Ventil zu öffnen) ausgeübt wird
und entweder die Kolbenstange 6 in den Zylinder 2 hineinschiebt
oder sie herauszieht, wobei in diesem Fall das eine oder das andere
Ventil sich öffnet
und Fluidstrom zwischen der ersten und der zweiten Kammer 18 und 20 ermöglicht,
so dass die Kolbenstange 6 ausgefahren werden kann bzw.
in den Zylinder 2 eintreten kann. Nach dem Ausüben der
anfänglichen Öffnungskraft
ist die Kraft, die erforderlich ist, um das betreffende Ventil offen
zu halten, aufgrund der nichtlinearen Kennlinie der Anziehung der
magnetischen Abschnitte 34 und 44 bei Abstand
geringer.
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In einer zweiten, d. h. der "freien" Bewegungsphase (die
im Allgemeinen eintritt, wenn der Kolben 4 zur rechten
Seite des Zylinders 3 hin gerichtet ist) ist das eine oder
das andere (oder beide) der Ventile offen, und der Kolben 4 kann
sich ungehindert axial bewegen.
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Die Funktion des Zylinders wird im
Folgenden detailliert beschrieben.
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2 zeigt
den Zylinder in seiner "Anhalte"-Betriebsart. Eine
Kraft wird ausgeübt,
um den Kolben 6 aus dem Zylinder 2 herauszuziehen,
wie dies mit Pfeil X dargestellt ist. Dadurch ist der Druck in der
ersten Kammer 18 größer als
der in der zweiten Kammer 20, und der Ventilkolben 28 bewegt
sich daher nach rechts und lässt
Fluid über
den Durchlass 32 und die abgesetzte Nut 40 in
die zweite Kammer 20 strömen.
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Es liegt auf der Hand, dass, wenn
die Kraft X verringert oder aufgehoben wird, der Ventilkolben 28 durch
die Spannkraft von Feder 30 und auch durch die magnetische
Anziehung zwischen dem Abschnitt 34 und den Einsätzen 36 wieder
nach links in der Figur zurückgeschoben
wird. Die Feder 30 ist vorzugsweise nicht vorzusammengedrückt und
hat eine geringe Federkraft. Die Feder 30 kann als Alternative dazu
mit einem geringen Vordruck vorzusammengedrückt werden. Die abschließende Schließkraft des Ventils
(wenn nahezu geschlossen) wird daher durch die Wechselwirkung zwischen
dem magnetischen Abschnitt 34 und den Einsätzen 36 erzeugt.
Die Feder 30 ist größtenteils
so angeordnet, dass die axiale Position des Ventilkolbens 28 von
der Strömungsgeschwindigkeit
durch das Ventil abhängt.
Dies im Zusammenhang mit der abgesetzten Nut 40 gewährleistet,
dass, wenn die Kolbenstange 6 schnell aus dem Zylinder
herausgezogen wird, die Widerstandskraft des Hydraulikzylinders
nicht zu stark zunimmt. Daher ist die Widerstandskraft im Allgemeinen
unabhängig
von der Schnelligkeit der Bewegung der Kolbenstange 6.
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3 zeigt
die Funktion des zweiten Ventils, wenn die Kolbenstange 6 wieder
in den Zylinder 2 zurückgeschoben
wird. Die Funktion des zweiten Ventils entspricht der des ersten
Ventils, jedoch in der umgekehrten Richtung.
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4 zeigt
die erste Phase der freien Bewegung des Zylinders. Wenn die Kolbenstange 6 in
den Zylinder 2 hineingeschoben wird, wird das zweite Ventil,
wie oben beschrieben, geöffnet,
bis schließlich der
Kolben 4 sehr nahe an den beweglichen Puffer 14 gelangt.
Das zweite Ventil hat ein vorstehendes Element 50, das
auf das vordere Ende des Zylinders 2 zu vorsteht. In der
in 4 dargestellten Position ist
das vorstehende Element 54 mit dem beweglichen Puffer 14 in
Kontakt gekommen, und dies hat dazu geführt, dass der Ventilkolben 42 in
seiner offenen Position gehalten wird und damit Fluidstrom durch das
zweite Ventil von der zweiten Kammer 20 zu der ersten Kammer 18 ermöglicht.
Dies tritt auf, da die Feder 16 steifer ist als die Feder 50 und
die magnetische Anziehung des magnetischen Abschnitts 44 aufgrund
seines Abstandes zu dem Einsatz 46 vernachlässigt werden
kann.
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Wenn es zu weiterer Bewegung des
Kolbens 4 in den Zylinder 2 hinein kommt (wie
in 5 dargestellt), schlägt ein magnetischer
Puffer 56, der an dem ersten Ventil ausgebildet ist, an
den beweglichen Puffer 14 an und verhindert, dass der Kolben 4 näher an den
beweglichen Puffer 14 gelangt. In diesem Betriebszustand
wird der Bewegung der Kolbenstange 6 im Wesentlichen nur
durch die Gegenwirkungskraft der Feder 16 Widerstand entgegengesetzt.
Diese Kraft kann genutzt werden, um teilweise das Gewicht der Fahrzeugtür auszugleichen,
das dazu neigt, die Kolbenstange in den Zylinder 2 hineinzuschieben.
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Wenn die Kolbenstange in der entgegengesetzten
Richtung bewegt wird, bewegt sich, wie unter Bezugnahme auf 6 zu sehen ist, die Feder 16 nach
links mit dem Kolben 4 und gewährleistet, dass das zweite
Ventil offen bleibt.
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Der bewegliche Puffer 14 enthält ebenfalls ein
Metallelement 58, und dieses zieht den magnetischen Puffer 56 des
ersten Ventils an. So wird, wenn die Kolbenstange 6 aus
dem Zylinder herausgezogen wird, der Kolben 28 des ersten
Ventils ebenfalls in eine offene Position gezogen. Der magnetische Puffer 56 hält dann
den Kolben 4 und den beweglichen Puffer 14 mit
einem größeren Abstand
als dem in 5 dargestellten
zusammen. So werden beide Ventile geöffnet.
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Die magnetische Anziehung zwischen
dem beweglichen Puffer 14 und dem magnetischen Puffer 56 reicht
nicht aus, um den beweglichen Puffer 14 nach links zu ziehen,
und der Kolben 4 trennt sich von dem beweglichen Puffer 14.
Dann schließt,
wie in 7 dargestellt,
das zweite Ventil, das erste Ventil bleibt jedoch so lange offen,
wie Kraft auf die Kolbenstange 6 zum Ausfahren derselben
aus dem Zylinder 2 ausgeübt wird (wie in 2 dargestellt).
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Indem dafür gesorgt wird, dass beide
Ventile über
eine kurze Zeit geöffnet
werden, wie dies in 6 dargestellt
ist, wird der Übergang
zwischen der freien Bewegung und der "Anhalte"-Bewegung gleitend.
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In 7 ist
eine hydraulische Dämpferanordnung
am ersten Ende des Zylinders 2 in Funktion dargestellt.
Der Dämpfer
umfasst, wie oben erläutert, eine
Buchse 26, die mit einem verengten Strömungsdurchlass 60 in
einem Dämpferelement 29 zusammenwirkt.
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8 zeigt
eine alternative Ausführung
für den
Zylinder, bei der der magnetische Puffer 56 weggelassen
ist. Das erste und das zweite Ventil sind identisch aufgebaut (obwohl
in umgekehrter Ausrichtung). Damit wird ein funktioneller Zylinder
geschaffen, diese Anordnung weist jedoch keinen gleitenden Übergang
zwischen der freien und der Anhalte-Bewegungsphase auf.
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9 zeigt
eine weitere alternative Ausführung,
bei der der bewegliche Puffer 14 und die Feder 16 weggelassen
sind. Stattdessen sind Nuten 62 in der Innenfläche des
Zylinders 2 ausgebildet. Diese bilden einen Umleit-Strömungsweg
um den Kolben herum, wenn sich der Kolben in der Nähe des vorderen
Endes des Zylinders 2 befindet. Damit wird die freie Phase
der Bewegung erzeugt.
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10 zeigt
eine Ausführung,
die der in 1 bis 7 gleicht. Der hydraulische
Dämpfer,
der durch die Buchse 26 und den verengten Strömungsdurchlass 60 gebildet
wird, ist durch einen hydroelastischen Puffer 64 ersetzt
worden, der aus Elastomermaterial besteht. Der Elastomer-Puffer
unterteilt die erste Kammer 18 in drei Kammern, d. h. 18A zwischen
dem Puffer 64 und dem Kolben, 18B, die zwischen
dem Puffer und der Innenwand des Zylinders 2 ausgebildet
ist, und 18C, die zwischen dem Puffer 64 und der
Kolbenstange 6 ausgebildet ist. Fluid strömt zwischen
diesen Kammern aufgrund von Spiel zwischen der Kolbenstange 6 und
dem Puffer und auch zwischen dem Puffer und dem Zylinder. Es ist anzumerken,
dass der Verlust an Hydraulikdruck mit dem Zusammendrücken des
Puffers zunimmt, da die Zwischenräume verkleinert werden.
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Beim Zusammendrücken des Puffers 64 wird der
Druckkraft durch die Federkraft des Elastomermaterials, den Druckzustand
des Fluids in den Kammern 18B und 18C sowie die
Dämpfkraft
Widerstand entgegengesetzt, die durch den Verlust von Hydraulikdruck
erzeugt wird, wenn Fluid durch die Zwischenräume zwischen dem Puffer 64 und
dem Zylinder 2 sowie Stange 6 austritt. Es ist
anzumerken, dass bei niedrigen Kolbengeschwindigkeiten das Fluid
Gelegenheit hat, aus den Kammern 18B und 18C in
die Kammer 18A zurückzugelangen.
So nimmt die von dem Puffer 64 erzeugte Dämpfkraft
zu, wenn die Geschwindigkeit des Aufschlags des Kolbens 4 auf
den Puffer hoch ist.
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11 zeigt
eine weitere Alternative, bei der der hydroelastische Puffer 64 einen
Vorsprung 66 enthält,
der die axiale Bewegung eines hydroelastischen Puffers 64 auf
das erste Ende des Zylinders 2 zu beschränkt.
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Der Zylinder enthält des Weiteren Befestigungen 70 und 72 an
der Kolbenstange 6 bzw. dem Zylinder 2. Eine davon
oder beide brechen bei einem Zusammenstoß, oder wenn der Zylinder blockiert wird,
so dass die Tür
oder eine andere bewegliche Platte des Fahrzeugs dennoch geöffnet werden kann.