DE69302873T2 - Hydraulisches Hochleistungsstellglied mit Spielregelung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Hochleistungsstellglied mit Spielregelung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus der GB-A-1 206 068 bekannt ist.
• Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einfach- oder doppelt wirkende Hydraulikzylinder für Weg-, Geschwindigkeit- oder Kraft-Regelfunktionen.
• Diese Bauart von Zylindern ist insbesondere als Stoßdämpfer für Fahrzeuge bestimmt. Ein Hochleistungszylinder soll generell eine möglichst geringe Reibung aufweisen. Es ist somit wesentlich, die Reibung zwischen den in Bewegung befindlichen Teilen, insbesondere im Bereich ihrer Dichtflächen möglichst gering zu halten. Diese Dichtbereiche, die insbesondere an der Verbindung zwischen Kolbenstange und Zylinder liegen, sind dennoch Wechselbeanspruchungen sowohl in Längs- als auch in Querrichtung, und damit einem bedeutsamen Verschleiß unterworfen. Sie nehmen insbesondere dann schnell Schaden, wenn sie als Hochgeschwindigkeitszylinder oder in einer Vibrationen ausgesetzten Umgebung arbeiten oder Querkräften, Temperaturschwankungen, oder verschiedenen Angriffen ausgesetzt sind.
• Dem schnellen Verschleiß und der Beschädigung der Dichtflächen begegnet man durch einen Ölfilm zwischen den Gleitflächen.
• Die Anwesenheit des Ölfilms verhindert während des Betriebs den direkten metallischen Kontakt zwischen den bewegten Teilen. Er verbessert die Gleitbewegung des Kolbens in dem ihn umgebenden Zylinder. Dieser Ölfilm darf nicht unterbrochen werden, sondern soll stabil und von konstanter Stärke sein.
• Ein Problem ergibt sich durch die Einwirkung äußerer Kräfte auf die Kolbenstange, insbesondere durch Querkräfte, die zu Störungen in Höhe des Ölfilms zwischen den entsprechenden Oberflächen der Kolbenstange und des Zylinders führen und auf diese Weise einen unregelmäßigen Verschleiß der Flächen oder gar deren Zerstörung im Falle starker und wachsender Beanspruchungen führen können.
• Es ist deshalb wichtig, den Druckgradient zu jedem Zeitpunkt und an jeder Stelle des Ölfilms zu kennen und zu beherrschen.
• Ferner sind Ölleckagen aufgrund des notwendigerweise erhöhten Betriebsdrucks unvermeidbar. Um diese Verluste zu kompensieren, muß dafür Sorge getragen werden, daß ein konstanter Ausgleich der Leckage stattfindet, um die Eigenschaften des Ölfilms, insbesondere seine Kontinuität und Regelmäßigkeit, aufrechtzuerhalten.
• Bei herkömmlichen Zylindern führt die Öldruckerhöhung zu einer Dilatation des Zylinders und damit zu einem größeren Spiel zwischen dem Kolben und dem Zylinder und somit zu einem steigenden Ölverlust, wodurch die Wirksamkeit der Führung und die Kontrolle der Kolbenbewegung in dem Zylinder, wie auch die Gleichmäßigkeit des Ölfilms zwischen den entsprechenden Gleitflächen beeinträchtigt wird.
• Zu diesen Nachteilen kommt das Risiko hinzu, daß sich die Dichtung löst, die während des Betriebs aus ihrer Aufnahme herausgezogen werden kann aufgrund der Erhöhung des Spiels zwischen dem Zylinder und der Kolbenstange, wodurch diese herausrutschen und zerstört werden kann.
• Ziel der Erfindung ist es, die bei Hydraulikzylindern auftretenden Mängel zu beseitigen, die mit den Problemen des funktionellen Spiels, der Reibung und des Ölverlustes verbunden sind, um auf diese Weise einen Hochleistungszylinder zu schaffen, der bedeutsamen Beanspruchungen standhält, wenig Energie verbraucht und geringe Ölverluste aufweist.
• Zu diesem Zweck werden bei dem Zylinder gemäß der Erfindung Mittel zur Aufrechterhaltung eines minimalen Funktionsspiels zwischen dem Kolben und dem Zylinder in Verbindung mit Mitteln zum Ausgleichen und Verregelmäßigen des Ölfilms genutzt.
• So ist der Innenraum des Kolbens mit einer Dilatationskammer ausgestattet, die mit dem Innenraum des Zylinders, der dem hydrostatischen Betriebsdruck des Zylinders ausgesetzt ist, verbunden.
• Am Umfang der Außenfläche des Kolbens sind gleichmäßig verteilt Ausgleichskammern angeordnet, die gleichfalls mit Drucköl versorgt werden.
• Diesen Ausgleichskammern sind eine Einheit von Anti-Klebeffekt-Nuten zugeordnet, um auf diese Weise eine Gleit- Grenzfläche und insbesondere einen optimalen Längs-Druckgradienten für eine hochleistende hydrodynamische Führung zu schaffen.
• Die Vorteile des Zylinders gemäß der Erfindung sind insbesondere folgende:
• erhebliche Verringerung des Ölverlustes dank der Kontrolle des Spiels und des hydrostatischen Druckgradienten im Kern des Ölfilms;
• Aufrechterhaltung eines regelmäßigen und konstanten Ölfilms auf allen in Frage kommenden Flächen und unter allen Betriebsbedingungen;
• Vermeidung des mechanischen Kontaktes und damit des Verschleisses zwischen dem Kolben und dem Zylinder während des Betriebs;
• erhebliche Steigerung der Lebensdauer ohne Minderung der anfänglich vorhandenen Leistung.
• Auf diese Weise ist die Möglichkeit gegeben, Zylinder herzustellen, die ein wesentlich verbessertes Leistungsgewicht, wie auch eine hervorragende Querkraftstabilität besitzen, wobei die Erfindung alle Bauarten von Zylindem, insbesondere einfach- und doppeltwirkende Zylinder, und solche die als Dämpfer eingesetzt werden, umfaßt.
• Weitere technische Merkmale und Vorteile sind in der nachfolgenden Beschreibung einer nicht beschränkenden Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
• Figur 1 einen Längsschnitt eines einfach wirkenden Zylinders gemäß der Erfindung;
• Figur 2 einen Teillängsschnitt des Zylinders gemäß Figur 1 in Höhe der entsprechenden Gleitflächen;
• Figur 3 einen Schnitt III-III des Zylinders gemäß Figur 1;
• Figur 4 einen Längsschnitt eines doppeltwirkenden Zylinders gemäß der Erfindung.
• Die Grundidee der Erfindung besteht darin, am Kolben eine innere Dilatationskammer vorzusehen, der eine Einheit von Antiklebeffekt-Nuten und von besonderen Ausgleichskammern zugeordnet ist, die gleichmäßig auf dem Umfang angeordnet sind, um das funktionelle Spiel zu verringern, die Ölverluste zu mindern und zu kontrollieren und die Führung zu verbessern.
• Nachfolgend ist eine erste Ausführungsform der Erfindung anhand der Figur 1 beschrieben, die aus einem einfach wirkenden Zylinder 1 besteht, der einen Zylinderkörper bzw. einen Hohlzylinder 2 mit einem zylindrischen Hohlraum 3 aufweist, in welchem eine Stange 4 oder ein Zylinderkolben von im wesentlichen gleichfalls zylindrischer Form gleitet.
• Der von dem Boden 5 der Stange bzw. dem Kolbenboden und der Seitenwand 6 und dem Boden 7 des Hohlraums 3 umgrenzte Raum bildet eine Druckkammer 8. Diese Druckkammer mit einem in Abhängigkeit von der Stelllung der gleitenden Stange 4 des Zylinders variierenden Volumen wird über eine Versorgungsöffnung 9, die die Seitenwand 6 des Zylinderkörpers 2 im Bereich des Bodens des Zylinders durchsetzt, mit Drucköl versorgt.
• Die Stange oder der Kolben 4 ist, wie bereits erwähnt, zylindrisch profiliert. Die entsprechenden Gleitflächen, d.h. die äußeren Flächen 10 der Stange und die Innenfläche 11 der Seitenwand des Zylinderkörpers sind als Präzisionsflächen ausgebildet, um nur ein minimales funktionelles Spiel zuzulassen.
• Die Stange 4 weist an ihrem inneren Ende einen Kopf 12 auf. Der Kolben weist in Höhe seines im Zylinder gleitenden Endes, d.h. in Höhe seines Kopfs 12, eine Ausnehmung aus, die eine innere Dilatationskammer 13 bildet, die durch eine Umfangswand 14 begrenzt ist.
• Im Druckbetrieb füllt sich die Dilatationskammer mit Drucköl und gleicht die Dilatation der Zylinderwand 6 durch eine gleichwirkende Dilatation der Umfangswand 14 der Dilatationskammer aus, so daß das funktionelle Spiel zwischen dem Kopf der Stange und dem Zylinder aufrechterhalten bleibt.
• Die Dilatationskammer kann, wie gezeigt, in Form einer im wesentlichen zylindrischen Ausnehmung, deren Achse mit derjenigen der Stange zusammenfällt, ausgebildet sein und ist an deren Boden offen, wobei die Steifigkeit der Umfangswand 14 gleich derjenigen der Wand 6 des Zylinders ist, um auf diese Weise eine gleiche und gleichsinnige Dilatation zu erzeugen.
• Die Dilatationskammer steht weiterhin mit der Druckkammer über eine Öffnung in ständiger Verbindung, beispielsweise einer kreisförmigen Öffnung, die in Höhe des inneren Endes des Kopfs der Stange am Boden 5 der Stange angeordnet ist und in ihrem Durchmesser demjenigen der Dilatationskammer entspricht.
• Die auf die Wandungen der Druckkammer 8 des Zylinders und der Dilatationskammer 13 der Stange wirkenden Drucke sind gleich und die entsprechenden Dilatationen bringen keine Erhöhung des funktionellen Spiels mit sich.
• Auf der anderen Seite wird, wie bereits erwähnt, ein ständiger und konstanter Ölfilm im Funktionsraum zwischen den entsprechenden Gleitflächen hergestellt und aufrechterhalten.
• Zusammenwirkend mit dem Mittel der Aufrechterhaltung eines geringstmöglichen Spiels durch die Dilatationskammer ist eine Einheit von Mitteln vorgesehen, die einen gleichmäßigen Ölfilm für die Führung, einen Ausgleich und eine Kontrolle des Ölverlustes sicherstellen und an der Außenfläche des Kopfs der Stange angeordnet sind.
• Auf der Fläche der Stange sind Einzüge in Form ringförmiger Umfangsnuten 16 in vorzugsweise gleichmäßigem Längsabstand angeordnet.
• Diese ringförmige Nuten 16, die als Antiklebeffekt-Nuten bezeichnet werden können, haben zur Aufgabe, während des Betriebs lokale Überdrucke an Umfangsstellen zu vermeiden, die dazu führen, daß die Stange im diametral gegenüberliegenden Bereich der Zylinderwandung anhaftet, und somit das Drucköl auf dem gesamten Umfang zu verteilen.
• Diese Antiklebeffekt-Nuten sind mit Ausgleichskammern 17 verbunden, die gleichfalls auf der Außen-Gleitfläche des Kopfs der Stange angeordnet sind.
• Die Ausgleichskammern sind von beispielsweise vier Vertiefungen 18 mit rechteckigem oder anderem Querschnitt gebildet, die in regelmäßiger Winkelanordnung auf dem Umfang der Fläche vorgesehen sind. Diese Vertiefungen können mehr oder weniger zahlreich vorhanden sein, wobei jedoch mindestens drei notwendig sind.
• Jede Ausgleichskammer wird mit Drucköl versorgt, beispielsweise über eine Öffnung 19, die eine Verbindung zur Dilatationskammer durch deren Wand hindurch herstellt.
• Eine als Durchflußbegrenzer wirkende Drossel 20 ist in der Öffnung angeordnet, um in den Ausgleichskammern für einen niedrigeren Druck zu sorgen.
• Die Ausgleichskammern bilden auf diese Weise durch die Anwesenheit des Drucköls absorbierende Dämpfungskissen, die als Selbstzentrierung wirken. Auf diese Weise werden die Zentrierung und die Kontrolle der auf die Stange des Kolbens wirkenden Querkräfte ständig gewährleistet.
• Der Öl-Druckgradient im Ölfilm hängt von der relativen Längsanordnung der Antiklebeffekt-Nuten und der Ausgleichskammern ab und kann durch Rechnung nach herkömmlicher Methode ermittelt werden.
• Vorzugsweise sind die Ausgleichskammern auf einem Ring auf der Gleitfläche verteilt und sind die Antiklebeffekt-Nuten beiderseits dieses Rings symmetrisch angeordnet. Das entsprechend dem funktionellen Spiel und dem durch die Erfindung regulierten und kontrollierten Ölfilm entsprechende Leckageöl wird am Ende des Zylinderkörpers durch eine oder mehrere seitliche Drainageöffnungen 21 abgezogen und über eine Rückspeiseleitung mit Filtrierung (nicht gezeigt) in den Kreislauf zurückgeführt.
• Ein umfangsseitiger Abstreifer 22, der von einem Dichtungsring 23 gehalten ist, vermeidet jegliche Ölspuren auf der Außenfläche der Stange. Auf diese Weise wird der sich teilweise oder vollständig außerhalb des Zylinders befindende Teil der Stange weder von Ölschlieren, noch von Öflecken verunreinigt.
• Umgekehrt verhindert der Abstreifer, daß von außen Staub, Rückstände oder Schmutz zwischen die Gleitflächen eindringen.
• Der erfindungsgemäß ausgebildete Zylinder vereint in sich die Vorteile einer großen Quersteifigkeit, eines kleinen Spiels und einer optimalen Kontrolle der Leckagen. Dies erlaubt den Einsatz des Zylinders unter besonders schwierigen Betriebsbedingungen.
• Figur 4 zeigt einen doppeltwirkenden Zylinder 24, der gleichfalls aus einem Zylinderkörper 25 und einer Kolbenstange 26 besteht, die in einem Hohlraum 27 gleitet, der eine Druckkammer 28 bildet und in der Nähe seines Bodens mit einer Versorgungsöffnung 29 versehen ist.
• Der Kolben weist gleichfalls eine Dilatationskammer 30 auf, deren Gleitfläche 31 eine geeignete Führung mit Antiklebeffekt-Nuten 32 und Ausgleichskammern 33 besitzt.
• Eine zweite Versorgungsöffnung 34, die in der Nähe des Austrittsendes des Zylinders angeordnet ist, dient zur Rückstellung der Kolbenstange. Das Drucköl wirkt dabei auf eine Umfangsschulter 35, die an der Kolbenstange vorgesehen ist.
• Die Gleitbewegung der Stange ist weiterhin gewährleistet durch einen äußeren Führungsring 36, der eine Hohlkehle für einen dichtenden Abstreifer 37 aufweist.
• Die Vorteile und die Funktion dieser Bauart des Zylinders entsprechen den zuvor beschriebenen.
• Es ist anzumerken, daß in Abwandlung von den vorbeschnebenen Ausführungsformen alle Mittel zum Führen und Kontrollieren der Bewegungen und der Leckagen auch an der Gleitwand des Zylinders statt an der Stange vorgesehen sein können.
• Die Erfindung kann ferner gleichermaßen bei anderen Bauarten und Bauformen hydraulischer Zylinder angewandt werden.
• Da die Erfindung insbesondere auf Dichtungen zwischen der Stange und dem Zylinder verzichten kann, gestattet sie auch eine Verbesserung der Funktionseigenschaften eines herkömmlichen Zylinders mit Dichtungen, indem dieser zusätzlich eine Dilatationskammer und Ausgleichskammern entsprechend der Erfindung aufweist.
• Es ist darüber hinaus klar, daß außer den beschriebenen Mitteln verschiedene naheliegende Änderungen und einfache Varianten in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims (13)

1. Hydrostatisches Stellglied mit Spielregelung mit einem Zylinder (2) und einer Kolbenstange (4) mit einem Kopf (12) an ihrem inneren Ende der in dem Zylinder (2) geführt ist, der einen eine Druckkammer (8) bildenden Hohlraum (3) begrenzt, wobei der Kopf (12) der Kolbenstange (4) Mittel zur Bildung und Aufrechterhaltung eines Ölfilms aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

- an dem Kopf (12) der Kolbenstange (4) eine Dilatationskammer (13) ausgebildet ist, welche mit der Druckkammer (8) über eine Versorgungsöffnung (15) kommuniziert;

- die Mittel zur Bildung und Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Ölfilms Ausgleichskammern (17) bildende Hohlräume (18) aufweisen, die mit Drucköl gespeist und in der Führungsfläche (10) des Kopfs (12) der Kolbenstange (4) ausgebildet sind.

2. Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (15) der Dilatationskammer (13) über den gesamten Boden des Kopfs der Kolbenstange ausgebildet ist.

3. Stellglied nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dilatationskammer (13) zylindrisch geformt ist.

4. Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dilatationskammer (13) und der Zylinder (2) Wandungen (14, 6) etwa gleicher Steifigkeit aufweisen.

5. Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichskammern (17) ringförmig an der Führungsfläche (10) des Kopfs (12) der Kolbenstange (4) angeordnet sind.

6. Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ausgleichskammern (17) bildenden Hohlräume (18) eine rechteckförmige Kontur aufweisen.

7. Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichskammern (17) von der Dilatationskammer (13) jeweils durch Drosseln (20), die einen Durchflußbegrenzer bilden, gespeist werden.

8. Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Führungsfläche (10) des Kopfs (12) der Stange beiderseits der Ausgleichskammern (17) Anti-Klebeffekt-Nuten ausgebildet sind.

9. Stellglied nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anti-Klebeffekt-Nuten (16) symmetrisch beiderseits der Ausgleichskammern (17) angeordnet sind.

10. Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichskammern (17) nicht an der Führungsfläche (10) des Kopfs (12) der Kolbenstange, sondern in der Führungsfläche (11) des Zylinders (2) ausgebildet sind.

11. Stellglied nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anti-Haft-Nuten (16) nicht in der Führungsfläche (10) des Kopfs (12) der Kolbenstange, sondern in der Führungsfläche (11) des Zylinders (2) ausgebildet sind.

12. Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es einfachwirkend ausgebildet ist.

13. Stellglied nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es doppeltwirkend ausgebildet ist.