EP2174041B1 - Pneumatikkomponente - Google Patents

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EP2174041B1
EP2174041B1 EP08773693.0A EP08773693A EP2174041B1 EP 2174041 B1 EP2174041 B1 EP 2174041B1 EP 08773693 A EP08773693 A EP 08773693A EP 2174041 B1 EP2174041 B1 EP 2174041B1
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EP
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piston
grooved ring
pneumatic component
pneumatic
micro
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Jens-Thorsten Gronau
Mike Heurich
Tino Wiggers
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ZF CV Systems Hannover GmbH
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Wabco GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/14—Pistons, piston-rods or piston-rod connections
    • F04B53/143—Sealing provided on the piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/0005—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 adaptations of pistons
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49249—Piston making
    • Y10T29/49265—Ring groove forming or finishing

Definitions

  • the invention relates to a pneumatic component having a cylinder, a piston running in the cylinder and a grooved ring, which seals the piston against the cylinder and has a static side and a dynamic side, according to the preamble of claim 1.
  • Generic pneumatic components are known from GB 971 016 A and the FR 2 404 768 A known.
  • a manufacturing method for producing a pneumatic component is known from DE 103 49 917 A1 known.
  • Such pneumatic components are used for example in the form of compressors, in particular as a piston air compressor, in trucks or passenger cars.
  • the pistons of the compressor have a circumferential groove, in which engages a grooved ring.
  • the grooved ring seals the piston against the cylinder.
  • the pistons for such compressors are partially manufactured by injection molding. In the process, a molding ridge extending in the longitudinal direction of the piston remains. This molding ridge must be removed by a cutting process in order to be able to raise separately produced rubber rings made of rubber on the piston can. Without removal of the molding ridge the U-ring is not seated sufficiently tight on the piston.
  • a disadvantage of such pneumatic components is therefore their complex production.
  • the rubber ring is first vulcanized sitting on the piston in an alternative manufacturing process. This has the disadvantage that this method has such a low process reliability for piston diameters of more than 70 mm that it can not be used in mass production.
  • the invention has for its object to overcome disadvantages in the prior art.
  • the invention solves the problem by a generic pneumatic component in which the U-ring on the static side has at least two concentric micro-ribs and in that the U-ring is fixed to the piston so that the Form istsungsgrat cuts the micro-ribs, wherein the piston is an injection molded plastic part is. If, for example, the shaping ridge runs in the longitudinal direction of the piston, then it is advantageous if the micro-ribs intersect the shaping ridge substantially perpendicularly
  • the piston is injection-molded from plastic, without the Form Ecuadorsgrat must be removed.
  • the micro-ribs ensure despite a burr for an airtight connection between the piston and the U-ring.
  • the U-rings can be made separately even with a diameter of more than 70 mm and subsequently connected to an injection-molded piston.
  • the dynamic side is understood to mean that side of the groove which rubs against another component during operation of the pneumatic component.
  • the static side is the side that rests upon operation of the pneumatic component relative to the component to which the U-ring is attached.
  • the U-ring is fixed to the piston so that its static side faces the piston.
  • micro-ribs protrude by less than 0.5 mm over a base.
  • the piston has a diameter of more than 70 mm.
  • the pneumatic component can be built with a particularly large displacement, without the Formungsungsgrat should be removed. With such diameters, vulcanization of the groove is no longer possible.
  • U-ring is made of rubber, since such U-rings have a particularly long service life.
  • a particularly high sealing effect is achieved if the grooved ring has a multiplicity of concentric micro-lips, for example 3, 4, 5 or more micro-ribs.
  • a pneumatic component according to the invention is used particularly advantageously as an air compressor, in particular for a commercial vehicle pneumatic system.
  • a pneumatic component according to the invention can also be used as a pneumatic actuator, in particular as a pneumatic transmission circuit.
  • FIG. 1 shows a pneumatic component in the form of a compressor 10, which comprises a cylinder 12, a piston 12 running in the cylinder 12 and a grooved ring 16.
  • the grooved ring 16 is fixedly secured in a circumferential groove 18 around the piston 14.
  • the piston 14 is reciprocable at a connecting rod 19.
  • the grooved ring 16 seals a gap 20 between the cylinder 12 and the piston 14, so that air 22, which is located in the cylinder 12, is compressed to an air pressure p.
  • the compressed air is discharged from the cylinder through a check valve, not shown, and as the piston 14 moves out of the cylinder 12, air may flow past the grooved ring 16, through the gap 20 to be compressed at a subsequent stroke.
  • the piston 14 is made of plastic in an injection molding process, which has led to a shaping ridge 24, which is shown schematically by dashed lines and extending along a longitudinal axis of the piston 14 and also passes through the groove 18.
  • a shaping ridge 24 which is shown schematically by dashed lines and extending along a longitudinal axis of the piston 14 and also passes through the groove 18.
  • S stat micro-ribs as in FIG. 2 are shown exactly.
  • S dyn micro-ribs may be provided, but it is not in the present case.
  • FIG. 2 shows the grooved ring 16 in a detailed view.
  • the grooved ring 16 has a radially outer sealing lip 30 of substantially constant thickness, which has a rounding at its radially outermost edge 32.
  • the abutment portion 34 has an axial extent, which corresponds to substantially half an axial extent of the Nutrings 16.
  • the inner diameter of the Nutrings 16 is selected in the contact portion 34 so that it rests without play and with little force on the piston.
  • Adjoining the contact section 34 is a transition section 35 which projects radially inwards and merges into an engagement section 36.
  • the transition section 35 at the transition into the engagement section 36, has a diameter which is selected such that it reaches with a sufficiently high pressure the piston 12 (see. FIG. 1 ) abuts to seal the pressure chamber 26 at the air pressure p against the suction chamber 28, if the Form Ecuadorsgrat 24 is removed.
  • the diameter is 100 microns to 1 mm smaller than the inner diameter of the abutment portion 34th
  • micro-ribs 38a, 38b, 38c, 38d are formed in the engaging portion 36, which are separated from each other by respective lip bases 40a, 40b, 40c.
  • the micro-ribs 38 protrude by 0.1 mm to 0.7 mm over a cylinder jacket-shaped base 42 which extends through the lips 40a, 40b, 40c.
  • the micro-ribs 38 all have substantially the same cross-sectional contour and are arranged concentrically with one another.
  • the micro-ribs have a micro-lip width b which is smaller than one-tenth of the width B of the nut-ring 16.
  • the micro-rib width b is less than 1 mm and in particular more than 0.1 mm.
  • the micro-rib width is also desirably chosen to be less than one quarter of a width N of the engagement portion 36 (see FIG. FIG. 1 ).
  • FIG. 3 shows the grooved ring 16 in a three-dimensional view.
  • the pistons 14 are injection-molded and a cylinder housing 44 is manufactured that in FIG. 1 is shown schematically and formed in the cylinder 12. It is also the U-ring 16 made of rubber and in particular vulcanized. Subsequently, the grooved ring 16 is pulled over the non-machined after injection molding piston 14 and placed in the groove 18. Subsequently, the components mentioned with other components, such as a pulley to drive the connecting rod 19 to a compressor ver builds.
  • the pneumatic component may alternatively also be a pneumatic cylinder.
  • the connecting rod 19 acts as a push rod.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Pneumatikkomponente mit einem Zylinder, einem in dem Zylinder laufenden Kolben und einem Nutring, der den Kolben gegen den Zylinder abdichtet und eine statische Seite und eine dynamische Seite besitzt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Gattungsgemäße Pneumatikkomponenten sind aus der GB 971 016 A und der FR 2 404 768 A bekannt. Ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Pneumatikkomponente ist aus der DE 103 49 917 A1 bekannt.
  • Derartige Pneumatikkomponenten werden beispielsweise in Form von Kompressoren, insbesondere als Kolbenluftverdichter, in Lastkraftwagen oder Personenkraftwagen eingesetzt. Die Kolben des Kompressors besitzen eine umlaufende Nut, in die ein Nutring eingreift. Der Nutring dichtet den Kolben gegen den Zylinder ab. Um den Fertigungsaufwand zu verringern, werden die Kolben für derartige Kompressoren teilweise im Spritzgussverfahren hergestellt. Dabei verbleibt ein in Längsrichtung des Kolbens verlaufender Formteilungsgrat. Dieser Formteilungsgrat muss mit einem spanenden Verfahren entfernt werden, um gesondert hergestellte Nutringe aus Gummi auf den Kolben aufziehen zu können. Ohne Entfernen des Formteilungsgrats sitzt der Nutring nicht hinreichend dicht auf dem Kolben.
  • Nachteilig an derartigen Pneumatikkomponenten ist daher deren aufwändige Herstellung. Um das Entfernen des Formteilungsgrats entbehrlich zu machen, wird der Gummiring in einem alternativen Herstellungsverfahren erst auf dem Kolben sitzend vulkanisiert. Nachteilig hieran ist, dass dieses Verfahren für Kolbendurchmesser von mehr als 70 mm eine so geringe Prozesssicherheit besitzt, dass es im Rahmen einer Massenfertigung nicht verwendbar ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu überwinden.
  • Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße Pneumatikkomponente, bei der der Nutring auf der statischen Seite mindestens zwei konzentrische Mikrolippen aufweist und dadurch, dass der Nutring so am Kolben befestigt ist, dass der Formteilungsgrat die Mikrolippen schneidet, wobei der Kolben ein aus Kunststoff gefertigtes Spritzgussteil ist. Verläuft der Formteilungsgrat beispielsweise in Längsrichtung des Kolbens, so ist es vorteilhaft, wenn die Mikrolippen den Formteilungsgrat im Wesentlichen senkrecht schneiden
  • Vorteilhaft daran ist, dass der Kolben aus Kunststoff spritzgegossen wird, ohne dass der Formteilungsgrat entfernt werden muss. Die Mikrolippen sorgen nämlich trotz Formteilungsgrat für eine luftdichte Verbindung zwischen dem Kolben und dem Nutring. Vorteilhafterweise können die Nutringe auch bei einem Durchmesser von mehr als 70 mm gesondert hergestellt und nachträglich mit einem spritzgegossenen Kolben verbunden werden.
  • Vorteilhaft ist zudem, dass eine hohe Dichtigkeit trotz eines vorhandenen Formteilungsgrats erreichbar ist, so dass auf Dichtfett weitgehend verzichtet werden kann.
  • Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter der dynamischen Seite diejenige Seite des Nutrings verstanden, die beim Betrieb der Pneumatikkomponente an einer anderen Komponente reibt. Die statische Seite hingegen ist diejenige Seite, die bei Betrieb der Pneumatikkomponente relativ zu der Komponente ruht, an der der Nutring angebracht ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Nutring so am Kolben befestigt, dass seine statische Seite dem Kolben zugewandt ist. Vorteilhaft hieran ist, dass der Kolben in einem Spritzgussverfahren aus Kunststoff gefertigt wird, ohne dass der dabei unvermeidlich entstehende Formteilungsgrat aufwändig entfernt werden müsste. Eine Fertigung des Kolbens aus Kunststoff führt zu einem besonders leicht und einfach zu fertigenden Kolben.
  • Für eine gute Dichtwirkung bei gleichzeitig sicherem Halt des Nutrings auf dem Kolben hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Mikrolippen um weniger als 0,5 mm über eine Grundfläche abstehen.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn der Kolben einen Durchmesser von mehr als 70 mm hat. In diesem Fall kann die Pneumatikkomponente mit einem besonders großen Hubraum gebaut werden, ohne dass der Formteilungsgrat entfernt werden müsste. Bei derartigen Durchmessern ist ein Aufvulkanisieren des Nutrings nicht mehr möglich.
  • Günstig ist es, wenn der Nutring aus Gummi besteht, da derartige Nutringe eine besonders hohe Lebensdauer besitzen.
  • Eine besonders hohe Dichtungswirkung wird erreicht, wenn der Nutring eine Vielzahl konzentrischer Mirkolippen aufweist, beispielsweise 3, 4, 5 oder mehr Mikrolippen.
  • Eine erfindungsgemäße Pneumatikkomponente wird besonders vorteilhaft als Luftkompressor, insbesondere für ein Nutzfahrzeug-Pneumatiksystem, eingesetzt. Alternativ ist eine erfindungsgemäße Pneumatikkomponente auch als pneumatischer Aktuator, insbesondere als pneumatische Getriebeschaltung verwendbar.
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
    • Figur 1
    einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Pneumatikkomponente.
    Figur 2
    zeigt ein Detail eines Nutrings einer erfindungsgemäßen Pneumatikkomponente und
    Figur 3
    zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Nutrings für eine erfindungsgemäße Pneumatikkomponente.
  • Figur 1 zeigt eine Pneumatikkomponente in Form eines Kompressors 10, der einen Zylinder 12, einen in dem Zylinder 12 laufenden Kolben 14 und einen Nutring 16 umfasst. Der Nutring 16 ist in einer um den Kolben 14 umlaufenden Nut 18 fest befestigt. Der Kolben 14 ist an einem Pleuel 19 hin und her bewegbar. Wird der Kolben 14 in den Zylinder 12 eingeschoben, dichtet der Nutring 16 einen Spalt 20 zwischen dem Zylinder 12 und dem Kolben 14 ab, so dass Luft 22, die sich im Zylinder 12 befindet, auf einen Luftdruck p komprimiert wird. Die komprimierte Luft wird durch ein nicht eingezeichnete Rückschlagventil aus dem Zylinder abgelassen und beim Bewegen des Kolbens 14 aus dem Zylinder 12 heraus kann Luft am Nutring 16 vorbei durch den Spalt 20 strömen, um bei einem nachfolgenden Hub komprimiert zu werden.
  • Der Kolben 14 ist aus Kunststoff in einem Spritzgussverfahren hergestellt, was zu einem Formteilungsgrat 24 geführt hat, der schematisch gestrichelt eingezeichnet ist und sich entlang einer Längsachse des Kolbens 14 erstreckt und auch durch die Nut 18 verläuft. Um einen Druckraum 26 von einem Saugraum 28 des Zylinders 12 luftdicht zu trennen, muss sichergestellt sein, dass der Nutring 16 auch im Bereich des Formteilungsgrats 24 bündig am Kolben 14 anliegt. Dazu besitzt er an seiner statischen Seite Sstat Mikrolippen, wie sie in Figur 2 genau gezeigt sind. Auch auf seiner dynamischen Seite Sdyn können Mikrolippen vorgesehen sein, sind es aber im vorliegen den Fall nicht.
  • Figur 2 zeigt den Nutring 16 in einer Detailansicht. Der Nutring 16 besitzt eine radial außen liegende Dichtlippe 30 von im Wesentlichen konstanter Dicke, die an ihrer radial äußersten Kante 32 eine Abrundung besitzt. An seinem der Kante 32 abgewandten Ende geht der Nutring 16, der im Wesentlichen V-förmig ausgebildet ist, in einen zylindermantelförmigen Anlageabschnitt 34 über, mit dem er in der Nut 18 am Kolben 14 anliegt. Der Anlageabschnitt 34 besitzt eine axiale Ausdehnung, die im Wesentlichen einer halben axialen Ausdehnung des Nutrings 16 entspricht. Der Innendurchmesser des Nutrings 16 ist im Anlageabschnitt 34 so gewählt, dass er ohne Spiel und mit geringer Kraft am Kolben anliegt.
  • An den Anlageabschnitt 34 schließt sich ein Übergangsabschnitt 35 an, der radial nach innen vorspringt und in einen Eingriffsabschnitt 36 übergeht.. Der Übergangsabschnitt 35 besitzt im Übergang in den Eingriffsabschnitt 36 einen Durchmesser, der so gewählt ist, dass er mit einem hinreichend großen Druck an dem Kolben 12 (vgl. Figur 1) anliegt, um den Druckraum 26 beim Luftdruck p gegen den Saugraum 28 abzudichten, sofern der Formteilungsgrat 24 entfernt ist. Beispielsweise ist der Durchmesser 100 µm bis 1 mm kleiner als der Innendurchmesser des Anlageabschnitts 34.
  • Um die dichtigkeitsvermindernde Wirkung des Formteilungsgrats 24 zu beheben, sind im Eingriffsabschnitt 36 radial nach innen weisende Mikrolippen 38a, 38b, 38c, 38d ausgebildet, die durch jeweilige Lippengründe 40a, 40b, 40c voneinander getrennt sind. Die Mikrolippen 38 stehen um 0,1 mm bis 0,7 mm über eine zylindermantelförmige Grundfläche 42 ab, die durch die Lippengründe 40a, 40b, 40c verläuft. Die Mikrolippen 38 weisen alle im Wesentlichen die gleiche Querschnittskontur auf und sind konzentrisch zueinander angeordnet. Die Mikrolippen besitzen eine Mikrolippenbreite b, die kleiner ist als ein Zehntel der Breite B des Nutrings 16. Beispielsweise liegt die Mikrolippenbreite b unter 1 mm und insbesondere über 0,1 mm. Die Mikrolippenbreite ist zudem günstigerweise so gewählt, dass sie kleiner ist als ein Viertel einer Breite N des Eingriffsabschnitts 36 (vgl. Figur 1).
  • Figur 3 zeigt den Nutring 16 in einer dreidimensionalen Ansicht.
  • Zur Herstellung des Kompressors 10 werden die Kolben 14 spritzgegossen und ein Zylindergehäuse 44 gefertigt, dass in Figur 1 schematisch gezeigt und in dem Zylinder 12 ausgebildet ist. Es wird zudem der Nutring 16 aus Gummi hergestellt und dabei insbesondere vulkanisiert. Nachfolgend wird der Nutring 16 über den nach dem Spritzgießen nicht spanend nachbearbeiteten Kolben 14 gezogen und in der Nut 18 platziert. Anschließend werden die genannten Komponenten mit weiteren Bauelementen, wie beispielsweise einem Riemenrad zum Antrieb des Pleuels 19 zu einem Kompressor ver baut.
  • Die Pneumatikkomponente kann alternativ auch ein Pneumatikzylinder sein. In diesem Fall fungiert das Pleuel 19 als Druckstange. Durch Beaufschlagen des Pneumatikzylinders mit Druckluft wird die Druckstange aus dem Zylindergehäu se 44 heraus gedrückt und betätigt eine zu schaltende oder zu bewegende Komponente.

Claims (10)

  1. Pneumatikkomponente mit
    (a) einem Zylinder (12),
    (b) einem in dem Zylinder (12) laufenden Kolben (14) und
    (c) einem Nutring (16), der
    (i) den Kolben (14) gegen den Zylinder (12) abdichtet und
    (ii) eine statisches Seite (Sstat) und
    (iii) eine dynamische Seite (Sdyn) besitzt,
    wobei der Nutring (16) auf der statischen Seite (Sstat) mindestens zwei konzentrische Mikrolippen (38) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (14) einen Formteilungsgrat (24) aufweist und der Nutring (16) so am Kolben (14) befestigt ist, dass der Formteilungsgrat (24) die Mikrolippen (38) schneidet, wobei der Kolben (14) ein aus Kunststoff gefertigtes Spritzgussteil ist.
  2. Pneumatikkomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutring (16) so am Kolben (14) befestigt ist, dass seine statische Seite (Sstat) dem Kolben (14) zugewandt ist.
  3. Pneumatikkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolippen (38) um weniger als 0,5
    mm über eine Grundfläche (42) abstehen.
  4. Pneumatikkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (14) einen Durchmesser von mehr als 70 mm hat.
  5. Pneumatikkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Nutring (16) aus Gummi besteht.
  6. Pneumatikkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Nutring (16) eine Vielzahl konzentrischer Mikrolippen (38) aufweist.
  7. Pneumatikkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass er ein Luftkompressor, insbesondere für ein Nutzfahrzeug-Pneumatiksystem, ist.
  8. Pneumatikkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein pneumatischer Aktuator, insbesondere für eine pneumatische Getriebeschaltung ist.
  9. Verfahren zum Herstellen einer Pneumatikkomponente nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte:
    (a) Herstellen eines Zylindergehäuses (44), in dem ein Zylinder (12) ausgebildet ist
    (b) Spritzgießen eines Kolbens (14) mit einer radial umlaufenden Nut (18),
    (c) Herstellen eines Nutrings (16) und
    (d) Einsetzen des Nutrings (16) in die Nut (18),
    wobei der Nutring (16) eine statische Seite und eine dynamische Seite hat,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Nutring (16) so hergestellt wird, dass er auf der statischen Seite mindestens zwei konzentrische Mikrolippen (38) besitzt, wobei der Kolben (14) einen Formteilungsgrat aufweist und der Nutring (16) so am Kolben (14) befestigt wird, dass der Formteilungsgrat (24) die Mikrolippen (38) schneidet.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (14) aus Kunststoff spritzgegossen wird.
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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007034978A DE102007034978A1 (de) 2007-07-26 2007-07-26 Pneumatikkomponente
PCT/EP2008/005217 WO2009012862A1 (de) 2007-07-26 2008-06-26 Pneumatikkomponente

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EP2174041A1 EP2174041A1 (de) 2010-04-14
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US (1) US8505439B2 (de)
EP (1) EP2174041B1 (de)
CN (1) CN101680546B (de)
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