WO2017137183A1

WO2017137183A1 - Kolbenzylinder-aggregat

Info

Publication number: WO2017137183A1
Application number: PCT/EP2017/050293
Authority: WO
Inventors: Andreas Alzer; Rudolf Schulte
Original assignee: Zf Friedrichshafen Ag
Priority date: 2016-02-10
Filing date: 2017-01-09
Publication date: 2017-08-17
Also published as: US20190040925A1; DE102016202007A1; KR102616047B1; DE102016202007B4; CN108603559B; KR20180110057A; CN108603559A

Abstract

Kolbenzylinder-Aggregat (1), umfassend eine Kolbenstange (5), an der mindestens ein Kolben (9) angeordnet ist, der an einer äußeren Mantelfläche (37) einen radial elastischen Kolbenring (33) aufweist, der in Abhängigkeit der Hublage der Kolbenstange (5) in einen Zylinder (11) eintaucht und dabei einen kleinere Durchmesser D2 aufweist als in einer Hublage, bei der sich der Kolben (9) außerhalb des Zylinders (3) befindet, wobei der Kolbenring (33) einen Anschlag (47) aufweist, der einen maximalen Durchmesser des Kolbenrings (33) bestimmt.

Description

Kolbenzylinder-Aqgreqat

Die Erfindung betrifft ein Kolbenzylinder-Aggregat gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 .

Beispielhaft ist aus der US 3 175 645 ein Kolbenzylinder-Aggregat bekannt, das einen an einer Kolbenstange befestigten Kolben aufweist, der ab einer definierten Hublage in einen Zylinder eintaucht. In dieser Variante wird der Zylinder von einem kap- penförmigen Bauteil gebildet, das in einem äußeren Zylinder fixiert ist. Es ist jedoch auch bekannt, dass das kappenförmige Bauteil ersatzweise von einem Längenabschnitt mit einer Durchmesserreduzierung des äußeren Zylinders gebildet wird.

Der Kolben wird unabhängig von der Ausgestaltung des Zylinders mittels eines Kolbenrings innerhalb einer äußeren Mantelfläche des Kolbens zur Zylinderinnenwandung abgedichtet. Dabei steht der Kolbenring unter einer radialen Vorspannung.

Wenn sich der Kolben außerhalb des Zylinders befindet, dann weitet sich der Kolbenring radial auf. Bei jedem Eintauchen in den Zylinder muss der Kolbenring wieder auf sein Vorspannmaß bzw. auf den Durchmesser der Innenwandung reduziert werden. Dafür steht vielfach eine Einlaufschräge zur Verfügung, die auch in der US 3 175 645 an dem kappenförmigen Bauteil unterhalb der Kolbenstangenführung zu erkennen ist.

Die radiale Kompression beim Eintauchen verschleißt den Kolbenring sehr schnell. Aus der DE 34 13 927 A1 ist ein Kolbenring für ein Kolbenzylinder-Aggregat in der prinzipiellen Bauform der US 3 175 645 bekannt, der aus einem vergleichsweise harten Werkstoff besteht und ein Schlitz aufweist, um radial elastisch aufweitbar zu sein. Zwischen einer Kolbenringnut und dem Kolbenring ist ein Vorspannring eingelegt, der für eine radiale Aufweitung des Kolbenrings sorgt.

Bei einem derartigen Kolbenring besteht jedoch der Nachteil, dass beim Eintauchen des Kolbenrings in den reduzierten Innendurchmesser ein vernehmbares Anschlag- geräusch auftritt. Trotz des harten Werkstoffs besteht ebenfalls ein erheblicher Verschleiß.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme mit einfachen Mitteln zu lösen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, indem der Kolbenring einen Anschlag aufweist, der einen maximalen Durchmesser des Kolbenrings bestimmt.

Der unter allen Betriebsumständen definierte maximale Außendurchmesser des Kolbenrings gewährleistet einen geräuschlosen und materialschonenden Eintritt des Kolbenrings in den Zylinder. Man kann den Außendurchmesser des Kolbenrings vergleichsweise sehr genau auf den Zylinder abstimmen, so dass die radiale Durchmesserreduzierung beim Eintauchen in den Zylinder gering sein kann.

Bevorzugt wird der Anschlag von einer äußeren Manschette gebildet wird. Man könnte den Kolbenring z. B. auch mit einer Schnappverbindung in einem Stoßbereich gegen eine zu große Aufweitung sichern, doch lässt diese Bauform nicht die gewünschte Durchmessergenauigkeit zu und ist weniger dauerfest.

In weiterer Ausgestaltung weist der Kolbenring eine äußere Ringnut zur Aufnahme der Manschette auf. Dadurch wird der Kolbenring über einen großen Umfangsbereich definiert geformt, so dass z. B. auch das Kriterium der Rundheit des Kolbenrings leicht eingehalten werden kann.

Gemäß einem vorteilhaften Unteranspruch weist der Kolbenring bei minimalem Außendurchmesser ein Radialspiel zu einem Nutgrund einer Kolbenringnut auf. Dadurch kann sich der Kolbenring geringfügig radial zum Kolben verschieben. Diese Eigenschaft ist insbesondere dann interessant, wenn das Kolbenzylinder-Aggregat zwei Kolben an der Kolbenstange aufweist und dadurch eine radiale Überbestimmung der Führung der Kolben im Zylinder kompensiert werden kann.

Es ist vorgesehen, dass die Manschette ein Radialspiel zum Zylinder aufweist. Dadurch kann ein Werkstoff und eine Geometrie verwendet werden, die ausschließlich auf die Anschlagfunktion ausgelegt ist, jedoch keine Dichtfunktion übernehmen muss.

Als eine mögliche und kostengünstige Variante hat sich eine Manschette herausgestellt, die von einem O-Ring gebildet wird. Ein O-Ring ist ein vergleichsweise einfaches und günstiges Bauteil.

Alternativ wird die Manschette von einem metallischen Klemmring gebildet. Der Klemmring kann z. B. die Bauform eines an sich bekannten Sprengrings nach DIN 7993 aufweisen. Der Vorteil eines metallischen Klemmrings besteht darin, dass das Wärmeausdehnungsverhalten des Klemmrings sehr ähnlich ist wie beim Zylinder.

Bei einer Ausführung weist der Kolbenring zwei axial beabstandete Dichtstege auf. Der Vorteil dieser Bauform besteht darin, dass die Einbaulage des Kolbens keinen Einfluss auf die Funktion ausübt, da der Kolbenring einen symmetrischen Aufbau aufweisen kann.

Hinsichtlich der Montagefreundlichkeit hat es sich gezeigt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die Ringnut einen Dichtsteg und einen Haltesteg trennt, wobei der Haltesteg einen kleineren Außendurchmesser aufweist, als der Dichtsteg. Der Dichtsteg benötigt einen für die Dichtfunktion optimierten Querschnitt. Die Manschette kann jedoch einen sehr flachen Querschnitt aufweisen, so dass die Ringnuttiefe vergleichsweise gering sein könnte, um die Manschette axial zu sichern. Folglich ist es sinnvoll, den Haltesteg im Durchmesser kleiner auszuführen, damit die Manschette für die Montage nicht so weit aufgespannt werden muss.

Um keine Drucknester innerhalb des Kolbenrings auftreten zu lassen, ist ein außerhalb einer Kolbenringnut befindlicher Bereich des Kolbenrings über mindestens eine Radialöffnung mit einer inneren Durchgangsöffnung des Kolbenrings verbunden. Dadurch wird eine zusätzliche vom Dämpfmedium verursachte radiale Aufweitkraft weitgehend kompensiert. Dieser Effekt wird noch unterstützt, wenn mindestens eine axiale Deckseite des Kolbenrings mindestens einen Querkanal aufweist, der eine innere Durchgangsöffnung mit einer äußeren Mantelfläche des Kolbenrings verbindet. Des Weiteren wird dadurch die Reibung zwischen der Kolbenringnut und dem Kolbenring minimiert, so dass die radiale Verschiebbarkeit des Kolbenrings zum Kolben optimiert wird.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 Kolbenzylinder-Aggregat in einer Schnittdarstellung

Fig. 2 Detaildarstellung zu einem Kolben gemäß der Fig. 1

Fig. 3 Alternatiwariante zum Kolbenring nach Fig. 2

Die Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Kolbenzylinder-Aggregats 1 gemäß der Erfindung. In einem Zylinder 3 ist eine Kolbenstange 5 axial verschiebbar gelagert, an der ein erster und dazu axial beabstandet ein zweiter Kolben 7; 9 angeordnet sind. In der Regel ist die Anordnung der beiden Kolben 7; 9 starr, jedoch kann die Erfindung auch eingesetzt werden, wenn ein oder beide Kolben 7; 9 in Grenzen zur Kolbenstange 5 beweglich gelagert sind.

Der Zylinder 3 umfasst einen ersten Längenabschnitt 1 1 mit einem ersten Durchmesser D1 . Dieser Längenabschnitt 1 1 wird in diesem Ausführungsbeispiel von einer Kolbenstangenführung 13 endseitig verschlossen. Am gegenüberliegenden Ende schließt sich ein zweiter Längenabschnitt 15 mit einem zweiten Durchmesser D2 an, wobei der zweite Durchmesser D2 kleiner ist als der erste Durchmesser D1 .

Auch die beiden Kolben 7; 9 weisen einen unterschiedlichen Nenndurchmesser auf. Der erste Kolben 7 ist dem größeren Durchmesser D1 des ersten Längenabschnitts 1 1 des Zylinders 3 angepasst und weist einen Kolbenring 17 auf, der einen ersten Arbeitsraum 19 in Richtung der Kolbenstangenführung 13 zum einem zapfenseitigen zweiten Arbeitsraum 21 zwischen dem ersten Kolben 7 und einem Boden 23 des zweiten Längenabschnitts 15 trennt. Die Trennung ist nicht hermetisch dicht, sondern über zwei wechselseitig durchströmbare Dämpfventile 25; 27 bestimmt. Als Boden 23 dient in diesem Ausführungsbeispiel ein Bodenventil mit einer wechselseitigen Durchströmung zu einem ringförmigen Ausgleichsraum 29 zwischen dem Zylinder 3 und einem äußeren Behälterrohr 31 . Der gesamte Zylinder 3 ist vollständig mit einem Dämpfmedium gefüllt.

Der zweite Kolben 9 ist dem zweiten Durchmesser D2 des zweiten Längenabschnitts 15 angepasst und damit kleiner als der erste Kolben 7.

Die Fig. 1 zeigt das Kolbenzylinder-Aggregat 1 in einer definierten Konstruktionslage, bei der der erste Kolben 7 dichtend im ersten Längenabschnitt 1 1 gleitet und die Dämpfventile 25; 27 im ersten Kolben 7 eine Dämpfkraft erzeugen. Dabei befindet sich der zweite Kolben 9 ebenfalls im ersten Längenabschnitt 1 1 , wird aber vom Dämpfmedium umspült, da ein Kolbenring 33 des zweiten Kolbens 9 keinen dichtenden Kontakt zur Innenwandung des ersten Längenabschnitts 1 1 aufweist. Folglich kann der zweite Kolben 9 aufgrund des offenen Ringspalts keine signifikante Dämpfkraft erzeugen.

Wenn der zweite Kolben 9 bei einer entsprechenden Hubbewegung der Kolbenstange 5 in den zweiten Längenabschnitt 15 eintaucht, dann liegt der Kolbenring 33 an der Innenwandung des zweiten Längenabschnitts 15 an, so dass dann auch der zweite Kolben 9 mit seinen Dämpfventilen eine Dämpfkraft erzeugt, die sich zu der Dämpfkraft des ersten Kolbens 7 addiert.

In diesem Ausführungsbeispiel wird der zweite Längenabschnitt 15 von dem Zylinder 3 gebildet. Es wäre jedoch auch möglich, dass z. B. am Boden 23 eine in Richtung des zweiten Kolbens 9 weisende offene Kappe befestig wäre, die einen kleineren Innendurchmesser D2 aufweist als der erste Längenabschnitt.

Beim Eintritt in den zweiten Längenabschnitt 15 wird der Kolbenring 33 des zweiten Kolbens 9 geringfügig elastisch im Durchmesser reduziert, so dass der Kolbenring 33 unter radialer Vorspannung an der Innenwandung des zweiten Längenabschnitts 15 anliegt. Für einen weichen Übergang und Eintritt des zweiten Kolbens 9 bzw. Kolbenrings 33 in den zweiten Längenabschnitt 15, ist zwischen dem ersten und dem zweiten Längenabschnitt 1 1 ; 15 des Zylinders 3 ein konischer Übergang 35 ausgeführt.

Die Figur 2 zeigt den zweiten Kolben 9 am Übergang 35 zwischen dem ersten und zweiten Längenabschnitt 1 1 ; 15 des Zylinders. In einer äu ßeren Mantelfläche 37 des zweiten Kolbens 9 ist eine Kolbenringnut 39 zur Aufnahme des Kolbenrings 33 auf. Wie aus der Figur 2 ersichtlich ist, verfügt der Kolbenring 33 über ein Radialspiel 41 zu einem Nutgrund 43 der Kolbenringnut 39. Es bleibt auch dann ein Radialspiel erhalten, wenn der Kolbenring 33 in den zweiten Längenabschnitt 15 eingetaucht ist. Ein geringfügiger Winkelversatz zwischen dem ersten und dem zweiten Kolben 7; 9 kann von dem Radialspiel 41 kompensiert werden, ohne dass dafür der Kolbenring 33 des zweiten Kolbens 9 einseitig stärker radial vorgespannt werden muss.

Der Kolbenring 33 weist einen radial verlaufenden Schlitz 45 auf, so dass der Kolbenring 33 radial elastisch verformbar ist. In seinem entspannten Zustand ist der Durchmesser des Kolbenrings 33 etwas größer als der Durchmesser D2 der Innenwandung des zweiten Längenabschnitts 15. Ein Anschlag 47 begrenzt die radiale Aufweitbarkeit des Kolbenrings 33, wobei der Anschlag 47 von einer zum Kolbenring 33 separaten Manschette gebildet wird.

Dazu verfügt der Kolbenring 33 über eine äußere Ringnut 49, der die Manschette 47 aufnimmt. Der Kolbenring 33 weist daher auch einen u-förmigen Querschnitt auf. Ebenfalls erkennbar ist, dass die Manschette 47 so tief in der Ringnut 49 geführt ist, dass zur Innenwandung des Zylinders 3 grundsätzlich ein Radialspiel 50 vorliegt. Die Manschette 47 übernimmt keine Dichtfunktion. Dafür steht ein Dichtsteg 51 zur Verfügung, der über die Ringnut 49 von einem Haltesteg 53 getrennt ist. Der Haltesteg 53 weist einen kleineren Au ßendurchmesser auf als der Dichtsteg 51 , so dass die Manschette 47, insbesondere wenn sie von einem metallischen Klemmring gebildet wird, einfach zu montieren ist, da beim Überstreifen über den Haltering eine geringere radiale Aufweitung notwendig ist, als wenn Haltesteg 53 und Dichtsteg 51 denselben Außendurchmesser aufweisen würden. Des Weiteren zeigt die Figur, dass ein außerhalb der Kolbenringnut 39 befindlicher Bereich des Kolbenrings 33, z.B. eine äußere Mantelfläche 63 über mindestens eine Radialöffnung 55 mit einer inneren Durchgangsöffnung 57 des Kolbenrings 33 verbunden ist. Die Radialöffnung 55 kann z. B. durch die Ringnut 49, durch den Haltesteg 53, den Dichtsteg 51 aber auch als Querkanal in einer Deckseite 59 des Kolbenrings 33 ausgeführt sein. Damit wird erreicht, dass innerhalb des Ringraums 61 zwischen der Durchgangsöffnung 57 des Kolbenrings 33 und der Kolbenringnut 39 vorhandenes Dämpfmedium z. B. beim Einfahren des zweiten Kolbens 9 in den zweiten Längenabschnitt 15 und der damit verbundenen Verkleinerung des Ringraums 61 aus dem Ringraum 61 abfließen kann und keinesfalls blockiert ist. Grundsätzlich könnte man auch den Kolbenring 33 so elastisch gestalten, dass diese Volumenreduzierung auch vom Kolbenring 33 kompensiert würde, jedoch wären dann ggf. Einschränkungen bei der Materialauswahl zu berücksichtigen.

Die Figur 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Haltesteg 53 und der Dichtsteg 51 einen identischen Außendurchmesser haben. Folglich kann der Haltesteg 53 auch als ein Dichtsteg 51 ausgelegt werden. Als Manschette 47 kommt ein einfacher O-Ring zur Anwendung, der sich leichter über einen größeren Durchmesser montieren lässt. Bei dieser Variante spielt die Einbaulage des Kolbenrings 33 keine Rolle, da der Kolbenring 33 symmetrisch zur Querachse ausgeführt ist. Bei der Variante nach Fig. 2 hat es sich gezeigt, dass die dargestellte Einbaulage zu bevorzugen ist.

Bezuqszeichen

I Kolben-Zylinder-Aggregat 63 Mantelfläche 3 Zylinder

5 Kolbenstange

7 erster Kolben

9 zweiter Kolben

I I erster Längenabschnitt

13 Kolbenstangenführung

15 zweiter Längenabschnitt

17 Kolbenring

19 erster Arbeitsraum

21 zweiter Arbeitsraum

23 Boden

25 Dämpfventil

27 Dämpfventil

29 Ausgleichsraum

31 Behälterrohr

33 Kolbenring

35 Übergang

37 Mantelfläche

39 Kolbenringnut

41 Radialspiel

43 Nutgrund

45 Schlitz

47 Anschlag

49 Ringnut

51 Dichtsteg

53 Haltesteg

55 Radialöffnung

57 Durchgangsöffnung

59 Deckseite

61 Ringraum

Claims

Patentansprüche

1. Kolbenzylinder-Aggregat (1 ), umfassend eine Kolbenstange (5), an der mindestens ein Kolben (9) angeordnet ist, der an einer äußeren Mantelfläche (37) einen radial elastischen Kolbenring (33) aufweist, der in Abhängigkeit der Hublage der Kolbenstange (5) in einen Zylinder (11 ) eintaucht und dabei einen kleinere Durchmesser D2 aufweist als in einer Hublage, bei der sich der Kolben (9) außerhalb des Zylinders (3) befindet , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (33) einen Anschlag (47) aufweist, der einen maximalen Durchmesser des Kolbenrings (33) bestimmt.

2. Kolbenzylinder-Aggregat nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (47) von einer äußeren Manschette gebildet wird.

3. Kolbenzylinder-Aggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (33) eine äußere Ringnut (49) zur Aufnahme der Manschette (47) aufweist.

4. Kolbenzylinder-Aggregat nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (33) bei minimalem Außendurchmesser ein Radialspiel (41 ) zu einem Nutgrund (43) einer Kolbenringnut (39) aufweist.

5. Kolbenzylinder-Aggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette (47) ein Radialspiel (50) zum Zylinder (3; 11 ; 15) aufweist.

6. Kolbenzylinder-Aggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette (47) von einem O-Ring gebildet wird.

7. Kolbenzylinder-Aggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette (47) von einem metallischen Klemmring gebildet wird.

8. Kolbenzylinder-Aggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (33) zwei axial beabstandete Dichtstege (51) aufweist.

9. Kolbenzylinder-Aggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (49) einen Dichtsteg (51 ) und einen Haltesteg (53) trennt, wobei der Haltesteg (53) einen kleineren Außendurchmesser aufweist als der Dichtsteg (51 ).

10. Kolbenzylinder-Aggregat nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein außerhalb einer Kolbenringnut (39) befindlicher Bereich des Kolbenrings (33) über mindestens eine Radialöffnung (55) mit einer inneren Durchgangsöffnung 57) des Kolbenrings (33) verbunden ist.

11. Kolbenzylinder-Aggregat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine axiale Deckseite (59) des Kolbenrings mindestens einen Querkanal als Radialöffnung (55) aufweist, der die innere Durchgangsöffnung (57) mit einer äußeren Mantelfläche (63) des Kolbenrings (33) verbindet.