WO2019048179A1 - Kolbenzylinder-aggregat - Google Patents

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Wolfgang Hertz
Martin Mallon
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • F16F9/00—Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium
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    • F16F9/36—Special sealings, including sealings or guides for piston-rods
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    • F16J9/12—Details
    • F16J9/20—Rings with special cross-section; Oil-scraping rings

Definitions

  • the invention relates to a piston-cylinder unit according to the preamble of patent claim 1.
  • US Pat. No. 3,175,645 discloses a piston-cylinder unit which has a piston fastened to a piston rod and which dips into a cylinder from a defined stroke position.
  • the cylinder is formed by a cap-shaped component which is fixed in an outer cylinder.
  • the cap-shaped component is alternatively formed by a length portion with a diameter reduction of the outer cylinder.
  • the piston is sealed regardless of the configuration of the cylinder by means of a piston ring within an outer circumferential surface of the piston to the cylinder inner wall.
  • the piston ring is under a radial bias.
  • the piston ring When the piston is outside the cylinder, the piston ring expands radially. Each time it is immersed in the cylinder, the piston ring must be reduced again to its preload dimension or to the diameter of the inner wall. This is often an inlet slope available, which can be seen in the US 3 175 645 on the cap-shaped component below the piston rod guide.
  • the object of the present invention is to solve the problems known from the prior art by simple means.
  • the object is achieved by having the lateral surface together with a facing in the direction of the cylinder top surface over the circumference of the lateral surface differently sized sealing length.
  • You can z. B. provide that the lateral surface in the circumferential direction has a different effective height.
  • a particularly simple design is characterized in that the top surface is designed with respect to the longitudinal axis of the piston rod as an inclined plane.
  • the piston ring lays down to the complete sealing function a considerable Einfahrweg in the cylinder and thus experiences a large radial support.
  • the top surface is designed as a wave profile.
  • the shaft profile can be used to compensate for lateral forces on the piston ring.
  • the lateral surface has at least one connecting groove starting from a first cover side in the direction of a second cover side.
  • Fig. 1 piston-cylinder unit in a sectional view
  • FIG. 1 detail view of a piston according to FIG. 1
  • Fig. 7 further embodiment
  • Fig. 1 shows a possible embodiment of a piston-cylinder unit 1 according to the invention.
  • a piston rod 5 is mounted axially displaceable on which a first and axially spaced a second piston 7; 9 are arranged.
  • the arrangement of the two pistons 7; 9 rigid, however, the invention can also be used when one or both pistons 7; 9 are movably mounted within limits to the piston rod 5.
  • the cylinder 3 comprises a first longitudinal section 11 with a first diameter D1.
  • This length section 1 1 is closed in this embodiment by a piston rod guide 13 end.
  • a second longitudinal section 15 connects to a second diameter D2, wherein the second diameter D2 is smaller than the first diameter D1.
  • the two pistons 7; 9 have a different nominal diameter.
  • the first piston 7 is adapted to the larger diameter D1 of the first longitudinal section 1 1 of the cylinder 3 and has a piston ring 17, which has a first working chamber 19 in the direction of the piston rod guide 13 to a second working chamber 21 on the pin side between the first piston 7 and a bottom 23 of the second length section 15 separates.
  • the separation is not hermetically sealed, but via two mutually flow-through damping valves 25; 27 determined.
  • the bottom 23 serves in this embodiment, a bottom valve with a mutual flow to an annular compensation chamber 29 between the cylinder 3 and an outer container tube 31st
  • the entire cylinder 3 is completely filled with a damping medium.
  • the second piston 9 is adapted to the second diameter D 2 of the second longitudinal section 15 and thus smaller than the first piston 7.
  • Fig. 1 shows the piston-cylinder unit 1 in a defined construction position in which the first piston 7 sealingly slides in the first longitudinal section 1 1 and the damping valves 25; 27 generate a damping force in the first piston 7.
  • the second piston 9 is also in the first longitudinal section 1 1, but is surrounded by the damping medium, since a piston ring 33 of the second piston 9 has no sealing contact with the inner wall of the first length section 1 1. Consequently, the second piston 9 can not produce a significant damping force due to the open annular gap.
  • the second length portion 15 is formed by the cylinder 3.
  • z. B. at the bottom 23 in the direction of the second piston 9 facing open cap would be fastened, which has a smaller inner diameter D2 than the first length section.
  • the piston ring 33 of the second piston 9 Upon entry into the second longitudinal section 15, the piston ring 33 of the second piston 9 is slightly elastically reduced in diameter, so that the piston ring 33 bears against the inner wall of the second longitudinal section 15 under radial prestressing.
  • a conical transition 35 executed for a smooth transition and entry of the second piston 9 or piston around 33 in the second longitudinal section 15, is between the first and the second longitudinal section 1 1; 15 of the cylinder 3, a conical transition 35 executed.
  • the piston ring 33 and the diameter of the second piston 9 can be functionally carried out the same as the first piston 7.
  • the second piston is shown enlarged.
  • the piston ring 33 is slotted and clipped onto an annular shoulder of the second piston 9.
  • a holding portion of the piston has an annular groove with two opposing support surfaces which engage mutually on the annular shoulder.
  • the holding area is followed by a sealing area axially in the direction of the transition in the cylinder.
  • the sealing region extends on the basis of a facing in the direction of the cylinder 1 1 top surface on an outer circumferential surface of the piston ring.
  • This lateral surface is located after the retraction of the piston ring in the cylinder 1 1 on the inner wall.
  • the circumferential surface of the piston ring has a different large sealing length over the circumference. In the left half of the cut, the sealing length is significantly greater than in the right half of the piston ring.
  • This property lateral surface is achieved by the top surface is carried out relative to a longitudinal axis of the piston rod as an inclined plane.
  • the holding area and the sealing area have an identical outer diameter, so that the holding area also assumes a sealing function.
  • Figures 5 and 6 also show a slotted piston ring, the top surface is designed as a wave profile.
  • the piston ring has three wave troughs and consequently also three regions with a greater sealing length.
  • no sealing effect occurs because the still open cross-sections, which occur when the lateral surface areas with greater sealing length already exchange in the transition, are clearly too large for a pressure build-up on the inside of the piston ring. Due to the uniform distribution of the lateral surface areas with a greater sealing length of the piston ring is supported evenly over the circumference and thus centered in the cylinder.
  • FIG. 7 shows a further variant of a piston ring, in which the lateral surface has at least one connecting groove starting from a first cover side in the direction of a second cover side.
  • the piston ring may have two horizontal and parallel top sides, so that the piston ring has a constant height over its entire circumference.
  • a plurality of connecting grooves are drawn, which have a different length.
  • the sealing area connects.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

Kolbenzylinder-Aggregat, 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 in einen Zylinder (11) eintaucht, der einen kleinere Durchmesser D1 aufweist als ein Zylinder mit einem Durchmesser D1, wobei eine Mantelfläche des Kolbenrings dichtend an einer Wandung des Zylinders anliegt, wobei die Mantelfläche zusammen mit einer in Richtung des Zylinders weisenden Deckfläche eine über den Umfang der Mantelfläche unterschiedlich große Dichtlänge aufweist.

Description

Kolbenzylinder-Aqqreqat
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, die Mantelfläche zusammen mit einer in Richtung des Zylinders weisenden Deckfläche eine über den Umfang der Mantelfläche unterschiedlich große Dichtlänge aufweist.
Dadurch dass der Kolbenring schon zumindest partiell in den Zylinder im Bereich der größten Dichtlänge eingetaucht ist und trotzdem ein großer Überströmquerschnitt für den Abfluss zur Verfügung steht, kann sich der Kolbenring druckbedingt nicht radial aufweiten und wird zusätzlich au ßenseitig geführt und zunehmend vorgespannt.
Man kann z. B. vorsehen, dass die Mantelfläche in Umfangsrichtung eine unterschiedliche wirksame Höhe aufweist.
Eine besonders einfache Bauform zeichnet sich dadurch aus, dass die Deckfläche bezogen auf die die Längsachse der Kolbenstange als eine schiefe Ebene ausgeführt ist. Der Kolbenring legt bis zur vollständigen Dichtfunktion einen nennenswerten Einfahrweg in den Zylinder zurück und erfährt damit eine große radiale Abstützung.
Alternativ kann die Deckfläche auch als ein Wellenprofil ausgeführt ist. Über das Wellenprofil können Querkräfte am Kolbenring kompensiert werden.
Einen besonders guten Kompromiss zwischen guter Zentrierung und Abstützung des Kolbenrings und großen Überströmquerschnitten andererseits wird dann erreicht, wenn das Wellenprofil drei Wellentäler aufweist.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Mantelfläche mindestens einen Anschlussnut ausgehend von einer ersten Deckseite in Richtung einer zweiten Deckseite auf. Diese Bauform führt bei entsprechend großer Dimensionierung der An- schlussnuten in Umfangsrichtung, dass verbleibende Zentrierstege elastische Eigenschaften besitzen, die das Eintauchen des Kolbenrings in den Zylinder zusätzlich begünstigen.
Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigt:
Fig. 1 Kolbenzylinder-Aggregat in einer Schnittdarstellung
Fig. 2 - 4 Detaildarstellung zu einem Kolben gemäß der Fig. 1
Fig. 5 u. 6 Alternatiwariante zur Ausführung nach Fig. 2 - 4
Fig. 7 Weitere Ausführung
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. Kolben- rings 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.
Abgesehen vom Kolbenring 33 und dem Durchmesser kann der zweite Kolben 9 funktional genauso ausgeführt sein, wie der erste Kolben 7. In der Fig. 2 ist der zweite Kolben vergrößert dargestellt. Wie man aus der Zusammenschau der Fig. 2 bis 4 entnehmen kann, ist der Kolbenring 33 geschlitzt ausgeführt und auf einer Ringschulter des zweiten Kolbens 9 aufgeklipst. Ein Haltebereich des Kolbens verfügt über eine Ringnut mit zwei gegenüberliegenden Stützflächen, die wechselseitig an der Ringschulter angreifen. Dem Haltebereich schließt sich axial in Richtung des Übergangs im Zylinder ein Dichtbereich an. Der Dichtbereich erstreckt sich ausgehend von einer in Richtung des Zylinders 1 1 weisenden Deckfläche auf einer äußeren Mantelfläche des Kolbenrings. Diese Mantelfläche liegt nach dem Einfahren des Kolbenrings in den Zylinder 1 1 an der Innenwandung an. Wie insbesondere die Figuren 2 und 3 offenbare, weist die Mantelfläche des Kolbenrings über den Umfang eine unterschiedliche große Dichtlänge auf. In der linken Schnitthälfte ist die Dichtlänge signifikant größer als in der rechten Schnitthälfte des Kolbenrings. Diese Eigenschaft Mantelfläche wird dadurch erreicht, indem die Deckfläche bezogen auf eine Längsachse der Kolbenstange als eine schiefe Ebene ausgeführt ist. In dieser konkreten Ausführung weisen der Haltebereich und der Dichtbereich einen identischen Außendurchmesser auf, sodass auch der Haltebereich eine Dichtfunktion übernimmt.
Grundsätzlich kann man jedoch auch den Haltebereich mit einem kleineren Durchmesser ausführen und ihn damit zum Dichtbereich funktional trennen.
Bei einer Einfahrbewegung des Kolbenrings in den Übergang und weiter in den Zylinder 1 1 kann der axial vorstehende Umfangsbereich mit der größere Dichtlänge, also der linke Halbschnittbereich, schon an der Innenwand des Zylinders 1 1 anliegen und trotzdem besteht noch ein ausreichender Überströmquerschnitt zwischen dem Kolbenring und dem Übergang in der rechten Zeichnungshälfte. Dadurch kann sich zwischen der Innenseite des Kolbenrings und dem Kolben kein Druckpolster aufbauen, das den Kolbenring zusätzlich aufweiten würde. Erst wenn der Kolbenring 33 zumindest nahezu vollständig am Übergang anliegt wird der Staudruck relevant, kann jedoch aufgrund der großen radialen AbStützung des Kolbenrings über die Mantelfläche keinen Aufweiteffekt bewirken.
Die Figuren 5 und 6 zeigen ebenfalls einen geschlitzten Kolbenring, des Deckfläche als ein Wellenprofil ausgeführt ist. In dieser konkreten Ausgestaltung weist der Kolbenring drei Wellentäler und folglich auch drei Bereich mit einer größeren Dichtlänge auf. Trotz der größeren Dichtlänge tritt keine Dichtwirkung auf, da die noch offenen Querschnitte, die dann auftreten, wenn die Mantelflächenbereiche mit größere Dichtlänge bereits in den Übergang eintauschen, für einen Druckaufbau auf der Innenseite des Kolbenrings deutlich zu groß sind. Aufgrund der gleichmäßigen Verteilung der Mantelflächenbereiche mit größerer Dichtlänge wird der Kolbenring über den Umfang gleichmäßig abgestützt und damit im Zylinder zentriert.
Die Fig. 7 zeigt eine weitere Variante eines Kolbenrings, bei dem die Mantelfläche mindestens eine Anschlussnut ausgehend von einer ersten Deckseite in Richtung einer zweiten Deckseite aufweist. Wie man sieht, kann der Kolbenring zwei horizontale und parallele Deckseiten aufweisen, so dass der Kolbenring über seinen gesamten Umfang eine konstante Höhe besitzt. In dieser Figur sind mehrere Anschlussnuten eingezeichnet, die eine unterschiedliche Länge aufweisen. Am Nutauslauf schließt sich der Dichtbereich an. Zwischen den Nuten bestehen Zentrierflächen, die den Kolbenring im Zylinder radial positionieren. Über die unterschiedlichen Längen der Anschlussnuten kann ein allmähliches Ansprechen des Dichtbereichs erreicht werden, indem die kurzen Anschlussnuten zuerst im Zylinder verschlossen werden und folglich keinen Überströmquerschnitt in Richtung des Zylinders bieten, hingegen die längeren Anschlussnuten noch einen größeren Überströmquerschnitt offen halten und gleichzeitig über die Zentrierflächen eine Zentrierung des Kolbens und eine Blockierung der radialen Aufweitbewegung bewirken. Bei entsprechender Breite oder Anzahl der Anschlussnuten können die Mantelflächen mit größerer Dichtlänge auch eine gewisse Elastizität bieten, da dort der Querschnitt in Umfangsrichtung relativ gering ist. Bezuaszeichen
Kolben-Zylinder-Aggregat
Zylinder
Kolbenstange
erster Kolben
zweiter Kolben
erster Längenabschnitt
Kolbenstangenführung
zweiter Längenabschnitt
Kolbenring
erster Arbeitsraum
zweiter Arbeitsraum
Boden
Dämpfventil
Dämpfventil
Ausgleichsraum
Behälterrohr
Kolbenring
Übergang

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 (1 1 ) eintaucht, der einen kleinere Durchmesser D2 aufweist als ein Zylinder mit einem Durchmesser D1 , wobei eine Mantelfläche des Kolbenrings dichtend an einer Wandung des Zylinders (1 1 ) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche zusammen mit einer in Richtung des Zylinders 1 1 weisenden Deckfläche eine über den Umfang der Mantelfläche unterschiedlich große Dichtlänge aufweist.
2. Kolbenzylinder-Aggregat nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche in Umfangsrichtung eine unterschiedliche wirksame Höhe aufweist.
3. Kolbenzylinder-Aggregat nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckfläche bezogen auf die die Längsachse der Kolbenstange als eine schiefe Ebene ausgeführt ist.
4. Kolbenzylinder-Aggregat nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckfläche als ein Wellenprofil ausgeführt ist.
5. Kolbenzylinder-Aggregat nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenprofil drei Wellentäler aufweist.
6. Kolbenzylinder-Aggregat nach Anspruch, dass die Mantelfläche mindestens einen Anschlussnut ausgehend von einer ersten Deckseite in Richtung einer zweiten Deckseite aufweist.
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