DE3411824A1

DE3411824A1 - Kolbeneinheit

Info

Publication number: DE3411824A1
Application number: DE3411824A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm 8621 Itzgrund Heubner; Eckhart 8603 Ebern Rüdiger
Original assignee: FAG Kugelfischer Georg Schaefer KGaA; Kugelfischer Georg Schaefer and Co
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1984-03-30
Filing date: 1984-03-30
Publication date: 1985-10-10
Also published as: GB8508083D0; GB2156481A; IT8520051A0; FR2562195A1; IT1184199B

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbeneinheit nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. · .

In der Fahrzeugbrems- und Kupplungshydraulik werden üblicherweise Kolbeneinheiten, bestehend aus Dichtelement, Kolben und Kolbenstange, verwendet, deren Kolben ein Zylinderprofil aufweisen und deren in der Zylinderbohrung gleitende Mantelfläche die Kolbeneinheit führt. Zur Kraftübertragung und zur Erzeugung einer Hydraulikkraft werden Druckbolzen oder Kolbenstangen benutzt, die bei der Hubbewegung des Kolbens eine Schwenkbewegung in Bezug auf die Zylindermittelachse ausführen.. Um dies zu ermöglichen, sind bisher die Dnickbolzen oder Kolbenstangen gelenkig im Kolben gelagert (siehe z.B. DE-OS 11 97 770 oder DE-OS 29 34 218). Vird nun eine Hubbewegung des Kolbens mit einer Schwenkbewegung der Kolbenstange in Bezug auf die Zylinderachse ausgeführt, so entstehen über die Einleitstelle im Kolben Radialkräfte,, die auf die Zylinderwand einwirken. Die Radialkräfte sind von der in axialer Eichtung aufgebrachten Kolbenkraft und von der Größe des Schwenkwinkels abhängig. Die nachteilige Folge daraus ist eine einseitige und vorzeitige Materialabtragung am Kolbenmantel und an der Zylinderwandung, was zu vorzeitiger Zerstörung der Dichtflächen und zum ^ Ausfall des. Dichtelementes und letztlich der ganzen Baueinheit führt. Aus der SE-PS 210 202 sind bereits schwenkbare, einteilige Kolbeneinheiten mit sphärischem Kolben und sphärisch gearbeiteten Dichtelementen bekannt. Damit entfällt die relativ aufwendige bewegliche Kolbenstangenfesselung und die Kolbeneinheit wird schwenkbar. Die auftretenden Seitenkräfte bleiben jedoch aufgrund der senkrecht zur Zylinderachse wirkenden Dichtebene unverändert. Außerdem ist eine derart ausgebildete Kolbeneinheit nur bei Axialkolbenpumpen bekannt, jedoch nicht bei Kolbeneinheiten der eingangs genannten Art.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Kolbeneinheit zu schaffen, die druckbeaufschlagt auch bei bezüglich der Zylinderachse geneigter Kolbenstange keine Seitenkräfte auf die Zylinderbohrungswand ausübt. Die Lösung dieser Aufgabe ist dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 zu entnehmen. Vorteilhafte Ausgestaltungen enthalten die Ansprüche 2 und 3.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die kraftübertragende Kolbenstange starr mit dem das Dichtehament tragenden Kolben verbunden. Bei einer Schwenkbewegung

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der Kolbenstange tun einen bestimmten Winkelbetrag führt der Kolben in der Zylinderbohrung ebenfalls eine Schwenkbewegung um den gleichen Vinkelbetrag aus. Um diese Schwenkbewegung zu ermöglichen, ist der Bundansatz des Kolbens im Berührungsbereich mit der Zylinderwandung so ausgebildet, daß ein Schwenken möglich ist. Dieser Bundansatz vird als scheibenförmige Kugelzone ausgebildet. Dadurch ergibt sich zwischen Zylinderwandung und Kugelzone für den konstruktiv festgelegten Schwenkbereich eine umlaufende Berührungslinie, deren Ebene immer rechtwinklig zur Zylinderachse steht. Ein Klemmen der Kolbeneinheit wird verhindert. Die druckraumseitige .Stirnfläche der Kugelzone selbst ist der Stützbund des Dichtelementes, das beim Schwenken oder bei schräger Krafteinleitung mittels der Druckstange mitverschwenkt wird, so daß die Dichtebene am Dichtelement relativ zur Zylinderwandung die gleiche Bewegung ausführt. Somit nimmt die Dichtebene zur Zylinderquerebene den gleichen Winkel ein, wie die Druckstange zur Zylinderlängsachse. Da die auf die schräggestellte Dichtebene wirkende Hydraulikkraft eine senkrecht auf die Zylinderwandung gerichtete Komponente besitzt, die genauso groß ist wie die entsprechende, entgegengesetzt wirkende Komponente der schräggestellten Kolbenstange, ist die Kolbeneinheit frei von Radialkräften. Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von Kolben- bzw. Zylinderlaufbahnen aus Materialien geringerer Oberflächenhärte, bis hin zur Anwendung von Elastomeren, also eine Verringerung der Güte der Gleitpaarung von Kolben und Zylinderlauffläche. Weiterhin wird eine Reduzierung der Baulänge und des Gewichts des Zylindergehäuses erreicht, weil die führenden und tragenden Bereiche des Kolbens sehr kurz ausgeführt werden können. Eine weitere vorteilhafte Anwendung bietet die einteilige Ausbildung von Dicht- und Führungselement aus Elastomer, das auf das metallische Kolbenteil vulkanisiert wird.

Durch die Erfindung werden somit Gelenkverbindungen von schwenkbaren, im Kolben befestigten Druckstangen hinfällig. Das bekannte "Einbacken" des zylindrischen Kolbens durch Schmutz und Korrosion bekannt von Nehmerzylindern an Trommelbremsen, wird verringert.

Eine weitere vorteilhafte Anwendung der Erfindung kommt besonders bei Paarungen von Kunststoffzylindern mit" Kunststoffkolben zur Geltung, da neben den erfindungsgemäßen Torteilen zusätzlich nur noch eine temperaturunabhängige Quellkonditionierung des Kolbenspieies in der Zylinderbohrung nötig wird.

Die Erfindung soll anhand folgender Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:

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-A-

Fig. 1 eine erf indungsgemate Ausbildung der Korbeneinheit mit den theoretisch auftretenden Kräften.

Fig. 2 die Ausbildung der Kolbeneinheit mit parallel verlaufender Dicht- und Schwenkebene.
Fig. 3 die Kolbeneinheit mit in der Schwenkebene liegender Dichtebene.

Fig. 4 die einteilige Ausbildung des Dicht- und Führungselementes als Elastomermetallverbindung.

Bas aus Fig.1 ersichtliche Funktionsmodell zeigt die schematisiert dargestellte, ausgelenkte Kolbeneinheit 1 in der Bohrung 2 eines Zylinders 3» die mit ihrer starren Kolbenstange 4 und der rechtwinklig dazu angeordneten Dichtebene 6 des Dichtelementes 5 um den WinkeloC ausgelenkt ist. Weiterhin sind die Vektoren der Kraftkomponenten mit ihren Wirkrichtungen eingezeichnet. Das sind im einzelnen die über die Druckstange 4 eingeleitete Kraft F mit der zugehörigen Axialkomponente F_^ . .. = F χ cosoO und der das Kräftedreieck schließenden Radialkomponenten F_ radial = F χ sinoC » deren Wirklinien rechtwinklig zueinander stehen. Druckraums ei tig wirkt die Hydraulikkraft F„ = ρ χ A in axialer Richtung, wobei sich die Kraft F_ aus dem Produkt von Mediumsdruck ρ und der Projektionsfläche A des Bohrungsdurchmessers D zusammensetzt. Die rechtwinklig dazu stehende Radialkomponente F₇₁-. ,. , = ρ χ A . ergibt sich aus dem Produkt von Mediums-HEadial P^roj· _v ρ

druck ρ und der Radialpro j ektionsf lache A_ . =-γ- χ D χ sinoC . Bei tlihiht it IJ F^ ζ it ζ jr^ F^

Kräftegleichgewicht ist IJ + F^, = ζ mit ζ ₌ jr^ ₊ F^^, wobei sich die gegeneinander gerichteten, gleichgroßen Radialkomponenten F_ ,.

= F__ ,. - aufheben und somit Seitenkraftefreiheit zwischen Kolbeneinheit

Draaial

und der Bohrungswand des. Zylinders herrscht.

Diese Betrachtung gilt jedoch nur für den Fall, daß Dichtebene 6 und Schwenkebene 8 des Bundansatzes 7 deckungsgleich in der Schwenkebene 8 liegen. Bei in der Fahrzeugbremshydraulik üblich verwendeten Lippenringen wird deshalb die Dichtebene 6 meistens um einen Betrag "f" vor der Schwenkebene 8 in Richtung Druckraum 9 angeordnet sein (Fig. 2).

Dadurch tritt mit zunehmenden Auslenkwinkel 0L und in Abhängigkeit der Größe ⁿf" im funktionsfähigen Grenzbereich der Erfindung bis etwa 8° Auslenkung eine merkliche¹ Parallelverlagerung der Wirklinie von F_. an der Kolbenstange 4 auf, die ein resultierendes Moment M mit dem Produkt der damit entstehenden Seitenkraft F_c χ Kolbenstangenlänge 1, erzeugt mit der Seitenkraft F_ =

r\2. ^

— ^Die hierbei auftretende Seitenkraft F_, die vom Abstand

COSod ·\ν · U S

"f" der Dichtebene 6 zur Auslenkebene 8 und von der Länge 1, der Kolben-

ic

"'stange 4 abhängt, beträgt bei üblichen Auslenkwinkeln und Druckstangen-

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längen weniger als 8 % der Seitenkräfte beweglich gelagerten Druckstangen im Kolben.

In Fig. 3 ist eine Ausbildung der Kolbeneinheit 1 und ihre Lage im Zylinder 3 ersichtlich. Bei dieser Variante sind Schwenk- und Dichtebene aufgrund der Geometrie des hierzu verwendeten Dichtelementes um den Betrag ^Mf" versetzt. Sie besteht im wesentlichen aus axial aufgereihten, rotationssymmetrischen Elementen und wird als Ausführung mit und ohne Rückstellfeder 10 im Zylinder 3 gezeigt. Bei der Variante mit Rückstellfeder 10 befindet sich druckraumseitig der konische Zentrieransatz 11 zur' Fixierung der anliegenden Rückstellfeder 10, der über einen im Durchmesser größeren Bund 12 das Dichtelement 5 gegen axiales Verschieben in der Nut 13 des Dichtelementsitzes sichert. Den Anschlag für den Dichtelementeboden zur Atmosphäre bildet der planparallele Bundansatz 7> der eine in der Seitenansicht kreisförmige Mantellinie 15 aufweist und eine Kugelzone 16 darstellt, derart, daß bei Betätigung und "Auslenkung zur Zylinderbohrungsachse 14 die; um den Winkel Λ verschwenkte Kolbeneinheit 1 an der Bohrungswandung des Zylinders 3 rundum und ohne Klemmen gekippt oder ausgelenkt werden kann. Die planparallele Kugelzone -16 ist Teil einer Hüllkugel 17, deren Durchmesser "D" dem Nennmaß der Zylinderbohrung 2 des Zylinders 3 entspricht, wobei die Lage des Zentrums 18 der Hüllkugel 17 an der Planfläche 19 oder innerhalb der planparallelen Kugelzone 16 liegen muß, damit beim Kippen derselben immer·eine linienförmige Berührung zur Zylinderwandung gegeben ist. Die hierfür nötige Mindestbreite "2eⁿ der Kugelzone 16 ergibt sich bei dieser Ausführung in Abhängigkeit vom Auslenkwinkel oC der Kolbeneinheit 1 zur Zylinderbohrungsachse 14» sowie vom Nenndurchmesser "D" der Zylinderbohrung 2 und liegt symmetrisch zum Zentrum der Hüllkugel 17· Bei Ausführung der Kugelzone 16 mit der Mindestbreite "e" ist die Planfläche 19 Sitz des Zentrums 18 der Hüllkugel 17 und somit der Anschlag für den Boden des Dichtelementes 5· Achsensymmetrisch ist die Kolbeneinheit 1 mit der Kugelzonenbreite "e" und als Variante ohne Rückstellfeder 10 als am Betätigungspedal angehängte Einheit gegenübergestellt. Dabei entfallen der konische Zentrieransatz 11 und die Rückstellfeder 10 sowie einmal das Maß "e" an der Kugelzone 16, was zu kürzeren Baulängen der Kolbeneinheit 1 führt.

. Die Anwendung der in Fig. 3 dargestellten beiden Kolbeneinheiten 1, die beim Auslenken durch die elliptische Form des abzudichtenden Querschnitts auch eine unterschiedliche Spaltverbreiterung "s" in Abhängigkeit vom Auslenkwinkel erfahren, werden immer auf den Anwendungsfall der Kolbeneinheit 1 bezogen sejLn, djh-gich der Spalt "s" für die Kugelzonenbreite "e" ohne um- '

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fassende, linienförmige Berührung beidseitig gleichmäßig vergrößert und für die Kugelzonenbreite "2e" der Spalt einseitig verdoppelt, dafür aber eine umfassende, linienförmige Berührung bzw. Führung beibehält. Extrusionsschäden am Dichtelement 5 werden durch Einbringen einer Stützscheibe 20 für die in d«r Fig. 3 gezeigten und in der Fahrzeughydraulik üblichen Lippenringe vermieden.

Fig. 4 zeigt die konstruktive Ausbildung der sphärisch geformten, Kolbeneinheit 1 mit einem in der Ringnut 13 sitzenden aus PTFE-Kunststoff bestehenden Primär dicht ring 5¹ und einem elastomeren O-Ring 21 als elastischem Yorspannelement. Dabei liegt die Dichtkante 22 (gleichbedeutend mit der Dichtebene 6 des Primärdichtringes), deckungsgleich mit der Schwenkebene 8 der Kugelzone 16 des Kolbens übereinander und bringt die vorbeschriebene Seitenkräftefreiheit. Der harte Primärdichtring 5' übernimmt durch die Lage der Dichtkante 22 in der Schwenkebene 8 zusätzlich die Kolbenführung im Zylindergehäuse 3. Der konstruktive Aufbau ist derselbe wie bereits in Fig. 3 beschrieben.

In Fig. 5 wird eine einteilige Ausführung von Dichtelement 5 und Kugelzone 16 aus gleichem Werkstoff vorgestellt. Dabei wird das metallische Kolbenteil 23 vorteilhaft als kombiniertes Tiefziehteil zu losen Druckstangen 4 ausgeführt, welche dann durch Form- oder Kraftschluß starr zusammengefügt werden. Das metallische Kolbenteil 23 besteht aus dem zylindrischen Sacklochnapf 24, an dessen offenem Ende radial und rechtwinklig zur Längsachse der Kolbenboden 25 abgestreckt ist und über einen Badius als achsparalleler Bund 26 ausläuft. Kolbenboden 25 und Bund 26 des metallischen Kolbenteiles 23 sind die Anbindeflächen für das einteilig anvulkanisierte elastomere Dichtelement 5" mit der elastomeren Kugelzone 16. Die Wirkung des Schwenkens der Dicht ebene 6 in Verbindung mit der Kugelzone und die damit nahezu radialkraftfreie Wirkung ermöglichen es deshalb, das Zentrier- und Führungsteil, die Kugelzone 16 zusammen mit dem Dichtelement' 5" einteilig aus einem Elastomer mit relativ niedriger Druckfestigkeit zu fertigen und in einem Arbeitsgang anzuvulkanisieren, was eine optimale Lösung in Bezug auf Beschädigung und Verschleiß bedeutet und die Produktionskosten vermindert.

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Claims

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1. Korbeneinheit für Geber- xmd/oder Nehmerzylinder von hydratilischen Fahrzeugkupplungs- und/oder Bremsanlagen, bestehend aus einem Dichtelement, einer xmgeführten Kolbenstange und einem in der Zylinderbohrung geführten, oszillierenden, Kolben mit einer Kugelzone, wobei die Kolbenstange starr mit der Kugelzone verbunden ist und die Kolbeneinheit mit ihrer Längsachse um einen Winkel relativ zur Mittenachse des Zylinders auslenkbar ist, dadurch - gekennz ei chn et, daß die Kugelzone (16) der Kolbeneinheit (i) eine senkrecht zur Kolbenstangenachse stehenden Schwenkebene (8) aufweist, in der oder zu der parallel Dichtelemente (5, 5', 5") angeordnet sind, die eine mitverschwenkbare Dichtebene (6) bilden.

2. Kolbeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtelemente (5» 5¹) in einer Ringnut (13) der Kolbeneinheit (i) form- und/ oder kraftschlüssig angeordnet sind.

3. Kolbeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbeneinheit (1) mit dem Dichtelement (5") einteilig ausgeführt ist, wobei das elastomere Dichtelement (5ⁿ) und die elastomere Kugelzone (16) auf das metallische Kolbenteil (23) auf vulkanisiert sind.

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