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Kolben für hydraulische, pneumatische oder hydraulisch/pneumatische
Geräte In Kolben für hydraulische, pneumatische oder hydraulisch/pneumatische Geräte,
welche im wesentlichen aus einem, eine Flüssigkeit (oder ein Gas unter normalem
oder erhöhtem Druck, oder Flüssigkeit und Gas) enthaltenden, beiderseits :geschlossenen
Zylinder und einem darin beweglichen Kolben bestehen, .dessen Kolbenstange das eine
Zylinderende dichtend durchdringt, sind die Durchströmöffnungen für die Flüssigkeit,
sei es, daß diese bei Hin- und Herbeweguugen des Kolbens diesen durchströmt oder
zwischen Kolben und Zylinder geführt wird, vorzugsweise parallel zur Koibenachse
angeordnet. Beispiele solcher Geräte sind Rücklaufbremsen, Federbeine, Stoßdämpfer,
Türschließer, Mischgeräte.
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Da im Interesse einer optimalen Ausnutzung der Baulänge .des Gerätes
die Ausdehnung des Kolbens in axialer Richtung häufig begrenzt ist, gilt das gleiche
für die Länge solcher Durchströmöffnungen.
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Es ist aus konstruktiven Gründen vorgeschlagen worden, Kanäle schräg
zur Kolbenachse auf einem Kolbenradius anzuordnen. Dadurch ist zwar als Nebenwirkung
auch eine Verlängerung des Kanals gegenüber dem üblichen axialen Verlauf zustande
gekommen, jedoch wurde eine funktionell bedeutungsvolle Verlängerung, Anordnungsart
oder Ausbildung der Kanäle weder beabsichtigt noch erzielt.
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Gerade das aber will .die vorliegende Erfindung dadurch erzielen,
daß sie mindestens einen von einer Kolbenseite zur anderen führenden Durchströmkanal
in .der Weise anordnet, daß er, in der AxialprojAtion des Kolbens gesehen, mindestens
teilweise auf einer Sehne, einem Kreisbogen, einem Spiralbogen, einer beliebig gekrümmten
Linie oder einer Kombination der genannten Linien verläuft, wobei die Eintrittsöffnung
einerseits und die Austrittsöffnung andererseits in verschiedener Entfernung von
der Kolbenrachse angeordnet werden können.
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Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, die Durchströmöffnungen
oder -kanäle so anzuordnen, daß die austretende Flüssigkeit die Tendenz hat, danach
im Zylinder eine kreisende Bewegung auszuführen. Meist wird auch die übrige auf
der betreffenden Kolbenseite befindliche Flüssigkeit dadurch zu dieser Bewegung
angeregt, namentlich wenn die Kolbenbewegung sich häufig wiederholt. Damit wird
einerseits eine bessere Abgabe und Abführung der aus der Umwandlung der Bewegungsenergie
stammenden Wärme über die Zylinderwand. nach außen erreicht, und andererseits vermieden,
daß die austretende Flüssigkeit in scharfem, parallel zur Achselgerichtetem Strahl
in den Zylinderraum ,gespritzt wird und in etwa vorhandene gasgefüllte, von .der
Flüssigkeit nicht hermetisch getrennte Ausgleichsräume turbulent eindringen und
unerwünschte Gemischbildung verursachen kann.
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Eine weitere Verfeinerung der Erfindung besteht darin, für die beiden
entgegengesetzten Durchströmrichtungen, entsprechend den beiden Richtungen -der
Kolbenbewegung, zwei verschiedene Durchströmkanäle oder Gruppen von Kanälen anzuordnen
und deren Verlauf gegeneinander zu versetzen, so daß die Richtung der den Kolben
von einer. zur anderen Seite wie aber auch in umgekehrter Richtung durchströmenden
Flüssigkeit in bezug auf die kreisende Bewegung stets gleichgerichtet ist. Die Flüssigkeitsbewegungen
erfolgen im gleichen Drehsinn. Meist gerät nach mehreren, kurz hintereinander stattfindenden
Kolbenbewegungen die gesamte Flüssigkeit in kreisende Bewegung, wodurch eine gleichmäßige
Verteilung und Abführung der Wärme gefördert wird. Befindet sich im Zylinderraum
noch, von der Flüssigkeit nicht getrennt, Gas, so wird die gleichmäßige Durchmischung
begünstigt. Das gleiche gilt für andere, beispielsweise staubförmige Beimengungen.
Ferner ist sonst bei jeder Richtungsumkehrung, besonders eines schnell hin- und
herbewegten Kolbens eine völlige Umkehrung auch der Bewegungsrichtung der Flüssigkeitsströme
unvermeidlich mit allen unerwünschten Begleiterscheinungen wie Kavitationsbildung,
Entstehung von Zonen niederen Druckes, Gasaustritt aus der Flüssigkeit, stoßweise
Funktionen u. dgl. Hingeigen besteht bei erfindungsgemäßer Ausbildung der Unterschied
im Kräfteparallelogramm der beiden Flüssigkeitsströme vor und nach der Umkehrung
der Kolbenbewegung nur in einer Komponente, welche wesentlich kleiner wird, als
die gemeinsame Komponente namentlich bei infolge hochfrequenter Kolbenbewegung schnell
ansteigender Rotationsgeschwindigkeit
der Flüssigkeit. Die Übengänge
werden daher besonders sanft und stoßfrei, was bei verschiedenen der mit erfindungsgemäßen
Kolben ausgerüsteten Geräte von :großem Vorteil ist.
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Die Fig. 1 bis 9 zeigen beispielsweise Ausführungen der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt und Fig. 2 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen
Kolbens, der h=ier aus zwei Teilen bestehend --gezeichnet ist, obwohl die Erstellung
aus einem Stück oft vorteilhafter ist.
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Er kann aus Bronze, Grauguß, Stahlbguß oder gesintertem Metall angefertigt
und notfalls mit Kolbenringen versehen werden; so daß sich einerseits gute Laufeigenschaften
im Zylin=der ergeben und andererseits die erforderliche Festigkeit auch bei niederer
Bauhöhe und ausgedehnten Kanalsystemen gewahrt bleibt. Kolbendurchmesser _ und Zylinderdurchmesser
können so bemessen werden, daß der Kolben voll zurr Tragen kommt.
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Es sind zwar Konstruktionen bekannt, bei denen zwischen Kolben und
Zylinder ein Ringspalt freigelassen wird, durch welchen die Flüssigkeit in Filmform
zwecks sogenannter viskoser Bremsung hindurchgepreßt wird. Sind jedoch Kolbenstange
und Zylinder nicht sicher geführt, so kommt es dabei leicht zu einseitigem Tragen
und Abnutzen, zu Geräuschen, Kolbenfressen und anderen unerwünschten Erscheinungen
sowie zu ungenauer Funktion. Eine etwa wünschenswerte Filmbildung erreicht" der
erfindungsgemäße Kolben durch Anordnung filmbildender Spalten im Kolben; durch .die
erfindungsgemäße Anordnung im Winkel oder sogar quer zur Kolbenachse können Länge
und Querschnitt dieser Spalten ausreichend groß auch bei niedrigem Kolben - gehalten
werden, im Gegensatz zu den schon vorgeschlagenen, den Kolben im wesentlichen axial
durchdringenden Spalten, so daß keine Notwendigkeit mehr besteht, beider Bemessung
des Spiels zwischen Kolben und Zylinder andere als .die üblichen Rücksichten zu
nehmen-In den Fig. 1 und 2 besteht der Kolbenkörper 1 aus zwei Teileng und 3; 4
ist die Kolbenstange, 5 und 6 sind zwei Durchströmkanäle, beide für die Strömungsrichtung
von der Unterseite zur Oberseite des Kolbens. Der Kanals hat seine Austrittsöffnung
auf der Oberseite des Kolbens bei 7; der Kanal 6 hat seine Eintrittsöffnung auf
der Unterseite des Kolbens bei B. Zur Erleichterung einer präzisen Herstellung namentlich
bei komplizierten Kanalsystemen kann der Kolben aus zwei vorzugsweise im wesentlichen
gleichen Teilen 2 und 3 hergestellt werden, denen präzise Lage gegeneinander in
bekannter Weise .durch Stifte und Stiftlöcher oder in sonstiger Art gesichert wird.
Der Kolben ist auf seiner Kolbenstange mittels vorzugsweise versenkt angeordneter
Mutter und Kontermutter gegen eine Schulter der Kolbenstange verschraubt und befestigt.
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Die Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Oberseite des Kolbens 1.
7 und 7' sind Austrittsöffnungen -auf der Oberseite entsprechend den Eintrittsöffnungen
- 8 und 8' des gleichen Durchströmkanals auf der Unterseite. Für die umgekehrte
Durchströinrichtung von der Kolbenoberseite zur Kolbenunterseite bei Aufwärtsbewegung
des Kolbens ist ein zweites Kanalpaar um 90° versetzt angeordnet mit den Eintrittsöffnungen
9 und 9' oben und den Austrittsöffnungen 10 .und 10' unten. Die beiden Pfeile 11
und 11' zeigen die Strömungsrichtung der aus beiden Austrittsöffnungen 7 und 7'
austretenden Flüssigkeitsströme an, während die Pfeile 12 und 12' die Richtung der
in .den beiden Eintrittsöffnungen 9 und 9' eintretenden Flüssiigströme bezeichnen.
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Die Richtung aller Ströme im Drehsinn ist identisch. Das gleiche ergibt
sich unterhalb,des Kolbens, und der Drehsinn oberhalb des Kolbens ist der gleiche
wie unterhalb des Kolbens, das heißt er ist bei jeder Kolbenbewegung und jeder Flüssigkeitsbewegung
gleich.
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In Fig. 2 ist mit A-A die Lagedes. in Fig. 1 wiedergegebenen Axialschnittes
gekennzeichnet. B-B kennzeichnet einen in Fig. 3 wiedergegebenen Sehnenschnitt durch
den Kolben und den Durchströmkanal 9'-10'; C-C kenn=zeichnet einen Querschnitt auf
dem Kreisbogen durch den Kanal, der in Fig. 4 abgewickelt wiedergegeben ist.
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Die Fig. 3 zeigt die Führung des Durchströmkanals im Kolben; der Einfachheit
der Darstellung halber ist der Winkel, den der Kanal zur Kolbenachse (und damit
zur Kolbznstangenachse und zur Zylinderachse) bildet, relativ klein gehalten, während
er in praktischen Ausführungen vorzugsweise ,größer- und mindestens streckenweise
90 Grad möglichst angenähert ist. Durch die Form des Kanals, z. B. enger Spalt mit
kreisbogenförmigen - wie in Fig. 2 - geschwungenen oder geraden seitlichen Wänden,
als ellipsenähnliche oder runde Durchbohrung; ferner durch -die Anordnung von Ein-
und Austrittsöffnungen in gleichem oder unterschiedlichem Abstand vom Mittelpunkt,
durch gleiche oder unterschiedliche Ausbildung des Kanalquerschnitts und der Öffnungen
(z. B. verengt, erweitert, allmählich übergehend, versenkt, wulstförmig erhöht)
u. dgl. hat die praktische Ausführung zahlreiche Möglichkeiten zur Anpassung der
Funktion (Rotation, Durehmischung, Bremswirkung, Wärme-Erzeugung und -Abgabe u.
dgl.) an die jeweiligen Umstände. Beispielsweise können die Durchströmkanäle so;
ausgebildet werden, .daß der gleiche Kanal oder Kanalgruppe sowohl für die Durchströmung
des Kolbens von oben nach unten, wie auch in umgekehrter Richtung dient, in welchem
Falle sie vorzugsweise den Kolben in gleicher Neigungsrichtung durchdringen, wenn
nicht mittels entgegengesetzt geneigter Kanäle Turbulenzen und damitbesondere Wirkungen
zur Mischung, Bremsung u. dgl.,erzielt werden sollen. Fig. 3 zeigt einen solchen
Kanal.
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Ist das nicht erwünscht und soll ein Kanal nur in einer Richtung durchflössen
werden, so sind besondere, meist ventilartige Hilfsmittel vorzusehen, welche, im
Falle der Verwendung eines solchen Gerätes zur Bremsung -von Bewegungen, oft gleichzeitig
die Aufgabe erfüllen, dem Durchfluß einen Widerstand entgegenzusetzen, weicher vorzugsweise
mit wachsender Durchflußmenge ansteigen soll. Auch sind oft Hilfsmittel zur Richtung
des Flüssigkeitsstromes, zum thermostatischen Ausgleich der temperaturabhängigen
Viskosität der Flüssigkeit u. .dgl. vorgesehen.
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Die Fig: 4 zeigt den abgewickelten Kreisbogenschnitt C-C aus Fig.
2. Die mit D und E bezeichneten Ausschnitte sind in den Fig. 5 und 7 in größerem
Maßstab detailliert.
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In Fig. 5 ist 13 ein in die Eintrittsöffnung 9' hineinragendes Federblatt.
Es verschließt die Öffnung gegen eindringende Flüssigkeit so lange, bis es durch
ausreichenden Druck zurückgedrückt wird und einen Durchgang freigibt. Unter steigendem
Druck wird die freigegebene Öffnung unter entsprechend größerem Kraftaufwand größer.
Der Schnitt F-F ist in Fig. 6 wiedergegeben und zeigt die Anordnung .eines. freien,
dauernden Durchlasses 14 für das unbehinderte Passieren kleiner Flüssigkeitsmengen.
Fig.
7 zeigt die Austrittsöffnung 10', welche mit einer Federplatte 15 verschlossen ist,
welche zwar den Austritt von Flüssigkeit zuläßt, nicht aber den Eintritt; je nach
dem für die Federplatte gewählten Material, der Dicke und der Anordnung, sowie der
Ausbildung der Austrittsöffnung wird der Austritt der Flüssigkeit nicht behindert,
oder aber die Federplatte 15 wirkt in bekannter Weise bremsend, in welchem Falle
ein freier Durchlaß ähnlich Fig. 6 angebracht werden kann.
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Entweder kann für jede Öffnung eine eigene Federplatte angeordnet
werden, oder die Federplatten für verschiedene Öffnungen werden in einem Element
vereinigt. Beispielsweise kann für eine Kolbenseite ein Rondell aus Federstahl angeordnet
werden, in welchem für die einzelnen Öffnungen Federzungen oder freie Aussparungen
ausgestanzt sind.
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In Fig. 8 ist die rechte, mit G bezeichnete Hälfte die Draufsicht
auf ein solches Rondell aus Federstahl, in der 16 eine durch Ausstanzen freigelegte
Federplattenzunge zur Beaufschlagung einer Eintrittsöffnung (z. B. 7') darstellt,
während 17 eine Federplattenzunge zur Einführung in eine Eintrittsöffnung (z. B.
9') darstellt. Solche Rondelle oder Federplatten können aus einer oder mehreren
paketartig angeordneten gleichartigen oder verschiedenartigen (nach Material, Dicke
und Form) Platten, bestehen. Solche Rondelle können mittels Schraubmutter und Unterlegscheibe
in bekannter Weise oberhalb oder unterhalb des Kolbens auf dessen Fläche befestigt
werden. Es können auch besondere Halteplatten zu ihrer Fixierung und zur Verstärkung
oder Präzisierung der Federwirkung angeordnet werden. Eine solche ist beispielsweise
in der linken, mit H bezeichneten Hälfte der Fig. 8 schraffiert dargestellt.
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Federplatten und andere Hilfseinrichtungen können, namentlich bei
aus mehreren Teilen aufgebauten Kolben, auch in dessen Innerem angeordnet werden.
Fig. 9 zeigt ein Beispiel .einer solchen Ausführung. Darin ist 2 der obere, 3 der
untere Teil eines zweiteiligen Kolbens. In der Durchströmrichtung von unten nach
oben strömt die Flüssigkeit in die Einströmöffnung 8 und trifft im Inneren des Kanals
auf die Federplattenzunge 18; welche zwischen den beiden Kolbenteilen befestigt
ist und ventilartig das Durchströmen in umgekehrter Richtung verhindert. Solange
der Flüssigkeitsdruck nicht ausreicht, um die Federzunge anzuheben, kann Flüssigkeit
in beschränktem Ausmaß durch den freien Durchlaß 14 fließen. Steigt der Druck, so
wird in steigendem Maße die Federzunge 18 angehoben, und Flüssigkeit strömt, von
der Federzunge 18 gebremst, in denInnenraum 19. Sie gelangt dann weiter durch
den als enger Spalt ausgebildeten Raum 20, wo beim Durchfließen viskose Bremsung
stattfindet, und dann in die relativ enge Austrittsöffnung 7, durch die sie
mit hoher Geschwindigkeit in den oberen Zvlinderraum ausströmt. 21 ist eine zwischen
den Kolbenteilen 2, 3 angeordnete, am anderen Ende blockierte Platte aus Material
mit hohem Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise einem Polyamid, welche mit ihrem
freien Ende in den Raum 20 hineinragt. Bei steigender Temperatur wird sie länger
und .dringt in steigendem Maße in den Spalt 20 ein, verengt ihn, erhöht seine Bremswirkung
und sorgt so für einen Ausgleich für die mit steigender Temperatur sinkende Viskosität
der Flüssigkeit bei als Bremse verwendeten Geräten.
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Es kann vorteilhaft sein, den Kolben in an sich bekannter Weise drehbar
auf der Kolbenstange anzuordnen, so daß er unter dem Rückstoß der durchfließenden
Flüssigkeit rotiert und die Energie dieser Rotation und die Drehreibung zwischen
Kolben und Zylinder zur Modifizierung .der Funktion ausgenutzt werden können; beispielsweise
ist infolge der Kolbenrotation und dieser entgegengesetzt verlaufenden Durchflußöffnungen
nach einer Umkehrung der Richtung der axialen Kolbenbewegung der dieser durch die
Flüssigkeit entgegengesetzte Widerstand und sein Anstieg geringer, so .daß Stöße
vermieden werden, ferner wird einseitige Abnutzung des Kolbens vermieden und die
Reibung zwischen Kolben und Zylinderwand in axialer Bewegungsrichtung herabgesetzt.
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Um bei ungewöhnlich plötzlichen Kolbenbewegungen Stöße und Störungen
zu vermeiden, können eine oder mehrere Durchlässe nach Art von Überdruckventilen
angeordnet werden, welche, etwa in der Form zylindrischer Durchbohrungen, die mit
federbelastenden Kugeln verschlossen ,sind, in Kolben, oder Kolbenstangen angeordnet
werden und beim Überschreiten einer bestimmten Druckdifferenz zwischen beiden Kolbenseiten
einen vorzugsweise umgebremsten Durchlaß freigeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kolben ist es möglich, die Einrichtungen
so auszubilden, daß er auch zur Konstruktion rein pneumatischer Geräte verwendet
werden kann, wobei die Verwendung verdichteten Gases vorzuziehen ist, ebenso kann
er auch der Verwendung von Gemischen aus Gas und Flüssigkeit angepaßt werden; die
obigen Erklärungen gelten dann sinngemäß besonders hinsichtlich des Ausdrucks »Flüssigkeit«.