CH684651A5

CH684651A5 - Pneumatische Antriebsvorrichtung.

Info

Publication number: CH684651A5
Application number: CH991/91A
Authority: CH
Inventors: Emil Denzler
Original assignee: Schlatter Ag
Priority date: 1991-04-03
Filing date: 1991-04-03
Publication date: 1994-11-15

Description

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Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine pneumatische Antriebsvorrichtung mit mindestens einem von einer Ausgangsposition in eine Endposition pneumatisch vortreibbaren Kolben. Die Erfindung betrifft insbesondere eine solche Antriebsvorrichtung zum Betreiben einer industriellen Drahtschere.

Stand der Technik

Pneumatische Antriebe sind seit langem bekannt. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass eine kontrollierte Bewegung mit beliebig vorgebbarer Zykluszeit möglich ist. Der wesentliche Vorteil ergibt sich durch die Verwendung von Pressluft als Antriebsenergie. Pressluft lässt sich einfach speichern, ist sauber und wegen ihrer «Masselosigkeit» schnell. Vom Prinzip her lassen sich ungehemmte, explosionsartige Bewegungen durchführen. Zum Abdämpfen und Kontrollieren dieser grundsätzlich impulsartigen Bewegungen werden in der Regel Öldämpfun-gen vorgesehen.

Pneumatische Antriebe werden auf den verschiedensten Gebieten eingesetzt. Als Beispiel sei die Verwendung als Scherenantrieb bei der Metallverarbeitung genannt. Mit einer solchen pneumatisch betriebenen Schere werden z.B. Armierungseisen geschnitten. Zum Schneiden wird ein starker Impuls benötigt. Die Schnittfrequenz wird durch die Ansteu-erung der Luftventile des Antriebs geregelt.

Damit ein pneumatischer Antrieb seine Vorteile voll zur Geltung bringen kann, ist es wichtig, dass die Energie der Luft optimal genutzt wird. Ebenfalls kommt der Kontrolle der Bewegung eine grosse Bedeutung zu. Beispielsweise sollte der Kolben beim Erreichen der Endposition gut gedämpft werden, um mechanische Überlastungen zu vermeiden. Da ein beträchtlicher Teil der pneumatischen Energie in die Öldämpfung geht, muss für eine gute Kühlung gesorgt werden. Ein weiteres Problem ergibt sich daraus, dass die Luft, der Energie entzogen wird, sich stark abkühlt. Wenn nun beispielsweise die Pressluft nicht hinreichend trocken ist, dann können die Ventile des Kolbens vereisen und den Antrieb blockieren.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine pneumatische Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art insgesamt zu verbessern. Insbesondere ist es Ziel der Erfindung, einen Antrieb mit möglichst geringem Luftverbrauch zu schaffen.

Die Lösung gemäss der Erfindung ergibt sich aus dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass abgestimmt auf die Verwendung des Antriebs so wenig Pressluft wie nötig resp. wie möglich verwendet wird. Die Zufuhr von Pressluft wird unterbunden, bevor der Kolben in Endposition ist. Dadurch wird Energie gespart, die sehr oft ohnehin nur noch in die Dämpfung und nicht in die gewünschte Anwendung geht. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass der Überdruck reduziert wird, während sich der Kolben von der vordefinierten Zwischenposition bei geschlossenen Ventilen in die Endposition bewegt. Wenn danach das Auslassventil geöffnet wird, dann strömt die Luft mit geringerem Überdruck aus dem Zylinder als beim Stand der Technik. Infolgedessen ergibt sich eine geringere Lärmentwicklung. Schliesslich muss auch insgesamt weniger Luft aus dem Zylinder gepresst werden, als es der Fall wäre, wenn das Einlassventil bis zum maximalen Hub des Kolbens geöffnet wäre.

Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform entspricht die vorgegebene Zwischenposition im wesentlichen der Mittelposition zwischen Ausgangsund Endposition. Dies ist insbesondere bei pneumatisch angetriebenen Maschinen von Vorteil, bei denen während der ersten Hälfte des vollen Hubs die eigentliche Arbeit geleistet wird und während der zweiten Hälfte nur noch die Ausgangsposition zurückgewonnen wird (Vollendung des Zyklus).

Das zweite Ventil ist so angesteuert, dass es zum gleichen Zeitpunkt geschlossen wird, wie das erste Ventil geöffnet wird. Es bleibt mindestens während des Zeitraums geschlossen, während dem der Kolben von der Anfangsposition in die Endposition vorgeschoben wird.

Aus steuerungstechnischen Gründen ist es in diesem Fall besonders vorteilhaft, wenn erstes und zweites Ventil funktionsmässig invers zueinander ausgebildet sind. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn bei Beaufschlagung mit Pressluft das erste Ventil öffnet, das zweite aber schliesst.

Zum Dämpfen des Kolbens bei Erreichen der Endposition ist ein Ölsumpf vorgesehen. Die Bremswirkung entsteht dadurch, dass am Kolben eine Scheibe vorgesehen ist, die vor Erreichen der Endposition eine geeignete Bohrung durchläuft, derart, dass die Verdrängung des Öls durch einen zwischen Scheibe und Bohrung gebildeten Ringspalt die Bewegung sanft und kontrolliert abbremst.

Vorzugsweise weist die Bohrung einen sich verengenden Querschnitt auf. Die Verengung ist im Prinzip so bemessen, dass trotz abnehmender Geschwindigkeit des Kolbens die Bremswirkung im wesentlichen konstant bleibt.

Die Grundgeschwindigkeit des Kolbens lässt sich dadurch einstellen, dass der Querschnitt einer am Kolben befestigten und die erwähnte Bohrung durchlaufende Zahnstange im Verhältnis zum Querschnitt der Bohrung so gewählt ist, dass die Geschwindigkeit des Kolbens einen vorgegebenen konstanten Wert einhält. Durch einen zusätzlichen, im Querschnitt veränderbaren Bypass lässt sich die Geschwindigkeit in einfacher Weise an die jeweiligen Gegebenheiten (vorhandene Massen, wirkende Kräfte) anpassen.

Im Hinblick auf eine rationelle Energienutzung kann eine Heizung als Unterkühlungsschutz für die Ventile vorgesehen sein, die so ausgebildet ist, dass die gewünschte Heizungswärme aus der Abwärme des Öisumpfs bezogen wird. Vorzugsweise umfasst die Heizung eine von einem fluiden Medium durchströmte Kanalführung, dergestalt, dass die Abwärme des Öisumpfs als Heizwärme durch das

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fluide Medium zum Ventilblock transportiert werden kann.

Die genannte Energierückgewinnung lässt sich in konstruktiver Hinsicht besonders einfach venwirklichen, wenn als fluides Medium die den Kolben vorantreibende Pressluft dient. Dies hat den Vorteil, dass die Abkühlung während des Arbeitsprozesses zu weniger tiefen Temperaturen führt, da die Pressluft von Beginn an eine höhere Temperatur hat.

Eine besonders vorteilhafte und kompakte Konstruktion zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: Es sind zwei wechselseitig vortreibbare Kolben vorgesehen, die eine gemeinsame Rotationsachse zur Übertragung von Drehmomenten antreiben. Beim Vortreiben des einen Kolbens wird der andere durch die Rotationsachse, mit der beide Kolben in form- oder kraftschlüssiger Verbindung stehen in seine Ausgangsposition zurückgebracht. Die beiden Kolben sind im wesentlichen parallel nebeneinander angeordnet. Sie weisen einen gemeinsamen Ölsumpf und einen gemeinsamen Ventilblock auf. Der Ölsumpf ist von einem Luftdruckspeicher umgeben, so dass durch die Abwärme des Öisumpfs die Pressluft vorgewärmt wird. Ein Vorteil dieser Konstruktion liegt auch darin, dass die Impulse immer in derselben Richtung wirken und es dadurch einfacher wird, die Antriebsvorrichtung zu verankern.

Aus den Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung ergeben sich weitere vorteilhafte Merkmalskombinationen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 Einen Längsschnitt durch die erfindungs-gemässe pneumatische Antriebsvorrichtung;

Fig. 2 einen Querschnitt auf der Höhe der Rotationsachse (Schnitt B-B);

Fig. 3 einen Schnitt durch den Ventilblock (Schnitt C-C);

Fig. 4 den Ventilblock mit dem Magnetsteuerventil in der Aufsicht (Ansicht D); und

Fig. 5 Zeitdiagramme zur Veranschaulichung des Arbeitsablaufs.

In den Zeichnungen sind grundsätzlich gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe pneumatische Antriebsvorrichtung im Längsschnitt. Sie weist zwei parallel nebeneinander arbeitende Kolben 1a, 1b auf. Die beiden Kolben 1a, 1b sowie die auf sie abgestimmten übrigen Teile sind im wesentlichen identisch ausgebildet. Was im folgenden für den einen Teil der Antriebsvorrichtung gesagt wird, gilt deshalb sinngemäss für den anderen.

Der Kolben 1a läuft in einem Zylinder 2a zwischen einer Ausgangsposition und einer Endposition hin und her. In Fig. 1 ist der Kolben 1a in Endposition, der Kolben 1b dagegen in Anfangsposition gezeigt. Der Kolben 1a weist einen Dichtungsring 3 und einen Kolbenring 4 auf. Auf der einen Seite des Kolbens 1a bildet sich während der Vorwärtsbewegung ein Hubraum 5, in den Pressluft eingelassen wird. Auf der anderen Seite ist der Ölsumpf vorgesehen. Auf der letztgenannten, in den Ölsumpf eintauchenden Seite des Kolbens 1a ist ein Formstück 6 vorgesehen, das zwei scheibenförmige Verbreiterungen (Scheiben 7 und 8) aufweist. Zwischen den beiden Scheiben 7 und 8 ergibt sich dadurch eine U-förmige, umlaufende Ausnehmung des Formstücks. Wenn der Kolben 1a in der Endposition ist, dann befindet sich das Formstück vollständig in einer vorzugsweise stufenförmig sich verengenden Bohrung 9.

Auf das Formstück 6 folgt eine Zahnstange 10a (resp. 10b). In diese greift ein Ritzel 11, das auf einer Rotationsachse 12 fixiert ist, ein. Die Rotationsachse 12 stellt die Antriebsachse dar. Führungsrollen 13 garantieren den kraftschlüssigen Kontakt zwischen Ritzel 11 und Zahnstange 10a (resp. 10b).

Rotationsachse 12 und Führungsrolle 13 befinden sich in einem quaderförmigen Kasten 14. Der Kasten 14 ist zum grössten Teil mit Öl gefüllt. Er weist für jede Zahnstange 10a (resp. 10b) zwei Öffnungen auf. In der einen Öffnung ist die Bohrung 9 angeordnet und in der zweiten ein einseitig verschlossener Zylinder 15a (resp. 15b). Der Zylinder 15a, der wie der Kasten 14 mit Öl gefüllt ist, nimmt in ausgefahrener Position des Kolbens 1a die Zahnstange 10a auf. Der Zylinder 15a ist beispielsweise an den Kasten 14 angeflanscht (Anflanschung 16).

Am Kasten 14 ist ebenfalls ein Behälter 17 befestigt. Er umschliesst die beiden Zylinder 15a, 15b. Der Behälter stellt den Pressluftspeicher und gleichzeitig die Kühlung des Öisumpfs dar. Die Pressluft wird über einen Lufteinlass 18 zugeführt. Während ihrer Speicherung im Behälter 17 nimmt sie die Abwärme des Ölsumpfes auf. Der Wärmeaustausch wird durch Kühlbleche 19 gefördert. Die Kühlbleche 19 vergrössern die Oberfläche der Zylinder 15a, 15b rippenförmig. Es ist natürlich darauf zu achten, dass die Luft zwischen den Kühlblechen 19 mehr oder weniger frei zirkulieren kann.

Über eine Austrittsöffnung 20 und einen dicken Verbindungsschlauch 21 gelangt die Pressluft zum Ventilblock 22. Dort steht sie in einem Zuführkanal 23 bereit zum Antreiben der Kolben 1a, 1b. Zwei Kolbenventile 24a, 24b, je eines pro Kolben 1a resp. 1 b, kontrollieren den Lufteinlass in den jeweiligen Hubraum.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Achse B-B. Von den bereits beschriebenen Teilen sind zu erkennen die U-förmigen Zahnstangen 10a resp. 10b, die Führungsrollen 13 und die Rotationsachse 12, auf der das Ritzel 11 aufgesetzt ist. Schliesslich sind auch die beiden einseitig abgeschlossenen Zylinder 15a und 15b zu erkennen. Zur Lagerung der Rotationsachse 12 dienen zwei Kugellager 25a, 25b. Ausserhalb der Kugellager 25a, 25b angeordnete Dichtungen 26a, 26b dichten den Ölsumpf gegen aussen ab. An einem Ende der Rotationsachse

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12 ist ein Kupplungsmechanismus 27 vorgesehen, an den z.B. eine Drahtschere angeschlossen werden kann. Über eine Entlüftung 28 kann ein Überoder Unterdruck des Ölsumpfes ausgeglichen werden. Die Entlüftung 28 weist Schikanen auf, die verhindern, dass das im Kasten 14 herumwirbelnde Öl austreten kann. Der Ölstand in Kasten 14 muss mindestens so hoch sein, dass beide Zylinder 15a, 15b und die Bohrungen 9 vollständig mit Öl gefüllt sind. Nur so ist die korrekte Dämpfung und der gute Wärmetausch gewährleistet.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Ventilblock 22. Einlassventil 24a und Auslassventil 29a sind pneumatisch betrieben. Ein konischer Ventilzapfen 31a resp. 31b schliesst den Zuführkanal 23 resp. den Abführkanal 30 gegen den Hubraum hin ab. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Einlass- und Auslassventil 24a resp. 29a invers zueinander ausgebildet. D.h. das Einlassventil 24a öffnet sich, wenn es mit Pressluft beaufschlagt wird, während das Auslassventil 29a unter der genannten Bedingung schliesst. Dies hat verschiedene Vorteile.

Als erstes ist dadurch gewährleistet, dass im ausgeschalteten Zustand des Antriebs das Auslassventil stets offen ist. Es ist deshalb möglich, den Kolben manuell zu verschieben, da sich weder ein Vakuum noch ein Überdruck im Zylinder aufbauen kann.

Als zweites kann das Öffnen des Ausiassventils subtiler gesteuert werden, wenn dies durch langsames, gesteuertes Entweichen der im Ventil enthaltenen Pressluft geschehen kann. Wenn aber das Auslassventil langsam angesteuert werden kann, dann baut sich auch der im Zylinder 2 vorhandene Restdruck geräuscharmer ab.

Schliesslich vereinfacht sich dadurch auch die Ansteuerung der Ventile. Sie können dann z.B. mit derselben Spannungsflanke angesteuert werden, welche beim Einlassventil 24a das Öffnen und beim Auslassventil 29a das Schliessen bewirkt. Das Schliessen des Einlassventils 24a resp. das Öffnen des Auslassventils 29a wird z.B. durch geeignet ausgebildete Zeitverzögerungsglieder bewirkt, die ebenfalls durch die genannte Spannungsflanke ge-triggert worden sind.

Wenn sich das Einlassventil öffnet, dann wird der Ventilzapfen 31a ein wenig in den Hubraum des Kolbens 1a hineinbewegt. In Fig. 3 ist der Kolben 1a in Ausgangsposition gezeigt. Gemäss der Erfindung weist nun der Kolben 1a gegenüber dem Ventilzapfen 31 a eine Ausnehmung 32a auf. Die für das Einiassventil 24a vorgesehene Ausnehmung 32a ist kürzer als der maximale Hub dieses Ventils. Wenn der Kolben 1a in Ausgangsposition ist und das Einlassventil 24a geöffnet wird, dann verhindert die Ausnehmung 32a, dass sich das Ventil gleich ganz öffnen kann. Die Druckluft aus dem Zuführkanal 23 kann deshalb nur gebremst in den Hubraum 5 des Zylinders 2 eintreten. Sobald dadurch der Kolben 1 a in Bewegung gesetzt wird, kann sich das Ventil 24a allmählich weiter öffnen. Das Einlassventil 24a ist damit erst nach einer gewissen Zeit voll geöffnet. Mit dieser Massnahme wird verhindert, dass die Druckluft sogleich mit voller Wucht auf den Kolben 1a wirken kann. Der mechanische Impuls zu Beginn eines Zyklus wird damit weitgehend eliminiert.

Das Auslassventil 29a öffnet durch eine Bewegung gegen den Abführkanal 30 hin, also nicht in den Hubraum hinein. Wenn es also mit Pressluft beaufschlagt wird, wird der Ventilzapfen 31 b auf die Ventilöffnung gepresst; das Auslassventil ist geschlossen. Selbstverständlich können Ein- und Auslassventile 24a resp. 29a auch gleichartig ausgebildet sein, wobei sie dann nicht invers zueinander sind. Für diesen Fall (d.h. wenn auch das Auslassventil in den Hubraum hinein öffnet) ist der Kolben 1a mit einer entsprechenden Ausnehmung 32b versehen, die gewährleistet, dass das Auslassventil in jeder Position des Kolbens 1a voll geöffnet sein kann.

Fig. 4 schliesslich zeigt eine Aufsicht auf den Ventilblock 22. Die beiden Einlassventile 24a, 24b und die beiden Auslassventile 29a, 29b werden von je einem Magnetsteuerventil 33a, 33b, 34a, 34b gesteuert. Aufgrund von entsprechenden Steuerimpulsen werden die pneumatischen Einlass- und Auslassventile geöffnet und geschlossen. Die zum Öffnen und Schliessen der pneumatischen Ventile benötigte Pressluft wird aus dem Zuführkanal 23 bezogen (vgl. angedeutete Bohrungen in Fig. 1). Die gebrauchte Pressluft wird ihrerseits an den Abführkanal 30 (vgl. Fig. 3) abgegeben.

Im folgenden wird nun die Funktionsweise der beschriebenen Antriebsvorrichtung erläutert. Fig. 5 zeigt die zur Veranschaulichung hilfreichen Zeitdiagramme.

Es wird angenommen, der Kolben 1a befindet sich in der Ausgangsposition (vgl. Fig. 3). Durch einen elektrischen Impuls einer in den Figuren nicht gezeigten Steuerung an das Magnetsteuerventil 33a wird Pressluft auf das Einlassventil 24a gegeben. Dieses öffnet sich wegen der kleinen Ausnehmung 32a allerdings nur teilweise. Die aus dem Zuführkanal 23 in den Hubraum eintretende Pressluft beginnt den Kolben nach vorn zu bewegen. Der Kolben 1a wird beschleunigt, bis sich die Kraft der Pressluft mit der Ölbremsung das Gleichgewicht hält. Nun kann die gewünschte mechanische Arbeit verrichtet werden (z.B. das Schneiden eines Drahtes). Bei halbem Hub, d.h. wenn sich der Kolben 1 a etwa in der Mitte zwischen Ausgangs- und Endposition befindet, wird das Einlassventil 24a wieder geschlossen. Die gewünschte mechanische Arbeit ist mittlerweile erledigt worden. Während der Kolben 1a weiter auf die Endposition zuläuft, baut sich der Überdruck zumindest teilweise ab. Kurz vor Erreichen der Endposition wird die Bewegung zu einem wesentlichen Teil durch die Öldämpfung abgebremst. Wenn der Kolben 1a die Endposition (vgl. Fig. 1) erreicht hat, dann herrscht im Hubraum 5 nur noch ein geringer Überdruck. Der Überdruck ist genügend gross, um den Kolben in der Endposition eingespannt zu halten.

Wenn der nächste Zyklus eingeleitet werden soll, dann wird das Auslassventil 29a, das durch das Magnetsteuerventil 34a angesteuert ist, geöffnet. Die Luft strömt aus dem Hubraum 5 in den Abführkanal 30. Dies geschieht verhältnismässig schnell

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und geräuscharm, da ja die Luft nicht mehr den ursprünglich hohen Druck hat.

Auf völlig analoge Weise wird nun der Kolben 1b (angesteuert durch die Magnetsteuerventile 33b, 34b) vorgetrieben. Dadurch wird der Kolben 1a, der ja ständig in kraftschlüssigem Kontakt mit der Rotationsachse 12 steht, in seine Ausgangsposition zurückbefördert. Der ursprüngliche Zustand ist wieder hergestellt.

In Fig. 5 ist der beschriebene Ablauf grafisch dargestellt. Zum Zeitpunkt t = 0 werden Ein- und Auslassventile 24a resp. 29a gleichzeitig angesteuert, wobei sie inverse Funktionen ausführen. Beim Einlassventil 24a symbolisiert der gezeigte Balken den Zeitraum während dem das Ventil offen ist; im Gegensatz dazu zeigt der Balken für das Auslassventil 29a den Zeitraum, während dem dieses 29a geschlossen ist. Es ist eindeutig zu erkennen, dass im vorliegenden Beispiel das Auslassventil über den Zeitpunkt t = T (T = Zeitpunkt, zu dem der Kolben die Endposition erreicht hat) hinaus geschlossen bleibt.

Die Bewegung der Kolben 1a, 1b ist im Weg-Zeit-Diagramm s(1a), s(1b) festgehalten. Nach einer kurzen nichtlinearen Anlaufsphase bewegt sich der Kolben 1a mit konstanter Geschwindigkeit v(1a) vorwärts. Diese maximale Geschwindigkeit ist durch den freien Querschnitt bestimmt, der zwischen Zahnstange 10a und Bohrung 9 vorhanden ist. Die Verdrängung des Öls durch diesen freien Querschnitt erzeugt eine Bremskraft, die mit der Pressluft im Gleichgewicht steht. Die Bremskraft resp. das Verhältnis der Querschnitte Zahnstange: Bohrung bestimmt die Vorschubgeschwindigkeit.

p(1a) bezeichnet den auf den Kolben 1a durch die Pressluft ausgeübten Druck. Er ist im wesentlichen konstant, solange das Einlassventil 24a geöffnet ist, und fällt nachher grob gesagt nach dem Gesetz pV = const ab (wobei zu beachten ist, dass die Expansion nicht adiabatisch erfolgt).

Sobald das Messer der bevorzugten Schneidvorrichtung auf den Draht aufsetzt, wird der Kolbenvorschub verzögert, der Dämpfungsdruck pd(1a) fällt zusammen und es wird Energie zum Schneiden frei (Schnittkraft K).

Nach einer beliebig langen Wartezeit wird der zweite Kolben 1 b mit Pressluft beaufschlagt.

Die konstante maximale Geschwindigkeit des Kolbens wird wie bereits gesagt durch die Bremskraft bei der Ölverdrängung festgelegt. Wenn diese Geschwindigkeit an eine bestimmte Anwendung an-gepasst werden muss, dann kann es von Vorteil sein, parallel zur Bohrung 9 einen (in Fig. 1 nicht dargestellten) Bypass vorzusehen, dessen Querschnitt z.B. über eine Stellschraube veränderbar ist.

Im Fall einer industriellen Drahtschere entspricht jeder volle Kolbenvorschub einem ganzen Schneidzyklus. D.h. die Schere wird während der ersten Hälfte nach vorn geschlagen und führt den Schnitt aus und wird während der zweiten Hälfte des Hubs in die Ausgangsposition zurückbefördert.

Ein kleines Zahlenbeispiel soll das Gesagte verdeutlichen. Wenn die Pressluft mit 5 bar Überdruck zur Verfügung steht, dann kann das Schliessen des Einlassventils so gesteuert werden, dass in der

Endposition nur noch etwa 1 bar Überdruck vorhanden ist. Dieser genügt um die Kolben vorübergehend zu «verriegeln». Es leuchtet auch ein, dass 1 bar Überdruck mit viel geringerer Lärmentwicklung abgeführt wird als die ursprünglichen 5 bar.

Wo die Zwischenposition ist, bei der die Einlassventile 24a, 24b geschlossen werden, hängt weniger vom Antrieb selber als vielmehr von der Anwendung, d.h. vom anzutreibenden Aggregat ab. Wenn bei diesem Aggregat, wie im Fall der bevorzugten Drahtschere, die eigentliche Arbeit bei der Hälfte des maximalen Hubs bereits geleistet worden ist, dann entspricht die Zwischenposition wie bereits erwähnt der Mittenposition. Wenn dagegen die Hauptleistung bereits früher erbracht werden muss und der wenig aufwendige Abschluss des Arbeitszyklus länger dauert, dann kann die Zwischenposition mehr gegen die Anfangsposition zurückgeschoben und damit entsprechend mehr Luft eingespart werden. Analog kann die Zwischenposition mehr gegen die Endposition hin verschoben werden, wobei zwar weniger Pessluft gespart, aber mehr Arbeit geleistet werden kann. Wesentlich ist nur, dass die Einlassventile geschlossen werden, bevor die Kolben die Endposition oder auch nur den dieser vorgelagerten Dämpfungsbereich erreicht haben, mit dem Ziel, während der arbeitsarmen Phase des Bewegungszyklus keine Pressluft zu verbrauchen, sondern den Druck im Kolben abzubauen.

Von der in der Pressluft gespeicherten Energie kann nur ein kleiner Teil (ca. 20%) in die gewünschte mechanische Energie (d.h. zum Schneiden des Drahtes) umgesetzt werden. Der grösste Teil wird im Ölsumpf vernichtet. Es entsteht also eine beträchtliche Menge Abwärme. Gemäss der Erfindung wird diese im Druckluftspeicher (Behälter 17) an die Pressluft abgegeben. Diese transportiert die Wärme «automatisch» zum Ventilblock, der sich dadurch aufwärmt. Es wird also auf höchst einfache und elegante Art eine Heizung des Ventilblocks bewirkt.

Die Vorteile der erfindungsgemässen Heizung ergeben sich vor allem auch aufgrund der beschriebenen Anordnung der Kolben in Reihenstellung. Alle Ventile befinden sich dann nahe beieinander und lassen sich ohne aufwendige Kanalführung temperieren. Befänden sich die Kolben beispielsweise in Boxerstellung, dann könnte dieser Vorteil nicht genutzt werden.

Wie bereits weiter oben erwähnt, basiert die er-findungsgemässe Dämpfung auf dem Zusammenwirken des Formstücks 6 mit der Bohrung 9. Die Bohrung verengt sich vorzugsweise stufenförmig. Der maximale Innendurchmesser ist kleiner als der Innendurchmesser des Zylinders 2a. Wenn der Kolben 1a in der Ausgangsposition ist, dann ist der Zylinder 2a zum grössten Teil mit Öl gefüllt. Dieses muss während des Kolbenvorschubs verdrängt werden und zwar durch die Bohrung 9 hindurch.

Das Formstück 6 weist zwei Scheiben 7, 8 auf. Sobald die vordere Scheibe 8 zum weiten Ende der Bohrung 9 gelangt, wird die Verdrängung des Öls beträchtlich erschwert. Statt der ganzen Querschnittsfläche der Bohrung 9 steht nur noch ein Ringspalt zwischen der Scheibe 8 und der Bohrung

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9 zur Verdrängung des Öls zur Verfügung. Es beginnt also eine grosse Bremskraft zu wirken. Diese hängt von der Breite des Ringspalts und von der Geschwindigkeit des Kolbens ab. Bei gleichbleibendem Ringspalt reduziert sich die Bremswirkung mit abfallender Geschwindigkeit.

Damit nun die Bremskraft nicht so schnell abfällt, sondern z.B. mehr oder weniger konstant bleibt, nimmt der Innendurchmesser der Bohrung sukzessive ab. Entsprechend wird der Ringspalt um so kleiner, je näher der Kolben 1a zur Endposition kommt. Wenn die Endposition erreicht ist, dann befindet sich das Formstück 6 mit beiden Scheiben 7, 8 innerhalb der Bohrung 9.

Ideal wäre es natürlich, die Bohrung kontinuierlich verengend auszuführen. In der Praxis dürfte aber mit einer stufenförmig ausgebildeten Bohrung, die sich natürlich viel einfacher herstellen lässt, das angestrebte Ziel weitgehend erreicht werden können. Der genaue Verlauf der Bohrung hängt von den geometrischen Dimensionen der Antriebsvorrichtung und den auftretenden Kolbengeschwindigkeiten ab und kann ohne weiteres unter Einsatz fachmännischen Grundwissens berechnet oder empirisch ermittelt werden.

Die Abnahme des Bohrungsdurchmessers resp. des Ringspalts bestimmt im Prinzip den Verlauf der Bremsbeschleunigung. Grundsätzlich kann nämlich davon ausgegangen werden, dass der Kolben immer etwa mit derselben Geschwindigkeit auf die Endposition zuläuft. Je nachdem wie breit der Ringspalt zu Beginn des Bremsvorgangs (d.h. wenn die Scheibe des Formstücks in das breite Ende der Bohrung eintritt) ist, muss der Kolben mehr oder weniger Verdrängungsarbeit leisten und wird mehr oder weniger stark beschleunigt.

Durch die negative Beschleunigung reduziert sich nach bekannten Prinzipien die Geschwindigkeit. Bei gleichbleibendem Ringspalt reduziert sich entsprechend die Verdrängungsarbeit, d.h. die Bremsbeschleunigung. Je nachdem wie z.B. bei einer stufenförmigen Bohrung der Durchmesser der nächst engeren Stufe bemessen ist, kann die Bremsbeschleunigung gegenüber der vorhergehenden Stufe konstant gehalten, erhöht oder erniedrigt werden. Durch eine Vielzahl von Stufen oder durch einen axial kontinuierlich variierenden Verlauf kann somit die Bremsbeschleunigung an den im Einzelfall gewünschten Bremsverlauf angepasst werden.

Die beschriebene Antriebsvorrichtung vereinigt im wesentlichen alle vorteilhaften Merkmale auf sich. Selbstverständlich ist es auch möglich, einzelne Merkmale wegzulassen und nur die im Einzelfall gewünschten Vorteile zu realisieren.

So lässt sich namentlich die erfindungsgemässe Wärmerückgewinnung durchaus unabhängig von der Ventilansteuerung realisieren. Auch ist die Anzahl der Kolben und der Ventile im Zusammenhang mit der Heizung von untergeordneter Bedeutung, d.h. die erfindungsgemässe Wärmerückgewinnung lässt sich auch nur für einen Kolben und ein(e) Ventil(anordnung) einsetzen. Es leuchtet aufgrund der vorliegenden Beschreibung im weiteren ein, dass es z.B. auch bei vier pneumatischen Kolben durchaus vorteilhaft sein kann, einen gemeinsamen

Druckiuftspeicher für die Rückgewinnung der Abwärme vorzusehen. Dabei ist es nicht einmal zwingend, dass auch ein gemeinsamer Ventilblock vorhanden ist. Wenn in einer pneumatischen Anlage eine Reihe von Antriebseinheiten vorhanden sind, dann kann die Abwärme der einen Einheit im Prinzip auch für die Heizung der Ventile einer anderen, in der Nähe angeordneten Einheit verwendet werden. Schliesslich kann die Heizung auch mit einem separaten, geschlossenen Kreislauf verwirklicht werden, der nichts mit der antreibenden Pressluft zu tun hat.

Dass bei einem pneumatischen Antrieb in der Regel irgendwelche Dämpfungsmittel zum Vernichten der überschüssigen kinematischen Energie der Kolben vorgesehen sein müssen, will aber noch lange nicht heissen, dass diese Mittel in der Art des Ausführungsbespiels ausgebildet sein müssen. Es sind durchaus auch andere Dämpfungsmassnah-men denkbar. Im Zusammenhang mit der erfin-dungsgemässen Heizung genügt es, wenn die kinetische Energie in den Ölsumpf (oder einen sonstigen Sumpf aus einer viskosen Flüssigkeit) abgegeben wird, von wo sie als Heizwärme zu den Ventilen transportiert werden kann. Vice versa kann die erfindungsgemässe Dämpfung durch den variablen Ringspalt auch unabhängig von der Wärmerückgewinnung oder der Ventilsteuerung verwendet werden.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass mit der Erfindung eine Antriebsvorrichtung geschaffen worden ist, die sich durch eine gute Nutzung der zur Verfügung stehenden Ressourcen (Luft, Wärme) auszeichnet.

Claims

Patentansprüche

1. Pneumatische Antriebsvorrichtung mit mindestens einem von einer Ausgangsposition in eine Endposition pneumatisch vortreibbaren Kolben (1a, 1b), dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des Kolbens (1a resp. 1b) mindestens zwei selbständige Ventile (24a, 29a resp. 24b, 29b) vorgesehen sind, wovon ein erstes (24a resp. 24b) als Lufteinlass und ein zweites (29a resp. 29b) als Luftaus-lass dient, und dass das erste Ventil (24a resp. 24b) durch eine Steuerung derart gesteuert ist, dass es nur so lange geöffnet ist, wie der Kolben braucht, um von der Ausgangsposition in eine vorgegebene Zwischenposition zu gelangen.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zwischenposition im wesentlichen der Mittelposition zwischen Ausgangs- und Endposition entspricht.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (29a resp. 29b) durch die Steuerung so angesteuert ist, dass es zum gleichen Zeitpunkt geschlossen wird, wie das erste Ventil (24a resp. 24b) geöffnet wird, und dass es mindestens während des Zeitraums geschlossen ist, während dem der Kolben (1 a resp. 1 b) von der Anfangsposition in die Endposition vorgeschoben wird.

4. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öl-

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sumpf zum Dämpfen des Kolbens (1a resp. 1b) bei Erreichen der Endposition vorgesehen ist.

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Dämpfen mindestens eine am Kolben (1a) angeordnete Scheibe (8) vorgesehen ist, die eine Bohrung (9) durchläuft, derart, dass die Verdrängung von Öl durch einen zwischen Scheibe (8) und Bohrung (9) gebildeten Ringspalt die Dämpfung des Kolben (1a) bewirkt.

6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (9) einen Querschnitt aufweist, der sich in Vortriebsrichtung des Kolbens (1 a) sukzessive verengt.

7. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bohrung (9) so verengt, dass die Dämpfungskraft auch bei abnehmender Kolbengeschwindigkeit im wesentlichen konstant bleibt.

8. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Kolben (1a) eine die Bohrung durchlaufende Zahnstange (10a) befestigt ist, deren Querschnitt im Verhältnis des Querschnitts der Bohrung (9) so ausgebildet ist, dass die Geschwindigkeit des Kolbens (1a) einen vorbestimmten konstanten Wert einhält.

9. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizung als Unterkühlungsschutz für den Ventilblock (22) vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass die gewünschte Heizungswärme aus der Abwärme des Öisumpfs bezogen wird.

10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung eine von einem fluiden Medium durchströmte Kanalführung (23) umfasst, dergestalt, dass die Abwärme des Öisumpfs als Heizwärme durch das fluide Medium zum Ventilblock (22) transportiert wird.

11. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als fluides Medium die den Kolben (1a, 1b) vortreibende Pressiuft dient.

12. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei wechselseitig vortreibbare Kolben (1a, 1b) vorgesehen sind, die eine gemeinsame Rotationsachse (12) antreiben, wobei beim Vortreiben des einen Kolbens (1a resp. 1b) der andere (1b resp. 1a) durch die Rotationsachse (12) in seine Ausgangsposition zurückbefördert wird.

13. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolben (1a, 1b) parallel nebeneinander angeordnet sind, einen gemeinsamen Ölsumpf aufweisen und dass die Ventile (24a, 24b, 29a, 29b) in einem gemeinsamen Ventilblock (22) untergebracht sind.

14. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftdruckspeicher (17) vorgesehen ist, der den Ölsumpf umgibt, so dass durch die Abwärme des Öisumpfs die Pressluft vorgewärmt wird.

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