DE10141745A1

DE10141745A1 - Hydraulikschieber mit Endlagendämpfung

Info

Publication number: DE10141745A1
Application number: DE2001141745
Authority: DE
Inventors: Michael Schwind
Original assignee: Maschb Schwind GmbH
Current assignee: Maschb Schwind GmbH
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2003-03-27

Abstract

Ein Hydraulikschieber mit Endlagendämpfung, enthaltend einen Hydraulik-Kolben (10) mit einer Kolbenstange (12), die in einem Zylinderrohr angeordnet sind, wobei die Kolbenstange (12) in einer Stangenführung geführt ist, DOLLAR A ist dadurch gekennzeichnet, dass DOLLAR A am Kolben (10), an seinem in Schubrichtung liegenden Ende, ein Kolbenzapfen (22) angeordnet ist, DOLLAR A das Zylinderrohr (16), an seinem in Schubrichtung liegenden Ende, in einem zylinderförmigen Verdrängerraum (30) mündet, dessen Durchmesser so bemessen ist, dass der Kolbenzapfen (22) in ihn einfürbar ist und ihn dabei verschließt, wobei an dem Verdrängerraum (30) seitliche Verdrängungsschlitze (28) angeordnet sind, die mit dem Zylinderrohr und einem vorderen Zylinderanschluss und einem Ablauftank in Verbindung stehen (Fig 1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hydraulikschieber mit einer Endlagendämpfung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Beim Einsatz von Hydraulikschiebern können die folgenden Probleme auftreten:
Beim Anlaufen der Endlagen kann ein hörbares metallisches Schlaggeräusch auftreten, und die auf den Maschinenkörper übertragenen kräftigen Stöße führen zu Erschütterungen, die die Präzision der Maschine negativ beeinflussen.
Diese Probleme verstärken sich mit einer Erhöhung der an den Schieber angeordneten Nutzmasse und der Zunahme der Arbeitsgeschwindigkeit. Dabei kann die Geräuschentwicklung so stark sein, dass die zulässigen Lärmpegel überschritten werden und für die Maschinenbediener ein Gehörschutz erforderlich wird. Das starke Abbremsen einer schweren Masse führt zu einer Überlastung des Hydraulikschiebers, wodurch es zu Beschädigungen an den Anschlagflächen und zum Bruch der Kolbenstange kommen kann. Dabei erweist sich die vordere Endlage als besonders kritisch, da in diesem Fall die Kolbenstange auf Zug belastet wird und die Kolbenkräfte, bauartbedingt durch die größere Angriffsfläche, wesentlich größer sind.
Es ist bereits auf verschiedene Weise versucht worden, diese Probleme zu lösen. Beispielsweise hat man die Nutzmasse in Abhängigkeit von der Verfahrgeschwindigkeit herabgesetzt. Dadurch wird das Leistungsspektrum des Schiebers eingeschränkt. Auch werden die Werkzeugkosten erhöht, da mit zeitaufwendigen Berechnungen eine Gewichtsoptimierung erfolgen muß.
Eine Herabsetzung der Verfahrgeschwindigkeit erhöht vor allem bei langen Hüben die Taktzeiten und beeinflußt somit direkt die Wirtschaftlichkeit der Maschinen.
Ein Anbau von externen Anschlägen verhindert zwar eine Überlastung des Schiebers, aber nicht das Übertragen von Erschütterungen auf den Maschinenkörper. Der Anbau ist oft nur mit erheblichem Materialaufwand, oder bauartbedingt überhaupt nicht möglich. Ungenau angebrachte externe Anschläge können Querkräfte erzeugen, die zu einer Überlastung der Führungen führen können.
Bei der Verwendung von hydraulischen Stoßdämpfern als externe Dämpfung ergibt sich bei der Dimensionierung das Problem, daß diese nicht nur die Nutzmasse kompensieren, sondern auch gegen den anliegenden Hydraulikdruck arbeiten müssen. Dies führt zu einer über, mäßigen Erwärmung der Stoßdämpfer und zu unnötigen Überdimensionierungen.
Ein Einbau von elastischen Dämpfungselementen verhindert nur ein metallisches Anschlagen. Die Dämpfungswirkung ist angesichts der hohen Massen sehr gering. Ein weiterer Nachteil ist, dass durch das Fliessverhalten des eingesetzten Dämpfungsmaterials sich die Wiederholgenauigkeit des Schiebers verringert.
Die bisher verwendeten regelbaren Endlagendämpfungen stammen von ihrer Grundentwicklung her aus der Pneumatik. Dabei verschließt ein Ansatz am Kolben die eigentliche Entleerungsbohrung. Die somit eingeschlossene Luft oder Flüssigkeit wird anschliessend durch Kanäle abgeleitet, die mittels Einstellschrauben gedrosselt werden können. Bei der Verwendung als hydraulische Endlagendämpfung fällt allerdings der positive Effekt des Luftpolsters weg, durch das in pneumatischen Systemen ein sanftes, progressives Abbremsen ermöglicht wird. Die üblicherweise verwendeten Hydraulikflüssigkeiten sind weitgehend inkompressibel, dadurch wird der Zylinder fast schlagartig auf eine Dämpfungsgeschwindigkeit umgeschaltet, die dann bis zum Erreichen der Endlage beibehalten wird. Durch die vielen verwendeten mechanischen Komponenten ist diese Lösung ausserdem aufwendig und teuer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hydraulikzylinder mit einer Endlagendämpfung zu schaffen, mit dem die negativen Effekte in Bezug auf Geräuschentwicklung, Erschütterungen und Materialüberlastung minimiert bzw. beseitigt werden. Dabei soll der Mehraufwand, insbesondere in konstruktiver Hinsicht, so gering wie möglich gehalten werden, um bei einem standardmässigen Einbau den Gesamtpreis nicht wesentlich zu verteuern.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem gattungsgemässen Hydraulikzylinder mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wieder.
Die erfindungsgemässe Lösung sieht vor, dass ein am Kolben angeordneter Kolbenzapfen in einen Verdrängungsraum eingeführt wird, in dem sich ein Gegendruck aufbaut, der den Kolben abbremst. Der Kolbenzapfen, der vorzugsweise kegelförmig ausgebildet ist, zentriert den Kolben zur Kolbenführung und verhindert somit ein metallisches Anschlagen. Beim Einfahren des Kolbenzapfens in den Verdrängungsraum verringert sich der Abstand der Kolbenzapfenwand vom Verdrängungsraum, wodurch sich ein dynamisches Dämpfungsverhalten ergibt, je weiter der Kolben einfährt.
Der Verdrängungsraum enthält ferner Verdrängungsschlitze, die in der Wandung des Verdrängungsraums angeordnet sind, die einerseits mit dem Zylinderrohr und andererseits über einen vorderen Zylinderanschluss mit einem Ablauftank in Verbindung stehen. Durch Veränderung des Querschnitts der Schlitze kann das Ausflussvolumen aus dem verdrängungsraum an das eingeschlossene Volumen und an die Fliesseigenschaften der Hydraulikflüssigkeit angepasst werden.
Wenn die Verdrängungsschlitze axial, d. h. parallel zur Kolbenstange des Kolbens, angeordnet werden, werden diese beim Eintritt des Kolbens und des Kolbenzapfens in den Verdrängungsraum verschlossen, wodurch sich ein lineares Dämpfungsverhlaten ergibt, das dem Dämpfungsverhalten eines Ölbremszylinders vergleichbar ist.
Der erfindungsmemässe Hydraulikzylinder bietet mit seiner Endlagendämpfung die folgenden Vorteile:
Mit einer Erhöhung der Verfahrgeschwindigkeit erhöht sich automatisch das Dämpfungsverhalten, da sich durch eine Verringerung der Fliessgeschwindigkeit in den Ablaufschlitzen (relativ zur Kolbengeschwindigkeit geshehen) der Gegendruck vermindert. Dadurch passt sich das Dämpfungsverhalten automatisch an den entsprechenden Einsatzfall an, die erreichbaren Zykbszeiten werden nur um das absolute Minimum verringert.
Ein metallisches Schlagen und die damit verbundenen Erschütterungen werden zuverlässig verhindert.
Das bei der Dämpfung erhitzte Hydrauliköl wird bei dem nächsten Hub mit frischem Öl vermischt und dadurch abgekühlt, was eine Überhitzung zuverlässig verhindert.
Eine Fehlbedienung bzw. eine falsche Einstellung der Endlagendämpfung ist nicht möglich, da eine Justierung durch Drosseln entfällt.
Die erfindungsgemässe Anordnung ermöglicht zusätzlich ein sanftes, lineares Anfahren und Beschleunigen der Nutzlast, wodurch auch beim Anfahren keine Erschütterungen entstehen.
Die Herstellungskosten sind äusserst gering und weichen nur in wenigen konstrktiven Details von einer Ausführungsform ohne Endlagendämpfung ab.
Erfindungsgemäss wird das im Verdrängungsraum befindliche Hydrauliköl- Volumen vom Kolben bzw. dessen Kolbenzapfen beim Einfahren in den Verdrängungsraumkomprimiert und dosiert durch die Verdrängungsschlitze abgeleitet. Der im Verdrängungsraum sich aufbauende Gegendruck bremst den Kolben ab, wobei dieser sich aufbauende Druck nur auf die Dichtungen der Kolbenstange einwirkt. Im Bereich ausserhalb des Verdrängungsraums, insbesondere an den Kolbendichtungen, findet keine Druckerhöhung statt. Dies führt dazu, dass auch im Falle einer begrenzten Überlastung der Endlagendämpfung in Bezug auf die Verfahrgeschwindigkeit der angehängten Nutzlast, es nicht zu einer zerstörerischen Überlastung mechanischer Teile kommen kann. Eine eventuelle Überlastung wirkt sich in erster Linie durch einen erhöhten Verschleiss an den Dichtungs- und Führungselementen aus, die mit einem vertretbaren Aufwand ausgetauscht werden können.
Der Hydraulikkolben ist mit seiner Kolbenstange in einem Zylinderrohr geführt, das an beiden Enden mit Zuführungsleitungen für Hydrauliköl versehen ist, durch das Hydrauliköl unter Druck in das Zylinderrohr eingeführt werden kann. Die Kolbenstange wird in einer Stangenführung geführt, die die arbeitssseitige Begrenzung des Zylinderrohrs bildet, wobei am äusseren Ende der Kolbenstange ausserhalb des Zylinderrohrs eine Arbeitsplatte oder dergleichen angeordnet werden kann. Das Zylinderrohr mündet an seinem in Schubrichtung liegenden Ende in einem Verdrängungsraum, dessen Durchmesser so bemessen ist, dass ein am Kolben angeordneter Kolbenzapfen in den Verdrängungsraum einführbar ist. Der Verdrängungsraum wird durch eine zylinderförmige Ummantelung begrenzt, in der mehrere Schlitze angeordnet sind. In Abhängigkeit vom Fliessverhalten der Hydraulikflüssigkeit und den konstruktiven Gegebenheiten können 1 bis 10 Schlitze angebracht werden, beispielsweise 4 oder 6. Bei Anordnungen mit mehr als 10 Schlitzen muss auf die mechanische Festigkeit der Ummantelung geachtet werden, weshalb solche Anordnungen weniger bevorzugt sind.
Der Querschnitt der Schlitze muß auf das im Verdrängungsraum eingeschlosses Volumen an Hydrauliköl ausgelegt werden. Dabei hat es sich als zweckmässig erwiesen, das Verhältnis der Gesamtquerschnittsfläche der Verdrängungsschlitze in cm² zu dem Volumen des Verdrängungsraums in cm³ auf die folgenden Zahlenverhältnisse einzustellen:
Im allgemeinen 1 : 1000 bis 1 : 10; bevorzugt 1 : 50 bis 1 : 2000 und besonders bevorzugt 1 : 100 bis 1 : 800.
Der in den Verdrängungsraum einführbare Kolbenzapfen des Kolbens kann unterschiedlich ausgestaltet werden. Er kann eine zylindrische oder eine kegelförmige Form aufweisen. Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, die im hinteren, der Kolbenstange zugewandten Ende zylinderförmig und im vorderen, in den Verdrängungsraum zugewandten Teil kegelförmig abgeschrägt ist. Die Schräge des Kegelwinkels wird dabei im allgemeinen nur wenige Winkelgrade bemessen, z. B. im Bereich von 1 bis 10° liegen, bevorzugt bei 2 bis 5° und besonders bevorzugt bei 2,5 bis 3,5°.
Der Anteil des kegelförmigen Teils des Kolbenzapfens liegt dabei im allgemeinen bei 15 bis 50% der Gesamtlänge des Kolbenzapfens, bevorzugt bei 25 bis 35% der Gesamtlänge und insbesondere bei ca. 30%.
Das Volumen des Kolbenzapfens im Verhältnis zum Volumen des Verdrängungsraums wird so bemessen, daß der Kolbenzapfen im eingefahrenen Zustand den Verdrängungsraum möglichst ausfüllt, um die Baulänge des gesamten Hydraulikschiebers nicht unnötig zu verlängern. Das Volumenverhältnis von Verdrängungsraum zu Kolbenzapfen kann zwischen Werten von 100 : 99 bis 100 : 60 liegen, bevorzugt zwischen 100 : 95 und 100 : 85.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figurenbeschreibung beispielhaft näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung der Kolbenanordnung eines Hydraulikschiebers mit nicht dargestelltem Zylinderrohr;
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht eines Hydraulikzylinders.
In Fig. 1 ist der Kolben 10 des Hydraulikzylinders ohne das den Kolben führende Zylinderrohr dargestellt. Am Kolben 10 ist ein Kolbenzapfen 22 angeordnet, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Kolbens 10. Kolben 10 mit Kolbenzapfen 22 stehen mit einer Kolbenstange 12 in Verbindung. Die Kolbenstange 12 ist in einem Stangenführungsteil 11 geführt. Am Stangenführungsteil 11 ist eine Ummantelung 27 angeordnet, die einen Verdrängungsraum 30 umschliesst und begrenzt, in den der Kolbenzapfen 22 des Kolbens 10 einführbar ist. An der Ummantelung 27 sind in einer Stellung von jeweils 90° zueinander Verdrängungsschlitze 28 angebracht, von denen der hintere durch die Kolbenstange 22 verdeckt und nicht sichtbar ist. Beim Einfahren der Kolbenstange 12 mit dem Kolbenzapfen 22 und dem Kolben 10 in den Verdrängungsraum 30 stösst in der Endstellung der Kolben 10 mit seinem in Schubrichtung liegenden Ende 20 an die als Anschlagfläche 32 dienende Endfläche der Ummantelung 27 an.
Beim Eintritt des Kolbens 10 und des Kolbenzapfens 22 in den Verdrängungsraum 30 wird das darin enthaltene Hydrauliköl durch die Verdrängungsschlitze 28 aus dem Verdrängungsraum 30 gedrückt, wodurch sich im Verdrängungsraum 30 ein Gegendruck aufbaut, der zur Endlagendämpfung führt.
In Fig. 2 ist der gleiche Hydraulikzylinder wie in Fig. 1 in einem Schnitt in Seitenansicht dargestellt. Der Kolben 10 ist mit einer Kolbenstange 12 innerhalb eines Zylinderrohrs 16 angeordnet. Am arbeitsseitigen, dem Zylinder abgewandten Ende des Zylinderrohrs 16 ist ein Stangenführungsteil 11 angeordnet, das die Lagerungen für die Kolbenstange 12 enthält, durch die die Kolbenstange 12 durchtritt. Die Lagerung der Kolbenstange erweitert sich an ihrem dem Kolben 10 zugewandten Ende zu einem Verdrängungsraum 30, dessen Ummantelung 27 Verdrängungsschlitze 28 trägt, die den Verdrängungsraum 30 mit einem vorderen Zylinderanschluss 29 verbinden, der zu einem pumpengespeisten Vorratstank für die Hydraulikflüssigkeit führt. Der Kolben 10 trägt an seinem dem Verdrängungsraum 30 zugewandten Ende einen Kolbenzapfen 22, der aus einem vorderen kegelförmigen Teil 25 und einem hinteren Zylindrischen Teil 26 besteht, wobei der kegelförmige Teil 25 an dem in Schubrichtung liegenden Ende 22 des Kolbenzapfens 22 angeordnet ist. Beim Verfahren des Kolbens 10 in Richtung zum Verdrängungsraum 28 bildet das dem Kolben zugewandte Ende 31 einen Anschlag für eine am Kolben 10 angeordnete Anschlagfläche 32 zwischen Kolben 10 und Kolbenzapfen 22.
Beim Einfahren des Kolbens 10 in den Verdrängungsraum 30 werden der Kolben 10 und die Kolbenstange 12 durch das Zusammenwirken der zylinderförmigen Ummantelung 27 des Verdrängungsraums 30 und den kegelförmigen Teil 25 des Kolbenzapfens 22 zentriert. Durch den kontrollierten Durchfluss der Hydraulikflüssigkeit durch die Verdrängungsschlitze 28 erfolgt die Dämpfung der Kolbenbewegung, bis die Anschlagfläche 32 des Kolbens 10 an dem 31 der Ummantelung 27 anschlägt.

Claims

1. Hydraulikschieber mit Endlagendämpfung, enthaltend einen Hydraulik- Kolben (10) mit einer Kolbenstange (12), die in einem Zylinderrohr (16) angeordnet sind, wobei die Kolbenstange (12) in einer Stangenführung (11) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
am Kolben (10) an seinem in Schubrichtung liegenden Ende (20) ein Kolbenzapfen (22) angeordnet ist,
das Zylinderrohr (16) an seinem in Schubrichtung liegenden Ende (18) in einen zylinderförmigen Verdrängungsraum (30) mündet, dessen Durchmesser so bemessen ist, daß der Kolbenzapfen (22) in ihn einführbar ist und ihn dabei verschließt, wobei an dem Verdrängungsraum (30) seitliche Verdrängungsschlitze (28) angeordnet sind, die mit dem Zylinderrohr (16) und einem vorderen Zylinderanschluß (29) und einem Ablauftank in Verbindung stehen.

2. Hydraulikschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Verdrängungsraums (30) kleiner ist als der Durchmesser des Zylinderrohrs (16).

3. Hydraulikschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenzapfen (22) kegelförmig ausgestaltet ist.

4. Hydraulikschieber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenzapfen (22) aus einem vorderen Kegelförmigen Teil (25) und einem hinteren zylindrischen Teil (26) besteht.

5. Hydraulikschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Kolbenzapfens (22) kleiner ist als der Durchmesser des Kolbens (10).

6. Hydraulikschieber nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungsraum (30) durch eine zylinderförmige Ummantelung (27) begrenzt wird, deren dem Kolben (10) zugewandtes Ende (31) als Anschlagfläche für eine am Kolben (10) angeordnete Anschlagfläche (32) ausgebildet ist.

7. Hydraulikschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahlenverhältnis der Gesamtquerschnittsfläche der Verdrängunsschlitze (28) in cm² zu dem Volumen des Verdrängungsraums (30) in cm³ 1 : 10 bis 1 : 10000, bevorzugt 1 : 50 bis 1 : 2000 und besonders bevorzugt 1 : 100 biß 1 : 800 beträgt.

8. Hydraulikschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Verdrängungsschlitze (28) 1 bis 10, bevorzugt 1 bis 6, beträgt.

9. Hydraulikschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Volumens des Verdrängungsraums (30) zum Volumen des Kolbenzapfens im Bereich von 100 : 95 bis 100 : 85 liegt.