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Die
Erfindung betrifft eine Linearzylindereinheit, insbesondere ein
Druckmittelzylinder, umfassend einen Zylinder, mindestens ein Endverschlussmittel,
einen Kolben, welcher innerhalb des Zylinders axial beweglich angeordnet
ist, eine Kolbenstange, welche mit dem Kolben verbunden ist, und
mindestens eine Kolbenklemmvorrichtung, wobei die Kolbenklemmvorrichtung
an mindestens einen Ende des Gehäuses
des Druckmittelzylinders angeordnet ist, wobei die Kolbenklemmvorrichtung
ein Klemmelement umfasst, welches in einer zur Kolbenstange senkrechten
Richtung linear beweglich ist, um eine formschlüssige Verbindung zwischen der
Kolbenstange und den Klemmelement zu erreichen.
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Gewöhnlich wird
eine derartige Feststelleinheit in Verbindung mit einem Druckmittelzylinder
angewendet, um die Bewegung einer Kolbenstange zu blockieren, so
dass der Kolben, bzw. die Kolbenstange relativ zum Druckmittelzylinder
positionsfest ist. Während
des Gebrauchs eines Druckmittelzylinders ist die Kolbenstange durch
die Druckbeaufschlagung der entsprechenden Druckmittelkammern des
Zylinders frei beweglich, aber im Fall des inaktiven Zustands des
Zylinders muss der Kolben in vielen Anwendungen blockiert sein,
um eine sich nicht ändernde
Position des Kolbens und der entsprechenden Mechanik sicherzustellen.
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In
anderen Fällen
mit Zyklen von sich wiederholenden Bewegungen des Druckmittelzylinders, welche
mindestens eine Stopp-Position als ein Teil des sich wiederholenden
Durchlaufs umfassen, ist es notwendig, einen Klemmmechanismus für eine Kolbenstange
anzuwenden, welcher durch ein Druckmittel einfach kontrolliert werden
kann, um die Kolbenstange zu klemmen und wieder freizugeben, wobei das
Druckmittel entweder mit dem System verbunden ist oder der Freigabemechanismus
manuell durch die Aktivierung einer Freigabeschraube oder ähnlichem
erfolgen kann. Häufig
sind derartige Feststelleinrichtungen installiert, um die Sicherheit
von mechanischen Systemen zu erhöhen,
in denen Druckmittelzylinder als Linearantrieb gebraucht werden,
beispielsweise während
einer Wartung, wenn der Bediener in das System eingreift.
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Der
Klemmeffekt kann nicht durch das Druckmittelsystem, welches den
Druckmittelzylinder versorgt, umgesetzt werden, weil die Nachgiebigkeit der
Druckmittelsäule
zu groß ist.
Daher ist ein direktes mechanisches Feststellsystem notwendig.
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Ein
weiteres Sicherheitsmerkmal ist die Klemmposition der Feststelleinrichtung
in einem entlüfteten
Zustand der Druckmittelkammer, welche gewöhnlich mit einer zentralen Druckmittelversorgung verbunden
ist, da im Fall eines Systemausfalls die Kolbenstange blockiert
ist und eine weitere, unkontrollierte Bewegung des Linearsystems
somit nicht möglich
ist. Der Klemmeffekt des Feststellelementes wird dabei durch ein
Federelement realisiert.
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Gemäß dem Stand
der Technik ist in der Druckschrift
US 6598513 B2 eine Zylinderanordnung offenbart,
umfassend ein Zylinder, welcher mit einem ersten Verschlussmittel
und einem zweiten Verschlussmittel verbunden ist, einen axial verschiebbaren
Kolben, welcher im Zylinder angeordnet ist, eine Kolbenstange, welche
mit dem Kolben verbunden ist, ein dazwischenliegendes Bauteil, welches
mit dem Zylinder und dem zweiten Verschlussmittel verbunden ist,
ein axial bewegliches Mittel, welches im dazwischenliegenden Bauteil
angeordnet ist, ein erstes Federelement, welches zwischen dem zweiten
Verschlussmittel und dem beweglichen Mittel angeordnet ist, und
ein Kolbenbolzenmechanismus, welcher in eine Nut in der Kolbenstange
in einer Richtung senkrecht zur Achse einrastbar ist.
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Gemäß dem Stand
der Technik entstehen unterschiedliche Probleme hinsichtlich der
Konstruktion der Funktion der offenbarten Klemmvorrichtung. In den
Veröffentlichungen
aus dem Stand der Technik ist die Kolbenklemmvorrichtung als einstückiges Bauteil
konstruiert. Im Stand der Technik ist der Linearzylinder ohne die
Kolbenklemmvorrichtung nicht einsetzbar, weil das Endverschlussmittel
und die Kolbenklemmvorrichtung in einem Teil integriert ist. Die integrierte
Konstruktion des Endabschnittes des Linearsystems und der Kolbenklemmvorrichtung
erschwert die Wartung und Reparaturvorgänge aufgrund der unvorteilhaften
Zugänglichkeit.
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In
der Druckschrift WO 01/92732 A1 ist ein Pneumatik- oder Hydraulikzylinder
offenbart, welcher eine mit einem Kolben zusammenwirkende Bohrung aufweist.
Aus dem Kolben ragt eine Kolbenstange heraus. Weiterhin ist eine
Sperrklinke angeordnet, welche in den Kolben einrastbar ist, um
den Kolben an einer geforderten Position zu blockieren. Die Sperrklinke
wird mit dem Kolben aufgrund eines Druckmittels aus der Einrastposition
bewegt, welches von einem der beiden Enden des Zylinders zugeleitet
wird.
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Der
Stand der Technik offenbart ein Blockiersystem, welches ebenfalls
in den Zylinder integriert ist. Im Falle dieser Konstruktion ist
das Linearsystem ausschließlich
in Verbindung mit dem Blockiersystem nutzbar, wodurch das Anwendungsfeld
der Erfindung begrenzt ist. Betreffend den Bauraum ist die offenbarte
Lösung
unvorteilhaft, weil es zusätzlichen
Bauraum aufgrund der auskragenden Konstruktion senkrecht zur Achse
des Hauptzylinders notwendig macht.
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Gemäß dem offenbarten
Blockiersystem aus dem Stand der Technik ist der Blockiermechanismus zwischen
dem Kolben bzw. der Kolbenstange und dem einrastenden Klemmelement
formschlüssig.
Der Kontaktbereich zwischen dem Klemmelement und der Schulte und
damit der Nut im bewegten Bauteil wie dem Kolben oder der Kolbenstange
ist begrenzt und nicht hinreichend. Damit sind die übertragbaren Kräfte aufgrund
der asymmetrischen und schrägen Einleitung
der Kräfte
in die Kolbenstange oder den Kolben begrenzt.
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Damit
ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Linearzylinderklemmeinheit
zu schaffen, welche die Übertragung
von hohen Blockierkräften durch
einen großen
Kontaktbereich mit einer hohen Steifigkeit bietet.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einer Kolbenklemmvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Dieses
Ziel wird mit einer Linearzylindereinheit des Anspruch 1 erreicht.
Die Erfindung schließt die
technische Lehre ein, dass das Klemmelement einen flachen Querschnitt
aufweist und eine Bohrung umfasst, durch die die Kolbenstange hindurchführbar ist,
wobei der Rand der Bohrung in mindestens eine in der Kolbenstange
angeordneten Nut einrastet, um die Bewegung der Kolbenstange zu
klemmen.
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Mit
dieser erfindungsgemäßen Lösung wird der
Vorteil geschaffen, dass die Kontaktelemente für die Kraftübertragung zwischen dem Klemmelement und
der Kolbenstange einen großen
Kontaktbereich aufweisen. Mit dieser Klemmelementkonstruktion bietet
der Eingriff des Bohrungsrandes in die Nut eine sichere und robuste
Klemmmethode. Das flache Profil des Klemmelementes bietet eine raumminimale Konstruktion,
wodurch der Kontaktbereich nicht punktuell oder linienförmig überträgt, sondern
flächenförmig.
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Gemäß eines
vorteilhaften Ausführungsbeispiels
ist der Rand der Bohrung, welcher in die Nut der Kolbenstange einrastet,
derart geformt, dass der Kontaktbereich zwischen dem Rand der Bohrung und
der Schulter der Nut sichelförmig
ausgebildet ist. Aufgrund des Einrastmechanismus mit einem sichelförmigen Kontaktbereich
ist die übertragbare
Klemmkraft größer, hauptsächlich aufgrund
des flächenförmigen Kontaktes
und daher aufgrund der verbesserten Kraftverhältnisse der Kraftübertragung.
Zusätzlich
ist aufgrund des Kontaktes gegen die Schulter der Nut die Kraft
in die Kolbenstange zentrierter eingeleitet.
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Vorteilhafterweise
weist das Klemmelement an mindestens einem Endbereich einen Kolben
auf, welcher in einer Druckmittelkammer des Gehäuses der Kolbenklemmvorrichtung
axialbeweglich ist, um eine Freigabebewegung des Klemmelements durch eine
Druckbeaufschlagung des Kolbens zu bewirken, und die Klemmposition
des Klemmelements ist durch ein Federelement hervorrufbar, wobei
das Federelement als Druckfeder ausgeführt ist. Die Konstruktion bietet
ein Sicherheitsmerkmal aufgrund der Tatsache, dass die Freigabe
der Kolbenstange ausschließlich
mit einer Druckbeaufschlagung des Kolbens der Kolbenklemmvorrichtung
möglich
ist. Wenn die Druckmittelkammer in der Kolbenklemmvorrichtung entlüftet ist,
bewegt das gegenüberliegende
Federelement das Klemmelement in die Klemmposition. Damit ist der
Klemmeffekt sichergestellt, beispielsweise im Fall eines Systemausfalls
der externen Druckmittelversorgung.
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Gemäß eines
vorteilhaften Ausführungsbeispiels
ist das Klemmelement im Gehäuse
der Kolbenklemmvorrichtung in mindestens zwei Führungsabschnitten geführt, wobei
die mindestens zwei Führungsabschnitte
auf beiden Seiten der Kolbenstange angeordnet sind. Aufgrund der
Forderung nach großen
Haltekräften
ist die Steifigkeit und die maximale Belastbarkeit höher, wenn
das Klemmelement an mindestens zwei Führungsabschnitten geführt ist. Der
Lastfall für
das Klemmelement wird verbessert, wenn das Klemmelement an beiden
Seiten der Kolbenstange geführt
ist, weil das Biegemoment im Fall einer einseitigen Einspannung
wesentlich höher
ist und die Stabilität
des Gesamtsystems und seine Steifigkeit niedriger ist.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
bietet den Vorteil, dass das Klemmelement im Gehäuse der Kolbenklemmvorrichtung
durch eine Hand- Notbetätigung
betätigbar
ist. Der Vorteil einer Hand- Notbetätigung ist die Möglichkeit
einer Verschiebung des Klemmelements von Hand oder durch eine externe mechanische
Vorrichtung. Nur mit dieser Vorrichtung kann die Freigabeposition
oder die Verriegelungsposition geändert werden, beispielsweise,
wenn die Druckmittelversorgung ausfällt oder im Fall einer manuellen
Betätigung
des Klemmelements ist die Hand- Kotbetätigung notwendig.
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Vorteilhafterweise
weist das Ende der Kolbenstange eine kegelförmige Kontur auf um der Kolbenstange
die Bewegung durch die Bohrung des Klemmelementes zu ermöglichen.
Dieses Merkmal ermöglicht
ein sicheres Einrasten des Klemmelementes in die Nut in der Kolbenstange.
Im Fall der entlüfteten
Druckmittelkammer in der Kolbenklemmvorrichtung befindet sich das
Klemmelement in der Klemmposition, wobei sich die Kolbenstange durch die
Bohrung des Klemmelementes bewegt. Anderenfalls kann die Kolbenstange
nur dann in die Einrastposition bewegt werden, wenn sich das Klemmelement
in der Freigabeposition befindet.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass
eine Sensorvorrichtung im Gehäuse
des Kolbenklemmvorrichtung angeordnet ist, wobei damit die Bestimmung
der Freigabeposition und/oder der Verriegelungsposition des Klemmelements
gegeben ist. Die Sensorvorrichtung kann als elektromagnetische Vorrichtung
ausgeführt sein,
welche eine Magnetscheibe detektiert, die mit dem Klemmelement verbunden
ist. Im Fall einer elektromagnetischen Vorrichtung kann die Sensorvorrichtung
leicht in eine Steuerungseinheit integriert werden, um die Information über die
Position des Klemmelements zu verwenden, um die Linearzylindereinheit
zu steuern. Ebenso kann die Sensorvorrichtung als mechanische Vorrichtung
ausgeführt sein,
welche die Position des Klemmelements erfasst und einen externen
elektrischen Schalter oder beispielsweise ein Steuerventil für eine Druckluftversorgung
des Druckmittelzylinders steuert.
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Gemäß eines
vorteilhaften Ausführungsbeispiels
umfasst die Bohrung mindestens zwei Sektionen, wobei eine Freigabesektion
einen großen Durchmesser
zum Freigeben der Kolbenstange aufweist und eine Klemmsektion einen
kleinen Durchmesser aufweist, um in die Schulter des Randes der Nut
einzurasten, und der sichelförmig
ausgebildete Kontaktbereich zwischen dem Rand der Bohrung des Klemmelementes
und der Schulter der Nut entspricht dem Rand der Klemmsektion. Mit
einer derartigen Konturierung der Bohrung ist der Kontaktbereich
zur Übertragung
der Kraft zwischen dem Klemmelement und der Schulter der Nut maximal.
Die Übertragung der
Kraft in die Kolbenstange geschieht zentriert, wobei ein Biegemoment
vermieden und die Kolbenstange nicht auf Biegung beansprucht wird.
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Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
sind in den Unteransprüchen
angegeben oder werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der
Erfindung anhand der Figuren näher
dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung der Linearzylindereinheit und eine Kolbenklemmvorrichtung;
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2 eine
detaillierte Ansicht der Kolbenklemmvorrichtung mit eingerastetem
Klemmelement in die Nut der Kolbenstange;
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3 einen
schematischen Kontaktbereich gemäß dem Stand
der Technik zwischen einem Klemmelement und einem Kolben; und
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4 einen
Kontaktbereich gemäß der Erfindung
zwischen dem Klemmelement und dem Kolben.
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In 1 ist
eine Linearzylindereinheit 1 gezeigt, welche einen Druckmittelzylinder 2 mit
einem Zylinder 3 umfasst. Der Endabschnitt des Druckmittelzylinders 2 ist
mit einem Endverschlussmittel 4 abgedichtet. Ein Kolben 5 ist
axial beweglich in Zylinder 3 angeordnet, wobei eine Kolbenstange 6 mit
dem Kolben 5 verbunden ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
besteht die Kolbenstange aus einem ersten Teil, welcher durch das
Endverschlussmittel 4 hindurchgeführt ist, um mit einer peripheren
Mechanik verbunden zu werden und einem zweiten Teil, welcher sich
in die andere Richtung des Kolben 5 erstreckt, um in die
Kolbenklemmvorrichtung 7 hineinzuragen. Der Endabschnitt
der Kolbenstange weist eine kegelförmige Kontur 9 auf,
um in die Bohrung 10 einzurasten, welche in dem Klemmelement 8 angeordnet
ist, wenn der Kolben 5 in die Richtung der Kolbenklemmvorrichtung
bewegt wird.
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Die
Kolbenklemmvorrichtung 7 ist am hinteren Ende des Druckmittelzylinders 2 lösbar montiert, und
umfasst ein Klemmelement 8, welches in einer senkrechten
Richtung zur Kolbenstange 6 linear beweglich ist. Das Klemmelement 8 umfasst
eine Bohrung 10, wobei das Ende der Kolbenstange 6 in
der gezeigten Endposition des Kolbens 5 durch die Bohrung 10 hindurchläuft. Der
obere Endabschnitt des Klemmelementes 8 weist einen Kolben 11 auf,
welcher axial in einer Druckmittelkammer 12 im Gehäuse 13 der
Kolbenklemmvorrichtung 7 beweglich ist.
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Die
Druckmittelkammer 12 kann durch ein Druckmittel druckbeaufschlagt
werden, um eine axiale Bewegung des Klemmelementes 8 hervorzurufen, wobei
im druckbeaufschlagten Zustand des Kolbens 11 die Position
des Klemmelementes 8 bzw. der Bohrung 10, die
Kolbenstange 6 freigibt. Wenn die Druckmittelkammer 12 entlüftet ist,
bewegt ein gegenüberliegend
angeordnetes Federelement 14 das Klemmelement 8 in
eine Klemmposition, wobei das Federelement 14 als Druckfeder
ausgeführt
ist. Für
eine Druckbeaufschlagung der Druckmittelkammer 12 wird
das Druckmittel über
eine externe Druckmittelversorgung bereitgestellt, wobei die Druckleitung
in der 1 nicht gezeigt ist.
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In 2 ist
eine detaillierte Ansicht des in die Nut 18 der Kolbenstange 6 eingerasteten
Klemmelementes 8 gezeigt. Die Kraftübertragung geschieht über eine
Schulter 21 der Nut 18, wobei die gezeigte Position
des Klemmelementes 8 die Klemmposition ist. Im Ausführungsbeispiel
der 2 ist die Sensorvorrichtung 17 als elektromagnetischer
Sensor aufgeführt,
welche eine Magnetscheibe 23 detektiert, die am Klemmelement 8 benachbart
zum Federelement 14 angeordnet ist. Der Druckmittelanschluss 24 ist
als Druckmittelverbindung zur Druckmittelkammer 12 ausgebildet.
Durch eine Druckbeaufschlagung der Druckmittelkammer 12 und
somit des Kolbens 11 wird das Klemmelement 8 für eine unbeeinflusste
Bewegung der Kolbenstange 6 in eine Freigabeposition bewegt.
Eine Hand- Notbetätigung 15 ist
auf der Seite des Kolbens 11 des Klemmelements 8 ausgebildet,
welche eine mechanische Verbindung des Klemmelements 8 zu
einer externen mechanischen Vorrichtung bietet. Durch diese Verbindung
kann das Klemmelement 8 durch einen Axialdruck in die Hand- Notbetätigung in
seiner linearen Richtung bewegt werden, insbesondere für eine handbetätigte Entriegelung
der Kolbenstange 6.
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In 3 ist
der Kontaktbereich gemäß dem Stand
der Technik zwischen dem Klemmelement 8 und der Kolbenstange 6 gezeigt.
Der Kontaktbereich ist klein, weil die Kontur des Klemmelementes 8 nicht den
Kontaktbereich der Schulter 21 der Nut 18 angepasst
ist. Daher ist der Kontaktbereich durch den Durchmesser der Kolbenstange
und der Tiefe der Nut begrenzt, und ist als Kreisabschnitt ausgebildet.
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Der
Kontaktbereich gemäß der Erfindung
ist in 4 gezeigt. Die Bohrung 10 besteht aus
einer Freigabesektion 19 und aus einer Klemmsektion 20. Der
linke Teil der 4 zeigt die Kolbenklemmvorrichtung 7 in
einem nicht klemmenden Zustand, weil die Freigabesektion 19 der
Bohrung 10 einen größeren Durchmesser
aufweist, als die Kolbenstange 6, wobei die Kolbenstange 6 unbeeinflusst
durch das Klemmelement 8 hindurch läuft. Der rechte Teil der 4 zeigt
die Kolbenklemmvorrichtung 7 in einem klemmenden Zustand,
weil die Klemmsektion 20 der Bohrung 10 einen
kleineren Durchmesser aufweist, als die Kolbenstange 6.
Der Durchmesser der Klemmsektion 20 stimmt mit dem inneren
Durchmesser der Nut 18 überein.
Der Kontaktbereich 22 ist sichelförmig ausgebildet, wodurch der
Kontaktbereich zwischen der Schulter 21 und der Nut 18 in
der Kolbenstange 6 und dem Rand des Klemmelementes 8 größtmöglich ist.
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Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend angegebene, bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten
Lösung
auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen
Gebrauch macht.
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- 1
- Linearzylindereinheit
- 2
- Druckmittelzylinder
- 3
- Zylinder
- 4
- Endverschlussmittel
- 5
- Kolben
- 6
- Kolbenstange
- 7
- Kolbenklemmvorrichtung
- 8
- Klemmelement
- 9
- kegelförmige Kontur
- 10
- Bohrung
- 11
- Kolben
- 12
- Druckmittelkammer
- 13
- Gehäuse
- 14
- Federelement
- 15
- Hand-
Notbetätigung
- 16
- Druckmittelkammer
- 17
- Sensorvorrichtung
- 18
- Nut
- 19
- Freigabesektion
- 20
- Klemmsektion
- 21
- Schulter
- 22
- Kontaktbereich
- 23
- Magnetscheibe
- 24
- Druckmittelanschluss
- 25,
25'
- Führungsabschnitt