DE102005061730A1

DE102005061730A1 - Vorrichtung zum Bewegen eines Kolbens

Info

Publication number: DE102005061730A1
Application number: DE102005061730A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Anders
Original assignee: TR ELECTRONIC GmbH
Current assignee: TR ELECTRONIC GmbH
Priority date: 2005-11-18
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: DE102005061730B4

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Bewegen eines Kolbens (1), der in einem Zylindergehäuse (3) zwischen zwei volumenveränderbaren Druckkammern (11, 26) gleitbar gelagert ist, soll der Kolben (1) nur in jeweils einem Teilbereich (22, 29, 30 bzw. 13) von jeweils einer Druckkammer (11, 26) aus mit einem Druckmedium beaufschlagbar sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bewegen eines Kolbens, der in einem Zylindergehäuse zwischen zwei volumenveränderbaren Druckkammern gleitbar gelagert ist.
Stand der Technik
Hydraulische oder pneumatische Zylinder-/Kolbeneinheiten sind in vielfältiger Form und Ausführung bekannt und auf dem Markt. Dabei werden vor allem einseitige und zweiseitige Zylinder unterschieden. Bei einem einseitigen Zylinder wird der Kolben nur von einer Seite aus unter Druck gesetzt, die Rückführung des Kolbens muss auf anderem Wege geschehen. Bei einem zweiseitig wirkenden Zylinder kann der Kolben von beiden Seiten mit Druck beaufschlagt werden, sodass er in zwei Richtungen bewegbar ist. Der zweiseitige oder doppeltwirkende Zylinder wird auch als Differenzialzylinder bezeichnet.
In den meisten Fällen ist der Kolben eines Differenzialzylinders nur von einer Seite her mit einer Kolbenstange verbunden. Damit ist aber das Verhalten Zylinders hinsichtlich Druckaufbau und Geschwindigkeit richtungsabhängig. Ist ein solches Verhalten unerwünscht, muss der Kolben beidseitig mit einer Kolbenstange gleichen Durchmessers verbunden werden. In diesem Fall wird von Gleichgangzylinder gesprochen.
Eine solche zweite Kolbenstange ist aber andererseits nachteilig, da sich die Baulänge des Zylinders stark vergrössert und in der konkreten Anwendung der Schattenraum für die zweite Kolbenstange stets freigehalten werden muss.. Zudem ist es bei einem Gleichgangzylinder nicht möglich, einen Weggeber in die Kolbenstange zu integrieren.

Ein entsprechender Weggeber ausgestaltet als Ultraschall – Wegmesser ist beispielsweise aus der DE 33 43 310 C2 bekannt. Dieser Ultraschall – Wegmesser weist zur linearen Wegmessung ein Rohr oder Stab aus magnetostriktivem Material auf. Diesem Stab sind bewegliche Magnete zur Erzeugung von als Positionssignale dienenden Ultraschall – Torsionsimpulsen in Abhängigkeit von längs des Rohres entlanglaufenden elektrischen Impulsen aus einem Impulsgenerator zugeordnet. An das Rohr ist ferner ein Ultraschall – Aufnehmer zum Umsetzen von in dem Rohr erzeugten Ultraschallimpulsen in elektrische Signale vorgesehen. Ferner gibt es eine Messschaltung zur Ermittlung der Position des beweglichen Magneten in Abhängigkeit vom zeitlichen Abstand zwischen den aus den Positionssignalen erhaltenen Signalen und jeweils mindestens einem in Abhängigkeit vom Auftreten eines elektrischen Impulses erzeugten Bezugssignals.

Derartige Wegmesser haben eine sehr hohe Auflösung (5/1000) und finden vor allem im industriellen Bereich vielfältig Anwendung. Hier besteht jedoch vor allem die Schwierigkeit ein annähernd symmetrisches Verhalten des Zylinders zu erreichen, da der Stab meist frei in der Kolbenstange geführt ist und somit die Druckfläche A_B immer kleiner als die kolbenstangenfreie Druckfläche A_A ist. Dieser Schwierigkeit wird dadurch entgegengewirkt, dass die gesamte Vorrichtung grösser gebaut wird, um das Verhältnis der beiden Flächen zueinander prozentual zu verbessern, d. h., in Richtung α = 1 zu verschieben.

Diese Vergrösserung des Zylinders an sich wäre in vielen Fällen noch akzeptabel, allerdings wächst damit auch der Volumenstrombedarf merklich an, dem durch eine entsprechend größere Dimensionierung des Aggregates Rechnung getragen werden muss. Ferner kann es bei unsymmetrischen Zylindern zu krtitischen Betriebssituationen wie Druckübersetzungen bzw. Unterdrucksituationen mit Nachsaugen kommen.

Aufgabe

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der o. g. Art zu schaffen, bei der die Flächenverhältnisse der wirksamen Flächen in den Druckkammern frei gewählt werden können, ohne dass eine zweite Kolbenstange Verwendung findet.

Lösung der Aufgabe

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass der Kolben nur in jeweils einem Teilbereich von jeweils einer Druckkammer aus mit einem Druckmedium beaufschlagbar ist.

Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung der Unabhängigkeit der beiden Wirkflächen voneinander. Sind die Wirkflächen frei wählbar, kann ein gewünschtes Flächenverhältnis, welches sogar oberhalb von 1 liegen kann, erzielt werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sollen die beiden Teilbereiche, die jeweils von einer Druckkammer mit Druckmedium beaufschlagt werden, sich in Achsrichtung des Kolbens nicht gegenüberliegen. D. h., es findet auch eine räumliche Trennung der wirksamen Flächen innerhalb des Zylinders statt. Bevorzugt wird diese räumliche Trennung durch eine in dem Zylindergehäuse feststehende Führungshülse durchgeführt, auf welcher der Kolben gleitet. Der Kolben wird in zwei Teile zerlegt, die durch die Führungshülse getrennt werden. Die Zerlegung erfolgt so, dass die Führungshülse in einen Ringraum in dem Kolben eingreift, sodass die Führungshülse den Kolben in Längsachse in eine äussere Gleithülse und ein inneres Gleitelement aufteilt. Das innere Gleitelement bildet eine wirksame Fläche gegenüber der einen Druckkammer aus, die äussere Gleithülse die andere Wirkfläche gegenüber der anderen Druckkammer. Auf diese Art und Weise sind die beiden Wirkflächen völlig voneinander getrennt und können nun beliebig aufeinander abgestimmt werden. Damit ist es möglich, nicht nur einen Gleichgangzylinder (α = 1) zu realisieren, sondern auch einen bisher nicht baubaren Differenzialzylinder mit α > 1, der bei einer Gleichdruckbeaufschlagung der Kammern sogar einfahren würde.

Um die Wirkfläche noch flexibler zu gestalten, ist vorgesehen, dass sogar das Gleitelement ebenfalls als Gleithülse ausgestaltet wird, sodass Druckmedium in diese Ausnehmung gelangen kann und der Grund dieser Ausnehmung ebenfalls als Wirkfläche dient. Dies bietet sich vor allem dann an, wenn, wie später erwähnt, in der Ausnehmung zudem ein Wegmessstab geführt ist.

Bevorzugt sind die äussere Gleithülse und das Gleitelement bzw. die innere Gleithülse endwärtig über eine Kappe miteinander verbunden. Nebenbei soll erwähnt werden, dass der Querschnitt von Gleithülsen und Gleitelementen und den zugehörigen Ringräumen u s.w gleichgültig ist. Denkbar sind runde, elyptische, polygone od. dgl. Querschnitte. Es geht ausschliesslich darum, dass der Kolben in Längsachse bewegbar ist.

Für die Wirkfläche der äusseren Druckkammer ist vorgesehen, dass auf eine freie Randkante der äusseren Gleithülse ein Kolbenring aufgesetzt ist. Dieser Kolbenring weist einen grösseren Durchmesser auf, als ein äusserer Durchmesser der äusseren Gleithülse und stützt sich über entsprechende Dichtungen gegen eine Mittelhülse ab, wobei die Druckkammer von dem Kolbenring und der Mittelhülse von der äusseren Gleithülse gebildet wird.

Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf das wohldimensionierte Vorsehen von Totvolumenräumen. Für die äussere Druckkammer wird zwischen der Mittelhülse und dem Zylindergehäuse, welches die Mittelhülse umfängt, durch einen Ringraum ein Totvolumenraum ausgebildet. Gleichfalls wird für den inneren Druckraum zum einen dadurch ein Totvolumenraum ausgebildet, dass die Druckkammer selbst wesentlich grösser ausgestaltet wird, sodass das Gleitelement sie auch in Endlage nicht auf Null reduzieren kann, ferner kann noch zusätzlich ein Vorraum vorgesehen sein, der in dem Druckmedium ansteht. Diese definierten Totvolumina sorgen in den Endstellungen für definierte Eigenkreisfrequenzen als Grundlage einer digitalen Regelbarkeit (Shannon Theorem). Da immer ein gewisses Druckmedium vor den Wirkflächen ansteht, kommt es nicht zu unkontrollierten Ablösebewegungen beim Starten der Kolbenbewegungen.

In einem entsprechenden Verteilerblock, an dem auch das Zylindergehäuse, Mittelgehäuse und die Führungshülsen festliegen, sind entsprechende Zuleitungen vorgesehen, welche wiederum für ein Ventil mit einem Druckspeicher für das Speichermedium in Verbindung stehen.

Wird die Vorrichtung als Wegmesser benutzt, so ist, wie oben erwähnt, der magneto-striktive Stab vorgesehen und gleitet in der Ausnehmung in dem inneren Gleitelement. In diesem Fall kann beispielsweise diesem Gleitelement auch ein Impulsgeber, wie z. B. ein Magnet zugeordnet sein.

Da sich die erfindungsgemässe Vorrichtung vor allem zur Länge-/Wegmessung anbietet, soll für diese Verwendung separat Schutz begehrt werden.

Figurenbeschreibung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Bewegen eines Kolbens ohne ein Steuerventil;
2 eine vergrösserte Darstellung des Ausschnittes II aus 1.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Bewegen eines Kolbens 1 in Richtung der Längsachse 2 (siehe 2) weist ein Zylindergehäuse 3 auf, welches rohrförmig ausgestaltet ist. Linksseitig wird dieses Zylindergehäuse 3 durch eine Überwurfmutter 4 mit einem Verteilerblock 5 verbunden. Anderenends ist in das Zylindergehäuse 3 ein Mündungsring 6 eingesetzt. Ferner ist das Zylindergehäuse 3 in diesem Bereich von einem Flansch 7 umfasst.
Der Mündungsring 6 drückt ferner eine Mittelhülse 8 gegen den Verteilerblock 5, wobei zwischen Mittelhülse 8 und Zylindergehäuse 3 ein Ringraum 9 ausgebildet ist. Nahe dem Mündungsring 6 befindet sich eine Öffnung 10.1 bzw. 10.2 in der Mittelhülse 8, über welche der Ringraum 9 mit einem Druckraum 11 verbunden ist. Dieser Druckraum 11 ist ebenfalls ringförmig zwischen dem Kolben 1 und der Mittelhülse 8 ausgestaltet. Der Kolben 1 begrenzt diesen Druckraum 11 mit einer äusseren Gleithülse 12, auf deren linkes Ende ein Kolbenring 13 aufgesetzt ist. Dieser Kolbenring 13 stützt sich gegen die Mittelhülse 8 über eine Ringdichtung ab, die in eine Nut 14 eingelegt ist.
Die äussere Gleithülse 12 umfängt eine Führungshülse 15, die einends in dem Verteilerblock 5 festgelegt ist und anderenends mit einem offenen Ende in einen Ringraum 16 zwischen der äusseren Gleithülse 12 und einem inneren, rohrförmigen Gleitelement 17 des Kolbens 1 eingreift. Endwärtig sind die äussere Gleithülse 12 und das Gleitelement 17 durch eine Kappe 18 verbunden. Diese Kappe 18 verschliesst auch eine axiale Ausnehmung 19 in dem Gleitelement 17, in welche ein Stab 20 eingreift. Dieser Stab 20 durchzieht auch den Verteilerblock 5 und ist ausserhalb des Verteilerblocks 5 mit einem der Ansteuerlogik des Weggebers 21 verbunden. Auf seinem Weg zum Verteilerblock 5 hin durchzieht der Stab 20 auch einen Magnet 22, der dem Gleitelement 17 gegenüber der Kappe 18 aufgesetzt ist.
Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende:
Über ein entsprechendes Ventil 23 wird durch einen Einlass 24 Druckmedium in ein Vorraum 25 einer Druckkammer 26 eingebracht. Hierzu steht die Druckkammer 26 über entsprechende Bohrungen 27 mit der Druckkammer 26 in Verbindung. Die Druckkammer 26 weist im übrigen selbst bzw. zusammen mit dem Vorraum 25 ein ausreichend hohes Totvolumen am Druckmedium auf, sodass der Kolben 1 auch in den Endstellungen zwischen zwei hydraulischen Federn eingespannt ist.
Beim Füllen der Druckkammer 26 mit Druckmedium wird der Kolben 1 in Richtung der Längsachse 2 ausgeschoben, wobei auch die axiale Ausnehmung 19 durch Radialbohrungen 28 mit Druckmedium gefüllt wird. D. h., die Kolbenwirkfläche setzt sich aus der Stirnfläche 29 des Gleitelementes 17 (gegebenenfalls zuzüglich einer Fläche des Magnetes 22) und einer Innenfläche 30 der Kappe 18 zusammen.
Der vorliegende Ausstossweg des Kolbens 1 wird durch den Magnet 22 im Zusammenwirken mit dem Stab 20 bestimmt, wobei es sich bei dem Stab 20 bevorzugt um einen magneto-striktiven Stab handelt und das Wegmesssystem einen Ultraschall-Wegmesser darstellt, wie er beispielsweise in der DE 33 43 310 C2 beschrieben ist. Die entsprechenden Werte werden von dem Weggeber 21 aufgenommen, dessen integrierte Regelelektronik über eine Leitung 31 das Ventil 23 ansteuert.
Hat der Kolben 1 den gewünschten Weg zurückgelegt, wird die Zufuhr an Druckmedium zu der Druckkammer 26 gestoppt.
Soll nun der Kolben in entgegengesetzte Richtung zurückbewegt werden, erfolgt eine Druckmittelbeaufschlagung des Druckraumes 11 über eine Zuleitung 32 zu dem Ringraum 9 und über die Öffnungen 10.1 und 10.2 in den Druckraum 11. Das Druckmedium steht dann vor dem Kolbenring 13 an und schiebt diesen in Richtung der Längsachse 2 nach links. In Endlage schlägt der Kolbenring 13 an einen Anschlagring 33 in dem Verteilerblock 5 an.
Bezugszeichenliste

Claims

Vorrichtung zum Bewegen eines Kolbens (1), der in einem Zylindergehäuse (3) zwischen zwei volumenveränderbaren Druckkammern (11, 26) gleitbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) nur in jeweils einem Teilbereich (22, 29, 30 bzw. (13) von jeweils einer Druckkammer (11, 26) aus mit einem Druckmedium beaufschlagbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche (22, 29, 30 bzw. 13) sich in Achsrichtung (2) des Kolbens (1) nicht gegenüberliegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zylindergehäuse (3) eine feststehende Führungshülse (15) vorgesehen ist, auf welcher der Kolben (1) gleitet.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Führungshülse (15) in dem Kolben (1) ein Ringraum (16) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Führungshülse (15) und Ringraum (16) querschnittlich rund, elyptisch oder polygon ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (16) ein inneres Gleitelement (17) und eine äussere Gleithülse (12) des Kolbens (1) voneinander trennt, welche ausserhalb der Führungshülse (15) über eine Kappe (18) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Druckmedium der einen Druckkammer (26) an dem inneren Gleitelement (17) ansteht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Druckmedium aus der Druckkammer (26) über Radialbohrungen (28) und in eine axiale Ausnehmung (19) in dem Gleitelement (17) gelangt und auf eine Innenfläche (20) der Kappe (18) drückt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Druckmedium der anderen Druckkammer (11) an einem Kolbenring (13) ansteht, welcher einer freien Randkante der äusseren Gleithülse (12) aufgesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein äusserer Durchmesser des Kolbenringes (13) grösser ist, als ein äusserer Durchmesser der äusseren Gleithülse (12).
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (13) in einer Mittelhülse (8) gleitet und mit dieser und der äusseren Gleithülse (12) die andere Druckkammer (11) ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelhülse (8) von dem Zylindergehäuse (3) umgeben ist, wobei zwischen beiden ein Ringraum (9) für ein Totvolumen ausgebildet ist und beide durch zumindest eine Öffnung (10.1, 10.2) miteinander in Verbindung stehen.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der einen Druckkammer (26) ein Raum (25) für ein Totvolumen an Druckmedium vorgeschaltet ist..
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass beide Druckkammern (11, 26) über Zuleitungen (24, 32) mit einem Ventil (23) und über dieses mit einem Druckspeicher in Verbindung stehen.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Gleitelement (17) eine axiale Ausnehmung (19) aufweist, in welche ein Stab (20) einragt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (20) mit einem Weggeber (21) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gleitelement (17) ein Impulsgeber, z. b. ein Magnet (22), zugeordnet ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Längen-/Wegmessung.