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Die
Erfindung bezeichnet einen Arbeitszylinder mit mechanischer Wegsperrung
für den
Einsatz in hydraulisch oder pneumatisch betriebenen Mechanismen,
deren Bewegung bei Ausfall der Druckenergie durch ein mechanisch
wirkendes Sperrsystem im Arbeitszylinder blockiert ist.
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Bekannt
sind mechanische Sperrsysteme für Arbeitszylinder,
die durch eine form- oder kraftschlüssige Blockierung der Bewegung
der Kolbenstange wirken, wobei Systeme mit kraftschlüssiger Blockierung überwiegen.
Beispielsweise werden dabei Reibkörper durch Federkräfte auf
den inneren oder auch äußeren Mantel
der Kolbenstange, oder auch inneren Mantel des Arbeitszylinderrohrs
gepresst, um mittels des erzielten Reibschlusses die Bewegung der
unter axialer Last stehenden Kolbenstange zu verhindern bzw. zu
blockieren.
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Die
Druckschrift
DE 38
07 669 C2 offenbart einen stufenlos verstellbaren Arbeitszylinder
mit einer mechanischen Sperreinrichtung, der in der Lage ist, seine
Position unter Last in beliebiger Zwischenstellung zuverlässig zu
halten. Erzielt wird diese Wirkung mittels einer hohlen Kolbenstange
mit einer Innenprofilierung, in der eine verschiebbare, axial federbelastete
Stange mit einem Kugelumlaufkanal mit Kugeln, die in die Profilierung
der Kolbenstange eingreifen, angeordnet ist. Die Stange ist mit
einem Betätigungskolben
in einem Betätigungszylinder
verbunden, der die Stange bei Druckbeaufschlagung mit dem Druckmedium
des Arbeitszylinders so verschiebt, dass die Kugeln ungehindert
umlaufen können
und im Falle des Druckabfalls in Sperrstellung gebracht werden,
somit die Kolbenstange an der weiteren Bewegung gehindert ist.
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Andere
bekannte Lösungen
zum verhindern von Bewegungen benutzen Klemmköpfe, die auf die Kolbenstange
des Arbeitszylinders einwirken.
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Es
werden danach Klemmköpfe
als externe Baueinheiten mit einem Arbeitszylinder gekoppelt, die
mittels von Aussen auf angreifendem Klemmelement mit schräger Führungsfläche, das
von einem mittels Servokolben verschiebbaren, unter Federvorspannung
stehendem Spannelement betätigt
wird, die Kolbenstange bei Ausfall des Drucks eines Mediums fixieren.
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Eine
auf dem gleichen Prinzip beruhende Vorrichtung zur Klemmung einer
axial bewegten Stange wird ebenfalls in der Druckschrift
DE 37 07 046 A1 offenbart.
Hierbei erfolgt die Klemmung mittels einer Klemmhülse mit
Aussenkonus, auf den der Innenkonus eines unter Federvorspannung
stehenden Kolbens wirkt.
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Einen
Arbeitszylinder mit hohler Kolbenstange, deren Sperrfläche im Inneren
angeordnet ist, wird in der Druckschrift
DE 33 07 644 A1 beschrieben.
In die hohle Kolbenstange ist eine Vorrichtung zur kraftschlüssigen Klemmung
eingebaut, wobei Klemmsegmente mit Reibbelägen an einem Stützrohr durch
einen Konus an einer Betätigungsstange,
die mit einem Steuerkolben in einem Steuerzylinder verbunden und über eine
Feder in die Klemmstellung vorgespannt ist, zur Blockierung gegen
die Innenwand der Kolbenstange gepresst werden.
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In
der Druckschrift
DE
38 10 183 A1 wird eine Vorrichtung zur Verriegelung einer
Kolbenstange einer Kolben-Zylinderanordnung
beschrieben, deren Klemmvorrichtung im Kolben angeordnet ist und druckabhängig radial
bewegliche innere Scheibensegmente am Kolben entsperrt. Bei anliegendem Druck
des Arbeitsmediums ist die freie Bewegung des Kolbens gegeben. Bei
Druckausfall werden die Scheibensegmente mittels Federn radial in
Richtung der Innenmantelfläche
des Zylinderrohrs verschoben und wirken klemmend.
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Ein
gattungsgemäßer druckmittelbetriebener Arbeitszylinder
mit mechanischer Wegsperrung im drucklosen Zustand wird in
EP 1 170 512 B2 offenbart,
der ein druckabhängiges
Sperrsystem im Bodenteil des Arbeitszylinders aufweist, das im Wesentlichen
aus einem Sperrkolben mit Stößeln und
zwei Sperrscheiben mit Zahnkränzen
besteht, wobei eine Sperrscheibe feststehend ist und die beiden
Zahnkränze
eine den ersten Zahnkranz hemmende, formschlüssige oder kraftschlüssige Koppelung
bilden.
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Bei
Druckbeaufschlagung des Arbeitszylinders wird zunächst ein
Mittelschieber verschoben, der entsprechend seiner Stellung den
Weg des Fluids zum zugeordneten Druckraum und gleichzeitig zu einem
Sperrkolbenraum freigibt, wodurch die Koppelung der Sperrscheiben,
durch den Sperrkolben über die
Stößel, aufgehoben
wird.
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Problematisch
ist bei dieser Lösung,
dass unter Last, bei Druckausfall das Fluid aus dem Arbeitsraum
schneller als aus dem Sperrkolbenraum abströmt. Hierdurch bedingt erfolgt
keine sofortige Sperrung der Bewegung der Kolbenstange. Eine exakte
Positionierung ist somit ebenfalls nicht gegeben.
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Aus
der Druckschrift
DE
20 2004 009 302 U1 ist ein weiterer gattungsgemäßer Arbeitszylinder
mit mechanischer Wegsperrung im drucklosen Zustand bekannt, bei
dem der Zustrom des Druckmediums zum jeweiligen Arbeitsraum durch
eine rohrförmige Sperrbuchse
erfolgt, die den druck- und ablauforientierten Fluidstrom trennt.
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Das
Druckmedium wird bei dieser Lösung durch
den Bereich der axialen und radialen Lagerung der rotierenden inneren
hohlen Kolbenstange geführt,
wodurch bei den vorhandenen hohen Drücken zusätzliche Widerstände entstehen,
die den Wirkungsgrad des rotierenden Systems negativ beeinflussen.
Zudem ist die Fertigung der Innenlagerung der Sperrbuchse aufwendig.
Im rotierenden System entstehen an deren Stirnflächen erhebliche Reibmomente,
die sich auch problematisch auf die Abdichtung auswirken.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Arbeitszylinder mit mechanischer
Wegsperrung im drucklosen Zustand zu entwickeln, der bei Druckausfall
und Ansteuerung einer bestimmten Lage, exakt in der vorgegebenen
Position sperrt, eine hohen Wirkungsgrad aufweist sowie günstig herzustellen
ist.
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Die
Aufgabe wird durch die im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale
gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein
derartiger Arbeitszylinder mit mechanischer Wegsperrung im drucklosen
Zustand besteht im Wesentlichen und in üblicher Weise aus einem Zylinderrohr
mit einem Innenzylinderrohr, einem Führungsteil, einem Bodenteil
mit einer integrierten Steuerung für den Zu- und Abstrom eines
Druckmediums, einem durchbohrten Kolben mit Innengewinde, verbunden
mit einer partiell hohlen Kolbenstange, einer Gewindespindel im
Inneren der Kolbenstange mit einer axial verschiebbaren Sperrscheibe,
die Teil eines Sperrsystems aus zwei Sperrelementen mit einer Sperrfeder
ist, sowie einem Sperrkolben als auch entsprechenden Lagerungen
für die
rotierenden Komponenten.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, den Zustrom des Druckmediums
zum jeweiligen Arbeitsraum des Arbeitszylinders mittels vorgespannter
Sperrventile so zu steuern, dass dieser erst dann erfolgt, wenn
das Sperrsystem freigeschaltet ist, die form- oder kraftschlüssige Koppelung
der Sperrelemente aufgehoben ist. Hierzu sind parallel geschal tete
Sperrventile in den Zulaufkanälen
angeordnet, deren Vorspannung so gewählt ist, dass sich im jeweiligen
Zulaufkanal immer zuerst das Sperrventil zum Sperrkolbenraum öffnet und
mit Sicherheit erst danach das parallel geschaltete Sperrventil,
das den Zustrom des Druckmediums zum Kolbenraum freigibt.
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Bei
Druckbeaufschlagung des Arbeitszylinders wird gleichzeitig ein Mittelschieber,
der im drucklosen Zustand den Ablaufkanal aus dem Sperrkolbenraum
freigegeben hat, so verschoben, dass dieser Ablaufkanal gesperrt
ist, wodurch sich im Sperrkolbenraum der für das Entsperren erforderliche Druck
aufbaut. Nach weiterem Druckaufbau strömt das Fluid durch das vorgespannte
Sperrventil im Kanal zum Arbeitsraum in den Zylinder und beaufschlagt
den Kolben mit dem Arbeitsdruck.
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Zur
Kompensation des Einflusses der von einer Last auf die Kolbenstange
eingebrachten Kraft auf die Abströmgeschwindigkeit des Fluids
aus dem Sperrkolbenraum, im drucklosen Zustand, ist im ablauforientierten
Kanal des Kolbenraums ein Ventil mit definierter Vorspannung angeordnet,
womit dem Abströmen
des Fluids aus diesem Raum ein Widerstand entgegengesetzt wird,
dies gedrosselt erfolgt.
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Bei
Drucklosschaltung des Arbeitszylinders wird das Abströmen des
Fluids aus dem Kolbenraum soweit verringert, dass das Fluid aus
dem Sperrkolbenraum wesentlich schneller abströmt, das Sperrsystem mit äußerst geringer
Verzögerung
die Bewegung der Kolbenstange blockiert.
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Die
Sinkgeschwindigkeit der Last und die damit erfolgende Positionsänderung
wird hierdurch wesentlich minimiert. Vorgegebene Positionen sind
exakt ansteuerbar und die Arbeitssicherheit wird verbessert.
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Die
Größe des Widerstands
zur Drosselung des Abströmens
des Fluids aus dem Kolbenraum bestimmt den Wert für die Verzö gerung gegenüber dem Zeitpunkt
der Sperrung der Bewegung der Kolbenstange.
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Mittels
Wahl der geeigneten Federkraft für die
Vorspannung des Ventils kann die Verzögerungszeit zum Sperren in
einem weiten Bereich bis auf nahezu Null reduziert werden. Je größer die
Last, somit die auf die Kolbenstange einwirkende Kraft ist, um so größer muss
die Federvorspannung des Ventils gewählt werden.
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Des
Weiteren wird das in den jeweiligen Kolbenraum zu leitende Druckmedium über die
Kanäle so
geführt,
dass die für
die Lagerung der Spindel, als Antriebswelle zum Bewegen der Kolbenstange,
erforderlichen Räume
nicht von dem unter hohem Druck stehenden Fluid durchströmt werden,
ebenso wie der Raum der Sperrfeder.
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Von
besonderem Vorteil ist, dass die Lagerungen der rotierenden Gewindespindel
frei von druckführenden
Fluidströmen
sind, wodurch sich ein höherer
Wirkungsgrad ergibt und vereinfachte Abdichtungen im Inneren des
Arbeitszylinders realisierbar sind.
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Da
der Raum der Sperrfeder ebenfalls drucklos ist, werden weitere Verzögerungen
beim Sperrvorgang vermieden.
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Die
Erfindung wird als Ausführungsbeispiel an
Hand von 1 als Halbschnitt des Arbeitszylinders
mit Darstellung der Ansteuerung
näher erläutert.
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Ein
Arbeitszylinder mit mechanischer Wegsperrung im drucklosen Zustand
nach 1 besteht im Wesentlichen und in üblicher
Weise aus einem Doppelzylinderrohr mit Strömungsnuten, das aus einem äußeren Zylinderrohr 1 und
einem inneren Zylinderrohr 2 gebildet ist, einem Kolben 3 an
einer partiell hohlen Kolbenstange 4, einem Führungsteil 5,
einem Bodenteil 6 mit Ventilen und Kanälen für ein Fluid als Druckmedium
sowie einer Einrichtung zur mechanischen Sperrung im drucklosen
Zustand. Diese an sich bekannte Einrichtung weist vorzugsweise einen Kugelgewindetrieb 7 auf,
dessen Mutter 8 kraft- und formschlüssig mit dem Kolben 3 verbunden
ist, und dessen Gewindespindel 9 im Bereich des Bodenteils 6 eine
Keilverzahnung 10 aufweist, die ein axial verschiebbares
formschlüssig
gekoppeltes erstes Sperrelement 11 in Form einer Sperrscheibe
mit einer Stirnverzahnung 12.1 trägt, das im drucklosen Zustand
mit einer Stirnverzahnung 12.2 eines im Bodenteil lösbar verankerten
zweiten, feststehenden Sperrelements 13 in Form eines stirnverzahnten Kreisrings
eine form- oder kraftschlüssige
Koppelung bilden und so die Rotation der Gewindespindel 8 blockieren.
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Die
Gewindespindel 9 des Kugelgewindetriebs 7 ist
mittels Radiallagern 14 in einem Lagergehäuse 15 gelagert,
wobei die auf das Lagergehäuse 15 in
Abhängigkeit
der, entsprechend der Funktionsphase des Arbeitszylinders, wechselseitig
einwirkenden Kräfte
von einem ersten Axiallager 16 und einem zweiten Axiallager 17 aufgenommen
werden.
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Das
erste Axiallager 16 stützt
sich auf einer gegen Verschiebung auf der Gewindespindel 9 gesicherten
Kreisringscheibe 18 mit einer Innen- und einer Außendichtung
ab, womit die Abdichtung des Bereichs der Lagerung gesichert ist.
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Das
zweite Axiallager 17 nimmt auch die von einer Sperrfeder 19 einwirkende
Kraft auf. Die Sperrfeder 19 ist von einem Federgehäuse 20 aufgenommen,
das aus sich gegenüberliegenden
Räumen
in einem Gehäuseteil 21 und
im ersten Sperrelement 11 gebildet wird.
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Das
erste Sperrelement 11 ist in seiner axialen, zylindrischen
Verlängerung
zudem als Sperrkolben 22 ausgebildet, der in einen Sperrkolbenraum 23 ragt.
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Eine
Dichtung 24 am größten Umfang
des ersten Sperrelements 11 gewährleistet, dass kein Fluid
aus dem Sperrkolbenraum 23 in das Federgehäuse 20 fließen kann.
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Die
Zuführung
eines unter Druck stehenden Fluids erfolgt über einen ersten Anschluss
P und der Abfluss des Fluids über
einen zweiten Anschluss T im Bodenteil 6.
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Das
Bodenteil 6 weist alle erforderlichen Kanäle 25 sowie
Ventile auf, um das Fluid gesteuert den Arbeitsräumen zuführen zu können und abströmen zu lassen.
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Bei
Druckbeaufschlagung des ersten Anschlusses P strömt das Fluid zu einem ersten
Zulaufventil 26, zu einem Druckraum eines Mittelschiebers 27,
der aus seiner über
Federn gehaltenen Mittelstellung, der ablauforienten Grundstellung,
bis zu dessen Endanschlag verschoben wird, so dass ein Ablauf 28 für das Fluid
aus dem Sperrkolbenraum 23 gesperrt ist und zu einem ersten
Sperrventil 29 sowie durch dieses weiter in den Sperrkolbenraum 23.
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Das
erste Zulaufventil 26 und das erste Sperrventil 29 stehen
unter Federvorspannung, wobei das erste Zulaufventil 26 wesentlich
höher vorgespannt
ist als das erste Sperrventil 29, wodurch bei nachfolgendem
Druckanstieg das Fluid zunächst
in den Sperrkolbenraum 23 strömt, den Sperrkolben 22 axial
in Richtung des Führungsteils
verschiebt und somit die Koppelung des ersten Sperrelements 11 mit dem
feststehenden Sperrelement 13 mittels deren Stirnverzahnung 12 (12.1; 12.2)
freigibt. Nach weiterem Druckanstieg und nach der Überwindung
der Vorspannung, strömt
das Fluid weiter durch das erste Zulaufventil 26 über eine
Verbindung 30 in der Gewindespindel 9 in einen
Kolbenraum 31. Mit weiter steigenden Druck des Fluids wird
der Kolben 3 axial in Richtung Führungsteil 5 verschoben. Über die Wirkverbindung
des Kugelgewindetriebs 7 rotiert die Gewindespindel 9 mit
einer von der Ausfahrgeschwindigkeit der Kolbenstange 4 ab hängenden Drehzahl
und mit dieser synchron alle formschlüssig gekoppelten Teile des
Sperrsystems, mit Ausnahme des feststehenden Sperrelements 13.
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Der
ausfahrende Kolben 3 verdrängt das in einem Kolbenstangenraum 32 befindliche
Fluid, das über
eine Bohrung 33, die Strömungsnuten im Doppelzylinderrohr,
einen Umlaufkanal 34 und ein Rücklaufventil 35 zum
zweiten Anschluss T fließt
und abläuft.
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Für die gegenläufige Bewegung,
zum Einfahren der Kolbenstange 4 wird das unter Druck stehende
Fluid über
den zweiten Anschluss T zugeführt und
strömt
zu einem zweiten Sperrventil 36 zum Sperrkolbenraum 23,
zu einem zweiten Zulaufventil 37 und zu dem, dem Druckraum
bei Druckbeaufschlagung über
den ersten Anschluss P gegenüberliegenden
Druckraum des Mittelschiebers 27, der auch hier aus seiner über Federn
gehaltenen Mittelstellung, der ablauforienten Grundstellung, bis
zu dessen anderen Endanschlag verschoben wird, so dass der Ablauf 28 für das Fluid
aus dem Sperrkolbenraum 23 gesperrt ist. Das zweite Sperrventil 36 und
das zweite Zulaufventil 37 weisen in Analogie zum ersten
Zulaufventil 26 und dem ersten Sperrventil 29 unterschiedliche
Federvorspannungen auf, wodurch bei nachfolgendem Druckanstieg das
Fluid zunächst
wieder in den Sperrkolbenraum 23 strömt, den Sperrkolben 22 axial
in Richtung des Führungsteils
verschiebt und somit die Koppelung des ersten Sperrelements 11 mit
dem feststehenden Sperrelement 13 mittels deren Stirnverzahnung 12 (12.1; 12.2)
freigibt. Wiederum mit Sicherheit, erst nach weiterem Druckanstieg,
nach Überwindung
dessen Vorspannung, strömt
das Fluid weiter durch das zweite Zulaufventil 37, den
Umlaufkanal 34, die Strömungsnuten
im Doppelzylinderrohr und durch die Bohrung 33 in den Kolbenstangenraum 32.
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Der
Kolben 3 wird durch den Druck des Fluids axial in Richtung
Bodenteil 6 verschoben, die Kolbenstange 4 wird
eingefahren und das Fluid aus dem Kolbenraum 31 über ein
vorge spanntes Drosselventil 38 zum ersten Anschlusses P
verdrängt,
wo es ablaufen kann.
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Mittels
der, in Abhängigkeit
von der auf die Kolbenstange 4 einwirkenden Kraft, gewählten Vorspannung
des Drosselventils 38 wird sicher gestellt, dass bei Drucklosschaltung
des Arbeitszylinders und auch im Havariefall, bei Ausfall des Drucks,
das Fluid aus dem Sperrkolbenraum 23 über den Ablauf 28, den
Mittelschieber 27 und einem jeweils zugeordneten Mittelschieberventil 39 zu
einem der Anschlüsse P;
T wesentlich schneller abströmt
als aus dem Kolbenraum 31, wodurch eine sichere und lagegenaue Sperrung,
somit auch Positionierung garantiert ist.
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- 1
- äußeres Zylinderrohr
- 2
- inneres
Zylinderrohr
- 3
- Kolben
- 4
- Kolbenstange
- 5
- Führungsteil
- 6
- Bodenteil
- 7
- Kugelgewindetrieb
- 8
- Mutter
- 9
- Gewindespindel
- 10
- Keilverzahnung
- 11
- erstes
Sperrelement
- 12
- Stirnverzahnung
(12.1; 12.2)
- 13
- feststehendes
Sperrelement
- 14
- Radiallager
- 15
- Lagergehäuse
- 16
- erstes
Axiallager
- 17
- zweites
Axiallager
- 18
- Kreisringscheibe
mit Innen- und Außendichtung
- 19
- Sperrfeder
- 20
- Federgehäuse
- 21
- Gehäuseteil
- 22
- Sperrkolben
- 23
- Sperrkolbenraum
- 24
- Dichtung
- 25
- Kanäle
- P
- erster
Anschluss
- T
- zweiter
Anschluss
- 26
- erstes
Zulaufventil
- 27
- Mittelschieber
- 28
- Ablauf
- 29
- erstes
Sperrventil
- 30
- Verbindung
- 31
- Kolbenraum
- 32
- Kolbenstangenraum
- 33
- Bohrung
- 34
- Umlaufkanal
- 35
- Rücklaufventil
- 36
- zweites
Sperrventil
- 37
- zweites
Zulaufventil
- 38
- Drosselventil
- 39
- Mittelschieberventil