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Die Erfindung betrifft einen Hubzylinder mit einem Zylinderhohlraum und einem im Zylinderhohlraum angeordneten Hubkolben, welcher einen Kolbenabschnitt und einen Stangenabschnitt umfasst und welcher den Zylinderhohlraum in einen Kolbenbodenraum und einen Kolbenringraum unterteilt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Hubvorrichtung mit einem solchen Hubzylinder.
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Derartige Hubzylinder werden bei vielen Anwendungen eingesetzt, wenn es darum geht, Lasten anzuheben. Das Ausfahren des Hubkolbens aus dem Hubzylinder erfolgt, indem in den sich zwischen dem Boden des Hubzylinders und der von dem Stangenabschnitt wegweisenden Seite des Kolbenabschnitts befindenden Kolbenbodenraum ein Fluid, beispielsweise ein Hydrauliköl, gepumpt wird und dadurch der Hubkolben angehoben wird. Gleichzeitig wird ein Fluid in dem sich oberhalb des Kolbenabschnitts um den Stangenabschnitt herum befindenden Kolbenringraum verdichtet und/oder verdrängt. Dabei wird der Kolbenbodenraum vergrößert und der Kolbenringraum verkleinert. Das Einfahren erfolgt in umgekehrter Weise.
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Ein besonderer Einsatzzweck ist das Anheben sogenannter Hebebühnen. Hebebühnen, insbesondere, wenn sie schwere Lasten tragen sollen, werden dabei oft mit einem relativ großen, steifen Zylinder angehoben, der zentral unter der Hebebühne angeordnet ist. Als Alternative werden auch Hebebühnen mit einem relativ steifen, schweren Scherenmechanismus konstruiert. Da durch diese Mechanismen der Raum unter der Hebebühne blockiert ist, bieten sich diese Konstruktionen nicht an, wenn unter der angehobenen Hebebühne ein freier Platz benötigt wird, beispielsweise in Einrichtungen, in denen Lasten auf unterschiedlichen Ebenen gelagert werden sollen. So gibt es Anwendungen, bei denen zunächst Lasten auf die Hebebühne gestellt werden sollen, anschließend die Hebebühne angehoben werden soll und danach in dem Raum unter der Hebebühne weitere Gegenstände gelagert werden sollen. Auf diese Weise sollen möglichst viele Gegenstände auf einer kleinen Grundfläche gelagert werden. Solche Systeme werden daher oft auch in Fahrzeugen wie z. B. Leichenwagen, Autotransportern etc. eingesetzt. Für derartige Konstruktionen müssen mehrere, entsprechend kleinere Hubzylinder im Randbereich bzw. den Ecken der Hebebühne installiert werden. Dabei stellt sich die Problematik, dass alle Hubzylinder gleichmäßig aus- und wieder eingefahren werden müssen, da es ansonsten zu einem Verkanten und zum Blockieren der Hebebühne kommen kann. Im Extremfall kann dies auch zu Unfällen führen.
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Um für ein gleichmäßiges Ein- und Ausfahren einer Mehrzahl von Hubzylindern zu sorgen, werden derzeit die Hubhöhen mit Wegaufnehmern vermessen und es erfolgt eine Steuerung über elektronische Proportionalventile oder proportionale Mengenteiler. Die exakte Messung der Hubhöhe und die genaue Steuerung sind dabei relativ aufwändig.
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Eine andere Möglichkeit, mehrere gleichlaufende Hubzylinder zu realisieren, ist eine Reihenschaltung bzw. Hintereinanderschaltung der Hubzylinder. Bei dieser Reihenschaltung wird jeweils der Kolbenringraum eines ersten Hubzylinders in der Reihe mit dem Kolbenbodenraum des in der Reihe nachfolgenden Hubzylinders verbunden. Dabei kann eine beliebige Anzahl von Hubzylindern hintereinander geschaltet werden. Wird nun in den Kolbenbodenraum des ersten Hubzylinders ein Fluid gepumpt, so hebt sich der Hubkolben an und verdrängt das Fluid im Kolbenringraum des ersten Hubzylinders, welches in den Kolbenbodenraum des zweiten Hubzylinders gedrückt wird usw. Dabei ist darauf zu achten, dass der Kolbenringraum eines in der vorhergehenden Reihe angeordneten Hubzylinders an das Volumen des Kolbenbodenraums des nachfolgenden Hubzylinders angepasst ist, was sich durch die Dicke des Stangenabschnitts definieren lässt.
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Ein Problem hierbei ist insbesondere die Entlüftung und das Befüllen der Hubzylinder sowie der Verbindungsleitungen zwischen zwei Hubzylindern. Zwar ist Hydrauliköl theoretisch nicht komprimierbar. Dies gilt aber nicht für die unvermeidlich im Öl befindlichen Luftbläschen. Insbesondere nach einer Erstinbetriebnahme, aber auch nach einer bestimmten Anzahl von Betriebsstunden ist daher eine Wartung erforderlich, in der dafür gesorgt wird, dass die Leitungen bzw. die Innenräume der Zylinder entlüftet werden, um den Lufteinfluss zu eliminieren. Andernfalls kommt es zu einem Ungleichlauf der Hubzylinder, was zu den oben erwähnten Problemen führt. Eine solche Entlüftung und Neubefüllung mit Öl ist relativ aufwändig. Es müssen entsprechende Entlüftungsventile und Öleinfüllventile an den verschiedensten Stellen der gesamten Hubvorrichtung, insbesondere zwischen jeweils zwei Hubzylindern, eingebaut werden. Der gesamte Wartungsvorgang muss sehr sorgfältig und folglich zeitraubend durchgeführt werden.
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Die
DE 2 245 129 A zeigt einen Arbeitszylinder, der innerhalb eines Kolbens eine Ventilanordnung mit zwei sich in einer Bohrung im Kolben gegenüberliegenden Rückschlagventilen aufweist. In den beiden Endlagen des Kolbens wird jeweils eines der Rückschlagventile mechanisch geöffnet. Durch das andere Rückschlagventil ist dann ein Druckausgleich zwischen Kolbenbodenraum und Kolbenringraum möglich, wobei jedoch Fluid nur in eine Richtung strömen kann. In ähnlicher Weise zeigt die
DE 34 17 447 A1 einen Kolben in einem Hydraulikzylinder mit zwei als Druckbegrenzerventile dienenden, entgegenwirkenden Rückschlagventilen. Die Rückschlagventile werden dabei jeweils durch eine Druckfeder in einer Schließstellung gehalten, wobei in den Endlagen durch Stößel die Vorspannung jeweils einer der Federn mechanisch erhöht wird, um so den Ansprechdruck des betreffenden Druckbegrenzerventils zu erhöhen. Die DE D 20723 la/60 zeigt einen hydraulischen Zylinder mit mehreren teleskopartig ineinanderschiebbaren Kolben. Die Kolbenringräume sind jeweils mit dem Kolbenbodenraum über vom Kolbenringraum zum Kolbenbodenraum sperrende Rückschlagventile verbunden, die in bestimmten Stellungen der Hubzylinder zueinander mechanisch entsperrt werden. Durch diese Anordnung steigt die Hubkraft mit zunehmendem Zylinderhub. All diese Konstruktionen bieten somit keine Lösung für die oben genannte Problematik.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hubzylinder der eingangs genannten Art sowie eine Hubvorrichtung zu schaffen, welche bezüglich dieser Entlüftungsproblematik nahezu wartungsfrei sind.
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Diese Aufgabe wird durch einen Hubzylinder gemäß Patentanspruch 1 und durch eine Hubvorrichtung gemäß Patentanspruch 18 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßer Hubzylinder ist dadurch gekennzeichnet, dass er eine Ventilanordnung aufweist, welche im geöffneten Zustand eine von einem Fluid zwischen dem Kolbenbodenraum und dem Kolbenringraum durchströmbare Verbindung öffnet und im geschlossenen Zustand diese Verbindung verschließt. Die Ventilanordnung ist dabei so ausgebildet, dass sie in beiden Richtungen zwischen dem Kolbenbodenraum und dem Kolbenringraum durchströmbar geöffnet ist, wenn der Hubkolben in einer eingefahrenen Position ist und zudem der Fluiddruck im Kolbenbodenraum unterhalb eines vorgegebenen Grenzdrucks liegt, und dass sie bei einem Fluiddruck oberhalb des Grenzdrucks oder in einer teilweise ausgefahrenen Position des Hubkolbens (d. h. in einer Zwischenposition) geschlossen ist. Unter einer eingefahrenen Position ist hierbei die Endlage oder eine Position in definiertem kurzem Abstand vor der Endlage des Hubkolbens am Zylinderboden zu verstehen.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Ventilanordnung ist es möglich, das Fluid in einer bestimmten Lage des Hubkolbens, nämlich, wenn er sich in der eingefahrenen Position befindet, durch den Kolbenbodenraum zum Kolbenringraum zu drücken und somit den Hubkolben komplett von einem Anschluss am Kolbenbodenraum, in welchen üblicherweise das Fluid zum Ausfahren des Hubkolbens gepumpt wird, zu befüllen. Dabei kann gleichzeitig das Fluid im kompletten Hubzylinder komprimiert werden. Insbesondere kann der komplette Zylinder in beiden Richtungen, d. h. sowohl vom Kolbenbodenraum zum Kolbenringraum als auch in umkehrter Richtung, entlüftet und gespült werden. Erst oberhalb des Grenzdrucks ist dafür gesorgt, dass die Ventilanordnung geschlossen ist, so dass durch ein weiteres Einpumpen von Fluid in den Kolbenbodenraum der Hubkolben ausgefahren wird.
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Dies gilt auch, wenn in einer erfindungsgemäßen Hubvorrichtung nicht nur ein erfindungsgemäßer Hubzylinder eingesetzt wird, sondern mehrere solcher Hubzylinder hintereinander in Reihe geschaltet werden. Auch dann ist ein Befüllen und Durchspülen des kompletten Systems möglich, solange der Druck im Kolbenbodenraum des Zylinders unterhalb des Grenzdrucks liegt. Ebenso kann auch das Fluid im kompletten Fluid-System komprimiert werden.
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Weiterhin hat diese Anordnung bei einer Reihenschaltung von mehreren erfindungsgemäßen Hubzylindern den Vorteil, dass alle Hubzylinder in die ein gefahrenen Position fahren, auch wenn einer der Hubzylinder etwas zu früh in die eingefahrene Position gelangt, da in diesem Hubzylinder dann ja die Ventileinrichtung geöffnet ist und der Hubzylinder innerhalb des Gesamtkreislaufs völlig durchlässig wird.
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Die abhängigen Ansprüche betreffen jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders bevorzugt ist die Ventilanordnung so ausgebildet, dass sie zumindest in einer Strömungsrichtung vom Kolbenbodenraum zum Kolbenringraum hin auch geöffnet ist, wenn der Hubkolben in einer ausgefahrenen Position ist, d. h. wenn sich der Hubkolben in der oberen Endlage mit ganz ausgefahrener Stange oder in einem definierten kurzem Abstand vor dieser Endlage des Hubkolbens an der Stirnwand der Zylinderführungsbuchse befindet.
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Bei dieser bevorzugten Konstruktion ist also die Ventilanordnung nur in den Zwischenpositionen des Hubkolbens zwischen den beiden Endlagen vollständig geschlossen. Durch solche Öffnung der Ventilanordnung in der ausgefahrenen Position kann vermieden werden, dass bei einer Reihenschaltung mehrerer Hubzylinder einer der Hubzylinder oben bleibt, falls die externe Last auf den Hubzylinder kleiner ist als die durch den Restöldruck im Zylinder auf die Stange des Hubzylinders ausgeübte Kraft. Da ja die Ventilanordnung geöffnet ist, reicht eine sehr geringe externe Kraft auf die Stange aus, um den Hubkolben aus der ausgefahrenen Position herauszudrücken. Der Hubkolben kann also nicht in der ausgefahrenen Position „gefangen” werden und so zu einer Blockade führen. In dieser Position ist die Ventilanordnung jedoch nicht in der Strömungsrichtung vom Kolbenringraum zum Kolbenbodenraum hin durchströmbar. Dadurch ist sichergestellt, dass durch ein Einströmen von Fluid in den Kolbenringraum der Hubkolben sicher eingefahren wird.
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Grundsätzlich ist es möglich, eine solche Ventilanordnung in einem parallel zum Hubzylinder angeordneten, den Kolbenbodenraum und den Kolbenringraum untereinander verbindenden Bypass einzubauen, in dem entsprechende Ventile mit Hilfe geeigneter Endlagenschalter und Drucksensoren am bzw. im Hubzylinder gesteuert werden. Besonders bevorzugt ist aber die gesamte Ventilanordnung im Hubzylinder integriert. Eine solche Bauweise ist besonders kompakt, und es kann auf aufwändige Sensoren und Schalter verzichtet werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Variante sind hierbei der Kolbenbodenraum und der Kolbenringraum über zwei im Hubkolben verlaufende Wege miteinander verbunden. Dabei sind die Wege jeweils durch im Hubkolben angeordnete Ventileinheiten verschlossen, wobei eine der Ventileinheiten automatisch nur geöffnet ist, wenn der Hubkolben in der eingefahrenen Position ist und der Fluiddruck im Kolbenbodenraum unterhalb des Grenzdrucks liegt und eine andere der Ventileinheiten automatisch nur geöffnet ist, wenn der Hubkolben in der ausgefahrenen Position ist. Ein solcher Aufbau lässt sich relativ einfach und kostengünstig realisieren.
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Vorzugsweise weist die Ventilanordnung eine im Hubkolben angeordnete erste Ventileinheit mit einem ersten Ventilkolben auf, welche so ausgebildet ist, dass sie hinsichtlich des Fluiddrucks im Kolbenbodenraum druckausgeglichen ist und durch einen bestimmten mechanischen Druck geöffnet wird. „Druckausgeglichen” heißt hierbei, dass die Ventileinheit nicht durch einen Fluiddruck geöffnet werden kann, sondern nur durch den mechanischen Druck, welcher beispielsweise aus einer vom Kolbenbodenraum aus wirkenden Richtung auf den Ventilkolben ausgeübt wird. Hierzu weist der Hubzylinder im Kolbenbodenraum ein Anschlagelement auf, welches so ausgebildet und/oder gelagert ist, dass es sich bei einem Fluiddruck im Kolbenbodenraum unterhalb des Grenzdrucks in einer Anschlagstellung befindet und in der eingefahrenen Position des Hubkolbens auf den ersten Ventilkolben einen mechanischen Druck zur Öffnung der ersten Ventileinheit ausübt und dass es bei einem Fluiddruck im Kolbenbodenraum oberhalb des Grenzdrucks in eine Leerstellung gedrückt wird, so dass es in der eingefahrenen Position des Hubkolbens keinen ausreichenden mechanischen Druck mehr auf den ersten Ventilkolben ausüben kann. In dieser Leerstellung ist also dafür gesorgt, dass der Ventilkolben der ersten Ventileinheit ins Leere geht, anstatt gegen den Anschlag zu drücken, so dass er dementsprechend oberhalb des gewünschten Grenzdrucks nicht in die Öffnungsstellung gedrückt wird.
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Ein solches Anschlagelement ist so realisierbar, dass es in einer Ausnehmung in einem Boden des Hubzylinders gegenüber dem im Hubkolben gelagerten ersten Ventilkolben angeordnet ist und durch ein Federelement, beispielsweise eine mechanische Feder oder eine Luftdruck- bzw. Gasdruck- oder Hydraulikfeder, in der Anschlagstellung gehalten wird. Dabei muss das Federelement so ausgebildet sein, d. h. die Kraft auf das Anschlagelement muss so groß sein, dass das Anschlagelement durch einen (Fluid-)Druck im Kolbenbodenraum oberhalb des Grenzdrucks in die besagte Leerstellung gedrückt werden kann.
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Der Hubkolben ist in ähnlicher Weise bevorzugt im Hubkolben so gelagert, dass er mittels eines Federelements zum Kolbenbodenraum hin in eine Schließstellung gedrückt wird, in welcher der erste Ventilkolben mit einer Dichtfläche gegen einen im Hubkolben angeordneten ersten Ventilsitz drückt und in der der erste Ventilkolben in den Kolbenbodenraum hineinragt. Das heißt, der Ventilkolben ragt in dieser Stellung aus der Bodenfläche des Kolbenabschnitts heraus und kann folglich gegen das Anschlagelement im Boden des Zylinders drücken, wenn sich dieses in der Anschlagstellung und nicht in der Leerstellung befindet.
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Eine Möglichkeit, den Ventilkolben bzw. die erste Ventileinheit so auszubilden, dass sie druckausgeglichen ist, besteht darin, dass der erste Ventilkolben im Hubkolben in einer ersten Ventilbohrung, welche sich beispielsweise auch innerhalb einer in eine geeignete Ausnehmung im Hubkolben eingebrachten Ventilhülse befinden kann, zwischen einem ersten Hohlraum im Hubkolben und dem Kolbenbodenraum gelagert ist. Dabei sind der erste Hohlraum und der Kolbenbodenraum so miteinander verbunden, dass ein Fluid unbehindert vom Kolbenbodenraum in den ersten Hohlraum strömen kann. Die Querschnittsfläche des ersten Ventilkolbens zum Kolbenbodenraum hin und die Querschnittsfläche des ersten Ventilkolbens zum ersten Hohlraum hin sind im Wesentlichen gleich groß ausgebildet, so dass das Fluid im Kolbenbodenraum in beiden Richtungen entlang der Bewegungsachse des Ventilkolbens mit gleicher Kraft auf den Ventilkolben wirkt. Dadurch ist die Druckausgeglichenheit bezüglich des Drucks im Kolbenbodenraum sichergestellt.
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Im Hubkolben kann dabei vorzugsweise auch eine Verbindung in Form einer Bohrung oder dergleichen zwischen dem ersten Hohlraum des Hubkolbens und dem Kolbenringraum realisiert sein, wobei der Ventilkolben zur Realisierung der Ventileinheit so ausgebildet ist, dass er in der Schließstellung genau diese Verbindung verschließt.
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Vorzugsweise weist die Ventilanordnung außerdem eine im Hubkolben angeordnete zweite Ventileinheit mit einem zweiten Ventilkolben auf, welche so ausgebildet ist, dass sie hinsichtlich des Fluiddrucks im Kolbenringraum druckausgeglichen ist und durch einen mechanischen Druck geöffnet wird, wenn der Hubkolben in der ausgefahrenen Position ist. Hierdurch kann die Öffnung der Ventilanordnung im ausgefahrenen Zustand des Hubkolbens realisiert werden.
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Auch dieser zweite Ventilkolben ist vorzugsweise im Hubkolben so gelagert, dass er mittels eines Federelements zum Kolbenringraum hin in eine Schließstellung gedrückt wird, in der der zweite Ventilkolben mit einer Dichtfläche gegen einen im Hubkolben angeordneten zweiten Ventilsitz drückt und in der der zweite Ventilkolben in den Kolbenringraum hineinragt. Das heißt, hier ragt der zweite Ventilkolben aus der den Stangenabschnitt umgebenden Ringfläche des Kolbenabschnitts heraus und drückt automatisch in der ausgefahrenen Position des Hubkolbens gegen die obere Stirnwand des Hubzylinders, beispielsweise die dort üblicherweise befindliche Führungsbuchse, so dass er im Anschlag gegen die Kraft des Federelements aus der Schließstellung in eine geöffnete Stellung gedrückt wird.
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Die Federelemente des ersten und zweiten Ventilkolbens können jeweils z. B. mechanische Federn oder Luftdruck- bzw. Gasdruck- oder Hydraulikfedern sein.
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Auch der zweite Ventilkolben ist – ähnlich wie der erste Ventilkolben – vorzugsweise im Hubkolben in einer zweiten Ventilbohrung zwischen einem zweiten Hohlraum im Hubkolben und dem Kolbenringraum gelagert. Auch hier sind der zweite Hohlraum und der Kolbenringraum so miteinander verbunden, dass ein Fluid ungehindert zwischen dem Kolbenringraum und dem zweiten Hohlraum strömen kann und die Querschnittsfläche des zweiten Ventilkolbens zum Kolbenringraum hin und die Querschnittsfläche des zweiten Ventilkolbens zum zweiten Hohlraum hin im Wesentlichen gleich groß sind. Es wird also hier in der gleichen Weise wie bei der ersten Ventileinheit die Druckausgeglichenheit hergestellt.
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Besonders bevorzugt sind der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum im Hubkolben über zwei Wege miteinander verbunden. Der eine Weg ist in der Schließstellung des ersten Ventilkolbens durch den ersten Ventilkolben verschlossen und der andere Weg ist in der Schließstellung des zweiten Ventilkolbens durch den zweiten Ventilkolben verschlossen.
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Der Verbindungsweg vom ersten Hohlraum zum Kolbenbodenraum und vorzugsweise auch der Verbindungsweg vom zweiten Hohlraum zum Kolbenringraum verlaufen bevorzugt jeweils durch die entsprechenden ersten und zweiten Ventilkolben. Dies ist einfach möglich, indem in den ersten Ventilkolben und/oder in den zweiten Ventilkolben eine durchgehende, längs laufende Bohrung eingebracht ist.
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Um dafür zu sorgen, dass in der ausgefahrenen Stellung des Hubkolbens die Ventilanordnung nur in einer Richtung, nämlich vom Kolbenbodenraum zum Kolbenringraum hin, durchströmbar ist, weist die Ventilanordnung bevorzugt ein Rückschlagventil auf. Dies kann sich z. B. im bzw. am Verbindungsweg zwischen dem ersten Hohlraum des Hubkolbens und dem Kolbenbodenraum befinden und diesen Verbindungsweg verschließen.
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Bevorzugt weist die Ventilanordnung außerdem ein Stellelement auf, welches im eingefahrenen Zustand des Hubkolbens automatisch das Rückschlagventil öffnet, so dass das Fluid dann unbehindert vom Kolbenringraum in den Kolbenbodenraum strömen kann.
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Bei einer besonders bevorzugten, einfachen Realisierung verschließt das Rückschlagventil die Bohrung im ersten Ventilkolben zwischen dem ersten Hohlraum im Hubkolben und dem Kolbenbodenraum. Das Stellelement umfasst einen durch die Bohrung im ersten Ventilkolben verlaufenden Stößel, welcher automatisch betätigt wird, wenn der Hubkolben in die eingefahrene Position fährt. Beispielsweise kann das Rückschlagventil eine Kugel aufweisen, die an der zum ersten Hohlraum weisenden Seite der Bohrung federnd gelagert ist und durch den durch die Bohrung verlaufenden Stößel aufgedrückt wird.
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Wie bereits oben erläutert, kann eine erfindungsgemäße Hubvorrichtung mit einem einzelnen solchen Hubzylinder aufgebaut sein. Eine solche Hubvorrichtung ist besonders einfach zu befüllen und zu entlüften.
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Besondere Vorteile hat der erfindungsgemäße Hubzylinder jedoch dann, wenn die Hubvorrichtung mehrere in Reihe hintereinander geschaltete Hubzylinder aufweist, wobei vorzugsweise die Stangen der einzelnen Hubzylinder endseitig mit einer gemeinsamen Last verbunden sind. Dabei sind grundsätzlich verschiedenste Aufbauten möglich.
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Bei einer bevorzugten Variante ist der erste Kolbenbodenraum eines ersten Zylinders in der Reihe von Hubzylindern mit einer Pumpe verbunden. Diese Pumpe pumpt zum Ausfahren des ersten Hubzylinders aus einem Reservoir ein Fluid in den Kolbenbodenraum. Außerdem ist der Kolbenbodenraum des ersten Hubzylinders über ein Absenkventil mit dem Reservoir verbunden, wobei bei geöffnetem Absenkventil das Fluid beim Einfahren des Hubkolbens in den Zylinder in das Reservoir zurückgedrückt wird. Dabei kann der letzte Hubzylinder in der Reihe als Plungerzylinder ausgebildet sein, d. h. es handelt sich um einen einfachen Zylinder mit einem Hubkolben ohne eine erfindungsgemäße Ventileinrichtung. Besonders bevorzugt ist aber auch der letzte Hubzylinder in der Reihe ein Hubzylinder der erfindungsgemäßen Art. Dann ist vorzugsweise der Kolbenringraum des letzten Hubzylinders über ein Druckbegrenzungsventil wiederum mit dem Reservoir verbunden.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten (nicht maßstäblichen) Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es stellen dar:
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1a einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß aufgebauten Hubzylinders in einer Mittelposition;
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1b eine vergrößerte Darstellung der Ventileinheit im Kolbenabschnitt des Hubzylinders gemäß 1a;
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2 einen Längsschnitt durch einen Hubzylinder gemäß 1a in einer eingefahrenen Position des Hubkolbens mit einem Anschlagelement in einer Anschlagstellung.
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3 einen Längsschnitt durch einen Hubzylinder gemäß 1a und 2 in der eingefahrenen Position des Hubkolbens mit einem Anschlagelement in einer Leerstellung;
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4 einen Längsschnitt durch einen Hubzylinder gemäß den 1a, 2 und 3 in einer ganz ausgefahrenen Position des Hubkolbens;
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5 eine schematische Darstellung einer Hubvorrichtung mit mehreren in Reihe geschalteten erfindungsgemäßen Hubzylindern gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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6 eine schematische Darstellung einer Hubvorrichtung mit mehreren in Reihe geschalteten erfindungsgemäßen Hubzylindern gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Gleiche oder identische Elemente sind in den verschiedenen Figuren jeweils mit identischen Bezugszeichen versehen und werden daher nicht im Zusammenhang mit jeder Figur erneut benannt.
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Die 1a bis 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Hubzylinders, in welchen erfindungsgemäß eine spezielle Ventilanordnung 25 eingebaut ist. Der Hubzylinder 10 weist – wie jeder Hubzylinder – ein Zylindergehäuse 11 auf, welches einen Zylinderhohlraum 12 einschließt, in dem ein Hubkolben 13 beweglich gelagert ist.
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Im Boden 19 des Zylinders 10 ist hier ein Anschlagelement 60 eingebaut, dessen konkreter Aufbau und Funktion später noch anhand der 2 und 3 näher erläutert werden.
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Auf der dem Boden 19 gegenüberliegenden Stirnseite weist das Zylindergehäuse 11 eine Führungshülse 11b mit einem zentralen Führungsloch 11c bzw. einer Bohrung auf, durch welche ein Stangenabschnitt 13b des Hubkolbens 13 herausragt. Dabei ist der Stangenabschnitt 13b gegenüber der Führungshülse 11b mit Hilfe einer O-Ringdichtung 11d abgedichtet.
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An seinem zum Boden 19 des Hubzylinders 10 weisenden Ende weist der Hubkolben 13 einen Kolbenabschnitt 13a auf, dessen Durchmesser an den Innendurchmesser des Zylinderhohlraums 12 angepasst ist, so dass er an der Innenseite der Mantelwand 11a des Zylindergehäuses 11 entlang gleitet. Der Kolbenabschnitt 13a ist durch Dichtungen 14, 15, 16 gegenüber der Innenwand des Zylindergehäuses 11 abgedichtet, so dass durch den Kolbenabschnitt 13a des Hubkolbens 13 der Zylinderinnenraum 12 in einen Kolbenbodenraum 12a, der sich zwischen der vom Stangenabschnitt 13b wegweisenden Kolbenbodenfläche 17 und der Grundfläche 19f des Zylinderbodens 19 befindet, und einen Kolbenringraum 12b, welcher sich auf der zum Stangenabschnitt 13b des Kolbenabschnitts 13a weisenden Seite befindet, unterteilt wird. Das Volumen des Kolbenbodenraums 12a und des Kolbenringraums 12b hängt jeweils von der Stellung des Kolbenabschnitts 13a innerhalb des Zylinderhohlraums 12 ab.
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Durch einen ersten Anschluss 22 im bodenseitigen Endbereich des Zylinderhohlraums 12 kann ein Fluid in den Kolbenbodenraum 12a oder aus dem Kolbenbodenraum 12a gelangen. Über einen zweiten Anschluss 23 im stangenseitigen Endbereich des Zylindergehäuses 11 ist ein Zufluss bzw. Abfluss des Fluids aus dem Kolbenringraum 12b möglich. Es wird im Folgenden davon ausgegangen, dass es sich bei dem Fluid um ein Hydrauliköl handelt.
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Im Kolbenabschnitt 13a des Hubkolbens 13 ist eine spezielle Ventilanordnung 25 eingebracht, welche aus zwei über zwei Verbindungskanäle 30, 31 untereinander verbundenen Ventileinheiten 26, 27 besteht. Der genaue Aufbau dieser Ventileinheiten 26, 27 wird im Folgenden anhand der vergrößerten Darstellung des Detailbereichs X in 1b erläutert.
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Im Prinzip sind beide Ventileinheiten 26, 27 – abgesehen von einem Rückschlagventil 36 an der ersten Ventileinheit 26 – gleichartig aufgebaut, wobei die erste Ventileinheit 26 zentral in den Kolbenabschnitt 13a von der Kolbenbodenseite aus und die zweite Ventileinheit 27 radial nach außen versetzt von der Kolbenringseite aus in den Kolbenabschnitt 13a eingesetzt ist.
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Sowohl die erste als auch die zweite Ventileinheit 26, 27 bestehen im Wesentlichen aus einem Ventilkolben 54, 55, welcher in einer geeigneten Ventilbohrung 56, 57 beweglich gelagert ist. Aus konstruktiven bzw. Montagegründen ist diese Ventilbohrung 56, 57 nicht direkt in das Material des Kolbenabschnitts 13a eingebracht, sondern jeweils in eine Ventilhülse 48, 49, welche in entsprechend größere Sackbohrungen im Kolbenabschnitt 13a eingeschraubt und gegenüber der betreffenden Sackbohrung jeweils mit einer Dichtung 50, 51 abgedichtet sind. Die Ventilkolben 54, 55 sind jeweils mittels einer Dichtung 52, 53 gegenüber der in der Ventilhülse 48, 49 befindlichen Ventilbohrung 56, 57 abgedichtet gelagert.
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Durch die Ventilkolben 54, 55 verläuft jeweils eine in Längsrichtung verlaufende durchgehende Bohrung 45, 46. Durch diese Bohrung 45, 46 kann das Hydrauliköl vom Kolbenbodenraum bzw. vom Kolbenringraum in einen sich am Ende der Ventilbohrung 56, 57 befindenden ersten bzw. zweiten Hohlraum 28, 29 strömen. Diese Hohlräume 28, 29 sind jeweils auf einfache Weise dadurch in den Kolbenabschnitt 13a eingebracht, indem die Sackbohrungen zum Einsetzen der Ventilhülsen 48, 49 etwas länger ausgeführt sind.
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Im ersten Hohlraum 28 der ersten Ventileinheit 26 befindet sich außerdem ein Rückschlagventil 36 in Form einer Kugel, welche durch eine Schraubenfeder 35, die sich am Ende der Sackbohrung, in welche die Ventilhülse 48 eingesetzt ist, abstützt, gegen das obere Ende der durch den ersten Ventilkolben 54 verlaufenden Bohrung 45 gedrückt wird. Das Rückschlagventil ist mechanisch mittels eines Stellelements in Form eines Stößels 37, welcher längs durch die Bohrung 45 durch den ersten Ventilkolben 54 verläuft, aufdrückbar. Dieser Stößel 37 weist an einer Stelle entlang seiner Längserstreckung eine ringförmige Auskragung 38 oder einen oder mehrere Vorsprünge auf, welche in einer Ausnehmung 47 in der Längsbohrung 45 des Ventilkolbens 54 gehalten werden. Der Stößel 37 kann so nicht aus dem Ventilkolben 54 herausrutschen sondern nur einen ganz bestimmten Weg in Längsrichtung des Ventilkolbens 54 verschoben werden, welcher aber ausreicht, um das Rückschlagventil 36 aufzudrücken. Die Funktion dieses Rückschlagventils 36 wird später noch näher erläutert.
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Der erste Ventilkolben 54 und der zweite Ventilkolben 55 weisen jeweils in ihrer äußeren Mantelfläche eine ringförmige Ausnehmung auf, so dass jeweils zwischen Ventilhülse 48, 49 und Ventilkolben 54, 55 eine Ventilinnenkammer 58, 59 gebildet ist. Die Ventilinnenkammer 58 der ersten Ventileinheit 26 ist über eine erste Verbindungsbohrung 30 mit dem zweiten Hohlraum 29 der zweiten Ventileinheit 27 verbunden. Außerdem ist die Ventilinnenkammer 59 der zweiten Ventileinheit 27 über eine zweite Verbindungsbohrung 31 mit dem ersten Hohlraum 28 der ersten Ventileinheit 26 verbunden.
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In der in den 1a und 1b gezeigten Lage des ersten Ventilkolbens 54 ist die Verbindung des ersten Hohlraums 28 zur Ventilinnenkammer 58 der ersten Ventileinheit 26 und somit zur ersten Verbindungsbohrung 30 durch den ersten Ventilkolben 54 selbst verschlossen, da dieser mit einer Dichtfläche 41 gegen einen zum ersten Hohlraum 28 weisenden Dichtsitz 42 an der Ventilhülse 48 drückt. Dies wird durch eine Schraubenfeder 33 bewerkstelligt, welche sich zwischen der oberen Stirnfläche 39 des ersten Ventilkolbens 54 und einer Stufe in der Sackbohrung im Kolbenabschnitt 13a abstützt, in welchen die Ventilhülse 48 eingesetzt wurde. Erst, wenn der Ventilkolben 54 gegenüber der durch diese Feder 33 bewirkten Federkraft zum Ende der Sackbohrung hin etwas verschoben wird, ist die Ventileinheit 26 geöffnet und der erste Hohlraum 28 ist mit der Ventilinnenkammer 58 in der ersten Ventileinheit 26 und somit mit der ersten Verbindungsbohrung 30 und weiter mit dem zweiten Hohlraum 29 der zweiten Ventileinheit 27 und folglich mit dem Kolbenringraum 12b verbunden.
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In gleicher Weise ist in der in den 1a und 1b dargestellten Zwischenposition in der zweiten Ventileinheit 27 der Weg vom zweiten Hohlraum 29 zur Ventilinnenkammer 59 der zweiten Ventileinheit 27 durch den zweiten Ventilkolben 55 verschlossen, der durch eine entsprechende Feder 34, welche sich zwischen einer Stufe in der Sackbohrung für die zweite Ventileinheit und einer Stirnfläche 40 des zweiten Ventilkolbens 55 abstützt, mit einer Dichtfläche 43 gegen einen Dichtsitz 44 zum zweiten Hohlraum 29 weisenden Stirnseite der Ventilhülse 49 gedrückt wird. Wird der zweite Ventilkolben 55 gegen die Federkraft in Richtung des Endes der Sackbohrung für die zweite Ventileinheit 27 verschoben, so ist die zweite Ventileinheit 27 geöffnet und der zweite Hohlraum 29 ist mit der Ventilinnenkammer 59 der zweiten Ventileinheit 27 und somit mit der zweiten Verbindungsbohrung 31 zum ersten Hohlraum 28 der ersten Ventileinheit 26 verbunden.
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Beide Ventileinheiten 26, 27 sind jeweils so ausgeführt, dass sie druckausgeglichen sind. Wie bereits erläutert, kann das Hydrauliköl vom Kolbenbodenraum durch die zentrale Bohrung 45 im ersten Ventilkolben 54 in den ersten Hohlraum 28 der ersten Ventileinheit 26 gelangen. Es ist weiterhin dafür gesorgt, dass die zum ersten Hohlraum 28 weisende Gesamtquerschnittfläche, auf welche das Hydrauliköl den Druck ausübt, gleich ist wie die zum Kolbenbodenraum 12a weisende Gesamt-Querschnittfläche des ersten Ventilkolbens 54. Da aufgrund der Durchlässigkeit durch die zentrale Bohrung 45 im ersten Hohlraum 28 der gleiche Druck wie im Kolbenbodenraum 12a vorliegt, ist folglich – unabhängig vom Druck im Kolbenbodenraum 12a – die Kraft auf den ersten Ventilkolben 54 von beiden Richtungen auch immer gleich, so dass ein Öffnen des Ventilkolbens 54 durch einen Fluiddruck im Kolbenbodenraum 12a nicht möglich ist.
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Das Gleiche gilt für den zweiten Ventilkolben 55. Auch dieser ist so aufgebaut, dass die zum zweiten Hohlraum 29 weisende Querschnittfläche gleich groß ist wie die zum Kolbenringraum weisende Querschnittfläche des Ventilkolbens 55.
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Die erste Ventileinheit 26 ist daher nur zu öffnen, wenn von der Kolbenbodenseite aus ein mechanischer Druck auf den ersten Ventilkolben 54 ausgeübt wird und dieser gegenüber der durch die Feder 33 aufgebrachten Kraft ein Stück in Richtung des ersten Hohlraums 28 verschoben wird. In gleicher Weise ist die zweite Ventileinheit 27 nur zu öffnen, indem ein mechanischer Druck von der Kolbenringraumseite aus auf den zweiten Ventilkolben 55 aufgebracht wird und dieser ein Stück gegenüber der durch die Feder 34 aufgebrachten Kraft in Richtung des zweiten Hohlraums 29 verschoben wird.
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Der erste Ventilkolben 54 ist daher, wie später noch detailliert erläutert wird, zur mechanischen Öffnung in einer eingefahrenen Endstellung des Hubkolbens 13 so lang ausgebildet, dass er mit seinem kolbenbodenraumseitigen Ende ein Stück aus dem Kolbenabschnitt 13a herausragt. Ebenso ist der zweite Ventilkolben 55 so lang, dass er ein Stück aus dem Kolbenabschnitt 13a in den Kolbenringraum 12b hineinragt.
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Zur Montage kann zunächst der erste Ventilkolben 54 von der später zum ersten Hohlraum 28 weisenden Seite aus in die Ventilhülse 48 eingesetzt werden. Es werden dann die Federn 35, 33 und die Kugel des Rückschlagventils 36 in die Sackbohrung im Kolbenabschnitt 13a eingesetzt und schließlich die Ventilhülse 48 gemeinsam mit dem eingesetzten Ventilkolben 54 in die Sackbohrung im Kolbenabschnitt 13a eingeschraubt. In gleicher Weise wird der zweite Ventilkolben 55 in die zweite Ventilhülse 49 eingesetzt und diese nach Einlegen der Feder 34 in die zweite azentrische Sackbohrung im Kolbenabschnitt 13a von der Kolbenringraumseite 12b aus in den Kolbenabschnitt 13a eingesetzt.
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In der in den 1a und 1b dargestellten Zwischenposition des Kolbens zwischen der eingefahrenen und der ausgefahrenen Position wird weder auf den ersten Ventilkolben 54 noch auf den zweiten Ventilkolben 55 ein mechanischer Druck ausgeübt. Daher sind beide Ventileinheiten 26, 27 verschlossen. Es gibt folglich keine offene Verbindung, durch die das Hydrauliköl vom Kolbenbodenraum 12a in den Kolbenringraum 12b oder umgekehrt gelangen könnte. Wird mehr Hydrauliköl in den Kolbenbodenraum 12a gepumpt und wird gleichzeitig die Möglichkeit gegeben, dass Hydrauliköl aus dem Kolbenringraum 12b durch die Öffnung 23 am Kolbenringraum 12b verdrängt wird, so bewegt sich der gesamte Hubkolben 13 in einer Ausfahrrichtung. Wird umgekehrt durch den Anschluss 23 Hydrauliköl in den Kolbenringraum 12b gepumpt und die Möglichkeit gegeben, dass durch den Anschluss 22 am Kolbenbodenraum 12a Hydrauliköl aus dem Kolbenbodenraum 12a herausgedrückt wird, bewegt sich der Kolben 13 in die eingefahrene Position.
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Die Funktionsweise der ersten Ventileinheit 26 in Verbindung mit dem Anschlagelement 60 lässt sich anhand der 2 und 3 ersehen.
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Hierzu wird zunächst die konkrete Bauweise des Anschlagelements 60 erläutert. Bei diesem Anschlagelement 60 handelt es sich um ein in einer zentralen Sackbohrung 20 im Boden 19 des Hubzylinders 10 eingebrachtes kolbenartiges Element. Dabei ist der Durchmesser des zylinderförmigen Anschlagelements 60 so gewählt, dass er an den Innendurchmesser der Sackbohrung 20 angepasst ist. Über eine Dichtung 61 ist das Anschlagelement 60 gegenüber der Innenwand der Bohrung 20 abgedichtet. Gegenüber dem Boden dieser Bohrung 20 ist das Anschlagelement 60 mit einer Schraubenfeder 63 abgestützt. Zur Führung befindet sich an der von dem Kolbenbodenraum 12b weg weisenden Seite im Anschlagelement 60 eine zylindrische Ausnehmung 62 und am Boden der Bohrung 20 befindet sich eine Art Halte- und Führungsbolzen 65 mit einer Stufe, auf welche sich die Feder 63 abstützt. Über eine radiale Bohrung 21 ist die Sackbohrung 20 mit dem Außenraum verbunden, d. h. es befindet sich innerhalb der Sackbohrung 20 der Außen-Luftdruck.
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Im oberen Bereich zum Kolbenbodenraum 12a des Hubzylinders 10 hin ist die Sackbohrung 20 erweitert und mit einem Gewinde versehen. Außerdem weist das Anschlagelement 60 in dem zum Kolbenbodenraum 12a hin weisenden Endbereich einen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser auf. In diesen erweiterten Abschnitt der Sackbohrung 20 ist ein Haltering 64 eingeschraubt, dessen Innendurchmesser etwas größer ist als der Außendurchmesser des vorderen Abschnitts des Anschlagelements 60, so dass dieses sich durch den Haltering 64 hindurch erstrecken kann. Über diesen Haltering 64 wird zum Kolbenbodenraum 12a hin ein Anschlag gebildet, an dem sich die Stufe im Anschlagelement 60, welche zwischen dem Abschnitt mit dem geringeren Durchmesser und dem Abschnitt mit dem größeren Durchmesser gebildet wird, abstützt. Das Anschlagelement 60 wird so von der Schraubenfeder 63 gegen den Haltering 64 gedrückt. Diese Position wird hier als „Anschlagstellung” des Anschlagelements 60 bezeichnet. Durch einen Druck vom Kolbenbodenraum 12a aus auf das Anschlagelement 60 kann dies gegen die Kraft der Feder 63 weiter in die Sackbohrung 20 hineingedrückt werden in eine sog. „Leerstellung”. Die Feder 63 ist so gewählt bzw. eingestellt, dass, wenn der Fluiddruck (d. h. der Druck des Hydrauliköls) im Kolbenbodenraum 12a oberhalb eines Grenzdrucks, beispielsweise von 10 bar, liegt, die durch diesen Druck auf die Stirnfläche 60f des Anschlagelements 60 ausgeübte Kraft ausreicht, um das Anschlagelement 60 von der Anschlagstellung in die Leerstellung zu drücken.
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Zur Montage des Anschlagelements kann von der oberen Seite des Hubzylinders 10 bei geöffneter Führungsbuchse 11b die Feder 63 in die Sackbohrung 20 eingelegt und dann das Anschlagelement 60 in die Sackbohrung 20 eingeführt werden. Anschließend kann der Haltering 64 in den erweiterten Frontabschnitt der Sackbohrung 20 eingeschraubt werden.
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2 zeigt eine Situation, in der der Hubkolben 13 komplett eingefahren ist und sich das Anschlagelement 60 in der Anschlagstellung befindet. Der Druck innerhalb des Kolbenbodenraums 12a, dessen Volumen hier sehr gering ist, liegt unterhalb des Grenzdrucks. Durch eine Ausformung eines erhöhten Abschnitts 17a in der Kolbenbodenfläche 17 ist dafür gesorgt, dass immer ein bestimmtes Mindestvolumen im Kolbenbodenraum 12a verbleibt, welcher über den Anschluss 22 mit Hydrauliköl befüllt werden kann bzw. aus dem das Öl herausgedrückt werden kann. Da in dem Zustand gemäß 2 der Druck im Kolbenbodenraum 12a noch unterhalb des Grenzdrucks liegt, hält die Feder 63 das Anschlagelement 60 sicher in der Anschlagstellung. Durch das Anschlagelement 60 wird der erste Ventilkolben 54 der ersten Ventileinheit 26 gegen die Druckkraft der Feder 33 in die geöffnete Position gedrückt. Die Feder 33 ist dabei gerade so stark eingestellt, dass sie den ersten Ventilkolben 54, wenn kein mechanischer Druck von der Kolbenbodenraumseite aus auf ihn ausgeübt wird, gegen die Dichtungsreibung sicher in die Schließstellung zurückdrückt. Gleichzeitig wird der Stößel 37 in das Ventil hineingedrückt und somit das kugelförmige Rückschlagventil 36 geöffnet. Die Feder 35 für das Rückschlagventil 36 ist noch schwächer eingestellt als die Feder 33, die den ersten Ventilkolben 54 im unbelasteten Zustand in die Schließstellung drückt.
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In dieser Position ist also die erste Ventileinheit 26 geöffnet und das Hydrauliköl kann ungehindert vom Kolbenbodenraum 12a durch die zentrale Bohrung des ersten Ventilkolbens 54 in den ersten Hohlraum 28, von dort in die Ventilinnenkammer 58 der ersten Ventileinheit 26, weiter durch die erste Verbindungsbohrung 30 in den zweiten Hohlraum 29 der zweiten Ventileinheit 27 gelangen und von dort weiter durch die zentrale Bohrung 46 in den zweiten Ventilkolben 55 in den Kolbenringraum strömen. Das heißt, die Verbindung zwischen Kolbenbodenraum 12a und Kolbenringraum 12b ist durchlässig, wobei durch die Betätigung des Stößels 37 sichergestellt ist, dass das Rückschlagventil 36 nicht schließt, so dass in beiden Richtungen eine Durchlässigkeit gegeben ist.
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In dieser Situation kann folglich der Hubzylinder 10 in beiden Richtungen durchspült und entlüftet werden. Insbesondere ist auf diese Weise eine komplette Erstbefüllung sowohl des Kolbenbodenraums 12a als auch des Kolbenringraums 12b durch den Anschluss 22 möglich, indem einfach über den Anschluss 22 so lange Hydrauliköl eingepumpt wird, bis es aus dem Anschluss 23 am Kolbenringraum 12b wieder verdrängt wird.
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Zum Beispiel kann hierzu mit einer Pumpe aus einem Reservoir entsprechend Hydrauliköl über den Anschluss 22 in den Hubzylinder 10 gepumpt werden. Wird dann dafür gesorgt, dass am Anschluss 23 ein Rückfluss zum Reservoir gewährleistet ist, wobei zunächst ein Druckbegrenzungsventil zwischengeschaltet ist, welches erst oberhalb eines bestimmten Maximaldrucks öffnet, so wird im Zylinderhohlraum 12 der Druck ansteigen, wobei wiederum durch das Druckbegrenzungsventil sichergestellt wird, dass der Druck nicht zu hoch wird.
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Erreicht der Druck im Zylinderhohlraum 12 (und somit auch im Kolbenbodenraum 12a) den eingestellten Grenzdruck von beispielsweise 10 bar (der unterhalb des Maximaldrucks des Druckbegrenzungsventils liegt), so wird durch diesen Druck das Anschlagelement 60 gegen die durch die Feder 63 ausgeübte Federkraft in die Leerstellung gedrückt. Dies ist in 3 dargestellt. In dieser Position kann das Anschlagelement 60 nicht mehr vom Kolbenbodenraum aus gegen den Stößel 37 und den Ventilkolben 54 der ersten Ventileinheit 26 drücken. Aufgrund der Federn 35 und 33 wird daher sowohl das Rückschlagventil 36 geschlossen als auch die zweite Ventileinheit 27 insgesamt in die Schließstellung gedrückt. Somit ist die Verbindung zwischen Kolbenbodenraum 12a und Kolbenringraum 12b unterbrochen und ein weiteres Durchspülen des Hubzylinders 10 ist nicht mehr möglich. Mit zunehmendem Druck im Kolbenbodenraum 12a verfährt der Hubkolben in Richtung der ausgefahrenen Stellung, wie dies bereits in 1a erläutert ist. Dabei wird das Hydrauliköl im Kolbenringraum 12b weiter komprimiert. Da jedoch ein Abfluss über ein Druckbegrenzerventil vorgesehen ist, stellt sich hierbei im Kolbenringraum 12b der durch das Druckbegrenzerventil vorgegebene Maximaldruck ein, so dass der Hubkolben 13 bei weiterer Druckerhöhung im Kolbenbodenraum 12a durch weiteres Hinzupumpen von Hydrauliköl immer weiter ausfährt.
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4 zeigt die Situation in der ganz ausgefahrenen Endlage. In dieser Position schlägt der zweite Ventilkolben 55 an die Innenfläche 11f der Führungsbuchse 11b des Hubzylinders 10 an und wird so in die Öffnungsstellung gedrückt, dass die zweite Ventileinheit 27 geöffnet ist. Auch die Feder 34, welche den zweiten Ventilkolben 55 in der Schließstellung hält, ist dabei relativ schwach eingestellt, so dass sie ohne äußeren mechanischen Druck gerade ausreicht, um den Ventilkolben 55 gegenüber der Dichtungsreibungskraft in die Schließstellung zu verbringen.
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In dieser Position ist also die zweite Ventileinheit 27 geöffnet. Es kann damit vom Kolbenbodenraum 12a aus Hydrauliköl durch die zentrale Bohrung 45 im ersten Ventilkolben 54 hindurch in den ersten Hohlraum 28 und von dort über die zweite Verbindungsbohrung 31 in die Ventilinnenkammer 59 der zweiten Ventileinheit 27, von dort weiter durch die geöffnete Ventileinheit 27 in den zweiten Hohlraum 29 der zweiten Ventileinheit 27 und von dort durch die zentrale Bohrung 46 des zweiten Ventilkolbens 55 in den Kolbenringraum 12b gelangen. Ein umgekehrtes Strömen vom Kolbenringraum 12b in den Kolbenbodenraum 12a ist jedoch nicht möglich, da in diesem Fall das Rückschlagventil 36 im ersten Hohlraum 28 die Verbindung verschließt. In dieser Position ist also nur ein einseitiges Durchströmen vom Kolbenbodenraum 12a in den Kolbenringraum 12b möglich.
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Der Kolbenringraum weist in dieser Position, wie in 4 zu sehen ist, ein sehr geringes Volumen auf und wird im Wesentlichen durch ein vertieftes Segment 18a in der Kolbenringfläche 18 gebildet, welches um die zweite Ventileinheit 27 herum in der Kolbenringfläche 18 ausgebildet ist. Der verbleibende Kolbenringraum 12b ist aber immer mit dem Anschluss 23 verbunden.
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Sowohl der erste Ventilkolben 54 als auch der zweite Ventilkolben 55 sind an ihren außenseitigen Enden mit einem Schlitz 52, 53 versehen. Durch diesen Schlitz 52, 52 kann auch bei einem Anschlag des jeweiligen Ventilkolbens 54, 55 an das Anschlagelement 60 bzw. an die Innenwandung 11f der Führungshülse 11b Hydrauliköl durch die jeweilige zentrale Bohrung 45, 46 und zurück gelangen.
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5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, wie mit solchen erfindungsgemäßen Hubzylindern 10, 10' eine Hubvorrichtung 1 aufgebaut werden kann. Die Hubvorrichtung 1 besteht hierbei aus insgesamt drei Hubzylindern 10, 10', 7. Alle drei Hubzylinder 10, 10', 7 weisen die gleiche Länge auf und besitzen auch Hubkolben mit der gleichen Länge. Die Hubzylinder 10, 10', 7 sind auf einer Grundfläche 3 angeordnet und obenseitig mit einer gemeinsamen Last, hier beispielsweise einer Hebebühne 2, gekoppelt, welche eine Kraft F auf die Hubkolben der Hubzylinder 10, 10', 7 ausübt.
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Die Hubvorrichtung 1 soll so funktionieren, dass alle Hubzylinder 10, 10', 7 gleichmäßig ausgefahren oder abgesenkt werden und so die Hebebühne 2 gleichmäßig angehoben und abgesenkt werden kann. Die drei Hubzylinder 10, 10', 7 sind hierzu in Reihe geschaltet, d. h. der Kolbenringraum 12b des ersten Zylinders 10 ist mit dem Kolbenbodenraum 12a' des zweiten Zylinders 10' verbunden und dessen Kolbenringraum 12b' wiederum mit dem Kolbenbodenraum des dritten Hubzylinders 7. Die ersten beiden Zylinder 10, 10' in der Reihe sind in der erfindungsgemäßen Weise aufgebaut, beispielsweise wie in den 1a bis 4 dargestellt. Beim letzten Zylinder 7 handelt es sich um einen einfachen Plungerzylinder ohne eine erfindungsgemäße Ventilanordnung im Kolbenabschnitt des Hubkolbens.
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Angesteuert wird die Hubvorrichtung 1 mit Hilfe einer Hydrauliksteuerung 70, welche über eine Leitung 8 an den Anschluss 22 zum Kolbenbodenraum 12a des ersten Hubzylinders 10 angeschlossen ist. Die Hydrauliksteuerung 70 ist hier rein schematisch mit Hilfe von üblichen Schaltsymbolen dargestellt. Mittels einer Pumpe 71 wird aus einem Reservoir 72 über eine an die Leitung 8 angeschlossene Pumpleitung 73 ein Hydrauliköl 72 zum Befüllen der Hubzylinder 10, 10', 7 in den Kolbenbodenraum 12a des ersten Hubzylinders 10 gedrückt. In der oben beschriebenen Weise strömt dieses Hydrauliköl dann durch die Ventilanordnung im ersten Hubzylinder 10 in den Kolbenringraum 12b des ersten Hubzylinders, von dort über eine Leitung 4 in den Kolbenbodenraum 12a' des zweiten Hubzylinders 10', dort wiederum durch eine entsprechende Ventilanordnung 25 in den Kolbenringraum 12b' des zweiten Hubzylinders 10' und von dort über eine Leitung 5 in den Kolbenbodenraum des letzten Hubzylinders 7.
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Ab einem bestimmten Druck im Kolbenbodenraum des letzten Plungerzylinders 7, welcher durch den (durch die äußere Last beeinflussten) externen Druck auf den Hubkolben des Plungerzylinders 7 gegeben ist, wird der Hubkolben angehoben. Dieser Druck wirkt auch im zweiten Hubzylinder 10' und im ersten Hubzylinder 10. Die Federn in den Anschlagelementen des ersten und zweiten Hubzylinders 10, 10' sind so eingestellt, dass der Grenzdruck im Kolbenbodenraum des ersten Hubzylinders 10 und des zweiten Hubzylinders 10' so gewählt ist, dass er unterhalb des minimalen externen Drucks auf die jeweiligen Hubzylinder 10, 10', 7 liegt. Beispielsweise könnte der Grenzdruck bei ca. 10 bar liegen.
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Wird also mittels der Pumpe 71 so viel Hydrauliköl in das Leitungssystem der Hubvorrichtung 1 gepumpt, dass im Kolbenbodenraum 12a des ersten Hubzylinders 10 dieser Grenzdruck von 10 bar erreicht wird, hebt sich dort der Hubkolben 13 an und es wird weiter Öl aus dem Kolbenringraum 12b des ersten Hubzylinders 10 verdrängt und durch die Leitung 4 in den Kolbenbodenraum 12a' des zweiten Hubzylinders 10' gepumpt. Dies führt zu einem gleichzeitigen Anheben des Hubkolbens 13' im zweiten Hubzylinder 10' und zu einer Verdrängung des Hydrauliköls aus dem Kolbenringraum 12b' des zweiten Hubzylinders 10', welches wiederum in den Kolbenbodenraum des Plungerzylinders 7 gelangt und den dort vorhandenen Hubkolben anhebt. Wenn die Hubzylinder 10, 10', 7 so gewählt sind, dass die Kolbenringfläche eines jeweils vorhergehenden Hubzylinders 10, 10' der Kolbenbodenfläche des nachfolgenden Hubzylinder 10', 7 entspricht, so ist automatisch dabei auch gewährleistet, dass die Hubkolben völlig gleichmäßig ausgefahren werden, da ja im vorhergehenden Hubzylinder im Kolbenringraum genau die Menge an Hydrauliköl verdrängt wird, die benötigt wird, um den Hubkolben im nachfolgenden Hubzylinder um die gleiche Strecke anzuheben. Wenn die Last in einer bestimmten Stellung gehalten werden soll, wird einfach die Pumpe 71 abgestellt. Über ein Rückschlagventil 75 in der Pumpleitung 73 ist dafür gesorgt, dass das Hydrauliköl nicht ins Reservoir 72 zurückfließen kann.
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Bei der Erstbefüllung kann zudem dafür gesorgt werden, dass mit Hilfe einer (optionalen) Entlüftungsschraube 6 in der Leitung 5 kurz vor dem letzten Zylinder 7 das Hydrauliköl, wenn es unter genügend Druck steht, entlüftet wird.
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Zum Absenken ist parallel zur Pumpleitung 73, an welcher die Pumpe 71 angeordnet ist, eine Rückführleitung 74 zum Reservoir 72 an die Anschlussleitung 8 angeschlossen. In dieser Rückführleitung 74 befindet sich ein Absenkventil 76, welches zum Absenken auf Durchlass gestellt wird. Das Hydrauliköl kann dann weiter durch eine Senkbremse 77 (in Form eines Durchflussbegrenzers) in das Reservoir 72 zurückgelangen.
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Um eine Überlastung der Pumpe 71 zu vermeiden, sind die Pumpleitung 73 hinter der Pumpe 71 und die Rückführleitung 74 über ein Druckbegrenzungsventil 78, beispielsweise mit einem Maximaldruck von 250 bar untereinander verbunden.
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6 zeigt ein Beispiel für eine weitere Hubvorrichtung 1', welche sehr ähnlich aufgebaut ist wie die Hubvorrichtung 1 in 5. Ein Unterschied besteht darin, dass als letzter Zylinder 10' in der Zylinderreihe kein einfacher Plungerzylinder wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 5, sondern ebenfalls ein erfindungsgemäßer Hubzylinder 10'' genutzt wird. Bei diesem ist der Anschluss 23 des Kolbenringraums 12b über eine Leitung 9 mit der Hydrauliksteuerung 70' verbunden, die dementsprechend etwas anders aufgebaut ist als die Hydrauliksteuerung 70 in 5.
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Diese erweiterte Hydrauliksteuerung 70' weist nun ein mit der Leitung 9 gekoppeltes Leitungsstück 81 auf, in welches ein Druckbegrenzerventil 80 eingebaut ist. Über dieses Druckbegrenzerventil 80 ist die Leitung 9 mit der Rückführleitung 74 zum Reservoir 72 verbunden, wobei die Verbindungsstelle hinter dem Absenkventil 76 liegt. Das Hydrauliköl kann folglich aus dem Kolbenringraum 12b'' des letzten Zylinders 10'' über das Druckbegrenzerventil 80 ins Reservoir 72 zurückfließen, wenn der vom Druckbegrenzerventil 80 vorgegebene Maximaldruck in dem Kolbenringraum 12b' des letzten Zylinders überschritten ist. Über eine Bypassleitung 82 mit einem Rückschlagventil 79 kann das Druckbegrenzungsventil 80 auch bezüglich einer Strömung in Richtung des Hubzylinders 10'' überbrückt werden.
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Das Druckbegrenzerventil 80 ist hier vorzugsweise auf 50 bar eingestellt. Oberhalb von 50 bar lässt sich Öl bzw. die Luft im System nicht mehr komprimieren. Dementsprechend lässt sich im System auch kein Öl mehr zugeben. Außerdem sind die Hubkolben so dimensioniert, dass genau dann, wenn im Kolbenringraum 12b' des letzten Hubzylinders 10'' der Druck von 50 bar anliegt, im Kolbenbodenraum 12a des ersten Hubzylinders 10 ein Grenzdruck von z. B. 10 bar erreicht ist. Im Kolbenbodenraum 12a' des zweiten Hubzylinders 10' liegt dann ein Druck von z. B. 20 bar an und im Kolbenbodenraum 12a'' des dritten Hubzylinders 10'' ein Druck von z. B. 40 bar. Die Anschlagelemente in den Hubzylindern 10, 10', 10'' sind jeweils so eingestellt, dass sie genau bei diesen Grenzdrücken in die Leerstellung gedrückt werden und folglich die ersten Ventileinheiten schließen.
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Mit diesem Aufbau lässt sich dafür sorgen, dass durch einfaches Einpumpen des Hydrauliköls bei der Erstinbetriebnahme oder nach einem Ölwechsel mit der Pumpe 71 genau so viel Öl in das System gepumpt wird, bis die Luft vollkommen komprimiert ist bzw. durch eine optionale Entlüftungsschraube 6 das System entlüftet worden ist. Das System ist dann im Idealzustand befällt. Weitere Maßnahmen zur Entlüftung sind nicht notwendig.
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Automatisch werden bei Erreichen des Drucks von 50 bar hinter dem letzten Hubzylinder 10' bei einem weiteren Zupumpen von Hydrauliköl in den ersten Hubkolben 10 alle Hubkolben 13, 13', 13'' gleichmäßig angehoben. Auf einfache Weise können ebenso durch Betätigung des Absenkventils 76 hinter dem ersten Hubzylinder 10 alle Hubzylinder 10, 10', 10'' gleichmäßig wieder eingefahren werden.
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Durch die Öffnung der Ventilanordnungen in den Hubkolben 13, 13', 13'' im ganz ausgefahrenen Zustand wird dabei vermieden, dass einer der Hubzylinder 13, 13', 13'' oben bleibt, wenn die externe Last F auf die Hubvorrichtung auf diesen Hubzylinder 10, 10', 10'' kleiner ist als die durch den Restöldruck im Kolbenbodenraum auf den betreffenden Hubkolben 13, 13', 13'' ausgeübte Kraft. Damit ist also sichergestellt, dass auch bei einer sehr ungleichmäßigen Belastung der Hebebühne 2 alle Hubzylinder 10, 10', 10'' immer gleichmäßig einfahren.
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Mit den erfindungsgemäßen Hubzylindern lässt sich also in der dargestellten Weise eine Hubvorrichtung mit ideal gekoppelten Hubzylindern aufbauen, welche ohne eine mechanische Verbindung, ohne Wegaufnehmer etc. sowie lastunabhängig einen fast perfekter Gleichlauf mit nur minimalen Fehlern erreichen. Eine Wartung dieses Systems ist allenfalls bei einem Materialausfall, beispielsweise zum Wechseln von Dichtungsringen, notwendig. Eine regelmäßige Wartung zur Entlüftung wie in anderen Systemen ist dagegen nicht erforderlich. Bei jedem Ausfahren und Einfahren der Hubzylinder wird in der untersten Stellung zwangsläufig ein Ausgleich zwischen den Zylindern durchgeführt und außerdem kurzzeitig eine Spülung mit Hydrauliköl vorgenommen.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den in den Figuren und der Beschreibung dargestellten Hubzylindern und Hubvorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, die vom Fachmann in einem weiten Umfang variiert werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Insbesondere wird noch einmal darauf hingewiesen, dass bestimmte, in den Ausführungsbeispielen gezeigte Merkmale auch optional sind, wie beispielsweise die Verwendung einer Entlüftungsschraube in der Hubvorrichtung oder die Verwendung einer zweiten Ventileinheit in der Ventilanordnung, welche die Ventilanordnung im ausgefahrenen Zustand öffnet, sofern beispielsweise im System sichergestellt ist, dass die Last auf alle Hubzylinder einigermaßen gleichmäßig ist. In diesem Fall kann beispielsweise auch auf das Rückschlagventil verzichtet werden, welches ja in erster Linie benötigt wird, damit die Ventilanordnung im ausgefahrenen Zustand nur in einer Richtung durchströmbar ist. Insbesondere können die Hubzylinder auch je nach Einsatzzweck und konkretem Aufbau der Hubvorrichtung auch für andere Grenzdrücke als die angegebenen ausgelegt sein.
