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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Druckmittelzylinder mit einem
in einem Zylindergehäuse
untergebrachten Kolben, der in mindestens eine Richtung durch über einen äußeren Arbeitsleitungsanschluss
in einen Kolbenraum zuführbares Druckmittel
antreibbar ist, wobei Mittel zur Erzeugung eines Mindestdrucks des
antreibenden Druckmittels integriert sind.
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Derartige
Druckmittelzylinder werden meist im Rahmen industrieller Anlagen
als Stillglied eingesetzt. Somit lässt sich per Druckmittel, insbesondere Druckluft,
ein Absperrhahn oder dergleichen betätigen. Speziell werden die
hier interessierenden Druckmittelzylinder auch als Stoppzylinder
für Schiffsdieselmotoren
verwendet. Dabei kann über den
Stoppzylinder eine zugeordnete Einspritzpumpe abgeschaltet werden,
was zum Notstopp des Schiffsdieselmotors führt.
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Gattungsgemäße Druckmittezylinder
haben die Eigenschaft, erst ab einem bestimmten Mindestdruck zu
reagieren, so dass die vom innenliegenden Kolben angetriebene Kolbenstange
nur bei einer eindeutigen Druckmittelbeaufschlagung ausfährt oder einfährt. Ein
Restdruck oder ein aufgrund von Leckage langsam ansteigender Druck
in der Arbeitsleitung kann somit nicht zu einer Betätigung des
Druckmittelzylinder führen,
was diesen ganz besonders zur Verwendung als Stellglied geeignet
macht.
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Aus
dem allgemeinen Stand der Technik gehen Druckmittelzylinder mit
Mitteln zur Erzeugung eines Mindestdrucks des antreibenden Druckmittels hervor,
bei denen die gewünschte
Funktion durch Integration einer Kolbenrückhohlfeder realisiert wird. Somit
hat das in den innenliegenden Kolbenraum einströmende Druckmittel als Gegenkraft
erst die von der Kolbenrückholfeder
auf den Kolben ausgeübte Kraft
zu überwinden,
um den Kolben zu bewegen. Nachteilig hierbei ist, dass schleichend
ansteigender Druck im Kolbenraum ein entsprechend schleichendes
Ausfahren der Kolbenstange nicht unter allen Umständen verhindern
kann.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckmittelzylinder
der gattungsgemäßen Art
dahingehend weiter zu verbessern, dass in kompaktbauender Weise
ein zuverlässiges
und komplettes Ausfahren der Kolbenstange ab einem definierbaren
Mindestdruck realisierbar ist.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einem Druckmittelzylinder gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass die Mittel zur Erzeugung des Mindestdrucks ein
in einem Zylinderboden integriertes Sitzventil umfassen, dessen
Verschlusselement über
eine Schließfeder
an einen Ventilsitz des Arbeitsleitungsanschlusses gepresst ist,
und welches ab Erreichen des die Federkraft der Schließfeder überwindenden Mindestdrucks
in die Offenstellung kommt, so dass das Druckmittel anschließend schlagartig
in den Kolbenraum gelangt.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt
insbesondere darin, dass sich ein derartiges Sitzventil kompaktbauend
direkt in den Zylinderboden eines Druckmittelzylinders integrieren lässt. Es sind
nur wenige miteinander zu montierende Einzelteile erforderlich.
Die Stärke
der Schließfeder,
welche vorzugsweise nach Art einer Spiraldruckfeder ausgebildet
ist, bestimmt in einfacher Weise den Mindestdruck des den innenliegenden
Kolben des Druckmittelzylinders antreibenden Druckmittels. Die erfindungsgemäße Lösung verhindert,
dass der Kolben in nicht gewünschte
Zwischenstellungen gelangt, da der Mindestdruck des antreibenden
Druckmittels eine komplette Ausfahrbewegung der Kolbenstange bis
zum Endanschlag sicherstellt. Somit eignen sich die erfindungsgemäßen Druckmittelzylinder
insbesondere als zuverlässig
funktionierende Stellglieder.
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Gemäß einer
die Erfindung im Hinblick auf eine möglichst kompaktbauende Konstruktion
verbessernde Maßnahme
wird vorgeschlagen, den Arbeitsleitungsanschluss, den Belüftungsventilsitz,
das Verschließelement
und die Schließfeder
koaxial zueinander angeordnet in den Zylinderboden zu integrieren.
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Eine
weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahme sieht ein Leckageüberwachung
am Arbeitsleitungsanschluss vor. Zu diesem Zwecke wird vorgeschlagen, über die
am Arbeitsleitungsanschluss angekoppelte Arbeitsleitung stets einen
unterhalb des Mindestdrucks angesiedelten Prüfdruck anstehen zu lassen,
dessen Konstanz eine zugeordnete Drucksensorik überwacht. Sollte der Druckmittelzylinder über längere Zeiträume nicht
betätigt
werden, so verhilft eine derartige Leckageüberwachung eine zuverlässige Funktion
der entsprechend lange unbelüfteten
Arbeitsleitung sicherzustellen. Zur Erzeugung des Prüfdrucks
ist die Druckluftversorgung des Druckmittelzylinder entsprechend
zu modifizieren. Bei einer Leckage in der Arbeitsleitung sinkt der Prüfdruck unter
einen definierten Grenzwert und die Drucksensorik kann einen entsprechenden
Leckagealarm auslösen.
Dabei muss der maximale Volumenstrom des Prüfdrucks immer geringer sein
als die kleinste nicht mehr zulässige
Leckage. Denn ansonsten würde
soviel Druckmittel in die zu überwachende Arbeitsleitung
nachströmen,
so dass ein signifikanter Druckabfall von der Drucksensorik nicht
aufgenommen werden könnte.
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Da
der in der Arbeitsleitung gemäß dieser Leckageüberwachung
anstehende Prüfdruck
nicht zu einer Bewegung des Kolbens im Druckmittelzylinder führen darf,
wird als weitere sicherheitstechnische Maßnahme vorgeschlagen, dass
das kolbenbodenseitig integrierte Sitzventil als monostabiles, normal
geschlossenes 3/2-Wegeventil ausgebildet ist, welches arbeitsanschlussseitig
mit dem Kolbenraum, speiseanschlussseitig mit dem Arbeitsleitungsanschluss
sowie entlüftungsanschlussseitig
mit dem Entlüftungsanschluss
des Zylinderbodens verbunden ist. Wird der Arbeitsleitungsanschluss
des Druckmittelzylinders über
die Arbeitsleitung mit vollem Druck beaufschlagt, öffnet das
3/2-Wegeventil im Zylinderboden schlagartig und die Kolbenstange
fährt komplett
aus. Beim Zurückschalten
auf Null- oder Prüfdruck,
entlüftet
der vorzugsweise einfach wirkende Druckmittelzylinder über das
3/2-Wegeventil und der Kolben fährt
vollständig
ein.
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Vorzugsweise
sollte der Entlüftungsanschluss
des 3/2-Wegeventils am Zylinderboden mit einem Filterelement versehen
sein. Das Filterelement kann dabei in den Entlüftungsanschluss eingesteckt
oder eingeschraubt werden. Vorzugsweise ist das Filterelement allerdings
scheibenförmig
eingebildet und über
einen Sicherungsring in eine korrespondierende Ausnehmung seitens
des Entlüftungsanschlusses
gehalten. Hierdurch lässt
sich das Filterelement bauraumsparend und nicht beschädigungsgefährdet im
Zylinderboden eingebettet anordnen.
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Zur
Erzielung einer besonders kompakten Bauform des 3/2-Sitzventils
wird vorgeschlagen, dass das Verschlusselement wechselseitig den
Belüftungssitz
und einen koaxial hierzu gegenüberliegend
angeordneten Entlüftungssitz
betätigt,
der unmittelbar dem Entlüftungsanschluss
zugeordnet ist. Dadurch ergeben sich kurze Kanalführungen
innerhalb des Zylinderbodens.
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Gemäß einer
anderen, die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen,
dass das Verschlusselement scheibenförmig ausgebildet ist und einen
Durchmesser aufweist, der größer als
die Durchmesser der beiden einander gegenüberliegenden Be- und Entlüftungsventilsitze
ist. Dabei sollte der Belüftungsventilsitz
einen kleineren Durchmesser als der Entlüftungsventilsitz aufweisen.
Bei einem langsamen Druckanstieg am Arbeitsleitungsanschluss des
Druckmittelzylinders verhindert die Schließfeder des Sitzventils zunächst das Öffnen des Belüftungsventilsitzes.
Steigt der Druck soweit an, dass dadurch die Federkraft überwunden
wird, öffnet der
Belüftungsventilsitz
schlagartig, da der hier anstehende Druck über den zunächst kleinen Öffnungsspalt
am Belüftungsventilsitz
auf eine größere Fläche am Verschlusselement
trifft. Durch das so bewirkte schlagartige Öffnen des Sitzventils fährt auch
der Kolben des Druckmittelzylinders entsprechend sprungartig aus.
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Gemäß einer
anderen, die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen,
dass der Entlüftungsventilsitz
an einem in eine Ausnehmung des Kolbenbodens einsteckbaren Hülsenelement eingeformt
ist, das gleichzeitig auch der Aufnahme der als Spiraldruckfeder
ausgebildeten Schließfeder für das Verschlusselement
dient. Dabei führt
das funktionsintegrierte Hülsenelement
die Schließfeder entlang
ihres Betätigungshubs.
Das Hülsenelement wird
vorzugsweise über
ein Gewinde in die korrespondierende Ausnehmung seitens des Kolbenbodens
eingeschraubt. Über
die Einschraubtiefe lässt sich
das Sitzventil in einfacher Weise justieren.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
anhand der Figuren näher
dargestellt.
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Es
zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen Druckmittelzylinder mit Mitteln zur Erzeugung eines
Mindestauslösedrucks,
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2 einen
Längsschnitt
an Detail A aus 1,
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3 eine
grafische Darstellung des Ausfallverhaltens des Druckmittelzylinders,
und
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4 eine
schematische Seitenansicht des zylinderbodenseitig integrierten
Sitzventils während des Öffnungshubs.
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Gemäß 1 umfasst
ein hier als Pneumatikzylinder ausgebildeter Druckmittelzylinder
einen in einem Zylindergehäuse 1 untergebrachten
Kolben 2, von dem aus eine Kolbenstange 3 einen
Zylinderdeckel 4 abgedichtet durchdringt. Zwischen dem
Zylinderdeckel 4 und dem Kolben 2 ist eine Kolbenrückholfeder 5 angeordnet,
so dass der Druckmittelzylinder eine einfach wirkende Zylinderfunktion
besitzt.
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Seitens
eines Zylinderbodens 6 ist ein Arbeitsleitungsanschluss 7 zur
Druckmittelbeaufschlagung eines innenliegenden Kolbenraums 8 vorgesehen,
um den Kolben 2 entgegen der Kraft der Kolbenrückholfeder 5 zu
bewegen, so dass die Kolbenstange 3 ausfärt.
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Nach 2 – Detail
A – ist
im Zylinderboden 6 ein Sitzventil 9 integriert.
Das Sitzventil 9 dient als Mittel zur Erzeugung eines Mindestdrucks
für die
Beaufschlagung des Kolbenraums 8.
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Das
Sitzventil 9 besteht aus einem Verschlusselement 10,
welches über
eine Schließfeder 11 an
einen Belüftungsventilsitz 12 des
Arbeitsleitungsanschlusses 7 gepresst ist. Somit kommt
das Verschlusselement 10 erst ab Erreichen des die Federkraft
der Schließfeder 11 überwindenden
Mindestdrucks in die offene Stellung, so dass das Druckmittel in
den Kolbenraum 8 gelangt. Der Arbeitsleitungsanschluss 7,
der Belüftungsventilsitz 12,
das Verschlusselement 10 und die Schließfeder 11 und auch
ein dem Belüftungsventilsitz gegenüberliegender
Entlüftungsventilsitz 13 sind
koaxial zueinander angeordnet in den Zylinderboden 6 integriert.
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Das
Sitzventil 9 ist als monostabiles normal geschlossenes
3/2-Wegeventil ausgebildet, dessen Verschlusselement 10 wechselseitig
den Belüftungsventilsitz 12 und
den Entlüftungsventilsitz 13 betätigt. Der
Entlüftungsventilsitz 13 ist
unmittelbar dem geradlinig sich hiervon erstreckenden Entlüftungsanschluss 14 zugeordnet.
Dabei ist der Entlüftungsanschluss 14 mit
einem am Zylinderboden 6 befestigten Filterelement 15 versehen.
Das Filterelement 15 dient als Geräuschdämpfer abströmender Druckluft und verhindert
andererseits ein Eindringen von Schmutz in das Innere des Zylinderbodens 6.
Der Entlüftungsventilsitz 13 ist
an einem in eine Ausnehmung des Kolbenbodens 6 eingesteckten
Hülsenelement 16 angeformt,
welches gleichzeitig der Aufnahme der als Spiraldruckfeder ausgebildeten
Schließfeder 11 dient.
Zur Abdichtung gegenüber
dem Kolbenboden 6 ist auf dem Außenumfang des Hülsenelements 16 ein
Dichtring 17 angeordnet.
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In
der 3 ist das Ausfahrverhalten der Kolbenstange 3 des
Druckmittelzylinders veranschaulicht, wobei die Kurve I. das Ausfahrverhalten eines
herkömmlichen
Druckmittelzylinders gegenüberstellt
mit dem Ausfahrverhalten eines erfindungsgegenständlichen Druckmittelzylinders
gemäß Kurve II.
Während
bei herkömmlichen
Druckmittelzylindern gemäß Kurve
I. die Ausfahrbewegung der Kolbenstange schon ab einem Druck von
1 bar einsetzt und mit steigendem Druck zunimmt, setzt bei der erfindungsgemäßen Lösung nach
Kurve II. die Ausfahrbewegung erst bei einem Mindestdruck von 6
bar ein und bringt die Kolbenstange schlagartig auf volle Ausfahrlänge von
65 mm.
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Nach 4 ist
der Belüftungsventilsitz 12 im Durchmesser
kleiner bemessen als der gegenüberliegende
Entlüftungsventilsitz 13.
Das dazwischen angeordnete Verschlusselement 10 ist scheibenförmig und
weist einen Durchmesser auf, der größer als der Durchmesser des Entlüftungssitzes 13 ist.
Im Ausgangszustand ist die Federkraft FF, die das Verschlusselement 10 gegen
den Belüftungsventilsitz 12 drückt, größer als
die entgegenwirkende Kraft FP, welche durch
den Druck im Arbeitsleitungsanschluss 7 auf die kreisrunde
Wirkfläche
des Verschlusselements 10 entsteht. Sobald der Druck jedoch
weiter ansteigt, wird die Kraft FP größer als
die Federkraft FF und es entsteht ein kleiner Spalt am Belüftungsventilsitz 12,
wie zeichnerisch dargestellt. In diesem Moment ändern sich schlagartig die
druckbeaufschlagten Flächenverhältnisse.
Der Federkraft FF entgegenwirken nun die Kräfte, die durch Druckbeaufschlagung
einer größeren Fläche entstehen. Durch
den Zuwachs der Fläche
wird das Ventilelement 10 schlagartig in Richtung Entlüftungsventilsitz 13 bewegt.
Dadurch fahrt der – hier
nicht weiter dargestellte – Kolben
des Druckmittelzylinders sprungartig aus. Fällt der Druck am Arbeitsleitungsanschluss 7 und
dadurch auch die Kraft FP, so drückt die
Federkraft FF das Verschlusselement 10 wieder vom Entlüftungsventilsitz 13 weg
und es entsteht hier ein kleiner Spalt. Durch diesen Spalt entlüftet der
Druckmittelzylinder und der Druck bricht zusammen. Die Kraft FP wird dadurch noch geringer und die Federkraft
FF kann nun den Belüftungsventilsitz 12 schließen. Damit
ist wieder die Ausgangsposition hergestellt.
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Die
Erfindung beschränkt
sich nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich
der nachfolgenden Ansprüche
mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, die
erfindungsgemäße Lösung auf
einem doppelt wirkenden Druckmittelzylinder abzubilden, indem auch
seitens des Zylinderdeckels ein erfindungsgegenständliches
Sitzventil integriert ist.
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- 1
- Zylindergehäuse
- 2
- Kolben
- 3
- Kolbenstange
- 4
- Zylinderdeckel
- 5
- Kolbenrückholfeder
- 6
- Zylinderboden
- 7
- Arbeitsleitungsanschluss
- 8
- Kolbenraum
- 9
- Sitzventil
- 10
- Verschlusselement
- 11
- Schließfeder
- 12
- Belüftungsventilsitz
- 13
- Entlüftungsventilsitz
- 14
- Entlüftungsanschluss
- 15
- Filterelement
- 16
- Hülsenelement
- 17
- Dichtring