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Die vorliegende Erfindung betrift 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 Druckmittelzylinder 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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Die
DE 86 26 046 U1 offenbart einen Druckmittelzylinder, in dessen Zylinderboden ein als Rückschlagventil ausgebildetes Sitzventil integriert ist. Damit gelangt das Druckmittel erst ab Erreichen des die Federkraft der Schließfeder überwindenden Mindestdrucks in den Kolbenraum des Druckmittelzylinders. Sollte der Druckmittelzylinder jedoch über längere Zeiträume nicht betätigt werden, so ist eine zuverlässige Funktion der entsprechend lange unbelüfteten Arbeitsleitung nicht unter allen Umständen gewährleistbar.
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Aus der
DE 20 2004 014 520 U1 geht ein anderer Druckmittelzylinder hervor, in dessen Zylinderdeckel sowie auf dem Zylinderboden ein federrückgestelltes Sitzventil integriert ist, wodurch ein Mindestdruck des antreibenden Druckmittels sichergestellt wird.
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Es ist 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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Die Erfindung sieht eine Maßnahme zur 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-Biegeventil 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 ausfährt.
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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 fährt der – hier nicht weiter dargestellte – Kolben des Druckmittelzylinders sprungartig ans. 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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Bezugszeichenliste
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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
