DE102010015081A1

DE102010015081A1 - Endlagengedämpfter Druckmittelzylinder

Info

Publication number: DE102010015081A1
Application number: DE201010015081
Authority: DE
Inventors: Ulrich Janietz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Aventics GmbH
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2011-10-20
Also published as: WO2011141090A1

Abstract

Endlagengedämpfter Druckmittelzylinder mit einem in einem Zylindergehäuse (1) angeordneten und zumindest einseitig mit Druckmittel beaufschlagberen Kolben (3), der zumindest eine Druckkammer (5; 5a, 5b) begrenzt, welche mit Mitteln zur Endlagendämpfung des Kolbens (3) zusammenwirkt, die vor Erreichen der Endlage einen Arbeitskanal (7; 7a, 7b) verschließen, so dass das restliche Druckmittel über mindestens einen gedrosselten Bypasskanal (9; 9a, 9b) ausströmt, wobei in den gedrosselten Bypasskanal (9; 9a, 9b) ein entgegen der Ausströmrichtung des Druckmittels federrückgestelltes Stößelelement (10) eingesetzt ist, auf das beim Ausströmen des Druckmittels aus der Druckkammer (5; 5a, 5b) ein Staudruck wirkt, so dass sich das Stößelelement (10) gegen die Kraft einer Rückstellfeder (11) bewegend eine rückwärtige Drosselöffnung (12) verengt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen endlagengedämpften Druckmittelzylinder mit einem in einem Zylindergehäuse angeordneten und zumindest einseitig mit Druckmittel beaufschlagbaren Kolben, der zumindest eine Druckkammer begrenzt, welche mit Mitteln zur Endlagendämpfung des Kolbens zusammenwirkt, die vor Erreichen der Endlage einen Arbeitskanal verschließen, so dass das restliche Druckmittel über mindestens einen gedrosselten Bypasskanal ausströmt.
Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auf Druckmittelzylinder als Linearantriebe zur Umwandlung eines Drucks als Betriebsenergie in eine Kraft, insbesondere zur Betätigung eines Maschinenteils. Die erfindungsgegenständliche Endlagendämpfung ist insbesondere für Pneumatikzylinder vorgesehen, welche Druckluft als Betriebsenergie nutzt. Neben herkömmlichen einfach oder doppelt wirkenden Pneumatikzylindern können auch kolbenstangenlose Zylinder mit einer solchen Endlagendämpfung ausgestattet werden.
Aus der DE 103 05 954 B3 geht ein gattungsgemäßer endlagengedämpfter Druckmittelzylinder hervor. In einem Zylindergehäuse ist ein zumindest einseitig beaufschlagbarer Kolben axial bewegbar untergebracht, wobei mindestens eine der beiden hierdurch gebildeten Druckkammern mit Mitteln für eine verstellbare Endlagendämpfung des Kolbens ausgestattet ist. Hierfür ist ein stirnseitig am Kolben über Druckfedermittel beabstandet angebrachtes, zumindest bereichsweise eisenmetallisches Anschlagelement vorgesehen, welches durch die Magnetkraft mindestens einen Permanentmagneten am Kolben in einer kolbennahen Grundposition fixiert ist, und welches in einer kolbenfernen Arbeitsposition zur Endlagendämpfung in die benachbarte Druckkammer hineinragt. Ein außen entlang des Zylindergehäuses zur Bestimmung der Dämpfungslänge verstellbares Magnetelement ist der Erzeugung eines gegenüber dem Magnetfeld des Permanentmagneten invertierten Magnetfelds vorgesehen, um eine Positionsänderung des Anschlagelements aus der Grundposition in die Arbeitsposition zu erzielen, wenn der Kolben kurz vor Erreichen seiner Endlage das Magnetelement passiert.
Die Endlagendämpfung erfolgt im Prinzip dadurch, dass das Anschlagelement vor Erreichen der Endlage den von der Druckkammer zum äußeren Arbeitsleitungsanschluss innerhalb des Zylinderdeckels ausgebildeten Arbeitskanal verschließt, so dass lediglich ein demgegenüber mit einem geringeren wirksamen Querschnitt versehener Bypasskanal für ein entsprechend verzögertes Ausströmen des verbleibenden Druckmittels aus der Druckkammer zur Verfügung steht, worüber die Endlagendämpfung bewirkt wird.
Das Lehrbuch „Pneumatikgrundlagen" (Der Pneumatiktrainer, Band 1, Drucknummer: RD 00 296/12.91 der Mannesmann Rexroth Pneumatik GmbH aus dem Jahre 1991) offenbart eine weitere technische Lösung für eine Endlagendämpfung bei einem Pneumatikzylinder. Hierfür ist am Kolben ein koaxialer Dämpfungszapfen angeformt, welcher vor Erreichen der Endlagenstellung in eine korrespondierende zylinderdeckelseitige Ausnehmung dynamisch abgedichtet eintaucht und so eine Dämpfung durch einen Druckaufbau in dem durch den Kolben abgesperrten Druckkammer bewirkt. Der Querschnitt des Bypasskanals ist über eine verstellbare Drossel variierbar, womit sich der Dämpfungsgrad einstellen lässt. Um die Gegenrichtung beim Anfahren des Kolbens nicht mit verminderter Kolbenfläche aus dem Dämpfungsbereich zu fahren, wird ein zusätzliches Rückschlagventil in den Zylinderdeckel integriert, welches sich in Einströmrichtung des Druckmittels in die Druckkammer hinein öffnet.
Diese in den Pneumatikzylinder integrierte pneumatische Endlagendämpfung ist abhängig von der Geschwindigkeit des Kolbens sowie den bewegten Massen, welche die Bewegungsenergie bestimmen. Je nach Anwendungsfall des Pneumatikzylinders ist die Intensität der Endlagendämpfung daher abhängig von der bewegten Masse sowie der Kolbengeschwindigkeit von Hand einzustellen, und zwar über die Einstellschraube der Drossel am Bypasskanal. Diese Einstellung erfolgt bei der Inbetriebnahme des Pneumatikzylinders per Hand und ggf. unter Zuhilfenahme von Messgeräten. Eine derart einstellbare Endlagendämpfung ist daher recht aufwendig.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen endlagengedämpften Druckmittelzylinder zu schaffen, der sich durch eine selbsteinstellende und lastadaptive Endlagendämpfung auszeichnet.
Die Erfindung wird ausgehend von einem endlagengedämpften Druckmittelzylinder gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass in den gedrosselten Bypasskanal ein entgegen der Ausströmrichtung des Druckmittels federrückgestelltes Stößelelement eingesetzt ist, auf das beim Ausströmen des Druckmittels einen Staudruck wirkt, so dass das Stößelelement sich gegen die Kraft einer Rückstellfeder bewegend eine rückwärtige Drosselöffnung verengt.
Mit anderen Worten bewirkt der sich auf die Endlage zu bewegende Kolben des Druckmittelzylinders einen Staudruck auf ein Stößelelement, welches eine Art Düsennadel betätigt, was die Eingangsgröße einer Regelung darstellt. Die Federkraft der Rückstellfeder wirkt gegen den Staudruck und das Stößelelement verändert den Querschnitt der rückwärtigen Drosselöffnung. Dabei verkleinert ein großer Staudruck die Drosselöffnung und erhöht die Bremswirkung der Endlagendämpfung. Durch die vorliegende mechanische Rückkopplung wird die Geschwindigkeit des Kolbens verringert.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung, besteht insbesondere darin, dass sich die Endlagendämpfung dank des Regelungsautomatismus lastadaptiv verhält, sich also an verschiedene bewegte Massen automatisch anpasst. Die als Regler ausgeführte Endlagendämpfung stellt sich damit also selbst ein, was den hierfür ansonsten erforderlichen manuellen Aufwand entbehrlich macht. Da bei Änderung der bewegten Masse und deren Geschwindigkeit kein Nachstellen der Endlagendämpfung mehr erforderlich ist, wird die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäß endlagengedämpften Druckmittelzylinders erhöht. Neben dieser Bedienungsvereinfachung sowie Funktionsverbesserung lässt sich die erfindungsgemäße Endlagendämpfung kompaktbauend, insbesondere in einen Zylinderdeckel eines Druckmittelzylinders integrieren.
Vorzugsweise ist das Stützelement einstückig ausgeführt und läuft zur allmählichen Verengung der Drosselöffnung am distalen Ende eines Schaftabschnitts in eine konische Spitze aus. Die konische Spitze sollte dabei koaxial zur gegenüberliegenden gehäusefesten runden Drosselöffnung ausgerichtet sein, um eine gleichmäßige Drosselungssteigerung bei Annäherung des Stößelelements an die Drosselöffnung zu realisieren.
An dem der Spitze gegenüberliegenden Ende des Schaftbereichs des einstückigen Stößelelements sollte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein sich nach radial außen erstreckender Tellerabschnitt angeformt sein, der in Umfangsrichtung fensterartige Durchbrüche aufweist. Durch den Tellerabschnitt steht der Staudruck optimal am Stößelelement an.
In besonders einfacher Weise kann der gedrosselte Bypasskanal durch ein vorzugsweise scheibenförmiges Blendenelement mit zentraler Blendenöffnung gebildet werden. Dieses Blendenelement ist hinsichtlich seiner geometrischen Abmessungen an den Tellerabschnitt des Stößelelements angepasst und die Größe der Blendenöffnung bestimmt maßgeblich den am Stößelelement entgegen der Rückstellfeder anstehenden Staudruck. Ein solches scheibenartiges Blendenelement sollte vorzugsweise mit einem abgewinkelten Randbereich versehen werden, worüber eine besonders einfache Montage durch Einpressen in die druckkammerseitige Öffnung des Bypasskanals erfolgen kann. Das Blendenelement kann dabei genauso wie das Stößelelement aus Metall oder Kunststoff durch Spritzgießen hergestellt sein. Demgegenüber besteht die Rückstellfeder vorzugsweise aus einem zu einer Schraubenfeder gewundenen Federstahldraht, welcher besonders platzsparend innerhalb des Bypasskanals den Schaftbereich des Stößelelements koaxial umgeben kann.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben oder werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine schematische Seitenansicht eines doppelt wirkenden Pneumatikzylinders mit beidseitiger Endlagendämpfung,
2 eine detaillierte Seitenansicht des Pneumatikzylinders aus 1 im Bereich einer Endlagendämpfung,
3 eine perspektivische Ansicht eines zu den Mitteln der Endlagendämpfung gehörigen Stößelelements, und
4 eine perspektivische Ansicht eines zu den Mitteln der Endlagendämpfung gehörigen Blendenelements.
Gemäß 1 besteht ein doppelt wirkender Pneumatikzylinder aus einem Zylindergehäuse 1, das beidseitig mit Zylinderdeckeln 2a und 2b verschlossen ist und in dem ein axial bewegbarer Kolben 3 untergebracht ist, dessen Kolbenstange 4 den einen Zylinderdeckel 2b dynamisch abgedichtet durchdringt. Der Kolben 3 unterteilt das Innere des Pneumatikzylinders in zwei Druckkammern 5a und 5b, welche den Kolben 3 durch wechselseitige Druckbeaufschlagung zwischen den beiden Endstellungen bewegen.
Beidseits des Kolbens 3 ist ein koaxialer Dämpfungszapfen 6a und 6b angeformt, der zum Verschließen eines in jedem Zylinderdeckel 2a und 2b ausgebildeten Arbeitskanal 7a bzw. 7b in eine je zugeordnete Ausnehmung 8a bzw. 8b eintaucht, um die Endlagendämpfung einzuleiten.
Zu den Mitteln der Endlagendämpfung gehört des Weiteren auch ein parallel zu jedem Arbeitskanal 7a und 7b verlaufender Bypasskanal 9a bzw. 9b, der einen relativ geringeren Querschnitt aufweist.
Wie exemplarisch aus 2 hervorgeht, ist in den Bypasskanal 9 des Zylinderdeckels 2 ein Stößelelement 10 eingesetzt, auf welches beim Ausströmen des Druckmittels aus der Druckkammer 5 stirnseitig ein Staudruck wirkt, so dass sich das Stößelelement 10 gegen die Kraft einer Rückstellfeder 11 bewegt, um eine rückwärtige Drosselöffnung 12 zu verengen. Hierdurch wird eine sich selbst einstellende und lastadaptive Endlagendämpfung bewirkt.
Der gedrosselte Bypasskanal 9 wird hier durch ein scheibenförmiges Blendenelement 13 gebildet, welches von Seiten der Druckkammer 5 her in den Bypasskanal 9 eingesetzt ist, um in diesen bis auf die Blendenöffnung 14 zu verschließen. Der Bypasskanal 9 ist zur Realisierung der vorstehend beschriebenen Verengungsfunktion sowie zur Bauteilaufnahme als Stufenbohrung ausgeführt.
Zur Realisierung einer besonders kompaktbauenden Anordnung innerhalb des Bypasskanals 9 umgibt die Rückstellfeder 11 einen Schaftbereich des Stößelelements 10 koaxial.
Gemäß 3 besteht das Stößelelement 10 aus einem mittleren Schaftbereich 15, der zu seinem distalen Ende hin zu einer konischen Spitze 16 ausläuft, welche mit der – hier nicht weiter dargestellten Drosselöffnung 12 – seitens des Zylinderdeckels 2 koaxial zusammenwirkt. An dem der Spitze 16 gegenüberliegenden Ende des Schaftbereichs 15 besitzt das Stößelelement 10 einen angeformten Tellerabschnitt 17, welcher mit in Umfangsrichtung verlaufenden fensterartigen Durchbrüchen 18 versehen ist.
Bei dem in 4 als Einzelteil dargestellten scheibenförmigen Blendenelement 13 ist außenradial ein abgewinkelter Randbereich 19 vorgesehen, der dem Einpressen in die druckkammerseitige Öffnung des – hier nicht weiter dargestellten Bypasskanals 9 – dient. Ferner weist das Blendenelement 13 eine zentrale Blendenöffnung 14 auf.
Die Erfindung ist nicht beschränkt 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, das Prinzip der erfindungsgegenständlichen Endlagendämpfung bei anderen Druckmittelzylindern, beispielsweise auch bei kolbenstangenlosen Druckmittelzylindern, einzusetzen.
Bezugszeichenliste

1: Zylindergehäuse
2: Zylinderdeckel
3: Kolben
4: Kolbenstange
5: Druckkammer
6: Dämpfungszapfen
7: Arbeitskanal
8: Ausnehmung
9: Bypasskanal
10: Stößelelement
11: Rückstellfeder
12: Drosselöffnung
13: Blendenelement
14: Blendenöffnung
15: Schaftbereich
16: Spitze
17: Tellerabschnitt
18: Durchbruch
19: Randbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10305954 B3 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Pneumatikgrundlagen” (Der Pneumatiktrainer, Band 1, Drucknummer: RD 00 296/12.91 der Mannesmann Rexroth Pneumatik GmbH aus dem Jahre 1991) [0005]

Claims

Endlagengedämpfter Druckmittelzylinder mit einem in einem Zylindergehäuse (1) angeordneten und zumindest einseitig mit Druckmittel beaufschlagberen Kolben (3), der zumindest eine Druckkammer (5; 5a, 5b) begrenzt, welche mit Mitteln zur Endlagendämpfung des Kolbens (3) zusammenwirkt, die vor Erreichen der Endlage einen Arbeitskanal (7; 7a, 7b) verschließen, so dass das restliche Druckmittel über mindestens einen gedrosselten Bypasskanal (9; 9a, 9b) ausströmt, dadurch gekennzeichnet, dass in den gedrosselten Bypasskanal (9; 9a, 9b) ein entgegen der Ausströmrichtung des Druckmittels federrückgestelltes Stößelelement (10) eingesetzt ist, auf das beim Ausströmen des Druckmittels aus der Druckkammer (5; 5a, 5b) ein Staudruck wirkt, so dass sich das Stößelelement (10) gegen die Kraft einer Rückstellfeder (11) bewegend eine rückwärtige Drosselöffnung (12) verengt.
Endlagengedämpfter Druckmittelzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stößelelement (10) zur allmählichen Verengung der Drosselöffnung () am distalen Ende eines Schaftabschnitts (15) zu einer konischen Spitze (16) ausläuft, die koaxial zur runden Drosselöffnung (12) ausgerichtet ist.
Endlagengedämpfter Druckmittelzylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftbereich (15) des Stößelelements (10) an dem der Spitze (16) gegenüberliegenden Ende mit einem angeformten Tellerabschnitt (17) mit in Umfangsrichtung verlaufenden fensterartigen Durchbrüchen (18) versehen ist.
Endlagengedämpfter Druckmittelzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gedrosselte Bypasskanal (9) durch ein scheibenförmiges Blendenelement (13) mit zentraler Blendenöffnung (14) gebildet ist.
Endlagengedämpfter Druckmittelzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Blendenelement (13) mit einem abgewinkelten Randbereich (19) zum Einpressen in die druckkammerseitige Öffnung des Bypasskanals (9) versehen ist.
Endlagengedämpfter Druckmittelzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellfeder (11) als eine aus Federstahldraht gewundene Schraubenfeder ausgeführt ist.
Endlagengedämpfter Druckmittelzylinder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb des Bypasskanals (9) angeordnete Rückstellfeder (11) den Schaftbereich (15) des Stößelelements (10) koaxial umgibt.
Endlagengedämpfter Druckmittelzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Endlagendämpfung in mindestens einem der Druckkammern (5a; 5b) zugeordneten und diese stirnseitig verschließenden Zylinderdeckel (2a; 2b) des Zylindergehäuses (1) integriert sind.
Endlagengedämpfter Druckmittelzylinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) einen koaxialen Dämpfungszapfen (6a; 6b) zum Verschließen des Arbeitskanals (7a; 7b) vor Erreichen der Endlage aufweist, der dynamisch abgedichtet mit einer korrespondierenden im Zylinderdeckel (2a; 2b) eingebrachten Ausnehmung (8a; 8b) zusammenwirkt, an deren dem Kolben (3) gegenüberliegender Seite der Arbeitskanal (7a; 7b) zur Druckkammer hin einmündet.
Endlagengedämpfter Druckmittelzylinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als ein doppeltwirkender Pneumatikzylinder mit beidseitiger Endlagendämpfung ausgebildet ist.