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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hydraulikzylinder nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Er umfasst in an sich bekannter Weise ein Zylindergehäuse mit einem äußeren Zylinderrohr, das sich zwischen einem Zylinderboden und einem Zylinderkopf erstreckt und in dem ein Kolben axial verschiebbar geführt ist, der mit einer den Zylinderkopf durchdringenden, zumindest teilweise hohl ausgebildeten Kolbenstange verbunden ist, und der in dem Zylindergehäuse auf der dem Zylinderboden zugewandten Seite einen in seiner Größe veränderlichen Druckraum begrenzt, welcher zum Ausfahren des Kolbens mit einer Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt werden kann. Weiterhin weist der vorliegende Hydraulikzylinder ein mit dem Zylinderboden fest verbundenes inneres Zylinderrohr, das sich koaxial in den Hohlraum der Kolbenstange erstreckt, und einen in den Hydraulikzylinder integrierten linearen Wegaufnehmer auf, welcher zwei relativ zueinander verschiebbare und miteinander zusammenwirkende Sensorelemente umfasst, von denen eines fest mit dem Zylinderboden oder mit einem anderen fest hiermit verbundenen Teil des Zylinders verbunden ist, während das andere fest mit dem Kolben oder mit der Kolbenstange verbunden ist.
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Wegsensoren werden insbesondere bei hydraulischen Antriebsaggregaten eingesetzt, die nicht nur gesteuert, sondern geregelt betrieben werden sollen. Dabei kann der Sensor entweder als externer Wegaufnehmer außerhalb des Zylinders oder als interner Wegaufnehmer innerhalb des Zylinders angeordnet werden.
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Ein externer Wegaufnehmer ist zwar kostengünstig, aber er ist mit den Nachteilen verbunden, dass seine Anbringung mit zusätzlichem Aufwand verbunden ist, dass er zusätzlichen Bauraum benötigt, und dass er einem erheblichen Risiko von Beeinflussungen und Beschädigungen durch äußere Einflüsse unterliegt.
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Eine derartige hydraulische Antriebseinrichtung mit einem außerhalb des Zylinders angeordneten Wegmesssystem zur Bestimmung des Verfahrweges des Kolbens ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 005 998 B4 bekannt.
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Auch aus der
DE 10 2011 077 781 A1 ist eine Zylinder-Positionsmesseinrichtungs-Anordnung bekannt, bei der eine induktiv arbeitende Positionsmesseinrichtung außerhalb des Zylindergehäuses angeordnet ist.
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Aus der
DE 20 2011 052 463 U1 ist eine Hydropulseinrichtung bekannt, die zwei Zylinder mit Kolben umfasst. Die Stellung eines Kolbens kann hier durch eine Messeinrichtung erfasst werden, die mit einer in Hubrichtung des Kolbens ausgerichteten Messstange zusammenwirkt. Die Messstange ragt durch eine Öffnung hindurch aus dem Druckraum des Zylinders heraus, so dass auch diese Messeinrichtung außerhalb des Zylinders angeordnet ist.
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Demgegenüber führen in den Hydraulikzylinder integrierte Wegaufnehmer zu einer sehr viel kompakteren und vor allem robusteren Bauform, bei der Beschädigungen des geschützt im Inneren liegenden Wegaufnehmers durch äußere Einflüsse weitestgehend ausgeschlossen sind.
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Ein Hydraulikzylinder der eingangs genannten Art mit einem innerhalb des Zylinders angeordneten internen Wegaufnehmer ist aus der
DE 10 2005 061 730 B4 bekannt. Ein zentrales stabförmiges Sensorelement des Wegaufnehmers erstreckt sich vom Zylinderboden ausgehend in den Innenraum der hohlen Kolbenstange hinein. Dabei ist das stabförmige Sensorelement von einem Rohr umgeben, dessen Innenraum den Druckraum des Zylinders bildet und dazu leitungsmäßig mit dem Hydraulikanschluss des Zylinders verbunden ist.
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Das stabförmige Sensorelement muss daher hochgradig druckfest ausgeführt sein, um dem hohen Druck der Hydraulikflüssigkeit widerstehen zu können, die für das Ausfahren der Kolbenstange in den das Sensorelement umgebenden Druckraum des Hydraulikzylinders gepumpt wird. Diese hohen Anforderungen an die Druckbelastbarkeit des Wegaufnehmers sind wiederum mit hohen Kosten verbunden, was somit auch zu entsprechend hohen Kosten des gesamten Hydraulikzylinders führt. Außerdem ist der maximal mögliche Hub der Zylinder begrenzt, da das stabförmige Sensorelement ab einer gewissen Länge schon bei relativ geringem Druck der Hydraulikflüssigkeit auch dann abknickt, wenn es druckfest ausgeführt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen preiswert herzustellenden Hydraulikzylinder der eingangs genannten Art zu schaffen, der auf konstruktiv einfache Weise den Einsatz druckempfindlicher Wegaufnehmereinrichtungen und vergrößerte Hublängen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hydraulikzylinder nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es, dass der Kolben ringförmig ausgebildet ist und unter Zwischenfügung einer Ringdichtung abgedichtet auf dem inneren Zylinderrohr gleitet, wobei auch der Druckraum das innere Zylinderrohr ringförmig bzw. rohrförmig umgibt, und dass der Innenraum dieses inneren Zylinderrohrs von dem das innere Zylinderrohr außen umgebenden Druckraum abgetrennt und somit druckisoliert ist, und dass die beiden miteinander zusammenwirkenden Sensorelemente des Wegaufnehmers in diesem druckisolierten Innenraum des inneren Zylinderrohrs angeordnet sind.
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Es ist also von besonderer Bedeutung, dass in dem Zylindergehäuse eine separate Kammer ausgebildet ist, die nicht von einer im Druckraum auf den Kolben einwirkenden Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird, und die somit von dem Druckraum bezüglich der Druckbelastung isoliert ist. In dieser abgetrennten Kammer können die Komponenten des Wegaufnehmers eingesetzt werden, ohne dem hohen Hydraulikdruck ausgesetzt zu sein.
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Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Ausführung liegt demnach darin, dass druckempfindliche Wegaufnehmereinrichtungen eingesetzt werden können, die mit sehr viel geringeren Kosten verbunden sind als druckfeste Varianten. Dadurch können die Herstellungskosten des gesamten Hydraulikzylinders deutlich gesenkt werden.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt darin, dass eine höhere Sicherheit sowie eine längere Lebensdauer erreicht wird, weil die in der druckfreien Kammer eingesetzten Komponenten besser geschützt und nicht mehr dem hohen Hydraulikdruck ausgesetzt sind. Das führt auch dazu, dass ein wesentlich größerer Maximalhub realisiert werden kann, da die Gefahr des Abknickens des entsprechend länger ausgeführten stabförmigen Sensorelements aufgrund eines umgebenden Hydraulikdrucks nicht mehr besteht.
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Der erfindungsgemäße Hydraulikzylinder ist somit insgesamt bei einfacher Konstruktion kostengünstig herzustellen und mit der gegen äußere Einflüsse geschützten integrierten Wegmesseinrichtung leicht zu montieren und handzuhaben.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wegaufnehmer ein berührungslos arbeitender magnetostriktiver Wegaufnehmer mit einem stabförmigen ferromagnetischen bzw. magnetostriktiven Messelement und einem hiermit zusammenwirkenden, relativ dazu verschiebbaren Positionsmagnet ist, welcher vorzugsweise das stabförmige Messelement ringförmig umgibt. Das stabförmige Messelement ist dabei als erstes Sensorelement fest mit dem Zylinderboden verbunden und erstreckt sich koaxial oder achsparallel in den druckfreien Innenraum des inneren Zylinderrohrs hinein. Alternativ können aber auch andere Messprinzipien zum Einsatz kommen, beispielsweise induktive Wegaufnehmer oder Linearpotentiometer.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Positionsmagnet als zweites Sensorelement von einem stangenförmigen Haltemittel getragen ist, welches mit einem dem freien Ende zugewandten Bereich der Kolbenstange fest verbunden ist und sich von dort aus achsparallel in das innere Zylinderrohr hinein erstreckt.
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Eine besonders stabile Bauform kann dabei erzielt werden, wenn das stangenförmige Haltemittel durch ein inneres Kolbenstangenrohr gebildet ist, welches das stabförmige Messelement koaxial umgibt, wobei der Positionsmagnet an dem freien Ende dieses Kolbenstangenrohres befestigt ist. Das innere Kolbenstangenrohr erstreckt sich also axial in den rohrförmigen Zwischenraum hinein, der zwischen dem stabförmigen Messelement und dem inneren Zylinderrohr ausgebildet ist.
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Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn eine Elektronikeinheit zum Auswerten der vom Wegaufnehmer gelieferten Signale in den Hydraulikzylinder (1) integriert ist. Vorzugsweise kann die Auswertungselektronik in den Zylinderboden integriert sein, wo sie besonders einfach elektronisch anschließbar ist.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Hydraulikzylinder doppelt wirkend ausgeführt, so dass die Kolbenstange (4) durch Zuführen von Druckflüssigkeit durch einen zweiten Druckmittelanschluss in einen die Kolbenstange ringförmig bzw. rohrförmig umgebenden zweiten Druckraum hydraulisch eingefahren werden kann. Auch dieser zweite Druckraum ist dabei von der für den Wegaufnehmer in dem Innenraum des innere Zylinderrohrs ausgebildeten druckisolierten Kammer abgetrennt.
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Eine besondere Sicherheit gegen Austreten von Hydraulikflüssigkeit bei möglicherweise auftretenden inneren Undichtigkeiten kann dadurch erreicht werden, dass die druckisolierte Kammer im Innenraum des inneren Zylinderrohrs einen Leitungsanschluss aufweist, über den die druckisolierte Kammer an ein Reservoir, insbesondere an den Tank des Hydraulikzylinders angeschlossen werden kann. In den Innenraum des inneren Zylinderrohrs eintretende Hydraulikflüssigkeit kann so besonders einfach eingefangen werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen:
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1: Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Hydraulikzylinder im eingefahrenen Zustand;
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2: Vergrößerte Darstellung des Zylinderbodens und des Kolbens aus 1; und
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3: dreidimensionale Ansicht des Hydraulikzylinders aus 1.
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Der hier doppelt wirkend ausgeführte Hydraulikzylinder 1 umfasst ein Zylindergehäuse 2, in dem ein beidseitig mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbarer Kolben 3 mit einer rohrförmigen Kolbenstange 4 axial ein- und ausfahrbar geführt ist. Das Zylindergehäuse 2 umfasst einem äußeres Zylinderrohr 5, das sich zwischen einem Zylinderboden 6 und einem Zylinderkopf 7 erstreckt, welcher von der hohl ausgebildeten Kolbenstange 4 abgedichtet durchdrungen wird.
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Am Zylinderboden 6 ist ein inneres Zylinderrohr 8 angeschweißt, das sich koaxial in den Hohlraum der Kolbenstange 4 erstreckt. Auf diesem Zylinderrohr 8 gleitet der ringförmige Kolben 3 unter Zwischenfügung einer Ringdichtung 8a. Sowohl der für das Ausfahren des Kolbens 3 mit Druck beaufschlagbare Druckraum, der bei der in den 1 und 2 dargestellten vollständig eingefahren Position des Kolbens 3 minimal ist, als auch der auf der anderen Seite des Kolbens 3 liegende und für das Einfahren des Kolbens 3 mit Druck beaufschlagbare Druckraum 9 sind hier also ring- bzw. rohrförmig ausgebildet. Sie liegen nur außerhalb des inneren Zylinderrohrs 8.
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Der Innenraum des inneren Zylinderrohrs 8 ist erfindungsgemäß von beiden Druckräumen druckisoliert abgetrennt und bildet eine druckfreie innere Kammer, in welcher ein in den Hydraulikzylinder integrierter Wegaufnehmer 10 angeordnet ist. Der hier magnetostriktiv arbeitende Wegaufnehmer 10 umfasst eine in den Zylinderboden eingesetzte Auswertungseinheit 11, von der aus sich ein zentrales stabförmiges magnetostriktives Sensorelement 12 in das innere Zylinderrohr 8 erstreckt. Ein hiermit zusammenwirkender ringförmiger Positionsmagnet 13 ist als zweites Sensorelement am Ende eines inneren Kolbenstangenrohrs 14 angebracht, welches hinter dem freien Ende des inneren Zylinderrohrs 8 an dem freien Ende der Kolbenstange 4 befestigt ist und das stabförmige Sensorelement 12 ebenso wie der Positionsmagnet 13 koaxial umgibt. Das innere Kolbenstangenrohr 14 fährt also zusammen mit dem Kolben 3 und der Kolbenstange 4 ein und aus, wobei es beim Einfahren des Kolbens 3 mit dem Positionsmagnet 13 in den rohrförmigen Zwischenraum zwischen dem Sensorelement 12 und dem inneren Zylinderrohr 8 eintaucht. Die bei dieser Relativbewegung der beiden zusammenwirkenden Sensorelemente 12 und 13 in an sich bekannter Weise erzeugten Impulse werden von der Auswertungseinheit 11 als Signale des Wegaufnehmers 10 ausgegeben.
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Bei der in 3 dargestellten Ansicht des erfindungsgemäßen Hydraulikzylinders 1 ist zu erkennen, dass beide Druckmittelanschlüsse 15 sowie der elektrische Anschluss 16 des Wegaufnehmers 10 im Zylinderboden 6 angeordnet sind. Der mit der für das Einfahren des Kolbens 3 mit Hydraulikflüssigkeit zu beaufschlagende Druckraum 9 ist dabei über eine Hydraulikleitung 17 mit dem zugehörigen Druckmittelanschluss 15 verbunden, die innerhalb des hier doppelwandig ausgeführten äußeren Zylinderrohrs 5 verläuft. Dabei kann wie in der dargestellten Ausführungsform das äußere Teilrohr des doppelwandigen Zylinderrohrs 5 mit dem Zylinderboden 6 und dem Zylinderkopf 7 verschraubt sein, wobei das innere Teilrohr des doppelwandigen Zylinderrohrs 5 lediglich auf entsprechenden Absatzstufen des Zylinderbodens 6 und des Zylinderkopfs 7 formschlüssig und/oder kraftschlüssig gehalten bzw. eingeklemmt ist. Gemäß einer bevorzugten alternativen und hier nicht zeichnerisch dargestellten Ausführungsvariante kann die Befestigung auch umgekehrt sein, so dass das innere Teilrohr des doppelwandigen Zylinderrohrs 5 mit dem Zylinderboden 6 und dem Zylinderkopf 7 verschraubt ist, während das äußere Teilrohr des doppelwandigen Zylinderrohrs 5 dann wiederum formschlüssig und kraftschlüssig auf entsprechend ausgebildeten Absatzstufen von Zylinderboden 6 und Zylinderkopf 7 gehalten und eingeklemmt ist. Diese Variante bietet den Vorteil, dass das äußere Teilrohr des doppelwandigen Zylinderrohrs 5 dann um die eigene Achse verdreht werden und somit gut für die Befestigung des Hydraulikzylinders 1 mitgenutzt werden kann.
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Unterhalb des Zylinderbodens 6 ist der Hydraulikzylinder 1 mit einem Gelenkauge 18 versehen, über das er an weiteren Einrichtungen angelenkt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009005998 B4 [0004]
- DE 102011077781 A1 [0005]
- DE 202011052463 U1 [0006]
- DE 102005061730 B4 [0008]
