DE102016000501A1

DE102016000501A1 - Freischaltzylinder für höchste Hubzahlen

Info

Publication number: DE102016000501A1
Application number: DE102016000501.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2017-07-20

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Zylinder mit Krafthaltefunktion zum extrem schnellen Freischalten höchster Kräfte auf Null und einem äußerst schnellen Einkuppelvorgang für die erneute Herstellung der Krafthaltefunktion. Der erfindungsgemäße Zylinder ist weiterhin in der Lage, weitere kräftemäßig parallel geschaltete Zylinder gleichzeitig mit auszulösen. Er ist in der Lage, auf eine Kombination aus einer zulässigen Maximalkraft und einem unzulässigen Kraftanstieg äußerst schnell und dabei vorausschauend zu reagieren.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinder gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Zylinder können zum fluidgesteuerten Kuppeln von zwei Bauteilen eingesetzt werden.
In der OS DE 42 33 115 wird beispielsweise eine Einrichtung beschrieben, die durch das Ankuppeln eines in einem Zylinderraume frei beweglichen Kolbens in einer Endlage mit Hilfe der Drucksteuerung eines Schaltraumes realisiert. Der Kolben dieser Einrichtung ist jedoch nicht in der Lage, Hübe mit höheren Hubzahlen sicher auszuführen. Nachteilig ist, dass der Einkupplungsvorgang über eine Ventilsteuerung bewirkt wird und damit die Hubzahl eingeschränkt wird. Nachteilig ist weiterhin, dass nach Auslösen des Schaltvorgangs das im Zylinder vorhandene Kompressionsöl zum Tank abfließt und für einen erneuten Hub erst neu aufgebaut werden muss. Damit einher geht sowohl eine deutliche Verminderung der Hubzahl. Gleichzeitig wird das Gesamtsystem infolge der Ansteuerung mit Schaltventilen aufwändig aufgrund der Erforderlichen Verwendung von Sensoren, Ventilen und einer elektronischen Steuerung.
Aus der Schrift DE 10 2012 019 386 A1 ist eine Vorrichtung zum Hochgeschwindigkeitsumformen oder Hochgeschwindigkeitsscherschneiden auf konventionellen Maschinen bekannt. Die beweglichen Werkzeugteile werden hier zu Beginn der Arbeitsbewegung durch Kniehebel in Strecklage gebracht und sind so ausgelegt, dass sie in dieser Lage blockiert sind, indem sie sich etwas oberhalb ihrer Strecklage befinden. Oberhalb der beweglichen Werkzeugteile wird nun infolge einer Stößelbewegung Energie in ein Federpaket eingeleitet. Bei Erreichen des gewünschten Energiebetrags beziehungsweise Stößelweges wird die Strecklage der Kniehebel infolge einer stößelwegbezogenen mechanischen Auslösung aufgehoben und die Kniehebel bilden keinen Widerstand gegen die Abwärtsbewegung der Werkzeugteile mehr aus. Die aufgebaute mechanische Federenergie beschleunigt die Werkzeugteile auf die gewünschten hohen Geschwindigkeiten.
Nachteilig ist hier, dass für das Aufbringen hoher Kräfte ein aufwendiges Kniehebelsystem erforderlich ist. Für das Ausstanzen kleiner Teile ist das kein Problem. Bei beispielsweise einem Schmiedevorgang oder einem kraftaufwendigen Prägevorgang oder das Bearbeiten großer Schnittteile aus dickem Blech, beispielsweise Zahnräder, ist es erstrebenswert, eine kompakte Einrichtung für höhere Kräfte zur Verfügung zu haben.
Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Freischaltzylinder für höchste Hubzahlen gelöst.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung, bei welcher in einem Hydraulikzylinder ein Kolben vorhanden ist dessen Innendurchmesser kleiner ist als der maximale Zylinderdurchmesser ist, dessen Kolben an den Deckel des Zylinders über Druckentlastung ankuppelbar ist und der in kürzester Zeit schaltet, indem er vermittelst einer vorausschauenden, diffenzierend wirkenden Einrichtung, bereits vor Erreichen einer eingestellten Maximalkraft bei einem unzulässig schnellen Druckanstieg die übertragene Kraft abschaltet. Das Wiederherstellen des Zustands einer erneuten Fähigkeit zur Kraftübertragung geschieht in allerkürzester Zeit und völlig selbsttätig.
Der Zylinder weist einen Spalteinstellring 7 auf, der die Oberseite des Kolbenrands 2 zum Deckel 3 im verkuppelten Ruhezustand des Kolbens 1 sicher abdichtet. Er besitzt einen Spalt mit der Breite b zum inneren Zylindergehäuse 4, der zunächst bei Lösen des Kolbenrands 2 vom Deckel 3 eine gemeinsame Bewegung mit dem Kolben 1 ausführt, da er zunächst an seiner Oberseite mit dem gleichen Druck aus dem Zylinderraum 22 beaufschlagt ist wie an seiner Unterseite, die Kraft an seiner Unterseite jedoch aufgrund des Druckabfalls an seiner gemeinsamen Sitzfläche mit dem Kolbenrand 2 nach innen geringer ist als an seiner Oberseite. Der Maximalbetrag dieser Bewegung des Spalteinstellrings 7 entspricht dem Maß I, da dann infolge des Aufsetzens des Spalteinstellrings 7 auf den Druckabschaltansatz 21 spätestens ein Lösen des Spalteinstellrings 7 vom Kolbenrand 2 erfolgt. Das Lösen kann aber vorausschauend eingestellt werden. Bei Überschreitung der vom Zylinder übertragbaren Kraft, die sich aus der druckbeaufschlagten Fläche des Kolbenrands 2 berechnet, löst sich der Kolbenrand 2 vom Deckel 3. Dabei vergrößert sich das Volumen des Druckdifferenzierraums 19 infolge der zunächst gemeinsamen Bewegung des Spalteinstellrings 7 mit dem Kolben 1. Während dieser Bewegung strömt gleichzeitig Öl vom Zylinderraum 22 in den Druckdifferenzierraum 19 über den Druckdifferenzierspalt b. Aufgrund des Druckverlustes über den Druckdifferenzierspalt b entsprechend der Formel:
stellt sich infolge dieser Bewegung eine Verringerung des Drucks im Druckdifferenzierraum 19 ein. Der Gradient dieser Verringerung ist eine Funktion der Geschwindigkeit des Lösens des Kolbenrands 2 vom Deckel 3, somit gleichzeitig eine Funktion des Anstiegs der Kraft F. Wenn man seitens der maßlichen Auslegung der Berührfläche zwischen Kolbenrand 2 und Spalteinstellring 7 davon ausgeht, dass die Hälfte der unteren Fläche des Spalteinstellrings 7 Berührfläche ist, für die ein linearer Druckabfall vom Betrag des Drucks im Zylinderraum 2 nach innen gegeben ist, beträgt der mittlere Druck an der Unterseite des Spalteinstellrings 7 ¾ des Drucks an der Oberseite des Spalteinstellrings 7. Unterschreitet demzufolge der Druck im Druckdifferenzierraum 19 die ¾ – Grenze, so löst sich der Spalteinstellring 7 vom Kolbenrand 2, Öl strömt in den Raum oberhalb des Kolbenrands 2 und der Kraftfluss wird unterbrochen. Eine Berechnung des Lösepunktes kann mit einer numerischen Lösung der zugehörigen Differentialgleichnung oder durch Versuche ermittelt werden. Eine sehr eng bemessene Auslegung des Spaltes b kann beispielsweise dazu genutzt werden, dass das Lösen bereits nach einem Weg des Spalteinstellrings 7 von lediglich 0,1 mm oder weniger erfolgt.
Bei einer Berechnungshöhe HZ des Ölpolsters im Zylinderraum 22 von beispielsweise 28 mm, wobei zur Ermittlung der Berechnungshöhe HZ das gesamte im Zylinderraum 22 vorhandene Öl zugrundegelegt wird, und einer angesetzten Kompressibilität von 0,7% bei 100 Bar Druckanstieg, ergibt sich ein Druckanstieg im Zylinderraum 22 von ca. 50 Bar. Gleichzeitig sinkt der Druck im Druckdifferenzierraum 19 entsprechend der Berechnungshöhe HD dieses Raums. Beträgt die Berechnungshöhe HD beispielsweise gleichfalls 28 mm, sinkt der Druck hier um einen ähnlichen Betrag. Ist der Spalt b sehr klein, wird der Druckabfall im Druckdifferenzierraum 19 kaum ausgeglichen, insbesondere wegen der Zeit, die bei rasantem Druckanstieg nur wenige Millisekunden beträgt, und die Kräfteverhältnisse führen zu einem Lösen des Spalteinstellrings 7 vom Kolbenrand 2, der Kraftfluss ist unterbrochen.
Beim Erläutern des Standes der Technik wird dargestellt, dass eine wichtige Aufgabe das Realisieren hoher Hubzahlen ist.
Während das Entkuppeln in kürzester Zeit erfolgt, gemessen wurden Zeitbeträge in der Größenordnung einer Millisekunde, und die Bewegung des Kolbens im Zylinder praktisch beliebig schnell erfolgen kann da kein Fluidaustausch mit Pumpen, Speichern oder anderen Verbrauchern erfolgt und aufgrund der Durchmesserdifferenz zwischen Kolbenrand 2 und dem Zylindergehäuse 4 innen keine nennenswerten hydraulischen Widerstände auftreten, stellt das wieder Einkuppeln sowohl die zeitliche Schwachstelle zum Erreichen hoher Hubzahlen als auch die funktionelle Schwachstelle dar. Dies gilt dann, wenn zum Einkuppeln Sensoriken (Näherungssensoren, Wegsensoren), Schaltventile und elektronische Steuerungen eingesetzt werden. Die in Anspruch 3 angegebene Lösung stellt hingegen eine einfachste und extrem zuverlässige Lösung dar, die gleichzeitig die gewünschten Anforderungen zum schnellstmöglichen Verkuppeln zum Erreichen höchster Hubzahlen realisiert. Hierzu werden in den Kolben 1 die kolbenseitige Einstellnut 12 und versetzt gegenüberliegend im Deckel 3 die deckelseitige Einstellnut 11 eingebracht. Die Überschneidung beider Nuten ist dahingehend mit dem Maximalweg I des Spalteinstellrings 7 abgestimmt, dass er in den meisten Fällen um einen kleinen Betrag größer ist. In der obersten Stellung des Kolbens 1 überschneiden sich die Nuten 11 und 12 und stellen mittels der Leitung 13 eine Verbindung zum Tankanschluss 9 her, der Kraftübertragungsmodus ist aktiv. Nach Überschreiten einer eingestellten Maximalkraft löst sich der Kolbenrand 2 vom Deckel 3.
Macht nun der Kolben 1 einen Freischaltweg innerhalb des Zylinders besteht keine Verbindung zwischen der Sammelnut 16 und dem Tank mehr. Das innerhalb des Zylinderraums 22 gespeichert Kompressionsöl bleibt damit weitgehend gespeichert und muss für den nächsten Kraftübertragungsmodus nicht erneut aufgebaut werden. Befindet sich der Kolben als nächster Schritt im Rückhubmodus und nähert sich – in der Regel durch externe Kräfte oder kleine Differenzen der Kolbenstangen initiiert – der Kolbenrand 2 an den Deckel 3 und den Spalteinstellring 7 an, beginnen sich die Nuten 11 und 12 wieder zu überschneiden. Der sich jetzt zwischen Deckel 3, dem Spalteinstellring 7 und dem Kolbenrand 2 ausbildende Raum wird nun mit dem Tank verbunden und der Kolbenrand 2 saugt sich praktisch völlig selbsttätig am Deckel 2 fest und ist in der Lage automatisch in der Lage, in einen erneuten Kraftübertragungsmodus überzugehen. Dieses Festsaugen des Kolbenrands 2 am Deckel 3 mittels des Überschneidens der Nuten 11 und 12 erfolgt in wenigen Millisekunden völlig ohne dass Ventile irgendeiner Art benötigt werden. Der immer im Zylinderraum 22 vorhandene Druck infolge Kompression unterstützt diesen Festsaugvorgang erheblich. Gleichfalls erfolgt das „Festsaugen” schneller, als es die Schaltzeit von Ventilen zuließe. Mit der angegebenen Lösung sind damit Hubzahlen im Bereich 300/min und deutlich höher möglich.
2 zeigt den Aufbau mit mehreren Zylindern. Sind mehrere Zylinder zum Aufbau einer Summenkraft eingesetzt, beispielsweise zwei Zylinder die der Absicherung gegen eine Kräfteüberlastung dienen, so kann man die jeweiligen zwei Druckdifferenzierräume 19 der einzelnen Zylinder über die Leitung 23 verbinden. Man unterscheidet hier zwischen einer mittigen und einer extrem außermittigen Belastung. Bei einer mittigen Belastung gilt die gleiche Berechnungsvorschrift wie bei einem Einzelzylinder. Zur Ermittlung der Berechnungshöhe HD bei einer extrem außermittigen Belastung sind die Höhen der einzelnen Druckdifferenzierräume 19 zu summieren. Bei Druckabfall in einem einzelnen Druckdifferenzierraum 19 infolge einer extrem außermittigen Belastung pflanzt sich dieser in alle beteiligten Druckdifferenzierräume 19 über die Leitung 23 fort. Löst sich nun der Spalteinstellring 7 vom Kolbenrand 2 des am stärksten belasteten Zylinders, sind die Oberseiten der Spalteinstellringe 7 der restlichen Zylinder bereits über die Leitung 23 mit geringerem Druck belastet. Bei einer extrem schnellen Überlastung des maximal belasteten Zylinders stellt sich in seinem Druckdifferenzierraum 19 praktisch der Druck Null ein. Da sich dieser Druck Null über die Leitung 23 in die Druckdifferenzierräume 19 aller restlichen Zylinder ausbreitet, lösen sich auch bei allen restlichen Zylindern die Spalteinstellringe 7 von den jeweiligen Kolbenrändern 2 und die Kraftübertragung aller hydraulisch verbundener Zylinder ist unterbrochen. Zusätzlich bewirkt die gemeinsame Verbindung der Sammelnuten 16 das Lösen. Über die gemeinsame Verbindung 24 der jeweiligen Sammelnuten 16 breitet sich der Druck des Zylinderraums 22 des am stärksten belasteten Zylinders in die Sammelnuten der restlichen Zylinder aus. Bei ca. 1 m voneinander entfernten Zylindern breitet sich der Druck hierbei in ca. einer Millisekunde aus. D. h. nach reichlich einer Millisekunde wird der Kraftfluss in den weniger stark belasteten Zylindern auch unterbrochen werden und es kommt zu keinen unzulässigen Verkantungen. Die schnelle Verkupplung in Endlagennähe gemäß Anspruch 3 ist von den verschiedenen angegebenen Lösungen zur gemeinsamen Entkupplung unabhängig.
Bezugszeichenliste

1: Kolben
2: Kolbenrand
3: Deckel
4: Zylindergehäuse
5: Metalldichtring
6: Wellenfeder
7: Spalteinstellring
8: Sicherungsring
9: Tankanschluss
10: Pumpenanschluss
11: Deckelseitige Einstellnut
12: Kolbenseitige Einstellnut
13: Abströmbohrung
14: Stopfen
15: Feinstellgewinde
16: Sammelnut
17: Gehäusenut
18: Kolbennut
19: Druckdifferenzierraum
20: Druckdifferenzierspalt b
21: Druckabschaltansatz
22: Zylinderraum
23: Verbindungsleitung der Druckdifferenzierräume
24: Verbindungsleitung der Sammelnuten
25: Gemeinsame Leitung zum Tank

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 4233115 A [0003]
DE 102012019386 A1 [0004]

Claims

Hydraulikzylinder mit einem Kolben und einem Zylinder, dessen Innendurchmesser größer ist als der maximale Kolbendurchmesser dessen Kolben an den Deckel des Zylinders über Druckentlastung ankuppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder einen Spalteinstellring 7 aufweist, der die Oberseite des Kolbenrands 2 zum Deckel 3 im verkuppelten Ruhezustand des Kolbens 1 abdichtet, der einen Druckdiffenenzierspalt 20 mit der Spaltbreite b zum Zylindergehäuse 4 aufweist, der bei Lösen des Kolbenrands 2 vom Deckel 3 eine gemeinsame Bewegung mit dem Kolben 1 ausführt und dass infolge dieser Bewegung eine Druckminderung im Druckdifferenzierraum 19 durch die Verkleinerung desselben entsteht, die ein Lösen des Spalteinstellring 7 vom Kolbenrand 2 zur Folge hat.
Hydraulikzylinder mit einem Kolben und einem Zylinder, dessen Innendurchmesser größer ist als der maximale Kolbendurchmesser dessen Kolben an den Deckel des Zylinders über Druckentlastung ankuppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei Parallelschaltung mehrerer Zylinder zum Aufbau einer Summenkraft, beispielsweise Überlastzylinder in Pressen, sowohl die Druckdifferenzierräume 19 eine gemeinsame Verbindung 23 aufweisen als auch die jeweiligen Sammelnuten 16 eine gemeinsame Verbindung 24 aufweisen und die gemeinsame Verbindung 24 der Sammelnuten 16 mit der Leitung 25 zum Tank verbunden ist und der Querschnitt der gemeinsamen Verbindung 24 der Sammelnuten 16 wesentlich größer als der Leitung 25 zum Tank und die Auslösung eines Zylinders damit die Auslösung aller weiteren Zylinder nach sich zieht.
Hydraulikzylinder mit einem Kolben und einem Zylinder, dessen Innendurchmesser größer ist als der maximale Kolbendurchmesser, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankverbindung der Sammelnuten 16 durch die Bewegung des Kolbens 1 zwangsgesteuert ist indem der Deckel 3 und der Kolben 1 sich um den Betrag h überschneidende Ringnuten, die deckelseitige Einstellnut 11 und die kolbenseitige Einstellnut 12 aufweisen, deren Überschneidung h abhängig von der Stellung des Kolbens 1 dergestalt ist, dass die Überschneidung h nur bei unmittelbarer Annäherung des Kolbens 1 an seine oberste Stellung zum Eingriff gelangt, somit bei unmittelbarem Annähern des Kolbenrands 2 an den Deckel 3 einen nennenswerten Betrag aufweist und deren Betrag bei Ausführung einer Bewegung des Kolbens 1 innerhalb des Zylinders den Betrag Null beträgt.
Hydraulikzylinder mit einem Kolben und einem Zylinder, dessen Innendurchmesser größer ist als der maximale Kolbendurchmesser, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalweg I des Kolbens 1 und damit unmittelbar verknüpft der maximale Druckanstieg im Zylinderraum 22 infolge Kompression bis zur Entriegelung durch Aufsetzen des Spalteinstellrings 7 auf den Druckabschaltansatz 21, durch Verstellung des Feinstellgewindes 15 justiert wird.
Hydraulikzylinder nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Druckdiffenenzierspalts 20 eine einstellbare Drossel intern integriert ist oder extern dem Zylinder zugeordnet ist.