DE102017206298A1 - Drive unit, fluid operated cylinder equipped therewith and related manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Es werden eine Antriebseinheit (11) und ein damit ausgestatteter fluidbetätigter Arbeitszylinder (1) vorgeschlagen, wobei die Antriebseinheit (11) über einen Antriebskolben (5) und eine Kolbenstange (8) verfügt, wobei der Antriebskolben (5) einen die Kolbenstange (8) radial überragenden Kolbenkörper (38) aufweist, der mit der Kolbenstange (8) zu einer einstückigen Kolbenkörper-Kolbenstangen-Baueinheit (54) zusammengefasst ist. Die Kolbenkörper-Kolbenstangen-Baueinheit (54) besteht einschließlich ihres Kolbenkörpers (38) und ihrer Kolbenstange (8) aus einem karbonfaserverstärkten Kunststoff mit in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Karbonfasern.Auf diese Weise ergibt sich eine hohe Gewichtseinsparung mit optimiertem Gleitverhalten der sich relativ zueinander bewegenden Komponenten.A drive unit (11) and a fluid-actuated working cylinder (1) equipped therewith are proposed, the drive unit (11) having a drive piston (5) and a piston rod (8), the drive piston (5) having a piston rod (8). radially superior piston body (38), which is combined with the piston rod (8) to a one-piece piston-piston rod assembly (54). The piston-piston rod assembly (54) consists including its piston body (38) and its piston rod (8) made of a carbon fiber reinforced plastic embedded in a plastic matrix Kohlenstofffasern.Auf this way, there is a high weight saving with optimized sliding behavior of relatively moving components ,
Description
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für einen fluidbetätigten Arbeitszylinder, die einen Antriebskolben und eine Kolbenstange enthält, wobei der Antriebskolben einen die Kolbenstange radial überragenden Kolbenkörper aufweist, der mit der Kolbenstange zu einer aus Kunststoff bestehenden einstückigen Kolbenkörper-Kolbenstangen-Baueinheit zusammengefasst ist.The invention relates to a drive unit for a fluid-actuated working cylinder, which includes a drive piston and a piston rod, wherein the drive piston has a piston rod radially projecting piston body, which is combined with the piston rod to a one-piece plastic piston-piston rod assembly.
Die Erfindung betrifft ferner einen fluidbetätigten Arbeitszylinder, mit einem Zylindergehäuse, das einen Gehäuseinnenraum definiert, in dem ein Antriebskolben einer außerdem eine Kolbenstange aufweisenden Antriebseinheit linear verschiebbar angeordnet ist, wobei der Antriebskolben einen die Kolbenstange radial überragenden Kolbenkörper aufweist, der mit der Kolbenstange zu einer aus Kunststoff bestehenden einstückigen Kolbenkörper-Kolbenstangen-Baueinheit zusammengefasst ist.The invention further relates to a fluid-actuated working cylinder having a cylinder housing defining a housing interior, in which a drive piston of a piston rod further comprising a drive unit is arranged linearly displaceable, wherein the drive piston has a piston rod radially projecting piston body, with the piston rod to a Plastic existing one-piece piston-piston rod assembly is summarized.
Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für eine solche Antriebseinheit und für einen solchen fluidbetätigten Arbeitszylinder.The invention further relates to a manufacturing method for such a drive unit and for such a fluid-operated working cylinder.
Ein derart ausgebildeter Arbeitszylinder, der abgesehen von Dichtelementen vollständig aus Kunststoff besteht, ist aus der
Aus der
Aus der
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu treffen, die eine kostengünstige Herstellung eines stabilen und verschleißarmen fluidbetätigten Arbeitszylinders sowie einer Antriebseinheit eines solchen Arbeitszylinders begünstigen.The invention has for its object to make measures that favor a cost-effective production of a stable and low-wear fluid-actuated working cylinder and a drive unit of such a working cylinder.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist sowohl bei einer Antriebseinheit der eingangs genannten Art als auch bei einem fluidbetätigten Arbeitszylinder der eingangs genannten Art vorgesehen, dass die Kolbenkörper-Kolbenstangen-Baueinheit einschließlich des Kolbenkörpers und der Kolbenstange aus einem karbonfaserverstärkten Kunststoff mit in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Karbonfasern bestehtTo achieve this object, it is provided both in a drive unit of the type mentioned above and in a fluid-operated cylinder of the type mentioned that the piston body-piston rod assembly including the piston body and the piston rod consists of a carbon fiber reinforced plastic embedded in a plastic matrix carbon fibers
Die Aufgabe wird ferner durch ein Herstellungsverfahren gelöst, bei dem zumindest die aus einem karbonfaserverstärkten Kunststoff mit in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Karbonfasern bestehende Kolbenkörper-Kolbenstangen-Baueinheit durch Spritzgießen hergestellt wirdThe object is further achieved by a production method in which at least the piston body-piston rod assembly consisting of a carbon fiber-reinforced plastic with carbon fibers embedded in a plastic matrix is produced by injection molding
Sowohl der Kolbenkörper als auch die integral damit ausgebildete Kolbenstange bestehen aus karbonfaserverstärktem Kunststoff mit in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Karbonfasern und sind Bestandteile einer einstückigen Kolbenkörper-Kolbenstangen-Baueinheit, die insgesamt aus karbonfaserverstärktem Kunststoff mit in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Karbonfasern besteht. Eine solche Ausbildung der Kolbenkörper-Kolbenstangen-Baueinheit ermöglicht eine kostengünstige und rationelle Fertigung eines ein geringes Gewicht aufweisenden fluidbetätigten Arbeitszylinders. Ein geringes Gewicht ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn der Arbeitszylinder bei seiner Nutzung insgesamt bewegt wird, zum Beispiel aufgrund seiner Integration in eine Handhabungseinheit oder einen Roboter. Ein geringes Gewicht der Kolbenkörper-Kolbenstangen-Baueinheit erlaubt zudem hohe Beschleunigungen der Antriebseinheit bei vergleichsweise geringem Energieaufwand. Darüber hinaus lässt sich die Kolbenkörper-Kolbenstangen-Baueinheit durch gut beherrschbare kunststoffverarbeitende Verfahren herstellen, insbesondere durch Spritzgießen oder Extrudieren, wenn die Kunststoffmatrix aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht. Bei einer bevorzugten Spritzgießherstellung der Kolbenkörper-Kolbenstangen-Baueinheit aus karbonfaserverstärktem Kunststoff ist eine überwiegende Parallelausrichtung der Karbonfasern festzustellen, was sich offensichtlich günstig auf die strukturellen Eigenschaften und das Verschleißverhalten auswirkt. Im Bereich von aneinander abgleitenden Flächen ergibt sich eine gleitunterstützende Wirkung der mechanisch sehr stabilen Karbonfasern. Dabei ist im Vergleich zu Glasfasern eine nichtabrasive Wirkung der Faserenden der Karbonfasern zu beobachten. Die Faserverstärkung mittels Karbonfasern führt zu einer sehr hohen Festigkeit, Steifigkeit und Stabilität. Vorteilhaft ist ferner, dass bei der Herstellung der Kolbenkörper-Kolbenstangen-Baueinheit ohne spezielle Ausrichtmaßnahmen eine exakte Koaxialität zwischen dem Kolbenkörper und der Kolbenstange erzielbar ist. Wie sich überdies gezeigt hat, ergeben sich bei Karbonfasern im Vergleich zu Glasfasern keine abrasiven Eigenschaften, sodass der karbonfaserverstärkte Kunststoff bei einer Verwendung im Zusammenhang mit einem fluidbetätigten Arbeitszylinder mit sehr guten tribologischen Eigenschaften aufwartet. Ein mit der aus karbonfaserverstärktem Kunststoff bestehenden Kolbenkörper-Kolbenstangen-Baueinheit ausgestatteter Arbeitszylinder hat somit bei geringem Wartungsaufwand eine lange Lebensdauer. Both the piston body and the piston rod integrally formed therewith are made of carbon fiber reinforced plastic with carbon fibers embedded in a plastic matrix and are integral parts of a one-piece piston-body piston rod assembly made entirely of carbon fiber reinforced plastic with carbon fibers embedded in a plastic matrix. Such a design of the piston-piston rod assembly allows a cost-effective and efficient production of a low-weight fluid-operated working cylinder. A low weight is for example advantageous if the working cylinder is moved in its total use, for example, due to its integration into a handling unit or a robot. A low weight of the piston-piston rod assembly also allows high accelerations of the drive unit with a relatively low energy consumption. In addition, the piston-piston rod assembly can be prepared by well manageable plastic processing method, in particular by injection molding or extrusion, if the plastic matrix consists of a thermoplastic material. In a preferred Spritzgießherstellung the piston-piston rod assembly made of carbon fiber reinforced plastic, a predominant parallel orientation of the carbon fibers is observed, which obviously has a favorable effect on the structural properties and wear behavior. In the area of surfaces sliding off one another, there is a sliding support effect of the mechanically very stable carbon fibers. In this case, a nonabrasive effect of the fiber ends of the carbon fibers is observed in comparison to glass fibers. The fiber reinforcement by means of carbon fibers leads to a very high strength, rigidity and stability. It is also advantageous that in the production of the piston-piston rod assembly without special alignment measures an exact coaxiality between the piston body and the piston rod can be achieved. As has also been shown, resulting in carbon fibers compared to glass fibers no abrasive properties, so that the carbon fiber reinforced plastic when used in conjunction with a fluid-operated cylinder with very good tribological properties. A equipped with the existing carbon fiber reinforced plastic piston body piston rod assembly working cylinder thus has a long service life with low maintenance.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Aufgrund der schon erwähnten guten Gleiteigenschaften des karbonfaserverstärkten Kunststoffes ist es vorteilhaft, wenn die radial nach außen weisende Außenumfangsfläche des Kolbenkörpers als eine sich bei der Nutzung der Antriebseinheit direkt an der Innenumfangsfläche eines Zylinderrohrs eines fluidbetätigten Arbeitszylinders gleitverschieblich radial abstützende Kolben-Führungsfläche ausgebildet ist. Vor allem in Kombination mit einem ebenfalls aus einem karbonfaserverstärkten Kunststoff bestehenden Zylinderrohr ergibt sich hier ein besonders leichtgängiges Laufverhalten des Antriebskolbens bezüglich des Zylinderrohrs.Due to the already mentioned good sliding properties of the carbon fiber reinforced plastic, it is advantageous if the radially outwardly facing outer peripheral surface of the piston body is formed as a in the use of the drive unit directly on the inner peripheral surface of a cylinder tube of a fluid-actuated working cylinder slidably radially supporting piston guide surface. Especially in combination with a likewise made of a carbon fiber reinforced plastic cylinder tube results in a particularly smooth running behavior of the drive piston with respect to the cylinder tube.
Wenn ein besonders reibungsarmer Arbeitszylinder realisiert werden soll, kann seitens des Antriebskolbens auf eine gleitverschieblich an der Innenumfangsfläche des Zylinderrohrs anliegende elastomere Kolbendichtung verzichtet werden. Der Antriebskolben ist dann kolbendichtungslos ausgebildet. Hierbei kann sogar der Kolbenkörper allein den Antriebskolben bilden.If a particularly low-friction working cylinder is to be realized, can be dispensed with a slidable on the inner peripheral surface of the cylinder tube elastomeric piston seal on the part of the drive piston. The drive piston is then formed without piston seal. Here, even the piston body alone form the drive piston.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, den Kolbenkörper an seinem Außenumfang mit einem zusätzlichen Führungsring zu bestücken, der den Kontakt zwischen dem Antriebskolben und dem Zylinderrohr herstellt. Ein solcher Führungsring ist beispielsweise in eine nach radial außen hin offene Ringnut des Antriebskolbens eingesetzt.In principle, it is also possible to equip the piston body at its outer periphery with an additional guide ring, which establishes the contact between the drive piston and the cylinder tube. Such a guide ring is used for example in a radially outwardly open annular groove of the drive piston.
Bevorzugt ist der aus karbonfaserverstärktem Kunststoff bestehende Kolbenkörper mit einer zu seiner radial nach außen weisenden Außenumfangsfläche hin offenen Ringnut versehen. Diese Ringnut kann leer sein, woraus eine Gewichtsersparnis resultiert. Die Ringnut kann aber auch als Aufnahmenut für ein zur Positionserfassung des Antriebskolbens verwendbares Aktivierungselement genutzt werden, insbesondere zur Aufnahme eines ringförmigen Aktivierungselements. Ein solches Aktivierungselement kann beispielweise mit einer Positionserfassungseinrichtung zusammenwirken, die beispielsweise aus einem oder mehreren Positionssensoren oder aus einem Wegmesssystem besteht. Abhängig von der Ausgestaltung der Positionserfassungseinrichtung kann das Aktivierungselement beispielsweise über permanentmagnetische oder über ferromagnetische Eigenschaften verfügen.Preferably, the piston body made of carbon fiber reinforced plastic is provided with an annular groove open towards its radially outwardly facing outer peripheral surface. This annular groove may be empty, resulting in a weight saving results. However, the annular groove can also be used as a receiving groove for a usable for detecting the position of the drive piston activation element, in particular for receiving an annular activation element. Such an activation element can interact, for example, with a position detection device, which consists for example of one or more position sensors or of a displacement measuring system. Depending on the configuration of the position detection device, the activation element may have, for example, permanent magnetic or ferromagnetic properties.
Damit der Antriebskolben bei der bestimmungsgemäßen Nutzung der Antriebseinheit in einem Gehäuseinnenraum des Zylindergehäuses eines Arbeitszylinders mindestens eine zur Betätigung des Arbeitszylinders mit einem fluidischen Druckmedium beaufschlagbare Arbeitskammer dicht verschließt, ist er vorzugsweise mit einer Elastomerstruktur versehen, die eine Kolbendichtung ausbildet, die vorgesehen ist, um abdichtend und gleitverschieblich an der Innenumfangsfläche eines Zylinderrohrs des Zylindergehäuses anzuliegen. Diese Elastomerstruktur ist beispielsweise durch Spritzgießen an dem Kolbenkörper befestigt und besteht vorzugsweise aus einem thermoplastischen Elastomer. Alternativ könnten auch Gummi, Fluorkautschuk (FKM) oder andere Elastomere eingesetzt werden.In order for the drive piston, in the intended use of the drive unit in a housing interior of the cylinder housing of a working cylinder, to seal at least one working chamber which is acted upon by a fluidic pressure medium for actuation of the working cylinder, it is preferably provided with an elastomeric structure which forms a piston seal which is provided so as to be sealing and slidably abutting the inner peripheral surface of a cylinder tube of the cylinder housing. This elastomeric structure is attached, for example, by injection molding to the piston body and is preferably made of a thermoplastic elastomer. Alternatively, rubber, fluororubber (FKM) or other elastomers could be used.
In einer bevorzugten Ausgestaltung bildet die Elastomerstruktur zusätzlich auch mindestens einen über gummielastische Eigenschaften verfügenden Aufpralldämpfer, der dazu geeignet ist, in einer Hubendlage des Antriebskolbens die Intensität des Aufpralls auf einer Abschlusswand eines Zylindergehäuses zu minimieren. Bevorzugt sind der mindestens eine Aufpralldämpfer und die Kolbendichtung einstückig miteinander ausgebildet.In a preferred embodiment, the elastomer structure also additionally forms at least one impact damper having rubber-elastic properties, which is suitable for minimizing the intensity of the impact on an end wall of a cylinder housing in a stroke end position of the drive piston. Preferably, the at least one crash cushion and the piston seal are integrally formed with each other.
Um im Betrieb eines mit der Antriebseinheit ausgestatteten Arbeitszylinders eine fluidische Endlagendämpfung der Antriebseinheit zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn in die Kolbenstange einstückig mindestens ein bezüglich des Antriebskolbens axial vorstehender Pufferungsfortsatz integriert ist. Ist bei beiden Hubrichtungen der Antriebseinheit eine Endlagendämpfung gewünscht, verfügt die Kolbenstange über zwei auf einander entgegengesetzten Seiten von dem Antriebskolben wegragende Pufferungsfortsätze. Der Pufferungsfortsatz hat einen größeren Durchmesser als ein sich daran anschließender Längenabschnitt der Kolbenstange und ist dazu vorgesehen, zur Begrenzung eines dem ausströmenden Druckmedium zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnittes in einen Abschlussdeckel eines Zylindergehäuses des zugeordneten Arbeitszylinders einzutauchen, wenn die Antriebseinheit in eine Hubendlage fährt.In order to enable a fluidic end position damping of the drive unit during operation of a working cylinder equipped with the drive unit, it is advantageous if at least one axially extending buffering extension is integrated into the piston rod in one piece. If an end cushioning is desired in both stroke directions of the drive unit, the piston rod has buffering extensions projecting from the drive piston on two opposite sides. The Pufferungsfortsatz has a larger diameter than an adjoining length of the piston rod and is intended to dive to limit a flow medium available to the outflowing pressure medium flow in a cover of a cylinder housing of the associated working cylinder when the drive unit moves to a stroke end.
Im Falle des Vorhandenseins von zwei Pufferungsfortsätzen sind diese beiden Pufferungsfortsätze zweckmäßigerweise von einstückig miteinander verbundenen Längenabschnitten eines den gewünschten Außendurchmesser aufweisenden Kolbenstangen-Längenabschnittes gebildet.In the case of the presence of two Pufferungsfortsätzen these two Pufferungsfortsätze are suitably formed of integrally interconnected lengths of a desired outer diameter piston rod longitudinal portion.
Bevorzugt ist die Antriebseinheit partiell hohl ausgebildet, was zu einer Materialeinsparung und folglich einer Kosteneinsparung führt und was darüber hinaus die bewegte Masse reduziert, was der Agilität der Hubbewegung zu Gute kommt.Preferably, the drive unit is partially hollow, which leads to a saving of material and consequently a cost saving and what moreover reduces the moving mass, which benefits the agility of the lifting movement.
Bevorzugt hat die Antriebseinheit einen Hohlraum, der in zwei sich axial aneinander anschließende Hohlraumabschnitte unterteilt ist. Zweckmäßigerweise erstrecken sich die beiden Hohlraumabschnitte jeweils ausgehend von einer der beiden Stirnseiten der Antriebseinheit koaxial in die Kolbenstange hinein und sind durch eine mit der Kolbenstange einstückige Trennwand fluiddicht voneinander abgeteilt, sodass ein Fluiddurchtritt verhindert ist.Preferably, the drive unit has a cavity, which is divided into two axially adjoining cavity sections. Expediently, the two cavity sections each extend coaxially into the piston rod, starting from one of the two end faces of the drive unit, and are separated in a fluid-tight manner from one another by a partition wall integral with the piston rod, so that fluid passage is prevented.
Ist auch das Zylinderrohr aus einem karbonfaserverstärkten Kunststoff gefertigt, ergibt sich eine weitere Gewichtsreduktion des damit ausgestatteten Arbeitszylinders. Außerdem können aufgrund der Materialfestigkeit problemlos selbst Zylinderrohre mit großem Durchmesser und großer Länge in Verbindung mit geringen Wandstärken realisiert werden. Ein mit dem aus karbonfaserverstärktem Kunststoff bestehenden Zylinderrohr ausgestatteter Arbeitszylinder hat bei geringem Wartungsaufwand eine lange Lebensdauer.Is also the cylinder tube made of a carbon fiber reinforced plastic, there is a further reduction in weight of the thus equipped working cylinder. In addition, due to the material strength even cylinder tubes with large diameter and long length can be easily realized in conjunction with low wall thicknesses. An equipped with the carbon fiber reinforced plastic existing cylinder tube working cylinder has a long service life with low maintenance.
Wenigstens an einer Stirnseite des Zylinderrohrs ist der den Antriebskolben aufweisende Gehäuseinnenraum zweckmäßigerweise von einer Abschlusswand des Zylindergehäuses begrenzt. Ist der Arbeitszylinder als sogenannter Plungerzylinder ausgeführt, bei dem der Antriebskolben an einer Stirnseite mit einem als Kolbenstange fungierenden Längenabschnitt aus dem Zylinderrohr herausragt, kann das Zylindergehäuse mit nur einer einzigen Abschlusswand ausgestattet sein.At least on one end face of the cylinder tube, the housing interior having the drive piston is expediently delimited by an end wall of the cylinder housing. If the working cylinder is designed as a so-called plunger cylinder, in which the drive piston protrudes from the cylinder tube on one end face with a longitudinal section acting as a piston rod, the cylinder housing can be equipped with only one end wall.
Bevorzugt ist das Zylindergehäuse an beiden Stirnseiten des Zylinderrohrs mit je einer den Gehäuseinnenraum axial begrenzenden Abschlusswand ausgestattet. Auf diese Weise kann beispielsweise ein einfachwirkender oder ein doppeltwirkender fluidbetätigter Arbeitszylinder realisiert werden.Preferably, the cylinder housing is equipped on both end sides of the cylinder tube, each with a housing interior axially delimiting end wall. In this way, for example, a single-acting or a double-acting fluid-operated cylinder can be realized.
Bevorzugt besteht mindestens eine und zweckmäßigerweise jede Abschlusswand wie das Zylinderrohr aus einem karbonfaserverstärkten Kunststoff, der über in eine Kunststoffmatrix eingebettete Karbonfasern verfügt.Preferably, at least one and suitably each end wall, such as the cylinder tube, is made of a carbon fiber reinforced plastic having carbon fibers embedded in a plastic matrix.
Für die Realisierung des Zylinderrohrs und der mindestens einen, ebenfalls aus karbonfaserverstärktem Kunststoff bestehenden Abschlusswand wird zweckmäßigerweise der gleiche karbonfaserverstärkte Kunststoff verwendet. Aus dem gleichen karbonfaserverstärkten Kunststoff besteht zweckmäßigerweise auch die Kolbenkörper-Kolbenstangen-Baueinheit.For the realization of the cylinder tube and the at least one, also made of carbon fiber reinforced plastic end wall expediently the same carbon fiber reinforced plastic is used. From the same carbon fiber reinforced plastic expediently also the piston body-piston rod assembly.
Mindestens eine Abschlusswand des Zylindergehäuses wird von der Kolbenstange der Antriebseinheit gleitverschieblich durchsetzt, wobei an einem außerhalb des Zylindergehäuses befindlichen Endabschnitt der Kolbenstange ein Kraftabgriff möglich ist, um beispielsweise eine Maschinenkomponente anzutreiben.At least one end wall of the cylinder housing is slidably passed through by the piston rod of the drive unit, wherein at a located outside of the cylinder housing end portion of the piston rod, a force tap is possible to drive, for example, a machine component.
Die von der Kolbenstange gleitverschieblich durchsetzte Abschlusswand enthält zweckmäßigerweise eine Führungsbohrung, durch die sich die Kolbenstange axial hindurch erstreckt und deren Innenumfang eine die Kolbenstange radial abstützende Kolbenstangen-Führungsfläche bildet. Bevorzugt besteht die mit der Führungsbohrung ausgestattete Abschlusswand aus dem schon angesprochenen karbonfaserverstärkten Kunststoff, wobei die Führungsbohrung direkt in diesem karbonfaserverstärkten Kunststoff der Abschlusswand ausgeführt ist, sodass die Kolbenstangen-Führungsfläche ein einstückiger Bestandteil der betreffenden Abschlusswand ist und aus dem karbonfaserverstärkten Kunststoff der Abschlusswand besteht. Auf diese Weise nutzt man den oben angesprochenen tribologisch günstigen Effekt zusätzlich zur Gleitlagerung der Kolbenstange in der von ihr durchsetzten Abschlusswand. Man kann sich auf diese Weise eine zusätzliche separate Führungsbuchse ersparen, was einen weiteren Beitrag zur Kostenminimierung liefert.The end wall slidably slid by the piston rod expediently contains a guide bore, through which the piston rod extends axially therethrough and whose inner circumference forms a piston rod guide surface radially supporting the piston rod. The end wall equipped with the guide bore preferably consists of the carbon-fiber-reinforced plastic already mentioned, wherein the guide bore is made directly in this carbon fiber-reinforced plastic of the end wall, so that the piston rod guide surface is an integral part of the respective end wall and consists of the carbon fiber reinforced plastic of the end wall. In this way, one uses the above-mentioned tribologically favorable effect in addition to the sliding bearing of the piston rod in the penetrated by her end wall. You can save yourself in this way an additional separate guide bushing, which provides another contribution to minimizing costs.
Grundsätzlich wäre es unabhängig vom Material der Abschlusswand möglich, eine die Führungsbohrung definierende separate Führungsbuchse in die Abschlusswand einzusetzen, insbesondere durch einen Einpressvorgang.Basically, regardless of the material of the end wall, it would be possible to insert a guide bush defining the guide bore into the end wall, in particular by means of a press-in process.
Herstellung und Montage des Arbeitszylinders können weiter optimiert werden, indem mindestens eine Abschlusswand des Zylindergehäuses einstückig mit dem Zylinderrohr ausgebildet ist. Es liegt dann eine einstückige Zylinderrohr-Abschlusswand-Baueinheit vor, die an der der integralen Abschlusswand entgegengesetzten Stirnseite des Zylindergehäuses mit einem separaten Abschlussdeckel bestückbar ist, um einen axial beidseits abgeschlossenen Gehäuseinnenraum zu definieren.Production and assembly of the working cylinder can be further optimized by at least one end wall of the cylinder housing is formed integrally with the cylinder tube. There is then a one-piece cylinder tube end wall assembly which can be equipped with a separate end cover on the end wall of the cylinder housing opposite the integral end wall in order to define a housing interior that is closed axially on both sides.
Die von der Kolbenstange gleitverschieblich durchsetzte Abschlusswand ist bevorzugt eine einstückig mit dem Zylinderrohr ausgebildete Abschlusswand und somit Bestandteil der schon angesprochenen Zylinderrohr-Abschlusswand-Baueinheit. Die betreffende Abschlusswand kann allerdings auch als bezüglich des Zylinderrohrs separates Bauteil ausgeführt sein.The end wall slidably displaced by the piston rod is preferably an end wall formed integrally with the cylinder tube and thus a component of the already mentioned cylinder tube end wall assembly. However, the respective end wall can also be designed as a separate component with respect to the cylinder tube.
Mindestens eine Abschlusswand des Zylindergehäuses ist zweckmäßigerweise als bezüglich des Zylinderrohrs separater Abschlussdeckel ausgebildet. Bei abgenommenem Abschlussdeckel kann durch das dann offene Zylinderrohr hindurch bei der Montage des Arbeitszylinders ein Einführen des Antriebskolbens in den Gehäuseinnenraum stattfinden. Der separate Abschlussdeckel ist durch geeignete Befestigungsmittel am Zylindergehäuse befestigt, wobei es sich bei den Befestigungsmitteln beispielsweise um Schraubverbindungsmittel oder um Klebeverbindungsmittel zur Realisierung einer Klebeverbindung handelt. Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Befestigungsmittel als Schweißverbindung ausgeführt sind, was vor allem dann von Vorteil ist, wenn das Zylinderrohr und der separate Abschlussdeckel aus ein und demselben karbonfaserverstärkten Kunststoff bestehen. Das Verschweißen erfolgt insbesondere durch Ultraschallschweißen oder durch Reibschweißen.At least one end wall of the cylinder housing is expediently designed as with respect to the cylinder tube separate end cap. When the end cap is removed, the drive piston can then be inserted into the housing interior through the then open cylinder tube during assembly of the working cylinder. The separate end cap is secured by suitable fasteners on the cylinder housing, wherein it is the fasteners, for example, screw connection means or adhesive bonding agent for the realization of an adhesive bond. It is considered particularly advantageous if the fastening means are designed as a welded joint, which is particularly advantageous if the cylinder tube and the separate end cover made of one and the same carbon fiber reinforced plastic. The welding takes place in particular by ultrasonic welding or by friction welding.
Mindestens ein bezüglich des Zylinderrohrs separater Abschlussdeckel kann aus einem Material bestehen, das vom Material des Zylinderrohrs abweicht. Beispielsweise kann mindestens ein separater Abschlussdeckel aus Metall bestehen. Bevorzugt besteht allerdings jeder separate Abschlussdeckel wie das Zylinderrohr aus einem karbonfaserverstärkten Kunststoff, der über in eine Kunststoffmatrix eingebettete Karbonfasern verfügt.At least one end cover, which is separate with respect to the cylinder tube, may be made of a material which deviates from the material of the cylinder tube. For example, at least one separate end cap may be made of metal. Preferably, however, each separate end cap, like the cylinder tube, is made of a carbon fiber reinforced plastic having carbon fibers embedded in a plastic matrix.
In mindestens eine und bevorzugt jede Abschlusswand des Zylindergehäuses ist zweckmäßigerweise ein Fluidkanal integriert, der in die Gehäusekammer einmündet und durch den hindurch ein zur Betätigung des Arbeitszylinders verwendetes Druckfluid einspeisbar und/oder abführbar ist.In at least one and preferably each end wall of the cylinder housing a fluid channel is expediently integrated, which opens into the housing chamber and through which a used for actuation of the working cylinder pressure fluid can be fed and / or discharged.
Bevorzugt handelt es sich bei dem fluidbetätigten Arbeitszylinder um einen pneumatischen Arbeitszylinder, der mit Druckluft betreibbar ist. Der Arbeitszylinder kann allerdings auch zur Betätigung mit anderen fluidischen Druckmedien ausgebildet sein, beispielsweise zur Betätigung mit einer Druckflüssigkeit.The fluid-operated working cylinder is preferably a pneumatic working cylinder which can be operated with compressed air. However, the working cylinder can also be designed for actuation with other fluidic pressure media, for example for actuation with a pressure fluid.
Die Faserlänge der in die Kunststoffmatrix eingebetteten Karbonfasern ist prinzipiell beliebig. Insbesondere jedoch, wenn die aus dem karbonfaserverstärkten Kunststoff bestehenden Komponenten durch Spritzgießen oder Extrudieren hergestellt werden, ist es vorteilhaft, wenn es sich bei den Karbonfasern um sogenannte Kurzfasern handelt. Die Faserlänge dieser Kurzfasern liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,05 mm und 1 mm, wobei als optimal eine Faserlänge im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,4 mm angesehen wird.The fiber length of the embedded in the plastic matrix carbon fibers is in principle arbitrary. In particular, however, when the components made of the carbon fiber reinforced plastic are produced by injection molding or extrusion, it is advantageous if the carbon fibers are so-called short fibers. The fiber length of these short fibers is preferably in the range between 0.05 mm and 1 mm, wherein a fiber length in the range between 0.1 mm and 0.4 mm is considered optimal.
Besonders günstig ist es, wenn der Anteil der Karbonfasern in dem karbonfaserverstärkten Kunststoff zwischen 5 und 60 Gewichtsprozent liegt, wobei er vorzugsweise im Bereich von 40 Gewichtsprozent liegt.It is particularly advantageous if the proportion of carbon fibers in the carbon fiber reinforced plastic is between 5 and 60 percent by weight, preferably in the range of 40 percent by weight.
Die Kunststoffmatrix, die grundsätzlich auch aus einem duroplastischen Kunststoffmaterial bestehen könnte, ist vorzugsweise von einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet. Bevorzugt wird ein Kunststoffmaterial auf Polyamid-Basis verwendet, beispielsweise Polyamid 6 oder Polyamid 6.6. Als vorteilhaft wird auch eine Ausbildung aus teilaromatischem oder vollaromatischem Polyamid angesehen.The plastic matrix, which in principle could also consist of a thermosetting plastic material, is preferably formed by a thermoplastic plastic material. Preferably, a polyamide-based plastic material is used, for
Bei einem bevorzugten Herstellungsverfahren werden sämtliche Komponenten des Arbeitszylinders, die aus einem karbonfaserverstärkten Kunststoff mit in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Karbonfasern bestehen, durch Spritzgießen hergestellt.In a preferred manufacturing process, all components of the working cylinder made of a carbon fiber reinforced plastic with carbon fibers embedded in a plastic matrix are injection molded.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
-
1 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen fluidbetätigten Arbeitszylinders in einer isometrischen Darstellung, -
2 in einer isometrischen Darstellung einen Längsschnitt des Arbeitszylinders gemäß Schnittlinie II-II aus1 , wobei auch eine bevorzugte Ausführungsform einer einen Antriebskolben und eine Kolbenstange umfassenden Antriebseinheit ersichtlich ist, -
3 in einer nicht isometrischen ebenen Schnittdarstellung einen der2 entsprechenden Längsschnitt des Arbeitszylinders aus1 , wobei zu einigen strichpunktiert umrahmten Bestandteilen in separaten Ausschnittdarstellungen IIIa, IIIb und IIIc alternative Realisierungsmöglichkeiten abgebildet sind, -
4 eine bevorzugte alternative Ausführungsform einer Antriebseinheit mit in die Kolbenstange integrierten Pufferungsfortsätzen, und -
5 einen Längsschnitt der Antriebseinheit aus4 gemäß der dortigen Schnittlinie V-V.
-
1 a preferred embodiment of the fluid-operated working cylinder according to the invention in an isometric view, -
2 in an isometric view of a longitudinal section of the working cylinder according to section line II-II1 in which a preferred embodiment of a drive piston and a piston rod comprehensive drive unit is visible, -
3 in a non-isometric planar sectional view one of2 corresponding longitudinal section of the working cylinder1 , wherein to some dash-dotted framed components in separate detail views IIIa, IIIb and IIIc alternative implementation possibilities are shown, -
4 a preferred alternative embodiment of a drive unit with integrated into the piston rod Pufferungsfortsätzen, and -
5 a longitudinal section of the drive unit4 according to the local section line VV.
In der Zeichnung ist ein insgesamt mit Bezugsziffer
Der Arbeitszylinder
Außerhalb des Zylindergehäuses
Zu dem Zylindergehäuse
Die Innenumfangsfläche
Das Zylinderrohr
Das Zylinderrohr kann mit konstanter oder variierender Wandstärke auch als beliebig profiliertes Rohr ausgebildet sein.The cylinder tube can be formed with a constant or varying wall thickness as any profiled tube.
Axial ist der Gehäuseinnenraum
Die Kolbenstange
Bei einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel ist der Antriebskolben
Der Antriebskolben
Bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel ist der Arbeitszylinder
Die beiden Fluidkanäle
Vorzugsweise ist mindestens ein und bevorzugt jeder Fluidkanal
Bei einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel durchsetzt mindestens ein und bevorzugt jeder Fluidkanal
Um den Arbeitszylinder
Jedes Befestigungsauge
Das Befestigungsloch
Durch eine aufeinander abgestimmte Fluidbeaufschlagung der beiden Arbeitskammern
Bei einem nicht abgebildeten Ausführungsbeispiel ist der Arbeitszylinder
Bei der Antriebsbewegung
In vorteilhafter Weise besteht das Zylinderrohr
Der karbonfaserverstärkte Kunststoff besteht aus einer Kunststoffmatrix, in die eine Vielzahl von Karbonfasern eingebettet ist.The carbon fiber-reinforced plastic consists of a plastic matrix in which a large number of carbon fibers are embedded.
Ein synonymer Begriff für „Karbon“ ist „Kohlenstoff“. Es handelt sich also bei dem Material des Zylinderrohrs um einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff mit in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Kohlenstofffasern.A synonymous term for "carbon" is "carbon". Thus, the material of the cylinder tube is a carbon fiber reinforced plastic with carbon fibers embedded in a plastic matrix.
Soweit in dieser Patentanmeldung von einem karbonfaserverstärkten Kunststoff die Rede ist, ist stets ein Verbundmaterial gemeint, das eine Kunststoffmatrix mit eingebetteten Karbonfasern aufweist.As far as in this patent application of a carbon fiber reinforced plastic is mentioned, always a composite material is meant, which has a plastic matrix with embedded carbon fibers.
Vorzugsweise besteht auch jede Abschlusswand
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Zylindergehäuses
Bei der Herstellung des Arbeitszylinders
Bevorzugt hat der separate Abschlussdeckel
Bei einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel ist die zweite Abschlusswand
Bei einem ebenfalls nicht abgebildeten Ausführungsbeispiel sind beide Abschlusswände
Der Antriebskolben
Bevorzugt ist der Antriebskolben
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung, die abgesehen von der im Ausschnitt IIIb der
Optimal ist es, wenn sowohl das Zylinderrohr
In dem Kolbenkörper
Gemäß der im Ausschnitt IIIa der
Das Aktivierungselement
Das Aktivierungselement
Bei einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel ist in dem Kolbenkörper
Der Kolbenkörper
Unter Umständen und je nach Anwendungsfall kann eine ausreichende Abdichtqualität zwischen dem Antriebskolben
Bei den meisten Anwendungsfällen wird es allerdings vorteilhaft sein, wenn der Antriebskolben
Die Kolbendichtung
Bevorzugt ist die Kolbendichtung
Zur Aufpralldämpfung in den Hubendlagen ist der Antriebskolben
Bevorzugt ist jeder Aufpralldämpfer
Gemäß einer in dem Ausschnitt IIIb der
Eine auf einen separaten Führungsring
Innerhalb der Antriebseinheit
Hinsichtlich der Kolbenstange
Die Kolbenstange
Dieser Effekt kann noch weiter optimiert werden, wenn die Führungsbohrung
Die Kolbenstange
Die von der Kolbenstange
Gemäß einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel kann auf eine Kolbenstangendichtung
Gemäß dem im Ausschnitt IIIc der
Bevorzugt ist die Antriebseinheit
Der Hohlraum
Die Trennwand
Gemäß einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel kann mit axialem Abstand zu der Trennwand
Alle bisherigen Erläuterungen gelten auch für die in den
Exemplarisch bildet die Kolbenstange
Zweckmäßigerweise ist der Kolbenkörper
Jeder Pufferungsfortsatz
Die Pufferungsfortsätze
Besonders vorteilhaft ist es, wenn gleichzeitig alle Komponenten des Arbeitszylinders
Bevorzugt besteht die Kunststoffmatrix des karbonfaserverstärkten Kunststoffes aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, insbesondere aus einem Polyamid-Kunststoffmaterial und dabei zweckmäßigerweise aus Polyamid
Bei den in die Kunststoffmatrix eingebetteten Karbonfasern handelt es sich bevorzugt um Kurzfasern, die eine äußerst geringe Faserlänge haben, sodass sie sich sehr gut im Rahmen eines Spritzgießverfahrens oder Extrusionsverfahrens verarbeiten lassen, beispielsweise auf der Basis von Pellets. Die Faserlänge liegt zweckmäßigerweise im Bereich zwischen 0,05 mm und 1 mm und vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 0,4 mm. Als derzeit optimal wird eine durchschnittliche Faserlänge von 0,3 mm angesehen.The carbon fibers embedded in the plastic matrix are preferably short fibers which have an extremely short fiber length, so that they can be processed very well in an injection molding or extrusion process, for example based on pellets. The fiber length is suitably in the range between 0.05 mm and 1 mm, and preferably in the range of 0.1 mm to 0.4 mm. As currently optimal, an average fiber length of 0.3 mm is considered.
Der prozentuale Gewichtsanteil der Karbonfasern innerhalb des karbonfaserverstärkten Kunststoffes liegt zweckmäßigerweise zwischen 5 und 60 Gewichtsprozent. Vorzugsweise liegt der Anteil der Karbonfasern im Bereich von 40 Gewichtsprozent.The percentage by weight of the carbon fibers within the carbon fiber reinforced plastic is suitably between 5 and 60 weight percent. Preferably, the proportion of carbon fibers is in the range of 40% by weight.
Zweckmäßigerweise werden sämtliche Komponenten des Arbeitszylinders
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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