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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linear-Aktuator in Form einer hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheit mit einem Zylinder, der eine eine Zylinderachse definierende Zylinderbohrung und eine erste Anbindungsstruktur aufweist, und einer längs der Zylinderachse relativ zum Zylinder verschiebbaren Kolbeneinheit. Die Kolbeneinheit weist dabei einen dichtend in der Zylinderbohrung geführten Kolben und eine Kolbenstange auf, an der eine zweite Anbindungsstruktur vorgesehen ist. Die Kolbenstange ist unter Beaufschlagung eines durch den Zylinder und den Kolben begrenzten hydraulischen Ausfahr-Arbeitsraums zu einer Seite aus dem Zylinder ausfahrbar.
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Derartige hydraulische Linear-Aktuatoren (vgl. beispielsweise
DE 10 2010 025 695 A1 ) sind seit vielen Jahrzehnten bekannt und weltweit täglich im Einsatz. Abhängig von der jeweiligen Anwendung haben sich verschiedene Bauformen von hydraulischen Linear-Aktuatoren herausgebildet: Bei sogenannten einfach wirkenden Linear-Aktuatoren (vgl. beispielsweise
DE 101 54 439 A1 ) wird lediglich das Ausfahren der Kolbenstange aus dem Zylinder durch Beaufschlagen eines hydraulischen Arbeitsraums bewirkt, während das (auch Rückstellen genannte) Einfahren der Kolbenstange in den Zylinder, so dass der Linear-Aktuator in den sogenannten „kontrahierten Zustand“ zurückversetzt wird, auf andere Weise, d. h. nicht-hydraulisch erfolgt. Die Rückstellkraft kann dabei beispielsweise durch eine in den Linearaktuator integrierte Rückstellfeder (vgl. beispielsweise
DE 25 09 986 A1 ) oder durch eine (z. B. über die zweite Anbindestruktur in die Kolbeneinheit eingeleitete) externe Krafteinwirkung bereitgestellt werden (sog. passive Rückstellung).
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Die für ein solches passives Rückstellen der Kolbenstange erforderliche Rückstellkraft muss dabei zum einen die Reibkräfte zwischen der Kolbeneinheit und dem Zylinder (Kolbenreibkräfte) und zum anderen die hydraulischen Widerstandskräfte, die vom Ausschieben der Hydraulikflüssigkeit aus dem das Ausfahren der Kolbenstange bewirkenden Ausfahr-Arbeitsraum herrühren, überwinden. Insbesondere wenn das Herstellen des kontrahierten Zustandes mit hoher Geschwindigkeit erfolgen soll, sind hierzu - und auch zur Überwindung der zugehörigen Trägheitskräfte - große Rückstellkräfte aufzuwenden.
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Bei doppelt-wirkenden Linear-Aktuatoren (vgl. beispielsweise
DE 10 2007 037 760 A1 ) hingegen wird auch das Rückstellen (bzw. Einfahren) der Kolbenstange durch Beaufschlagung eines (weiteren) hydraulischen Arbeitsraums bewirkt (aktives Rückstellen). Bei doppelt-wirkenden Linear-Aktuatoren wird ferner abhängig davon, ob sich die Kolbenstange auf nur einer Seite des Kolbens oder auf beiden Seiten des Kolbens erstreckt, zwischen Differentialzylindern und Gleichlaufzylindern (vgl. beispielsweise
DE 10 2013 202 802 A1 ) unterschieden.
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Große Hübe bei relativ kleinen Einbaulängen ermöglichen sogenannte Teleskopzylinder-Kolben-Einheiten, die aus mehreren ineinander gebauten Zylindern aufgebaut sind (vgl. beispielsweise
DE 10 2012 107 752 A1 ).
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Die vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht einen Linear-Aktuator der eingangs genannten Art bereitzustellen, der die vorstehenden Nachteile der einfach-wirkenden Linear-Aktuatoren überwindet, insbesondere indem er schnell und unter nur verhältnismäßig geringer externer Krafteinwirkung in den kontrahierten Zustand versetzt werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Linear-Aktuator gemäß Anspruch 1. Der erfindungsgemäße Linear-Aktuator in Form einer hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheit umfasst demnach einen Zylinder, der eine eine Zylinderachse definierende Zylinderbohrung und eine erste Anbindungsstruktur aufweist, und eine längs der Zylinderachse relativ zum Zylinder verschiebbare Kolbeneinheit. Die Kolbeneinheit weist dabei einen dichtend in der Zylinderbohrung geführten Kolben und eine Kolbenstange auf, an der eine zweite Anbindungsstruktur vorgesehen ist. Die Kolbenstange ist unter Beaufschlagung eines durch den Zylinder und den Kolben begrenzten hydraulischen Ausfahr-Arbeitsraums zu einer Seite aus dem Zylinder ausfahrbar. Ferner ist die Kolbenstange mehrteilig ausgeführt und umfasst eine Außenstange und eine Innenstange. Die Außenstange ist fest mit dem Kolben verbunden, als Hohlstange ausgeführt und weist einen sich parallel zur Zylinderachse erstreckenden, von dem hydraulischen Ausfahr-Arbeitsraum fluidisch getrennten, endseitig offenen Außenstangenhohlraum auf. An der in dem Außenstangenhohlraum verschiebbar geführten Innenstange sind die zweite Anbindungsstruktur und ein beim Ausfahren der Außenstange mit einer Anschlagfläche der Außenstange zusammenwirkender Mitnehmer vorgesehen, wobei hierunter insbesondere auch Gestaltungen zu verstehen sind, bei denen zweite Anbindungsstruktur und/oder Mitnehmer an einem mit der eigentlichen Innenstange im engeren Sinne starr verbundenen Bauteil ausgeführt sind. Weiter ist eine das Einfahren der Außenstange in den Zylinder bewirkende, einen Rückstell-Arbeitsraum umfassende hydraulische Rückstelleinrichtung vorgesehen.
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Im kontrahierten Zustand des erfindungsgemäßen Linear-Aktuators ist die Außenstange (soweit wie möglich) in den Zylinder eingefahren und die Innenstange (soweit wie möglich, das heißt bis zum Zusammenwirken von Mitnehmer und Anschlagfläche) in die Außenstange eingeschoben.
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Wird ausgehend vom kontrahierten Zustand des Linear-Aktuators nun durch Beaufschlagung des hydraulischen Ausfahr-Arbeitsraums mit Hydraulikflüssigkeit die Außenstange ausgefahren, geht damit (wegen des Zusammenwirkens von Mitnehmer und Anschlagfläche) auch ein Ausfahren der Innenstange einher. Über die an der Innenstange vorgesehene zweite Anbindestruktur wird - entsprechend der kombinierten Ausfahrbewegung von Außen- und Innenstange der Kolbenstange - das zu betätigende Glied/Bauteil bewegt. Ist die Außenstange dann - je nach der Einsatzsituation mehr oder weniger vollständig - aus dem Zylinder ausgefahren und die Innenstange (unverändert) soweit wie möglich in die Außenstange eingeschoben, nimmt der Linear-Aktuator den sogenannten stabilen expandierten Zustand ein. Im stabilen expandierten Zustand kann der Linear-Aktuator nur dann durch externe Krafteinwirkung zurück in den kontrahierten Zustand gezwungen werden, wenn diese externe Krafteinwirkung die Kolbenreibkräfte sowie die hydraulischen Widerstandskräfte - diese können bei Bedarf beispielsweise durch eine mehr oder weniger gedrosselte Abströmung variiert werden - überwindet.
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Wird nun bei (durch externe Krafteinwirkung auf die zweite Anbindestruktur, insbesondere über das zu betätigende Glied/Bauteil) ortsfest gegenüber dem Zylinder fixierter Innenstange die Außenstange durch die hydraulische Rückstelleinrichtung in den Zylinder zurückgezogen, wird die Innenstange entsprechend aus der Außenstange herausgezogen. Der Linear-Aktuator verbleibt somit zwar in einem expandierten Zustand, allerdings nimmt er einen sogenannten instabilen expandierten Zustand an, indem die Innenstange unter Einwirkung einer geringen externen Krafteinwirkung in die Außenstange eingeschoben werden kann. Der kontrahierte Zustand des Linear-Aktuators kann somit mit geringem externem Kraftaufwand erzwungen werden, da lediglich die (typischerweise sehr geringe) Reibkraft zwischen Innenstange und Außenstange zu überwinden ist. Das Einnehmen des kontrahierten Zustands kann somit mit hoher Geschwindigkeit bei geringem Kraftaufwand erfolgen.
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Damit stellt der erfindungsgemäße Linear-Aktuator eine Art Hybrid zwischen einfach-wirkenden und doppelt-wirkenden Linear-Aktuatoren dar, da ein Teil der Kolbenstange (namentlich die Außenstange) mittels einer hydraulischen Rückstelleinrichtung einfahrbar ist (aktives Rückstellen der Außenstange), dabei die Innenstange allerdings nicht (zwingend) miteingefahren wird, sondern durch externe Krafteinwirkung zurückgestellt werden muss (passives Rückstellen der Innenstange), um den Linear-Aktuator in die kontrahierte Position zu versetzen.
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Insbesondere wenn der erfindungsgemäße Linear-Aktuator zum Verschwenken eines Bauteils gegenüber einer Basis eingesetzt wird, wobei das Herausschwenken des Bauteils durch aktives hydraulisches Ausfahren der Kolbenstange (bzw. der Außenstange) aus dem Zylinder und das Zurückschwenken des Bauteils durch externe Krafteinwirkung erfolgen soll, wird eine konstruktiv besonders vorteilhafte Umsetzung ermöglicht. Der Linear-Aktuator kann gelenkig an dem Bauteil sowie an der Basis gelagert sein (z. B. mittels zweier als Befestigungsaugen ausgeführter Anbindungsstrukturen, die jeweils an gegenüberliegenden Enden des Linear-Aktuators am Zylinder bzw. am kolbenabgewandten Ende der Innenstange vorgesehen sind). Und diese (selbsttragende) Abstützung des Linear-Aktuators liegt selbst dann vor, wenn die Außenstange aktiv hydraulisch wieder in den Zylinder eingefahren ist, um ein hochdynamisches Zurückschwenken des - mit der Innenstange der Kolbenstange gekoppelten - Bauteils mit nur minimaler äußerer Krafteinwirkung zu erlauben (s. o. ) .
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Bevorzugt ist der Mitnehmer der Innenstange dabei im Bereich des kolbenabgewandten Endes der Innenstange (kolbenabgewandter Bereich der Innenstange) vorgesehen. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Innenstange beim Zusammenwirken des Mitnehmers (der Innenstange) und der Anschlagfläche (der Außenstange) - also beim aktiven hydraulischen Ausfahren der Kolbenstange - frei von Schubkräften ist. Hierdurch kann die Belastung der Innenstange reduziert werden kann, was hinwiederum erlaubt, diese besonders leicht (z. B. als Hohlstange; s. u.) auszuführen, was seinerseits der Möglichkeit besonders dynamischer Rückstellungen der Innenstange durch geringe äußere Krafteinwirkung entgegenkommt (s. u.). Und auch die die Lebensdauer des Linear-Aktuators profitiert davon.
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Denkbar ist allerdings auch, dass der Mitnehmer der Innenstange alternativ im Bereich des kolbenzugewandten Endes der Innenstange (kolbenzugewandter Bereich der Innenstange) angeordnet ist. Insbesondere dann, wenn der Linear-Aktuator beim Ausfahren der Kolbenstange nur geringe Kräfte auszuüben hat, lässt sich auf diese Weise eine vorteilhafte kompakte und einfache Konstruktion realisieren.
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Ferner kann es abhängig von der konkreten Einbausituation des erfindungsgemäßen Linear-Aktuators zweckmäßig sein, dass durch das Vorsehen einer Ausziehsicherung das (ungehinderte) Ausziehen der Innenstange aus der Außenstange verhindert wird. Die Ausziehsicherung kann dabei beispielsweise durch zwei zusammenwirkende, an der Innenstange bzw. der Außenstange vorgesehene Ausziehanschläge ausgeführt sein.
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Die zum Einschieben der Innenstange in die Außenstange erforderliche externe Kraft kann dabei noch weiter dadurch verringert werden, dass die Innenstange als Hohlstange ausgeführt ist und einen Innenstangenhohlraum aufweist. Der vorteilhafte Effekt basiert zum einen darauf, dass durch die hohle Ausführung der Innenstange eine Massenreduktion der Innenstange und somit eine Reduktion der Trägheit der Innenstange erreicht werden kann, was auch der Leichtgängigkeit der Verschiebung der Innenstange (gegenüber der Außenstange) zugutekommt. Zum anderen ermöglicht die Hohlstange einen weitestgehend ungehinderten Gasaustausch zwischen der Umgebung und dem Volumen zwischen der Innenstange und der Außenstange (Innenvolumen), welches in seiner Größe abhängig vom Ausziehzustand der Innenstange (gegenüber der Außenstange) variiert. So treten beim Verschieben der Innenstange relativ zur Außenstange weder federnde Effekte eingeschlossener Luftvolumina auf, noch dämpfenden Effekte durch Luftreibung von aus dem Innenvolumen zu verdrängender Luft.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Linear-Aktuator einen am kolbenabgewandten Ende der Innenstange fest angeordneten Kopf, der die zweite Anbindungsstruktur und einen den Innenstangenhohlraum fluidisch mit der Umgebung verbindenden Luftkanal aufweist. Auf diese Weise kann auch dann, wenn an (dem kolbenabgewandten Ende) der Innenstange ein fest angeordneter Kopf (beispielsweise zur Aufnahme eines Befestigungsauges) angeordnet ist, ein weitestgehend ungehinderter Gasaustausch zwischen dem Innenvolumen und der Umgebung erfolgen. Bevorzugt kann der Kopf zudem als (im kolbenabgewandten Bereich der Innenstange angeordneter) Anschlag der Innenstange fungieren und mit der Anschlagfläche der Außenstange zusammenwirken.
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Ganz besonders bevorzugt ist dabei in dem Luftkanal eine Luftfiltereinheit aufgenommen, um auf diese Weise den Eintrag von Staub und Schmutz mit der Umgebungsluft in das Innenvolumen (zumindest weitestgehend) zu verhindern. Dadurch kann die Lebensdauer des Linear-Aktuators erhöht, dessen Wartungsbedarf reduziert und eine schmutzbedingte Erhöhung der Reibkraft zwischen Innenstange und Außenstange verhindert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im kolbenabgewandten Bereich der Außenstange zwischen dieser und der Innenstange eine Gleithülse und/oder ein Abstreifer angeordnet. Auf diese Weise kann die Reibkraft zwischen Innenstange und Außenstange bzw. der Schmutzeintrag in das Innenvolumen weiter verringert werden, was der Leichtgängigkeit der Innenstange zugutekommt.
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Der erfindungsgemäße Linear-Aktuator ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform als Gleichlaufzylinder ausgeführt, indem die Kolbenstange zu beiden Seiten aus dem Zylinder ausfahrbar ist. Dabei kann die Außenstange rohrförmig mit einem durchgehenden Außenstangenhohlraum ausgeführt sein, in dem zwei Innenstangen längs der Zylinderachse verschiebbar und in unterschiedliche Richtungen aus der Außenstange ausziehbar gelagert sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Mitnehmer und der Anschlagfläche und/oder zwischen dem kolbenzugewandten Ende der Innenstange und der Außenstange ein (beispielsweise aus Polymer ausgeführtes) Dämpferelement angeordnet. Auf diese Weise können ein schnelles Zurückschieben der Innenstange in die Außenstange gegen Ende der entsprechenden Bewegung gedämpft bzw. ein hartes Aufschlagen verhindert und somit Geräuschemission und Materialbelastung reduziert werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie deren grundsätzliche Funktionsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Linear-Aktuators und
- 2a bis 2d einen grob skizzierten erfindungsgemäßen Linear-Aktuator in verschiedenen Betriebszuständen zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Erfindung.
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1 stellt einen erfindungsgemäßen Linear-Aktuator 1 dar, der in Form einer hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheit ausgeführt ist und eine Zylindereinheit 2 und eine Kolbeneinheit 3 umfasst.
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Die Zylindereinheit 2 umfasst einen Zylinderboden 4 mit einer als Befestigungsauge ausgeführten ersten Anbindungsstruktur 5.1 sowie einen Zylinder 6, der eine Zylinderbohrung 6.1 aufweist, die eine Zylinderachse X definiert. Die Kolbeneinheit 3 ist längs der Zylinderachse X relativ zum Zylinder 6 verschiebbar und weist einen dichtend in der Zylinderbohrung 6.1 geführten Kolben 7 und eine Kolbenstange 8 auf. Die Kolbenstange 8 ist in einer sich zwischen Zylinder 6 und Kolbenstange 8 angeordneten ersten Gleithülse 9.1 dichtend geführt.
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Durch den Kolben 7, die Stirnseite der Kolbenstange 8, den Zylinder 6 und den Zylinderboden 4 wird ein hydraulischer Ausfahr-Arbeitsraum A1 begrenzt, der über einen ersten hydraulischen Anschluss H1 mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt werden kann. Auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens 7 wird durch den Zylinder 6, den Kolben 7, die Kolbenstange 8 sowie die erste Gleithülse 9.1 ein hydraulischer Rückstell-Arbeitsraum A2 begrenzt, der über einen zweiten hydraulischen Anschluss H2 (mit Hydraulikflüssigkeit) beaufschlagt werden kann. Durch Beaufschlagung des hydraulischen Ausfahr-Arbeitsraums A1 kann die Kolbenstange 8 zu einer Seite aus dem Zylinder 6 ausgefahren werden. Wird indes der hydraulische Rückstell-Arbeitsraum A2 entsprechend beaufschlagt, kann die Kolbenstange 8 wieder in den Zylinder 6 eingefahren werden. Der hydraulische Rückstell-Arbeitsraum A2 wirkt demnach als hydraulische Rückstelleinrichtung.
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Die Kolbenstange 8 ist mehrteilig ausgeführt und umfasst eine fest mit dem Kolben 7 verbundene Außenstange 8.1 und eine relativ zur Außenstange 8.1 verschiebbare Innenstange 8.2.
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Die Außenstange 8.1 ist als Hohlstange ausgeführt und weist einen sich parallel zur Zylinderachse X erstreckenden, von den beiden hydraulischen Arbeitsräumen A1, A2 fluidisch getrennten (einseitig) endseitig offenen Außenstangenhohlraum 8.1h auf.
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Im Außenstangenhohlraum 8.1h ist die Innenstange 8.2 längs der Zylinderachse X verschiebbar und aus der Außenstange 8.1 ausziehbar gelagert. Die Innenstange 8.2 ist dabei als Hohlstange ausgeführt und weist einen Innenstangenhohlraum 8.2h auf. Zwischen der Innenstange 8.2 und der Außenstange 8.1 sind eine zweite Gleithülse 9.2 und ein Abstreifer 11 angeordnet.
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Am kolbenabgewandten Ende der Innenstange 8.2 ist ein Kopf 12 mit einer als Befestigungsauge ausgeführten zweiten Anbindungsstruktur 5.2 fest angeordnet. Der Kopf 12 bildet dabei einen als Schulter 12S ausgeführten (an der Innenstange 8.2 vorgesehenen) Mitnehmer aus, der mit einer Anschlagfläche 8.15 der Außenstange 8.1 zusammenwirken kann und dadurch das Einschieben der Innenstange 8.2 in die Außenstange 8.1 begrenzt. In 1 schlägt die Schulter 12S nicht an der Anschlagfläche 8S an, die Innenstange 8.2 ließe sich somit noch weiter in die Außenstange 8.1 einschieben. Erst wenn die Schulter 12S an der Anschlagfläche 8S anschlägt und somit diese beiden zusammenwirken, befindet sich der Linear-Aktuator 1 im kontrahierten Zustand.
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Im Kopf 12 ist ferner ein Luftkanal 12L angeordnet, der den Innenstangenhohlraum 8.2h mit der Umgebung fluidisch verbindet. Durch einen Durchbruch 12D im Kopf 12 kann ein (zeichnerisch nicht dargestellter) Luftfilter einfach in den Luftkanal 12L eingebracht werden.
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Die grundsätzliche Funktionsweise der Erfindung soll anhand des in den 2a bis 2d in vier verschiedenen Betriebszuständen grob skizzierten erfindungsgemäßen Linear-Aktuators weiter verdeutlicht werden.
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2a stellt einen erfindungsgemäßen Linear-Aktuator 1 im kontrahierten Zustand dar. Die Außenstange 8.1 ist so weit wie möglich in den Zylinder 6 eingefahren, die Innenstange 8.2 ist soweit wie möglich in die Außenstange 8.1 eingeschoben, sodass der Mitnehmer (die Schulter 12S gemäß 1) und die Anschlagfläche 8.1S zusammenwirken.
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Durch Beaufschlagung des Ausfahr-Arbeitsraums A1 mit Hydraulikflüssigkeit wird die Kolbenstange 8, d. h. die Außenstange 8.1 mitsamt der Innenstange 8.2 aus dem Zylinder 6 ausgefahren, wobei die Innenstange 8.2 unverändert so weit wie möglich in die Außenstange 8.1 eingeschoben ist. Der Linear-Aktuator 1 befindet sich dabei in dem in 2b dargestellten stabilen expandierten Zustand.
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Anschließend wird die Innenstange 8.2 durch externe Krafteinwirkung ortsfest gegenüber dem Zylinder 6 fixiert und dabei durch Beaufschlagung des Rückstell-Arbeitsraums A2 die Außenstange 8.1 in den Zylinder 6 eingefahren. Dies geht mit einem Ausziehen der Innenstange 8.2 aus der Außenstange 8.1 einher. Wenn die Außenstange 8.1 dann so weit als möglich in den Zylinder 6 eingefahren ist, befindet sich der Linear-Aktuator 1 in dem in 2c dargestellten instabilen expandierten Zustand.
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Wie in 2d angedeutet, kann in diesem instabilen expandierten Zustand des Linear-Aktuators 1 schon mittels einer verhältnismäßig kleinen externen Kraft die Innenstange 8.2 in die Außenstange 8.1 eingeschoben werden.
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Ersichtlich kann - zur begrenzten Verstellung eines Bauteils um weniger als den maximal möglichen Verstellweg des Linear-Aktuators - durch entsprechende volumetrische Beaufschlagung des Ausfahr-Arbeitsraums A1 die Kolbenstange 8, d. h. die Außenstange 8.1 samt der Innenstange 8.2, bei Bedarf auch nur teilweise aus dem Zylinder 6 ausgefahren werden, bevor die Außenstange 8.1 wieder hydraulisch eingefahren wird.
