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Die
Erfindung betrifft einen verriegelbaren Pneumatikzylinder mit einem
Zylinderrohr mit Druckanschlüssen
an den Enden, einem im Zylinderrohr verschiebbaren Kolben, einer
mit dem Kolben verbundenen, an einem Ende aus dem Zylinderrohr austretenden
Kolbenstange und einer Verriegelungseinrichtung zum Verriegeln der
Kolbenstange in wenigstens einer Endstellung, die an dem wenigstens
einen Ende des Zylinderrohres einen zylindrischen, die Kolbenstange
umgebenden Käfig
umfaßt,
der wenigstens einen radial verschiebbaren Verriegelungskörper aufnimmt,
der in der Verriegelungsstellung der Kolbenstange in eine umlaufende
Nut der Kolbenstange eintritt.
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Die
DE 41 07 980 A1 zeigt
und beschreibt einen verriegelbaren Pneumatikzylinder, der eine
Verriegelungseinrichtung für
die Kolbenstange in wenigstens einer Endstellung aufweist. Wenigstens
an einem Ende des Zylinderrohres des Zylinders ist ein zylindrischer,
die Kolbenstange umgebender Käfig vorgesehen,
der wenigstens einen radial verschiebbaren Verriegelungskörper aufnimmt,
der in der Verriegelungsstellung der Kolbenstange in eine umlaufende
Nut der Kolbenstange eintritt. Am Kolben ist auf der Seite der Kolbenstange
eine Feder vorgesehen, mit der eine Verriegelungshülse verbunden
ist, die in der Verriegelungsstellung durch die Federkraft über den
Käfig verschiebbar
ist und die Verriegelungskörper
in die umlaufende Nut der Kolbenstange drückt.
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Verriegelbare
Hydraulik- und Pneumatikzylinder sind in verschiedenen Ausführungsformen
bekannt. Die Verriegelung der Kolbenstange erfolgt beispielsweise
in der ausgefahrenen Stellung, wenn z. B. eine Last über längere Zeit
abgestützt
werden soll, die über
dem normalen Antriebsdruck des Zylinders liegt. Diese Situation
wird beispielsweise in der
DE
37 32 561 A1 für
einen Hydraulikzylinder beschrieben. Im Kolben befindet sich ein
Hilfskolben, der in der Verriegelungsstellung wenigstens einen radial
verschiebbaren im Kolben geführten
Verriegelungskörper
nach außen
in eine Ausnehmung der inneren Zylinderwand drückt.
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Die
DE 31 43 040 beschreibt
einen Kolbenzylinderanordnung, bei der die Kolbenstange im Falle eines
Ausfallens des Betriebsdrucks durch eine federnd vorgespannte Halteeinrichtung
arretiert wird. Die
DE 39 13
009 beschreibt einen verriegelbaren Kolben einer Kolbenzylinderanordnung.
Radial verschiebbare Riegel treten in der Verriegelungsstellung in
Ausnehmungen des Kolbens ein.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Pneumatikzylinder mit
Verriegelung in wenigstens einer Endstellung zu schaffen, der in
wenigstens einer Endstellung eine Endlagendämfpung aufweist, durch die
ein harter Anschlag der Kolbenstange in der Endstellung verhindert
wird.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Pneumatikzylinder durch die Kombination der
folgenden Merkmale gelöst.
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Verriegelbarer
Pneumatikzylinder mit einem Zylinderrohr mit Druckanschlüssen an
den Enden, einem im Zylinderrohr verschiebbaren Kolben, einer mit
dem Kolben verbundenen, an einem Ende aus dem Zylinderrohr austretenden
Kolbenstange und einer Verriegelungseinrichtung zum Verriegeln der
Kolbenstange in wenigstens einer Endstellung, die an dem wenigstens
einen Ende des Zylinderrohres einen zylindrischen, die Kolbenstange
umgebenden Käfig
umfaßt,
der wenigstens einen radial verschiebbaren Verriegelungskörper aufnimmt,
der in der Verriegelungsstellung der Kolbenstange in eine umlaufende
Nut der Kolbenstange eintritt, wobei am Kolben auf der Seite der
Kolbenstange eine federnd von dem Kolben abgespreizte Kolbenscheibe
vorgesehen ist, mit der eine Verriegelungshülse verbunden ist, die in der
Verriegelungsstellung durch die Federkraft über den Käfig verschiebbar ist und die
Verriegelungskörper
in die umlaufende Nut der Kolbenstange drückt, wobei beim Zurückziehen
der Kolbenstange ein nach rückwärts über den
Kolben hinausragendes Ende der Kolbenstange in eine Bohrung im endseitigen
Zylinderdeckel eintaucht, welche Bohrung das rückwärtige Kolbenstangen-Ende mit
einer Dichtung umgibt und mit einem Druckanschluß verbunden ist, wobei der
Zylinderraum innerhalb des Zylinderdeckels mit dem Druckanschluß durch
eine Drosselbohrung verbunden ist.
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Die
Endlagendämpfung
wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass die Kolbenstange am Ende ihrer Bewegung in eine Bohrung
eintaucht, die einen geringeren Durchmesser als der Kolben aufweist
und die nur über
eine Drosselbohrung das Entweichen der in der Bohrung gefangenen
Luft gestattet.
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Wenn
die Kolbenstange aus ihrer Verriegelungsstellung gelöst werden
soll, wird Luftdruck auf der Seite der austretenden Kolbenstange
in das Zylinderrohr eingelassen. Dadurch wird die Kolbenscheibe
unter Überwindung
der diese von dem Kolben abspreizenden Federkraft gegen den Kolben
gedrückt.
Dabei zieht die Kolbenscheibe die mit ihr verbundene Verriegelungshülse, die
in der Verrie gelungsstellung im wesentlichen über den gesamten Käfig geschoben
ist, von dem Käfig
so zurück,
dass die Verriegelungskörper
radial nach außen
bewegt werden können.
Dadurch lösen
sie sich aus der umlaufenden Nut der Kolbenstange, so dass der auf
die Kolbenscheibe und zugleich auf den Kolben einwirkende Pneumatikdruck
den Kolben mit der Kolbenstange aus der verriegelten Stellung verschiebt.
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Wenn
andererseits der Luftdruck in die der Kolbenstange gegenüberliegende
Kammer des Zylinderrohres eingeleitet und auf der kolbenstangenseitigen
Kammer abgebaut wird, wird der Kolben wieder in Richtung der Verriegelungsstellung
geschoben. Da der Druck auf der Seite der Kolbenstange zunehmend
abgebaut wird, kann die Kolbenscheibe wiederum durch die Druckfeder
von dem eigentlichen Kolben abgespreizt werden. Die mit der Kolbenscheibe
verbundene Hülse
gleitet daher bei Erreichen der oberen Endstellung wiederum über den
Käfig,
so dass die Verriegelungskörper
nach innen in die umlaufende Nut der Kolbenstange gedrückt werden.
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Vorzugsweise
sind an beiden Enden des Zylinderrohres Zylinderdeckel befestigt,
und der Käfig ist
an der Innenseite des auf der Kolbenstangenseite liegenden Deckels
befestigt, beispielsweise eingeschraubt. Der Käfig liegt koaxial zu der Kolbenstange und
dem Zylinderrohr und umgibt die Kolbenstange, ohne mit dieser verbunden
zu sein. Im Käfig
befinden sich mehrere Verriegelungskörper, in der Regel Kugeln,
die über
einen begrenzten Weg radial beweglich sind, jedoch nicht vollständig nach
außen
aus ihren Führungen
herausfallen können.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine Verriegelung der Kolbenstange bei ausgefahrenem
Kolben beschränkt.
Eine Verriegelung kann auch bei eingefahrener Kolbenstange sinnvoll
sein. Dabei kann zweckmäßigerweise
ein über
den Kolben überstehendes Ende
der Kolbenstange zur Aufnahme der Verriegelungsnut genutzt werden.
Schließlich
kann auch eine Verriegelung in beiden Endstellungen vorgesehen sein.
Die Tatsache, dass hier und insbesondere in dem unten beschriebenen
Ausführungsbeispiel
eine Verriegelung in der ausgefahrenen Kolbenstangenstellung gezeigt
wird, ist daher nicht einschränkend zu
verstehen.
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Vorzugsweise
ist auf der Kolbenstange zumindest im Bereich der umlaufenden Nut
eine Verstärkungshülse angebracht,
die aus härterem
Material besteht als die Kolbenstange selbst. Diese Verstärkungshülse kann
zugleich als Führung
für die
Anordnung aus Kolbenscheibe und Verriegelungshülse dienen.
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Ein
besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass sie mit verhältnismäßig wenigen
Teilen realisiert werden kann und keine grundsätzlichen Änderungen an der Kolben-Zylinder-Anordnung
verlangt. Die Erfindung kann daher beispielsweise in Verbindung
mit Standard-Zylindern eingesetzt werden und ermöglicht auch eine Nachrüstung vorhandener
Zylinder mit begrenztem Aufwand.
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung
näher erläutert.
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1 ist
ein Axial-Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Zylinderrohr und zeigt
auf der linken und rechten Seite die Anordnung aus Kolben und Kolbenstange
in jeweils einer der Endstellungen.
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1 zeigt
in einem Längsschnitt
in versetzter Anordnung die beiden Endstellungen eines Kolbens 10 innerhalb
eines Zylinderrohres 12. Das Zylinderrohr 12 besteht
im wesentlichen aus einem Rohrabschnitt 14, der an beiden
Enden durch Zylinderdeckel 16,18 geschlossen ist.
Der Kolben 10 ist gegenüber
der Innenfläche
des Rohrabschnitts 14 durch eine umlaufende Dichtung 20 abgedichtet.
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Die
Dichtung 20 hat eine nach unten in der Zeichnung gerichtete
umlaufende Schürze,
die gegen die Innenwand des Zylinderrohres gedrückt wird, wenn sich in der
unterhalb des Kolbens 10 liegenden Zylinderkammer ein erhöhter Druck
befindet, dagegen von oben nach unten luftdurchlässig ist. Die Dichtung 20 kann
also als Einwegdichtung bezeichnet werden. Auf diesen Effekt soll
später
noch einmal eingegangen werden. Andererseits ist der Kolben 10 mit
einer Kolbenstange 22 verbunden, die durch den oberen Zylinderdeckel 18 durch
eine Bohrung 24 austritt, in der sich eine umlaufende Dichtung 26 befindet,
die die Kolbenstange 22 abdichtet. In beiden Zylinderdeckeln 16,18 sind
Druckanschlüsse
vorgesehen, die mit 28 und 30 bezeichnet sind.
Durch ein Einleiten oder Ablassen von Druckluft aus den und in die
auf beiden Seiten des Kolbens 10 gebildeten Zylinderkammern
kann die Anordnung aus Kolben 10 und Kolbenstange 22 daher
in senkrechter Richtung in 1 zwischen
den beiden gezeigten Stellungen hin- und hergefahren werden.
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Die
Kolbenstange 22 ist in ihrem unteren Endbereich abgedreht
und bildet somit einen Schaftabschnitt 32 geringeren Durchmessers,
auf den zwei hintereinanderliegende Hülsen 34,36 aufgeschoben sind,
die durch eine in das untere Ende der Kolbenstange 22 eingedrehte
Schraube 38 in Verbindung mit einer Unterlegscheibe 40 in
ihrer Position gehalten werden.
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Die
beiden hintereinanderliegenden Hülsen 34,36 bilden
an ihrer gemeinsamen Stoßstelle
eine umlaufende, nicht bezeichnete Nut, in der der scheibenförmig ausgebildete
Kolben 10 liegt. Der Kolben 10 wird also auf diese
Weise in Axialrichtung auf der Kolbenstange 22 festgelegt.
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Zwischen
den beiden Hülsen 34,36 befindet sich
eine um die Kolbenstange herum verlaufende Dichtung 35,
z. B. ein O-Ring, der die Anordnung aus den beiden Hülsen 34,36 und
dem Kolben 10 gegenüber
der Kolbenstange 22 abdichtet.
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Im übrigen befindet
sich in der vom Ende der Kolbenstange abgewandten oberen Hülse eine
umlaufende Nut 42, auf deren Einzelheiten später eingegangen
werden soll. Zumindest die vom Ende der Kolbenstange abgewandte
Hülse 34 besteht
aus einem härteren
Material als die übrige
Kolbenstange, beispielsweise aus einem gehärteten Stahl.
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Wie
aus der Zeichnung hervorgeht, taucht der Bereich der unteren, am
Ende der Kolbenstange liegenden Hülse 36 in eine Bohrung 44 ein,
in deren oberen Wandbereich eine umlaufende, Dichtung 45 angeordnet
ist. Der untere Druckanschluß 30 in
dem Zylinderdeckel 16 mündet
in diese Bohrung 44. Das bedeutet, dass, sobald die untere
Hülse 36 in
die Bohrung 44 beim Absenken des Kolbens eingetreten ist,
der Luftaustritt aus dem unteren Druckanschluß 30 verhindert wird.
Wenn das untere, nach unten über
den Kolben 10 hinausragende Ende der Kolbenstange 22,
das die Hülse 36 trägt, in die
Bohrung 44 eintritt, kann das zwischen dem Kolben 10 und
der Dichtung 45 eingefangene Luftvolumen nicht durch den
Druckanschluß 30 entweichen.
Es ist daher eine nicht dargestellte Drosselbohrung vorgesehen,
das den Bereich unterhalb des Kolbens 10 unter Umgehung
der Dichtung 45 mit dem Druckanschluß 30 verbindet. Die
Luft zwischen dem Kolben 10 und dem unteren Zylinderdeckel 16 wird
in der Endphase der Abwärtsbewegung
des Kolbens mit der Kolbenstange durch diese nicht gezeigte Drosselbohrung
gedrückt.
Dadurch wird die Bewegungsgeschwindigkeit gegen Ende des Hubes abgebremst.
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Oberhalb
des Kolbens 10 befindet sich eine Kolbenscheibe 46,
die durch eine Druckfeder 48 von dem Kolben 10 abgespreizt
wird. Die Kolbenscheibe 46 ist mit einer Verriegelungshülse 50,
die auf der oberen Hülse 34 der
Kolbenstange axial verschiebbar geführt ist. Zwischen dieser Hülse und
der Verriegelungshülse 50 befindet
sich eine umlaufende Gleitschicht 52, und durch nicht bezeichnete
Stufen auf der Außenfläche der
Hülse 34 und
der Innenfläche der
Verriegelungshülse 50 wird
gewährleistet,
dass sich die Kolbenscheibe 46 nur in dem Maße unter Einwirkung
der Druckfeder 48 von dem Kolben 10 entfernen
kann, wie es in der Zeichnung gezeigt ist.
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Die
Verriegelungshülse 50 weist
auf ihrer Innenfläche
eine umlaufende Nut 53 auf, in der sich eine Dichtung 55,
beispielsweise eine O-Ring befindet. Diese Dichtung dichtet zwischen
der Verriegelungshülse 50 und
der auf der Kolbenstange 22 sitzenden Hülse 34 ab.
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Auf
der Kolbenscheibe 46 befindet sich auf dem äußeren Umfang
eine umlaufende Dichtung 47. Diese Dichtung 47 weist
eine in der Zeichnung nach oben gerichtete, umlaufende Schürze 49 auf,
die der Schürze 21 der
Dichtung 20 des Kolbens 10 entspricht.
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Bei
dieser Anordnung dichtet die Dichtung 47 nur ab, wenn ein
nennenswerter Druck in die oberhalb des Kolbens 10 liegende
Zylinderkammer eingetreten ist. Da die beiden Schürzen 21 und 49 nach unten
und oben, also voneinander weg gerichtet sind, kann die Luft in
dem Zwischenraum zwischen dem Kolben 10 und der Kolbenscheibe 46 entweichen, wenn
die Kolbenscheibe 46 an den Kolben 10 angenähert wird
und auf wenigstens einer Aussenseite, also innerhalb einer der Zylinderkammern
kein höherer
Druck herrscht.
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Der
guten Ordnung halber soll noch einmal darauf hingewiesen werden,
dass sich alle Richtungs- und Positionsangaben in der vorliegenden
Beschreibung auf die Stellung des Pneumatikzylinders in 1 beziehen.
Während
an sich die Anordnung von Pneumatikzylindern weitgehend richtungsunabhängig ist,
entspricht die Darstellung der Zeichnung durchaus einem realistischen
Einsatzfall, bei dem beispielsweise durch den Pneumatikzylinder
ein Maschinenteil angehoben worden ist und in einer oberen Stellung
gehalten werden muß.
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Die
Zeichnung zeigt weiterhin einen zylindrischen Käfig, der an der Unterseite
des oberen Zylinderdeckels 18 in einer Position befestigt
ist, in der er die Kolbenstange umgibt, ohne mit dieser verbunden zu
sein. Der Käfig
wird gemäß der Zeichnung
durch eine Hülse
gebildet, die mithilfe eines Außengewindes
in ihre konzentrische Position an der Unterseite des oberen Zylinderdeckels 18 eingeschraubt
ist. Der Käfig 54 weist
eine Anzahl von radialen Bohrungen auf, in die Verriegelungskörper, gebildet
durch Kugeln 56 eingelegt sind. Die Bohrungen zur Aufnahme der
Kugeln sind an ihrem äußeren Rand
leicht eingeschnürt,
so dass die Kugeln mit ihrem Umfang zwar teilweise nach außen über den
Käfig hinausragen,
jedoch nicht nach außen
herausfallen können.
Die äußere Stellung
ist in 1 auf der rechten Seite gezeigt.
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Andererseits
können
die Kugeln 56 wenigstens teilweise nach innen aus dem Käfig 54 austreten.
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Nunmehr
soll die Wirkungsweise des Verriegelungsmechanismus erläutert werden.
In 1 ist auf der linken Seite die Verriegelung der
Kolbenstange in der oberen Endstellung dargestellt. In dieser oberen
Endstellung liegt die umlaufende Nut 42 der oberen Hülse 34,
die auf die Kolbenstange aufgeschoben ist, in Höhe der Position der Kugeln 56 in dem
Käfig 54.
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Auf
der linken Seite in 1 ist daher die Kugel in einer
Position gezeigt, in der sie teilweise in der umlaufenden Nut 42 liegt.
Damit die Kugeln auf dem ganzen Umfang in der umlaufenden Nut 42 gehalten werden
und damit die Kolbenstange in Axialrichtung verriegelt ist, befindet
sich die Verriegelungshülse 50 in
einer Position, in der sie sich von der Außenseite des Käfigs her
auf den Kugeln abstützt
und damit die Kugeln nach innen drückt. Damit ist die Kolbenstange verriegelt.
In dieser Verriegelungsstellung kann sie wesentlich höhere Kräfte aufnehmen,
als es der übliche
Arbeitsdruck zulassen würde.
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Wenn
die Kolbenstange jetzt aus der verriegelten Position abgesenkt werden
soll, muß Druckluft in
den oberen Druckanschluß 28 eingeleitet
und aus dem unteren Druckanschluß 30 abgelassen werden. Durch
Einleiten von Druckluft in den oberen Druckanschluß 28 wird
Druck auf die obere Kolbenscheibe 46 ausgeübt, so dass
diese zusammen mit der Verriegelungshülse 50 entgegen der
Wirkung der Druckfeder 48 nach unten in der Zeichnung verschoben
wird. Dadurch wird die Verriegelungshülse 50 aus der Position
der Kugeln 56 nach unten abgezogen. Durch weitere Einleitung
von Druckluft kann der Kolben 10, dessen Kolbenstange 22 nunmehr
aus der Verriegelung gelöst
ist, nach unten geschoben werden, bis die auf der rechten Seite
gezeigte Stellung erreicht ist.
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Wenn
der Kolben wieder in die obere Stellung geschoben worden ist und
die Druckluft aus der oberen Zylinderkammer entwichen ist, kann
sich die mit einer umlaufenden, nicht bezeichneten Dichtung versehene
Kolbenscheibe 46 unter Einwirkung der Druckfeder 48 nach
oben verschieben, bis sich die Verriegelungshülse, deren oberer Rand nach
innen abgeschrägt
ist, über
die Kugeln geschoben hat.
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Sofern
in der vorliegenden Beschreibung von Luftdruck gesprochen wird,
ist dies nicht einschränkend
zu verstehen. Der erfindungsgemäße Zylinder
kann mit Gasen aller Art betrieben werden.