DE1917116C3

DE1917116C3 - Hydraulikzylinder mit Eilgang und Krafthub

Info

Publication number: DE1917116C3
Application number: DE1917116A
Authority: DE
Inventors: Henri Maisons-Laffitte Godines (Frankreich)
Original assignee: CREUSOT-LOIRE PARIS
Current assignee: Clextral SAS
Priority date: 1968-04-08
Filing date: 1969-04-02
Publication date: 1980-01-24
Also published as: DE1917116A1; NL6905226A; GB1206083A; FR1583814A; LU58321A1; BE730574A; DE1917116B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Hydraulikzylinder mit Eilgang und Krafthub gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Derartige Hydraulikzylinder werden als Verdränger in verschiedenen Formungsmaschinen, z. B. Spritzpressen, Stanzmaschinen od. dgl, sowie auch als Stcucrgliedcr in hydraulischen .Steuerkreisläufen eingesetzt. Bei diesen Maschinen besteht die Notwendigkeit, daß der Arbeitskolben über einen größeren Teil seines Hubweges mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit und geringer Druckkraft verfährt, während er auf einem vorbestimmten kürzeren Abschnitt seines Hubweges bei verlangsamter Geschwindigkeit eine hohe Druckkraft ausüben muß. Bei herkömmlichen Arbeitszylindern mit einem solchen Eilgang und Krafthub müssen /um Teil für einen Betätigungszyklus vergleichsweise große Hüssigkeitsmcgcn in dem Zylinder ein- b/.w. abgeführt werden, was neben erheblichen Strömungsvcrlusten zu einer entsprechend großen Auslegung der Einspeisccinrichtungcn führt.

Es ist bereits ein Hydraulikzylinder mit Eilgang und Krafthub bekannt (DE-PS 8 02 606), bei dem wesentlich geringere Flüssigkeitsmengen für den Eilgang und den Krafthub zu- bzw. abgeführt werden müssen. Hierzu ist in einem Zylindergehäuse ein Hauptkolbcn von großem Durchmesser angeordnet, an dessen beiden Stirnseiten eine Kolbenstange sowie ein Hilfskolben angreifen, der in einem Zylindcransalz des Zylindergehäuses zum Erhalt des Eilgangsbciricbcs gleitend aufgenommen ist. Das Zylindergehäusc ist ferner im Bereich des Eilganghubes über den Durchmesser des Hauptkolbens radial erweitert, wobei der Hauptkolbcn auch während des Eilganghubes an vier radialen Ansätzen direkt geführt ist. Aussparungen zwischen diesen radialen Ansätzen dienen beim Eilgangbetrieb als Umsirömkanäle, um eine Umströmung des Kolbens herbeizuführen und dadurch das Ein- bzw. Abführen von großen -. Flüssigkeitsmengen in das Zylindergehäuse während des Eilganges zu vermeiden. Der Eilganghub wird durch Verschieben des sich an der Stirnseite des Hauptkolbens abstützenden Hilfskolben eingeleitet, wobei eine Oberströmung des Haupfkolbens erfolgt. Am ElJc des

κι Eilganghubes schließt die Kolbenkante die Umströmkanäle ab. Erst in diesem Moment wird durch Betätigung entsprechender Steuereinrichtungen Druckflüssigkeit durch einen gesonderten Anschlußkanal in das Zylindergehäuse eingeleitet, um nach öffnen des anderen, im

ιϊ s-hmaleren Gehäuseabschnitt vorgesehenen Anschlußkanals den Krafthub ausführen zu können. Demnach werden während des Eilganges ein besonderer Hilfszylinder und während des Krafthubes der Hauptzylinder mit unterschiedlichen Druckmitteln beaufschlagt Der

>o Innendurchmesser des Hilfszylinders kann naturgemäß nicht beliebig klein gehalten werden, so daß auch die für den Eilgangbetrieb benötigte Druckflüssigkeit eine bestimmte Mindestmenge nicht unterschreiten kann. Darüber hinaus müssen die radial inneren Umfangsflä-

ji chen der Ansätze ebenso wie die gesamte Innenwand des Hilfszylinders feinbearbeitet werden, da sie in ständiger Anlage mi! den entsprechenden Kolbcnflächcn stehen. Der technische Aufwand bei diesem bekannten Hydraulikzylinder wird noch durch die

in notwendigerweise vorzusehende Steuereinrichtung weiter erhöht, die in einem genau vorbestimmten Zeilpunkt, nämlich im Augenblick der Überdeckung der Kolbenkante mit der Innenkante des kleineren Zylinderabschnittes, ansprechen und die beiden Ansehluß-

Γι kanälc im größeren Zylindergehäusc mit Druckmittel beaufschlagen bzw. mit dem Rücklauf verbinden muß.

Bei einem anderen bekannten, nach dem grundsätzlich gleichen Funktionsprinzip wirkenden Kolbengetriebe (DE-PS 8 19 609) ist ein zusätzlicher Hilfszylinder mit

κι einem gesonderten Hilfskolben vorgesehen, dessen Kolbenstange sich über einen Ventilteller am riauplkolben abstützt und dabei Durchströmkanälc im Hauptkolbcn je nach dem Betriebszustand öffnet oder schließt. Während des Arbeilshubcs wird der Hilfszylinder über

ii einen gesonderten Anschluß mit Druckmittel beaufschlagt, um eine Schließbewegung des Ventilteller zu erhalten. Dabei muß der dem Hilfszylinder zugeführie Betriebsdruck genau auf den Betriebsdruck des Hauplzylinders abgestellt werden, weil im geöffneten

in Zustand des Tellerventil dieses Tellerventil in Verbindung mit der Kolbenstange des Hilfskolbcns als Diffcrcnlialkolbcn wirkt. Bei diesem bekannten Kolbengetriebe kann der Beginn des Krafthubes nicht genau vorbestimmt bzw. festgelegt werden, da er nur von den

r, inneren Druckverhältnissen abhängt.

Bei einem anderen bekannten Hydraulikzylinder (DE-GM 18 76 865) wird der Nachteil der Ein- bzw. Abführung von großen Mengen an Betriebsflüssigkeit weitgehend dadurch gemindert, daß während des

mi Eilgangbetriebs eine Umströmung der im Zylinder befindliehen Betriebsflüssigkeit durch im Kolben selbst angeordnete Strömungskanäle erfolgt, wobei diese Strömungskanäle zu Beginn des Krafthubes durch ein zentral im Zylinderdeckel angeordnetes Sperrglied

(Ti verschlossen werden. Zum Verschieben des Kolbens im Eilgang wird dabei eine kleine Stirnfläche eines mit dem Hauptkolben einstückig verbundenen Hilfskolbcns herangezogen, wobei nach dem Absperren der Durch-

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flußkanäle im Hauptkolben, d. h. während des Krafthubes, die Druckflüssigkeit durch öffnen von Axialkanälen in den dem größeren Haupikolben zugeordneten Zylinderraum einströmt und dabei den Kolben mit hoher Kraft und geringer Geschwindigkeit in seine Endttellung bringt. Diese bekannte Ausführung hat jedoch den Nachteil, daß aufgrund der Anordnung des Sperrgliedes die nach außen führende Kolbenstange zum Antrieb der Werkzeuge nicht in der Mittelachse des Arbeitszylinders, sondern exzentrisch zu dieser angeordnet ist, so daß der Kolben außermittigen Belastungen ausgesetzt wird, die zu hohen Beanspruchungen der Zylinderwände und der Dichtungselemente des Kolbens führen. Darüber hinaus besteht bei diesem bekannten Arbeitszylinder noch die Notwendigkeit, daß die Innenwände des gesamten Zylinders Führungs- und Dichtflächen für den Kolben darstellen und somit durchgehend feinbearbeitet werden müssen, was naturgemäß einen erhöhten Herstellungsaufwand bedingt. Die Herstellung dieses Arbeitszylinders vergrößert sich noch durch das Einarbeiten der Durchströmkanäle in den Hauptkolben sowie der zentralen Ausnehmung im Hilfskolben und der Oberströmkanäle am Übergang vom Eilbetrieb zum Krafthub.

Bei einem anderen bekannten hydraulischen Antrieb mit Eilgang und Krafthub (DE-AS 13 00 398) ist in ähnlicher Weise wie bei dem vorstehend genannten Arbeitszylinder an jeder Seite des Hauptkolbens je eine Kolbenstange von unterschiedlichem Durchmesser befestigt, wobei in diesem Falle beide Kolbenstangen in der Mittelachse des Antriebes verlaufen. Auf der antriebsseitigen Kolbenstange sitzt begrenzt verschiebbar ein Hilfskolben, der mit dem Hauptkolben durch eine Mitnehmerfeder verbunden ist und dessen einseitiger Ringflansch als Sperrglied für einen Durchströmungskanal im Hauptkolben dient. Der Eilbetrieb dieses hydraulischen Antriebes vollzieht sich durch Beaufschlagen der kleineren Stirnfläche des Hilfskolbens mit Betriebsflüssigkeit, wobei ein Umströmen der in den beider Zylindcrkanimern vorhandenen Betriebsflüssigkeit von einer Seite des Hauptkolbens zur anderen über den im Hauptkolben vorgesehenen Umströmkanal erfolgt. In einem an einer Seite des Zylindergehäuses angeordneten Sleucrkörper befinden sich ein zusätzlicher Stcuerkolbcn sowie mehrere Stcuerkanäb, die ein Beaufschlagen der antriebsseitigen Zylinderkainmer mit Druckflüssigkeit während des Krafthubes ermöglichen. Bei dieser bekannten Ausführung erfolgt das Umschalten vom Eilgang auf Krafthub durch den vom Arbeitswerkzeug herrührenden vergrößerten Widerstand, durch den die Spreizfeder zwischen dem Haupt- und dem Hilfskolben zusammengedrückt und dabei der Umströmkanal im Haupt kolben gesperrt wird. Auch dieser bekannte Antrieb erfordert einen vergleichsweise hohen Herslcllungsaufwand durch die vorzusehenden Steuerkanäle, die zusätzlichen gesondert beweglichen Hilfs- und Slcuerkolben sowie die notwendige Feinbearbeitung der gesamten Innenfläche des Zylindergehäuses. Im Betrieb ergeben sich ferner vergleichsweise hohe Strömungswiderständc, die zu entsprechenden Energieverlusten durch Erwärmung der Betriebsflüssigkeit führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem gattungsgemäßen Hydraulikzylinder die Führung des Hauptkolbens zu vereinfachen, die mögliche Eilganggeschwindigkeit zu vergrößern u.id die Rückstelleinrichtung in den Arbeitszylinder zu integrieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Gegenüber den vorstehend beschriebenen bekunnien Hydraulikzylindern mit konstruktiv und funktional Ί gesondertem llilfs- und Hauptzylinder unterscheidet sich der Erfindungsgegenstand grundsätzlich durch Anwendung des Differentialkolbenprinzips, d. h. von unterschiedlich großen wirksamen Flächen an jeder Kolbenstirnseite. Der Flächenunterschied ergibt sich κι durch die unterschiedlich großen Durchmesser der beiden Kolbenstangen, die beide fest mit dem Hauptkolben verbunden sind. Dieses an sich seil langem bekannte Differentialkolbenprinzip wird erfindungsgemäß bei einem Arbeitszylinder mit Erfolg angewendet, r> dessen Kolben im Eilgangbetrieb nicht an den Zylinderinnenwänden geführt ist, der also von dem in diesen Zylinder eingeleiteten Druckmittel frei umströmt wird. Damit dienen die beiden Kolbenstangen lediglich als Führungselemente unter gleichzeitigem Erhalt von .'ο unterschied/ich großen wirksamen Kilbenflächen am Hauptkolben.

Ein bedeutsamer herstellungstechnischer Vorzug liegt darin, daß die Innenwand des Zylindergehäuses über den vergleichsweise langen Eilgangabschniti nicht >5 feinbearbeitet werden muß. Darüber hinaus kann die Kolbengeschwindigkeit im Eilgang beliebig durch freie Wahl der Durchmesserdifferenzen der beiden Kolbenstangen gewählt und an unterschiedliche Einsatzbedingungen ohne zusätzliche Steuereinrichtungen angepaßt jo werden.

Insbesondere zur Anwendung des erfindungsgemäßen Arbeitszylinders in hydraulischen Steuersystemen kann das Zylindergehäuse einen oder mehrere Abschnitte vom Durchmesser des lluupikolbens aufweise sen, zwischen denen jeweils Gehäuseabschnitte von vergrößerten Durchmessern liegen. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit, daß in einem Arbeitszyklus des Zylinders mehrere aufeinanderfolgende Eilgang- und Kraftvorgänge erhallen κι werden können.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Längsschnittes durch einen hydraulischen Arbeitszylinder im einzelnen beschrieben. Der dargestellte hydraulische Arbeitszylinder mit ii Eilgang und Krafthub enthält ein Zylirdergehztise 4, dessen Innenwand in einem Abschnitt 41 von der Länge L unbearbeitet ist und das einen Anschluß 8 für die Betriebsflüssigkeit in diesem Abschnitt 41 aufweist. Das Gehäuse 4 wird an seiner einen offenen Stirnseite durch ■,0 einen Zylinderkopf 6 abgeschlossen, in dem eine zylindrische Ausnehinung 61, eine Bohrung 12 sowie ein Druckmittelanschluß 9 eingearbeitet sind. Im Zylinder gehäuse 4 ist ein Hauptkolben 5 aufgenommen, der an jeder jithnseitc je eine einstückig angeformte Kolben )-> stange 31 bzw. 32 aufweist. Am Ende der Kolbenstange 31 von kleincrem Durchmesser d\ sitzt der Hilfskolben 2, dessen Durchmesser dem Durchmesser cfc der anderen, in einem Gleitring 11 der Zylinderkopfbohrung 12 geführten Kolbenstange 32 entspricht Der Haupt- >f> kolben 5 hat einen entsprechend der Maximalkrafi und dem Betriebsdruck der Flüssigkeit ausgelegten Durchmesser D.

Am Zylindcrgehäuse 4 ist ein Hilfszylinder I befestigt, dessen Symmetrieachse mit der des Zylindergehäuses 4 ,-, zusammenfällt. Der rn der Kolbenstange 31 befestigte Hilfskolben 2 begrenzt zusammen mit der Kolbenstange 31 im Hilfszylinder 1 eine Rückholkammer 13, die über einen Anschluß 7 mit Druckflüssigkeit beaufschlagt oder

entleert wird.

Der Durchmesser des Zylindergehäuses 4 im Abschnitt 41 ist größer als der Durchmesser D des Hauptkolbens 5, wohingegen die Ausnehmung 61 im Zylinderkopf 6 genau dem Außendurchmesscr D des Hauptkolbens 5 entspricht, so daß dieser flüssigkeitsdicht in der Ausnehmung gleitet. Die Abdichtung des Haupt- und des Hilfskolbens in den jeweiligen Zylinderabschnitten erfolgt durch geeignete Dichtungselemente.

Die Funktionsweise des hydraulischen Arbeitszylinders ist folgende:

Bei Beginn des Arbeitshubes befinden sich die über die Kolbenstange 31 miteinander verbundenen Kolben 2 und 5 in der in der Zeichnung äußersten linken Endstellung. Der Anschluß 7 des Hilfszylinders 13 ist an einen drucklosen Sammelbehälter angeschlossen und der Anschlußkanal 9 im Zylinderkopf 6 ist geschlossen. Durch den Anschlußkanal 8 strömt Druckflüssigkeit in das Zylindergehäusc, die auf den Hauptkolbcn 5 einwirkt und ihn aufgrund seiner beiden unterschiedlich großen Stirnflächen mit relativ großer Geschwindigkeit in der Zeichnung nach rechts verschiebt. Die dabei wirksame Kraft Pi bestimmt sich nach der Beziehung

P₁

.7(1/? - rf?)

in welcher ρ der Flüssigkeitsdruck ist.

Die während des Eilgangbetriebes im Abschnitt Z. des Zylindergehäuses in dieses einströmende Flüssigkeitsmenge V;. bestimmt sich nach

Dieses Flüssigkeitsvolumen ist um so größer, je kleiner der Kolbenstangendurchmesser f/i ist.

Sobald der Hauptkolben 5 in die Ausnehmung 61 eindringt, wird der Anschlußkanal 9 durch eine — nicht dargestellte — Steuerung mit dem drucklosen Sammelbehälter verbunden und die Kolben 2 und 5 bewegen

Druckkraft weiter nach rechts in die in der Zeichnung strichpunktiert dargestellte rechte Endstellung. Die dabei wirksame Kraft Pi bestimmt sich nach der Beziehung:

P₁ = P '

- rf²)

und die Menge Vi der durch den Anschlußkanal 8 strömenden Flüssigkeit ist gleich

² -rf²)
4

Da der Durchmesser D des Hauptkolbens 5 größer als der Durchmesser dk der dickeren Kolbenstange ist, ergibt sich für EP—d\² ein größerer Wert als für d? — d\⁷, woraus folgt, daß während des Krafthubes die vom Kolben ausgeübte Druckkraft und auch die in das Zylindergehäuse eingespeiste Flüssigkeitsmenge größer als während des Eilgangbetriebes ist. Die Abmessungen des Zylinderkopfes 6 und des Zylindergehäuses 4 bestimmen das gewünschte Verhältnis zwischen dem Eilgangbclricb und dem Krafthubbelricb.

Der Rückhub des Kolbens vollzieht sich in entsprechender Weise. Zu Beginn des Rückhubes befinden sich

^r< die beiden über die Kolbenstange 31 miteinander verbundenen Kolben 2 und 5 in der in der Zeichnung äußersten rechten Endstcllung, in welcher die Rückholkammer 13 ihr kleinstes Volumen besitzt. Der Anschliißkanal 8 wird mit dem Sammelbehälter

ίο verbunden und gleichzeitig werden der Anschlußkanal 9 im Zylinderkopf 6 und der Anschluß 7 des Rückholzylinders I mit Druckflüssigkeit beaufschlagt. Im Bereich des Krafthubbeiriebes, d. h. innerhalb der zylindrischen Ausnehmung 61 im Zylinderkopf 6, bewegen sich die

ΙΊ Kolben 2 und 5 mit geringer Geschwindigkeit und entwickeln dabei eine Kraft P/, bis der llauplkolbcn 5 aus der Ausnehmung 61 im Zylinderkopf 6 austritt.

Mit dem Austritt des Hauptkolbcns 5 aus der Ausnehmung 61 wird der Anschlußkanal 9 gesperrt

in woraufhin sich die Kolben 2 und 5 mil vergleichsweise großer Geschwindigkeit bis zum I lubcndc mit der Krafl Pi weiterbewegen. Durch den Anschlußkanal 8 entweicht dabei lediglich das Volumen Vu während da« gleiche Flüssigkeitsvoliimcn unter Druck in die Rück

.'■■) holkammer im Hilfszylindcr I einströmt.

Während des gesamten Eilgangbetriebes, d. h. während der Bewegung des I lauptkolbcns 5 im Abschnitt 41 des Zylindergehäuses 4, muß beim Arbcits- ebenso wie beim Λί· :khub nur ein geringes Flüssigkeitsvolumen V/

κι zu- bzw. abgeführt werden. Erst wenn der Hauptkolbcn in die Ausnehmung 61 im Zylinderkopf 6 eindringt, entwickelt der Druckzylinder seine maximale Kraft bei verringerter Kolbengeschwindigkeit.

Das Einströmen der Druckflüssigkeit in den Hubraum

Γι bewirkt aufgrund der Querschnittsunterschiede der beiden Kolbenslangen 31 und 32 eine schnelle Verschiebung der beiden Kolben 2 und 5 und ein Entleeren der Rückholkammer, bis der Hauptkolben 5 in die entsprechende Ausnehmung 61 des Zylinderkop-

4<i fes 6 eindringt.

Im Zylindergehäuse 4 kann eine — nicht dargestellte — zweite zylindrische Ausnehmung in der Nähe des

Krafthub am Ende der Rückholbewegung des Kolbens

•Γ; zu erhalten. Auf diese Weise ergeben sich z.B. für hydromechanische Steuerungen zwei Krafthübe in einem Arbeils- bzw.Steuerzylinder.

Im Zylindergehäuse können auch mehrere aufeinanderfolgende Ausnehmungen vom Durchmesser des

in Hauptkolbens 5 vorgesehen sein, wodurch sowohl beim Arbeits- als auch beim Rückhub eine Fo'ge von schnellen Kolbenbcwegungen mit geringer Kraft und darauf folgenden langsameren Kolbenbewegungen mit hoher Kraft erreicht werden kann.

M Die Durchmesser D. d\ und di können unter Berücksichtigung der Forderung, daß di>d\ ist. beliebig gewählt werden.

Zu den zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten derartiger Arbeitszylinder zählen z. B. die Steuerung der

to beweglichen Platte von Spritzpressen für Kunststoffe und Leichtmetalle, von Stanzen, von Tiefziehpressen, sowie von solchen hydromechanischen Systemen, bei denen der Arbeitszylinder am Ende oder an vorbestimmten Abschnitten seines Gesamthubes eine größere

b5 Kraft aufbringen muß.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hydraulikzylinder für Eilgang und anschlicßenden Krafthub mit einem einen Ilaupikolben aufnehmenden Gehäuse, das für den Eilgang mindestens einen Gehäuseabschnitt von gröBerern und für den Krafihub mindestens einen Abschnitt von gleichem Innendurchmesser wie der Außendurchmesser des Hauptkolbens aufweist, mit einer die Stellbewegung nach außen übertragenden, am Hauptkolben auf der zum Gehäuseabschnitt mit dem kleineren Innendurchmesser weisenden Kolbenstirnseite miitig befestigten ersten Kolbenstange, mit einem am Gehäuse auf der dem Austritt der ersten Kolbenstange gegenüberliegenden Seite mittig angeordneten Hilfszytinder. dessen Kolbenstange auf den Hauptkolben einwirkt, mit je einem Druckmittelanschluß für den Kraflhubgchäuscabschnitt, für dci erweiterten Eiiganggehäuseabschnitt und für den iiilfszylinderarbeitsraum und mit einer hydraulischen Rückstelleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (3t) des Hilfszylinders (1), die einen kleineren Durchmesser (di) als die erste Kolbenstange (32) aufweist, am Hauptkolben (5) befestigt ist und der Hilfs/.ylindcr (1) der Rückstellung dient.

2. Hydraulikzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Rückstellkolbens (2) gleich dem Durchmesser (di) der ersten Kolbenstange (32) ist.