DE19639548C2 - Fluidbetätigter Arbeitszylinder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen fluidbetätigten Arbeitszylinder, mit einer stirnseitig angeordneten Kolbenstangen-Führungs­ einrichtung, die von einem einen Mehreckquerschnitt aufwei­ senden Führungsabschnitt der Kolbenstange durchsetzt ist und die über einen Grundkörper verfügt, an dem seitlich neben der Kolbenstange eine an dieser ablaufende Führungsrollenanord­ nung drehgelagert ist, die sowohl eine Querabstützung als auch eine Verdrehsicherung der Kolbenstange bewirkt.

Ein Arbeitszylinder dieser Art geht aus der DE 295 07 688 U1 hervor. Er verfügt dort über eine kreisförmige Kolbenstange, die unter Bildung eines Zweieckquerschnittes abgeflacht ist. Zur Querabstützung trägt maßgeblich eine Kugelbüchse bei, die mit dem kreiszylindrischen Kolbenstangenabschnitt zusammenar­ beitet. Eine zusätzlich vorgesehene Führungsrollenanordnung umfasst eine an dem Grundkörper drehgelagerte Führungsrolle, die gegen den Flachabschnitt der Kolbenstange arbeitet. Außer einer Querabstützung bewirkt diese Führungsrolle auch eine Verdrehsicherung der Kolbenstange.

Bedingt durch die unterschiedlichen Lagerungskonzepte für die Kolbenstange ist die Herstellung des bekannten Arbeitszylinders relativ teuer. Auch sind die von der Kolbenstange auf­ nehmbaren Drehmomente nicht sehr hoch und es bereitet ferner Probleme, die Kugelbüchse einerseits und die Führungsrolle andererseits so zu justieren, dass die Kolbenstange zum einen spielfrei geführt ist, zum anderen aber auch keinen Verspan­ nungen unterliegt. Letzteres würde zu einem raschen Ver­ schleiß der einzelnen Führungselemente und auch der Kolben­ stange selbst führen, was neben den Einbußen in der Führungs­ qualität auch Abdichtungsprobleme im Bereich der Kolbenstan­ gendurchführung des Zylindergehäuses nach sich ziehen könnte.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen fluidbetätigten Arbeitszylinder der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei guter Querabstützung der Kolbenstange auch bei größerer Drehmomentbelastung eine zuverlässige Verdrehsi­ cherung der Kolbenstange und einen verschleißarmen Betrieb ermöglicht.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Ober­ begriffes des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass zumin­ dest der Führungsabschnitt der Kolbenstange eine prismatische Formgebung aufweist, wobei zwei sich bezüglich der Längsachse der Kolbenstange diametral gegenüberliegende Prisma-Seiten­ kanten Führungsbereiche definieren, die mit der Führungsrol­ lenanordnung zusammenarbeiten, indem jeder dieser Prisma- Seitenkanten mindestens eine Führungsrolle zugeordnet ist, die eine umlaufende Führungsnut aufweist, in die die betref­ fende Prisma-Seitenkante eintaucht, so dass die seitlich beidseits an eine jeweilige Prisma-Seitenkante anschließenden, im Querschnitt gesehen winkelig zueinander verlaufenden Flächenabschnitte des Prismas unter Bildung von Führungsflä­ chen von den Nutflanken der zugeordneten Führungsnut abge­ stützt sind, und dass die Führungsflächen der einen Prisma- Seitenkante mit zwei beabstandeten Führungsrollen zusammenar­ beiten, während der anderen Prisma-Seitenkante lediglich eine Führungsrolle zugeordnet ist, die in dem axialen Bereich zwi­ schen den beiden anderen Führungsrollen sitzt.

Auf diese Weise wird die Kolbenstange durch die gegen einan­ der diametral entgegengesetzte Seitenbereiche des prismati­ schen Führungsabschnittes arbeitenden Führungsrollen zuver­ lässig gegen Querkräfte abgestützt. Da auch eine Abstützung in der Umfangsrichtung der Kolbenstange stattfindet, wird zugleich eine für hohe Drehmomentbelastungen ausgelegte Ver­ drehsicherung erzielt. Selbst wenn die gesamte Kolbenstange mit einer prismatischen Formgebung ausgestattet ist, lässt sich der Durchdringungsbereich zwischen der Kolbenstange und dem zugeordneten Lagerdeckel des Zylindergehäuses mit einem entsprechend geformten Dichtungsring problemlos abdichten. Durch die besondere Anordnung der Führungsrollen ergibt sich ferner praktisch eine Dreipunktlagerung für die Kolbenstange, woraus der weitere Vorteil resultiert, dass sich sehr einfach eine statisch bestimmte Lagerung erzielen lässt, die eine ex­ akte Führung ohne Hervorrufen von verschleißfördernden Ver­ spannungen garantiert.

Aus der DE 38 20 333 A1 ist es bereits bekannt, die Kolben­ stange eines Schwingungsdämpfers mittels Führungsrollen zu lagern. Die Kolbenstange hat allerdings einen kreisförmigen Querschnitt, und eine Verdrehsicherung wird nicht bewirkt.

Bei einem aus der EP 0 346 716 B1 bekannten Arbeitszylinder erfolgt die Querabstützung und Verdrehsicherung der Kolben­ stange mittels gehäuseseitig abgestützten Lagerkugeln, die in Längsnuten der Kolbenstange ablaufen. Die daraus resultieren­ de besondere Querschnittsform der Kolbenstange erschwert je­ doch die Abdichtung gegen Fluidaustritt aus dem Arbeitszylin­ der.

Die DE 34 23 390 A1 offenbart ein Linearsystem, bei dem schlittenartige Einrichtungen mit prismatisch konturierten Führungsrollen an Führungstangen entlang laufen, die einen prismatischen Querschnitt haben. Die Führungsrollen liegen sich hier jedoch stets paarweise gegenüber und beaufschlagen die Führungsstange im gleichen Längenbereich. Entsprechendes gilt für die in der DE 44 05 413 A1 beschriebene Linearfüh­ rung.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen aufgeführt.

Die Führungsrollen sind zweckmäßigerweise als Wälzlagerein­ richtungen ausgeführt, so dass im Lagerbereich auch bei hoher Querkraftbeaufschlagung eine reibungsarme und leichtgängige Abstützung erfolgt.

Die Führungsrollen können ohne weiteres mehrteilig ausgeführt sein und jeweils wenigstens zwei unabhängig voneinander dreh­ bare Rolleneinheiten aufweisen, die jeweils gegen eine der beiden Führungsflächen einer jeweiligen Prisma-Seitenkante arbeiten. Die Drehachsen der Rolleneinheiten einer jeweiligen Führungsrolle fallen zweckmäßigerweise zusammen, so dass eine Lagerung auf einer gemeinsamen Lagerachse möglich ist.

Als bevorzugte Querschnittsgestaltung des Führungsabschnittes wird eine quadratische Formgebung angesehen.

Insbesondere zu Zwecken der Gewichtseinsparung kann die Kol­ benstange wenigstens im Bereich des Führungsabschnittes hohl ausgebildet sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeich­ nung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Bauform des fluidbetätigten Arbeitszylinders in schematischer Darstellung gemäß Schnittlinie I-I aus Fig. 2 und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Arbeitszylinder aus Fig. 1 gemäß Schnittlinie II-II aus Fig. 1, wobei auch die von der Schnittlinie durchsetzte Führungs­ rolle ungeschnitten dargestellt ist.

Der beispielsgemäße Arbeitszylinder 1 verfügt über ein Gehäu­ se 2 mit einem Zylinderrohr 3 und dieses stirnseitig verschließenden Deckeln, einen Lagerdeckel 4 und einen Abschluß­ deckel 4'.

Im Innern des Zylinderrohres 3 ist ein Kolben 5 in an sich bekannter Weise axial beweglich gelagert. Er trennt zwei Arbeitsräume 6, 6' dicht voneinander ab. In jeden Arbeits­ raum 6, 6' mündet ein im zugeordneten Deckel 4, 4' ver­ laufender Fluidkanal 7, 7', über den in an sich bekannter Weise das Betätigungsfluid, hier Druckluft, zu- und abge­ führt werden kann, um den Kolben 5 zu einer Verschiebe­ bewegung in Längsrichtung zu veranlassen.

An dem Kolben 5 ist eine Kolbenstange 8 festgelegt, die sich in Längsrichtung des Gehäuses 2 erstreckt. Ihre Längsachse ist bei 12 strichpunktiert angedeutet. Sie durchsetzt den Lagerdeckel 4 in axialer Richtung, wobei an dem außerhalb des Gehäuses 2 befindlichen Kolbenstangen­ abschnitt ein beliebiger, zu verlagernder Gegenstand an­ gebracht werden kann. Die Kolbenstange 8 verfügt zu diesem Zweck an ihrem dem Kolben 5 entgegengesetzten axialen Ende über eine geeignete Befestigungspartie 11.

Der Kolben 5 trägt an seiner der Kolbenstange 8 entgegen­ gesetzten Seite einen Pufferkolben 13, der zur fluidischen Endlagendämpfung mit dem Abschlußdeckel 4' zusammen­ arbeiten kann. Es wäre denkbar, eine durchgehende Kolben­ stange vorzusehen, die auch den Abschlußdeckel 4' durch­ setzt.

Der von der Kolbenstange 8 durchsetzten Stirnseite des Gehäuses 2 ist eine Kolbenstangen-Führungseinrichtung 14 zugeordnet. Sie wird von einem Längenabschnitt der Kolben­ stange 8 durchsetzt, der als Führungsabschnitt 15 bezeich­ net sei.

Durch die Kolbenstangen-Führungseinrichtung 14 wird die Kolbenstange 8 in ihrer Axialbewegung, die sie entspre­ chend der Beaufschlagung des Kolbens 5 ausübt, geführt und seitlich abgestützt. Gleichzeitig erfolgt eine Verdreh­ sicherung der Kolbenstange 8, die somit an einer Dreh­ bewegung um ihre Längsachse 12 bezüglich des Gehäuses 2 gehindert ist. Auf diese Weise lassen sich mit dem Arbeitszylinder Positionieraufgaben sehr präzise bewälti­ gen, selbst wenn die Kolbenstange 8 einer hohen Quer­ belastung und/oder großen Drehmomenten ausgesetzt sein sollte.

Die Kolbenstangen-Führungseinrichtung 14 umfaßt eine all­ gemein mit 16 bezeichnete Führungsrollenanordnung, die an einem mit dem Gehäuse 2 fest verbundenen Grundkörper 17 drehgelagert ist. Der Grundkörper 17 ist axial an das Zylinderrohr 3 oder das Gehäuse 2 angesetzt, wobei er beim Ausführungsbeispiel über eine stirnseitige Abschlußwand 18 verfügt, die gleichzeitig den Lagerdeckel 4 bildet.

Der Grundkörper 17 des Ausführungsbeispiels ist nach Art eines Gehäuses ausgeführt, das die Führungsrollenanordnung 16 aufnimmt und zweckmäßigerweise vor Verunreinigungen schützt.

Wenigstens der Führungsabschnitt 15, bevorzugt jedoch die Kolbenstange 8 insgesamt, weist eine prismatische Formgebung auf. Bevorzugt wird die aus Fig. 2 besonders gut ersichtli­ che Querschnittsform eines regelmäßigen Prismas mit quadrati­ scher Außenkontur.

Das den Führungsabschnitt 15 bildende Prisma verfügt über mehrere parallel zur Längsachse 12 verlaufende Prisma- Seitenkanten. Wenigstens zwei dieser Prisma-Seitenkanten 22, 22' liegen sich bezüglich der Längsachse 12 der Kolbenstange 8 diametral, also quer zur Längsachse 12, gegenüber. Sie lau­ fen in einer gemeinsamen, in Fig. 2 näher gekennzeichneten Führungsebene 23, die sich axial und radial ausdehnt.

Jeder der beiden erwähnten Prisma-Seitenkanten 22, 22' ist wenigstens eine Führungsrolle 36; 24', 25' zugeordnet. Diese sind an dem Grundkörper 17 mit rechtwinkelig zu der Führungs­ ebene 23 verlaufenden Drehachsen 26 drehbar gelagert. Die Führungsrollen 36; 24', 25' sitzen seitlich neben dem Füh­ rungsabschnitt 15 und sind zweckmäßigerweise in einer gemeinsamen Gehäusekammer 27 des Grundkörpers 17 angeordnet, die auch von dem Führungsabschnitt 15 durchsetzt wird. Dabei wird der Führungsabschnitt 15 im Bereich der beiden erwähnten Prisma-Seitenkanten 22, 22' durch die Führungsrollen 36; 24', 25' von entgegengesetzten Seiten her radial beaufschlagt.

Jede Führungsrolle 36; 24', 25' verfügt im Bereich des Außen­ umfanges über eine nach radial außen hin offene umlaufende Führungsnut 28. Diese verläuft in der gemeinsamen Führungs­ ebene 23 mit den Prisma-Seitenkanten 22, 22'. Jede Prisma- Seitenkante 22, 22' taucht in die Führungsnut 28 der zugeord­ neten Führungsrolle 36; 24', 25' ein.

Im Bereich der Prisma-Seitenkanten 22, 22' laufen jeweils zwei ebene Prisma-Seitenflächen zweckmäßigerweise unter einem spitzen Winkel zusammen. Die sich dabei jeweils unmittelbar an eine jeweilige Prisma-Seitenkante 22, 22' anschließenden Flächenabschnitte dieser Prisma-Seitenflächen 33, 34; 33', 34' stellen winkelig zueinander verlaufende Führungsflächen 35 dar, mit denen die Führungsrollen 36; 24', 25' mit den komplementär geformten Nutflanken 32 ihrer Führungsnuten 28 zusammenarbeiten. Auf diese Weise erfolgt eine Querabstützung und gleichzeitig durch den radialen Eingriff der Führungsflä­ chen 35 in die betreffende Führungsnut 28 eine Verdrehsiche­ rung der Kolbenstange 8. Die Flächennormalen auf die Füh­ rungsflächen 35 treffen die Längsachse 12 nicht, so dass bei einer Drehmomentbeaufschlagung der Kolbenstange 8 die ent­ sprechend ausgerichteten Führungsflächen 35 gegen die zuge­ ordnete Nutflanke 32 gedrückt und durch diese abgestützt wer­ den.

Es ist sinnvoll, wenigstens einer Prisma-Seitenkante 22' mindestens zwei und vorzugsweise, wie abgebildet, genau zwei Führungsrollen 24', 25' zuzuordnen. Diese sind in Längsrichtung der Kolbenstange 8 mit Abstand zueinander angeordnet. Die dadurch erzielte Querabstützung der Kolben­ stange 8 verhindert in besonderem Maße ein Verbiegen der Kolbenstange 8. Die Kolbenstangen-Führungseinrichtung 14 ist dabei zweckmäßigerweise so ausgerichtet, dass die an der Kolbenstange 8 angreifenden Querkräfte im wesentlichen in der Führungsebene 23 zu der von wenigstens zwei Führungsrol­ len 24', 25' beaufschlagten Prisma-Seitenkante 22' hin ge­ richtet sind.

Der entgegengesetzten Prisma-Seitenkante 22 ist lediglich eine Führungsrolle 36 zugeordnet, die in Fig. 1 lediglich strichpunktiert angedeutet ist. Sie beaufschlagt den Füh­ rungsabschnitt 15 in dem axialen Zwischenbereich, der sich zwischen den beiden der anderen Prisma-Seitenkante 22' zuge­ ordneten Führungsrollen 24', 25' erstreckt. Die Anordnung der einzigen Führungsrolle 36 erfolgt hierbei zweckmäßigerweise mittig in dem entsprechenden Zwischenbereich.

Zugunsten einer geringen Reibung bei gleichwohl hoher Belast­ barkeit sind die Führungsrollen 36; 24', 25' beim Ausfüh­ rungsbeispiel als Wälzlagereinrichtungen ausgebildet. Sie um­ fassen jeweils eine am Grundkörper 17 festgelegte Lagerachse 37 mit zwei unabhängig voneinander drehbar angeordneten ko­ axialen Rolleneinheiten 38.

Jede Rolleneinheit 38 besitzt einen äußeren Führungsring 41, der über eine lediglich schematisch angedeutete kranzförmige Wälzelementenanordnung 42 an der Lagerachse 37 drehgelagert ist. Als Wälzelemente kommen insbesondere Kugeln oder Rollen bzw. Nadeln in Betracht. Bevorzugt liegt eine kombinierte Ra­ dial- und Axiallagerung vor, um allen auftretenden Kräften Rechnung tragen zu können.

Die erwähnte Führungsnut 28 befindet sich jeweils im Zwi­ schenbereich zwischen den beiden Rolleinheiten 38 einer je­ weiligen Führungsrolle 36. Unter dem Begriff "Führungsnut" wird allgemein eine umlaufende, zur Führung dienende Vertie­ fung verstanden, unabhängig davon, auf welche Weise sie her­ gestellt oder vorgegeben wird.

Es empfiehlt sich, Justiermöglichkeiten vorzusehen, um die Lage bzw. Ausrichtung der Führungsrollen 36; 24', 25' oder der gegebenenfalls vorhandenen Rolleneinheiten 38 an die gegebene Kontur des Führungsabschnittes 15 anpassen zu können und insbesondere eine bedarfsgemäße Spieleinstellung durch­ führen zu können.

Die Kolbenstange 8 des Ausführungsbeispiels besteht aus Voll­ material. Es ist allerdings auch möglich, eine hohle Kolben­ stange zu verwenden, deren Innenkontur entsprechend der Au­ ßenkontur zweckmäßigerweise ebenfalls prismatisch ist. Eine entsprechende Weiterbildung ist in Fig. 2 strichpunktiert bei 43 angedeutet.

Der Arbeitszylinder 1 des Ausführungsbeispiels ist ein sogenannter doppeltwirkender Zylinder. Daher steht der an den Lagerdeckel 4 angrenzende Arbeitsraum 6 im Betrieb unter Fluidbeaufschlagung. Um einen Fluidaustritt durch die von der Kolbenstange 8 durchsetzte Durchbrechung 44 des Lagerdeckels 4 zu vermeiden, ist an diesem Lagerdeckel 4 ein zweckmäßigerweise als Lippendichtring bzw. soge­ nannter Nutring gestalteter Dichtungsring 45 festgelegt, der die Kolbenstange 8 unter Dichtkontakt umschließt. Seine Außenkontur ist zweckmäßigerweise kreisförmig. Im Bereich der an der Kolbenstange 8 anliegenden Dichtpartie 46 hat er zweckmäßigerweise einen der Außenkontur der prismatischen Kolbenstange 8 entsprechenden Umfangs­ verlauf.

Der Grundkörper 17 des Ausführungsbeispiels verfügt über ein die Gehäusekammer 27 enthaltendes Mittelteil 47, das an beiden Enden durch Abschlußwände 18, 18' verschlossen ist. Die dem Kolben 5 zugewandte Abschlußwand 18 bildet gleichzeitig den Lagerdeckel 4. An der ebenfalls von der Kolbenstange 8 durchsetzten, der Befestigungspartie 11 zugewandten anderen Abschlußwand 18' kann bei Bedarf ebenfalls eine Dichtungseinrichtung 49 vorgesehen sein, die die Kolbenstange 8 dicht umschließt und ein Eindringen von Verunreinigungen in die die Führungsrollen 24, 25, 24', 25' aufnehmende Gehäusekammer 27 verhindert.

Der Grundkörper 17 eignet sich auf Grund seiner Stabilität zur Befestigung des Arbeitszylinders an einer beliebigen Tragstruktur. Daher sind an dem Grundkörper 17 zweck­ mäßigerweise geeignete Befestigungsmittel 48 vorgesehen, beispielsweise Löcher, die das Hindurchführen von Befesti­ gungsschrauben ermöglichen.

Claims (8)

1. Fluidbetätigter Arbeitszylinder, mit einer stirn­ seitig angeordneten Kolbenstangen-Führungseinrichtung (14), die von einem einen Mehreckquerschnitt aufweisenden Führungs­ abschnitt (15) der Kolbenstange (8) durchsetzt ist und die über einen Grundkörper (17) verfügt, an dem seitlich neben der Kolbenstange (8) eine an dieser ablaufende Führungsrol­ lenanordnung (16) drehgelagert ist, die sowohl eine Querab­ stützung als auch eine Verdrehsicherung der Kolbenstange (8) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Führungs­ abschnitt (15) der Kolbenstange (8) eine prismatische Formge­ bung aufweist, wobei zwei sich bezüglich der Längsachse der Kolbenstange (8) diametral gegenüberliegende Prisma-Seiten­ kanten (22, 22') Führungsbereiche definieren, die mit der Führungsrollenanordnung (16) zusammenarbeiten, indem jeder dieser Prisma-Seitenkanten (22, 22') mindestens eine Füh­ rungsrolle (24, 25, 24', 25', 36) zugeordnet ist, die eine umlaufende Führungsnut (28) aufweist, in die die betreffende Prisma-Seitenkante (22, 22') eintaucht, so daß die seitlich beidseits an eine jeweilige Prisma-Seitenkante (22, 22') an­ schließenden, im Querschnitt gesehen winkelig zueinander ver­ laufenden Flächenabschnitte des Prismas unter Bildung von Führungsflächen (35) von den Nutflanken (32) der zugeordneten Führungsnut (28) abgestützt sind, und daß die Führungsflächen (35) der einen Prisma-Seitenkante (22') mit zwei beabstande­ ten Führungsrollen (24', 25') zusammenarbeiten, während der anderen Prisma-Seitenkante (22) lediglich eine Führungsrolle (36) zugeordnet ist, die in dem axialen Bereich zwischen den beiden anderen Führungsrollen (24', 25') sitzt.

2. Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Führungsrollen (24, 25, 24', 25') von Wälz­ lagereinrichtungen gebildet sind.

3. Arbeitszylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens eine Führungsrolle (24, 25, 24', 25') zwei unabhängig voneinander drehbare Rolleneinheiten (38) aufweist, die zwischen sich die zugeordnete Führungsnut (28) definieren.

4. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Führungsabschnitt (15) der Kolbenstange (8) im Querschnitt eine quadratische Außenkontur aufweist.

5. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (8) wenigstens im Bereich des Führungsabschnittes (15) hohl ausgebildet ist.

6. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (17) der Kolbenstangen-Führungseinrichtung (14) als Gehäuse ausgeführt ist, das die Führungsrollenanordnung (16) enthält.

7. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstangen-Führungsein­ richtung (14) am Lagerdeckel (4) des Zylindergehäuses (2) festgelegt ist.

8. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er als doppeltwirkender Arbeits­ zylinder ausgebildet ist.