DE19736141A1

DE19736141A1 - Knickstabiler Hydraulikzylinder

Info

Publication number: DE19736141A1
Application number: DE1997136141
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Mayer
Original assignee: HYDRAULIK LIFTSYSTEME WALTER M
Current assignee: HYDRAULIK LIFTSYSTEME WALTER M
Priority date: 1997-08-20
Filing date: 1997-08-20
Publication date: 1999-03-04

Description

Die Erfindung betrifft einen knickstabilen Hydraulikzylinder.

Hydraulikzylinder als Elemente hydraulischer Systeme, welche hydraulische Energie in mechanische Arbeit mit meist geradliniger Bewegung umsetzen, be stehen in der Regel aus einem Zylinderrohr, in welchem ein Kolben mit einer Kolbenstange axial verschiebbar geführt ist und durch Druckbeaufschlagung des Kolbenbodens im Zylinderrohr bewegt wird. Für unterschiedliche Anwendun gen gibt es verschiedene, speziell angepaßte Hydraulikzylinder, wie beispiels weise einfachwirkende und doppeltwirkende Hydraulikzylinder. Zur Erzielung großer Hubbewegungen werden Teleskop-Hubzylinder verwendet, wie sie bei spielsweise in der Patentschrift DE 27 54 016 C3 der Anmelderin beschrieben sind.

Der Betriebsdruck von ölhydraulischen Systemen liegt üblicherweise bei 50 bar und darüber, um die Druckverluste in Leitungen und Ventilen gering und somit den Wirkungsgrad der Anlage hoch zu halten. Hieraus ergibt sich, daß ein Hy draulikzylinder, welcher nur geringe Kräfte ausüben soll, nur eine kleine wirksa me Kolbenfläche aufweisen darf, die mit dem Betriebsdruck des ölhydraulischen Systems beaufschlagt wird.

Soll ein Hydraulikzylinder für Spezialanwendungen so stabil ausgebildet wer den, daß er genügend Widerstand gegen Knickungen des Zylinderrohrs oder der Kolbenstange bietet, und soll er gleichzeitig, bei hohem Wirkungsgrad der Anla ge, nur geringe Kräfte ausüben, so ergibt sich ein bislang ungelöstes Problem aufgrund der physikalischen Zusammenhänge: Entweder muß der Betriebsdruck im ölhydraulischen System erniedrigt werden, was einen schlechten Wirkungs grad zur Folge hat, oder der Hydraulikzylinder muß, um die Fläche des Kolbens klein zu halten, sehr dünn gebaut werden, wodurch dann Knickungen zu be fürchten wären, oder aber die Arbeitsleistung des Hydraulikzylinders wird zu hoch.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Hydraulikzylinder zu schaffen, der knickstabil ist und gleichzeitig, bei vorteilhaft hohem Betriebsdruck des hydraulischen Systems, dennoch nur geringe Hubkräfte bewirkt.

Diese Aufgabe ist gelöst durch einen knickstabilen Hydraulikzylinder mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 6.

Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 7.

Der erfindungsgemäße Hydraulikzylinder besteht im wesentlichen aus einem Zylinderrohr, in dem ein axial verschiebbares Kolbenrohr geführt ist. In diesem Kolbenrohr ist ein fest mit dem Zylinderrohr verbundener Trennkolben angeord net, wobei das Kolbenrohr auch gegenüber dem Trennkolben axial verschiebbar ist.

Die beim Vorwärtshub wirksame Kolbenfläche des Kolbenrohrs wird durch die Fläche des Trennkolbens reduziert. Die wirksame Fläche kann daher auch bei einem Kolbenrohr mit großem Durchmesser sehr klein gehalten werden. Hier durch wird eine hohe Knickfestigkeit des Kolbenrohrs und des Zylinderrohrs mit der Möglichkeit vereint, eine Hubbewegung mit kleinen Kräften bei vorteilhaft hohem Öldruck zu bewirken. Insbesondere können große Hubbewegungen mit einem kleinen Ölvolumen bei hohem Öldruck bewirkt werden, was die Energie verluste gering hält.

Der erfindungsgemäße Hydraulikzylinder kann einfachwirkend oder doppelt wirkend ausgebildet sein.

Im letzteren Fall ergeben sich Vorteile, wenn eine Differentialschaltung vorgese hen ist, welche bewirkt, daß der stangenseitige Verdrängungsraum des Zylinder rohrs beim Vorwärtshub, also beim Ausschieben des Kolbenrohrs aus dem Zylin derrohr, mit dem bodenseitigen Verdrängungsraum kurzgeschlossen ist. Hier durch wird die wirksame Fläche des Kolbenrohrs beim Vorwärtshub nochmals reduziert, und zwar um die wirksame Fläche des Kolbenrohrs beim Rückwärts hub.

Für viele Anwendungen ist es dabei zweckmäßig, wenn die wirksame Fläche des Kolbenrohrs beim Vorwärtshub etwa gleich der wirksamen Fläche des Kolben rohrs beim Rückwärtshub ist.

Der Trennkolben ist vorzugsweise so angeordnet, daß zwischen ihm und dem Zylinderrohr ein Ringraum gebildet wird, in welchen das Kolbenrohr flüssig keitsdicht geführt ist.

Weitere Besonderheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich bei spielhaft aus den beigefügten Zeichnungen, die im folgenden beschrieben wer den. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hy draulikzylinders in einfachwirkender Ausführung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hy draulikzylinders in doppeltwirkender Ausführung;

Fig. 3 eine Schemazeichnung eines Anwendungsbeispiels für die Erfindung, mit Schaltbild des hydraulischen Systems.

Der in Fig. 1 dargestellte, einfachwirkende Hydraulikzylinder besteht aus ei nem Zylinderrohr 1, einem in diesem axial verschiebbar sitzenden Kolbenrohr 2 sowie einem, in einem zylindrischen Hohlraum des Kolbenrohrs 2 sitzenden Trennkolben 3, welcher mit einer Stange 4 am Zylinderrohr 1 befestigt ist. Eine ringsumlaufende Kolbenrohrdichtung 5 und eine Trennkolbendichtung 6 ge währleisten, daß das Kolbenrohr 2 in dem durch das Zylinderrohr 1 und den Trennkolben 3 gebildeten Ringraum flüssigkeitsdicht auf- und abbewegt werden kann.

Das Zylinderrohr 1 verfügt über einen Zulauf 7, um für eine Hubbewegung des Kolbenrohrs 2 Hydrauliköl in das Zylinderrohr 1 fördern zu können. Eine Entlüf tung 8 des Hohlraums des Kolbenrohrs 2 sorgt dafür, daß das Kolbenrohr 2 hin sichtlich des Trennkolbens 3 quasi kräftefrei bewegt werden kann.

Die rechts neben den Hydraulikzylinder gezeichneten Flächen A₁, A₂ und A₃ verdeutlichen die erfindungsgemäße Reduzierung der wirksamen Kolbenfläche durch den Einsatz des Trennkolbens 3:

Die Fläche A₁, deren Durchmesser d_K gleichzeitig der Außendurchmesser d_K des Kolbenrohrs 2 ist, wäre gleich der wirksamen Fläche beim Hub des Kolben rohrs 2, wenn kein Trennkolben 3 vorgesehen wäre bzw. wenn das Kolbenrohr 2 einen geschlossenen Kolbenboden hätte.

Die Fläche A₂, deren Durchmesser dem Durchmesser d_T des Trennkolbens 3 bzw. dem Innendurchmessers des Kolbenrohrs 2 entspricht, ist die Fläche, um welche die Fläche A₁ aufgrund des am Zylinderrohr 1 befestigten Trennkolbens 3 reduziert wird.

Somit ist die Fläche A₃ mit ihrem Außendurchmesser d_K und ihrem Innendurch messer d_T. die bei der Hubbewegung des Kolbenrohrs 2 hydraulisch wirksame Fläche, und es gilt die Beziehung: A₃ = A₁ - A₂.

Wie anhand der Fig. 1 erkennbar ist, ist das Kolbenrohr 2 mit seinem ver gleichsweise großen Durchmesser d_K sehr knickstabil, wobei die Hubbewegung dennoch mit vergleichsweise kleinen Hydraulikölmengen bzw. kleinen Kräften bei vergleichsweise hohem Öldruck bewirkt werden kann.

Der in Fig. 2 dargestellte, doppeltwirkende Hydraulikzylinder besteht wiede rum aus einem Zylinderrohr 1, einem Kolbenrohr 2, einem mittels einer Stange 4 mit dem Zylinderrohr 1 verbundenen Trennkolben 3 sowie einer Kolbenrohr dichtung 5 und einer Trennkolbendichtung 6. Neben dem Zulauf 7 für die AUF- Bewegung des Kolbenrohrs 2 ist hier ein weiterer Zulauf 9 für die AB-Bewegung des Kolbenrohrs 2 vorgesehen. Das Kolbenrohr 2 ist so ausgebildet, daß es den Innenraum des Zylinderrohrs 1 mit Hilfe einer Kolbendichtung 10 in einen bo denseitigen Verdrängungsraum 11 und einen stangenseitigen Verdrängungs raum 12 aufteilt.

Der Vorwärtshub des Kolbenrohrs 2 wird durch Einleiten von Hydrauliköl in den bodenseitigen Verdrängungsraum über den Zulauf (AUF) 7 bewirkt, wäh rend der Rückwärtshub durch Einleiten von Hydrauliköl in den stangenseitigen Verdrängungsraum 12 über den Zulauf (AB) 9 bewirkt wird.

Die Flächen A₁, A₂, A₃ und A₄ verdeutlichen wiederum die bei der Hubbewe gung des Kolbenrohrs 2 wirksamen Flächen:

Die Fläche A₁ mit ihrem Durchmesser d_z, welcher der Innendurchmesser d_Z des Zylinderrohrs ist, würde der wirksamen Fläche beim Vorwärtshub des Kolben rohrs 2 entsprechen, wenn der Trennkolben 3 nicht vorhanden bzw. das Kolben rohr 2 mit einem durchgehenden Kolbenboden versehen wäre. Um die wegen des Trennkolbens 3 tatsächlich wirksame Fläche beim Vorwärtshub des Kolben rohrs 2 zu erhalten, muß die Fläche A₂, deren Durchmesser d_T dem Innendurch messer des Kolbenrohrs 2 entspricht, von der Fläche A₁ subtrahiert werden.

Die Fläche A₄, deren Innendurchmesser der Durchmesser d_K des Kolbenrohrs 2 und deren Außendurchmesser der Innendurchmesser dz des Zylinderrohrs 1 ist, entspricht der beim Rückwärtshub des Kolbenrohrs 2 wirksamen, von dem durch den Zulauf (AB) 9 in den stangenseitigen Verdrängungsraum 12 geleiteten Hy drauliköl druckbeaufschlagten Fläche.

Der in Fig. 2 dargestellte Hydraulikzylinder wird über eine (nicht dargestellte) Differentialschaltung betrieben, was bedeutet, daß beim Vorwärtshub des Kol benrohrs 2 der Zulauf 9 mit dem Zulauf 7 kurzgeschlossen wird. Die beim Rück wärtshub des Kolbenrohrs 2 wirksame Fläche A₄ muß daher ebenfalls von der Fläche A₁ abgezogen werden, um die tatsächlich wirksame Fläche beim Vor wärtshub zu erhalten. Diese tatsächlich wirksame Fläche entspricht der Fläche A₃, deren Innendurchmesser der Durchmesser d_T des Trennkolbens 3 und deren Außendurchmesser der Durchmesser d_K des Kolbenrohrs 2 ist. Es gilt die Bezie hung: A₁ = A₂ + A₃ + A₄.

Außerdem ist die Dimensionierung des in Fig. 2 dargestellten Hydraulikzylin ders vorteilhaft so gewählt, daß die Fläche A₃ (die wirksame Fläche beim Vor wärtshub) etwa gleich der Fläche A₄ (der wirksamen Fläche beim Rückwärts hub) ist.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Hydraulikzy linders: Dieser wird hier zum Anheben und Absenken einer Aufzugkabine 13 verwendet, welche zusammen mit einem Gegengewicht 14 mittels Umlenkrollen 15 vom Kolbenrohr 2 bewegt wird. Das bei Treibscheibenaufzügen mit elektri schem Antrieb an sich bekannte Gegengewichtsprinzip macht hier einen doppelt wirkenden Hydraulikzylinder erforderlich. Die vom Hydraulikzylinder aufzu bringenden Kräfte sind relativ gering; gleichzeitig muß das Kolbenrohr 2 jedoch sehr knickstabil ausgebildet sein. Die Verwendung eines Hydraulikzylinders nach der Erfindung macht es hierbei gleichwohl möglich, mit hohen Öldrücken zu arbeiten, woraus ein hoher Wirkungsgrad der Aufzugsanlage resultiert.

Die zum Betreiben des dargestellten hydraulischen Gegengewichtsaufzugs vor gesehene Schaltung funktioniert folgendermaßen:

Eine Pumpe 16 fördert Hydrauliköl über ein Stromregelventil 17 und ein Rück schlagventil 18 zu einem 4/3-Wegeventil 19 und einem 3/2-Wegeventil 20. Für die Aufwärtsfahrt der Aufzugkabine 13 stehen die Ventile 19 und 20 in Stellung "1". Hierdurch gelangt das von der Pumpe 16 geförderte Öl über ein Rückschlag ventil 21 zum kolbenseitigen Verdrängungsraum 11 des Zylinderrohrs 1. Gleich zeitig wird über das 4/3-Wegeventil 19 ein ablaufdruckkompensiertes Bremsven til 22 angesteuert, welches den Durchlaufwiderstand für das aus dem stangensei tigen Verdrängungsraum 12 über ein Rohrleitungsbruchventil 23 abfließende Öl vergrößert, wenn der Druck im bodenseitigen Verdrängungsraum 11 abzufallen droht. Ein Druckabfall im bodenseitigen Verdrängungsraum 11 ist dann zu be fürchten, wenn die Aufzugkabine 13 nur teilweise belastet ist und diese Last vom Gegengewicht 14 überkompensiert wird: Der Hydraulikzylinder würde dann enteilen, wenn der Abfluß aus dem stangenseitigen Verdrängungsraum 12 völlig freigegeben wäre.

Das aus dem stangenseitigen Verdrängungsraum 12 bei der Aufwärtsfahrt abflie ßende Öl wird über ein Rückschlagventil 24 dem zum bodenseitigen Verdrän gungsraum 11 hin fließenden Pumpenstrom zugeführt, so daß der Hydraulikzy linder für die Aufwärtsfahrt mit einer Differentialschaltung betrieben wird. Die bei der Aufwärtsfahrt wirkende Fläche des Kolbenrohrs 2 reduziert sich daher um die bei der Abwärtsfahrt wirkenden Fläche.

Das Bremsventil 22 ist derart ausgebildet, daß seine Drosselwirkung proportional zu dem über das Ventil 19 anliegenden Pumpendruck ist. Hierdurch ergibt sich eine sehr vorteilhafte, lastunabhängige Regelung der Aufwärtsfahrt auch bei ei ner Überkompensierung der Gewichtskraft der Aufzugkabine 13 durch das Ge gengewicht 14.

Für die Abwärtsfahrt der Aufzugkabine 13 werden das 4/3-Wegeventil 19 und das 3/2-Wegeventil 20 auf Stellung "2" geschaltet, wodurch die Pumpe 16 über ein Rückschlagventil 25 Öl in den stangenseitigen Verdrängungsraum 12 des Zy linderrohrs 1 fördert.

Das aus dem bodenseitigen Verdrängungsraum 11 abfließende Öl wird über ein weiteres Bremsventil 26 und ein Rückschlagventil 27 in einen Tank 28 geleitet. Das Bremsventil 26 wird über das 4/3-Wegeventil 19 vom Pumpendruck ange steuert; es drosselt den aus dem bodenseitigen Verdrängungsraum 11 abfließen den Ölstrom proportional zum Pumpendruck. Hierdurch bleibt die Abwärtsfahrt der Aufzugkabine 13 auch dann geregelt, wenn diese mit einer Last beaufschlagt ist, welche durch das Gegengewicht 14 nicht mehr kompensiert werden kann - ein Enteilen des Hydraulikzylinders, welches in diesem Fall ohne Bremsventil 26 zu befürchten wäre, ist ausgeschlossen.

Zum Stillstand der Aufzugkabine 13 wird die Pumpe 16 abgeschaltet. Das 4/3- Wegeventil 19 wird auf Stellung "0" geschaltet und das 3/2-Wegeventil 20 auf Stellung "1". Die Bremsventile 22 und 26 werden nicht mehr angesteuert, so daß sie die jeweiligen Ölleitungen vollständig absperren. Somit ist der bodenseitige Verdrängungsraum 11 des Zylinderrohrs 1 durch die Rückschlagventile 21 und 24 sowie durch das Bremsventil 26 verschlossen. Der stangenseitige Verdrän gungsraum 12 ist durch das Rückschlagventil 25 und das Bremsventil 22 ver schlossen.

Zum Notbetrieb ist schließlich eine Handpumpe 29 vorgesehen, mit welcher über ein Rückschlagventil 30 Öl in das System gefördert werden kann. Hierbei können das 4/3-Wegeventil 19 und das 3/2-Wegeventil 20 manuell betätigt werden. Auch im Notbetrieb der Anlage wird eine Regelung des Hydraulikzylinders über die pumpendruckgesteuerten Bremsventile 22 und 26 gewährleistet.

Aus Sicherheitsgründen umfaßt die dargestellte Schaltung noch ein Druckbe grenzungsventil 31 für die Pumpe 16.

Bezugszeichenliste

1

Zylinderrohr

2

Kolbenrohr

3

Trennkolben

4

Stange

5

Kolbenrohrdichtung

6

Trennkolbendichtung

7

Zulauf (AUF)

8

Entlüftung

9

Zulauf (AB)

10

Kolbendichtung

11

Verdrängungsraum (bodenseitiger)

12

Verdrängungsraum (stangenseitiger)

13

Aufzugkabine

14

Gegengewicht

15

Umlenkrollen

16

Pumpe

17

Stromregelventil

18

Rückschlagventil

19

4/3-Wegeventil

20

3/2-Wegeventil

21

Rückschlagventil

22

Bremsventil

23

Rohrleitungsbruchventil

24

Rückschlagventil

25

Rückschlagventil

26

Bremsventil

27

Rückschlagventil

28

Tank

29

Handpumpe

30

Rückschlagventil

31

Druckbegrenzungsventil
d_K

Durchmesser (von

2

)
d_T

Durchmesser (von

3

)
d_Z

Innendurchmesser (von

1

)
A₁

Fläche
A₂

Fläche
A₃

Fläche
A₄

Fläche

Claims

1. Knickstabiler Hydraulikzylinder, umfassend:

- ein Zylinderrohr (1),
- ein im Zylinderrohr (1) axial verschiebbares Kolbenrohr (2),
- einen im Kolbenrohr (2) angeordneten Trennkolben (3), der fest mit dem Zylinderrohr (1) verbunden ist, wobei das Kolbenrohr (2) auch gegenüber dem Trennkolben (3) axial verschiebbar ist.

2. Knickstabiler Hydraulikzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Zylinderrohr (1) zusammen mit dem Kolbenrohr (2) einen einfachwirkenden Hydraulikzylinder bildet.

3. Knickstabiler Hydraulikzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Zylinderrohr (1) zusammen mit dem Kolbenrohr (2) einen doppeltwirkenden Hydraulikzylinder bildet.

4. Knickstabiler Hydraulikzylinder nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Differentialschaltung vorgesehen ist, welche bewirkt, daß der stangenseitige Verdrängungsraum (12) des Zylinderrohrs (1) beim Vorwärts hub mit dem bodenseitigen Verdrängungsraum (11) des Zylinderrohrs (1) kurz geschlossen ist.

5. Knickstabiler Hydraulikzylinder nach einem der Ansprüche 3 oder 4, da durch gekennzeichnet, daß die wirksame Fläche (A₃) des Kolbenrohrs (2) beim Vorwärtshub etwa gleich der wirksamen Fläche (A₄) des Kolbenrohrs (2) beim Rückwärtshub ist.

6. Knickstabiler Hydraulikzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkolben (3) zusammen mit dem Zylinder rohr (1) einen Ringraum bildet, in welchem das Kobenrohr (2) flüssigkeitsdicht und axial verschiebbar geführt ist.

7. Verwendung eines knickstabilen Hydraulikzylinders nach einem der Ansprü che 1 bis 6 zum Antrieb eines Aufzugs.