DE19920476A1 - Schmierung und Kühlung eines Ausgleichszylinder - Google Patents

Abstract

Offenbart ist ein Ausgleichszylinder, bei dem der Druckspeicher ins Zylindergehäuse integriert ist und bei dem eine hinreichende Schmierung und Kühlung in geschlossenem Kreislauf, d. h. ohne Ölaustritt in die Atmosphäre, bewerkstelligt ist.

Description

Die Erfindung betrifft die Schmierung und Kühlung eines Aus­ gleichszylinders gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bis 10.

Derartige Ausgleichszylinder werden unter anderem zur Abstützung des Gewichts von an einem Gelenk befestigten Lasten, wie bespielsweise einem Roboterarm oder einer schweren, schnellbewegten Klappe, verwendet. Diese Ausgleichszylinder haben in der Regel ein Zylinderrohr, in dem ein Kolben axial verschiebbar geführt ist. Dieser Kolben trägt eine Kolbenstan­ ge, an der eine ziehende Last angreift. Das Zylinderrohr ist über ein geeignetes Lager an einem Gehäuse oder Ähnlichem angelenkt.

Bei den in der Robotertechnik eingesetzten Ausgleichszy­ lindern wird Öl zur Druckbeaufschlagung des Kolbens verwendet, wobei der als Ausgleichsbehälter wirkende Druckspeicher als Gas-Hydrospeicher ausgeführt ist, durch den mittels einer Gasfüllung das Ölvolumen auf den vorbestimmten Druck gebracht wird.

Derartige Systeme haben den Nachteil, daß zur Montage des externen Ausgleichsbehälters ein erheblicher Bauraum erfoderlich ist, zumal der externe Speicher an einer gut sichtbaren Stelle angebracht werden muß, so daß der Druck im Speicher kontrollierbar und einstellbar ist.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen ist darin zu sehen, daß es aufgrund von Undichtigkeiten im System zu Öl- Leckagen mit entsprechender Umweltbeeinflussung kommen kann.

Es sind zwar Lösungen bekannt - wie in DE 32 39 254 A1 beschrieben - die jedoch nur Gas als Druckmedium verwenden. Diese Lösungen sind jedoch nicht geeignet, einen schnellaufen­ den, häufig bewegten Zylinder wie er zum Beispiel bei Robotern zum Einsatz kommt, zu bauen, da die Dichtungen nach kurzer Betriebsdauer aufgrund von Überhitzung undicht werden.

Auch sind Lösungen bekannt - wie in United States Patent 4,005,763 beschrieben - die die mit der Atmosphäre ständig im Austausch stehende Luft mit Öl versetzen und dadurch eine Schmierung zu erreichen versuchen. Diese Lösungen haben jedoch den Nachteil, daß das Speichervolumen des Öls begrenzt ist, und somit ein häufiges Nachfüllen bei der angestrebten Anwendung erfoderlich wäre. Als weiterer Nachteil dieser Lösung ist der Austrag von ölversetzter Luft in die Atmosphäre zu nennen, der in der vorgesehenen Anwendung zu nicht hinnehmbaren Umweltbe­ einflussungen führen würde.

Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einer Ausgleichszylinder zu schaffen, der die beschriebenen Unzuläng­ lichkeiten der nur mit ölbefüllten Systeme vermeidet und andererseits aber die Dichtungen wie im Öl laufend darstellt ohne nennenswerten Austritt von Öl in die Atmosphäre.

Diese Aufgabe wird durch ein Kühl- und Schmiersystem in einem Ausgleichszylinder mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 10 gelöst.

Durch die Maßnahme, das Gas im Hochdruckbereich des Zylinders mit Öl, das in geschlossenem Kreislauf geführt wird, zu ver­ setzen, kann eine Schmierung und Kühlung (= Wärmeabfuhr) mittels Stofftransport (= Öltransport) am/zum Außenrohr und wieder zurück an die Dichtungen erreicht werden.

Bei Verwendung dieses Gas-/Schmiermittelgemisches ist es besonders vorteilhaft, wenn die Verbindungsbohrung an einem unten liegenden Abschnitt des Zylinderrohres ausgebildet wird, so daß das vom Gasspeicher in den Zylinderraum überströmende Gas Ölpartikel mitreißen kann, die sich in einem Filzstreifen unterhalb (in Schwerkraftrichtung gesehen) der Bohrung ange­ sammelt haben. Dieser Filzstreifen erstreckt sich von der Verbindungsbohrung zu dem davon entfernten Ende des Gasdruck­ speichers, so daß gewährleistet ist, daß über das Kapillarsys­ tem im Streifen Öl zum Bereich der Verbindungsbohrung trans­ portiert wird. Dieses Öl wird dann durch das die Verbindungs­ bohrung durchströmende Gas mitgerissen und in den Zylinderraum an die Kolbenstangenunterseite befördert. Da der Zylinder immer ca. 10° schräg nach oben liegend eingebaut eingesetzt wird, sammelt sich das Öl mit der Zeit im Zylinderrohr vor dem Kolben. Die Ölfüllung beträgt ca. 10% mehr als das Volumen das durch folgende Flächen begrenzt wird: Horizontale Ebene ausgehend von der Unterkante der Verbindungsbohrung, Zylinderrohrinnenwandung, Kolbenvorderfläche in der hintersten Stellung abzüglich des Volumens der in Öl getauchten Kolbenstange. Somit wird erwärmtes Öl beim Ausziehen der Kol­ benstange mit Kolben wieder durch die Verbindungsbohrung zurück in den Ringraum gefördert, kann am Außenrohr durch Wärmeleitung und Konvektion abkühlen und steht für einen neuen Kreislauf zur Verfügung.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Roboterarms, der mit einem erfindungsgemäß geschmierten und gekühlten Ausgleichs­ zylinder versehen ist.

Fig. 2 einen Ausgleichszylinder zur Abstützung einer ziehenden Last.

Fig. 1 zeigt eine stark vereinfachte, schematische Darstellung eines Roboters 1, dessen Roboterarm 2 mittels eines Aus­ gleichszylinders 4 abgestützt ist. Die vom Ausgleichszylinder 4 auf den Roboterarm 2 übertragene Kraft ist derart gewählt, daß die Gewichtskraft F des Roboterarms kompensiert wird. Durch diese Abstützung werden die erforderlichen Antriebskräfte zur Bewegung des Roboterarms 2 auf ein Minimum reduziert. In der in Fig. 1 dargestellten Variante ist der Ausgleichszylinder 4 von einer ziehenden Kraft beaufschlagt, die eine Kolbenstange 6 des Ausgleichszylinders 4 aus einem Zylindergehäuse 8 herauszieht. Diese Anwendung findet man üblicherweise bei der Abstützung von Roboterarmen.

Falls der Ausgleichszylinder 4 in der strichpunktiert angedeu­ teten Weise am Roboterarm 2 angreift, so wird die Kolbenstange 6 in das Zylindergehäuse 8 hineingedrückt, so daß der Aus­ gleichszylinder mit einer drückenden Kraft beaufschlagt ist.

Fig. 2 zeigt einen Längsschitt durch einen erfindungsgemäß geschmierten und gekühlten Ausgleichszylinder 4, zur Abstützung einer ziehenden Last.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Ausgleichs­ zylinders 4 hat ein Zylinderrohr 10, in dem ein Kolben 12 in Axialrichtung verschiebbar geführt ist. Dieser hat eine Axialbohrung, die in den stirnseitigen Kolbenboden 14 mündet. Dieser Kolben 12 enthält 4 axial beabstandete Ringnuten 28 (2×), 29 und 30, die zur Aufnahme von Dichtungs-, Führungsringen und einem Ölverteilungsring 30 dienen. Je nach Anwendungsfrage können dabei beispielsweise geeigenete Führungsbänder sowie PTFE-Dichtungen eingesetzt werden, die eine gas- und fluiddichte Anlage des Kolben 12 am Innenumfang des Zylinderrohrs 10 gewährleisten. Der Ölverteilungsring 30 besteht aus einem Filzring der ein inneres Kapillarsystem zur Verfügung stellt, über das Schmieröl durch Kapillarwirkung transportiert und somit gleichmäßig entlang des Außenumfangs verteilt wird, so daß eine hinreichende Schmierung der gleitbaren Kolben/Zylinderrohrinnenbohrung gewährleistet ist.

Der Innenraum des Zylinderrohres 10 wird durch den Kolben 12 der in der gezeigten Darstellung in seiner linken Endposition befindet, in einen in dieser Stellung einen minimalen Raum 36 und maximalen Ringraum 34 unterteilt, der von der Kolbenstange 6 und vom Zylinderrohr 10 begrenzt ist. Die Kolbenstange 6 erstreckt sich durch diesen ringförmigen Raum 34 hindurch, bis zu einem Führungsteil 38, das den stirnseitigen Abschnitt des Ausgleichszylinders 4 bildet. Dieses Führungsteil 38 hat einen als Führungsbuchse 40 ausgebildeten Abschnitt, der von der Kolbenstange 6 durchsetzt wird. In der Axialbohrung der Führungsbuchse 40 sind wiederum 4 axial beabstandete Aufnahme­ nuten 41, 42, 43 und 44 zur Aufnahme von Filzring, Dichtungsringen und Führungsband (die beiden letzten sind nicht dargestellt) vorgesehen, die eine dichtende Führung der Kolbenstange 6 in der Axialbohrung der Führungsbuchse 40 ermöglichen. Der Filzring 41 dient wiederum als Ölverteilring und besteht aus einem inneren Kapillarsystem, über das Schmieröl durch Kapillarwirkung transportiert und somit gleichmäßig entlang des Innenumfangs verteilt wird, so daß eine hinreichende Schmierung der gleitbaren Kolben­ stange/Führungsbuchseninnenbohrung gewährleistet ist.

Das Zylinderrohr 10 und das Außenrohr 56 sind mit etwa gleicher Länge ausgeführt, so daß ein Ringraum 70 ausgebildet wird, der einerseits von dem Führungsteil 38 und andererseits von einem Bodenstück 72 dicht abgeschlossen ist, das auch gegen den Raum Anschlußbohrung 78 mit einer Radialbohrung 80 und einer Axialbohrung 82 auf. Der Axialbohrungsabschnitt 82 mündet einerseits stirnseitg in Ringraum 34 und andererseits am Außenumfang des Führungsteils 38. Im Bereich des Außenumfangs ist im Radialbohrungsabschnitt 80 ein Hochdruckadapter 84 eingeschraubt, über den sich der Zylinderraum 34 via Anschlußbohrung 78 mit Gas, beispielsweise Stickstoff befüllen läßt.

Im Bereich des Führungsteils 38 ist im Zylinderrohr 10 eine Verbindungsbohrung 96 ausgebildet, durch die der Ringraum 70 mit dem Zylinderraum 34 verbunden ist.

Vor Inbetriebnahme des Ausgleichszylinders 4 wird ein vorbe­ stimmtes Ölvolumen in die Ringräume 34,70 über Adapter 84 eingefüllt und aus einem externen Druckspeicher zum Beispiel Stickstoff mit bis zu 170 bar zugeführt. Das Gas und Öl tritt durch den Adapter 84 und die Anschlußbohrung 78 hindurch in den Ringraum 34 und von dort durch die Verbindungsbohrung 96 in den Ringraum 70 ein. Der Druck im Ausgleichszylinder 4 ist so gewählt, daß der angelenkte Roboterarm 2 in eine Grundposition angehoben wird und somit das Gewicht des Roboterarms 2 kompensiert ist. Die beim Anheben des Roboterarms 2 und die damit verbundene Kolbenbewegung nach links (von einer vorderen Stellung aus betrachtet) aus dem Raum 36 verdrängte atmosphärische Luft tritt durch die Anschlußöffnung 62 und den Luftfilter 68 aus dem Ausgleichszylinder 4 aus. Bei einer Rück­ bewegung des Roboterarms 2 durch entsprechende Ansteuerung des Roboters wird das Stickstoff/Ölgemisch durch die Kolbenbewegung aus dem Ringraum 34 durch die Verbindungsbohrung 96 hindurch in den Ringraum 70 zurückgedrängt. Dabei wird atmosphärische Luft durch den Luftfilter 68 und Verbindungsbohrung 62 hindurch in den Raum 36 eingesaugt.

"Vorbestimmtes Ölvolumen" bedeutet in diesem Zusammenhang: Da der Ausgleichszylinder 4 immer um ca. 10 grd gegen eine horizontale Ebene 101 geneigt ist, wird ca. 10% mehr Ölvolumen eingefüllt als dem Volumen 105 entspricht, das durch folgende Flächen begrenzt wird: Horizontale Ebene 100 ausgehend von der Unterkante der Verbindungsbohrung 96, Zylinderrohrinnenwandung 10, Kolbenvorderfläche 14 in der hintersten Stellung abzüglich des Volumens der in Öl getauchten Kolbenstange 6.

Wie aus Fig. 2 weiter entnehmbar ist, ist in den Ringraum 70 ein Filzstreifen 98 eingelegt, der sich von der Verbindungsbohrung 96 zum Bodenstück 72 hin erstreckt, so daß praktisch die gesamte Axiallänge des Ringraums 70 durch den Filzstreifen 98 ausgefüllt ist. Das Kapillarsystem des Filzstreifens bewirkt, daß stets Öl aus dem Ringraum 70 hin zur Verbindungsbohrung 96 geführt wird, infolge einer Konzentrationsdifferenz, die einer­ seits durch das Mitreißen von Öltröpfchen beim Überströmen (= Durchstömen des Filzes) des Gas/Ölgemisches vom Ringraum 70 in den Ringraum 34 verursacht wird. Das ist der Fall beim Einschieben der Kolbenstange 6 mit Kolben 12. Die Größe der Verbindungsbohrung 96 ist strömungsmechanisch so ausgelegt, daß Ölpartikel die sich im Filzstreifen 98 vor der Verbindungsbohrung 96 befinden bis an die Unterseite der Kolbenstange 6 mitgerissen werden.

Im quasistationären Zustand bildet sich ein Ölsumpf 106 der eine variable axiale Länge und damit variables Volumen auf­ weist, welche/welches je nach Stellung der Kolbenstange 6 mit Kolben 12 variieren. Ebenso bildet sich unterhalb (in Schwerkraftrichtung gesehen) des Ölsumpfes 106 ein Ölsumpf 107, dessen Volumen in umgekehrter Weise wie das Volumen des Ölsumpfes 106, von der Stellung der Kolbenstange 6 mit Kolben 12 abhängig ist. Genauso besteht für das Volumen beider Ölsümpfe 106, 107 eine umgekehrte Abhängigkeit von der Förderleistung des Filzstreifen 98 und dem Wirkungsgrad des Mitreißens der Ölpartikel an der Verbindungsbohrung 96. Durch die Verbindungsbohrung 96 wird gewährleistet, daß die Ölsümpfe 106, 107 über das Gas/Ölgemisch mit einander kommunizieren.

Dadurch wird sichergestellt, daß andererseits erwärmtes Öl beim Ausziehen der Kolbenstange 6 mit Kolben 12 wieder durch die Verbindungsbohrung 96 zurück in den Ringraum 70 gefördert wird, welches durch Wärmeleitung und Konvektion am Rohr 56 abkühlen kann und somit für einen neuen Kreislauf beginnend mit der Kapillarwirkung des Filzstreifens 98 wieder zur Verfügung steht. Somit ist die hinreichende Schmierung und Kühlung der Gleitpaarungen und Dichtungen gewährleistet.

Offenbart ist ein Ausgleichszylinder, bei dem der Druckspeicher ins Zylindergehäuse integriert ist und bei dem eine hinreichen­ de Schmierung und Kühlung in geschlossenem Kreislauf, d. h. ohne Ölaustritt in die Atmosphäre, bewerkstelligt ist.

Claims (10)

1. Schmierung und Kühlung eines Ausgleichszylinder mit auf der Hochdruckseite 34, 70 angeordnetem, den Druckraum 70 in axialer Richtung ausfüllenden, Filzstreifen 98 und Ölverteilungsringen 30, 41.

2. Schmierung und Kühlung eines Ausgleichszylinder nach Patentanspruch 1, so gestaltet, daß eine Verbindungsbohrung 96 in Schwerkraftrichtung gesehen an der Unterseite des Zylinderrohrs 10 im Bereich des Führungsteils 38 liegt.

3. Schmierung und Kühlung eines Ausgleichszylinder nach Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Öl­ sumpf 106 gebildet wird, der eine variable axiale Länge und damit variables Volumen je nach Stellung der Kolbenstange 6 mit Kolben 12 hat.

4. Schmierung und Kühlung eines Ausgleichszylinder nach Patentansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Öl­ sumpf 107 gebildet wird, dessen Volumen von der Stellung der Kolbenstange 6 mit Kolben 12 in umkehrter Weise wie das Volumen des Ölsumpfes 106 sowie von der Förderleistung des Filzstrei­ fens 98 abhängig ist.

5. Schmierung und Kühlung eines Ausgleichszylinder nach Patentansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Öl­ sumpf 106 mit dem Ölsumpf 107 über Verbindungsbohrung 96 und Gas/Ölgemisch mit einander kommunizieren.

6. Schmierung und Kühlung eines Ausgleichszylinder nach Patentansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Öl­ sumpf 106 höher (in Schwerkraftrichtung) liegt als der Ölsumpf 107 liegt.

7. Schmierung und Kühlung eines Ausgleichszylinder nach Patentansprüchen 1 bis 6, daß ein Mitreißen von Ölpartikeln beim Durchströmen des Gas/Ölgemisches durch die Verbindungs­ bohrung 96 und damit Filzstreifens 98 vom Druckraum 70 in Ringraum 34 bis an die Unterseite der Kolbenstange 6 geschieht. Das ist der Fall bei jedem Einschieben der Kolbenstange 6 mit Kolben 12.

8. Schmierung und Kühlung eines Ausgleichszylinder nach Patentansprüchen 1 bis 7, daß Öl mittels des Kapillarsystems des Filzstreifens 98 ohne Ventile vom Ringraum 70 (unten in Schwerkraftrichtung) zur Verbindungsbohrung 96 (oben in Schwerkraftrichtung) gefördert wird infolge eines Konzentra­ tionsgefälles das durch das Mitreißen von Ölpartikeln beim Durchströmen des Gas/Ölgemisches durch die Verbindungsbohrung 96 vom Druckraum 70 in den Ringraum 34 verursacht ist.

9. Schmierung und Kühlung eines Ausgleichszylinder nach Patentansprüchen 1 bis 8, bei dem ein Stoff- und damit Wärme­ transport vom Ringraum 34 beim Ausziehen der Kolbenstange 6 mit Kolben 12 über die Verbindungsbohrung 96 in den Druckraum 70 zwecks Kühlung mittels Wärmeleitung und Konvektion am Außen­ rohr 56 erfolgt.

10. Schmierung und Kühlung eines Ausgleichszylinder nach Patentansprüchen 1 bis 9, bei dem das Öl im Hochdruckteil 34, 70 des mit Gas befüllten Zylinders in geschlossenem Kreislauf ge­ führt wird.