-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kolben-/Zylindereinheit, vorzugsweise
für Krane,
Baumaschinen und dergleichen, mit einem Zylinder, einem in dem Zylinder
sitzenden längsverschiebbaren Kolben,
zumindest einem Arbeitsraum für
ein den Kolben beaufschlagendes Druckmedium, einem mit dem Arbeitsraum
verbindbaren Druckmediumanschluss sowie mit einer Dämpfungseinrichtung zur
Bewegungsdämpfung
des Kolbens.
-
Bei
vielen von Hydraulikzylindern betätigten mechanischen Systemen
an Kranen, Baumaschinen und dergleichen wird die Bewegung durch
den Hub des Zylinders begrenzt. Schlägt der Kolben mit voller Einfahrgeschwindigkeit
auf den Zylinderboden, ergeben sich extrem hohe Verzögerungswerte,
welche dynamische Beanspruchungen des Systems hervorrufen und unerwünscht sein
können.
Zur Linderung dieses Effekts wurden bereits Maßnahmen zur Endlagendämpfung vorgeschlagen,
bei denen in der Regel gegen Ende des Verfahrweges des Kolbens ein Ölvolumen
in eine Kammer eingeschlossen und über eine Drosselstelle entleert
wird. Die hierfür
aufzuwendende Energie wird dem mechanischen System entzogen und
führt zu
einer sanfteren Annäherung des
Kolbens an seine Endposition. Nachteilig bei sol chen Endlagendämpfungen
ist oftmals die Vergrößerung des
Verhältnisses
von Einbaulänge
zu Zylinderhub in Folge des Platzbedarfes der Dämpfungskammer und Drosselstelle.
Der Dämpfungsweg
ist dabei oftmals auf einen nur geringen Bruchteil des Hubs beschränkt. Zudem
kommt es oftmals zu einer sehr hohen Progressivität des Dämpfungskoeffizienten. Schließlich bringen
solche Endlagendämpfungen
oftmals auch eine Dämpfung
beim Ausfahren mit sich, obwohl diese an sich nicht erwünscht ist.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte
Kolben-/Zylindereinheit der genannten Art zu schaffen, die Nachteile
des Standes der Technik vermeidet und letzteren in vorteilhafter
Weise weiterbildet. Vorzugsweise soll mit einer platzsparenden Dämpfungsvorrichtung eine
erweiterte und verbesserte Bewegungsdämpfung erreicht werden.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Kolben-/Zylindereinheit gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die
Dämpfungsvorrichtung
besitzt also erfindungsgemäß eine Strömungssteuervorrichtung
zur Veränderung
des Durchflusswiderstands des in den zumindest einen Arbeitsraum
der Kolben-/Zylindereinheit einströmenden und/oder aus dem Arbeitsraum
ausströmenden
Druckmediums in Abhängigkeit der
Kolbenstellung. Der Durchflusswiderstand des ein- oder ausströmenden Druckmediums
wird Weggesteuert und ist je nach Kolbenstellung unterschiedlich,
so dass sich eine wegabhängige
Dämpfung
des Kolbens ergibt. Insbesondere wird der Durchflusswiderstand vor
Erreichen der Endstellung des Kolbens erhöht. Es kann jedoch auch über eine
solche Endlagendämpfung
hinaus eine Steuerung des Durchflusswiderstands über den weiteren Weg des Kolbens
hinweg vorgesehen sein. Zur Erreichung der Dämpfung wird kein Restvolumen
unter Energiedissipation umgepumpt, sondern der Durchflusswiderstand
des über
den Druckmediumanschluss eintretenden oder austretenden Druckmediums
gesteuert.
-
Die
Strömungssteuervorrichtung
kann grundsätzlich
verschieden ausgebildet sein. Nach einer bevorzugten Ausführung der
Erfindung weist sie eine axiale Ausnehmung und einen axialen Vorsprung
auf, die je nach Kolbenstellung verschieden weit ineinander fahren
und zwischen sich einen den Durchflusswiderstand steuernden Ringspalt
begrenzen.
-
Insbesondere
kann als axiale Ausnehmung ein Sackloch in dem Kolben und als axialer
Vorsprung ein mit dem Druckmediumanschluss verbundenes Düsenrohr
an dem Zylinder vorgesehen sein. Grundsätzlich wäre auch eine umgekehrte Anordnung
denkbar, bei der die axiale Ausnehmung im Zylinderboden und der
axiale Vorsprung am Kolben vorgesehen sind. Die Anordnung eines
Sacklochs im Kolben, in den ein am Zylinderboden vorgesehenes Rohrstück je nach
Kolbenstellung einfährt,
ergibt jedoch eine besonders platzsparende Anordnung der den Durchflusswiderstand
steuernden Vorrichtung.
-
Insbesondere
kann sich das Sackloch durch den eigentlichen Kolben hindurch in
die damit verbundene Kolbenstange hineinerstrecken und das das Düsenrohr
bildende Rohrstück
vom Zylinderboden weg in den Arbeitsraum hinein vorspringen. Hierdurch
wird für
tiefere Sacklöcher
zur Steuerung des Durchflusswiderstands über einen weiteren Kolbenweg
die Kolbenstange genutzt. Dies erlaubt eine Steuerung der Dämpfung über nahezu
den gesamten möglichen
Kolbenweg auch bei einem axial sehr kurzen Kolben und somit eine
insgesamt axial sehr kurzbauende Ausbildung der Kolben-/Zylindereinheit.
-
Die
Dämpfungskonstante
der Kolben-/Zylindereinheit kann grundsätzlich über den Durchmesser, die Spaltbreite
und die Länge
des Ringspalts zwischen Sackloch und Düsenrohr, d.h. die Eindringtiefe des
Düsenrohrs
in das Sackloch gesteuert werden. Soweit allein über die zunehmende Eindringtiefe bzw.
Länge des
Ringspalts die gewünschte
Dämpfungswirkung
erreichbar ist, kann es ausreichend sein, den axialen Vorsprung
und die zugehörige
axiale Ausnehmung jeweils zylindrisch auszubilden.
-
In
Weiterbildung der Erfindung kann jedoch die axiale Ausnehmung und/oder
der axiale Vorsprung einen sich in axialer Richtung ändernden,
vorzugsweise kontinuierlich ändernden
Durchmesser bzw. eine sich ändernde
Querschnittsfläche
aufweisen, so dass sich die minimale Ringspaltfläche zwischen Ausnehmung und
Düsenrohr
in Abhängigkeit der
Einstecktiefe, d.h. der Stellung des Kolbens, ändert. Hierdurch kann der Durchflusswiderstand
bei Erreichen einer bestimmten Kolbenstellung gezielt erhöht werden.
-
Insbesondere
kann die axiale Ausnehmung und der axiale Vorsprung, die den Ringspalt
definieren, derart ausgebildet sein, dass die Fläche des Ringspalts mit zunehmender
Einstecktiefe des Vorsprungs in die Ausnehmung abnimmt. Zur Kolbenendstellung
hin wird hierdurch eine stärker
ansteigende Dämpfung
erreicht, da durch die abnehmende Fläche des Ringspalts ein höherer Durchflusswiderstand
induziert wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden,
dass der Rohrdurchmesser zu dessen dem Kolben abgewandten Ende hin
zunimmt oder dass der Sacklochdurchmesser zur Lochsohle hin abnimmt.
-
Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin,
dass die Abhängigkeit der
Dämpfungseigenschaften
vom Verfahrweg des Zylinders in einfacher Weise veränderbar
sind. Die Strömungssteuervorrichtung
ist vorteilhafterweise hinsichtlich der die Dämpfung bewirkenden Parameter,
insbesondere hinsichtlich axialer Länge, Querschnittsfläche und/oder
Durchmesser des axialen Vorsprungs und/oder der axialen Ausnehmung
veränderbar
ausgebildet.
-
Beispielsweise
kann das Düsenrohr
an dem Zylinderboden axial verstellbar, beispielsweise ein- und
ausschraubbar, angeordnet sein, so dass unterschiedliche Längen des
Düsenrohres
eingestellt werden können
und das Düsenrohr
dementsprechend unterschiedlich tief in das Sackloch im Kolben eindringt.
So wird beispielsweise mit einer größeren Düsenrohrlänge die Dämpfung früher und überdies aufgrund des längeren Ringspalts
stärker
eintreten.
-
Insbesondere
kann die Abhängigkeit
der Dämpfungseigenschaften
vom Verfahrweg des Zylinders dadurch erreicht werden, dass die Strömungssteuervorrichtung
austauschbare Einsätze
für die axiale
Ausnehmung und/oder den axialen Vorsprung mit jeweils verschiedenen
axialen Längen,
Querschnittsflächen
und/oder Durchmessern aufweist. Hierdurch kann durch Austauschen
beispielsweise des Sacklocheinsatzes oder des Düsenrohres in einfacher Weise
der Durchflusswiderstand in Abhängigkeit
der Kolbenstellung und damit die Dämpfung verändert werden.
-
Insbesondere
kann der Kolben und ggf. die damit verbundene Kolbenstange eine
Aufnahmebohrung aufweisen, in die verschiedene Hülsen mit unterschiedlichen
Innendurchmessern bzw. -querschnittsflächen und unterschiedlichen
Längen
einsetzbar sind.
-
Vorteilhafterweise
kann mit einer erfindungsgemäßen Strömungssteuervorrichtung
nicht nur eine reine Endlagendämpfung,
sondern auch eine erweiterte Dämpfung
des Kolbens über
einen weiteren Verfahrweg erreicht werden. Hierzu kann eine Einfahrtiefe
des axialen Vorsprungs in die axiale Ausnehmung von mehr als 1/8,
vorzugsweise von mehr als 1/5 des maximalen Hubwegs des Kolbens
in dem Zylinder, vorgesehen sein. Gegebenenfalls kann die Einfahrtiefe
noch beträchtlich
größer, beispielsweise auch
größer als
die Hälfte
des maximalen Kolbenhubwegs, sein, um einen entsprechend langen Dämpfungsweg
zu erreichen.
-
In
Weiterbildung der Erfindung ist die Strömungssteuervorrichtung richtungsabhängig ausgebildet,
so dass sie den Durchflusswiderstand des einströmenden Druckmediums anders
steuert als den Durchflusswiderstand des ausströmenden Druckmediums. Insbesondere
wird eine Dämpfung
durch Erhöhung
des Durchflusswiderstands nur beim Einfahren des Kolbens vorgesehen,
während
beim Ausfahren des Kolbens keine Dämpfung erfolgt. Hierzu kann die
Strömungssteuervorrichtung
einen mit einem Rückschlagventil
beschalteten Bypass um den Ringspalt herum aufweisen. Hierdurch
bestimmt der Ringspalt den Durchflusswiderstand nur für eine Bewegungsrichtung
des Kolbens, während
bei entgegengesetzter Bewegung des Kolbens das Druckfluid durch
den Bypass um den Ringspalt herum strömen kann.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
und einer zugehörigen
Zeichnung näher
erläutert.
Die einzige Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch eine Kolben-/Zylindereinheit
mit einer Dämpfungseinrichtung zur
Bewegungsdämpfung
des Kolbens mittels Steuerung des Durchflusswiderstands des ausströmenden Druckmediums
nach einer bevorzugten Ausführung der
Erfindung.
-
Die
in der Figur gezeigte Kolben-/Zylindereinheit 1 ist doppeltwirkend
ausgebildet, d.h. der Kolben kann über entsprechende Druckkammern
in beide Richtungen angetrieben werden. Es versteht sich jedoch,
dass die Dämpfungsvorrichtung
in entsprechender Weise auch bei einer nur einfach wirkenden Kolben-/Zylindereinheit
vorgesehen werden könnte.
-
Die
Kolben-/Zylindereinheit 1 umfasst einen Zylinder 2,
in dem ein Kolben 3 längsverschiebbar aufgenommen
ist. Der Kolben 3 ist mit einer Kolbenstange 4 verbunden,
die an einem Ende des Zylinders 2 durch eine Ausnehmung
im Zylinderboden hindurchtritt. Mittels Dichtungen 5 und 6 ist
einerseits der Kolben 3 gegenüber der Zylindermantelfläche abgedichtet
und andererseits die Kolbenstange 4 gegenüber der
Ausnehmung im Zylinderboden abgedichtet.
-
Von
dem Kolben 3 getrennt sind in dem Zylinder 2 zwei
Arbeitsräume
definiert, nämlich
ein erster Arbeitsraum 7, der in dem kolbenstangenfreien Teil
des Zylinders 2 liegt, und ein zweiter, ringförmiger Arbeitsraum 8,
der auf der Kolbenstangenseite des Kolbens 3 liegt.
-
Ein
erster Druckmediumanschluss 9 verbindet den ersten Arbeitsraum 7 mit
einer nicht dargestellten Druckmedium-, insbesondere Hydraulikquelle,
während
ein zweiter Druckmediumanschluss 10 den Ringraum 8 mit
einer ebenfalls nicht dargestellten Druckquelle verbindet. Der erste
Druckmediumanschluss 9 ist stirnseitig im Boden des Zylinders 2 ausgebildet
und öffnet
sich in eine Speisekammer 11, die von dem Arbeitsraum 7 durch
eine radiale Zwischenplatte 12 getrennt ist. Die Zwi schenplatte 12 bildet
sozusagen einen doppelten Boden des Zylinders 2. In der
Zwischenplatte 12 ist eine zentrale Druckmediumdurchtrittsöffnung 13 ausgebildet,
die den ersten Druckmediumanschluss 9 in der Zwischenplatte 12 fortsetzt.
-
Mit
der Druckmedium-Durchtrittsöffnung 13 kommuniziert
ein Düsenrohr 14,
das bodenseitig an dem Zylinder 2 befestigt ist und sich
axial in den Arbeitsraum 7 hinein erstreckt. Das Düsenrohr 14 ist
in der gezeichneten Ausführung
koaxial mit der Längsachse
der Kolben-/Zylindereinheit 1 angeordnet.
-
In
dem Kolben 3 sowie in der Kolbenstange 4 ist ein
Sackloch 15 ausgebildet, das sich koaxial zu dem Düsenrohr 14 erstreckt.
In dem Sackloch 15 sitzt ein auswechselbarer Sacklocheinsatz 16,
der als Hülse
ausgebildet ist. In der gezeichneten Ausführungsform ist der hülsenförmige Sacklocheinsatz 16 zu
beiden Seiten hin offen. Es könnte
jedoch auch ein sacklochförmiger
Einsatz vorgesehen sein.
-
Wie
die Figur zeigt, sind das Düsenrohr 14 und
der Sacklockeinsatz 16 derart aufeinander abgestimmt, dass
das Düsenrohr 14 in
den Sacklockeinsatz 16 sowie das Sackloch 15 einfahren
kann, wobei sich zwischen der Mantelaußenfläche des Düsenrohres 14 und der
Mantelinnenfläche
des Sacklockeinsatzes 16 ein Ringspalt bildet. Hierdurch
wird folgende Funktionsweise der Kolben-Zylindereinheit 1 erreicht:
Wird
ausgehend von der in der Figur gezeigten Stellung des Kolbens 3 Druckmedium über den
Druckmediumanschluss 10 in den ringförmigen Arbeitsraum 8 gespeist,
wird der Kolben von dem im Ringraum 8 befindlichen Druckmedium
beaufschlagt und gemäß der Figur
nach links gedrückt.
Hierdurch wird das in dem ersten Arbeitsraum 7 befindliche Druckmedium
von dem Kolben 3 verdrängt,
so dass es über
das Düsenrohr 14,
die Druckmediumdurchtrittsöffnung 13,
die Speisekammer 11 und schließlich den Druckmediumanschluss 9 entweicht.
Wird der Kolben 3 dabei so weit auf den Kolbenboden 12 hin bewegt,
dass das Düsenrohr 14 in
das Sackloch 15 bzw. den Sacklocheinsatz 16 eintritt,
bildet sich zwischen dem Düsenrohr 14 und
dem Sacklocheinsatz 16 ein Ringspalt. Das in dem Arbeitsraum 7 be findliche
Druckmedium kann nur über
diesen Ringspalt hindurch in das Düsenrohr 14 gelangen.
Der Ringspalt erhöht
den Durchflusswiderstand des abströmenden Druckmediums beträchtlich,
wodurch eine Dämpfung
der Kolbenbewegung erreicht wird. Mit zunehmendem Kolbenweg erhöht sich
die Eindringtiefe des Düsenrohres 14 in
das Sackloch 15 und damit die Länge des Ringspalts. Zudem können der
Außendurchmesser
des Düsenrohres 14 und/oder
der Innendurchmesser des Sacklocheinsatzes 16 über ihre jeweilige
axiale Länge
variieren, so dass mit zunehmendem Verfahrweg sich die minimale
Ringspaltfläche ändern kann.
Hierdurch wird der Durchflusswiderstand gezielt in Abhängigkeit
des Verfahrweges des Kolbens variiert und eine sich dementsprechend einstellende
Dämpfung
erreicht.
-
Wird
hingegen der Kolben 3 ausgefahren, d.h. wird Druckmedium über den
Druckmediumanschluss 9 in den ersten Arbeitsraum 7 gespeist, so
dass sich der Kolben gemäß der Figur
nach rechts bewegt, definiert der Ringspalt nicht den Durchflusswiderstand.
Wie die Figur zeigt, ist die Speisekammer 11 mit dem Arbeitsraum 7 über zwei
Bypass-Kanäle 17 um
das Düsenrohr 14 herum
verbunden. Die genannten Bypass-Kanäle 17 sind mit Rückschlagventilen 18 beschaltet,
die die Strömung
von der Speisekammer 11 in den Arbeitsraum 7 freigeben,
in entgegengesetzter Richtung jedoch blockieren. Hierdurch ergibt
sich das Wirksamwerden der von dem Düsenrohr 14 und dem
Sacklocheinsatz 16 gebildeten Strömungssteuervorrichtung 19 nur
in einer Richtung der Bewegung des Kolbens 3.