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Die
Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit einem pneumatischen,
hydraulischen oder elektrischen Kolben-Zylinder-Antrieb, der einen
linear bewegbaren Mitnehmen in Längsrichtung
antreibt. Linearantriebe werden in großem Umfang im Maschinenbau
eingesetzt. Als Linearantriebe sind beispielsweise hydraulische
oder pneumatische Kolben-Zylinder-Einheiten bekannt. Es existieren
aber auch elektrische Linearantriebe, die ähnlich einem Kolben-Zylinder-Antrieb
ausgebildet sind. Dabei wirkt der Kolben als Rotor und der Zylinder
als Stator einer linear abgewickelten elektrischen Maschine.
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Bekannte
Linearantriebe, insbesondere Kolben-Zylinder-Einheiten, die von
Fluiden angetrieben werden, weisen mindestens eine Kolbenstange
auf, die die Kraft des Kolbens auf das anzutreibende Teil übertragen.
Aufgrund ihrer Funktionsweise ergibt sich dadurch eine maximale
Einbaulänge,
die mindestens das Doppelte des Hubes beträgt. Außerdem muss die Achse des Zylinders
koaxial zur Achse der Kolbenstange angeordnet sein. Diese konstruktiven Gegebenheiten
schränken
den Konstrukteur beim Einsatz der linearen Antriebe ein. Es besteht
deshalb das Bedürfnis,
dem Konstrukteur Linearantriebe zur Verfügung zu stellen, deren Abmessungen
kleiner oder deren mögliche
Einbaulagen flexibler zu wählen sind.
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Ein
gattungsgemäßer Linearantrieb
ist beispielsweise aus der DE-C2-33
10 304 bekannt. Auch dieser Linearantrieb weist die oben beschriebenen Nachteile
auf. Die Hubbewegung wird dabei durch ein Umschlingungsgetriebe
auf einen linearen Mitnehmer übersetzt.
Dadurch kann der Zylinder zwar flexibler eingesetzt werden, eine
kürzere
Bauform ergibt sich jedoch dadurch nicht, da auch hier die Kolben-Zylinder-Einheit
eine feste Kolbenstange aufweist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen flexibel einsetzbaren linearen Auftrieb
anzugeben, der eine möglichst
geringe Baulänge
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
gattungsgemäßen Linearantrieb
dadurch gelöst, dass
der relativ zum Zylinder bewegliche Kolben zur Kraftübertragung
auf ein flexibles Treibteil wirkend ausgebildet ist und das flexible
Treibteil den Zylinderdeckel durchsetzt.
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Somit
wird erfindungsgemäß statt
der starren Kolbenstange ein flexibles Treibteil eingesetzt, dass
beliebig nach seinem deckelseitigen Austritt aus dem Zylinder umgelenkt
werden kann. Zum Anheben von Gewichten kann der Zylinder beispielsweise
horizontal eingebaut und das flexible Treibteil mittels einer Rolle
in die Vertikale umgelenkt werden.
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Der
Nachteil, dass solche flexiblen Treibteile nur Zugkräfte und
keine Druckkräfte übertragen
können,
wird dadurch vermieden, dass als flexibles Treibteil ein Umschlingungsgetriebe
vorgesehen ist, wobei an jeder Seite des Kolbens je ein Ende des
flexiblen Treibteils befestigt ist. Durch diese Ausgestaltung kann
der Kolben aufgrund der auf beiden Seiten gleichgroßen Fläche gleiche
Kräfte
in beiden Bewegungsrichtungen übertragen.
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In
einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass als flexibles
Treibteil ein Umschlingungsgetriebe vorgesehen ist, wobei an jeder
Seite des Kolbens eine Umlenkrolle für das flexible Treibteil angeordnet
ist und an jedem Ende des Zylinders ein Ende des Treibteils befestigt
ist. Die Führung
des Treibteils entsprich in analoger Weise dem Prinzip des Flaschenzuges.
Es erfolgt eine Übersetzung
des Kolbenweges, so dass der Verschiebeweg des Mitnehmers doppelt
so groß ist
wie der des Kolbens.
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Der
mögliche
Verschiebeweg lässt
sich mit Vorteil parallel zum Zylinder anordnen, wenn an den Zylinderenden
Umlenkrollen für
das flexible Treibteil angeordnet ist. Solche Bauformen sind besonders raumsparend.
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Die
Vorspannkräfte
für das
flexible Treibteil lassen sich bequem aufbringen, wenn mindestens eine
Umlenkrolle zur Vorspannung des Treibteils verstellbar und/oder
federnd ausgebildet ist.
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Dadurch,
dass das flexible Treibteil einen Querschnitt aufweist, der etwa
elliptisch geformt ist, wobei vorzugsweise die Hauptachse der Ellipse
parallel zur Achse der Umlenkrolle ausgerichtet ist, lassen sich
die Durchmesser der Umlenkrollen verkleinern. Dadurch wird der Raumbedarf
des linearen Triebs verringert. Der Querschnitt kann auch als flaches
Oval geform sein, was eine besonders enge Umlenkung ermöglicht.
Aufgrund der etwa elliptischen Form des flexiblen Treibteils bleibt
trotzdem eine sichere Abdichtung gegenüber dem im Zylinder herrschenden
Innendruck möglich.
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Das
Treibteil kann hohe Kräfte übertragen, weil
das flexible Treibteil aus innenliegenden Fasersträngen und
einem diese umhüllenden
Kunststoffmantel aufgebaut ist. Dabei werden die innenliegenden
Stränge
aus Kohlenstofffasern oder Glasfasern gebildet, die eine besonders
hohe Festigkeit aufweisen. Der äußere Mantel
wird bevorzugt aus Polyethylen oder TFE gebildet, so dass nur geringe Stick-Slip-Effekte
und eine geringe Reibung vorliegt.
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Das
flexible Treibteil wird darüber
hinaus dadurch geschützt,
dass der Kolben mit einer Endlagendämpfung versehen ist. Spannungsspitzen
beim Anfahren der Endlagen werden dadurch vermieden.
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Etwaig
austretendes Lecköl
wird sauber aufgefangen, weil die Umlenkrollen des Zylinders innerhalb
eines geschlossenen Raumes angeordnet sind, der vorzugsweise eine
Leckölleitung
aufweist.
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Mit
Vorteil werden auch Biegekräfte,
die das flexible Treibteil belasten könnten, dadurch vermieden, dass
der Mitnehmer geführt,
vorzugsweise mittels einer Kugelschienenführung geführt ausgebildet ist.
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Eine
besonders günstige
Konstruktion ergibt sich, wenn die Kugelschienenführung seitlich
vom Zylinder symmetrisch zum flexiblen Treibteil angeordnet ist.
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Dadurch,
dass mindestens ein Abstreifer und/oder ein Abdeckband für das flexible
Treibteil vorgesehen ist, wird wirkungsvoll das Eindringen von Schmutz
in die Räume
zwischen beweglichen Tilen verhindert.
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Wenn
das Treibteil als ein umlaufend in sich geschlossenes, mit Kugeln
gefülltes
Kugelführungsrohr
ausgebildet ist, ergeben sich zahlreiche Vorteile. Im Gegensatz
zum Umschlingungsgetriebe werden durch die Kugeln ausschließlich Druckkräfte übertragen.
Die übertragbaren
Kräfte
können
dabei sehr groß sein
und werden nur durch die Festigkeit des Materials von Kugeln und
Kugelführungsrohr
begrenzt. Das Treibteil weist außer den Kugeln keine anderen
beweglichen Teile auf. So entfällt
das Umschlingungsgetriebe mit denen Umlenkrollen vollständig. Der
Antrieb wird steifer und somit seine Dynamik für spezielle Einsatzfälle besser.
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Mit
Vorteil weist das Kugelführungsrohr
einen C-förmigen
Querschnitt mit einer spaltförmigen Öffnung an
einer Seite auf. Hierdurch kann ein Mitnehmer in das Kugelführungsrohr
eingreifen und so die Kraft vom Kolben auf die Kugeln und von den
Kugeln wiederum auf den Mitnehmer übertragen werden.
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Indem
der Kolben eine, diesen gegen das Kugelführungsrohr abdichtende, Kolbendichtung
aufweist, ist eine funktionssichere Betriebsweise möglich, da
die beiden Druckräume
des Zylinders vom durch den Kolben sicher getrennt sind.
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Mit
Vorteil kann auch eine magnetische Kopplung zwischen Kolben und
Mitnehmer bzw. zwischen Mitnehmer und flexiblem Treibteil vorgesehen sein.
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Die
Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme
auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere Vorteile
der Einzelheiten in Figuren der Zeichnungen zu entnehmen sind. Funktionsmäßig gleiche
Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die
Figuren zeigen im einzelnen:
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1 einen
Axialschnitt durch einen Linearantrieb, bei dem das flexible Treibteil
am Kolben fixiert ist,
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2 einen
Querschnitt durch den Linearantrieb nach 1 entsprechend
Schnittlinie A-A,
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3 einen
Schnitt durch das flexible Treibteil,
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4 einen
Schnitt durch einen anderen Linearantrieb, bei dem das flexible
Treibteil am Zylinder befestigt ist,
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5 einen
Längsschnitt
durch einen Linearantrieb mit Endlangdämpfung,
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6 eine
Seitenansicht des Linearantriebs gemäß 5,
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7 einen
Radialschnitt durch den Linearantrieb gemäß 5 und 6,
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8a einen
Querschnitt durch den Linearantrieb gemäß 8b,
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8b einen
Längsschnitt
durch den Linearantrieb gemäß 8a,
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9 eine
perspektivische Darstellung eines Kugelführungsrohrs,
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10 eine
Aufsicht auf eine Kolbenmitnehmerplatte und
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11 einen
Querschnitt durch eine Kolbenmitnehmerplatte gemäß Schnittlinie A-A in 10.
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In 1 bezeichnet 1 eine
Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Linearantriebs.
Er besteht aus einem Kolben 2, der in einen Zylinder 3 verschieblich
geführt
ist. Die Dichtungen 4 des Kolbens 2 teilen den
Zylinder 3 in zwei Druckräume 5 und 6, die
an den Zylinderenden mittels der Zylinderdeckel 7 und 8 verschlossen
sind. Diese Druckräume
sind über
nicht dargestellte Druckmittelleitungen wechselweise mit Druck beaufschlagbar.
Aufgrund des jeweils herrschenden Druckunterschieds zwischen den beiden
Seiten des Kolbens 2 wird dieser im Zylinder hin- und herbewegt.
Ein flexibles Treibteil 9 ist mit seinen Enden an den gegenüberliegenden
Stirnseiten des Kolbens 2 befestigt und über Umlenkrollen 10 fest
mit einem Mitnehmer 11 verbunden. Die Umlenkrollen 10 sind
in Lagerböcken 12 drehbar
aufgenommen. Die Lagerblöcke 12 sind
mit den Zylinderdeckeln 7, 8 fest verbunden.
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Die
Führung
des Mitnehmers 11 ist aus 2 erkennbar.
Diese Figur zeigt einen Schnitt gemäß Schnittlinie II-II in 1.
Der Mitnehmer 11 ist fest mit einer Hülse 13 verbunden,
die auf dem äußeren Umfang
des Zylinders 3 geführt
ist. Die Hülse wird
ihrerseits von einem Schutzrohr 14 umhüllt. Das Schutzrohr 14 ist
im Bewegungsbereich des Mitnehmers 11 mit einer schlitzförmigen Öffnung versehen, die
gleichzeitig den Mitnehmer 11 führt.
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In
dieser Schnittansicht ist erkennbar, dass in diesem Falle zwei Treibteile 9 parallel
angeordnet sind, wobei die Treibteile 9 einen kreisrunden
Querschnitt aufweisen.
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Bevorzugt
werden jedoch Treibteile verwendet, wie sie in 3 dargestellt
sind. Ein derartiges Treibteil weist einen annähernd elliptischen Querschnitt
auf, so dass die Hauptachse 16 größer ist als die andere Achse 17 des
elliptischen Querschnitts. Das Treibteil 9 ist ein Verbundteil,
das aus innenliegenden Fasersträngen 18 besteht,
die von einer Kunststoffhülle 19 allseitig
bedeckt sind. Die Faserstränge 18 bestehen
ihrerseits aus einer großen
Anzahl hochfester Fasern. Mit Vorteil werden Glasfasern oder Kohlenstofffasern
eingesetzt. Es können jedoch
auch Stahlfasern eingesetzt werden.
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Die
Umlenkrollen 10, die in den stirnseitig an den Zylinderdeckeln
angeordneten Lagerböcken 12 drehbeweglich
aufgenommen sind, drehen sich um die Umlenkachsen 20. Parallel
zu diesen Umlenkachsen 20 ist die Hauptachse 16 des
flexiblen Treibteils 9 angeordnet. Dadurch können die
Durchmesser der Umlenkrollen 10 kleiner gehalten werden.
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Da
die Treibteile 9, die Zylinderdeckel 7,8 durchsetzen,
sind zusätzlich
Dichtungen 21 vorgesehen, die beispielsweise den Druckraum 5 gegen
Atmosphäre
abdichten. Damit das nach außen
tretenden Treibteil 9 möglichst
frei von einem Ölfilm
gehalten wird, ist zusätzlich
der Abstreifer 22 vorgesehen. Dadurch wird das Anhaften
von Staubteilchen an dem Treibteil vermindert und die Lebenserwartung der
eingesetzten Dichtung 21 erhöht.
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Zur
Vermeidung von Stößen, die
möglicherweise
die Lebensdauer des flexiblen Treibteils herabsetzen könnten, ist
zusätzlich
eine Endlagendämpfung
des Kolbens 2 vorgesehen. Zu diesem Zweck trägt der Kolben
zwei Dämpfungszapfen 23,
die in Sackbohrungen 24 am Ende des Hubes einfahren, so
dass sich zwischen den Zapfen 23 und der Sackbohrung 24 ein
Drosselspalt ausbildet, der die Bewegung des Kolbens 2 in
seine Endlage bremst.
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In 4 ist
eine alternative Ausführungsform dargestellt,
bei der eine Übersetzung
des Kolbenhubes nach Art eines Flaschenzuges erfolgt. Zu diesem Zweck
sind im Kolben 2 an seinen Enden zwei zusätzliche
Umlenkrollen 10 vorgesehen, um die das flexible Treibteil 9 geschlungen
ist. Die Enden des flexiblen Treibteils 9 sind dabei an
den Zylinderdeckeln 7 und 8 befestigt. Die Druckräume 5 und 6 werden über die
Druckmittelleitungen 25 und 26 mit Druckmitteln
versorgt. Durch die in 4 dargestellte spezielle Führung des
flexiblen Treibteils, das von dem Zylinderdeckel um die Umlenkrolle
des Kolbens 2 herum durch den Zylinderdeckel um die in
den Lagerblöcken 12 vorgesehene
Umlenkrolle 10 an den Mitnehmer 11 heran geführt ist,
macht der Mitnehmer 11 die doppelte Strecke des Kolbens 2.
Auf diese Weise kann die gesamte Strecke des Zylinders von dem Mitnehmer 11 überfahren
werden.
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In 5 ist
ein Linearantrieb gemäß 1 detaillierter
dargestellt. Das flexible Treibteil 9 ist im Gegensatz
zu 1 dabei in Zentrum des Kolbens 2 angebracht,
so dass der Kolben keine Kippkräfte
erfährt.
Die Umlenkrollen 10 sind dabei in einem von Deckel 25 verschlossenen
Raum 26 angeordnet, so dass in den Raum 26 hineingeschlepptes
oder leckendes Öl
durch eine nicht dargestellte Leckageleitung abgeführt werden
kann. In der Seitenansicht der 6 sind die
Austrittsöffnungen
der Leckageleitung mit 28 bezeichnet, während die Druckmittelleitungen die
Bezugsziffer 27 tragen.
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Die
Umlenkrollen 10 sind in den Rollen 26 verschieblich
in einer Lagergabel 29 geführt. Die Drehachse der Umlenkrolle 10 kann
mittels Druckschraube 30 in Achsrichtung des Linearantriebs
verstellt werden. Diese Verstellung dient dazu, das Treibteil 9 soweit
vorzuspannen, dass es in beiden Richtungen und bei jeder Last noch
eine gewisse Vorspannung beibehält.
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In
den 6 und 7 ist eine alternative Führung für den Mitnehmer 11 dargestellt.
Der Mitnehmer 11 ist nicht, wie in 2 gezeigt,
durch eine Hülse
geführt,
sondern durch zwei seitlich am Zylinder 3 angeordnete Führungsschienen 31,
die mittels Schrauben 32 mit dem Zylinder 3 verschraubt
sind. Auf den Schienen 31 laufen Kugelschlitten 33,
die ihrerseits fest mit dem Mitnehmer 11 verbunden sind. Das
flexible Treibteil 9 läuft
dabei in einer Nut 34, die von einem Band 35 abgedeckt
wird, so dass das Treibteil 9 vor Schmutz geschützt ist.
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8a zeigt
einen Linearantrieb 1 mit Kugelantrieb in der Ebene des
Mitnehmers 11. Hierbei weist der Zylinder 3 zwei
oben angeordnete Führungsschienen 31 auf,
auf denen der Kugelschlitten 33 des Mitnehmers 11 über Kugeln
verschieblich gelagert ist. Unterhalb des Mitnehmers 11 ist
der Mitnehmerschlitten 39 angeordnet, über den die Kraft vom Treibteil 9 auf
den Mitnehmer 11 übertragen wird.
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8b zeigt
dieselbe Ausführungsform
des Linearantriebs im Axialschnitt. Hierbei wird die Kraft vom Kolben 2 auf
den Mitnehmer 11 mittels des Treibteils 9 übertragen,
wobei dieser als mit Kugeln 37 gefülltes Kugelführungsrohr 36 ausgeführt ist.
Mittels der Kolbendichtung 41 ist eine sichere Trennung der
im Zylinder beidseitig des Kolbens vorhandenen Druckräume sowohl
gegen den Zylinder als gegen das Kugelführungsrohr 36 gewährleistet.
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Die 9 zeigt
das Kugelführungsrohr 36 in perspektivischer
Ansicht. Das Rohr weist an einer Seite eine spaltförmige Öffnung 40 auf,
durch die in das Kugelführungsrohr 36 eingegriffen
werden kann. Hierdurch ist die Kraftübertragung vom Kolben 2 auf die
Kugeln 37 und von den Kugeln 37 wiederum über den
zwischen den Kugeln eingespannten Mitnehmerschlitten 39 auf
den Mitnehmer 11 möglich.
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10 zeigt
die Mitnehmerplatte 38 und die Öffnung 43 für das durchlaufende
Kugelführungsrohr 36 in
der Aufsicht und 11 im Schnitt. Über die Mitnehmerplatte 38 wird
die Kraft des Kolbens auf die Kugeln übertragen. In der Mitnehmerplatte 38 ist
vorzugsweise auch eine Dichtung vorgesehen, die den Spalt zwischen
der C-förmigen Öffnung 43 und
der diese durchdringenden Führungsrohr
abdichtet. Im eingebauten Zustand liegen die Kugeln im Zentrum de
Mitnehmerplatte an und spannen diese zwischen sich ein. Die für die Kugeln
vorgesehenen Umlenkkanäle 42 stehen
mit nicht dargestellten Leckageleitungen in Verbindung, die in den
Lagerböcken 12 vorgesehen
sind und das zwischen den Kugeln mitgeschleppte Öl zurückführen.
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Auf
diese Weise ist ein sehr kompakt bauender Linerantrieb geschaffen
worden, der universell einsetzbar ist.
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- 1
- Linearantrieb
- 2
- Kolben
- 3
- Zylinder
- 4
- Dichtung
- 5
- Druckraum
- 6
- Druckraum
- 7
- Zylinderdeckel
- 8
- Zylinderdeckel
- 9
- Treibteil
- 10
- Umlenkrolle
- 11
- Mitnehmer
- 12
- Lagerbock
- 13
- Hülse
- 14
- Schutzrohr
- 15
- Öffnung
- 16
- Hauptachse
- 17
- Achse
- 18
- Faserstrang
- 19
- Kunststoffhülle
- 20
- Umlenkachse
- 21
- Dichtung
- 22
- Abstreifer
- 23
- Zapfen
- 24
- Sackbohrung
- 25
- Deckel
- 26
- Raum
- 27
- Druckmittelleitung
- 28
- Leckageleitung
- 29
- Lagergabel
- 30
-
- 31
- Führungsschiene
- 32
- Schraube
- 33
- Kugelschlitten
- 34
- Nut
- 35
- Band
- 36
- Kugelführungsrohr
- 37
- Kugeln
- 38
- Mitnehmerplatte
- 39
- Mitnehmerschlitten
- 40
- Spalt
- 41
- Kolbendichtung
- 42
- Umlenkkanal
- 43
- Öffnung