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Die
Erfindung bezeichnet eine druckmittelbetriebene Hubvorrichtung,
die in hydraulisch betriebenen Hebezeugen eingesetzt werden kann,
bei denen im Falle des Ausfalls der Druckenergie eine mechanische
Sperrung der Bewegung einer Kolbenstange erforderlich ist.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Sperrsysteme zum Blockieren
der Bewegung einer Kolbenstange, können in zwei wesentliche Gruppen eingeteilt
werden.
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Der
ersten Gruppe können
solche Sperrsysteme zugeordnet werden, bei denen eine Sperreinrichtung
direkt mit der Kolbenstange eines linearen Druckstromverbrauchers
zusammenwirkt.
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Hierfür bekannte
mechanisch wirkende Sperrsysteme beruhen auf einer form- oder kraftschlüssige Blockierung
der Bewegung der Kolbenstange, wobei kraftschlüssige Systeme überwiegen.
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Aus
der Druckschrift
DE
38 07 669 C2 ist eine Sperreinrichtung für einen
stufenlos verstellbaren Arbeitszylinder mit einer mechanischen Sperreinrichtung
bekannt, der in der Lage ist, seine Position unter Last in beliebiger
Zwischenstellung zuverlässig zu
halten. Erzielt wird diese Wirkung mittels einer hohlen Kolbenstange
mit einer Innenprofilierung, in der eine verschiebbare, axial federbelastete
Stange mit einem Kugelumlaufkanal mit Kugeln, die in die Profilierung
der Kolbenstange eingreifen, angeordnet ist. Die Stange ist mit
einem Betätigungskolben
in einem Betätigungszylinder
verbunden, der die Stange bei Druckbeaufschlagung mit dem Druckmedium
des Arbeitszylinders so verschiebt, dass die Kugeln ungehindert
umlaufen können
und im Falle des Druckabfalls in Sperrstellung gebracht werden,
somit die Kolbenstange an der weiteren Bewegung gehindert ist.
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Beispiele
für die
Nutzung von Klemmköpfen, die
auf die Kolbenstange einwirken und deren Bewegung verhindern, finden
sich unter anderem in den Druckschriften
DE 35 10 643 A1 und
DE 38 11 225 C2 .
Klemmköpfe
werden als externe Baueinheiten mit einem Arbeitszylinder gekoppelt,
deren Klemmelement, ein unter Federvorspannung stehender und von
einem Servokolben zur Entriegelung verschiebbarer Klemmkörper, bei
Ausfall des Drucks eines Mediums von Aussen auf die Kolbenstange
einwirkt und diese fixiert.
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Auf
dem gleichen Prinzip beruht die Vorrichtung zur Klemmung einer axial
bewegten Stange nach der Druckschrift
DE 37 07 046 A1 . Die Klemmung erfolgt mittels
einer Klemmhülse
mit Aussenkonus, auf den der Innenkonus eines unter Federvorspannung
stehenden, axial verschiebbaren Kolbens wirkt. Zum Freigeben der
Bewegung der Stange wird der Druck eines Fluids auf den Kolben gegeben,
wodurch die Klemmhülse
gegen die Federvorspannung verschoben, die Klemmung aufgehoben wird
und die Stange dadurch axial verschiebbar ist.
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Einen
Arbeitszylinder mit hohler Kolbenstange, deren Sperrfläche im Inneren
angeordnet ist, wird in der Druckschrift
DE 33 07 644 A1 beschrieben.
In die hohle Kolbenstange ist eine Vorrichtung zur kraftschlüssigen Klemmung
eingebaut, wobei Klemmsegmente mit Reibbelägen an einem Stützrohr durch
einen Konus an einer Betätigungsstange,
die mit einem Steuerkolben in einem Steuerzylinder verbunden und über eine
Feder in die Klemmstellung vorgespannt ist, zur Blockierung gegen
die Innenwand der Kolbenstange gepresst werden.
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Bei
Ausfall des Betriebsdrucks des Fluids wirkt die Feder über den
Konus und infolge dessen ist die freie Bewegung der Kolbenstange
blockiert.
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Eine
weiter Klemmvorrichtung zur Verriegelung einer Kolbenstange einer
Kolben-Zylinderanordnung wird in der Druckschrift
DE 38 10 183 A1 beschrieben.
Die Klemmvorrichtung ist im Kolben angeordnet, wobei druckabhängig radial
bewegliche innere Scheibensegmente den Kolben entsperren. Bei anliegendem
Druck des Arbeitsmediums ist die freie Bewegung des Kolbens gegeben.
Bei Druckausfall werden die Scheibensegmente mittels Federn radial in
Richtung der Innenmantelfläche
des Zylinderrohrs verschoben, wirken klemmend und haben eine Sperrung
der Bewegung der Kolbenstange zur Folge.
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Aus
der Druckschrift
EP
1 170 512 B1 ist ein druckmittelbetriebener Arbeitszylinder
mit mechanischer Wegsperrung im drucklosen Zustand bekannt, bei
dem die Sperrung mittels des Zusammenwirkens der Verzahnung zweier
Stirnräder
als Sperrelemente erfolgt. Eines der Stirnräder ist feststehend mit dem Gehäuse des
Arbeitszylinders und das Andere mit einer rotierend angeordneten
Gewindespindel großer Steigung
oder der Spindel eines Kugelgewindetriebs. Bei Druckbeaufschlagung
des Arbeitszylinders setzt sich die Gewindespindel in rotierende
Bewegung nachdem die Verzahnungen der Stirnräder außer Eingriff gebracht wurden,
somit die Entsperrung erfolgt ist. Das an der Gewindespindel angeordnete Stirnrad
ist mit dieser formschlüssig,
verschiebbar und axial federnd gelagert. Bei Druckausfall verschiebt
sich durch die Wirkung einer Feder dieses Stirnrad so, dass dessen
Verzahnung mit der des feststehenden Stirnrads in Eingriff kommt,
wodurch es zur Sperrung, dem Blockieren der Bewegung der Kolbenstange
kommt.
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Nachteilig
sind an dieser Lösung
insbesondere der relativ hohe Fertigungsaufwand sowie ein verringerter
Wirkungsgrad des Arbeitszylinders.
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Der
zweiten Gruppe angehörig
sind Sperrsysteme, die indirekt über
eine formschlüssige
Kopplung der Kolbenstange mit einem Gewindespindeltrieb mit Selbsthemmung
als Sperreinrichtung wirken. Die Kopplung der Kolbenstange mit einer
Gewindespindel erfolgt zumeist mittels einer zur Gewindespindel
passenden Mutter, die fest gelagert sein kann, wobei die Gewindespindel
die axiale Bewegung der Kolbenstange bewirkt, oder die Mutter ist als
Laufmutter ausgebildet und die axiale Bewegung der Kolbenstange
wird durch diese bewirkt.
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Eine
vermittels der Kolbenstange zu bewegende Last ist somit stets an
das die axiale Bewegung der Kolbenstange bewirkende Getriebeglied des
Spindeltriebs gekoppelt.
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Bei
derartigen Spindelhubelementen wird über eine zwischengeschaltete
Getriebeeinheit und mittels einer geeigneten Antriebseinheit die
selbsthemmende Spindel in rotierende Bewegung versetzt, wodurch über eine
geführte
Laufmutter oder axial verschobene Spindel die Last an der Kolbenstange bewegt
wird. Auf Grund der formschlüssigen
Kopplung des beweglichen Teils der Hubvorrichtung mit selbsthemmenden
Spindel, wird bei Ausfall der Druckenergie die Bewegung der Kolbenstange
blockiert und eine Last dann in der aktuellen Position gehalten.
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Eine
andere Ausführungsform
selbsthemmender Getriebe stellen sogenannte Rollengewindetriebe
dar, die kinematisch ähnlich
wie Spindeltriebe wirken und als Planetenrollentrieb oder Rollengewindetrieb
ausgeführt
sein können.
Der Unterschied zwischen beiden Arten besteht lediglich in der Ausführung der
Rollen und deren Lagerung in einer Laufmut ter. Die Rollen von Planetenrollentrieben
weisen ein Gewinde auf, die Rollen als Sperrelemente von Rollengewindetrieben
sind mit Rillen am Umfang versehen.
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Bekannte
Spindelhubelemente mit selbsthemmender Gewindespindel als Sperrvorrichtung lassen
keine vorgegebene exakte axiale Positionierung zu und sind in der
Herstellung aufwendig.
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Ebenso
aufwändig
sind Planetenrollentriebe oder Rollengewindetriebe, die zudem noch
einen geringen Wirkungsgrad aufweisen.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine druckmittelbetriebene Hubvorrichtung
mit selbsthemmender Gewindespindel zu entwickeln, deren Wirkungsgrad
erheblich größer ist
als bei bisher bekannten Systemen mit mechanischer Wegsperrung.
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Die
Aufgabe wird durch die im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale
gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine
erfindungsgemäße druckmittelbetriebene
Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel besteht im Wesentlichen
aus einem linearen Druckstromverbraucher in Form eines Arbeitszylinders,
dessen partiell hohle Kolbenstange formschlüssig mit einem Gewindespindeltrieb
mit Selbsthemmung als Sperreinrichtung zusammenwirkt und mit einem
rotierenden Druckstromverbraucher mit einer Abtriebswelle gekoppelt
ist. Die Kolbenstange des linearen Druckstromverbrauchers ist über die
selbsthemmende Gewindespindel, die mit der Abtriebswelle des rotierenden
Druckstromverbrauchers form- und
kraftschlüssig
verbunden ist, mit dem rotierenden Druckstromverbraucher gekoppelt.
Bei gleichzeitiger Zuführung
von Druckenergie an beide Druckstromverbraucher er folgt die axiale
Bewegung einer Last an der Kolbenstange in der Hauptachse der Hubvorrichtung.
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Die
Bewegung der Last an der Kolbenstange erfolgt ausschließlich mittels
des linearen Druckstromverbrauchers, indem der zu dem jeweiligen Druckstromverbraucher
geleitete Fluidstrom so gesteuert wird, dass der rotierende Druckstromverbraucher
lediglich die selbsthemmende Gewindespindel drehzahlgesteuert, entsprechend
der Geschwindigkeit der axialen Bewegung der Kolbenstange, mit geringster
Reibung nachführt.
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Die
Drehzahl der selbsthemmenden Gewindespindel ist somit der Geschwindigkeit
der axialen Bewegung der Kolbenstange angepasst und von der Steigung
des Gewindes der selbsthemmenden Gewindespindel abhängig. Die
dem rotierenden Druckstromverbraucher zuzuführende Fluidmenge ist hierdurch
bestimmt, womit der Abgleich zwischen der axialen Bewegung der Kolbenstange
und der Nachführung
der selbsthemmenden Gewindespindel gewährleistet ist und die Last
an der Kolbenstange nur bzw. nahezu nur, mittels des linearen Druckstromverbrauchers
an der Kolbenstange bewegt wird.
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Da
der Wirkungsgrad des linearen Druckstromverbrauchers beim axialen
Bewegen der Kolbenstange wesentlich größer als dieser beim Bewegen
der Kolbenstange mittels der selbsthemmenden Gewindespindel ist,
erhöht
sich der Gesamtwirkungsgrad der Hubvorrichtung in dem Maße, in dem der
Abgleich der Zuführung
des Fluidstroms zu den beiden Druckstromverbrauchern vorliegt, so
dass die selbsthemmende Gewindespindel nur in dem Maße mit Überwindung
der inneren Reibung nachgeführt werden
muss, ohne dass diese an der eigentlichen Bewegung der Last an der
Kolbenstange beteiligt ist.
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Der
optimale Abgleich der jeweiligen Menge der Zuführung des Fluidstroms zum linearen
Druckstromverbraucher und dem rotierenden Druckstromverbraucher
erfolgt durch Teilung des zugeführten Fluidstroms
des Druckmediums, wobei in den Zuführungsleitungen zu den Druckstromverbrauchern,
vorzugsweise in der Zuführungsleitung
zum linearen Druckstromverbraucher ein Stromstellventil angeordnet
ist, mit dem der Teilfluidstrom gedrosselt wird und die Geschwindigkeit
der axialen Bewegung der Kolbenstange des linearen Druckstromverbrauchers
mit der Drehzahl der, vom rotierenden Druckstromverbraucher angetriebenen,
selbsthemmenden Gewindespindel synchronisiert wird.
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Eine
optimale Abgleichung des Fluidstroms zum rotierenden Druckstromverbraucher
und dem linearen Druckstromverbraucher liegt vor, wenn folgende
mathematische Beziehungen erfüllt
sind:
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Es
bedeuten hierin:
- QAZ
- = Zustrommenge zum
linearen Druckstromverbraucher
- QR
- = Zustrommenge zum
rotierenden Druckstromverbraucher
- AAZ
- = Kolbenfläche des
linearen Druckstromverbrauchers
- V
- = Schluckvolumen des
rotierenden Druckstromverbrauchers
- ην
- = volumetrischer Wirkungsgrad
- p
- = Steigung der Gewindespindel
- VHub
- = Hubgeschwindigkeit
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Die
Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass der Gesamtwirkungsgrad
der druckmittelbetriebenen Hubvorrichtung wesentlich größer als
der eines rotierenden Druckstromverbrauchers von etwa 35 Prozent
ist, wenn die Last an der Kolbenstange allein über die selbsthemmende Gewindespindel
bewegt werden würde.
Es kann ein Gesamtwirkungsgrad in der Nähe der für einen linearen Druckstromverbraucher
liegenden Größe, der üblicherweise
mindestens 90 Prozent beträgt,
erreicht werden.
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Die
Erfindung wird als Ausführungsbeispiel an
Hand von
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1 als
Halbschnittdarstellung der druckmittelbetriebenen Hubvorrichtung
mit selbsthemmender Spindel und
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2 als
Schnitt im Bereich des rotierenden Druckstromverbrauchers mit Darstellung
der Fluidkanäle
und Bohrungen für
den Zu- und Ablauf des Druckmediums näher erläutert.
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Eine
beispielhaft ausgeführte
druckmittelbetriebene Hubvorrichtung besteht nach 1 im
Wesentlichen aus einem linearen Druckstromverbraucher 1 und
einem rotierenden Druckstromverbraucher 2, die als eine
Baueinheit ausgeführt
und direkt miteinander gekoppelt sind. Der lineare Druckstromverbraucher 1 weist
eine übliche,
partiell hohle Kolbenstange 3 auf, in der eine selbsthemmende
Gewindespindel 4 angeordnet ist, die mit einem Gewindepartner 5 in
einem Arbeitskolben 6 zusammenwirkt. Die Gewindespindel 4 ist
mittels einer kraft- und formschlüssigen Verbindung 7 mit
einer Abtriebswelle 8 des rotierenden Druckstromverbrauchers 2 verbunden.
Die Zu- und Abführung
eines Druckmediums zum Betreiben der druckmittelbetriebenen Hubvorrichtung
erfolgt in bekannter Weise über
einen ersten Anschluss 9 und einen zweiten Anschluss 10,
der in 2 dargestellt ist.
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Wird
bei eingefahrener Kolbenstange 3 über den ersten Anschluss 9 ein
Druckmedium zugeführt, so
wird dieses über
Kanäle 11 Arbeitsräumen mit
Rotorenflügeln 12 in
einer Kurvenscheibe 13 des rotierenden Druckstromverbrauchers 2 zugeführt, wodurch
dieser in rotierende Bewegung versetzt wird. Gleichzeitig erfolgt
die Zuführung
des Druckmediums einem Kolbenraum 14, sodass der Arbeitskolben 6 des
linearen Druckstromverbrauchers 1 die axiale Ausfahrbewegung
der Kolbenstange 3 bewirkt. Die dem rotierenden Druckstromverbraucher 2 zugeführte Menge
des Druckmediumls bestimmt bekanntermaßen dessen Drehzahl und somit
in Abhängigkeit vom
Steigungswert der selbsthemmenden Gewindespindel 4 die
Geschwindigkeit der axialen Bewegung einer Last an der Kolbenstange 3.
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Zur
Optimierung des Wirkungsgrads der druckmittelbetriebenen Hubvorrichtung
mit selbsthemmender Gewindespindel 4 werden die Geschwindigkeit
der ausfahrenden Kolbenstange 3 und die Drehzahl an der
Abtriebswelle 8 des rotierenden Druckstromverbrauchers 2 synchronisiert,
indem die dem Kolbenraum 14 zuzuführende Menge des Druckmediums
mittels eines ersten Stromstellventils 15 im Vorlauf angepasst
wird.
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Das
in einem Kolbenstangenraum 16 vorhandene Druckmedium wird
beim Ausfahren der Kolbenstange 3 über eine Bohrung 17 und
einen Zwischenraum 18 eines doppelwandigen Zylinderrohrs 19 in
einen Umlaufkanal 20 geleitet und nach 2 weiter über eine
Ablaufbohrung 21 und ein Rückschlagventil 22 in
einen Ablaufkanal 23, in den auch das über Bohrungen 24 aus
dem rotierenden Druckstromverbraucher 2 abfließende Druckmedium
zum ablauforientierten zweiten Anschluss 9 geführt wird.
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Der
Wirkungsgrad der druckmittelbetriebenen Hubvorrichtung mit selbsthemmender
Gewindespindel 4 ist dann optimal, wenn die Last an der
Kolbenstange 3 ausschließlich vom linearen Druckstromverbraucher 1 getragen
wird und die Gewindespindel 4 vom rotierenden Druckstromverbraucher 2 lediglich
der Ausfahrbewegung der Kolbenstange 3 nachgeführt wird.
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Zum
Einfahren der Kolbenstange 3 erfolgt die Zuführung des
Druckmediums über
den zweiten Anschluss 10 und der Abstrom des Druckmediums über den
ersten Anschluss 9. Das Druckmedium wird hierbei nach 2 über den
Ablaufkanal 23 dem linearen Druckstromverbraucher 1 zugeführt und über die
Bohrungen 24 dem rotierenden Druckstromverbraucher 2. Über einen
weiteren Kanal 25, den Umlaufkanal 20, den Zwischen raum 18 und
die Bohrung 17 gelangt das Druckmedium in den Kolbenstangenraum 16.
Mittels eines zweiten Stromstellventils 26 wird die Menge
des dem Kolbenstangenraum 16 zuzuführenden Druckmediums angepasst,
um wieder die Drehzahl an der Abtriebswelle 8 des rotierenden Druckstromverbrauchers 2 mit
der Geschwindigkeit der einfahrenden Kolbenstange 3 des
linearen Druckstromverbrauchers 1 zu synchronisieren.
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Die
Stromstellventile 15; 26 sind auch beim Ablaufen
des Druckmediums aus den Räumen 14; 16 wirksam.
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Bei
Ausfall des Drucks des Druckmediums wird die an der Kolbenstange 3 aufgenommene
Last durch die selbsthemmende Gewindespindel 4 im Zusammenwirken
mit dem Gewindepartner 5 im Arbeitskolben 6 gehalten,
da sich die Gewindespindel 3 infolge der Selbsthemmung
nicht mehr drehen kann und somit keine axiale Bewegung der Kolbenstange 3 mehr
möglich
ist.
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Aus
den 1 und 2 gehen weitere Einzelheiten
der druckmittelbetriebenen Hubvorrichtung mit selbsthemmender Spindel
hervor. So ist die Gewindespindel 4 beispielsweise über Kegelrollenlager 27 der
Abtriebswelle 8 des rotierenden Druckstromverbrauchers 2 gelagert,
wobei die Kegelrollenlager 27 in einem linken Außengehäuse 28 gelagert
sind. Das linke Außengehäuse 28 ist über ein
Mittelgehäuse 29 und
die Kurvenscheibe 13 mit einem rechten Außengehäuse 30 kraft
und formschlüssig
verbunden. Die im linken Außengehäuse 28,
Mittelgehäuse 29 und
rechtem Außengehäuse 30 vorhandenen
vorhandenen Zu- und Ablaufkanäle
in Form der Ablaufbohrung 21 und des weiteren Kanals 25,
werden über Verbindungsrohre 31 miteinander
gekoppelt.
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- 1
- linearer
Druckstromverbraucher
- 2
- rotierender
Druckstromverbraucher
- 3
- Kolbenstange
- 4
- Gewindespindel
- 5
- Gewindepartner
- 6
- Arbeitskolben
- 7
- kraft-
und formschlüssige
Verbindung
- 8
- Abtriebswelle
- 9
- erster
Anschluss
- 10
- zweiter
Anschluss
- 11
- Kanäle
- 12
- Rotorenflügel
- 13
- Kurvenscheibe
- 14
- Kolbenraum
- 15
- erstes
Stromstellventil
- 16
- Kolbenstangenraum
- 17
- Bohrung
- 18
- Zwischenraum
- 19
- doppelwandiges
Zylinderrohr
- 20
- Umlaufkanal
- 21
- Ablaufbohrung
- 22
- Rückschlagventil
- 23
- Ablaufkanal
- 24
- Bohrungen
- 25
- weiterer
Kanal
- 26
- zweites
Stromstellventil
- 27
- Kegelrollenlager
- 28
- linkes
Außengehäuse
- 29
- Mittelgehäuse
- 30
- rechtes
Außengehäuse
- 31
- Verbindungsrohre
