DE2061883A1

DE2061883A1 - Hydraulik- oder Pneumatikarbeitszylinder

Info

Publication number: DE2061883A1
Application number: DE19702061883
Authority: DE
Inventors: H Knebel
Original assignee: AVIAT GmbH
Current assignee: AVIAT GmbH
Priority date: 1970-12-16
Filing date: 1970-12-16
Publication date: 1972-06-22
Also published as: IT940938B; SE373914B; DE2061883C3; FR2118094B1; FR2118094A1; DE2061883B2

Description

Beschreibung
zinn Patentgesuch

der Firma Aviatest GmbH, 4 Düsseldorf, Rather Straße 49

betreffend:
"Hydraulik- oder Pneuniatikarbeitszylinder"

Die Erfindung betrifft einen Hydraulik- oder Pneumatikarbeitszylinder. Solche Arbeitszylinder finden Verwendung, um den Energieinhalt des unter Druck stehenden Mediums in mechanische Arbeit umzusetzen.

In bestimmten Anwendungsfällen ist es wünschenswert, daß der in dem Arbeitszylinder vorgesehene Kolben zunächst im EiI-jang eine gewisse Strecke zurücklegt, wobei der Kraftbedarf an :1s r Kolbenstange nur gering ist, und daß er dann unter verältnismäßig langsamer Verschiebung eine wesentlich größere Kraft tibertragen kann. Ein solches Anwendungsgebiet betrifft beispielsweise Schnellspannvorrichtungen für Werkzeugmaschinen. Die das Werkstück haltende -Kraft muß erheblich größer sein als die nur zur Überwindung der Reibung erforderliche Kraft während des Vor- und Rücklaufs der Spannbacken. Ein weiterer Anwendungsfall liegt auf dorn Sektor· des Antriebs von Präge-, Stanz- und Tiefziehwerkzeugan und dergleichen. Hier ist es erwünscht, daß das Werkzeug

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im Leerlauf bereits durch geringe Kräfte gestoppt werden kann und erst während des eigentlichen Verformungsarbeitsganges eine große Kraft an der Kolbenstange wirksam wird. Wenn nämlich die Bedienungsperson noch ihre Hand zwischen Werkzeug und Werkstück hat, während das Werkzeug bewegt wird, genügt die Bremsung durch die Hand, daß das Werkzeug zum Stillstand kommt, so daß die Unfallgefahr verringert wird.

Um diese Wirkungsweise zu erzielen, hat man bisher den Zylinder so ausgebildet, daß sein Kolben eine erste, kleinere, während des Vorlaufs längs einer Eilgangstrecke mit Mediumdruck beaufschlagte Kolbenfläche sowie eine zweite, größere, während des Vorlaufs längs einer Arbeitsstrecke beaufschlagte Kolbenfläche aufweist und dem Zylinder während des Eilvorlaufs ein Mediumbypass parallelgeschaltet ist, wobei ein Steuerventil die einzelnen Arbeitsgänge umsteuert.

Ein solcher Arbeitszylinder kann beispielsweise einen einfachen Kolben mit Kolbenstange enthalten. Dann sind drei Betriebsarten möglich:

1. Der Kolben ist beidseitig mit Mediumdruck beaufschlagt. Dann bewegt er sich in Richtung der Kolbenstange im Eilgang, weil nur die Kolbenstangenfläche F₁ wirksam ist. Die Kraftabgabe ist gering.

2. Der Kolben wird kolbenstangenseitig entlastet. Dann ist die gesamte Kolbenfläche F_ wirksam; es wird eine im Verhältnis der Kolbenfläche zu der Kolbenstangenfläche vergrößerte Kraft aufgebracht. Bei gleichbleibendem Mediumstrom bewegt sich der Kolben natürlich entsprechend verlangsamt.

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3. Die kolbenstangenseitlge Kolbenfläche let mit Mediumdruck beaufschlagt, die der Kolbenstange abgewandte Seite entlastet, Der Kolben läuft zurück. Wirksam ist F₂-F..

Man erkennt, daß nur «wei der Größen F., F^, F₂-F, frei wählbar sind, woraus sich die dritte zwangsläufig ergibt. Wird beispielsweise eine große Differenz zwischen F, und F, gewünscht, so erfolgt der Rücklauf nahezu mit derselben (geringen) Geschwindigkeit wie der Arbeltshub. Dies 1st ein schwerwiegender Nachteil.

Ein weiterer erheblicher Nachteil dieser Anordnung liegt dadn, daß die Steuermittel - also die Ventile für die Umsteuerung zwischen Betriebsart 1, 2 und 3 - den ge»amten Mediumstrom verarbeiten müssen. Das bedeutet, daß sie in ihren Dimensionen für den Rückstrom aus dem kolbenstangenseitigen Zylinderraum zum der

und umgekehrt Kolbenstange abgewandten ZyIinderraumybemessen sein müssen, um die während des Eilgangs vorgesehene überbrückung ("Bypass") der Kolbenfläche möglichst drosselfrei zu bewirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hydraulik- oder Pneumatikarbeitszylinder mit einem, mit einer Kolbenstange verbundenen, Kolben, der eine erste, kleinere, während des Vorlaufs längs einer Eilgangstrecke mit Mediumdruck beaufschlagte Kolbenfläche sowie eine zweite, größere, während des Vorlaufs längs einer Arbeitsstrecke beaufschlagte Kolbenfläche aufweist, mit einem den Kolben während des Eilvorlaufs überbrückenden Mediumbypass und mit einem Steuerventil für die Mediumsteuerung zu schaffen, bei demVfür die Geschwindigkeiten und Kräfte während der einzelnen Betriebszyklen maßgebenden Kolbenflächen frei wählbar sind und insbesondere die Steuerventile nur für einen Teilstrom des gesamten umgewälzten Medium« bemessen zu werden bnauchen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Bypass den Kolben nur auf der Eilgangätrecke überbrückt und

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dauernd mit Mediundruck beaufschlagt ist, und daß der Kolben einen Hilfskolben größerer Querschnittsfläche als die Kolbenstange auf der dieser abgewandten Seite aufweist, dem ein an das Steuerventil angeschlossener Hilfszylinder zugeordnet ist.

Während bei den herkömmlichen Arbeitszylindern die Umsteuerung zwischen Eilgang und Arbeitsgang zeitabhängig, nämlich durch Betätigung des bzw, der Steuerventile erfolgt, wird bei der erfindungsgemäßen Ausbildung die Umsteuerung kolbenwegabhängig durchgeführt. Das bedeutet, daß die Eilgangstrecke fest durch die Mündungspunkte des Bypasses in den Zylinder vorgegeben ist, wobei der Bypass vorteilhafterweise einfach dadurch ausgebildet sein kann, daß der Zylinder innen auf der gesamten Eilgangstrecke mit Übermaß ausgedreht wird, so daß der Kolben von dem Medium frei umströmt wird. Auf diese Weise sind die Drosselverluste gering zu halten, und der Zylinder behält seine einfache Grundform bei. Denn da der Bypass ja dauernd - das heißt also, sowohl während des gesamten Vor- als auch während des gesamten Rücklauf* des Kolbens - mit Druck beaufschlagt ist, brauchen keine Steuereingriffe vorgenommen zu werden, und der Bypass braucht gar nicht aus dem Zylinderinneren herausverlegt zu werden.

Es soll nun - analog zu der obigen Untersuchung - analysiert werden, welche Flächen für die einzelnen Betriebsarten wirksam sind. Die vom Kolben wegzeigende Richtung der Kolbenstange soll dabei als positiv definiert sein.

Ellgang:

Auf der der Kolbenstange abgewandten Seite des Kolbens ist die um die Hilfskolbenfläche F_ verringerte Kolbenfläche F₂ über den Bypass mit Druck beaufschlagt, und der Hilfskolben selbst ist über das Steuerventil unter Druck gesetzt. Kolbenstangenseitig steht die um die Kolbenstangenfläche F, verringerte Kolbenfleiche

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unter Druck, und zwar ebenfalls über den Bypass. Auf den Kolben wirken mithin Kräfte proportional der Größe

^FE ^{= (}V^F3^} + ^(F3> * ^(P2"^Fi^} " ^Fl' ' ■

und zwar in vom Kolben wegzeigender Richtung der Kolbenstange, weil dieseKraftrichtung als positiv definiert wurde.

Arbeitsgang:

Sobald der Kolben die Mündung des Bypasses überläuft, also etwa das Ende der Ausdrehung im ZyIInderinneren erreicht, und in einen Zylinderabschnitt einläuft, in dem der Kolben die vor und hinter ihm liegenden Sylinderräume gegeneinander abdichtet, soll der Arbeitsgang beginnen. Su diesem Zweck muS der Zylinderraam auf der Kolbanstangenseite druckentlastet werden. Dies kann in herkömmlicher Weise geschehen, beispielsweise durch Betätigen eines Hilfsventils oder - noch einfacher - durch überlaufen eines v/eiteren Steuerschlitzes durch die Kolbenstange, die zu diesem Zweck einen Abschnitt verringerten Durchmessers aufweisen kann. Die über die Kolbenstange wirksame Kraft ist dann wiederum den wirksamen Flächen proportional ,:

Rücklauf:

Das Steuerventil wird umgelegt, so daß der kolbenstangenseitige Zylinderraum unter Druck gesetzt wird, der Hilfszylinderraum druckentlastet wird. Der der Kolbenstange abgewandte Zylinderraum steht nach wie vor - über den Bypass - unter Druck. Die Rücklaufkraft ist folglich proportional

|F_R = - (F₂-F₁) +(F₂-F₃) = - (F₃-F₁)

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Man erkennt, daß die Kräfte für jeden einzelnen der drei Betriebszyklen frei wählbar sind, da drei unabhä^nig voneinander wählbare Flächen zur Verfügung stehen· Eine Einschränkung ergibt sich aus der Rücklaufgleichung, nämlich die, daß der Hilfskolben eine größere Fläche F₃ aufweisen muß als die Kolbenstange, da sonst kein Rücklauf erfolgt·

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird der Hilfskolben als Ringkolben ausgebildet· Dann lassen sich, wie später noch gezeigt wird, die Abmessungen der Kolbenstange und des Hilfskolbens trotz gewünschter Differenzen der wirksamen Flächen noch so wählen, daß bei den hohen auftretenden Kräften keine unzulässig hohe Knickbeanspruchung auftritt.

Wie oben erwähnt wurde, muß die Druckentlastung des kolbenstangenseitigen Zylinderraums gleichzeitig mit dem Einlauf des Kolbens in die Arbeitsstrecke des Zylinders erfolgen. Andererseits sind hierfür getrennte Steuermittel vorgesehen, so daß nicht auszuschließen ist, daß kurzzeitig das kolbenstangenseitige Zylindervolumen völlig von dem Mediumkreislauf abgetrennt ist. Dies ist bei Hydraulikzylindern - bei denen das Medium praktisch als inkompressibel betrachtet werden kann - offensichtlich unzulässig , bei Pneumatikzylindern zumindest unerwünscht, weil die Kolbendichtung stark beansprucht wird. Deshalb ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß solche Zylindervolumina über einfache Rückschlagventile entlastet werden.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des Arbeitszylinders gemäß der Erfindung in halbschematischera Längsschnitt, wobei die einzelnen Darstellungen la bis If sich auf zeitlich aufeinanderfolgende Stellungen des Kolbens beziehen} «*hr

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die Anschlußleitungen sind schraffiert dargestellt, soweit sie unter Druck stehen*

Fig. 2 zeigt in Diagrammform die Abhängigkeit der Kolbengeschwindigkeit, der wirksamen Kraft an der Kolbenstange und der Durchflußmenge des Mediums von dem Kolbenweg, und

Fig. 3 stellt eine zweite, bevorzugte Ausführungsform des Arbeitszylinders gemäß der Erfindung dar.

Der Arbeitszylinder gemäß Fig. 1 umfaßt einen Zylinder IO mit angesetztem oder einstückig verbundenem Hilfszylinder 12. Die zugehörige Kolbenanordnung umfaßt den Kolben 14, die Kolbenstange 16 und den Hilfskolben 18_r der mit dem Kolben 14 fest verbunden sein kann.

Der Zylinder 10 weist eine Ausdrehung 20 auf, durch die ein Bypass zwischen dem kolbenstangenseitigen Zylinderraum 22 und dem der Kolbenstange abgewandten Zylinderraum 24 gebildet wird, da das Medium den Ringspalt 25 praktisch drosselfrei durchströmt.

An ein Steuerventil 30 ist einerseits der Hilfszylinderraum 32, andererseits eine Steuerkammer 34 angeschlossen, die während des Eilvorlaufs (Fig. la) durch die Kolbenstange 16 vom Mediumkreislauf abgetrennt ist.

Die Ausdrehung 20 ist über einen Durchlaß 40 dauernd an die Druckseite einer (nicht dargestellten) Mediumpumpe angeschlossen.

Fig. la zeigt die Stellung des Kolbens unmittelbar nach der Umschaltung des Ventils 30. Wie oben erläutert, bewegt sich der Kolben mit der Kolbenstange und dem Hilfskolben jetzt im Eilgang nach link·, wobei das Medium in den Zylinderräumen 22, 24 den

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Kolben 14 frei umströmt. Die Pumpe hat nur die Mediummenge entsprechend dem Volumen der Kolbenstange zu liefern, und das Steuerventil braucht auch nur entsprechend klein bemessen zu sein.

Schließlich läuft der Kolben 14 in den Zylinderbereich, in dem die Ausdrehung 20 nicht vorhanden ist, so daß er die Zylinderräume 22, 24 gegeneinander abdichtet. Nun soll selbsttätig der übergang zum Arbeitsgang erfolgen, zu welchem Zweck der Zylinderraum 22 druckentlastet werden muß. Hierfür waist die Kolbenstange 16 einen Abschnitt 50 verringerten Durchmessers auf, und die Schulter zwischen der Kolbenstange 16 und dem Abschnitt 50 soll möglichst in derselben Kolbenstellung, in der die Abdichtung der Zylinderräume 22, 24 durch den Kolben 14 stattfindet, in die Steuerkammer 34 einlaufen, die ja an den Rücklaufzweig des Ventils 30 angeschlossen ist. Da aber diese "Gleichzeitigkeit¹¹ in der Praxis nicht verwirklichbar ist, weiftt der Zylinderraum 22 einen eigenen Auslaß 52 auf, der über ein Rückschlagventil 54 an den Bypass bzw. an die Leitung 42 gelegt ist. Das Rückschlagventil ist erforderlich, weil ja nach einer weiteren kurzen Vorlaufstrecke der Arbeitsgang beginnt, wenn die Steuerkammer 34 mit dem Zylinderraum 22 korrmuniziert (siehe Fig. Ic). Es versteht sich, das anstelle des Abschnitts 50 und der Steuerkammer 34 auch eine andere Anordnung gewählt

drucklos?

werden könnte, um den Zylinderraum 22 an die Baaggeite des Ventils 30 zu legen, beispielsweise ein kolbenstangenbetätigter Schieber, der den Durchlaß 52 dann mit dem Rücklauf verbindet. Es versteht sich, daß auch dieser Schieber nur für die geringen Mediummengen dimensioniert zu weßden braucht, die während des Arbeitsganges umgesetzt werden.

In der Zeichnung ist die Eilvorlaufstrecke wesentlich länger dargestellt als die Strecke des Arbeitsganges. Dies ist selbstverständlich keineswegs zwingend erforderlich, son-

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dem nur in den einleitend erwähnten Anwendungsfällen erwünscht.

Pig. Id stellt den Zustand unmittelbar nach dem Umschalten des Ventils 30 auf Rücklauf dar. Sämtliche Zylinderräume einschließlich der Steuerkairmer 34, jedoch mit Ausnahme des Hilfszylinderraumes 32, stehen unter Druck. Der Eilrücklauf erfolgt rait konstanter Geschwindigkeit. Der Übergangsbereich, in dem der Zylinderraum 22 gegebenenfalls abgeschlossen ist, wird dadurch berücksichtigt, daß die Steuerkanmer 34 über ein weiteres Rückschlagventil 56 mit dem Durchlaß 52 verbunden ist. Diese Position ist in Fig. Ie dargestellt. Gegen Ende des Rücklaufs schließlich kommunizieren die Zylinderräume 22, 24 wieder über den Bypass und, über das Ventil 30, auch mit der Steuerkanmer 34 (Fig. If).

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Kolbengeschwindigkeit v, der Kraft P an der Kolbenstange und des Durchsatzes Q des Mediums durch das Steuerventil über dem Kolbenweg S. Zum Vergleich ist der Mediumdurchsatz Q_ durch den Bypass größenordnungsmäßig angegeben, um anzudeuten, um wieviel kleiner die Ventil- und Leitungsabmessungen gemäß der Erfindung gewählt werden können.

Fig. 3 schließlich zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Arbeitszylinders, die insbesondere für hohe Drücke und hohen Kraftbedarf während des Arbeitsganges bevorzugt ist. In diesem Fall darf man die Kolbenstange nicht mit einem beliebig geringen Querschnitt versehen, sondern dieser isi/durch die auftretenden Knickbeanspruchungen auf einen entsnrechenden Mindestwert festgelegt. Um trotzdem einen schnellen

entsprechend große Vorlauf im Eilgang zu ermöglichen, müßte dann ei Menge Medium gefördert werden, obwohl dies kräftemäßig nicht erforderlich wäre. Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 zeigt eine Lösung für dieses Problem. ·

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Die Leitungsanschlüsse entsprechen denen der Flg. 1, soweit nicht etwas anderes dargestellt 1st, und die Teile, die denen der Fig.l entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen mit vorgestellter "1..." versehen»

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Der Hilfszylinder 112 ist als Ringzylinder ausgebildet, und der Hilfskolben 118 entsprechend als Ringkolben· Der Kolbenraum 160 mit der wirksamen Innenfläche P- ist über eine

Bohrung 162 mit dem Tank der Pumpe verbunden.

Es gelten mithin folgende Gleichungen für die jeweils wirksamen Flächen, denen die Kräfte an der Kolbenstange proportional sind:

Ei !gang: F_E - (F₃-F₃) ^{+ (F}3~^F4⁾ " (F₂-¹V ^{= F}l~^F4

Arbeitsgangt F_A = (F₃-F₃) + (F₃-F₄) =

Rücklaufs F_R = - (F₃-F₁) + (F₃-F₃) = -

Man erkennt, daß die Kolbenstange gemäß den maximal auftretenden Kräften dimensioniert und dennoch die Kräfteverhältnisse während des Eilgangt und des Rücklaufs durch entsprechende Dimenslonierung des Innen- und Außendurchmessers des Hilfskolben« auf einen gewünschten niedrigen Wert gebracht werden können.

Der Kolbenraum 160 braucht nicht unbedingt über die Bohrung 162 mit dem Tank der Pumpe verbunden zu sein. Er kann auch an das Steuerventil angeschlossen werden, womit sich unterschiedliche Flächenverhältnisse ergeben, oder er kann an eine eigene Druckquelle angeschlossen sein.

- Patentansprüche -

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Claims

- li -

Patentansprüche

Hydraulik- oder Pneumatikarbeitszylinder mit einem mit einer Kolbenstange verbundenen Kolben, der eine erste, kleinere, während des Vorlaufs längs einer Eilgangstrecke mit Iiediumdruck beaufschlagte Kolbenfläche sowie eine zweite, größere, während des Vorlaufs längs einer Arbeitsgangstrecka beaufschlagte Kolbenfläche aufweist, mit einem den Kolben während des Eilvorlaufs überbrückenden Mediumbypass und mit einem Steuerventil für die Mediumsteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass (20, 25) den Kolben (14, 114) nur auf der Ξilgangstrecke überbrückt und dauernd mit Mediümdruck beaufschlagt ist, und daß der Kolben (14, 114) einen Hilfskolben (18, ll£) größeren wirksamen Querschnitts als die Kolbenstange (16) auf der dieser abgewandten Seite aufweist, dem ein an das Steuerventil (30) angeschlossener Hilfszylinder (12, 112) zugeordnet ist.
2. Hydraulik- oder Pneumatikarbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (lo) auf der 3ilgangstrecke eine Ausdrehung (20) zur Ausbildung eines als Bypass dienenden Ringspalts (25) zwischen Kolben (14) und Sylinderinnenwandung aufweist.
3. Hydraulik- oder Pneumatikarbeitszylinder nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Ventile (54, 56) für den Druckausgleich vorübergehend vom Mediumkreislauf abgetrennter Zylinderräume (22) beim Obergang zwischen Eilgang und Arbeitsgang.
4. Hydraulik- oder Pneumatikarbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskolben (118) als Ringkolben und der Hilfszylinder (112) als Ringzylinder ausgebildet sind und der so gebildete Hilfskolbenraum (16O) e» an das Steuerventil, an den Tank der Druckquelle oder antigene Druckquelle angeschlossen ist.

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