DE2061883B2

DE2061883B2 - Hydraulik- oder pneumatikarbeitszylinder

Info

Publication number: DE2061883B2
Application number: DE19702061883
Authority: DE
Inventors: Horst 4019 Monheim Knabel
Original assignee: Aviatest GmbH, 4000 Dusseldorf
Priority date: 1970-12-16
Filing date: 1970-12-16
Publication date: 1973-08-23
Also published as: FR2118094A1; DE2061883A1; DE2061883C3; IT940938B; SE373914B; FR2118094B1

Description

(30) beaufschlagbar bzw. entlastbar ist. ringerter Druckmediumverbrauch, schnelleres Arbei-

2. Hydraulik- oaer Pneumatikarbeitszylinder 30 ten beim Umschalten von Eilvorlauf auf Arbeitshub nach Anspruch 1, dadu-rch fekennzeichnet, daß und größere Freiheit bei der Wahl der Abmessungen der Zylinder (10) auf der Eilgangstrecke eine gegeben sind.

Ausdrehung (20) zur Ausbildung eines als Bypass Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

dienenden Ringspalts (25) zwischen Kolben (14) gelöst, daß der Kolben über den Bypass auf der

und Zylinderinnenwandung aufweist. 35 Eilgangstrecke beidseitig dauernd mit Mediumdruck

3. Hydraulik- oder Pneumatikarbeitszylinde- beaufschlagt ist, daß die wirkt.:ime Fläche des Hilfsnach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Ventile kolbens größer ist als die Differenz der mit dem (54, 56) für den Druckausgleich vorübergehend Außendurchmesser des Hilfskolbens und mit dem vom Mediumkreislauf abgetrennter Zylinder- Durchmesser der an der dem Hilfskolben abgewandräume (22) beim Übergang zwischen Eilgang und 40 ten Seite des Kolbens angebrachten Kolbenstange Arbeitsgang. gebildeten Fläcnen und daß der zur wirksamen

4. Hydraulik- oder Pneumatikarbeitszylinder Fläche des Hilfskolbens gehörende Zylinderraum nach Anspruch 1, dadurch geken!zeichnet, daß unabhängig vom Zylinderraum des Kolbens vom der Hilfskolben (118) als Ringkolben und der Mediumdruck mittels des Steuerventils beaufschlag-HiIfszylinder (112) als Ringzylinder ausgebildet 45 bar bzw. entlastbar ist.

sind. Ai"*!- hier wird also die Umsteuerung zwischen

Eilgang und Arbeitsgang oder -hub kolbenweg-

abhängig durchgeführt. Das bedeutet, daß die Eilgangstrecke fest durch die Mündungspunkte des 50 Bypasses in den Zylinder vorgegeben ist, wobei der

Die Erfindung betrifft einen Hydraulik- oder Pneu- Bypass vorteilhafterweise einfach dadurch ausgebildet maukarbeitszylinder mit einem mit einer Kolben- sein kann, daß der Zylinder innen auf der gesamten stange vertnr idenen Kolben, der eine während des Eilgangstrecke mit Übermaß ausgedreht wird, so daß Vorlaufs längs einer Ärbeitsgangstrecke beaufschlagte der Kolben von dem Medium frei umströmt wird. Kolbenfläche aufweist, mit einem den Kolben wäh- 55 Auf diese Weise sind Drosselverluste gering zu halten, rend des Eilvorlaufs überbrückenden Mediumbypass, und der Zylinder behält seine einfache Grundform mit einem mit dem Kolben verbundenen Hilfskolben, bei. Denn da der Bypass ja dauernd — d. h. also, dessen gegenüber dem Kolben kleinere Kolbenfläche sowohl während des gesamten Vor- als auch während während des Vorlaufs längs einer Eilgangstrecke mit des gesamten Rücklaufs des Kolbens — mit Druck Mediumdruck beaufschlagt ist, und mit einem Steuer- 60 beaufschlagt ist, brauchen keine Steuereingriffe vorventil für die Mediumsteuerung. genommen zu werden, und der Bypass braucht gar

Ein solcher Arbeitszylinder ist in der deutschen nicht aus dem Zylinderinneren heraus verlegt zu Offenlegungsschrift 2 007 711 bereits vorgeschlagen werden.

worden; eine ähnliche Ausbildung mit Überstrom- Es soll nun — analog zu der obigen Unterkanälen zeigt die US A.-Patentschrift 3 476014. 65 suchung — analysiert werden, welche Flächen für

Bei dem erstgenannten Arbeitszylinder ergibt sich die einzelnen Betriebsarten wirksam sind. Die vom folgende Wirkungsweise: Bezeichnet man den Quer- Kolben wegzeigende Richtung der Kolbenstange soll schnitt i'er Kolbenstange auf der dem Hilfskolben dabei als positiv definiert sein.

Eilgang

Auf der der Kolbenstange abgewandten Seite des Kolbens ist die um die Hilfskolbenfläche F.₅ verringerte Kolbenfiäche F., über den Bypass mit Druck beaufschlagt, und der Hilfskolben selbst ist über das Steuerventil unter Druck gesetzt. Kolbenstangenseitig stela die um die Kolbenstangenfläche F₁ verringerte Kolbenfiäche unter Druck, und zwar ebenfalls über den Bypass. Auf den Kolben wirken mithin Kräfte proportional der Größe

Fi-: = (F₂-F₃) + (F₃) - (F₂-F₁) = F₁.

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

Arbeitsgang

Sobald der Kolben die Mündung des Bypasses überläuft, also etwa das End<- der Ausdrehung im Zylinderinneren erreicht, und in einen Zylinderabschnitt einläuft, in dem der Kolben die vor und hinter ihm liegenden Zylinderräume gegeneinander abdichtet, soll der Arbeitsgang beginnen. Zu diese.a Zweck muß der Zylinderraum auf der Kolbenstangenseite druckentlastet werden. Dies kann in herkömmlicher Weise geschehen, beispielsweise durch Betätigen eines Hilfsventil oder — noch einfacher — durch Überlaufen eines weiteren 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:

(F,) = F₂.

35

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-FJ = - (F₃-F₁).

45

Man erkennt, daß die Kräfte für jeden einzelnen der drei E itriebszyklen frei wählbar sind, da drei unabhängig 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 sehr großer 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 külbenstangenseitigen 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 Hydraulikzylin dern — 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 Zylirdervolumina über einfache Rückschlagventile entlastet werden.

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

F i g. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des Arbeitszylinders gemäß der Erfindung in halbschematischem Längsschnitt, wobei die einzelnen Darstellungen 1 α bis 1 / sich auf zeitlich aufeinanderfolgende Stellungen des Kolbens beziehen; 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 :-.id der Durchflußmenge des Mediums von dem Kolrenweg, und

F i g. 3 stellt eine zweite, bevorzugte Ausführungsform des Arbeitszylinders gemäß der Erfindung dar

Der Arbeitszylinder gemäß Fig. 1 umfaßt einen Zylinder 10 mit angesetztem oder einstückig verbundenem Hilfszylinder 12. Die zugehörige Kolbenanordnung umfaßt den Kolben 14, die Kolbenstange 16 und den Hilfskolben 18, 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. 1 a) durch die Kolbenstange Io vom Mediumkreisiauf 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 links, wobei das Medium in den Zylinderräumen 22, 24 den 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 weist die Kolbenstange 16 einen Abschnitt SO 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 »Gleichzeitigkeit« in der Praxis nicht verwirklichbar ist, weist 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 kommuniziert (s. F i g. 1 c). Es versteht sich, daß an Stelle des Abschnitts 50 und der Steuerkammer 34 auch eine andere Anordnung gewählt werden könnte, um den Zylinderraum 22 an die drucklose Seite des Ventils 30 zu legen, beispielsweise ein kolbenslangenbetätigter Schieber, der den Durchlaß 52 dann mit dem Rücklauf verbindet. Es versteht sich, daß auch dieser Schieber nur für die geringen Mediummengen dimensioniert zu werden braucht, die während des Arbeitsganges umgesetzt werden.

In der Zeichnung ist die Eilvorlaufstrecke wesentlich langer dargestellt als die Strecke des Arbeitsganges. Dies ist selbstverständlich keineswegs zwingend erforderlich, sondern nur in den einleitend erwähnten Anwendungsfällen erwünscht. ao

Fig. Id stellt den Zustand unmittelbar nach dem Umschalten des Ventils 30 auf Rücklauf dar. Sämtliche Zylinderräume einschließlich der Steuerkammer 34, jedoch mit Ausnahme des Hüfszylinderraumes 32, stehen unter Druck. Der Eilrücklauf erfolgt mit konstanter Geschwindigkeit. Der Übergangsbereich, in dem der Zylinderraum 22 gegebenenfalls abgeschlossen ist, wird dadurch berücksichtigt, daß die Steuerkammer 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 Steuerkammer 34 (Fig. 1 f).

F i g. 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_H durch den Bypass größenordnungsmäßig angegeben, um anzudeuten, um wieviel kleiner die Ventil- und Leitungsabmessungen gemäß der Erfindung gewählt werden können.

F i g. 3 schließlich zeigt schematisch eine Ausfühningsform des erfindungsgemäßen Arbeitszylinders, die insbesondere für hohe Drücke und hohen Kraftbedarf während des Arbeitsgang bevorzugt ist. In diesem Fall darf man die Kolbenstange nicht mit einem beliebig geringen Querschnitt versehen, sondern dieser ist durch die auftretenden Knickbeanspruchungen auf einen entsprechenden Mindestwert festgelegt. Um trotzdem einen schnellen Vorlauf im Eilgang zu ermöglichen, müßte dann eine entsprechend große Menge Medium gefördert werden, obwohl dies kräftemäßig nicht erforderlich wäre. Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 zeigt eine Lösung für dieses Problem.

Die LeitungsanschtUsse entsprechen denen der Fig. 1, soweit nicht etwas anderes dargestellt ist, und die TeiL, die denen der Fig. 1 entsprechen, sind durch dieselben Bezugszeichen mit vorgestellter »1« definiert.

Der Hilfszylinder 112 ist als Ringzylinder ausgebildet und der Hilfskolben 118 entsprechend als Ringkolben. Der Zylinderraum des Hilfskolbens, dessen Querschnittsfläche F_n ist, ist mit 132 bezeichnet; der Kolbenraum 160 mit der wirksamen Innenfläche F₄ sei 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:

Eilgang:
Fn = (F₂-F₃) + (F₃-F₄) - (F₁-F₁) = F₁-F₄ ;

Arbeitsgang:
Fa = (FfFJ + (F₃-F,) = F₁-F_A ;

Rücklauf:
Fr = - (F₂-F₁) + (F₁-F₃) = - (F₃-F₁).

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

Der Kolbenraum 160 braucht nicht unbedingt übet 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2

abgewandten Seite des Hauptkolbens mit F₁, auf der

Patentansprüche: Seite des Hilfskolbens mit F₄, den Querschnitt des

Hauptkolbens mit F., und den Hilfskolben mit F.,.

1. Hydraulik- oder Pneumatikarbeitszylinder so werden wirksam

mit einem mit einer Kolbenstange verbundenen ₀ während des Eilvorlaufs (F,-FX

Kolben, der eine wahrend des Vorlaufs angs während des Arbeitshubes (K-F₄).

einer Arbe.tsgangstrecke beaufschlagte Kolben- _{während eines ersten Tei]s} ^- _Ri_cklaufs _{{F F }}

flache aufweist, mit einem den Kolben während _und - '

des Eilvorlaufs überbrückenden Mediumbypass, _{währ£nd dnes} ^.^ _Tei,_{s dgs Rücklaufs}

mit einen mit dem kolben verbundenen Hilfs- io /_F _p \

kolben, dessen gegenüber dem Kolben kleinere ^{3 1}

Kolbenfläche während des Vorlaufs längs einer Die erste Rücklaufgeschwindigkeit ist kleiner als Eilgangstrecke mit Mediumdruck beaufschlagt ist, die zweite. Da der Bypassraum sowohl beim Vor- und mit einem Steuerventil für die Medium- als auch beim Rücklauf abwechselnd unter Druck steuerung, d adurch gekennzei chnet, daß 15 gesetzt und entlastet wird, ergibt sich eine erhöhte der Kolben (14, 114) über den Bypass (20, 25) Pumpleistung bzw. ein höherer Dmckmediumauf der Filgangstrecke beidseitig dauernd mit verbrauch. Arbeitet man mit Druckluft, so ergibt sich Mediumdruck beaufschlagt ist, daß die wirksame femer eine gewisse Verzögerung, weil der Arbeitshub Fläche des H Ifskolbens (18, 118) größer ist als erst mit voller Druckwirkung einsetzen kann, wenn die Differenz der mit dem Außendurchmesser des 20 die Kammer hinter dem Kolben mit Druckmedium Hilfskolbens (18, 118) und mit dem Durchmesser aufgefüllt worden ist. Bei der Konstruktion muß der an der dem Hilfskolben (18, 118) abgewand- schließlich darauf geachtet werden, daß die Axialten Seite des Kolbens (14, 114) angebrachten abmessungen von Kolben und Zylinder aufeinander Kolbenstange (16) gebildeten Flächen und daß abzustimmen sind, so daß man in der Gestaltung der zur wirksamen Fläche des Hilfskolbens (18, 25 behindert ist.

118) gehörende Zylinderraum (32, i32 bzw. 160) Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen

unabhängig vom Zylinderraum (22, 24) des KoI- Arbeitszylinder gleicher Gattung zu schaffen, bei dem

bens vom Mediumdruck mittels des Steuerventils die erwähnten Nachteile vermieder sind, also ver-