DE2061883C3

DE2061883C3 - Hydraulik- oder Pneumatikarbeitszylinder

Info

Publication number: DE2061883C3
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: 1974-03-14
Also published as: FR2118094B1; IT940938B; DE2061883B2; FR2118094A1; DE2061883A1; SE373914B

Description

Ellgang

A.uf der der Kolbenstange abgewandten Seite des Kolbens ist die um die Hilfskolhenfläche F., verringerte Kolbenfläche F., über den Bypass mit Druck beaufschlagt, und der Hilfskolben selbst ist über das Steuerventil unter Druck gesetzt. Kolbenstangenseitig steht aie um die Kolbenstangenflächr: F₁ verringerte Kolbenfläche unter Druck, und zwar ebenfalls über den Bypass. Auf den Kolben wirken mithin Kräfte proportional der Größe

^Fr. =

₂-F₃) + (F₁) - (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 Ende der Ausdrehung im so 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 diesem Zweck muß der Zylinderraum auf der Kolbenstanpenseile druckentlastet werden. Dies kann in hcikömmlicher Weise geschehen, beispielsweise durch Betätigen eines Hilfsventil oder — noch einfacher — durch Überlaufen eines weiteren Steuerschlitzrs 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 propotional:

F₄ = (F₂-F₃) + (F₁) = F.,.
Rücklauf

35

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

F„ = - (F₁-F₁) + (F₂-F,) = - (F.,-F₁).

45

Man erkennt, laß die Kräfte für jeden einzelnen der drei Betriebszyklen frei wählbar sind, da drei unabhängig voneinander wählbare Flächen zur Verfügung stehen. Eine Einschränkung ergibt sich aus der Rücklaufgleichung, nämlich die, daß der Hil's- „ο kolben eine größere Fläche F₁ aufweisen muß als die Kolbenstange, da sonst kein Rücklauf erfolgt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungstorm des Erfindungsgcgenstandes wird der Hilfskolben als Ringkolben ausgebildet. Dann lassen sich, wie später noch gezeigt wird, die Abmessungen der Kolbenstange und des Hilfskolben 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 kolbensi'angenscitigcn Zylinderraums gleichzeitig mit dem Einlaui des Kolbens in die Arbeitsstrecke des Zylinders «folgen. Andererseits sind hierfür getrennte Steuermittel vorgesehen, so daß nicht auszuschließen ist, »laß kurzzeitig das kolbenstangenseitige Zylindervolumen völlig von dem Mediumkreislauf abgetrennt ist. Dies ist bei Hydraulikzylindern — bei denen das Medium praktisch als inkompressibel betrachtet werden kann — ofTerisichilicli unzulässig, bei Pnciirnatikzylindern zumindest unerwünscht, weil die Kolbendichtung stark beansprucht wird. Deshalb ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß solche Zylindervüiumina über einfache Rückschlagventile entlastet werden.

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

Fig. I zeigt eine erste Ausführungsform des Arbeitszylinders gemäß der Erfindung in halbschematischem Längsschnitt, wobei die einzelnen Darstellungen 1 η 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 und .ct Durchflußmenge des Mediums von dem Kolbenwej, und

Fig. 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 drossclfrei durchströmt.

An ein Steuerventil 30 ist einerseits der Hilfszylinderraum 32, andererseits eine St^uerkarnmer 34 angeschlossen, die während des Eilvorlaufs (Fig. I a) durch die Kolbenstange 16 vom Mediumkreislauf abgeirennt ist.

Die Ausdrehung 20 ist über einen Durchlaß 40 dauernd an die Druckseitc 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 Kulben 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 d"ß er die Zylinderräume 22, 24 gegeneinander abdichtet. Nuri soll selbsttätig der Übergang zum Arbeitsgang erfolgen, zu welchem Zweck der Zylinderraum 22 druckentlastet werden muß. Hierfür weist die Kolbenstange "it. 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 »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. einem beliebig geringen Querschnitt versehen, sonan die Leitung 42 gelegt ist. Das Rückschlagventil dem dieser ist durch die auftretenden Knickist erforderlich, weil ja nach einer weiteren kurzen beanspruchungen auf einen entsprechenden Mindcst-Vorlaufstrecke der Arbeitsgang beginnt, werin die wert festgelegt. Um trotzdem einen schnellen Vorlauf Steuerkammer 34 mit dem Zylinderraum 22 kommu- β im Eilgang zu ermöglichen, müßte dann eine entnizicrt (s. Fig. I c). Es versteht sich, daß an Stelle sprechend große Menge Medium gefördert werden, des Abschnitts 50 und der Steuerkammer 34 auch cbwohl dies kröftemäßig nicht erforderlich wäre, eine andere Anordnung gewählt werden könnte, um Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 zeigt eine den Zylinderraum 22 an die drucklose Seite des Lösung für dieses Problem.

Ventils 30 zu legen, beispielsweise ein kolbenstangen- to Die Leitungsanschlüsse entsprechen denen der

betätigter Schieber, der den Durchlaß 52 dann mit FIc. 1, soweit nicht etwas anderes dargestellt ist,

dem Rücklauf verbindet. Es versteht sich, daß auch und die Teile, die denen der Fig. 1 entsprechen,

dieser Schieber nur für die geringen Mediummengen sind durch dieselben Bezugszeichen mit vorgestellter

dimensioniert zu werden braucht, die während des »U definiert.

Arbeitsganges umgesetzt werden. ig Der Hilfszylinder 112 ist als Ringzylinder ausgc-

In der Zeichnung ist die Eilvorlaufstrecke wesent- bildet und der Hilfskolben HII entsprechend als

lieh langer dargestellt als die Strecke des Arbeits- Ringkolben. Der Zylinderraum des Hilfskolbens,

ganges. Dies ist selbstverständlich keineswegs zwin- dessen Querschnittsfläche F„ ist, ist mit 132 bc-

gend erforderlich, sondern nur in den einleitend zeichnet; der Kolbenraum 160 mit der wirksamen

erwähnten Anwcndungsfällen erwünscht. ·ο Innenfläche F₄ sei über eine Bohrung 162 mit dem

Fig. Id stellt den Zustand unmittelbar nach dem Tank der Pumpe verbunden.

Umschalten des Ventils 30 auf Rücklauf dar. Samt- Es gelten mithin folgende Gleichungen für 'Ik

liehe Zylinderräume einschließlich der Steuerkammer jeweils wirksamen Flächen, denen die Kräfte an ;.<.·;

34, jedoch mit Ausnahme des Hilfszylinderraumes Kolbenstange proportional sind:

32, stehen unter Druck. Der Eilrücklauf erfolgt mit 15

konstanter Geschwindigkeit. Der Übergangsbereich, Eilgang:

in dem der Zylinderraum 22 gegebenenfalls abge- F_f = [F₁-F₃) + (F₃-F₄) - (F₂-F^ = F_rF_A ;
schlossen ist, wird dadurch berücksichtigt, daß die

Steuerkammer 34 über ein weiteres Rückschlagventil Arbeitsgang:

56 mit dem Durchlaß 52 verbunden ist. Diese Posi- 30 F_A = (F₁-F_x) + {F_a-F_t) = F_t-F_t ;
tion ist in Fig. Ie dargestellt. Gegen Ende des

Rücklaufs schließlich kommunizieren die Zylinder- Rucklauf:

räume 22, 24 wieder über den Bypass und, über das F_R = - [F^F₁) + (F_t-F_a) = — [F₉-F₁).
Ventil 30, auch mit der Steuerkammer 34 (Fig. 1 f).

F i g. 2 zeigt den Verlauf der Kolbengeschwindig- $5 Man erkennt, daß die Kolbenstange gemäß den

keit v, der Kraft P an der Kolbenstange und des maximal auftretenden Kräften dimensioniert und

Durchsatzes Q des Mediums durch das Steuerventil dennoch die Kräfteverhältnisse während des Eilgangs

über dem Kolbenweg S. Zum Vergleich ist der und des Rücklaufs durch entsprechende Dimensio-

Mcdiumdurchsatz Q_n durch den Bypass größen- nierung des Innen- und Außendurchmessers des

ordnungsmäßig angegeben, um anzudeuten, um wie- 40 Hilfskolbens auf einen gewünschten niedrigen Wert

viel kleiner die Ventil- und Leitungsabmessungen gebracht werden können,

gemäß der Erfindung gewählt werden können. Der Kolbenraum 160 braucht nicht unbedingt über

Fig. 3 schließlich zeigt schematisch eine Ausfüh- die Bohrung 162 mit dem Tank der Pumpe verbun-

rungsform des erfindungsgemäßen Arbeitszylinders, den zu sein. Er kann auch an das Steuerventil die insbesondere für hohe Drücke und hohen Kraft- 45 angeschlossen werden, womit sich unterschiedliche

bedarf während des Arbeitsganges bevorzugt ist. In Flächenverhältnisse ergeben, oder er kan- an eine diesem Fall darf man die Kolbenstange nicht mit eigene Druckquelle angeschlossen sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

abgewandten Seite des Hauptkolbens mit F1, auf der Patentansprüche: Seite des Hilfskolben* mit F4, den Querschnitt des Hauptkolbens mit F4 und den Hilfskulben mit F1,

1. Hydraulik- oder Pneumatikarbeitszylinder so werden wirksam

mit einem mit einer Kolbenstange verbundenen 5 während des Eilvorlaufs (Fs-F₄),

Kolben, der eine während des Vorlaufs längs während des Arbeitshubes (Fv-FJ,

einer Arbeitsgangstrecke beaufschlagte Kolben- während eines ersten Teils des RUCkIaUfS(F₂-F₁)

fläche aufweist, mit einem den Kolben während j

des Eilvorlaufs überbrückenden Mediumbypass, während eines zweiten Teils des Rücklaufs

mit einem mit dem Kolben verbundenen Hilfs- io /p _p \

kolben, dessen gegenüber dem Kolben kleinere ³ *

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, dadurch gekennzeichnet, daß 15 gesetzt und entlastet wird, ergibt sich eine erhöhte der Kolben (14, 114) über den Bypass (20, 25) Pumpleistung bzw. ein höherer Druckmediumauf der Eilgangstrecke beidseitig dauernd mit verbrauch. Arbeitet man mit Druckluft, so ergibt sich Mediumdruck beaufschlagt ist, daß die wirksame ferner eine gewisse Verzögerung, weil der Arbeitshut) Fläche des Hilfskolben (18, £18) 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 Hilfskolben (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 Hilfskolben (18, 35 behindert ist.

118) gehörende Zylinderraum (32, 132 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 ;.lediumdruck mittels des Steuerventils die erwähnten Nachteile vermieden sind, also ver-

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

2. Hydraulik- oüer Pn-umatikarbeitszylinder 30 ten beim Umschalten von Eilvorlauf auf Arbeitshub nach Anspruch 1, daJurch gekennzeichnet, 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 Pneumatikarbeitszylinder beaufschlagt ist, daß die wirksame 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 Hilfskolben? 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 Flächen und daß der zur wirksamen

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

sind. Auch hier wird also die Umsteuerung zwischen

Eilgang und Arbeitsgang oder -hub kolbenweg-

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

Die Erfindung betrifft einen Hydraulik- oder Pneu- Bypass vorteilhafterweise einfach dadurch ausgebildet maiikarbeitszylindcr mit einem mit einer Kolben- sein kann, daß der Zylinder innen auf der gesamten stange verbundenen Kolben, der eine während des Eilgangstreckc mit Übermaß ausgedreht wird, so daß Vorlaufs längs einer Arbeitsgangstrecke beaufschlagte der Kolben von dem Medium frei umströmt wird. Kolbcnflächc aufweist, mit einem den Kolben wäh- 55 Auf diese Weise sind Drosselverluste gering zuhalten, 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 Kc'^en kleinere Kolbenfläche sowohl während des gesamten Vor- als auch während während des Vorlaufs längs einer Eilgangstreckc mit des gesamten Rücklaufs des Kolbens — mit Druck MediumdrucU beaufschlagt ist, und mit einem Steuer- 60 beaufschlagt ist, brauchen keine Steucreingriffe vorventil für die Mcdiumstcucrung. genommen zu werden, und der Bypass braucht gar

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

worden; eine ähnliche Ausbildung mit Überstrom- Es soll nun — analog zu der obigen Unterkanälen zeigt die USA.-Patcntschrift 3 476 014. 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 der Kolbenstange auf der dem Hilfskolben dabei als positiv definiert sein.