DE2344657A1

DE2344657A1 - Hydraulikzylinder mit einem innerhalb des zylinders bewegbaren kolben

Info

Publication number: DE2344657A1
Application number: DE19732344657
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Ing Gorzolla; Werner Koenig
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1973-09-05
Filing date: 1973-09-05
Publication date: 1975-03-13
Also published as: FR2242584A1; JPS5053776A; CH569886A5; FR2242584B3; IT1020435B

Description

BFiüVVN. BOVtRl & CIE · AKTIENGESELLSCHAFT

MANNHEIM BROWN BOVERI

Mp.-Nr. 624/75 Mannheim, den 31.Aug-ust 1973

PAT/Ft/M-B

"Hydraulikzylinder mit einem innerhalb des Zylinders beweg- ! baren Kolben" _: *

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hydraulikzylinder mit einem innerhalb des Zylinders bewegbaren Kolben mit einem zeitweise mit Hochdruckfluid beaufschlagten, eine Stirnfläche aufweisenden ersten Kolbenabschnitt und einem dauernd in entgegengesetzter Richtung beaufschlagten zweiten Kolbenabschnitt, dessen Kolbenfläche kleiner ist als die des ersten.

Hydraulikzylinder mit Differentialkolben haben den großen Vor- ■ teil, daß zu ihrer Ansteuerung verhältnismäßig kleine Drücke i

erforderlich sind, da eine Bewegung des Kolbens aus der Kraft- ' differenz von Druckkraft auf die größere Kolbenfläche und Druck-: kraft auf die kleinere Kolbenfläche herrührt. Die größere Kolbenfläche wird nur bei einem Ansteuerungsvorgang angesteuert, während die kleinere Kolbenfläche dauernd von Hochdruck beaufschlagt wird.

Hydraulikzylinder mit Differentialkolben werden für eine Reihe von Aufgaben, insbesondere auch im Schalterbau, mit Vorteil benutzt und eingesetzt. Allerdings ist es bei den bekannten Hydraulikzylindern mit Differentialkolben nicht möglich, eine wegabhängige Kraft zu erhalten; vielmehr entwickeln die Kolben längs ihres Weges eine annähernd konstante Kraft.

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Die besondere Funktionsweise eines Blaskolbenschalters, d.h. eines elektrischen Schalters, bei welchem zur Erzeugung der Gasströmung zur Beblasung des Lichtbogens ein Blaskolben in den Schalter integriert ist, erfordert jedoch eine wegabhängige gesteuerte Kraft. Zur-Anfahrtsbeschleunigung der bewegten Teile und zum Aufbau des Gasdruckes wird zunächst eine relativ geringe Kraft benötigt; zur weiteren Verdichtung des Gases bis zum kritischen Druck oder weit darüber hinaus wird eine größere Kraft erforderlich. Wird diese größere Kraft über den gesamten Weg aufrechterhalten,so sind Rückwirkungen auf das System zu erwarten, z.B. Änderung des erwünschten Bewegungsablaufes und der Steuerzeiten oder zu hohe Kontakttrenngeschwindigkeit.

Bekannte und ausgeführte Lösungen zeigen bei einfachen Hydrau- ! likkolben eine Veränderung der an den Schalter angreifenden ! Kräfte durch Kniehebel oder durch aufwendige, wegabhängige

hydraulische Steuerungen.

en
Aufgabe der Erfindung ist es, ein/Hydraulik2ylinfeijfeu schaffen,

dessen Antriebskraft wegabhängig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Querschnitt des ersten Kolbenabschnittes ausgehend von der Stirnfläche sich in axialer Richtung vergrößernd gestuft ist, wobei die Länge jedes einzelnen Stufenabschnittes größer ist als die des unmittelbar vorhergehenden, daß die Zylinderinnenwand im Bereiche des ersten Kolbenabschnittes diesem angepasst ist, so daß bei Beaufschlagung der Stirnfläche . mit Hochdruckfluid diese nach Herauslaufen aus dem ihr zugehörigen Zylinderabschnitt mit jeweils der nächsten Stufenfläche eine gemeinsame Kolbenfläche bildet und so eine wegabhängige, ansteigende Antriebskraft erzeugt wird.

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•Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der Raum Oberhalb jeder Stufenfläche über jeweils eine ein Rückschlagventil aufweisende Leitung mit einem Niederdruckbehälter und über jeweils eine, ein weiteres Rückschlagventil aufweisende weitere Leitung mit der Hochdruckleitung verbunden ist.

Dadurch, daß zunächst nur die Stirnfläche von Hochdruckfluid beaufschlagt wird, läuft der Kolben mit einer bestimmten Kraft aus dem der Stirnfläche entsprechenden Zylinderabschnitt heraus; danach wird die"Kolbenfläche beaufschlagt, die sich aus der Stirnfläche und der nächsten Stufenfläche zusammensetzt, so daß die gesamte Kraft auf den Kolben um den Betrag der der nächsten .; Stufenfläche entspricht, plötzlich vergrößert wird, usw. Man erhält so eine stufenförmige Änderung der Kraft über dem Weg.

Während ein solcher Kraft- Weg- Verlauf bei den bekannten Hydraulikzylindern ohne gestuften Kolbenabschnitt durch eine Vorsteuerstufe erreicht wird, wobei der Toleranz und der Bearbeitungsgüte Zwischen Kolben und Zylinderinnenwand besonderer Aufmerksamkeit gewidmet werden mußte, kann bei einem Hydraulikzylinder nach der" Erfindung die Vorsteuerstufe wegfallen. Weiterhin brauchen bei den zu den einzelnen Stufenflächen und zu der Stirnfläche zugehörigen Kolben-und Zylinderbereichen nur grobe Toleranzen beachtet werden, da Spaltverluste nur sehr kurzzeitig auftreten.

Bei rein idealisierender Betrachtungsweise erhöht sich die Abtriebskraft an jeder Stufenfläche sprunghaft. Aufgrundd?r Spaltverluste allerdings wird sich der Anstieg verschleifen, so daß j die einzelnen Kräfte nicht mehr konstant über den Weg, sondern leicht ansteigend sind.

Man kann den Kraft- Weg-Verlauf weiterhin noch dadurch beeinflussen, daß man die zu dem ersten Kolbenabschnitt gehörenden,

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!zwischen jeweils zwei Stufenflächen liegenden Zylinderabschnitte leicht konisch ausbildet. Je nach Konuswinkel kann man einen mehr oder weniger steilen Kraftanstieg erreichen. Dabei erweitert sich der Innendurchmesser jedes Zylinderabschnittes ausgehend von der ersten bis jeweils zur nächsten Stufenfläche.

Um in den einzelnen Wegabschnitten jeweils eine konstante Kraft am Abtrieb zu erhalten, können die zwischen den Stufenflächen liegenden Zylinderabschnitte derart konisch ausgebildet sein, daß sich ihre Durchmesser in Richtung Abtriebskraft leicht verengen;

dadurch wird erreicht, daß nur ein bestimmter, kleiner Bereich am

Zylinderabschnitt als engster Spalt dient. I

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sollen anhand der Zeichnung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. ^l

Es zeigt ;

Fig. 1 eine schenatische Darstellung eines Hydraulikzylinders

mit einem Differentialkolben, dessen Abtriebskraft ι einfach gestuft ist. im Querschnitt, !

Fig. 2 einen Ausschnitt eines Hydraulikzylinders gem. der Fig.1, ' allerdings mit konischer Zylinderinnenwand und Fig. 3 die Kraft-Wegabhängigkeit der Hydraulikzylinder gem.

der Fig. 1 und 2.

Innerhalb eines Zylinders 1 bewegt sich ein Differentialkolben 2, dessen nach außen weisende Verlängerung 3, die aus dem Zylinder 1 herausreicht, als Abtrieb dient. Der Zylinder 1 besitzt ! einen Zylinderraum 4 mit einem größeren Durchmesser und einen Zylinderraum 5 mit kleinerem Durchmesser; der Kolben 2 besitzt ^! einen ersten Kolbenabschnitt 6 mit einer Stirnfläche 6a und einem zweiten Kolbenabschnitt 7 mit einer Kolbenfläche 7a, welche die sogenannte Differentialfläche darstellt; die Kraft, die hier ist der Ansteuerkraft entgegengerichtet. Der erste Kolben-

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abschnitt 6 ist gestuft und besitzt daher eine Stufenfläche 8a. Der der Stirnfläche 6a entsprechende Kolbenabschnitt greift in den Zylinderraum 5 ein, wobei sein Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Zylinderraumes 5 entspricht. Die Länge des Zylinderraumes 5 ist mit a bezeichnet, während mit c der Gesamthub bezeichnet ist, den die Stufenfläche 8a, beginnend von der Stufenfläche 9 des Zylinders bis zur Endstellung an der Linie 10 zurücklegt. Der Gesamthub c setzt sich aus der Summe der beiden Wega a und b zusammen. Die LinieiOa stellt die Linie dar, an der sich die Stirnfläche 6a nach dem Ausschaltvorgang befindet.

Der Zylinderraum 5 wird mittels einer Hochdruckleitung 11 zeitweise mit Hochdruck beaufschlagt, wärend der Zylinderraum 4 über eine weitere Hochdruckleitung 12 dauernd unter Hochdruck steht. ■ Damit sich der Druck in der Nähe der Endstellung bei einer Einbzw. Ausschaltung bzw. einer Hin- und Herbewegung des Kolbens in den entsprechenden Zylinderräumen nicht zu stark aufbaut und so dem Kolben einen Widerstand entgegensetzt, sind Ausgleichsleitungen 13 und 14 in den Raum 5 und den Raum 4 vorgesehen. Die ! Leitungen 13 und 14 können (nicht dargestellt) so geschaltet sein, daß eine geeignete Enddämpfung für den Kolben auftritt. ^!

Der Raum 8 zwischen der größeren Stufenfläche 8a und der Stufenfläche 9 am Zylinder 1 ist durch eine Rückleitung 15 mit der Hochdruckleitung 11 verbunden, wobei innerhalb dieser Leitung ein Rückschlagventil 16 vorgesehen ist, welches so geschaltet ist, daß es bei einer Bewegung des Kolbens in die Richtung, die mit Pfeil D bezeichnet ist, den Fluß des Niederdruckfluids aus dem Raum 8 zwischen den Stufenflächen 8a und 9 freigibt, während es in umgekehrter Richtung die Strömung sperrt. Weiterhin ist · der Raum zwischen den Stufenflächen 8a und 9 über eine mit einem weiteren Rückschlagventil 17 versehene Leitung 18 mit dem Nieder-

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druckbehälter 19 verbunden; das Rückschlagventil 17 ist nun wiederum so geschaltet, daß sich bei Bewegung des Kolbens in die mit dem Pfeil E dargestellte Richtung in dem Raum 8 zwischen den Stufenflächen 8a und 9 und kein Unterdruck aufbauen kann, da aus dem Niederdruckbehälter 19 Niederdruckfluid nachgesaugt werden kann.

Di'e Wirkungsweise dieses Arbeitszylinders sei nun im folgenden beschrieben:

Wenn sich der Kolben 2 in Pfeilrichtung E bewegen soll, dann wird dem Raum 5 über die Hochdruckleitung 11 Hochdruckfluid zugeführt, d.h. die Stirnfläche 6a wird mit Hochdruckfluid beaufscMg Dabei legt der Kolben 2 die Strecke a zurück, bis die Stirnfläche 6a bündig mit der Stufenfläche 9 liegt. Bis. dahin ist nur die Stirnfläche 6a als Kraftfläche wirksam und der Raum 8 wird durch Niederdruckfluid gefüllt, das über die Leitung 18 und das offene Rückschlagventil 17 aus dem Niederdruckbehälter nachgesaugt wird. Sobald die Stirnfläche 6a die Stufenfläche überschritten hat, d.h. also sobald die zurückgelegte Wegstrecke größer ist als die mit a bezeichnete Strecke, gelangt das Hochdruckfluid außer auf die Stirnfläche 6a auch auf die Stufenfläche 8a; in diesem Augenblick schließt das Rückschlagventil und im Raum 8 wird Hochdruck aufgebaut. Die gesamte wirksame Kolbenfläche ist nun die Summe der beiden Flächen; dadurch wird die gesamte Kraft auf den Kolben vergrößert. Dies ist in der Fig. 3 dargestellt. V/ährend der Bewegung des Kolbens entlang der Strecke a ist die Abtriebskraft K₁; nach Zurücklegen des Weges a steigt die Abtriebskraft an bis zum Wert K₂. Dabei entwickelt sich längs des Weges a die Kraft

j K₁ = ρ . (A-C), (I)

worin K^ = Abtriebskraft

ρ = Druck

A = Fläche der Stirnfläche 6a

C = Fläche der Kolbenfläche 8a ;

>edeuten.

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P.it A F 1 (172 11500--KE)

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'Die gesamte Kraft, die sich längs des Weges b aus der Kraft

an der Stirnfläche 6a und an der Stufenfläche 8a zusammensetzt,

'beträgt

j ' K₂ = ρ . (A₊B-C), (II)

worin Kp = Gesamtabtriebskraft,

ρ = Druck

A = Fläche auf der Stirnfläche 6a

B '= Fläche der Stufenfläche 8a

C = Fläche der Kolbenfläche 7a bedeuten.

Für eine Bewegung des Kolbens in Pfeilrichtung D wird der Hochdruck über der Leitung 11 abgeschaltet, so daß aufgrund des dauernd anstehenden Hochdruckes über die Leitung 12 der Kolben nach innen, d.h. in Pfeilrichtung D gedrückt wird. Dabei entwickelt sich längs des gesamten Weges a+b die Kraft

P . C, (III)

Gesami
ρ = Druck

worin ¹K, = Gesamtabtriebskraft

j C = Fläche der Kolbenfläche 7a

.bedeuten.

Der Kraftwegverlauf, wie er durch die beiden ersten Gleichungen dargestellt ist, ist in der Fig. 3 durch die ausgezogene Linie !31 dargestellt. Man erkennt, daß der Verlauf sehr idealisierend dargestellt ist; in Wirklichkeit wird der Kraftverlauf sich nicht sprunghaft ändern, sondern in sehr geringem Maße zu einer steti- , gen Kurve werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß zwischen ; Jdem Außendurchmesser des Kolbenabschnittes 6 und dem Innen- j durchmesser des Zylinderraumes 5 Spaltverluste auftreten. Da- I idurch wird die Kraft K₁ leicht ansteigen (nicht dargestellt).

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.Wenn man nun, wie in der Fig. 2 dargestellt, die Innenwand des Zylinderraumes 5 konisch ausbildet, wobei als Konuswinkel ein Winkelt angenommen ist, dann werden die Spaltverluste entlang des Weges a stetig ansteigen, so daß eine Kraftkurve gemäß der gestrichelt dargestellten Kurve 32 der Fig. 3 erreicht wird. Bei Vergrößerung des Winkels <?C kann die Kurve 32 noch flacher werden.

Damit die Spaltverluste an der Stufenfläche öa bzw. an der Kolbenfläche 7a praktisch vernachlässxgbar klein sind, ist an der Außenfläche des zwischen der Stufenfläche 8a und der Kolbenfläche 7a befindlichen Kolbenabschnittes 20 eine Dichtung 21 vorgesehen. Ebenso ist die Öffnung im Zylinder, durch die die Verlängerung 3 greift, mit einer Dichtung 22 abgedichtet. Die Öffnung selbst besitzt die Bezugsziffer 23.

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Ί! 4 ( 1 1172 1 1G'J'>-ι ι

Claims

Mp.-Nr. 624/73 **·

Patentansprüche

: 1_v Hydraulikzylinder mit einem innerhalb eines Zylinders beweg-

! baren Kolben, mit einem zeitweise mit Hochdruckfluid beaufschlagten, eine Stirnfläche aufweisenden ersten Kolbenabschnitt und einem dauernd in entgegengesetzter Richtung beaufschlagten zweiten Kolbenabschnitt, dessenKolbenflache kleiner ist als die des ersten, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des ersten Kolbenabschnittes ausgehend von der Stirnfläche sich in axialer Richtung vergrößernd gestuft ist, wobei die Länge jedes einzelnen Stufenabschnittes größer ist als die des unmittelbar vorhergehenden, daß die Zylinderinnenwand im Bereiche des ersten Kolbenabschnittes diesem angepaßt ist, so daß bei Beaufschlagung der Stirnfläche mit Hochdruckfluid diese nach Herauslaufen aus dem ihr zugehörigen Zylinderabschnitt mit jeweils der nächsten Stufenfläche eine gemeinsame Kolbenfläche bildet und so eine wegabhängige, ansteigende Abtriebskraft erzeugt wird.

;>. Hydraulikzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum oberhalb jeder Stufenfläche über eine Leitung und über ein Rückschlagventil mit einem Niederdruckbehälter und über jeweils eine weitere Leitung mit einem weiteren Rückschlagventil mit der Hochdruckleitung verbunden ist.

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Pal 4 F 1 (172 11500/KE)

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