DE2401965C2 - Hydraulischer Dämpfer - Google Patents

Description

entspricht, und daß der Kolben (9) an seiner dem geschlossenen Ende (7) des /.ylinders (6) zugekehrten Stirnseite einen kreisförmigen koaxialen Vorsprung (22) aufweist, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Kolbens (9) ist und dessen Höhe so bemessen ist, daß der Vorsprung (22) mit der Geschwindigkeit Null mit dem geschlossenen Ende (7) des Zylinders (6) in Berührung kommt, wenn die letzte (19) der in dem Bereich (6a) geringer Wandstärke angebrachten Öffnungen von dem Kolben (9) noch nicht vollständig abgedeckt ist

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Dämpfer der im Gattungsbegriff des Patentanspruches beschriebenen Art.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für solche Dämpfer ist die automatische Bearbeitung von Blechen. Die an einer vorbestimmten Stelle stillzusetzende bewegte Masse kann entweder das von einer Bearbeitungsstelle zu einer anderen Bearbeitungsstelle bewegte Blech selbst oder aber ein Bearbeitungskopf sein, der sich von einer Arbeitsposition zu einer dem nächstfolgenden Bearbeitungsgang zugeordneten Position bewegt.

Im allgemeinen wird ein Körper von einem Ausgangspunkt zu einem Zielpunkt transportiert oder überführt, in dem er vorübergehend an einem Wagen befestigt wird, der sich zwischen Ausgangs- und Zielpunkt auf einer geeigneten Bahn bewegen kann. Die Art des Wagens hängt einerseits von der Natur des zu transportierenden Körpers und andererseits von der Länge der Fahrstrecke sowie von der für die Fahrt zur Verfügung stehenden Zeit ab.

Wenn man eine geradlinige Bewegung des beweglichen Teiles betrachtet, erkennt man, daß diese Bewegung aus einem Anfangsbereich mit positiver Beschleunigung, einem Endbereich mit negativer Beschleunigung und gegebenenfalls einem mittleren Bereich mit der Beschleunigung Null besteht Auf dem Gebiet der automatisierten mechanischen Bearbeitung, insbesondere der automatisierten Bearbeitung von Blechen ist es nicht nur erforderlich, eine obere absolute Grenze sowohl für die positive Beschleunigung als auch für die negative Beschleunigung (Verzögerung) zu beachten, es ist ebenso notwendig, den Ankunfts- und Stillsetzpunkt der bewegten Masse (z. B. des Bleches) mit großer Genauigkeit und Wiederholbarkeit zu bestimmen. Als Beispiel sei das Einführen oder das Herausnehmen von Blechen in bzw. aus Druck- oder Stanzpressen erwähnt

Zur Erfüllung dieser Erfordernisse wurden bisher rein mechanische Lösungen vorgeschlagen und angewendet, die beispielsweise mit Kurbelstangen, mit (eine sinusförmige Bewegung ermöglichenden) Kulissen und mit (eine Bewegung mit vorbestimmter Beschleunigung ermöglichenden) Steuernockenscheiben arbeiten.

Außerdem wurden Lösungen vorgeschlagen, bei

denen der Wagen oder die bewegte Masse pneumati-

sehen oder hydraulischen Kräften ausgesetzt sind, durch

die ihnen die gewünschten positiven und negativen

Beschleunigungen mitgeteilt werden.

Während der bekannte Stand der Technik für positive Beschleunigungen — bei denen keine besondere Durchführungs- und Steuerprobleme existieren — Geräte mit hinreichender Leistungsfähigkeit zur Verfügung stellt, sind die gegenwärtig verfügbaren hydraulischen Dämpfer und Bremsen für die Verzögerung bewegter Massen nicht anwendbar, da sie nicht die hohe Genauigkeit und Wiederhclbarkt;t gewährleisten können, die beim Stillsetzen der bewegten Masse an einer vorbestimmten Stelle ihrer Bewegungsbahn gefordert werden. Die bekannten hydraulischen Dämpfer und Bremsen bestehen im wesentlichen aus einer Zylinder-Kolbenanordnung, bei der die Bewegung des Kolbens, die der Richtung und dem Weg der bewegten Masse entspricht, durch eine in dem Zylinder enthaltene Flüssigkeit gehemmt und verzögert wird. Dabei tritt die Flüssigkeit durch eine Vielzahl von im Mantel des Zylinders selbst vorgesehenen Öffnungen aus. Sobald der Kolben die letzte dieser Öffnungen erreicht und abdeckt, gibt er, falls zwischen Kolben und Zylinder kein Spiel vorhanden ist, seine eigene restliche Energie an ein Flüssigkeitsvolumen ab, das wenig kompressibel ist, und sie als Rückprall zurückgibt. Danach erst werden der Kolben und die mit ihm verbundene bewegte Masse stillgesetzt Da die Eigenschaft dieses Rückpralles unvorhersehbar und nicht kalkulierbar ist und von einer Vielzahl chemisch-physikalisoher Größen abhängt, ändert sich in unvorhersehbarer Weise die Position, in der der Kolben und die bewegte Masse schließlich stillgesetzt werden. Falls zwischen dem Kolben und dem Zylinder ein Spiel vorhanden ist, tritt zusätzlich zu dem Rückprall noch eine weitere Fehlerquelle auf, die auf den dem Spiel zwischen Kolben und Zylinder entsprechenden Durchfluß zurückzuführen ist.

Durch die US-Patentschrift 28 46 029 ist eine hydraulische Verzögerungsvorrichtung bekannt gewor-

den, die im wesentlichen aus einem Zylinder besteht, der an einem Ende geschlossen und an dem anderen Ende offen ist und der eine Vielzahl von öffnungen aufweist, die gleichen Durchmesser und gleichen gegenseitigen Abstand aufweisen und die längs einer oder mehrerer Mantellinien des Zylinders angeordnet sind. Diese bekannte Vorrichtung besitzt ferner einen außerhalb des Zylinders angeordneten Sammelraum, der mit dem Zylinderinnern über die genannte Vielzahl von öffnungen in Verbindung steht. Ferner ist ein im Inneren des ι ο Zylinders verschiebbarer Kolben vorgesehen, der bei seiner Bewegung in Flichtung auf das geschlossene Zylinderende die Öffnungen nacheinander verschließt In der an dem geschlossenen Zylinderende vorgesehenen Stirnwand sind weiters öffnungen angebracht, die eine weitere Verbindung zwischen dem Zylinderinneren und dem genannten Sammelraum bilden. Wenn die letzte der an dem Zylindermantel angebrachten Öffnungen von dem Kolben im Laufe seiner Bewegung geschlossen wird, bleiben die an der Stirnwand vorgesehenen öffnungen des Zylinders weiter geöffnet Diese öffnungen bilden für die Flüssigkeit einen Auslauf mit konstanter von der Position des Koibens im Zylinderinneren unabhängiger Querschnittsfläche. Nachdem der Kolben die letzte im Zylindermantel angebrachte öffnung passiert hat, bewegt er sich infolgedessen mit einer von Null verschiedenen, praktisch konstanten Geschwindigkeit in Richtung auf das geschlossene Zylinderende und schlägt mit dieser Geschwindigkeit gegen das geschlossene Zylinderende.

Diesem Anschlag entspricht ein Stoßeffeki, der es verhindert, daß der Kolben und damit die mit ihm verbundene bewegte Masse mit der gewünschten Genauigkeit an einer vorbestimmten Stelle stillgesetzt wird. Außerdem wirkt eine entsprechende Belastung auf die bewegte Masse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen Dämpfer zu schaffen, durch den die Verzögerung einer bewegten Masse so gesteuert wird, daß keine spürbaren Abweichungen von einem vorbestimmten Wert auftreten, und der außerdem gewährleistet, daß die Masse mit großer Genauigkeit an einer vorbestimmten Stelle ihrer Bewegungsbahn stillgesetzt wird.

Diese Aufgabe wird durch einen hydraulischen Dämpfer mit den Merkmalen des Patentanspruches gelöst.

Im folgenden sei die Erfindung anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert:

F i g. 1 zeigt schematich einen hydraulischen Dämpfer gemäß der Erfindung im Schnitt,

Fig.2 ?eigt — in vergrößertem Maßstab — eine konstruktive Einzelheit dieses Dämpfers,

F i g. 3 zeigt das Profil eines theoretischen Durchlaß-Schlitzes für die von dem Kolben angetriebene Flüssigkeit. Durch diesen Schlitz wird die Beziehung QZS= const, streng erfüllt, die

Fig.4 und 5 zeigen ein Beispiel für die praktische Näherung des theoretischen Schlitzes von F i g. 3 durch to eine Reihe von Öffnungen.

Ein hydraulischer Dämpfer 1 besteht im wesentlichen aus einem Körper 2, in dessen Inneren ein erster Hohlraum 3 gebildet ist, der sich unter einem zweiten Hohlraum 4 befindet Beide Hohlräume stehen über einen Durchlaß 5 miteinander in Verbindung.

In dem unteren Hohlraum 3 ist eine zylindrische Buchse 6 fest eingefügt; sie ist an einem Ende durch eine Rückwand 7 abgeschlossen, die entweder einstückig mit dem Körper 2 ausgebildet ist oder in geeigneter Weise fest mit diesem verbunden ist. An dem anderen Ende 8 ist die zylindrische Buchse 6 offen. Ein Kolben 9 ist koaxial und verschiebbar in der zylindrischen Buchse 6 angeordnet Seine Kolbenstange 10 tritt durch die genannte öffnung aus dem Körper 2 aus. Zwischen dem Kolben 9 und der Rückwand 7 der Buchse 6 ist eine Kammer 11 gebildet, die über eine Vielzahl von in der Wandung der Buchse 6 selbst angebrachten öffnungen 17 mit dem oberen Hohlraum 4 des Körpers 2 in hydraulischer Verbindung steht Die Kammer 11 ist gänzlich von einer Druckflüssigkeit ausgefüllt Diese füllt teilweise auch den Hohlraum 4 aus, der damit einen Vorratsbehälter für die Flüssigkeit bildet Oberhalb der mit 12 bezeichneten freien Oberfläche der Flüssigkeit befindet sich ein Luftpolster 13, das beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Kompressors auf einem konstanten Druck von vorbestimmter Größe gehalten wird. Der Kompressor ist mit dem Innenraum des Vorratsbehälters 4 über eine in dessen oberer Wandung 15 vorgesehene öffnung 14 verbünde - Die unter Druck stehende Flüssigkeit, die beispielsweise i>us Öl besteht, drückt den Kolben 9 im Normalzustand gegen einen ringförmigen Anschlag 16, den der Körper 2 an dem offenen Ende 8 der unteren Kammer 3 ausbildet Die Öffnun^n 17 befinden sich in einem longitudinalen Abschnitt 6a der Buchse 6, in dem sich deren Wandstärke bis auf einen Wert verjüngt der dem Durchmesser der Öffnungen selbst gleich ist oder diesem sehr nahe kommt Die Öffnungen 17 können deshalb vom hydraulischen Standpunkt aus als öffnungen in dünnen Wänden betrachtet werden.

Der longitudinale Abschnitt 6a der Buchse 6 erstreckt sich von der Rückwand 7 der Kammer 11 bis zu einem Punkt in der Nähe der inneren Stirnfläche des Kolbens 9, wenn dieser an dem Anschlag 16 anliegt Die Länge des Abschnittes 6a ist vorteilhafterweise gleich der Länge des Kolbens 9 oder geringfügig kleiner als diese. Wenn die stillzusetzende bewegte Masse 18 gegen das außerhalb des Körpers 2 befindliche Ende 10a der Kolbenstange 10 anschlägt, bewegt sich der Kolben 9 in Richtung auf die Rückwand 7 der Buchse 6. Diese Bewegung erfolgt gegen die Verzögerungswirkung der in der Kammer 11 vorhandenen Flüssigkeit. Diese tritt dabei durch die öffnungen 17 aus der Kammer 11 in den Vorratsbehälter 4. Der Kolben 9 sei,ließt während seiner Bewegung die öffnungen 17 nacheinander ab.

Um die Verzögerung der bewegten Masse 18 auf Werte zu bringen, die unterhalb eines vorgegebenen Absolutwertes der Beschleunigung liegen und um diese Berzögerung stetig zu gestalten, sind die Löcher 17 in dem Abschnitt 6a der Buchse 6 derart verteilt, daß in jedem Punkt der verzögerten Bewegung das Verhältnis zwischen der von dem Kolben hervorgerufenen und durch die jeweils noch offenen Öffnungen 17 hindurchtretende Ölführun/T und der gesamten Qu?rschnittsfläche dieser noch nicht geschlossenen öffnungen einen konstanten und vorbestimmten Wert aufweist, der durch die Gleichung

Q/S=i/2Sp7k'_B

(1)

gegeben ist, in der Δρ die Druckdifferenz in der Flüssigkeit zwischen den beiden Seiten 6er noch nicht geschlossenen öffnungen, ρ die Dichte der Flüssigkeit, K der bekannte Ausflußkoeffizient von Flüssigkeiten durch Öffnungen in dünnsn Wänden bedeuten. Der Wert Δρ der Druckdifferenz ist durch die Gleichung

24 Ol 965

Δρ·

(2)

gegeben, in der m die abzubremsende Masse, ν ihre Geschwindigkeit am Beginn des Bremsweges, c der Weg des Kolbens 9 und a die Querschnittsfläche des Kolbens bedeuten. Aus den Gleichungen (1) und (2) erhält man:

Q/S" v\/m/acKQ.

Es ist möglich, einen kontinuierlichen Schlitz zu bestimmen, durch den die Gleichung (3) streng erfüllt wird, während die oben beschriebene Reihe von öffnungen 17 praktisch einfacher zu realisieren ist und eine gute Annäherung ermöglicht.

Mit einer beliebigen analytischen oder digitalen graphischen Methode gelingt es, eine Reihe von Offnungen 17 (oder Schlitzen) in dem dünnwandigen Abschnitt der Buchse 6 zu ermitteln, die längs der ganzen Erstreckung des Bremsweges liegen und die die

In Fig.3 ist eine strenge Lösung der Aufgabe für einen Sonderfall dargestellt: Der Austritt der Flüssigkeit aus der Kammer 11 erfolgt durch einen Schlitz, der dem Diagramm gleicht und sich in Richtung auf die Rückwand der Kammer 11 kontinuierlich verbreitert. Eine weniger genaue jedoch einfacher zu realisierende praktische Lösung desselben Problems ergibt sich, wenn dieser theoretische Schlitz durch eine Reihe von Öffnungen 17 sowie eine letzte Öffnung 19 ersetzt wird, die bis zur Rückwand 7 reicht.

Wenn sich der Kolben 9 im Punkt χ befindet, muß die Querschnittsfläche der noch nicht geschlossenen Öffnungen 17 und 19, durch die die von dem sich mit der dem Punkt χ entsprechenden Geschwindigkeit bewegenden Kolben erzeugte Flüssigkeitsführung abfließt, gleich sein der durch den schraffierten Bereich des Diagramms (F i g. 3) repräsentierten Fläche.

In der Praxis werden die Anzahl der Öffnungen 17, ihr Durchmesser und ihre Verteilung sowie die Abmessungen der Öffnung 19 im Abschnitt 6a der Buchse 6 so gewählt, daß die Gesamtquerschnittsfläche die theoretische Fläche, die durch die in Fig.3 dargestellte Kurve begrenzt wird, so gut wie möglich annähert.

In der Nachbarschaft des idealen Stillsetzpunktes des Kolbens 9 (und damit der bewegten Masse 18) wird die steuernde Beeinflussung der Verzögerung und der Geschwindigkeit des Kolbens sehr unsicher. In dem Punkt, in dem sich die Abdeckung der letzten Öffnung 19 ihrem Ende nähert, muß der Kolben 9 noch eine von Null verschiedene Geschwindigkeit besitzen, da anderenfalls die Gefahr besteht, daß er durch Reibung zum Stillstand gebracht wird, bevor er den erwähnten idealen Stillsetzpunkt erreicht. Die kinetische Energie der bewegten Masse, die dieser von Null verschiedenen Geschwindigkeit entspricht, wird bei der Kompression der restlichen Flüssigkeit in der Kammer 11 in elastische Energie umgeformt, die sofort wieder abgegeben wird und einen Rückprall und damit eine unerwünschte Ungenauigkeit des Stillsetzpunktes hervorruft. Es ist deshalb erforderlich, daß der Kolben 9, noch bevor er die letzte Öffnung 19 schließt, auf einen mechanischen Anschlag auftrifft, von dem er ohne Rückprall angehalten wird.

Zu diesem Zweck ist die der Rückwand 7 der Kammer 11 zugewandte Stirnfläche des Kolbens 9 mit einer längs des Umfanges verlaufenden ringförmigen Ausnehmung versehen, durch die ein kreisförmiger koaxialer Vorsprung 22 definiert wird, dessen Durch-

ΓΛ:_τ:-ί_ . L/IC 1ICIC

der Ausnehmung 21, deren Wert für die Beeinflussung der Verzögerung während des letzten Millimeters des Kolbenweges wesentlich ist, ist eine wohldefinicrte Funktion der Anfangsgeschwindigkeit der Masse 18, der Masse 18 selbst, der Querschnittsfläche a des Kolbens 9, der Länge c des Kolbenweges und der Viskosität des Öls.

In der Praxis entspricht die Tiefe der Ausnehmung 21 der Wegstrecke, die der Kolben 9 noch zurücklegen müßte, um die letzte Durchlaßöffnung 19 der Flüssigkeit vollständig zu schließen, wenn die Stirnfläche 22a des Vorsprungs 22 an der Rückwand 7 anlangt. In diesem Augenblick ist die Geschwindigkeit des Kolbens Null und seine Stillsetzung ist sicher determiniert. Unmittelbar vorher jedoch, wenn zum vollständigen Schließen der letzten Durchlaßöffnungen 19 der Flüssigkeit ein Stück des Kolbenweges fehlt, das der Tiefe der Ausnehmung 21 zuzüglich einige zehntel Millimeter entspricht, besteht noch eine der Bewegung des Kolbens 9 entgegenwirkende Kraft, die teilweise auf die Verdrängung der Flüssigkeit durch den noch offenen Teil der letzten Öffnung 19 und teilweise auf den Widerstand zurückzuführen ist, den die Flüssigkeit ihrer Verdrängung aus dem äußerst kleinen Zwischenraum zwischen der Stirnfläche 22a des Kolbens und der Rückwand 7 der Kammer 11 entgegensetzt. Dank des kreisförmigen koaxialen Vorsprunges 22 übersteigt die Verzögerung auch während der Endphase des Kolbenweges niemals den vorherbestimmten Maximalwert

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch;

   Hydraulischer Dämpfer zum Stillsetzen einer bewegten Masse an einer vorbestimmten Stelle ihrer Bewegungsbahn, mit einem Zylinder, der an einem Ende geschlossen und an dem anderen Ende offen ist und dessen Mantel eine Vielzahl von öffnungen aufweist, die längs wenigstens einer Mantellinie angeordnet sind, mit einem Sammelraum, der einerseits über die genannte Vielzahl von Öffnungen mit dem Inneren des Zylinders und andererseits mit einem Vorratsbehälter für eine hydraulische Flüssigkeit hydraulisch verbunden ist, ferner mit einem gleitend in dem Zylinder angeordneten Kolben, der bei seiner Verschiebung in Richtung auf das geschlossene Ende des Zylinders nacheinander die im Zylindermantel vorgesehenen Öffnungen abdeckt, durch die die genannte Flüssigkeit in dem Sammelraum verdrängt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylindermantel im Bereich (ßa) der Vielzahl von Öffnungen (17 und 19) von geringer Wandstärke ist, und daß der Abstand der Öffnungen (17 und 19) zum Zylinderende hin derart geringer wird, daß in jedem Punkt (x) der von dem Kolben (9) bei seiner Verschiebung in Richtung auf das geschlossene Ende des Zylinders (6) durchlaufenden Bewegungsbahn das Verhältnis zwischen der Flüssigkeitsführung Q durch die noch nicht geschlossenen Öffnungen (17 und 19) und der Gesamtfläche S dieser noch nicht geschlossenen Öffnungen im wesentlichen konstant ist und der Gleichung