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Hydraulik- oder Pneumatik-Arbeitszylinder hoher Arbeitsfrequenz Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Hydraulik- oder Pneumatik-Arbeitszylinder hoher
Arbeitsfrequenz mit einem mit einer Kolbenstange verbundenen Arbeitskolben, der
eine während des Vorlaufs längs einer Arbeitsgangstrecke mit Mediumdruek beaufschlagte
Kolbenfläche aufweist, während der Arbeitskolben während des Vorlaufs längs einer
Eilgangstrecke beidseitig dauernd mit Mediumdruck beai'fsehlagt ist, mit einem mit
dem Arbeitskolben verbundenen Hilfskolben, dessen gegenüber dem Arbeitskolben kleinere
Eolbenfläche während des Vorlaufs längs der Eilgangstrecke mit Mediumdruck beaufschlagt
ist und mit mindestens einem Steuerventil für die Mediumsteuerung, durch das die
Hilfskolbenfläche und die Arbeitskolbenfläche unabhängig voneinander vom Mediumdruck
beaufschlagbar bzw. entlastbar sind.
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Derartige Hydraulik- oder Pneumatik-Arbeitszylinder sind z. B. aus
der DT-PS 2 061 883 bekannt. Hierbei umfaßt der Arbeitszylinder einen Zylinder mit
angesetztem oder ein stiickig verbundenem Hilfszylinder. Der Zylinder weist eine
Ausdrehung aitf, durch die ein Bypass zwischen dem kolbenstangenseitigen Zylinderraum
und dem der Kolbenstange abgewandten Zylinderraum gebildet wird, wobei das Druckmedium
den Ringspalt praktisch drosselfrei durchströmt.
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Die Ausdrehung ist über einen Durchlaß dauernd an die Dnickseite einer
Mediumpumpe angeschlossen. Solange sich der Arbeitskolben in dem Zylinderbereich
befindet, in dem die Ausdrehung angeordnet ist und dabei der Hilfskolben mit Mediumdruck
beaufschlagt wird, bewegt sich die ganze Anor(l-« nung mit erhöhter Geschwindigkeit
längs der Eilgangstrecke.
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Am Ende der Eilgangstrecke läuft der Kolben in den Zylinder bereich,
in dem die Ausdrehung nicht vorhanden ist, so daß nunmehr die Zylinderräume der
entgegengesetzten Kolbenflächen des Arbeitskolbens gegeneinander abgedichtet sind.
Wird nun die in den nicht ausgedrehten Zylinderbereieh hineingelaufcne Kolbenseite
druckentlastet, so wirkt auf die entgegengesetzte Kolbenseite allein der volle Arbeitsdruck
und die Anordnung bewegt sich mit geringer Geschwindigkeit, aber hoher Kraft weiter.
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Diese bekannten Hydraulik- oder Pneumatik-Arbeitszylinder arbeiten
vollkommen befriedigend, solange die Vorlaufgeschwindigkeit auf der Eilgangstrecke
nicht allzu hoch ist, der Unterschied zwischen der Vorlaufgesehwindigkeit auf der
Eilgangstreeke und der Arbeitsgangstrecke nicht allzu groß ist und solange die Arbeitsgangstrecke
absolut und im Verhältnis zur Eilgangstrecke nicht allzu kurz ist.
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Falls dies nicht der Fall ist, treten beim Übergang vom Eilvorlauf
auf den Arbeitsvorlauf sehr starke Verzögerungen auf, die sich als Massenkräfte
nach außen bemerkbar machen.
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Ferner ist der Kraftaufbau auf der Arbeitsgangstrecke zu langsam im
Verhältnis zur Länge der Arbeitsgangstrecke, da der Kolben zunächst eine gewisse
Strecke in den Zylinderbereich hineinlaufen muß, in dem die Ausdrehung nicht vorhanden
ist, bevor eine einwandfreie Abdichtung erfolgt. Dies ist insbesondere dann der
Fall, wenn die Abdichtung über Kolbenringe erreicht werden soll.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hydraulik oder Pneumatik-Arb
eitszylinder hoher Arbeitsfrequenz und mit einer langen Eilgangstrecke und demgegenüber
kurzen Arbeitsgangstrecke zu schaffen, der einfach aufgebaut ist, der in seinen
nach außen wirkenden Massenkräften möglichst ausgeglichen ist und der beim Übergang
von der Eilgangstrecke in die Arbeitsgangstreeke eine sofortige Abdichtung des Arbeitskolbens
ohne schlcifenden Übergang zu erreichen gestattet.
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Zur Lösung der sich auf den Massenausgleich beziehenden Teilaufgabe
wird erfindungsgemaß vorgeschlagen, koaxial zum Arbeitskolben einen Massenäusglei
chskolben in Form eines Ringkolbens anzuordnen, dessen beide Stirnflächen jeweils
mit den entsprechenden Zylinderräumen der beiden Arbeitskolbeuflächen in Verbindung
stehen und der hierdurch gegenüber dem Arbeitskolben durch das Druckmedium gegenläufig
bewegt wird und daß die Masse des Massenausgleichskolbens der Masse der gegenläufig
bewegten Teile angepaßt ist.
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Durch diese Anordnung wird auf einfachste Weise eine gegenüber dem
Arbeitskolben und den damit verbundenen Massen gegenläufig bewegte Ausgleichsmasse
geschaffen, die keinerlei eigenen Antrieb benötigt, da sie durch die von der Vorderseite
bzw Rückseite des Arbeitskolbens verdrängte Flüssigkeit gegenläufig gegenüber dem
Arbeitskolben hin- und herbewegt wird.
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Jedesmal, wenn der Arbeitskolben am Ende seines Eilvorlaufs abgebremst
wird und damit eine Massenkraft in einer Richtung auf den Hydraulik- oder Pneumatik-Arbeitszylinder
wirkt, wird auch der Massenausgleichskolben in entgegengesetzter Richtung verzögert,
wodurch eine entsprechende Massenkraft in entgegengesetzter Richtung zu der des
Arbeitskolbens auf den Hydraulik-oder Pneumatik-Arbeitszylinder wirkt und dadurch
die nach außen wirkende Massenkraft praktisch aufgehoben wird.
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Eine besonders vorteilhafte und einfache Ausführungsform der Anordnung
des Massenausgleichskolbens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder auf der
Eilgangstrecke eine Erweiterung aufweist, in der der gegenüber dem Arbeitskoltcs
und gegenüber der Zylinderwandung aufgedichtet geführte Ringkolben angeordnet ist,
wobei die axiale Länge des Ringkolbens, sowie die des Arbeitskolbens etwas großer
als der gesamte Arbeitskolbenhub sind.
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Bei dieser Anordnung stehen die den jeweiligen Arbeitskolbenflächen
entsprechenden Zylinderräume direkt mit den entsprechenden Stirnflächen des Ringkolbens
in Vertindtulg, so daß bei der Bewegung des Arbeitskolbens und der gegenläufigen
Bewegung des Ringkolbens keinerlei Strömungsverluste auftreten.
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Zur Lösung der sich auf den Übergang von der Eilgangstrecke auf die
Arbcitsgangstrecke beziehenden Teilaufgabe, insbesondere in Verbindung mit der Lösung
der sich auf die Masse kräfte beziehenden Teilaufgabe, wird weiterhin vorgeschlagen,
am dem Hilfskolben abgewandten Ende des Zylinders für den Arbeitskolben ein abgedichtet
axial verschiebbares Tellerventil vorzusehen, das eine umlaufende Dichtkante aufweist,
deren Durchmesser etwas kleiner ist als der Durchmesser des Arbeitskolbens und die
mit dessen Stirnfläche dichtend zusammenwirkt und daß der innerhalb der Dichtkante
bei Anlage des Arbeitskolbens gebildete Raum über mindestens ein Steuerventil mit
Mediumdruck beaufschlagbar bzw. entlastbar ist.
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Durch diese Anordnung wird im Moment der Anlage der Stirnfläche des
Kolbens an die umlaufende Dichtkante eine sofortige Abdichtung ohne schleifenden
Übergang erreicht, so daß bei entsprechender Betätigung des Steuerventils auch ein
augenblicklicher Übergang vom Eilgang auf den Arbeitsgang möglich ist.
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Eine besonders einfache Ausführungsform des Tellerventils, die keinerlei
Dichtprobleme bezüglich der axialen Verschiebbarkeit des Tellerventils mit sich
bringt und die einen schnellen Übergang von Eilvorlauf auf den Arbeitsgang und umgekehrt
En erreichen gestattet, wird darin geschen, daß das Tellerventil als Ringkolben
ausgebildet ist, der verschiebbar und mit seiner Außenfläche abgedichtet im Zylinderdeckel
angeordnet ist EDfd dessen in axialer Richtung hervor stehende Dichtkante einen
etwas größeren wirksamen Durchmesser aufweist, als der Ringkolben.
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Um einen einwandfrei definierten und reproduzierbaren Übergang vom
Eilvorlauf auf den Arbeitsgang zu erreichen, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ein erstes Steuerventil zwischen dem innerhalb der Dichtkante bei Anlage des Arbeitskolbens
gebildeten Raum und einem zweiten Steuerventil vorgesehen, wobei das erste Steuerventil
mittels eines mit dem Tellerventil verbundenen Stößels gegen Federdruck geöffnet
wird, während das zweite Steuerventil als von der Arbeitskolbenstellung abhängiges
Umschaltventil ausgebildet ist, das in seiner ersten Stellung eine Verbindung des
Raumes mit der drucklosen Rückflußleitung für das Druckmedium herstellt und das
in seiner zweiten Stellung eine Verbindung des Raumes mit der unter Druck stehenden
Leitung für das Druckmedium herstellt.
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Durch das erste Steuerventil wird somit die Entlastung des innerhalb
der Dichtkante bei Anlage des Arbeitskolbens gebildeten Raums vom Mediumdruck bewirkt,
während das zweite Steuerventil beim Ende des Arbeitshubes umgeschaltet wird und
dann diesen Raum mit der Druckleitung in Verbindung bringt, so daß dadurch der Rücklauf
des Arbeitskolbens eingeleitet wird.
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Um zu erreichen, daß sich das Tellerventil beim Rücklauf möglichst
schnell vom Arbeitskolben löst, ist eine in Rücklaufrichtung
wirkende
hydraulische Bremse für das Tellerventil vorgesehen, die aus mindestens einem im
Zylinderdeckel angeordneten und mit dem Tellerventil verbundenen doppelt wirkenden
Kolben besteht, dessen Vorderseite sowohl mit dem Arbeitskolbenraum als auch mit
der Rückseite über ein Drosselventil und ein parallel geschaltetes in Rücklaufrichtung
sperrendes Rückschlagventil in Verbindung steht.
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Weitere Einzclheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausfühnlngsbei spiels gegebenen Beschreibung
hervor: Der Arbeitskolben 2 ist über die mit ihm verbundenen Kolbenstangen 4a und
4b in den Zylinderdeckeln 19, 20 des Zylinders 14 gelagert. Auf die Kolbenstange
4a wirkt der Hilfskolben 6, der im Zylinder 7 gelagert ist, welcher mittels der
Rippen 7a mit dem Zylinderdeckel 19 verbunden ist. Der Durchmesser der Kolbenstange
4b ist geringfügig kleiner als der Durchmesser der Kolbenstange 4a. Die hiermit
gebildete Differenzfläche istwiedaum kleiner als die Hilfskolbenflächc 6a. Der Zylinder
14 ist gegenüber dem Arbeitskolben 2 mit einem größeren Innendurchmesser versehen
und;<in der dadurch gebildeten Erweiterung 14c ist der Massenausgleichskolben
12 angeordnet, der axial verschiebbar ist und sowohl gegenüber dem Zylinder 14 als
auch gegenüber dem Arbeitskolben 2 abgedichtet geführt ist.
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Die Länge des Arbeitskolbens 2 und des Massenausgleichskolbens 12
ist so bemessen, daß sich die Kolben 2 bzw. 12 in jeder Lage übergreifen und somit
die Zylinderräume 14a, 14b in keiner Stellung dieser Kolben 2 bzw. 12 direkt miteinander
in Verbindung stehen können. Die Abdichtung der Kolbenstangen 4a, 4b in den Zylinderdeckeln
19, 20 erfolgt mittels der Lagerbuchsen 17, 21,in denen die Dichtungen 17a, 21a
angeordnet sind.
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Glcichzeitig dient die Jagerbuellse 21, 20 dazu, mit ihrem Flansch
die Bohrungen für das erste Steuerventil 22 und die hydraulische Bremse in Form
eines doppelt wirkenden Kolbens 72 für das Tellerventil 16 in Form eines Rlngkolbens
abzudecken.
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Das Tellerventil 16 eist eine axial hervorspringende umlaufende Dichtkante
16a, die mit der Arbeitskolbenfläche 2b zusammenwirkt auf, und eine zylindrische
Außenfläche 16b, die in einer entsprechenden Bohrung des Zylinderdeekels 20 abgedichtet
geführt ist.
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Über das Steuerventil 22 kann der bei Anlage des Arbeitskolbens 2
mit seiner Fläche 2b an die umlaufende Dichtkante 16a gebildete Raum 18 mit Medimndruck
beaufschlagt pferden bzw. entlastet werden, während der Zylinderraum 14b ebenfalls
über das Steuerventil 22 und das Rückschlagventil 38 mit Mediumdruck beaufschlagbar
ist.
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Das Steuerventil 22 wird durch das Tellerventil 16 mittels des darin
angebrachten Stößels 24 geöffnet, während die Schiebung des Steuerventils 22 mittels
der Druckfeder 26 erfolgt, wobei über die Ausgleichsbohrung 22a Druckmedium hinter
das Steuerventil 22 gelangt.
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Die hydraulische Bremse in Form eines doppelt wirkenden Kolbens 32
ist über die Kolbenstange 51 mit dem Tellerventil 16 verbunden, wobei die Vorderseite
32a dieses Kolbens 32 sowohl mit dem Zylinderraum lb in Verbindung steht, als auch
mit der Rückseite 32b über das Drosselventil 34 und das hierzu parallel. angeordnete
in Rücklaufrichtung sperrende Rückschlagventil 36.
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Der doppelt wirkende Kolben 32 und das damit verbundene Tellerfederventil
16 werden durch die Druckfeder 33 stets in die dargestellte Stellung gedrückt.
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Dus Steuerventil 10 in Form eines Umschaltventils, das ierseits mit
der Rückflußleitllng 28 und der Druckleitung 30 in Verbindung steht und andererseits
über die Verbindungsleitung 40 mit dem Steuerventil 22 in Verbindung steht, wird
in nicflt dargestellter Weise durch den Arbeitskolben 2 angesteuert, ebenso wie
das Umsteuerventil 8, das ebenfalls einerseits mit der RückfluB.leitung 28 und der
Druckleitung 30 verbunden ist und andererseits über die Verbindungsleitung 42 mit
dem Zylinder 7 für den Hilfskolben 6.
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Schließlich ist noch eine weitere Druckleitung 30 am Zylinder deckel
19 vorgesehen, wodurch der Zylinderraum 14a und die Erweiterung 14c stets mit Mediumdruck
beaufschlagt sind.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Hydraulik- oder Pneumatik-Arbeitszylinders
ist folgende: In der dargestellten Stellung der Steuerventile 8, 10 und 22 lastet
auf den Hilfskolben 6 der Arbeitsdruck des Druckmediums.
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Der Zylinderraum 14a und die Erweiterung 14c sind ebenfalls mit dem
Arbeitsdruck des Druckmediujns über die Druckleitung 30 beaufschlagt, während im
Zylinderraum 14b aufgrund einer vorherigen zeitweiligen Öffnung des Steuerventils
22 der gleiche Arbeitsdruck des Druckmediums herrscht. Da der Durchmesser der Kolbenstange
lla größer ist als der Durchmesser der Kolbenstange 4b, entsteht hierdurch eine
auf den Arbeitskolben 2 gerichtete Druckkraft, die diesen gegen die Stopfbuchse
17 zu pressen versucht. Da jedoch auf den Hilfskolben 6 cbenfalls der Arbcitsdruck
des Druckmediums wirkt und dessen Kolbenfläche größer ist, als die eben erwähnte
Differenzfläche zwischen der Kolbenstange 4a und der Kolbenstange 4b, bewegt sich
der Arbeitskolben 2 mit den Kolbenstangen 4a und 4b und den Hilfskolben 6 auf das
Tellerventil 16 zu.
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Unter der Voraussetzung, daß das Druckmedium mit einem konstanten
Volumenstrom geliefert wird, bedeutet dies, daß
der Ärbeitskolben
2,solange er das Tellerventil 16 nicht berührt, mit erhöhter Geschwindigkeit längs
der Eilgangstrecke vorläuft. Die durch die Kolbenfläche 2b des Arbeitskolbens 2
verdrängte Flüssigkeit wirkt auf die Stirnfläche 12b des Massenausgleichskolbens
12 und treibt ihn in entgegengesetzter Richtung zum Arbeitskolben 2 auf den Zylinderdeckel
19 zu, wobei die durch die Stirufläche 12a des Massenausgleichskolbens 12 verdrängte
Flüssigkeitsmenge hinter die Kolbenfläche 2a in den Zylinderraum 14a strömt.
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Es findet also keinerlei Flüssigkeitaustausch zwischen den Zylinderräumen
14b und 14a statt. An Ende der Eilgangstrecke trifft der Arbeitskolben 2 mit seiner
Fläche 2t auf die umlaufende Dichtkante l6a des Tellerventils 16, so daß der zwischen
dem Tellerventil 16 und dem Kolben 2 gebildete Raum 18 vom Zylinderraum 14b abgetrennt
wird.
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Beim weiteren Vorlauf des Kolbens 2 verschiebt sich ebenfalls das
Tellerventil 16, so daß der Stößel 24 das Steuerventil 22 öffnet. Da das Steuerventil
10 in der gezeigten Stellung mit der Rückflußleitung 28 in Verbindung steht, bedeutet
dies, daß der Raum 18 beim Öffnen des Tellerventils 22 plötzlich vom Mediumdruck
entlastet wird, so daß auf die Kolbenstange 4b plötzlich die volle Kraft des auf
den Arbeitskolben 2 lastenden Mediumdrucks wirkt. Da von diesem Moment an Druckmedium
über die Druckleitung 30 auch in den Zylinderraum 14a eingeführt werden muß, der
Volumenstrom des Druckmediums jedoch konstant ist, verzögert sich die Geschwindigkeit
des Arbeitskolbens 2 entsprechend der nunmehr beaufschlagten größeren Kolbenfläche
2a, und zwar im Verhältnis der Hilfskolbenflächc 6a zur Arbeitskol-benfläche 2a.
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Der Massenausgleichskolben 12 wird zur gleichen Zeit im gleichen Maße
verzögert, da er nur durch die durch den Arbeitskolben 2 verdrangten Flüssigkeitsmassen
in Bewegung versetzt wird.
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Auf diese Weise wird die durch die Verzögerung des Arbeitskolbens
2 und der damit verbundenen Kolbenstange 4a, 4b und des Hilfskolbens 6 entstehende
Massenkraft ausgeglichen, da der Massenausgleichskolben 12 in entgegengesetzter
Richtung verzögert wird und seine Masse auf die Masse der entgegengesetzt bewegten
Teile abgestimmt wird, Die durch die Vorderseite 32a des doppelt wirkenden Kolbens
32 verdrängte Flüssigkeitsmenge gelangt über das Rückschlagventil 36 und das Drosselventil
34 zur Rückscite 32b des Kolbens 32 und in den Zylinderraum 14b.
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Am Ende der Arbeitsgangstrecke, das durch Anschläge an der Kolbenstange
4a oder 4b bestimmt sein kann, werden die Steuerventile 8 und 10 umgesteuert. Durch
diese Umsteuerung wird die Verbindungsleitung 42 zum Zylinder 7 mit der Rüclcflußleitung
28 verbunden, während die Verbindungsleitung 40 zwischen dem Steuerventil 10 und
dem Steuerventil 22 mit der Druckleitung 30 verbunden wird. Da das Steuerventil
22 noch geöffnet ist, wird nunmehr der Raum 18 mit Arbeitsdrudc beaufschlagt, ebenso
über das Rückschlagventil 38 der Zylinderraum 14b.
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Da der llilfskolben 6 nunmchr druckentlastet ist, wirkt auf den Arbeitskolben
2 eine Rücklaufkraft, die der Differenzfläche zwischen der Kolbenstange 4a und der
Kolbenstange 4b entspricht. Der Arbeitskolben 2 bewegt sich nunmehr zunachst zusammen
mit dem Tellerventil 16 in Richtung seiner Ausgangsstellung. Durch die hydraulische
Bremse in Form eines doppelt wirlienden Kolbens 32, dessen Vorderseite 32a beim
Rädclauf mit der Rückscite 32b nur über das Drosselventil 34 in Verbindung steht,
wird das Tellerventil 16 jedoch abgebremst und bleibt hinter dem Arbeitskolben 2
zurück, so daß nunmehr eine Verbindung zwischen den Räumen 14b und 18 hergestellt
ist.
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Dieser eilt nun mit erhöhter Geschwindigkeit die Eilgangstrecke zurück,
wobei der Massenausgleichskolben 12 mit der gleichen Geschwindigkeit entsprechend
vorläuft.
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Am Lude des Eilrücklaufs wird der Arbeitskolben 2 wiederum abgebremst,
ebenso wie der Massenausgleichskolben 12. Auch in dieser Stellung werden die dabei
auftretenden Massenkräfte ausgeglichen und nachdem die Steuerventile 8, 10 umgesteuert
sind, kann der Arbeitskolben 2 wieder in der anderen Richtung vorlaufen.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Hydraulik-oder Pneumatik-Arbeitszylinders
ist es möglich, eine sehr hohe Arbeitsfrequenz zu erzielen, ohne daß dabei große
Massenkräfte auf treten und ohne daß dabei große DrueXmcdiummengen in den Leitungen
hin- und herbewegt werden müssen.
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Der Übergang von der Eilgangstrecke auf die Ärbeitsgangstrecke erfolgt
mit großer Genauigkeit und Reproduzierbarkeit und ist nur vom Abstand des Stößels
24 vom Steuerventil 22 abhängig. Dieser Abstand läßt sich bei der Montage auf einfache
Weise einstellen, so daß jeder gewünschte Wert der Länge der Übergangsstrecke zwischen
Eilgangstrecke und Arbeitsgang strecke erreichbar ist.