DE2636252A1 - Arbeitszylinder - Google Patents

Description

Beschreibung zum Patentgesuch

der Firma Klinger AG, Baarerstraße 10, Zug/Schweiz

betreffend:

"Arbeitszylinder."

Die Erfindung bezieht sich auf Arbeitszylinder mit geringer Eigenreibung. Solche Zylinder werden nicht nur in der Regelungstechnik od.dgl. benötigt, sondern auch überall dort, wo die Betriebsbedingungen und/oder das den Zylinder beaufschlagende Arbeitsmedium eine große Reibung zwischen Kolben und der inneren Zylinderwand sowie zwischen der Kolbenstange und den Lagerbüchsen bewirken. Beispielsweise kann in Betriebsfällen, wo Helium als Arbeitsmedium Verwendung finden muß - da es desoxidierend wirkt - an den Berührungsstellen zwischen Kolben und Zylinderwand bzw. zwischen Kolbenstange und Lagerbüchsen ein Verschweißen der verwendeten Werkstoffe vorkommen; übliche Schmiermittel sind nicht verwendbar.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, Arbeitszylinder mit geringer Eigenreibung zu schaffen, die auch bei ungünstigsten Betriebsbedingungen einwandfrei arbeiten. Sie geht von dem Gedanken aus, eine einfache Zylinderkonstruktion mit möglichst wenig Gleitstellen zu wählen, wobei das gasförmige oder flüssige Arbeitsmedium als Schmiermedium von außen durch die Zylinderbuchse bzw. die Lagerbüchse in den Lagerspalt gedrückt wird, wo das zur berührungslosen Führung nötige Lagerspiel durch die dort wirkenden aerostatd&chan, Q^f? ffcydrostatischen Kräfte auf-

rechterhalten wird.

Die Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder in an sich bekannter Weise mit Differentialkolben ausgestattet ist, wobei sowohl die die Kolbenstange führende Lagerbüchse, als auch die die innere Zylinderwand bildende Zylinderbüchse aus permeablem Werkstoff bestehen und von außen nach innen von gasförmigem oder flüssigem Schmiermedium durchströmbar sind, das mit dem Arbeitsmedium zur Beaufschlagung des Kolbens gleichartig ist. Als Differentialkolben sind dabei alle jene Kolben zu verstehen, die nur auf einer Kolbenseite eine Kolbenstange aufweisen; die wirksamen Flächen der beiden Kolbenseiten sind also unterschiedlich.

Durch die Erfindung ist ein einfacher Zylinder geschaffen, bei dem durch die tragenden Kräfte im Lagerspalt bei Beaufschlagung des Kolbens nur eine geringe Reibung vorhanden ist. Gleichzeitig ergibt sich bei Anwendungen unter hoher Außentemperatur auch eine Kühlung durch das die Büchsen von außen anströejmnde Schmiermedium, das außerdem vor Einleitung in den Zylinder bzw. in das Lager noch durch mantelartige Umhüllungen auch den Zylinder bzw. das Lager von außen kühlend fumströmen kann. Als permeabler Werkstoff kann beispielsweise Sinterkohle oder Sintermetall Verwendung finden.

Es tritt allerdings bei solchen Arbeitszylindern noch ein besonderes Problem auf, indem die Berührungsstellen zwischen Zylinderbüchse und Kolben über den ganzen Kolbenweg mit Schmiermittel beaufschlagt sein müssen und daher eine große Menge von Schmiermedium umgewälzt werden muß. Im Rahmen der Erfindung werden aber Lösungen angegeben, welche die nötige Menge an Schmiermittel wesentlich reduzieren, indem im Bereich des ZjLinders nur die jeweiligen Berührungssteilen mit dem Kolben vom Schmiermedium beaufschlagt werden. Dias geschieht vorteilhaft dadurch,

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daß das Schmiermedium und das Arbeitsmedium gleichen Eingangsdruck aufweisen. In jenen Zylinderabschnitten, wo das Arbeitsmedium also je nach Beaufschlagung zur Wirkung kommt, herrscht an der Innenwand und an der Außenwand der Zylinderbüchse der gleiche Eingangsdruck, so daß dort kein Medium durch die Büchsenwand strömt und demgemäß auch nicht umgewälzt und möglicherweise gekühlt werden muß.

Es ist aber auch allein oder in Kombination mit der vorgenannten Ausbildung möglich, daß die permeable Zylinderbüchse und/oder die permeable Lagerbüchse axiale Abschnitte aufweisen, die voneinander getrennt von Schmiermedium durchströmbar sind. Falls also ein Kolben jeweils lange in einer Ruhestellung bleibt, kann damit erreicht werden, daß nur der zugeordnete axiale Abschnitt der permeablen Zylinderbüchse durchströmt ist und der restliche Abschnitt der Büchse nicht beaufschlagt wird. Auch dadurch ergibt sich eine Einsparung an dem umzuwälzenden Schmiermedium. Ebenso ergibt sich an der Lagerbüchse eine Einsparung an Schmiermedium durch Unterteilung der Büchse in mehrere axiale, getrennte Abschnitte, weil jeder dieser Abschnitte gesondert durchströmbar ist und in der richtigen, die maximale Tragkraft ergebenden Länge gewählt werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Konstruktion ergibt sich, wenn bei einer Ausführungsform, bei der das Schmiermedium und das Arbeitsmedium gleichen Eingangsdruck aufweisen, der Kolben einseitig mit Arbeitsmedium beaufschlagbar ist, der außerhalb des ruhenden, nicht beaufschlagten Kolbens liegende Zylinderbüchsenabschnitt nur dann von Schmiermedium durchströmt ist, wenn der Kolben mit Arbeitsmedium beaufschlagt ist. Auf der Zylinderseite, wo der Kolben beaufschlagt wird, werden automatisch, unabhängig von der Kolbenstellung, jene Zylinderabschnitte nicht von Schmiermedium durchströmt, die mit diesem Arbeitsmedium in Berührung kommen, weil ja das Schmiermedium und das Arbeitsmedium gleichen Eingangsdruck aufweisen und eine Strömung durch die Büchse nicht vor sich geht; da der Kolben in

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nicht beaufschlagtem Zustand immer durch einen auf die andere Kolbenseite wirkenden statischen Druck - entweder eines Mediums oder einer Feder - in Ruhestellung ist, kann der in Ruhestellung nicht mit dem Kolben in Kontakt stehende axiale Zylinderabschnitt von der Durchströmung von Schmiermittel ausgeschaltet sein und nur bei Bewegung des Kolbens durch Beaufschlagung von Schmiermedium durchströmt sein.

Weiter ist es zur Einsparung von Schmiermedium vorteilhaft, wenn beide axialen Enden des vom Schmiermedium getragenen Kolbenmantels direkt bzw. durch Kanäle od.dgl. mit der gleichen Kolbenseite in Verbindung stehen, weil dann an beiden Enden des Kolbenmantels der gleiche Ausgangsdruck für das Schmiermedium aus dem Lagerspalt herrscht und dadurch kein größerer Druck des Schmiermediums als erforderlich gewählt werden muß. Dies tritt besonders dann vorteilhaft in Erscheinung, wenn die beiden Enden des Kolbenmantels mit der nicht beaufschlagbaren Kolbenseite in Verbindung stehen, wobei durch Einstellung des dort herrschenden Drucks die radiale Tragfähigkeit des Kolbens und der Verbrauch an Schmiermedium optimierbar sind.

Die Erfindung soll anhand eines Beispiels näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt einen schematischen Axialschnitt durch einen Arbeitszylinder, der zum Betrieb eines Absperrorganes unter hohen Temperaturen mit Helium als Arbeitsmedium beaufschlagbar sein soll.

Ein Kolben 1, der einseitig mit einer Kolbenstange verbunden ist, ist in einer permeablen Zylinderbüchse 3 aus zwei axialen Abschnitten 3¹, 3", die Kolbenstange 2 in einer in drei axiale Abschnitte 4¹, 4", 4"¹ unterteilten permeablen Lagerbüchse 4 gelagert. Diese Büchsen 3,4 bestehen aus poröser Sinterkohle, die auch bei Ausfall des mit dem Arbeitsmedium gleichartigen Schmiermediums gute Notlaufeigenschaften ergibt. Die Zylinderbüchse 3 ist in eigem Außen-vMnder 5 gelagert, die Lager-8 0 9 8 0 //UZZo

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büchse 4 in einem Ansatz 6¹ des einen Zylinderdeckels 6. Der andere Zylinderdeckel 7 ist nicht von einer Kolbenstange durchsetzt und enthält die Zuführung 8 für das Arbeitsmedium. Die porösen Kohlenbüchsen 3, 4', 4", 4¹¹¹ sind an den Stirnseiten gegen den umgebenden Werkstoff abgedichtet.

Die Zufuhr des Schmiermediums zu den Ringräumen 9,10,11·,11", 11'" im Außenzylinder 5 bzw. im Zylinderdeckelansatz 6, welche den Außenmantel der Büchsen 3,4 umgeben, erfolgt radial von außen, so daß die Beaufschlagung über den gesamten Mantel gleichmäßig erfolgt. Falls es bei besonderen Betriebszuständen möglich ist, daß der Druck im Inneren der Büchsen bedeutend kleiner ist als in den Ringräumen, können dort in relativ kurzen Achsabständen die Büchsen gegen Bruch abstützende Wülste vorgesehen sein, die allerdings axiale Durchlässe in Form von radialen Unterbrechungen od.dgl. aufweisen müssen, damit das Schmiermedium praktisch den gesamten Außenmantel der Büchsen umströmen kann. An jedem Ende jedes Axialabschnittes 4', 4", 4¹¹¹ der Lagerbüchse 4 sind Kanäle 12 zur Abfuhr des Schmiermittels vorgesehen. Jeder Abschnitt kann somit optimal dimensioniert werden und es kann daher die erforderliche Tragfähigkeit mit der minimalsten Menge an Schmiermedium erzielt^werden.'

Wie schon dargelegt, wird der Zylinderkolben 1 vom Zylinderdeckel 7 her mit Arbeitsmedium beaufschlagt; auf der anderen Kolbenseite herrscht im Zylinder der Druck der den Zylinder umgebenden Atmosphäre, weil dieser Zylinderraum über Bohrungen 13 im Zylinderdecekl 6 mit der umgebenden Atmosphäre verbunden 1st. Falls dieser Druck zum Festhalten des Kolbens 1 in der Ruhestellung zu gering sein sollte, können auch anstelle der Bohrungen 13 im Zylinderdeckel 6 Druckhalteventile eingebaut werden, die einen eingestellten Druck des durch die permeable Zylinderbüchse in den Zylinderraum gelangten Schmiermediums aufrechterhalten, q _{09 8 0} 7 / 0 2 2 8

Um Schmiermedium, d.h. Helium, zu sparen, ist die Zylinderbüchse 3 in zwei Abschnitte 3¹, 3" unterteilt, und zwar in einen Abschnitt 3", in dem der Kolben 1 in Ruhestellung lagert, und einen zweiten 3', der nur bei Beaufschlagung und Bewegung des Kolbens in die andere Totlage zur Wirkung kommt und während der Bewegung des Kolbens diesen berührungslos zur Büchse hin führt. Im Betrieb ergibt sich bei dem vorliegenden Beispiel folgender Arbeitsverlauf:

Der gesamte Arbeitszylinder lagert in einer Atmosphäre unter einem Druck von 43 bar Helium. Als Schmiermedium für die Lagerbüchse 4 wird durch einen Einlaß 14 kaltes Helium unter einem Druck von 45 bar eingepreßt, das aus den Kanälen 12 an den Enden der Lagerbüchsenabschnitte II¹, 11", II¹¹¹ unter einem Druck von 43 bar in die umgebende Atmosphäre austritt und gleichzeitig direkt als Kühlmedium wirkt. Das Schmiermedium für den ständig durchströmten Abschnitt 3" der Zylinderbüchse, wo sich der Kolben 1 in Ruhestellung befindet, gelangt längs Leitblechen 15 unter einem Eingangsdruck von 45 bar in den Einlaß 16 des Außenzylinders 5 und von dort über den Ringraum 10 und durch den permeablen Abschnitt 3" in den Lagerspalt um den Kolben 1; es tritt einerseits direkt an seinem Ende, andererseits über eine Ringnut 1' und Radialbohrungen 1" ebenfalls in den mit der Außenatmosphäre von 43 bar durch die Bohrungen 13 verbundenen Zylinderraum aus. Falls die Länge des Kolbens groß ist, müssen zumeist mehrere solcher Ringnuten 1' und Radialbohrungen 1" zur Abfuhr des Schmiermediums vorgesehen werden, um die gewünschte Tragkraft mit dem geringsten Schmiermittelyerbrauch erzielen zu können. Der verbleibende Zylinderbüchsenabschnitt 3¹ ist in Ruhestellung des Kolbens nicht beaufschlagt. Die Zuleitung von Helium zu diesem

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Abschnitt ist wie beim anderen Zylinderbüchsenabschnitt 3" ausgebildet. Sobald der Kolben nun mit 45 bar HELium als Arbeitsmedium durch die Zuführung im Zylinderdeckel 7 beaufschlagt wird, wird auch der zweite Zylinderbüchsenabschnitt 3¹ unter Druck von 45 bar Helium gesetzt, so daß sich der Kolben 1 über die ganze Zylinderlänge unter Aufrechterhaltung des Lagerspaltes bewegen kann. Es wird also nur dann Schmiermedium dem größeren Teil der Zylinderbüchsenlänge zugeführt, wenn es wirklich benötigt wird. An jenem Teil des Zylinders, der bei Bewegung des Kolbens auf der Seite des beaufschlagenden Arbeitsmediums von 45 bar Helium zu liegen kommt, erfolgt keine Durchströmung des dort liegenden Zylinderbüchsenteiles, weil ja an beiden Mantelflächen dieses Zylinderbüchsenteiles der gleiche Druck von 45 bar herrscht und somit keine Strömung auftreten kann. Auch durch diese Maßnahme ist eine Einsparung von Schmiermedium gegeben. Im vorliegenden Fall ist die nötige Tragwirkung am Kolben durch die Druckdifferenz zwischen Außen- und Innenmantel der Zylinderbüchse von 45 auf 43 bar gegeben. Falls zur Erreichung der richtigen Tragkraft bei unveränderten Eingangsdrücken eine andere Druckdifferenz notwendig wäre, müßte dies - wie oben dargelegt - entweder durch Veränderung des Druckes der umgebenden Atmosphäre oder durch Vorsehen eines Druckhalteventiles erzielt werden.

Der erfindungsgemäße Arbeitszylinder gewährleistet also auch bei extremen Betriebsbedingungen die nötigen Gleiteigenschaften, die bedeutend besser sind als bei einem Kolben mit mechanischer Führung von Kolbenstange und Kolben. Dabei ist die zur Schmierung erforderliche Menge des gasförmigen oder flüssigen Mediums durch die oben geschilderten Maßnahmen soweit als möglich reduziert, ohne daß ein großer technischer Aufwand die KONstruktion störungsanfällig machen würde.

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-AO-Leerseite

Claims (6)

Patentansprüche.

1. Arbeitszylinder mit geringer Eigenreibung, dadurch gekennzeichnet, daß er in an sich bekannter Weise mit Differentialkolben (1) ausgestattet ist, wobei sowohl die die Kolbenstange (2) führende Lagerbüchse (4)., als auch die die innere Zylinderwand bildende Zylinderbüchse (3) aus permeablem Werkstoff bestehen und von außen nach innen von gasförmigem oder flüssigem Schmiermedium durchströmbar sind, das mit dem Arbeitsmedium zur Beaufschlagung des Kolbens gleichartig ist.

2. Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiermedium und das Arbeitsmedium gleichen Eingangsdruck aufweisen.

3. Arbeitszylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die permeable Zylinderbüchse (3) und/ oder die permeable Lagerbüchse (4) axiale Abschnitte 3¹, 3"; 4", 4", 4¹¹·) aufweisen, die voneinander getrennt von Schmiermedium durchströmbar sind.

4. Arbeitszylinder nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben einseitig mit Arbeitsmedium beaufschlagbar ist, wobei der außerhalb des ruhenden, nicht beaufschlagten Kolbens liegende Zylinderbüchsenabschnitt (3¹) nur dann von Schmiermedium durchströmt ist, wenn der Kolben (1) mit Arbeitsmedium beaufschlagt 1st.

5. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide axialen Enden des vom Schmiermedium getragenen Kolbenmantels direkt bzw. durch Kanäle od.dgl. mit der gleichen Kolbenseite in Verbindung stehen.

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6. Arbeitszylinder nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden des Kolbenmantels mit der nicht beaufschlagbaren Kolbenseite in Verbindung stehen, wobei durch Einstellung des dort herrschenden Drucks die radiale Tragfähigkeit des Kolbens und der Verbrauch an Schmiermedium optimierbar sind.

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