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Hydraulischer Teleskopkolbenantrieb für Hubvorrichtungen.
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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Teleskopkolbenantrieb für
Hubvorrichtungen, bestehend aus einem Zylinder und drei ineinanderverschiebbaren
Teleskopkolben, von denen der äußere den Innenraum des Zylinders -ebenso wie der
mittlere den Innenraum des äußeren Teleskopkolbens- mittels eines vorspringenden
abgedichteten Bundes in eine Zylinderkammer und in einen Ringraum unterteilt, wobei
der Ringraum des Zylinders mit der Zylinderkammer des äußeren Teleskopkolbens und
der Ringraum des letzteren mit dem Innenraum des mittleren Teleskopkolbens verbunden
ist.
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Ein W vergleichbarer hydraulischer Teleskopkolbenantrieb ist beispielsweise
in der deutschen Patentschrift 11 01 964 beschrieben. Derartige hydraulische Teleskopkolbenantriebe
sind als sogenannte Gleichlaufantriebe bekannt und haben den Vorteil, daß sie unter
allen Betriebsbedingungen kontinuierlich arbeiten und somit, wenn baspielsweise
eine konstante Last mit konstanter Geschwindigkeit gehoben werden soll, trotz des
Vorhandenseins mehrerer unterschiedlich großer Kolben mit ständig gleicher Ölmenge
pro Sekunde arbeiten, so daß die einzelnen Stufen etwa gleichzeitig ihre Endstellung
æreichen. Die Drücke in den einzelnen Kammern, die nicht in unmittelbarer Verbindung
stehen, sind allerdings unterschiedlich und stufen sich, vom kleinsten zum größten
Kolben hin betrachtet, etwa in den Verhältnissen 1,5 S 1,5 : 1. Bei dem hier in
Rede stehenden dreistufigen Teleskopkolbenantrieb ergibt sich somit ein Gesamtdruckverhältnis
von
1,5 mal 1,5 zu 1 gleich 2,25 zu 1. Auf dieses maximal auftretende Druckverhältnis
hin muß die Wandstärke des kleinsten Kolbens berechnet sein.
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Wenn ein solcher dreistufiger hydraulischer Teleskopkolbenantrieb
unter Last ausgefahren wird, was in der überwiegenden Zahl der Fälle zutrifft, dann
tritt im kleinsten Kolben kein größerer als der genannte 2,25-fache Überdruck auf0
Wird jedoch ein derartiger dreistufiger hydraulischer Teleskopkolbenantrieb beim
Neueinbau oder im Reparaturfall ohne Last ausgefahren, dann ist nicht ohne weiteres
gewährleistet, daß die einzelnen Kolbenstufen vom größten zum kleinsten Kolben hin
nacheinander bis zu ihrem eigenen Anschlag ausfahren. Es wurde in einigen Fällen
beobachtet, daß -offensichtlich durch selbsttätig eingetretene Ölverlagerungen zwischen
den Kolbenstufen bedingtbeim Ausfahren ohne Last zuerst der kleinste Kolben bis
zu seinem oberen Anschlag autuhr. In einem solchen Fall baut sich jedoch ein weit
größeres Gesamtdruckverhältnis auf als das oben angegebene von 2,25 zu 1, das bei
unter Last ausfahrendem Teleskopkolbenantrieb im Normalfall auftritt. Der Druckanstieg
von Stufe zu Stufe ist bei dem erwähnten Sonderfall nicht mehr 1,5 zu 1, sondern
2,5 zu 1. Bei einem dreistufigen Teleskopkolbenantrieb ergibt sich somit ein Gesamtdruckverhältnis
von 2,5 mal 2,5 zu 1 gleich 6,25 zu 1. Die Wandstärken der kleinsten Kolbenstufe
sind jedoch nicht unter Zugrundelegung eines derartig starken Druckanstiegs berechnet,
so daß in den oben erwähnten wenigen Beobachtungsfällen eine bleibende Verformung
der k-leinsten Kolbenstufe eintrat, so daß diese nicht mehr in die nächstgrößere
Kolbenstufe einschiebbar war. Die Teleskopkolbenantriebe hatten somit in den genannten
Fällen
ihre Funktionsfähigkeit vollkommen verloren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei hydraulischen Teleskopkolbenantrieben
der eingangs erwähnten Art die Entstehung eines derart hohen schädlichen Gesamtdruckverhältnisses
von 6,25 zu 1 zu verhindern. Den kleinsten Kolben starkwandiger zu bemessen ist
keine Lösung, da hierdurch die wirksame Fläche im kleinsten Kolben noch weiter verringert
und der in diesem Kolben auftretende Druck noch vergrößert wird, so daß sich noch
ein ungünstigeres Gesamtdruckverhältnis als 6,25 zu 1 ergibt.
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Gelöst wird die Aufgabe nach der Erfindung dadurch, daß zwischen der
unter Druck setzbaren Zylinderkammer und der Ringkammer des Zylinders mittels eines
Druckverhältnisventils, das nur beim Überschreiten eines auf Normalbetrieb eingestellten
Druckverhältnisses öffnet und Hydraulikflüssigkeit von der Ringkammer in die Zylinderkammer
fließen läßt und/oder zwischen den Innenraum des mittleren Teleskopkolbens und der
Zylinderkammer des äußeren Teleskopkolbens mittels eines Rückschlagventils, das
nur kurz vor Erreichung der größten Ausfahrlänge des inneren Teleskopkolbens infolge
Auftreffens des Ventilsverschlußkörpers gegen einen entsprechend bemessenen Anschlag
öffnet und Hydraulikflüssigkeit von dem Innenraum in die Zylinderkammer fließen
läßt, eine hydraulische Verbindung hergestellt ist.
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Nach dem ersten Alternatiworschlag der erfindungsgemäßen Lösung ist
somit ein Druckverhältnisventil vorgesehen, welches das normale Druckverha1tnis
von 1,5 zu 1 zwischen der ersten und der zweiten Stufe überwacht. Die konstruktbe
Ausbildung und Art der Anbringung des Druckverhältnisventils .kann unterschiedlich
sein, da es möglich ist, dieses Druckverhältnisventil unter gewissen Voraussetzungen
auch innen im Zylinder einzubauen oder auch ausserhalb desselben anzubringen, wenn
die Voraussetzung einer absolut leckölfreien Abdichtung des Steuerkolbens des Druckverhälhisventils
nicht erreichbar ist.
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Wenn bei unbelastetem Ausfahren des hydraulischen Teleskopkolbenantriebs
die kleinste Kolbenstufe vorzeitig gegen ihren oberen Anschlag anstößt, so verändert
sich das Druckverhältnis je nach Belastung stufenlos zu dem oben erwähnten ungünstigeren
Druckverhältniswert hin, wobei das Druckverhältnisventil beim Überschreiten eines
gewählten Verhäitnisses, welches aus Sicherheitsgründen leicht über dem normalen
Betriebsdruckverhältnis liegt, anspricht und Hydraulikflüssigkeit aus der Ringkammer
in den Kolbenraum des Zylinders fließen läßt. Die Folge hiervon ist, daß sich nicht
die kleinste, sondern die größte Stufe nach oben bewegt, ohne daß die mittleren
Stufen ihr Hubniveau verändern. Ist die größte Stufe soweit ausgefahren, daß sie
gegen ihren oberen Anschlag anliegt, so wird das Druckverhältnis von dieser Stufe
zu der nächstkleineren 1 zu 1 und es besteht in den meisten Fällen dann keine Gefahr
mehr, daß die kleineren Stufen durch einen zu hohen inneren Druck ausbeulen. Die
besagte Maßnahme bewirkt also, daß zwischen der ersten und zweiten Stufe die schädliche
Verhältniszahl von 2,5 zu 1 verhindert und zie übliche Verhältniszahl von 1,5 zu
1 beibehalten wird. Selbst wenn dann von der zweiten zur dritten Stufe sich die
schädliche Verhältniszahl von 2,5 zu 1 einstellen sollte, baut sich kein Gesamtdruckverhältnis
mehr von 6d25 zu 1 auf. Der gewünschte erfindungsgemäße Zweck ist damit annähernd
erreicht.
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Mit der zweiten Alternativmaßnahme nach der erfindungsgemäßen Lösung
ist ein Rückschlagventil zwischen der kleinsten und der nächstgrößeren Stufe vorgesehen,
das sich kurz vor Erreichung der größten Ausfahrlänge des inneren Teleskopkolbens
- also der kleinsten Stufe - infolge Auftreffens des Ventilverschlußkörpers gegen
einen entsprechend bemessenen Anschlag öffnet und Hydraulikflüssigkeit von dem Innenraum
des mittleren Teleskopkolbens in die Zylinderkammer des äußeren Teleskopkolbens
fließen läßt. Hierdurch wird also zwischen der kleinsten und der nächstgrößeren
Kolbenstufe die schädliche Verhältniszahl von 2,5 zu 1 vermieden und die übliche
Verhältniszahl von 1,5 zu 1 beibehalten, womit ebenfalls der schädliche Aufbau eines
Gesamtdruckverhältnisses von 6,25 zu 1 vermieden wird. Für die Praxis
reicht
also die Alternative Verwendung eines der beiden Alternativvorschläge aus. Das theoretisch
beste Ergebnis wird allerdings erzielt, wenn beide Maßnahmen zugleich angewendet
werden, da dann zweimal die ungünstige Verhältniszahl von 2,5 zu 1 vermieden und
zweimal die günstige Verhältniszahl von 1,5 zu 1 beibehalten wird.
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Der zweite Alternatiworschlag kann konstruktiv unterschiedlich verwirklicht
werden0 Eine erste Ausführungsform kann dadurch gekeninzeichnet sein, daß der Verschlußkörper
des Rückschlagventils mit einer in einer zentralen Innenbohrung des inneren Teleskopkolben
verschiebbar geführten Langstange verbunden ist, deren anderes verbreitertes Ende
kurz vor Erreichung der größten Ausfahrlänge des inneren Teleskopkolbens an diesem
anschlägt und mitgezogen wird0 Die zweite vorteilhafte vorgeschlagene Ausführungsform
des zweiten Alternativvorschlgs der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der
Verschlußkörper des Rückschlagventils mit einer Kurzstange verbunden ist, die mit
ihrem anderen verbreiterten Ende eine Durchbrechung einer im Innenraum des mittleren
Teleskopkolbens geringfügig verschiebbar geführten Hülse hintergreift, welche kurz
vor Erreichung der größten Ausfahrlänge des inneren Teleskopkolbens an diesem anschlägt
und von diesem zusammen mit der gleichfalls kurz danach mit genommenen Kurzstange
mitgezogen wird.
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Nachfolgend werden anahand der Zeichnung fünf unterschiedliche Ausführungsformen
d näher erläutert.
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Es zeigen : Figur 1 s den ersten Alternativvorschlag der erfindungsgemäßen
Lösung, bei welcher zwischen der größten und der nächstkleineren Kolbenstufe durch
Einbau eines Druckverhitnisventils die Entstehung der schädlichen Druckverhältniszahl
von 2,5 zu 1 vermieden wird,
Figur 2 : eine erste Variante des zweiten
Alternativvorschlags bei welcher zwischen der kleinsten und der nächstgrößeren Kolbenstufe
infolge eines aufgezogenen Rückschlagventils die Entstehung des schädlichen Überdruckverhältnisses
von 2,5 zu 1 verhindert wird, Figur 3 : die zweite Variante der zweiten Alternative
des Lösungsvorschlags, Figur 4:eine konstruktive Verknüpfung der Gegenstände der
Figuren 1 und 2, Figur 5 : eine konstruktive Verknüpfung der Gegenstände der Figuren
1 und 3 und Figur 6 : das Druckverhältnisventil in einer vergrößerten Längsschnittdarstellung.
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Der in Figur 1 dargestellte hydraulische Teleskopkolbenantrieb umfaßt
den Zylinder 1 mit dem Boden 2 und einer darin befindlichen Öffnung 3 zum Anschluß
an eine Öldruckleitung. Im Zylinder 1 ist der äußere Teleskopkolben 4 mit dem Boden
5 verschiebbar angeordnet, dessen Mantel gegenüber dem Innendurchmesser des Zylinder
rohres 1 um ein bestimmtes Maß kleiner ist, so daß durch den in Höhe des Bodens
5 vorspringenden abgedichteten Bundes eine Ringkammer 6 entsteht, während der Boden
5 mit dem Zylinder 1 die Zylinderkammer 6 einschließt. Im Innenraum des Hohlkolbens
4 ist ein weiterer Hohlkolben 8 mit Boden 11 versiiebbar angeordnet.
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Die im Hohlkolben 4 unter dem Hohlkolben 8 befindliche Kammer 9 steht
mit der Ringkammer 6 durch die Verbindungskanäle 10 in unmittelbarer Verbindung.
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Im hohlen mittleren Teleskopkolben 8 ist ein weiterer innerer Teleskopkolben
12 mit Bodenbund 16 angeordnet, wobei wiederum die unter dem Kolben 12 befindliche
Kammer 13 bzw. der gesamte Innenraum des mittleren Teleskopkolbens 8 durch die Verbindungskanäle
15 in unmittelbarer Verbindung mit der Ringkammer 14 des äußeren Teleskopkolbens
4 steht.
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Der Bund 16 an dem Kolben 12 dient lediglich als Anschlag zur Begrenzung
des Hubes ciieses Kolbens.
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Wird Drucköl in die Zylinderkammer 7 gepreßt, so wird der Kolben 4
ausfahren. Dabei verringert sich das Volumen der Ringkammer 6 und das in ihr enthaltene
Öl wird durch die Kanäle 10 in die Kammer 9 gedrängt, so daß auch der Hohlkolben
8 aus dem Hohlkolben 4 ausgefahren wird. Hierdurch wird wiederum das Volumen von
der Ringkammer 14 verringert und daß in ihr befindliche Öl wird somit durch die
Kanäle 15 in die Kammer 13 gedrängt, so daß auch der Kolben 12 aus dem Hohlkolben
8 ausfährt.
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Die Berechnung der Ring- und Kolbenflächen ist einfach und wird in
der Regel so durchgeführt, daß sämtliche Kolben wenigstens annähernd gleichzeitig
in ihrer Endstellung anlangen. Bedingt durch die unterschiedlichen Flächen von Kolben
4 zu Kolben 8 zu Kolben 12 ist der Druck in den Kammern 6 und 9 größer als in dem
Druckraum 7 und in den Kammern 13 und 14 größer als in den Kammern 6 und 9, wenn
die Kolben mit einer Last beaufschlagt werden. Das Druckverhältnis zwischen den
Kammern 6 und 9 zum Druckraum 7 verhält sich in den meisten Fällen etwa wie 1,5
zu 1. Das gleiche Verhältnis stellt sich auch zwischen den Kammern 13 und 14 zu
den Kammern 6 und 9 ein, was ein gesamtes Druckverhältnis von 1,5 mal 1,5 zu 1 gleich
2,25 zu 1 ergibt.
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Wenn nun unvorhergesehen und unbeabsichtigt Öl aus der Kammer 7 in
die Kammer 9 und von dort in den Innenraum 13 wandert, was dadurch geschehen kann,
daß der Sumpenförderstrom zu schnell abgebrochen wird und die Kolben 8 und 12 infolge
ihrer in Bewegung befindlichen Masse noch ein Stück nachlaufen und dabei über die
Rückschlagventile 17 und 18 etwas Öl nachsaugen, kommt es zum vorzeitigen und ungewollten
Anschlagen des Kolbens 12 wodurch das System blockiert wird und die Kolben 8 und
4 ihren restlichen Hub nicht ausfahren könnens
Solche Erscheinungen
sind nicht nur unerwünscht, sondern bringen auch die Kolben 8 und 4 insofern in
Gefahr, als sich dann die DruckverXhältnisse zu ungünstigeren Werten als oben geschildert
steigern. Die Druckverhältnisse betragen dann von Kammer 6 und 9 zu Druckraum 7
und von Kammer 13 und 14 zu den Kammern 6 und 9 etwa 2,5 zu 1, so daß das Gesamtdruckverhältnis
2,5 mal 2,5 zu 1 gleich 6,25 zu 1 beträgt.
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Das Druckverhältnisventil 34, das in Figur 6 vergrößert dargestellt
ist, verhindert ein Ansteigen des Druckverhältnisses beim V vorzeitigen Anschlagen
des Kolbens 12 insofern, als es dann Öl aus der Kammer 6 in den Druckraum 7 ablaufen
läßt, wodurch der Hohlkolben 4 weiter ausfahren kann, ohne daß der Hohlkolben 8
und der Kolben 12 ihr Hubniveau verändern.
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o Hierdurch wird eine Überlastung der Hohlkolben 4 und 8 vermieden.
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Bei den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen, die
nach den zweiten Alternativvorschlag der erfindungsgemäßen Lösung arbeiten, ist
der Mechanismus etwas anders. # Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform ist
zwischen dem inneren und dem mittleren Teleskopkolben ein Rückschlagventil angeordnet,
dessen Verschlußkörper 18 mit einer in einer zentralen Innenbohrung 35 des inneren
Teleskopkolbens 12 verschiebbar geführten Langstange 20 verbunden ist, deren anderes
verbreitertes Ende 36 kurz vor Erreichung der größten Ausfahrlänge des inneren Teleskopkolbens
12 an diesem an dem Ring 21 anschlägt und mitgezogen wird. Dadurch kann Öl aus der
Kammer 13 in die Kammer 9 fließen. Durch diese Maßnahme kann der Hohlkolben 8 seinen
vollen Hub ausfahren, wobei d er den Kolben 12 mitnimmt, so daß der Kolben 12 sein
Hubniveau verändert.
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Bei der in Figur 3 dargestellten von der Figur 2 geringfügig abgewandelten
Ausführungsform besteht der Unterschied hinsichtlich des Verschlußkörpers des Rückschlagventils
lediglich darin, daß der Verschlußkörper 18' hier mit der Kurzstange 20' verbunden
ist, die mit ihrem anderen verbreiterten Ende 36' eine Durchbrechung 37 einer im
Innenraum 13 des mittleren Teleskopkolbens 8 geringfügig verschiebbar geführten
Hülse 23 hintergreift, welche
kurz vor Erreichung der größten Ausfahrlänge
des inneren Teleskopkolbens 12 an diesem anschlägt und von diesem zusammen mit der
gleichfalls kurz danach mitgenommenen Kurzstange 20' mitgezogen wird.
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Die in den Figuren 4 und 5 gezeigtenlcmbinierten Ausführungsformen
stellen Busammenfassungen aus den in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Vorrichtungen
dar und sind, da gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind, aus sich
heraus verständlich. Die in den Figuren 4 und 5 gezeigten kombinierten Ausführungsformen
haben den Vorteil, daß hier der schädliche Verhältnisfaktor von2,5, der zwischen
den Stufen zweimal auftreten könnte, zweimal vermieden wird, so daß also das theoretisch
beste Ergebnis erzielt wird, das aber in der Praxis wegen des erhöhten baulichen
Aufwandes nicht unbedingt immer angewandt werden dürfte.
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Das in Figur 6 vergrößert dargestellte Druckverhältnisventil 34 umfaßt
die Kolbenstange 25 und den Kolben 27, dessen Querschnittsfläche so abgestimmt sind,
daß sie etwas über dem Verhältnis zueinander stehen als das Druckverhältnis während
des normalen Betriebs. Dies gilt für den Zustand, wo kein Kolben gegen seinen oberen
Anschlag angefahren ist. Schlägt jedoch der Xolben 12 vorzeitig mit seinem Bund
16 gegen die Anschlagfläche 19 an, so verandert sich das Druckverhältnis und der
Druck in der Kammer 6 steigt gegenüber dem Druck in der Kammer 7 stärker an, wodurch
die Kraft, die auf die Fläche 28 des Druckverhältnissteuerkolbens wirkt, größer
wird als die Kraft, die auf die Fläche 29 einschließlich der Federkraft Kraft ausübt,
und der Druckverhältnissteuerkolben verschiebt sich in axialer Richtung zur Feder
30 hin, wobei diese zusammengedrückt wird. Die Dichtkante 31 hebt von ihrem Sitz
26 ab und läßt Öl vom Durchgang 32 in den Durchgang 33 abfließen.
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Bei normalem Betrieb liegt das Druckverhältnis etwas niedriger als
das Flächenverhältnis des Druckverhältnissteuerkolbens und die Kraft, die auf die
Fläche 29 drückt, ist größer als die Kraft,
die auf die Fläche
28 wirkt, wodurch der Dichtkegel 31 gegen seinen Sitz 26 gedrückt wird und kein
Öl vom Durchgang e 32 in den Durchgang 33 abfließen kann.