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Umlaufender, doppeltwirkender Druckmittelzylinder
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Die Erfindung betrifft einen umlaufenden, doppeltwirkenden Druckmittelzylinder
zum Betätigen von Spannzeugen an Werkzeugmaschinen, mit je einer Zuleitung zu den
beiden Zylinderkammern und mit einem Rückschlagventil in jeder Zuleitung, wobei
jedem der Rückschlagventile ein seinen vollen Öffnungshub bewirkender Entsperrkolben
zugeordnet ist.
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Bei einem vorbekannten Druckmittelzylinder der gattungsgemäßen Art
(DE-AS 22 45 796) ist die Anordnung so getroffen, daß die beiden Rückschlagventile
zur wechselweisen Betätigung auf einem gemeinsamen Durchmesser einander gegenüberliegend
angeordnet sind und die beiden Entsperrkolben der beiden Rückschlagventile gemeinsam
in einer zwischen zwei Endstellungen verschiebbaren Zylinderbuchse gelagert sind,
die mit einer Zwischenwand und mit Steuerbohrungen versehen ist, die die zwischen
den Steuerkolben und der Zwischenwand liegende Steuerkammer mit der jeweiligen Zuleitung
verbinden können.
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Zwar ist es mit einer derartigen Ausgestaltung im Prinzip möglich,
aus Gründen der Arbeitssicherheit den
Spanndruck bei einem plötzlichen
Versagen der Druckmittelversorgung aufrechtzuerhalten, doch geschieht das in einer
Weise, die zu funktionsunsicher ist und die darüber hinaus erhebliche Einschrnkungen
im Einsatzbereich des Druckmittelzylinders mit sich bringt. Bei der dort gewählten
Ausgestaltung sind die beiden Rückschlagventile praktisch als Zwillingsventile anzusprechen,
deren Ventilkugeln erstens außerhalb der Drehmitte des Zylinders liegen und zweitens
mit ihrer Bewegungsrichtung in Fliehkraftrichtung liegen. Fällt nun die Druckmittelversorgung
aus, hängt die Aufrechterhaltung des Spanndruckes entscheidend davon ab, ob die
vorgesehene Druckfeder für die Ventilkugeln in der Lage ist, in hinreichend kurzer
Zeit die betroffene Ventilkugel gegen die Wirkung ihrer eigenen Fliehkraft auf den
Ventilsitz zurückzudrücken, ehe der Spanndruck abgefallen ist. Nun könnte man daran
denken, die Druckfeder im Hinblick auf die Fliehkraft so stark zu bemessen, daß
praktisch im Schadensfall unabhängig von der dann gegebenen Drehzahl die schnelle
Schließung des Rückschlagventils sichergestellt ist. Man ist jedoch in der Bemessung
der Druckfeder nicht frei, da es andererseits von der Größe der Federkraft abhängt,
bis zu welchem Wert herab der Druck im beaufschlagten Zylinderraum gesenkt werden
kann, bevor die Druckfedern das Schließen beider Rückschlagventile bewirken. Hierbei
ist nämlich das Erfordernis, den Spanndruck im vom Druck beaufschlagten Zylindersraum
verändern zu können, beispielsweise wenn ein Werkstück zur Schrubearbeitung mit
einer einem hohen Spanndruck entsprechenden Betätigungslcraft gespannt wird und
wenn dieses Werkstück dann anschließend unter Verringerung des Spanndruckes mit
geringerer Spannkraft einer Schlichtbearbeitung unterzogen wird, um die spannkraftbedingte
Verformung des Werkstückes möglichst gering zu halten.
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In der Praxis führt dieses Erfordernis dazu, daß eine Druckfederbemessung
gewählt werden muß, die dazuführt, daß das Ansprechen im Not- bzw. Schadensfall
drehzahlabhängig wird und womöglich bei entsprechend hoher Drehzahl gar nicht mehr
gewährleistet ist.
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Aus den vorstehenden Darlegungen ergibt sich ferner, daß der Spanndruck,
der sich im Not- bzw. Schadensfall einstellt, entsprechend der vorgeqebenen Kraft
der Druckfeder mit dem Druck identisch ist, bis auf den man den Druck des jeweils
beaufschlagten Zylinderraumes absenken kann. Auch insoweit stehen sich hier also
die Forderungen einerseits nach möglichst geringem Druckabfall im Not- und Schadensfall
und andererseits möglichst niedrig zu verwirklichendem Spanndruck entgegen, weil
sich aus letzterem ein entsprechend großer Verwendungsbereich des Druckmittelzylinders
ergibt. Legt man nun als Druckmittel Öl zugrunde, das eine sehr geringe Kompressibilität
hat, ist bei vorgegebener Druckfederkraft für die Funktion des Rückschlagventils
im Notfall entscheidend, wie groß der Weg ist, den die Ventilkugel aus ihrer durch
den Entsperrkolben erzwungenen Offenstellung bis zum Ventilsitz zurücklegen muß.
Der Offnungshub der Ventilkugel richtet sich jedoch bei gegebener Fördermenge der
Pumpe nach der vom Arbeitskolben des Druckmittelzylinders verlangten Verfahrgeschwindigkeit.
Bei der vorbekannten Ausgestaltung nun führen beide Ventilkugeln zwangsläufig den
gleichen Hub aus. Der für die üblichen Verfahrgeschwindigkeit#en erforderliche Öffnungshub
ist aber erfahrungsgemäß zu groß, so daß im Not- und Schadensfall im Hinblick auf
die sehr geringe Kompressibilität des Öls der Spanndruck bereits abgesunken ist,
ehe die Ventilkugel ihren Weg in die Schließstellung zurückgelegt hat, soweit dies
womöglich die Fliehkraft überhaupt zuläßt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmittelzylinder
der gattungsgemäßen Art zu schaffen, der einerseits im Notfall den Spanndruck mit
einem möglichst geringen Druckabfall aufrechterhält und dabei andererseits in einem
großen Bereich bezüglich des Spanndruckes einstellbar ist, also insbesondere auch
niedrige Spanndrücke gewährleistet.
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Eine erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß jedem Rückschlagventil
ein zweiter, einen kleinen Offnungshub bewirkender Entsperrkolben zugeordnet ist
und die Anordnung so getroffen ist, daß mit der Beaufschlagung des den vollen Offnungshub
bewirkenden Entsperrkolbens des einen Rückschlagventils zugleich der den kleinen
Offnungshub bewirkende Entsperrkolben des anderen Rückschlagventils beaufschlagt
ist. Wird somit im Fall der Spanndruckbeaufschlagung der einen Zylinderkammer das
Rückschlagventil in der entsprechenden Zuleitung nur geringfügig geöffnet, wird
demgegenüber das Rückschlagventil in der dann abführenden anderen Zuleitung voll
geöffnet. Die geringe Öffnung des Rückschlagventils in der den Spanndruck zuführenden
Leitung gewährleistet, daß im Not- und Schadensfall hier das Ventilglied nur einen
denkbar geringen Weg in seine Schließlage zurückzulegen hat, der Druckabfall im
Spanndruck also nur minimal sein kann, während andererseits die volle Rückschlagventilöffnung
in der dann abführenden Zuleitung gewährleistet, daß ein zügiges Verfahren des Arbeitskolbens
mit der gewünschten Geschwindigkeit gewährleistet ist. Hierdurch kann auch die Federkraft
der Druckfedern so gewählt werden, daß im Interesse eines großen Druckverstellbereiches
des Druckmittelzylinders ein sehr geringer Spanndruck erreichbar
ist,
bevor die Rückschlagventile in die Schließlage übergehen, ohne daß hierdurch die
Aufrechterhaltung des Spanndruckes im Notfall beeinträchtigt wird.
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In weiterer Ausgestaltung, die für sich genommen als erfinderisch
angesehen wird, sind ferner die beiden Rückschlagventile parallel zueinander zu
beiden Seiten eines Zylinderdurchmessers derart angeordnet, daß die Bewegungsrichtung
der Ventilkugeln der Rückschlagventile senkrecht zur Fliehkraftrichtung liegt. Diese
Ausgestaltung gewährleistet, daß die Fliehkraft praktisch ohne Einfluß auf die Bewegungsabläufe
in den Rückschlagventilen bleibt und somit auch aus dieser Sicht erstens die Aufrechterhaltung
des Spanndruckes im Notfall drehzahlunabhängig ist, da sie von der Fliehkraft nicht
mehr beeinträchtigt werden kann, und zweitens die Fliehkraft auch ohne Einfluß auf
die Auslegung der Druckfeder im Sinne der Einstellbarkeit auf einen möglichst niedrigen
Spanndruck bleibt.
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Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung wird nachstehend
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Druckmittelzylinder
gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen Querschnitt durch den Druckmittelzylinder gemäß
Schnittlinie II - II der Fig. 1.
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In dem Druckmittelzylindergehäuse 1 ist der doppeltwirkende Kolben
2 hin- und herverschieblich geführt. Der Druckmittel
zylinder ist
dabei über einen zapfenartigen Vorsprung des Gehäuses 1 drehbar mit einer Druckmittelleitungshülse
3 verbunden, in der sich ein erster Anschluß 6 befindet, von dem eine Zuleitung
7 beschickt wird, die zu einem ersten Rückschlagventil 4 führt, von dem aus über
eine Zuleitung 8 die eine Zylinderkammer Ib auf der einen Seite des Kolbens beschickt
wird. Die andere Zylinderkammer la auf der anderen Seite des Kolbens 2 steht über
die Zuleitung 11 mit dem zweiten Rückschlagventil 5 in leitender Verbindung, von
dem aus eine Zuleitung 10 zu einem weiteren Anschluß 9 in der Druckmittelleitungshülse
3 führt.
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Die Rückschlagventile 4 und 5 bestehen jeweils aus Ventilkugeln 4a
bzw. 5a und Druckfedern 4b bzw. 5b.
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Die beiden Rückschlagventile 4 und 5 liegen, wie die Anschauung der
Fig. 2 zeigt, parallel zueinander zu beiden Seiten eines Zylinderdurchmessers, und
zwar derart, daß die Bewegungsrichtung der Ventilkugeln 4a, 5a senkrecht zur Fliehkraftrichtung
liegt, so daß die Fliehkraft auf ihre Bewegungen praktisch ohne Einfluß bleibt.
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Dem Rückschlagventil 4 sind zwei unterschiedliche Entsperrkolben 4c
und 4d zugeordnet, die konzentrisch zueinander angeordnet sind, relativ zueinander
bewegbar sind und zwischen sich eine Kammer 4h definieren. Der Entsperrkolben 4d
durchdringt dabei mit einem Stößel den Entsperrkolben 4c. Der Entsperrkolben 4c
ist darauf ausgelegt, der Ventilkugel 4a nur einen sehr geringen Hub zu erteilen,
daß sie nur wenig vom Sitz abhebt, während der Entsperrkolben 4d über seinen Stößel
der Ventilkugel 4a ihren vollen Öffnungshub erteilen kann.
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In entsprechender Weise sind dem Ventil 5 zwei zueinander koaxiale
Entsperrkolben 5c und 5d zugeordnet, die zwischen sich eine Kammer 5h definieren,
wobei der Entsperrkolben 5d den Entsperrkolben 5c mit einem Stößel durchdringt.
Der Entsperrkolben 5c erteilt der Ventilkugel 5a nur einen sehr geringen Öffnungshub,
während der Entsperrkolben 5d der Ventilkugel 5a über seinen Stößel den vollen Öffnungshub
erteilen kann.
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Die Ausgestaltung ist ferner so getroffen, daß die zu dem Rückschlagventil
4 führende Zuleitung 7 über eine Zweigleitung 7a den Entsperrkolben 5d des Rückschlagventils
5 auf seiner dem Rückschlagventil 5 abgewandten Seite beaufschlagen kann, während
andererseits von der Zuleitung 7 die Kammer 4h zwischen den Entsperrkolben 4c und
4d des Rückschlagventils 4 durch die Kanäle 4f beschickt werden kann. Umgekehrt
beschickt die Zuleitung 10 des Rückschlagventils 5 über die Kanäle 5f die Kammer
5h zwischen den Entsperrkolben 5c und 5d des Rückschlagventils 5 und andererseits
über eine Zweigleitung 10a die dem Rückschlagventil 4 abgewandte Seite des Entsperrkolbens
4d.
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Soll beispielsweise der Kolben 2 aus seiner in Fig. 1 gezeigten Stellung
nach links mit der gewünschten Geschwindigkeit verfahren werden, wird das Druckmittel
über den Anschluß 6 und die Zuleitung 7, das Rückschlagventil 4 und die Zuleitung
8 der Zfylinderkammer lb zugeführt. Das in der Zylinderkammer la verdrängte Druckmittel
fließt durch die Zuleitung 11, das Rückschlagventil 5, die Zuleitung 10 und den
Anschluß 9 zur Druckmittelversorgung zurück. Der Druck in der Zuleitung 7 wirkt
dabei über die Kanäle 4f auf die Kammer 4h zwischen den beiden Entsperrkolben 4c
und 4d des Rückschlagventils 4, sowie über die Zweigleitung 7a auf den Entsperrkolben
5d
des Rückschlagventils 5. Somit hebt der Entsperrkolben 4c die Ventilkugel 4a des
Rückschlagventils 4 nur geringfügig von ihrem Sitz ab, während die Ventilkugel 5a
in ihrem vollen Offnungshub von ihrem Sitz aDgelloben wird. Da in einem Schadensfall,
also insbesonderte im Fall des Zusammenbruches der Druckmittelversorgung, die Ventilkugel
4a nur einen sehr geringe fügigen Schließweg zurücklegen muß, bleibt in diesem Notfall
der Spanndruck in der Zylinderkammer 1b praktisch erhalten. Auch bei gerade gegebener
hoher Drehzahl bleibt die Fliehkraft auf die bewegung der Ventilkugel 4a praktisch
ohne Einfluß, da sie senkrecht zur bewegungsrichtung der Ventilkugel gerichtet ist.
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Andererseits kann durch die volle Offnung der Ventilkugel 5a des Rückschlagventils
5 der Kolben ohne eseiteres mit der gewünschten, relativ hohen Geschwindigkeit verfahren
werden. Der geringe Schließweg der Ventillaugel 4a ermöglicht auch den Einsatz eines
Druckmediums wie beispielsweise Ol trotz dessen sehr geringer Kompressibilität.
Die beiden Ventilkugeln 4a und 5a werden in ihren unterschiedlichen Offnungsstellungen
solange gehalten, wie hinreichend Druck in der uleitung 7 vorhanden ist. Die gewünschte
Verfahrgeschwindigkeit des Kolbens ist auch deswegen uneingeschränkt erreichbar,
weil der Druckmittelstrom in den Zuleitungen 7 und 8 bewirkt, daß das Rückschlagventil
4 über die von dem Entsperrkolben 4c vorgeclebene Offnungsweite hinaus öffnen kann.
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Das Absenken des Spanndruckes, beispielsweise für die Schlichtbearbeitung,
in der hier betrachteten ZylinderJzammer lb ist bis zu einem Wert möglich, bei dem
die Kraft der Druckfeder 4b des Rückschlagventils 4
gleich der
druckproportionalen Kraft am Entsperrkolben 4c ist. Dank der vorstehend beschriebenen
Ausgestaltung kann die Druckfeder 4b auf eine relativ geringe Kraft ausgelegt sein.
Sinkt der Druck in der Zuleitung 7 darüber hinaus weiter ab, schließt sich das Rückschlagventil
unverzüglich, so daß dann in der Zylinderkammer 4b der aus diesem Kraftgleichgewicht
resultierende Schließdruck herrscht. Da durch die gewählte Ausgestaltung die Aufrechterhaltung
des Spanndruckes im Notfall in jedem Fall gewährleistet ist, orientiert sich die
Auslegung der Druckfeder 4b somit an dem Erfordernis eines möglichst großen Druckverstellbereiches
des Druckmittelzylinders, also in Richtung auf einen möglichst niedrigen erreichbaren
Spanndruck.
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Die Arbeitsweise des Druckmittelzylinders in entgegengesetzter Bewegungsrichtung
des Kolbens entspricht sinngemäß dem vorstehend beschriebenen Funktionsablauf.