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Kolbenstangenloser Arbeitszylinder
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Die Erfindung bezieht sich auf einen kolbenstangenlosen Arbeitszylinder,
einen sogenannten Bandzylinder, wobei in dem Arbeitszylinder ein mittels eines unter
Druck stehenden Fluids hin- und herbewegbarer Kolben das beidseitig an ihm befestigte
Band oder dergl. mitbewegt, welches über mindestens zwei am Ende des Zylinderrohres
angeordnete Rollen um den Zylinder außen herum geführt ist und die Kraftabnahme
in jeder Lage des Kolbens außerhalb des Zylinders am Band erfolgt.
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Hydraulisch oder pneumatisch angetriebene Arbeitszylinder sind an
sich bekannt. Die Nachteile herkömmlicher Arbeitszylinder, die zur Übertragung einer
Kraft vom durch ein Fluid hin- und herbewegbaren Kolben nach außen dienen, liegen
u.a. besonders auch in deren Abmessungen. Bei einem Arbeitszylinder mit einseitiger
Kolbenstange wird z.B., bezogen auf dessen Hublänge, eine mehr als doppelte Einbaulänge
benötigt, da die Kolbenstange am ausgefahrenen Endpunkt des Kolbens mit voller Länge
herausragt. Man hat versucht, diese Einbaumaße zu reduzieren, indem kolbenstangen
lose Arbeitszylinder vorgeschlagen wurden und im wesentlichen die folgenden Lösungen
gefunden, die vor allem durch die Art und den Ort der Kraftabnahme charakterisiert
sind.
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Ein Lösungsvorschlag bezieht sich auf einen Arbeitszylinder, bei dem
die Kraftabnahme direkt am Kolben selbst erfolgt. Eine solche Konstruktion bedingt
u.a. a.) eine Schlitzung des Zylinderrohres, was nur mit großem Aufwand lösbare
Dichtungsprobleme aufwirft und b.) einen sehr langen Kolben, da wegen des auftretenden,
unvermeidlichen Kippmomentes bei üblicher Kolbenlänge zu rascher Verschleiß auftritt.
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Ein anderer Vorschlag bezieht sich auf die Verwendung von Dauermagneten,
die der Kraftübertragung vom Kolben dienen sollen. Auch dabei treten erheblich Probleme
auf, die einen solchen Arbeitszylinder sehr aufwendig gestalten und außerdem hinsichtlich
der übertragenen Kräfte nur begrenzt einsatzfähig machen.
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Außerdem hat man versucht durch Anbringen eines Seiles mit seinen
Enden an je einer Seite des Kolbens und Außen-Herum-Führen desselben über je eine
Rolle rechts und links am Zylinder, wobei die Kraftabnahme außerhalb des Zylinders
am Seil erfolgt, eine Lösung zu finden. Hierbei haben sich große Rollendurchmesser
und damit sperrige Zylinderköpfe als notwendig erwiesen, soll das Seil durch Walkarbeit
und bleibende Verformung infolge der Druck- und Zugbelastungen beim Umlaufen auf
den Rollen nicht allzu kurzfristig zerstört werden. Hinzu kommen noch die Schwierigkeiten,
das Seil in den Zylinderköpfen einwandfrei abzudichten. Auch der Ersatz des Seiles
durch ein Stahlband brachte aus den vorbeschriebenen Gründen bislang keine brauchbare
Lösung.
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Derartige Bandzylinder sind beispielsweise aus der GBPS 192249 bekannt
geworden. Dabei wird das Band ebenfalls wie ein Seil rechts und links an jedem Zylinderkopf
über je eine Rolle geführt, die, gegenüber der Bandaufhängung am
Kolben
um ihren Radius versetzt angebracht sind. Bei einer solchen Anordnung wird das Band
relativ stark über der Rolle gebogen, also großen Zug- und Druckbeanspruchungen
unterworfen. Diese Belastungen haben selbst bei Verwendung hochwertiger Materialien
für die Bänder, wie z.B.
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Chromstähle, zur Folge, daß die Bänder sich bleibend verformen und
wegen des bei höheren Kolbengeschwindigkeiten meist nicht verhinderbaren Flatterns
noch zusätzlich belastet werden. Frühzeitige Brüche der Bänder sind die Folge. Aus
diesen Gründen haben sich solche Bandzylinder trotz ihrer Vorteile gegenüber herkömmlichen
Arbeitszylindern in der Praxis nicht durchsetzen können.
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Andererseits weist ein ausreichend dünnes Stahlband gegenüber einem
Seil den Vorteil auf, über viel kleinere Umlenkrollen führbar zu sein, weshalb sich
dasselbe für die Kraftübertragung besonders eignet. Bei einem Stahlband sind auch
die Dichtprobleme durchaus beherrschbar, was als weiterer Vorteil für dessen Anwendung
spricht. Möglichst klein bemessene Umlenkrollen bringen für die Anwendung des Stahlbandes
mit sich, daß dasselbe außen dicht am Arbeitszylinder entlang geführt werden kann,
was eine weitere Reduktion der Abmessungen eines solchen Arbeitszylinders bedeutet,
die Zylinderköpfe weisen kleine Abmessungen auf und schließlich ist die Aufhängung
des Bandes am Kolben in dessen Achse möglich, ohne daß die Zylinderköpfe vergrößert
werden müssen.
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Dies sind Konstruktionsprinzipien, die sich mit einem Seil nicht realisieren
lassen.
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In allen Fällen ergeben sich bei der Umlenkung des Bandes über die
Rollen an den Zylinderenden Zug- bzw. Druckspannungen im Stahlband und zwar können
im Bandquerschnitt folgende Belastungsfälle auftreten: 1. Auf der belasteten Bandhälfte
a. bei der Umlenkung über die Rollen die Summe aus Belastungs- und Zug- bzw. Druckspannung
resultierend aus der Umlenkung
b. außerhalb der Umlenkrollen treten
allein Belastungsspannungen auf.
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2. Auf der unbelasteten Bandhälfte a. auf der Umlenkrolle Zug- bzw.
Druckspannungen, die aus der Umlenkung des Bandes resultieren b. außerhalb der Umlenkrolle:
Spannungsfreiheit Die Möglichkeit, Spannungsbeanspruchungen mit äußerst breiten
und dünnen Bändern zu beherrschen, läßt sich in einem solchen Arbeitszylinder nicht
verwirklichen, es sei denn, man nimmt größere Abmessungen in Kauf, was wiederum
die Vorteile einer solchen Vorrichtung stark einengt und deren Anwendungsbereich
folglich beschränkt.
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Es könnte z.B. auch versucht werden, allein durch ausreichende Vergrößerung
der Rollendurchmesser eine mit Kolbenstangenzylindern vergleichbare Lebensdauer
zu erreichen, doch stehen auch bei dieser Maßnahme die dadurch bedingten stark erhöhten
Einbaumaße im Wege, da meistens für eine derartige Arbeitseinrichtung im Anwendungsfalle
der notwendige Platz, beispielsweise bei Omnibustüren etc. nicht zur Verfügung steht.
Würde man, wie es ebenfalls vorgeschlagen und bereits ausgeführt wurde statt,der
Bänder wieder Seile für die Kraftübertragung einführen, wären die Nachteile einer
solchen Antriebseinrichtung allein aufgrund der Einbaubedingungen noch größer, denn
die Rollenradien müßten gegenüber den bei einem Band benötigten Abmessungen noch
weiter erhöht werden, um die Umlenkung der Seile überhaupt ohne frühzeitigen Verschleiß
vornehmen zu können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Bandzylinder
zu besitzen, der die Nachteile der bekannten Vorrichtung dieser Art nicht aufweist,
der Einbaumaße der Zylinderköpfe im Verhältnis zur lichten Weite des Zylinders
hat,
die gering sind und dessen Band bzw. Bänder trotzdem eine hohe Lebensdauer aufweisen
und frühzeitige Verschleißbrüche derselben mit Sicherheit vermieden werden.
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Vielseitige Dauerversuche haben nun ergeben, daß der Durchmesser der
Umlenkrollen möglichst klein, aber nur so klein zu sein hat, daß beim Umlauf des
jeweils unbelasteten Bandes max. Zug- und Druckspannungen auftreten, die kleiner
sind als die Dauerfestigkeit des Bandes bei Biege-Wechselbeanspruchung und andererseits
die Bandbreite unter Nutzung der jeweiligen Bandstärke so zu wählen ist, daß aus
der Belastung durch das Antriebsglied (Kolben) maximal eine Spannung resultiert,
die der Differenz zwischen den Dauerfestigkeiten aus Zug-Schwellbeanspruchung und
Biege-Wechselbeanspruchung entspricht.
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Erfindungsgemäß entspricht also die Belastung des Bandes aus Biege-Wechselbeanspruchung
70 - 125 % ' + a , die Belastung durch das Antriebsglied etwa 70 - 140 % ' c und
die Belastung des Bandes aus der Zug-Wechselbeanspruchung maximal 70 - 125 % ' b,
wobei a =ffrD bw = Dauerfestigkeit bei Biege-Wechselbeanspruchung D bw (Spannungsausschlag
für 2,3 % Bruchwahrscheinlichkeit und mindestens 106 Lastspiele) b =GRDZSch= Dauerfestigkeit
bei Zug-Schwellbeanspruchung (Oberspannung für 2,3 % Bruchwahrscheinlichkeit und
mindestens 106 Lastspiele bei Unterspannung = 0) c Dzsch -CçDbw Dbw für das jeweils
gewählte Bandmaterial ist.
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Auf diese Weise wird erreicht, daß das Band unter Beachtung der auftretenden
Belastungsarten optimal genutzt wird und gleichzeitig eine praktisch unbegrenzte
Lebensdauer des Bandes erreicht wird.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen z.B. Chromstähle von hoher Qualität
für die Bänder einzusetzen.
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Vorteilhafterweise können auch Bänder mit Sandwichaufbau zur Kraftübertragung
eingesetzt werden. Solche Sandwichbänder bestehen beispielsweise aus Stahl-Kunststoff-Stahl
oder Stahl-Klebemasse - Stahl oder Stahl-Gummi-Stahl oder dergleichen. Dadurch wird
noch zusätzlich Platz gespart, da der Sandwichaufbau weniger breite Bänder ermöglicht.
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Schließlich ist es noch von Vorteil, das Band entgegengesetzt zu seiner
Umführung außermittig am Kolben zu befestigen. Dies führt vorteilhafterweise zu
einem Verrücken der Rollenachsen um den gleichen Betrag in Richtung Zylinderachse
und damit zu kleineren Zylinderköpfen.
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Es hat sich gezeigt, daß Bandbreiten von 1/3 bis 2/3 des Zylinder-Rohrinnendurchmessers
besonders vorteilhafte Abmessungen erzielen lassen.
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Erfindungsgemäß ergeben sich unter Verwendung beispielsweise eines
hochwertigen Chromstahles als Bandmaterial 7 mit einer Dauerfestigkeit (107 Lastspiele,
2,3 % Wahrscheinlichkeit für Bruch) bei Zug-Schwellbeanspruchung von 1150 N/mm2
und Biege-Wechselbeanspruchung von + 750 N/mm2 folgende Maße: a) beim Bandzylinder
40 mm lichte Weite für max. 10 bar Arbeitsdruck Bandabmessungen: Breite 20 mm, Stärke
0,15 mm Rollendurchmesser: 55 mm Bandbefestigung am Kolben: 10 mm außermittig b)
beim Bandzylinder 80 mm lichte Weite für max. 10 bar Arbeitsdruck Bandabmessungen:
Breite 50 mm, Stärke 0,25 mm Rollendurchmesser: 90 mm Bandbefestigung am Kolben:
20 mm außermittig
Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in
den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigt: Figur 1 - ein Diagramm der Belastungsfälle, die im Betrieb
eines solchen Bandzylinders am Band auftreten können Figur 2 - einen Bandzylinder
gemäß der Erfindung und Figur 3 - eine Seitenansicht der Figur 2 Die Figur 2 zeigt
einen Bandzylinder mit einem Zylinderrohr 1 und seinen Zylinderköpfen 1a und lb,
sowie einen Kolben 2.
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In den Zylinderköpfen 1a und 1b sind je eine Umlenkrolle 3 bzw. 4
etwas außermittig gelagert. Um diese beiden Umlenkrollen 3 und 4 ist ein Band 5
geführt, das z.B. mittels Spannbolzen bei 6 und 7 am Kolben befestigt ist. Eine
Gleitbuchse 8 ist gleitend auf dem Zylinder 1 geführt und mit dem Band 5 fest verbunden,
beispielsweise mittels Führungsteilen 8a und 8b, die vorteilhafterweise als Spannbolzen
ausgeführt sind. Diese Buchse 8 dient gleichzeitig über Fortsatz 8c der Kraftabnahme
vom Band.
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Die Wirkungsweise eines solchen Bandzylinders ist nachstehend beschrieben.
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Durch einen der Zylinderköpfe, beispielsweise 1a, wird ein Fluid in
den Zylinder 1 unter Druck eingeführt und treibt den Kolben 2 nach rechts, wobei
dieser das Band derart mitbewegt, daß die daran befestigte Gleitbuchse 8 in die
entgegengesetzte Richtung, also nach links auf den Zylinderkopf 1a hingezogen wird.
Nach Erreichen seiner Endlage wird der Kolben 2 durch Einleiten eines Fluids in
den Zylinderkopf 1b wieder in die andere Richtung bewegt usw.
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Auf der Innenseite des Bandes 5 kommt es zu einem Wechsel zwischen
Druckspannung nach Belastungsfall a bzw. c gemäß Figur 1, Spannungsfreiheit und
Spannung aus Zylinderbelastung, d.h. es liegt Biege-Wechselbeanspruchung vor. Für
die Haltbarkeit der Bandinnenseite ist somit die Dauerfestigkeit bei Biege-Wechselbeanspruchung
entscheidend.
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Es muß für eine ausreichende Haltbarkeit der Vorrichtung eine Dauerfestigkeit
des Bandes bei 97,7 % Bruchsicherheit und 106 Lastspielen gefordert werden. Im Belastungsfall
a wird diese beispielsweise überschritten, eine Dauerfestigkeit wäre somit nicht
gegeben. Auf der Außenseite des Bandes kommt es zu einem Wechsel zwischen unbelastetem
Band und einer Zugspannung, resultierend aus Umlenkung und Belastung, d.h. es liegt
Zugschwellbeanspruchung vor.
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Für die Haltbarkeit der Bandaußenseite ist somit die Dauerfestigkeit
bei Zugschwellbeanspruchung entscheidend. Im Belastungsfall d wird diese beispielsweise
überschritten.
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Dauerfestigkeit wäre somit wiederum nicht gegeben.