DE3215795A1 - Hochgeschwindigkeitszylinder - Google Patents

Description

22. April 1982 D 8762-pöal

Firma Festo-Maschinenfabrik Gottlieb Stoll, 73oo Esslingen

Hochgeschwindigkeitszylinder

Die Erfindung betrifft einen Hocligescliwindigkeitszylinder für insbesondere pneumatische Linearbewegungen mit einem Zylinder, einem dicht in diesem verschiebbaren Kolben und einer mindestens im Deckel geführten Kolbenstange.

Die Vorrichtungen gattungsgemäßer Art sind allgemein bekannt und werden auf den unterschiedlichsten Gebieten verwandt. In den letzten Jahren hat sich im Rahmen der Bestrebungen nach höherer Produktivität auf bestimmten Gebieten, wie z.B. der Herstellung von Verpackungsmaschinen, das Bedürfnis ergeben, die Zylinder der gattungsgemäßen Art dahin zu verbessern, daß sie eine höhere Taktzahl und damit gesteigerte Produktivität erlauben. Die Bestrebungen sind demnach darauf gerichtet, bei pneumatischen Linearbewegungen die Zeit eines Arbeitstaktes zu verkürzen. Überlegungen in dieser Richtung haben gezeigt, daß es zur Lösung dieses Problems weniger auf

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die Erreichung holier Kolbengeschwindigkeiten ankommt - diese könnte man ohne weiteres realisieren - sondern primär auf die Abbremsung bzw. Dämpfung am Hubende, ohne daß die Gefahr der Zerstörung des Deckels durch die Beschleunigung besteht. Ziel der Überlegungen ist es also, eine möglichst effektive Dämpfung des Kolbens am Hubende sicherzustellen. Als Lösung hierfür wurden Dämpfungseinrichtungen unterschiedlicher Art, wie z.B. eingebaute Pufferung, aussen angebrachte hydraulische Stoßdämpfung oder eingebaute Federn, vorgeschlagen. Diese Maßnahmen sind jedoch nicht geeignet, bei Geschwindigkeiten z.B. von mehr als 1 m/sec eine befriedigende Lösung zu liefern.

Die Erfindung hat es sich deshalb zur Aufgabe gemacht, die Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß sie ohne weiteres Kolbengeschwindigkeiten von mehr als 1 m/sec insbesondere deshalb erlauben, weil die Abbremsung bzw. Dämpfung des Kolbens am Hubende durch Dämpfungseinrichrungen geschieht, die ohne weiteres in der Lage sind, die bei diesen Beschleunigungen auftretenden Kräfte innerhalb kürzester Zeit und kürzester Strecke zu kompensieren, so daß es auch bei dauerhaftem Gebrauch nicht zu Beschädigungen oder zu einer Zerstörung des Zylinders kommen kann. Weiterhin soll dieses Ziel durch möglichst einfachen und kompakten Aufbau des Zylinders erreicht werden.

Als Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, die Masse der bewegten Teile auf ein Minimum zu begrenzen. Die bewegten Teile eines Zylinders bestehen im wesentlichen und bei

■Vernachlässigung der Dichtringe aus Kolben und Kolbenstange. Erfindungsgemäß sind diese Teile so auszubilden, daß sie eine möglichst geringe Kasse darstellen. Wenn nun der Kolben und demzufolge auch die damit verbundene Kolbenstange gegen Ende eines jeden Hubes abgebremst bzw. gedämpft werden müssen, dann sind die zu dieser (negativen) Beschleunigung notwendigen Kräfte proportional zu den hierbei zu bewegenden Massen. Zum anderen sind diese Kräfte bei gleicher Masse proportional zur jeweiligen Beschleunigung, d.h., nach dem die am Hubende auftretenden Beschleunigungen um so größer sind, je größer die Kolbengeschwindigkeit ist, daß die auftretenden Kräfte sich ihrerseits bei Erhöhung der Kolbengeschwindigkeit vergrößern. Aufgrund vorliegender Überlegungen läßt sich erreichen, daß bei Erhöhung der Kolbengeschwindigkeit durch eine entsprechende Reduzierung der Masse der bewegten Teile eine Kompensation dahingehend stattfindet, daß die am Hubende auftretenden Kräfte unverändert bleiben oder sogar eine Verkleinerung erfahren können. Diesen Weg ist vorliegende Erfindung gegangen. Es ist ihr als Verdienst anzurechnen, daß sie nicht den bisher üblichen Weg weitervErfolgt hat, in dem sie die bereits bekannten Dämpfungseinrichtungen weiter entwickelt und verbessert hat. Gerade der erfindungsgemäß vorgeschlagene Weg erlaubt durch einfachen und demzufolge herstellungsfreundlichen Aufbau auf besonders einfache Weise das angestrebte Ziel der Erhöhung der Taktzahlen über den Weg der Erhöhung der Kolbengeschwindigkeit zu erreichen.

In der baulichen Gestaltung bestehen im Rahmen der Erfindung

verschiedene Möglichkeiten. So kann die bewegte Masse reduziert werden, in dem die Kolbenstange hohl ausgebildet wird. Dies geschieht in vorteilhafter Weise durch Einbringen eines konzentrischen und nach aussen weisenden Sackloches innerhalb der Kolbenstange. Hierdurch ist gewährleistet, daß die äußeren Abmessungen der KoIbenfuhrungsstange ungeändert bleiben, weshalb vorteilhafterweise keine Änderung der Kolbenstangenführung und der zugehörigen Dichtringe zu erfolgen braucht. Das gleiche Ziel läßt sich durch eine Kolbenstange erreichen, die innenseitig einen Hohlraum aufweist jedoch endseitig geschlossen ist. Allerdings liegen hier die Herstellungskosten über denen der vorher beschriebenen Ausführungsform.

Nach einer weiteren baulichen Ausgestaltung des Erfindungsgedanken ist der Kolben innen hohl auszubilden. Auch auf diese Weise wird eine Reduzierung der Massen der bewegten Teile bewirkt. Eine solche Maßnahme kann unabhängig von der jeweiligen Ausbildung der Kolbenstange und zusätzlich hierzu ergriffen werden.

Das Ausbilden von Hohlräumen hat neben der Reduzierung der Masse jedoch die nachteilige Folge, daß eine Einschränkung von Stabilität und Festigkeit eintritt. Um dem entgegenzuwirken, ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, der oder die Hohlräume mit Stegen zu versehen. Bis zu einem gewissen Grade kann hierdurch ein Ausgleich für den Verlust an Festigkeit und Stabilität erzielt werden.

Weiter hat die Erfindung erkannt, daß dieses Ziel der Beibe-

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haltung von Festigkeit und Stabilität- im Vergleich, mit den zum Stande der Technik gehörenden massiven Vorrichtungen dadurch erreichen läßt, daß Material mit entsprechenden Eigenschaften ausgewählt wird. So lassen sich beispielsweise schon durch den allgemein erhältlichen nicht rostenden Chromnickelstahl recht brauchbare Resultate erzielen. Jedoch bieten sich hierzu gleichermaßen eine Vielzahl anderer Materialien an, die das Häupterfordernis eines geringen spezifischen Gewichts bei gleichzeitiger hoher Festigkeit erfüllen. Das niedrige spezifische Gewicht bedingt, daß die daraus hergestellten bewegten Teile, also Kolbenstange und/oder Kolben eine geringe Masse besitzen; die Forderung der hohen Festigkeit hingegen trägt Sorge dafür, daß bei den großen Belastungen_fwie sie bei hohen Kolbengeschwindigkeiten auftreten,' keinerlei Beschädigungen auftreten können. Als hierfür besonders geeignetes Material schlägt die Erfindung kohlenfaserverstärktes Glasfasermaterial vor. Wie die praktischen Erfahrungen gezeigt haben, ist es ohne weiteres in der Lage, die gestellten Anforderungen voll-auf zu befriedigen.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der in der Zeichnung beispielhaft wiedergegebenen Ausführungsform näher erläutert werden. Sie zeigt einen axialen, in Querschnittsdarstellung wiedergegebenen Schnitt durch eine Ausführungsform, bei der innerhalb der Kolbenstange ein nach aussen weisendes, konzentrisches Sackloch angeordnet ist.

Der in der Zeichnung dargestellte Druckluftzylinder besteht auselnem Zylinder Ί, der auf der einen Seite mit dem Boden_:2

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und auf der gegenüberliegenden mit einem Deckel 3 verschlossen ist, wobei letzterer zumindest teilweise die Kolbenstange 4 führt. Sowohl der Boden 2 als auch der Deckel 3 besitzen Anschlußöffnungen 5 und 6, die dem Zuführen und Abführen von Druckmittel oder der Entlüftung dienen und die nur symbolisch dargestellt sind.

Die Kolbenstange 4, deren Achse mit der des Zylinders 1 zusammenfällt, ist verschiebbar und an ihrem innenseitigen Ende an einem Kolben 7 befestigt. Der Kolben 7 ist mit einer breiten Umfangsnut 8 versehen, in die ein entsprechend breiter Gleitdichtring 9 aus einem Gleitlagermaterial mit niederer Reibung eingesetzt ist. Kolben 7 und die daran befestigte Kolbenstange 4 sind als Einheit im Inneren des Zylinders 1 verschiebbar.

Die Führung der Kolbenstange 4 besorgt zum einen der Deckel 3, überwiegend jedoch bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel die auf den Deckel 3 fest aufgesetzte Kolbenstange nf uhr ung 1o mit auf der Kolbenstange 4 laufenden Gleitdichtringen 11 und 12, welche unter axialem Abstand angeordnet sind und ebenfalls aus Gleitlagermaterial bestehen. Nech erforderliche Abstreifringe sind nicht weiter dargestellt.

Die Kolbenstange 4 ist ausnahmsweise und im Gegensatz zu den übrigen gezeigten Teilen nicht in Schnittdarstellung wiedergegeben. Durch die im Bereich der Achse verlaufende, gestrichelt eingezeichnete Linie wird angedeutet, daß im axialen Bereich ein Sackloch 13 eingeformt ist. Dieses kann beispielsweise vermittels Bohrsn eingebracht werden. Aus Stabilitätsgründen erstreckt sich das Sackloch 13 nicht über die gesamte Länge

der Kolbenstange 4, sondern endet schon in geraumem Abstand vor dem Kolben 7· Hierdurch ist sichergestellt, daß die an

der Nahtstelle zwischen Kolbenstange 4- und Kolben 7 auftretenden vergleichsweise großen Kräfte nicht zu Beschädigungen der

Kolbenstange 4- selbst führen können. Das Sackloch kann nach aussen offen oder auch verschlossen sein.

Das Sackloch IJ bewirkt eine Reduzierung der Masse der sich bewegenden Teile, die gebildet werden aus der Kolbenstange 4-, dem Kolben 7 und, was hier jedoch von untergeordneter Bedeutung ist, vom Gleitdichtring 9· Die Verringerung der Masse der sich bewegenden Teile hat zur Folge, daß bei Abbremsung bzw. Dämpfung des Kolbens 7 gegen Ende jedes Hubs die hierbei auftretenden Kräfte ebenfalls verkleinert werden. Dies gestattet auf der anderen Seite eine gewisse Erhöhung der Kolbengeschwindigkeit, ohne daß die in einem solchen Fall bei der Abbremsung des
Kolbens 7 auftretenden Kräfte größer werden als bei einer
Ausführungsform mit massiver Kolbenstange 4- und geringerer
Kolbengeschwindigkeit.

Zusammenfassend soll nochmals festgestellt werden:
Der Trend zu noch höheren Taktzahlen z.B. bei Verpackungsmaschinen etc. ist in den letzten Jahren verstärkt spürbar. Bei pneumatischen Linearbewegungen ist dies nicht so sehr ein Problem der Erreichung einer höheren Kolbengeschwindigkeit, sondern der Abbremsung bzw. Dämpfung am Hubende, um eine Zerstörung des Lagerdeckels durch die Beschleunigung zu vermeiden. Dämpfungseinrichtungen z.B. eingebaute Pufferung, eingebaute Federn,

aussen angebrachte hydraulische Stossdämpfung etc. sind bekannt und haben noch keine befriedigende Lösung d.h. bei 1 m/sec mehr gebracht. Die Neuerung betrifft den Gedanken, das Problem an der Wurzel anzugehen, d.h. die bewegte Masse auf ein Minimum zu reduzieren, um dadurch das Dämpfungsproblem automatisch zu vereinfachen. Hierbei ergeben sich zwei Möglichkeiten: daß man die Kolbenstange gewichtlich dadurch reduziert, daß sie an dem bisherigen Material, d.h. nicht rostenden Chromdickelstahl verbleibt, jedoch hohl gebohrt wird, oder daß ein Kolbenstangenmaterial gewählt wird mit wesentlich geringerem spezifischen Gewicht, jedoch unter Beibehaltung der notwendigen Festigkeitseigenschaften. Dies ist ein kohlenfaserverstärktes Glasfasermaterial, welches ca 2/3 geringeres Gewicht aufweist und dadurch eine Erhöhung der Kolbengeschwindigkeit um rund 5o% ermöglicht.

Claims (1)

1. 5· Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (7) innen hohl ist.

   6. Zylinder nach einem der Ansprüche 2 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Hohlräume mit Stegen versehen sind.

   7- Zylinder nach einem der Ansprüche Λ bis 6, gekennzeichnet durch das Material "nicht rostender Chromnickelstahl" bei hohler Kolbenstange.

   8. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein geringes spezifisches Gewicht bei hoher Festikeit besitzt.

   9. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein geringes spezifisches Gewicht bei hoher Ifestikeit besitzt und die Kolbenstange voll ist.

   10. Zylinder nach Anspruch 8 oder 9» gekennzeichnet durch kohlenfaserverstärktes Glasfasermaterial.

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   5· Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (7) innen hohl ist.

   6. Zylinder nach einem der Ansprüche 2 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Hohlräume mit Stegen versehen sind.

   7. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch das Material "nicht rostender Chromnickelstahl" bei hohler Kolbenstange.

   8. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein geringes spezifisches Gewicht bei hoher Festikeit besitzt.

   9· Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein geringes spezifisches Gewicht bei hoher Festikeit besitzt und die Kolbenstange voll ist.

   1o. Zylinder nach Anspruch 8 oder 9» gekennzeichnet durch kohlenfaserverstärktes Glasfasermaterial.