DE3615825C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolben-Zylinder-Einheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Bekanntlich werden sphärische Gelenke in den verschie­ densten Ausführungsformen in der Technik zum Zwecke der Kraftübertragung eingesetzt. Eine besonders häufige Form ist das Kugelgelenk. Eine Kolben-Zylinder-Einheit mit einem Kugelgelenk ist aus der DE-AS 14 75 578 bekannt­ geworden. Der Kolben ist zweiteilig ausgeführt, wobei der eine Teil als Kugelpfanne und der andere Teil zum Verspannen des Gelenks als ein mit einer sphärischen Anlagefläche versehener Rückzugring mit einer zentrischen Bohrung ausgebildet ist. Diese zentrische Bohrung wird von der Kolbenstange durchdrungen, die an ihrem Ende einen Kugelkopf besitzt, der mit der Kugelpfanne bzw. der sphärischen Fläche des Rückzugringes korrespon­ diert. Eine derartige Kugelgelenkverbindung hat den Nach­ teil, daß zur Herstellung Spezialmaschinen notwendig sind und infolge der aufwendigen Bearbeitung nur bei sehr großen Stückzahlen eine kostengünstige Herstellung ermöglicht werden kann. Besondere Schwierigkeiten entstehen, wenn an beiden Seiten der Kolbenstange sphärische Gelenke vorgese­ hen werden sollen. Ein weiterer Nachteil von Kugelgelenken ist der vergleichsweise große Kugeldurchmesser und die im Verhältnis dazu dünne Kolbenstange, was sich besonders dann ungünstig bemerkbar macht, wenn der Kolben drückend arbeitet und die Knickung der Kolbenstange vermieden werden muß. Vergleichsweise dicke Kolbenstangen lassen sich erreichen, wenn durch Kugelgelenke Kräfte nur in Druckrich­ tung übertragen werden sollen (DE-GM 71 45 446), da dann nur eine Kugelpfanne, nicht jedoch ein Rückzugring not­ wendig ist, der wesentliche Kräfte übertragen müßte. In jedem Fall bleibt aber auch hier der Nachteil, daß das Anformen eines Kugelkopfes an Kolbenstangen nur auf Spezialma­ schinen möglich ist.

Eine weitere Ausführungsform eines sphärischen Gelenks benutzt eine Lagerschale, deren eine konkave Seite als Kugelpfanne und deren andere konvexe Seite zum Teil als konzentrische sphärische Fläche ausgebildet ist, an der ein Rückzugring mit korrespondierender sphärischer Fläche anliegt. Die Verspannung der Teile erfolgt entweder durch eine zapfenartige Verlängerung des Kugelkopfes (DE-GM 77 00 917) mit einer darauf aufschraubbaren, auf den Rückzugring wirkenden Mutter oder durch Verschrauben des Rückzugringes mit einem den Kugelkopf tragenden Teil (DE-OS 33 22 271). Abgesehen davon, daß diese Ausführungen nicht dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechen, handelt es sich um aufwendige Spezialanfertigungen, die auch eher der Abstützung einer Kolben-Zylinder-Einheit oder eines Pressenstempels dienen als einer Verbindung Kolben-Kolben­ stange. Gelenkige Aufhängungen des Zylinders selbst haben zumindest dann eine zusätzlichen Nachteil, wenn das Druckmittel über ortsfeste Rohrleitungen zu- bzw. abge­ führt werden soll und nicht über bewegliche Schlauch­ leitungen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kolben-Zylinder- Einheit der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so auszugestalten, daß sich eine möglichst kurze Baulänge unter Verwendung handelsüblicher Bauteile ergibt, die Kolbenstange ausreichend gegenüber Knickung dimensioniert werden kann, eine Fertigung verschiedener Längen und Durchmesser nach dem Baukastenprinzip möglich ist, neben einer Druckbelastung auch eine beträchtliche Zugbelastung aufgenommen werden kann und sich insgesamt bei einfacher Montage eine große Funktionssicherheit mit geringen Kosten ergibt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.

Bei der Lösung wurde von der Überlegung ausgegangen, daß die am weitesten außen liegenden Teile eines Kugelgelenks nur einen sehr kleinen Traganteil haben und daher eigentlich verzichtbar sind. Da überdies die Flächenpressung im Lager weniger ein Kriterium ist als die Knicksicherheit der Kolbenstange, wurde eine Lösung mit handelsüblichen Axialgelenklagern angestrebt. Unter dem Begriff "Axial­ gelenklager" seien hier Bauteile verstanden, die aus zwei flachen, scheibenähnlichen Teilen bestehen, von denen eines die konkave Teilfläche einer Kugelpfanne und das andere eine entsprechende konvexe Teilfläche eines Kugelzapfens trägt, beide Teile einen vergleichsweise großen zentrischen Durchbruch besitzen und mit ebenen, senkrecht zur Kraft­ übertragungsrichtung verlaufenden Anlageflächen versehen sind. Mit Hilfe dieser Bauteile gelingt es, bei zwei gegeneinander wirkenden Axialgelenklagern den Kolben­ stangendurchmesser gleich oder dicker als den Lagerdurch­ messer zu machen. Eine Verkürzung der Baulänge ergibt sich zunächst dadurch, daß anstelle einer Kugel nur zwei Ringe oder Scheiben verwendet werden. Eine zusätzliche Verkür­ zung läßt sich durch die Verwendung zweier unterschiedlich großer Axialgelenklager erzielen, von denen das kleinere in Zugrichtung wirkt. Für die Bearbeitung ergeben sich keinerlei Schwierigkeiten, da, wie schon gesagt, die Axial­ gelenklager handelsübliche Bauteile sind.

Axialgelenklager an sich sind schon bei Kolben-Zylinder- Einheiten eingesetzt worden (DE-OS 23 29 536), jedoch nur zur kardanischen, in einer Kraftrichtung wirksamen Ab­ stützung von Zug-Druck-Einheiten gegenüber einem Gehäuse­ boden bei Federspeicherzylindern. Die Erfindung konnte durch diese Ausführung nicht nahegelegt werden.

Anspruch 2 richtet sich auf einen zweigeteilten Kolben.

Anspruch 3 richtet sich auf einen Stufenkolben mit zur Aufnahme der Kolbenstange hohlgebohrten Stufe kleineren Durchmessers.

Anspruch 4 bezieht sich auf eine den Hohlraum entlüftende Entlüftungsbohrung.

Anspruch 5 bezieht sich auf verschiedene Krümmungsradien der Axialgelenklager zur Verkürzung der Baulänge.

Anspruch 6 bezieht sich auf eine mindestens zweigeteilte Kolbenstange.

Anspruch 7 richtet sich auf eine am äußeren Ende der Kolbenstange über zwei Axialgelenklager ge­ lagerte Befestigungsplattform.

Anspruch 8 richtet sich auf verschiedene Krümmungs­ radien der Gelenklager.

Anspruch 9 bezieht sich auf Zentriermöglichkeiten für die Axialgelenklager.

Anhand eines in der Abbildung dargestellten Aus­ führungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.

Die Abbildung zeigt einen Schnitt längs der Achse einer Kolben-Zylinder-Einheit mit Stufenkolben und äußerer Befestigungsplattform.

Ein Zylinder 1 ist einseitig durch einen ange­ schraubten Boden 2 dicht verschlossen. Auf der anderen Seite des Zylinders 1 ist eine zweigeteilte Führungsbüchse 3 angeschraubt, die mit einer zentralen Führungsbohrung 4 versehen ist. Innerhalb des Zylinders 1 ist gleitbar und abgedichtet ein Stufenkolben 5 angeordnet, der aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist. Die Stufe 6 kleineren Durch­ messers ist in der Führungsbohrung 4 dicht und gleitbar nach außen geführt und bildet einen Ring­ raum 7 veränderlicher Größe.

An der Stufe 6 ist ein Kolbenteil 6′ angeschraubt und an dieses wiederum eine Stufe 8 größeren Durch­ messers, welche dicht in der Zylinderbohrung 9 des Zylinders 1 gleitet und dort einen Arbeitsraum 10 veränderlicher Größe abteilt. Ringraum 7 und Arbeits­ raum 10 sind mit nicht näher dargestellten Arbeits­ leitungen verbunden, über die eine Zu- und Abfuhr von Druckmitteln möglich ist. Die Stufe 6 ist als Rohr ausgebildet und besitzt daher eine innere Längs­ bohrung 11. An seiner der Längsbohrung 11 zugewandten Seite besitzt der Kolbenteil 6′ eine senkrecht zur Achse A-A des Zylinders 1 verlaufende Anlagefläche 12 sowie einen Zentrieransatz 13. Vom Zentrieransatz 13 geht eine Bohrung 14 aus, die sich zu einem Hohlraum 15 erweitert, der mit einem weiteren, konzentrischen Hohlraum 16 in der Stufe 8 verbunden ist und im übrigen durch diese dicht vom Arbeitsraum 10 getrennt wird. Der Hohlraum 15 besitzt angrenzend an die Bohrung 14 eine ebenfalls senkrecht zur Achse A-A liegende Anlagefläche 17. Zwischen den Anlageflächen 12 und 17 befindet sich ein Steg 18. Auf die Anlage­ fläche 12 wird, durch den Zentrieransatz 13 zentriert, eine Lagerscheibe 19 eines Axialgelenklagers aufgesetzt. Die Lagerscheibe 19 besitzt eine sphärische Lager­ fläche 20, auf welcher ein entsprechend geformter Lagerring 21 aufsitzt, der seinerseits in eine Zentriersenkung 22 innerhalb einer Kolbenstange 23 eingesetzt ist. Die Kolbenstange 23 durchdringt mit Radialspiel die Längsbohrung 11 nach außen.

Aufgrund des Radialspiels ist eine Bewegung der Kolbenstange 23 relativ zur Stufe 6 um vorbestimmte Winkelbeträge möglich. In die Kolbenstange 23 ist zentrisch ein zapfenartiger Ansatz 24 geschraubt, der mit Radialspiel den Lagerring 21, die Lager­ scheibe 19, die Bohrung 14 und den Hohlraum 15 durchdringt und bis in den Hohlraum 16 hineinreicht. Der Ansatz 24 durchdringt auch eine Lagerscheibe 25, die an der Anlagefläche 17 anliegt und mit einer sphärischen Lagerfläche 26 versehen ist. Der Ansatz 24 durchdringt weiterhin einen auf der Lagerfläche 26 aufsitzenden Lagerring 27, der in einer Zentrierscheibe 28 gehalten ist, die ihrerseits auf dem Ansatz 24 zentriert ist. Befestigungsmittel in Form von Muttern 29 auf dem Ende des Ansatzes 24 halten die Kolbenstange 23 über die Axialgelenk­ lager 19, 20, 21 bzw. 25, 26, 27 und gestatten außerdem eine Einstellung derselben. Die Lager­ flächen 20 und 26 haben den gemeinsamen Mittelpunkt M 1. Es sei hier darauf hingewiesen, daß die Krümmung der Lagerfläche 26 größer ist als jene der Lager­ fläche 20. Dies hat zur Folge, daß der Durchmesser der Lagerscheibe 25 geringer ist als der Durch­ messer der Lagerscheibe 19. Außerdem verringert sich die Baulänge etwa um den Radiusunterschied. Der Größenunterschied entspricht auch den wirksam werdenden Kräften, da die größere Lagerfläche 20 die im Arbeitsraum 10 erzeugte Druckkraft übertragen muß, während über die Lagerfläche 26 nur die ver­ gleichsweise geringe, im Ringraum 7 erzeugte Zugkraft übertragen werden muß.

Eine Entlüftungsbohrung 30 verbindet den Hohlraum 15 mit der äußeren Atmosphäre. Dies dient in erster Linie dazu, eindeutige Druckverhältnisse für eine Dichtung 31 zu schaffen, die zwischen dem Kolbenteil 6′ und der Stufe 8 eingespannt ist. An ihrem außen­ liegenden Ende besitzt die Kolbenstange 23 einen zweiten zapfenartigen Ansatz 32, auf welchen mit Radialspiel aufgefädelt sind: ein in einer Zentrier­ senkung 33 sitzender Lagerring 34, eine damit zusammenwirkende Lagerscheibe 35 mit einer Lager­ fläche 36, eine Befestigungsplattform 37 mit einer Anlagefläche 38 und einem Zentrieransatz 39 sowie einer zentralen Bohrung 40 und einer weiteren Anlagefläche 41, eine auf dieser Anlagefläche 41 aufliegenden Lagerscheibe 42 mit einer Lagerfläche 43, ein damit zusammenwirkender Lagerring 44. Der Lagerring 44 wird in einer Zentrierscheibe 45 zentriert, die ihrerseits auf dem Ansatz 32 zentriert ist. Muttern 46 dienen zur Befestigung und Einstellung. Durchgangsbohrungen 47 dienen der Befestigung äußerer Bauteile. Der gemeinsame Mittel­ punkt der Lagerflächen 36 und 43 ist mit M 2 bezeichnet. Die Krümmung der Lagerfläche 43 ist größer als jene der Lagerfläche 36. Die Gründe und Vorteile dieser Maßnahme sind die gleichen wie für die Lagerflächen 20 und 26. Am Boden 2 sind mehrere Befestigungsbohrungen 48 angeordnet, die eine feste und kippsichere Aufstellung auf einer ebenen Stand­ fläche gewährleisten.

Ein Anwendungsbeispiel für erfindungsgemäße Kolben- Zylinder-Einheiten ist die Anpressung von an Gelenk­ armen geführten Kalander-Walzen. Da die Kolbenstange 23 nur im Rahmen ihres Radialspiels angelenkt werden kann, ist darauf zu achten, daß nicht zu große Schwenkwinkel bzw. nicht zu großer Versatz auftreten. Es ist daher zweckmäßig, die Gelenkarme ausreichend lang zu machen und dafür zu sorgen, daß die Zylinder­ achse vom Schwenkkreis in etwa tangiert wird. Hieraus ist auch ersichtlich, daß ein jedweder Ersatz von Gelenkaugen nicht möglich ist, da diese in einer Bewegungsrichtung keine Winkelbegrenzung haben. Die erfindungsgemäße Konstruktion ist in ihrem Verhalten einem Zylinder mit einem oder zwei Kugel­ gelenken ähnlicher, bei denen ebenfalls Winkel­ begrenzungen bestehen.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Aus­ führungsbeispiel beschränkt. Neben einem doppelt­ wirkenden Stufenkolben sind natürlich auch einfach wirkende Plungerkolben möglich. Der Kolben selbst muß nicht aus mehreren Teilen zusammengebaut sein, allerdings sollte ein Verschluß bzw. eine Abdichtung für den Hohlraum vorhanden sein, da dieser ja hinterschnitten sein muß, um eine Anlagefläche für das Axialgelenklager zu gewährleisten. Obwohl auch ein seitliches Einführen des Axialgelenklagers durch einen radial gerichteten Schlitz denkbar wäre, ist im allgemeinen eine axiale Montage einfacher und aus Gründen der Festigkeit auch vorzuziehen.

Claims (10)

1. Kolben-Zylinder-Einheit mit

• a) einem Zylinder;
• b) einem in dem Zylinder abgedichtet und gleitbar angeordneten Kolben;
• c) einem innerhalb des Zylinders durch den Kolben abgeteilten Arbeitsraum;
• d) einer mittels eines sphärischen Gelenks mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange,
• e) wobei der Kolben von der Kolbenstangenseite ausgehend eine zentrische Bohrung besitzt, die sich unter Bildung eines umlaufenden Stegs zu einem hinter­ schnittenen Hohlraum erweitert, und die Kolbenstange die Bohrung durchdringt und in den Hohlraum hineinragt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• f) sowohl hohlraumseitig als auch kolben­ stangenseitig Anlageflächen (12, 17) am Steg (18) senkrecht zur Achse (A-A) des Zylinders (1) zur Anlage zweier, den gleichen Mittelpunkt (M 1) aufweisender Axialgelenk­ lager (19, 20, 21, 25, 26, 27) vorgesehen sind, wobei
• g) die Kolbenstange (23) an einem Axialgelenk­ lager (19, 20, 21) anliegt und mit einem zapfen­ artigen Ansatz (24) beide Axialgelenklager (19, 20, 21, 25, 26, 27) und die Bohrung (14) mit Spiel durchdringt, welcher Ansatz (24) an seinem freien Ende Mittel (Muttern 29) zum Befestigen der Kolbenstange (23) sowie zum Vorspannen der Axialgelenklager (19, 20, 21, 25, 26, 27) besitzt, wobei
• h) der Hohlraum (15) gegenüber dem Arbeitsraum (10) druckdicht verschlossen ist.

2. Kolben-Zylinder-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) mehrteilig ist, wobei der kolbenstangen­ seitige Teil (Kolbenteil 6′) den Steg (18) und mindestens einen Teil des Hohlraums (15) enthält, während der arbeitsraumseitige Teil (Stufe 6) mit dem kolbenstangenseitigen fest verbunden ist, den Hohlraum (15) dicht verschließt und ggf. einen Teil des Hohlraums (16) enthält.

3. Kolben-Zylinder-Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben als Stufenkolben (5) ausgebildet ist mit einer Stufe (8) größeren Durchmessers und einer Stufe (6) kleineren Durchmessers, wobei die Stufe (6) kleineren Durchmessers abgedichtet aus dem Zylinder (1) nach außen ragt, innerhalb des Zylinders (1) einen Ringraum (7) bildet und im übrigen hohl ist und so mit einem gewissen radialen Spiel von der Kolbenstange (23) durch­ drungen wird.

4. Kolben-Zylinder-Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hohlraum (15) eine Entlüftungsbohrung (30) mündet.

5. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialgelenklager (19, 20, 21, 25, 26, 27) verschieden große Krümmungsradien haben, wobei das im Hohlraum (15) angeordnete Axialgelenklager (25, 26, 27) den kleineren Krümmungsradius besitzt.

6. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zapfenartige Ansatz (24) mit der übrigen Kolbenstange (23) durch eine Schraubverbindung verbunden ist.

7. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ende der Kolbenstange (23) als zapfenartiger Ansatz (23) ausgebildet ist, der ein erstes Axialgelenk­ lager (34, 35, 36), eine Befestigungsplattform (37) sowie ein zweites Axialgelenklager (42, 43, 44) durchdringt und an seinem freien Ende Befestigungsmittel (Muttern 46) besitzt, um Kolbenstange (23), Befestigungsplattform (37) und die beidseitig an der Befestigungsplattform anliegenden, mit dem gleichen Mittelpunkt (M 2) versehenen Axialgelenklager (34, 35, 36, 42, 43, 44) zu verspannen.

8. Kolben-Zylinder-Einheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Axial­ gelenklager (42, 43, 44) einen kleineren Krümmungs­ radius hat als das andere (34, 35, 36), weiter innen liegende.

9. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Axialgelenklager (19, 20, 21, 34, 35, 36) auf dem Steg (18) bzw. auf der Befestigungsplattform (37) zentriert ist, während das zugehörige Axial­ gelenklager (25, 26, 27, 42, 43, 44) auf dem zapfenartigen Ansatz (24, 32) zentriert ist.