DE3626776A1 - Gasdichter arbeitszylinder - Google Patents

Description

Einleitung

Arbeitszylinder, die pneumatisch oder hydraulisch wirken sind in den verschiedensten Ausführungen bekannt.

Das Grundelement ist ausnahmslos ein Zylinderrohr, das vorne und hinten Verschlußscheiben hat. Im Zylinderrohr ist verschiebbar ein Kolben angeordnet, der vorzugsweise eine oder zwei Kolbenstangen hat oder mit einem Mantelrohr ver­ bunden ist. Kolben und Kolbenstangen oder Mantelrohr sind mit Dichtungen und Manschetten verschiedenster Art ausge­ rüstet.

Es sind außerdem dichtungslose Zylinder bekannt, bei denen eine Rollmembrane, ein Faltenbalg oder ein anderer dehnbarer, flexibler Körper den Kolben bewegt.

Wird bei den mit Dichtungen ausgerüsteten Arbeitszylindern die Fluidmedienzufuhr unterbrochen, so baut sich der im Zylinder aufgebaute Druck durch Undichtheiten der Dichtungen sukzessive ab.

Die bekannten dichtungslosen Zylinder sind als Arbeitszylinder nicht verwendbar, da die Dehnkörper - gleich welcher Art - weder hohen Drücken standhalten, noch lange Hübe auszuüben in der Lage sind. Der Grund liegt in der Formgebung, die entweder bei zu hoher Druckbeaufschlagung zum Platzen des Dehnkörpers führt oder aber in einer sich ergebenden zu hohen Haftreibung, die eine optimale Nutzung der Dehnungsmöglichkeit des Materials nicht zuläßt. Daher werden diese dichtungslosen Zylinder vor­ zugsweise als Stellglied eingesetzt.

Aufgabe

Vorzugsweise für den Einsatzbereich spannen, pressen, drücken, positionierbar verschieben, etc. soll ein dichtungsloser Arbeitszylinder geschaffen werden, der bei beliebig hohen Drücken, sowie kurzen und langen Hüben auch bei Abschalten der Druckmedienzufuhr den Systemdruck über beliebig lange Zeiträume aufrechterhält.

Lösung

Der gasdichte Arbeitszylinder besteht im wesentlichen aus einem Zylinderrohr, das vorne und hinten Verschlußscheiben hat. Im Zylinderrohr ist verschiebbar ein dichtungsloser Kolben oder Rohrkolben angeordnet, der entweder eine Kolbenstange hat oder mit einem Mantelrohr verbunden ist. Entweder an dem Kolben oder Rohrkolben oder aber an einer oder beiden Verschlußscheiben sind ein oder zwei Dehnkörper angebracht. Die Dehnkörper werden über gasdichte Ventile beaufschlagt und entlüftet.

Die Dehnkörper sind derart konzipiert, daß diese bei Be­ aufschlagung einer möglichst geringen Haftreibung unter­ zogen werden und daß diese bezogen auf den ganzen Körper voll bis zu ihrer Dehngrenze genutzt werden.

Neben der speziellen Formgebung der Dehnkörper, die den aufgeführten Kriterien Rechnung trägt, wird eine weitere Verminderung der Haftreibung während des Verschiebens des Kolbens oder Rohrkolbens zusätzlich erreicht, wenn der oder die Dehnkörper auf dem sich verschiebenden Kolben bzw. Rohrkolben angebracht ist.

Vorteile

Muß ein mit einem Druckmedium beaufschlagter Arbeitszylinder über einen längeren Zeitraum einen Druck ausüben oder eine Kraft übertragen, so muß dieser Arbeitszylinder konstant über den Druckerzeuger versorgt werden, da sich im Zylinder- Ventilsystem durch Undichtheiten der Dichtungen, Manschetten, etc. der beaufschlagte Druck kontinuierlich abbaut. (Der Stempel einer Presse sackt ab, eine Spannvorrichtung verliert ihre Spannkraft, usw.)

Der aufgezeigte, gasdichte Arbeitszylinder hält seinen System­ druck über einen unbegrenzten Zeitraum auch dann, wenn der Druckerzeuger abgeschaltet ist oder die Versorgungsleitung unterbrochen oder weggenommen wird.

Das kraftschlüssige Stoppen des Kolbens in beliebigen Positio­ nen ist mit dem gasdichten Arbeitszylinder kostengünstig und einfach zu bewerkstelligen, was vor allem bei konventio­ nellen Pneumatikzylindern nur unter sehr großem Aufwand be­ dingt möglich ist.

Ein gasdichter Arbeitszylinder mit einem im Zylinder inte­ grierten gasdichten Ventil ist unter Beibehaltung seines vollen Druckes bei Ausübung seiner vollen Kraft schlauch- oder leitungslos transportabel. (Spannelement auf Montage­ baustellen).

Der gasdichte Arbeitszylinder ist fertigungstechnisch ein­ fach, da keine Dichtungen und keine Passungen erforderlich sind. Er ist energiesparend, da keine Fluidmedienverluste auftreten. Durch die Eigenheit seiner Konstruktion ist er universell als einfach- und doppelt wirkender, positionier­ barer Zylinder mit verdrehungsfreier Kolbenstange oder ver­ drehungsfreiem Mantelrohr einzusetzen.

Der gasdichte Arbeitszylinder ist außerdem sicher, da er auch bei Ausfall des Druckerzeugers oder bei defekt werden­ der Druckleitung seinen Druck über eine unbegrenzte Zeit hält.

Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt einen einfach wirkenden, gasdichten Arbeits­ zylinder, bestehend aus einem Zylinderrohr (1), einem Kolben (2) zweier Verschlußscheiben (3), einer Kolbenstange (4), einem Dehnkörper (5), einer Klemmscheibe (6) und einer Rückholfeder (7).

Strichpunktiert ist ein zweiter Dehnkörper (5) ein­ gezeichnet, sowie eine Verschlußhülse (14).

Der Dehnkörper (5) wird mit einem beliebigen Druck P durch die hohle Kolbenstange (4) beaufschlagt.

Die Kolbenstange (4) hat im Bereich der Verspannung Kolben (2) - Dehnkörper (5) - Klemmscheibe (6) ein rundes Profil (Gewinde), während diese im Ver­ schiebebereich der Verschlußscheibe (3) beispiels­ weise ein quadratisches Profil hat, das analog in die Verschlußscheibe (3) eingearbeitet ist. Damit er­ gibt sich eine Verdrehsicherung.

Der Dehnkörper (5) ist bei dieser Aufgabenlösung mit einem Innenwulst (8) ausgestattet. Dies ist die offene Beaufschlagungs- und Entlüftungsseite. Vom Innenwulst (8) verjüngt sich der Mantel (9) konisch zur Stirnseite (10) des Dehnkörpers (5), wobei der Mantel (9) zunächst mit einer dünnen Wandstärke ausgeführt ist, die dann zur Stirnseite (10) hin kontinuierlich dicker wird. Die Stirnseite (10) ist entweder plan, konkav oder konvex - je nach Einsatzfall ausgebildet.

Wird der Dehnkörper (5) mit einem Fluidmedium unter Druck beaufschlagt, so preßt sich zunächst der dick­ wandige Dehnkörperkopf (10) gegen die Verschluß­ scheibe (3) und bewegt den Kolben (2) vorwärts. Dabei zieht der dickwandige Dehnkörperkopf (10) den dünnwandigen Mantel (9) axial auseinander. Durch die Konizität und die unterschiedlichen Wandstärken hat das Materialgefüge des Dehnkörpers (5) somit das Bestreben, sich zunächst axial auszudehnen. Die unterschiedlichen Materialstärken und die Konizität sind außerdem derart aufeinander abgestimmt, daß der dickere Dehnkörper­ kopf (10) erst dann beginnt sich auszudehnen, wenn der innere Widerstand des Dehnkörpermantels (9) bei wachsender Zugbeanspruchung so groß wird, daß die für eine weitere axiale Dehnung des Mantels (9) er­ forderliche Kraft größer wird als die, die notwendig ist, nunmehr den dickeren Dehnkörperkopf (10) aus­ zudehnen.

Durch die Vorherbestimmung des Fließverhaltens der einzelnen Abschnitte innerhalb des Dehnkörpers (5) ist eine volle Nutzung der maximalen Dehnmöglichkeit gewährleistet. Außerdem arbeitet das System reibungsarm.

Läuft der Kolben (2) auf Hartlage oder wirkt auf diesen eine Gegenkraft, die der vollen Höhe des vorgegebenen Druckes entspricht, so legt sich der gesamte Dehn­ körper (5) allseits an die Verschlußscheibe (3) und an die Innenfläche des Zylinderrohres (1) an.

In diesem Falle wird in jeder beliebigen Position des Kolbens (2) über die Kolbenstange (4) oder - wie im nachfolgenden Beispiel angeführt - über das Mantelrohr (11) proportional zum eingegebenen Druck die volle Kraft übertragen.

Dadurch, daß der Dehnkörper (5) auf dem Kolben (2) befestigt ist, werden die mantelseitigen Reibungskräfte zusätzlich verringert. Legt sich nämlich der Dehn­ körpermantel (9) an der Innenwandung des Zylinder­ rohres (1), wenn auch in der Schiebephase mit nur geringen Kräften allseits an, so wickelt sich das Materialgefüge des Dehnkörpermantels (9) beim Vor­ wärtsfahren an der Innenwandung des Zylinderrohres (1) längenbezogen ab. Dieses sich Abwickeln vermindert die Reibungskräfte, die dann auftreten können, wenn der Dehnkörper (9) - wie ein weiteres Beispiel zeigt - fest an eine der beiden Verschlußscheiben (3) montiert ist.

Strichpunktiert ist bei dieser Fig. 1 eine Variante eingezeichnet, bei der anstelle einer Verschluß­ scheibe (3) ein Dehnkörper (5) mit Außenwulst (13), festgeklemmt mit einer Verschlußhülse (14) vorge­ sehen ist. Diese Lösungsvariante ist geeignet für die Erweiterung des Kolbenweges. Außerdem bietet sie den Vorteil, daß die Reibung des Dehnkörperkopfes (10) auf der Verschlußscheibe (3) ausgeklammert wird. Hier wickeln sich die beiden Dehnkörperköpfe (10) der beiden Dehnkörper (5) aufeinander ab. Somit kann diese Lösung als materialschonend bezeichnet werden.

Fig. 2 veranschaulicht eine Variante eines einfach wirkenden gasdichten Arbeitszylinders, bei dem der Kolben (2) als Rohrkolben (12) ausgebildet ist. Das dem Rohr­ kolben (12) gegenüberliegende Verschlußführungs­ element (17) nimmt in diesem Einsatzfalle den Dehn­ körper (5) auf.

Die Ausdehnungs- und Reibungsverhältnisse verstehen sich analog denen, die unter Fig. 1 beschrieben wurden.

Dadurch, daß sich der Dehnkörper (5) innerhalb des mitwandernden Rohrkolbens (12) ausdehnt, wird die Reibung minimiert.

Dasselbe gilt in ähnlicher Form, wenn der Dehnkörper (5) im Rohrkolben (12) installiert ist.

Auch bei diesem Lösungsbeispiel ist der Einsatz zweier gegenüberliegender Dehnkörper (5) möglich.

Im übrigen gilt für dieses Ausführungsbeispiel die Beschreibung und die Funktion dasjenigen des Beispiels nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines doppelt wirkenden gasdichten Arbeitszylinders, der zudem axial in jeder beliebigen Stellung positionierbar ist.

Hier sind die Dehnkörper (5) mit einer Außenwulst (13) ausgebildet. Anstelle der Verschlußscheiben (3) finden hier Verschlußhülsen (14) Verwendung, die den Außenwulst (13) der Dehnkörper (5) gegen das Zylinderrohr (1) pressen.

Der Kolben (2) hat in diesem Ausführungsbeispiel keine Kolbenstange, sondern ist mit einem Mantelrohr (15) verbunden. Die Verbindung ist über Mit­ nehmernasen (16) bewerkstelligt, die gleichzeitig eine Verdrehsicherung darstellen.

Das Mantelrohr (15) übernimmt hier die Funktion einer Kolbenstange (4).

Auch in diesem Ausführungsbeispiel können die Dehn­ körper (5) wahlweise stirnseitig an den Enden des Zylinderrohres (1) installiert sein oder aber auf beiden Seiten des Kolbens (2) angebracht werden. Auch die Verwendung von 4 Dehnkörpern (5) - zwei an der Stirnseite des Zylinderrohres (1) und zwei am Kolben (2) - ist möglich.

Der Bewegungsablauf ist prinzipiell derselbe, wie unter Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben.

Der Unterschied liegt lediglich darin, daß die links und rechts, bzw. vorne und hinten liegenden Dehn­ körper (5) oder Dehnkörpergruppen wechselseitig beaufschlagt werden, wodurch sich eine doppelt wirkende Funktion ergibt.

Soll der Kolben in beliebigen axialen Positionen kraft­ schlüssig gestoppt werden, so wird der den Kolben (2) schiebende Dehnkörper (5) oder das den Kolben (2) schiebende Zwillingsdehnkörpersystem mit einem höheren Druck beaufschlagt, als der zu schiebende Dehnkörper (5) oder das zu schiebende Zwillingsdehnkörpersystem. Die zu schiebende Seite wird ebenfalls mit Druck be­ aufschlagt, jedoch nur insoweit, als daß dem zu schiebenden Kolben (2) eine so große Kraft entgegen­ gesetzt wird, daß dieser kräftemäßig in sich stabil bleibt.

Wird der Stoppbefehl erteilt - über Endschalter, Sensoren oder ein programmierbares System - so wird die ge­ schobene Dehnkörperseite mit demselben Druck beauf­ schlagt, wie dem der schiebenden Seite. Der Kolben (2) bleibt dann kraftschlüssig in der vorgegebenen Position verharren.

Positionskorrekturen können, sofern erforderlich, durch oszillieren am Positionspunkt vorgenommen werden.

Die Verkettung gasdichter Universalventile (2/3 Wege) für den Einsatzfall eines positionierbaren doppelt­ wirkenden gasdichten Arbeitszylinders zeigt die in Fig. 4 dargestellte Ventilschaltung.

A 1 sind die Ventile, die den Arbeitsdruck übermitteln.

A 2 sind die Ventile, die den Anlegedruck übermitteln.

B sind die Entlüftungsventile.

Siehe auch Patentanmeldung "Gasdichte Universalventile" P 36 02 027.3.

Fig. 4 zeigt in einem gasdichten Arbeitszylinder ein Ver­ kettungssystem von beidseitig offenen Dehnkörpern (18) bei dem beliebig viele dieser Dehnkörper (18) in­ stalliert werden können.

Die Beaufschlagung kann bei diesen Dehnkörpern (18) von beiden Seiten erfolgen.

Der Mantel (9) ist vom Wulst (8) ausgehend zu­ nächst dünnwandig.

Die Einschnürung (10), die der Stirnseite der bereits beschriebenen Dehnkörper entspricht, ist dickwandig.

Somit entspricht das Dehnverhalten dieser Dehnkörper dem der bereits aufgeführten Ausführungsbeispiele.

Im Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Dehnkörper (18) über Kolbenringe (19) und Verbindungsrohre (20) miteinander verbunden.

Dieses System ermöglicht lange Hübe, ist durch die mögliche Verkettung variabel und ist auch für das Positionieren geeignet.

Claims (5)

1. Gasdichter Arbeitszylinder, insbesonders einzusetzen als dichtungsloser Arbeitszylinder für das Übertragen beliebig großer axialer Schub- und Preßkräfte unter Verwendung beliebiger Fluidmedien bei beliebig hohen Arbeitsdrücken unter Ausübung langer und kurzer Kolben­ wege, bei beliebig langen Standzeiten bei voller Kraft­ übertragung auch nach Abschalten der Druckmedienzufuhr, bestehend aus einem Zylinderrohr mit Verschlußscheiben oder Verschlußhülsen oder einem Verschlußführungselement, mit einem im Zylinderrohr verschiebbaren Kolben oder Rohr­ kolben mit Kolbenstange oder Mantelrohr und mit einem oder mehreren Dehnkörpern, die am Kolben oder Rohrkolben und an den Verschlußscheiben oder Verschlußhülsen oder am Verschlußführungselement installiert sind, wobei sich der oder die Dehnkörper durch eine spezielle Formgebung beim Verschieben des Kolbens oder Rohrkolbens, bezogen auf die Innenwandung des Zylinderrohres reibungsarm unter voller Nutzung ihrer Dehnfähigkeit ausdehnen und sich erst dann kraftschlüssig an die Innenwandung des Zylinder­ rohres anlegen, wenn dem Kolben oder Rohrkolben eine gegen die Ausdehnungsrichtung der Dehnkörper wirkende Kraft ent­ gegenwirkt, die bei maximal vorgegebenen Druck die maximal auszuübende Kraft übermittelt.

2. Gasdichter Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieser mit elastischen Dehnkörpern ausge­ stattet ist, die an der Beaufschlagungs- und Entlüftungs­ seite offen und mit einem kreisförmigen Innen- oder Außen­ wulst versehen sind, von dem aus sich der Dehnkörpermantel mit zunächst dünner und dann dicker werden Wandstärke konisch zur Stirnseite des Dehnkörpers hin verjüngt, wobei die dickste Wandstärke des Dehnkörpers im Zentrum seiner Stirnfläche liegt, die entweder eine plane, konkave oder konvexe Kontur hat. Die Dehnkörper können auch an ihren beiden Stirnseiten offen und mit einem Innen- oder Außen­ wulst ausgestattet sein. Der Mantel verjüngt sich bei dieser Ausführung vom Wulst ausgehend zunächst dünnwandig und dann immer dicker werdend bis halben Höhe des Dehn­ körpers, wo dieser seine dickste Wandstärke hat.

3. Gasdichter Arbeitszylinder nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verdrehsicherung des Kolbens oder des Rohrkolbens entweder durch Verwendung einer Profil­ kolbenstange - beispielsweise quadratisch - mit einer Verschlußscheibe, deren Führungsbohrung dasselbe Profil hat, wie das der Profilkolbenstange, dichtungslos gegeben ist, oder durch die Verwendung eines Mantelrohres, das über im Zylinderrohr geführte Mitnehmernasen mit dem Kolben verbunden ist, gewährleistet wird.

4. Gasdichter Arbeitszylinder nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verschlußscheibe des Zylinders ein gasdichtes Beaufschlagungs- und Entlüftungsventil angeordnet ist, das mittels eines mobilen, andrückbaren Beaufschlagungs- und Entlüftungs­ elements betätigt wird.

5. Gasdichter Arbeitszylinder nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein kraftschlüssiges Stoppen des Kolbens oder des Mantelrohres in jeder beliebigen, vorzugebenden axialen Position durch das Einspannen des Kolbens zwischen zwei oder mehrere Dehn­ körper bei deren gleichzeitiger Beaufschlagung mit einem Fluidmedium starr oder oszillierend bewirkt wird.