DE3629677A1 - Vorrichung zur verriegelung des kolbens einer kolben-zylinderanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verriegelung eines Kolbens in einer Kolben-Zylinderanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind eine Reihe derartiger Verriegelungen bekannt geworden. So zeigt die DE-OS 30 18 920 eine Verriegelung für einen Druckzylinderkolben, deren Kolbenstange eine umlaufende Rille aufweist. Innerhalb eines Führungsgehäuses sind Kugeln geführt, die mittels einer Kulissensteuerung in die Rille eingesteuert bzw. aus jener Rille herausgedrückt werden. Eine ähnliche Konstruktion zeigen auch die DE-OS 29 11 071 und die DE-OS 35 40 277. Alle diese Ausführungsformen haben den Nachteil, daß eine Verriegelung lediglich in einer Endstellung des Kolbens erzielt wird, da die umlaufende Rille nur an einer einzigen Stelle unveränderbar festgelegt ist.

Eine Vorrichtung, bei der die Möglichkeit besteht, daß der Kolben an mehreren Stellen beliebig festgelegt werden kann, ist aus der DE-OS 33 07 644 bekannt geworden. Am Zylinder ist ein Fortsatz vorgesehen, der ins Innere des Kolbens eingreift und an dessen freiem Ende keilartige Elemente festgelegt sind, die durch einen mit diesen keilartigen Elementen zusammenwirkenden, steuerbaren Konus nach außen gegen die Innenfläche der Innenbohrung des Kolbens drückbar sind. Jene als Klemmsegmente bezeichneten Elemente sind natürlich in geeigneter Form auszubilden und - was von besonderer Bedeutung ist - die Klemmsegmente können nicht nachgerüstet werden. Aufgrund des Vorsehens des Vorsprunges am Zylinder ist jene Anordnung eine recht spezielle Konstruktion.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verriegelungseinrichtung zu schaffen, mit der einerseits eine Verriegelung eines Kolbens in der Kolbenzylinder-Anordnung in jeder beliebigen Stelle ermöglicht ist, wobei schon vorhandene Komponenten ohne weiteres verwendet werden können und spezielle Vorrichtungen nicht notwendig sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Bei der Erfindung hat man sich zu Nutze gemacht, daß zwei Gewinde, die ineinander kämmen, unter bestimmten Voraussetzungen eine Verriegelung bewirken, wenn auf eines der beiden Bauteile, hier insbesondere auf die Kolbenstange mit dem Außengewinde, eine Kraft ausgeübt wird. Dann nämlich verklemmen sich beide Gewinde - das Innen- und das Außengewinde - ineinander, indem die Gewindeflanken sich aneinander anlegen und sich aufgrund des Steigungswinkels und der dadurch bewirkten Reibkraft gegeneinander verklemmen. Man hat sich weiterhin zu Nutze gemacht, daß dann eine derartige Verklemmung aufgehoben wird, wenn das dazu gehörige Klemm- oder Spindelrad in entsprechender Form in Drehung versetzt wird. Wenn die Steigung des Gewindes, die Ausgestaltung des Gewindes, der Druck, der auf den Kolben wirkt und damit die Bewegung des Kolbens und dessen Geschwindigkeit und die Drehgeschwindigkeit des Spindelrades aufeinander abgestimmt sind, kann durch Anhalten oder Indrehungversetzen des Spindelrades eine Festsetzung des Kolbens an jeder beliebigen Stelle ermöglicht werden.

Das Spindel- bzw. Klemmrad kann dabei mechanisch oder hydraulisch in Drehung versetzt werden. Der hydraulische Antrieb des Spindelrades wird dadurch bewirkt, daß eine oder zwei Bohrungen in den Aufnahmeraum des Spindelrades exzentrisch zur Mittelachse und parallel zueinander einmünden. Durch diese Bohrungen wird Druckfluid zugeführt, die dann, wenn sie diametral gegenüberliegen und jeweils in entgegengesetzter Richtung dem Aufnahmeraum zugeführt werden, aufgrund eines Drehmomentes durch eine in Richtung der Bohrungsachsen auf das Spindelrad wirkende Kraftkomponente dieses in Drehung versetzen. Unterstützt werden kann diese Drehung, wenn das Spindelrad auf seiner Oberfläche profiliert ist, so daß sich ein Wasserradeffekt an dem Spindelrad ergibt.

Anhand der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, soll die Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Querschnittansicht durch ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch eine weitere Ausfüh­ rungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine Schnittansicht gemäß der Schnitt­ linie III-III und

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung der Einmündung der Bohrung, mit der Druck zugeführt wird, in den Spalt zwischen dem Spindelrad und dem Ver­ riegelungsgehäuse.

Es sei bezug genommen auf die Fig. 1. Dort ist eine Kolben-Zylinderanordnung 10 dargestellt, die einen rohrförmigen Zylinder 11 aufweist, der an beiden Enden von je einem Verriegelungsgehäuse 12 bzw. 13 verschlossen ist. Die beiden Verriegelungsgehäuse 12 und 13 sind gleich, so daß lediglich das Verriegelungsgehäuse 12 im folgenden beschrieben wird. Das Verriegelungsgehäuse 12 besitzt einen zylinderartigen Kragen 14, der den Zylinder 11 an seinem Ende umfasst, wobei der Zylinder 11 an dieser Stelle einen Bereich 15 verringerten Durchmessers hat.

Das Gehäuse 12 ist durchsetzt von einer Zentralbohrung 16, die am anderen Ende des Verriegelungsgehäuses 12 in eine durch einen weiteren Kragen 17 gebildeten Vertiefung 18 einmündet; jener Kragen 17 besitzt einen kleineren Innendurchmesser als der Kragen 14, weil dort anstatt des Zylinders 11 eine Buchse 19 anschließt, deren dem Verriegelungsgehäuse 12 zugewandtes Ende ebenfalls einen Bereich 20 verringerten Durchmessers aufweist, mit dem die Buchse in die Vertiefung 18 eingreift bzw. der von dem Kragen 17 umfasst ist. Die beiden Kragen 14 und 17 besitzen zur Befestigung am Zylinder 11 bzw. an der Buchse 19 je ein Innengewinde 21 und 22 in die der Bereich 15 bzw. 19 mit verringertem Querschnitt unter Zwischenfügung jeweils einer Dichtung 23 und 24 eingeschraubt sind.

Annähernd im mittleren Bereich besitzt das Verriegelungsgehäuse 12 einen Erweiterungsraum 25, der zwei kegelstumpfförmige, sich aufeinander zu im Durchmesser erweiternde Wände 26 und 27 aufweist, die durch einen zylinderförmigen Abschnitt 28 dazwischen getrennt sind. Dieser Bereich 28 bzw. diese zylindrische Wand 28 liegt genau beidseitig einer Teilfuge 29, die das Verriegelungsgehäuse 12 in zwei Gehäusehälften 30 und 31 unterteilt; an der Gehäusehälfte 30 befindet sich der Kragen 40 und an der Gehäusehälfte 31 der Kragen 17.

Im Inneren des Erweiterungsraumes 25 befindet sich ein Klemmrad 32, auch Spindelrad 32 genannt, das zwei kegelstumpfförmige, mit dem größeren Druchmesser aufeinander zuweisende Außenflächen 33 und 34 aufweist, die in Abstand zueinander enden und durch eine zylindrische Außenwand 35 voneinander getrennt sind. Die Außenwände 33, 34 und 35 und die Innenwände 26, 27 und 28 des Erweiterungsraumes 25 sind aneinander angepasst und bilden einen Spalt 36, der extrem dünn ist; seine Bemessung soll dabei den weiter unten anhand der Fig. 2 erläuterten Bedingung genügen.

Im Inneren des Zylinders 11 befindet sich ein Kolben 37, auf dessen beiden Kolbenböden je eine Kolbenstange 38 und 39 angeformt ist. Die Kolbenstange 39 besitzt einen Gewindeabschnitt 40 und das Spindelrad 32 ein Innengewinde 41, die miteinander kämmen bzw. in Eingriff sind. Die Länge des Gewindeabschnittes 40 entspricht der Hublänge des Kolbens 37 im Zylinder 11.

Das freie Ende der Buchse 19 besitzt einen Bereich 42 verringerten Durchmessers und dort befindet sich an der Innenfläche der Buchse bzw. an der Innenwand der Buchse 19 auch ein Bereich 43 vergrößerten Durchmessers. Im Inneren des Bereiches 43 mit vergrößertem Durchmesser befinden sich zwei Dichtungen 44 und 45, die einen glatten Abschnitt 46, der an den Gewindeabschnitt 39 anschließt, abgedichtet umfangen. Mittels einer Überwurfmutter 47 sind die beiden Dichtungen 44 und 45 in der Buchse 19 gehalten.

Der glatte Abschnitt 46 setzt sich fort und bildet die Kolbenstange, die an ihrem freien Ende an einem zu betätigenden Bauteil angreift.

In dem Verriegelungsgehäuse 13 befindet sich ein Erweiterungsraum, der zur Andeutung der Identität oder Gleichheit die Bezugsziffer 25 erhalten hat; innerhalb dieses Erweiterungsraumes befindet sich ein weiteres Spindelrad 32, das - zur Andeutung der Identität - ebenfalls die Bezugsziffer 32 erhalten hat. In gleicher Weise, wie die Kolbenstange 39, besitzt auch die Kolbenstange 38 den Gewindeabschnitt 39, der durch das Innengewinde 41 des Spindelrades 32 hindurchgreift. An das Verriegelungsgehäuse 13 schließt auch wieder die Buchse 19 an; eine nähere Darstellung der Abdichtung mit den beiden Dichtungen 44 und 45 ist an jener Stelle unterblieben. Insoweit ist die Anordnung symmetrisch zu der oben beschriebenen Ausgestaltung.

In der Fig. 2 erkennt man das Verriegelungsgehäuse 12 mit dem Spindelrad 32; wie oben angedeutet, befindet sich zwischen dem Spindelrad 32 und dem Innenraum bzw. Erweiterungsraum 25 ein Spalt 36.

In Fig. 3 ist eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie III-III der Fig. 2 dargestellt.

In dem Gehäuse 12 sind zu den kegelstumpfförmigen Innenflächen 33 und 34 hin sich öffnende Druckbohrungen 48 und 49 bzw. gegenüberliegend 50 und 51 vorgesehen.

Die Druckbohrungen 48, 49, 51 und 50 liegen nicht in der Ebene der Mittelachse, sondern versetzt dazu, und zwar mündet die Druckbohrung 48 in den Spalt 36 so ein, wobei die Durchbohrungen 48, 49, 50 und 51 parallel zueinander verlaufen. Der Winkel, den die Verbindungslinie V des Durchdringungspunktes der Mittelachse der Bohrung 48 durch die Wand 36 mit ihrem Schnittpunkt mit der Mittellinie der Kolbenstange 39 bildet, wobei die Verbindungslinie V senkrecht zur Mittelachse der Kolbenstange 39 verläuft, beträgt etwa 10 Grad, kann aber auch mehr, bis zu ca. 30° betragen. In gleicher Weise ist auch die Druckbohrung 50 gegenüber der senkrechten Mittelebene, die in der Fig. 3 die Bezeichnung M-M aufweist, seitlich versetzt. Gleiches gilt auch für die beiden Bohrungen 51 und 49.

Wenn nun auf die Bohrungen 48 und 50 Druckfluid gegeben wird, dann erhält man eine Druckverteilung im Fluid wie in der Fig. 4 mit Kurve Vd dargestellt. Die Bemessung des Spaltes 36 ist dabei so, daß der Spalt quasi eine hydrostatische Abdichtung bildet, so daß der durch die Bohrungen 48 bzw. 50 zugeführte Druck praktisch vollständig auf das Spindelrad 32 übertragen wird. Ein direkter Ausfluss des Druckfluids durch den Spalt 36 nach außen, also hin zum Kolben bzw. in die Zentralbohrung 16, findet wegen der sehr geringen Weite des Spaltes nicht statt.

Die Druckverteilung innerhalb des Druckfluids im Spalt 36 besitzt eine Komponente, die parallel zur Mittelachse M-M verläuft. In gleicher Weise erhält man aufgrund des Druckfluids durch die Bohrung 50 eine Kraftkomponente, die ebenfalls parallel und in Abstand zu der Mittelachse M verläuft. Die beiden Komponenten bewirken, da sie einen Abstand voneinander haben, ein Drehmoment auf das Spindelrad 32, wodurch jenes in Drehung versetzt wird.

Zweckmäßig ist die Außenfläche des Spindelrades 32 mit einem Profil 60 versehen (nicht dargestellt), wodurch das Zusammenwirken zwischen den Druckbohrungen und dem Spindelrad wasserradartig abläuft. Damit das Druckfluid dann seitlich in axialer Richtung nicht wegfließen kann, ist die Profilierung taschenartig ausgebildet (strichliert gezeichnet), wobei im Bereich der radialen Endflächen und der zylindrischen Außenwand des Spindelrades 36 Dichtflächen 61 und 62 an den Seitenwänden 33 und 34 gebildet sind, die eine Abdichtfunktion haben. Evtl. durch die Drehung mitgenommenes Druckfluid wird durch die Bohrungen 49 und 51 abgenommen. Wenn nun durch eine im Gehäuse 12 befindliche Bohrung 52 in den Raum 53 links des Kolbens Druckfluid aufgegeben wird, wird gleichzeitig auch Druckfluid auf die beiden Bohrungen 48 und 51 gegeben. Durch den Druck durch die Bohrung 52 wird der Kolben 37 nach rechts beaufschlagt und aufgrund der durch das auf das Spindelrad aufgrund des durch die Öffnungen bzw. Bohrungen 48 und 50 zugeführten Druckfluids ausgeübte Drehmoment bewirkten Verdrehung des Spindelrades wird die zwischen dem Außengewinde der Kolbenstange 39 und dem Innengewinde des Spindelrades 32 vorhandene Reibung aufgehoben und der Kolben kann sich aufgrund des Druckes nach rechts bewegen. Sowie der den Bohrungen 48 und 51 zugeführte Druck wegbleibt, was meist dann der Fall sein wird, wenn auch der Druck im Kolbenraum 53 wegbleibt, verklemmen die Gewindeteile im Spindelrad bzw. auf der Kolbenstange, so daß hier eine Verriegelung zwischen dem Spindelrad 32, dem Verriegelungshäuse 12 und den Gewindeabschnitten am Spindelrad bzw. an der Kolbenstange erzielt wird. Natürlich kann die Zufuhr des Druckfluides durch die Bohrungen 48 und 51 auch gesteuert nach Belieben beendet werden. Dadurch wird der Kolben an jeder gewünschten Stelle seines Hubes festgesetzt.

Dies ist auf eine geeignete Bemessung der ineinander kämmenden Gewinde zurückzuführen.In zweckmäßiger Weise wird ein Trapezgewinde vorgesehen, wobei die Steigung des Trapezgewindes durch die einzelnen Gewindegänge durchaus variabel gestaltet werden können.

Es ist selbstverständlich, daß die Drehzahl des Spindelrades 32 auf die Bewegung des Kolbens 37 bzw. dessen Geschwindigkeit abgestimmt sein muß. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind folgende Daten gewählt worden:

Kolbendurchmesser: 50 mm Kolbenstangendurchmeser: 25 mm Druck auf den Kolben und Druck
auf die Bohrungen 48 und 50:250 bar Durchmesser des Spindelrades:14 mm Kegelstumpfwinkel:90 Grad

bei einer Hubgeschwindigkeit des Kolbens von 0,5 m/pro sec. maximal und einem angenommenen Reibungsbeiwert von 0,05 ist eine Gewindesteigung von 5,7 Grad als für die Wirkungsweise der Anordnung zweckmäßig erachtet worden.

Aufgrund des Gewindeabschnittes an der Kolbenstange wird sich die Länge der gesamten Verriegelungsvorrichtung um jenen Gewindeabschnitt, der dem Hubweg des Kolbens entspricht, vergrößern. Dafür erreicht man aber definitiv die Möglichkeit, den Kolben 37 in jeder beliebigen Stellung, gesteuert durch den Druck auf die Bohrungen 48 und 50, festzuhalten bzw. wieder weiterlaufen zu lassen. Die vergleichsweise geringfügige Vergrößerung der Baulänge wird dem gegenüber aufgehoben durch eine verbesserte Möglichkeit, an jeder beliebigen Stelle den Kolben still zu setzen .

Die Fig. 1 zeigt eine Anordnung, bei der zwei Spindelräder vorgesehen sind; eine solche Lösung kann auch ersetzt werden durch eine Ausgestaltung, bei der lediglich das obere Spindelrad mit dem oberen Verriegelungsgehäuse 12 benutzt wird. Das untere Spindelrad und das untere Verriegelungsgehäuse können natürlich auch wegfallen. Die Verwendung bzw. das Vorsehen beider Spindelräder dient lediglich zur Verstärkung der Haltekraft. Dabei ist die Kolben-Zylinderanordnung 10 doppelseitig wirkend; aus der Kolben-Zylinderanordnung ragen zwei Kolbenstangen beidseitig heraus und beide sich gegenüberliegende Flächen des Kolbens werden von Druck beaufschlagt.

Bei der Ausgestaltung nach der Fig. 2 ist ein lediglich einseitig wirkender Kolben vorgesehen. Der Zylinder ist dann in üblicher Weise abgeschlossen und nur auf einer Seite des Kolbens die Kolbenstange angeformt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Verriegelung eines Kolbens in einer hydrau­ lisches Druckfluid enthaltenden und dadurch betätigten Kolben- Zylinderanordnung, in wenigstens einer Stellung des Kolbens, dadurch gekennzeichnet, daß die am Kolben (37) anschließende Kolbenstange einen Gewindeabschnitt (38, 39), dessen Länge dem Hub des Kolbens (37) entspricht, aufweist, daß außerhalb des Zylinders (11) ein von dem Gewindeabschnitt (37, 38) durchgriffenes, mit einem daran angepaßten Innengewinde versehenes Klemmrad (32) vorgesehen ist, das in einem Gehäuseraum (25) unverschieblich und drehbar aufgenommen ist, und daß Mittel zum Verdrehen des Klemmrades (32) vorgesehen sind, die bei Verschieben des Kolbens (37) im Zylinder (11) das Klemmrad (32) - an die Verschiebebewegung und -geschwindigkeit des Kolbens angepaßt - in Drehung versetzen, bei Bedarf aber freigeben, so daß es still steht und so über die Gewinde den Kolben in der jeweiligen Stellung festhält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Klemmrad (32) von den Innenwänden des Gehäuseraumes (25) dicht unter Bildung eines sehr kleinen, eine hydrostatische Dichtung bewirkenden Spaltes umfaßt ist, daß in den Gehäuseraum exzentrisch wenigstens eine Druckbohrung (48, 51) einmündet und daß das durch die Druckbohrung eingeführte Druckfluid das Klemmrad in Drehung versetzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Klemmrad (32) mit einem Profil (60) auf seiner Außenfläche versehen ist, die so ausgestaltet ist, daß das Druckfluid wasserradartig mit dem Profil zusammenwirkt und das Klemmrad in Drehung versetzt.

4. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Klemmrad (32) ein Doppelkegelstumpfrad ist, dessen größerer Durchmesser in der axialen Mitte des Klemmrades liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kegelstumpföffnungswinkel 90 Grad beträgt.

6. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem doppelt wirkenden Kolben (37) mit je einer Kolbenstange auf jeder Kolbenfläche wenigstens an einer Kolbenstange ein Klemmrad vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche. dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseraum (25) in je einem Gehäuse (12, 13) untergebracht ist, an dessen einem Ende der Zylinder (11) und an dessen anderem Ende eine Buchse (19) anschließt, die den Gewindeabschnitt (39) druckdicht umfaßt und deren Länge dem Kolbenhub entspricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse in der Mitte des Gehäuseraumes geteilt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Antrieb des Klemmrades mechanisch sind.