DE3707469A1 - Verriegelbare spannzylinder-kolbeneinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckfluid beaufschlagbare, verriegel­ bare Spannzylinder-Kolbeneinheit gemäss dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Generell sind in der Technik viele Anwendungsfälle gegeben, bei denen mit einer relativ grossen Spannkraft ein Gegenstand dauernd sicher festgespannt bleiben soll, auch dann, wenn die Spannvor­ richtung von der Druckfluid-Quelle abgekoppelt wird, also drucklos ist.

Beispielsweise ist dies der Fall bei der Werkstückspannung auf Werkzeugmaschinen, Formenverriegelung auf Spritzgiessmaschinen oder die Verriegelung von verfahrenstechnischen Druckbehältern usw.

Es sind Klemmsysteme ähnlich einer Spannzange bekannt, welche direkt auf eine die Spannkraft aufbringende Kolbenstange wirken. Ebenso sind Systeme mit Gewindespindeln bekannt, welche mit dem Kolben mitlaufen und zur Arretierung des Kolbens mittels einer Bremse am Drehen gehindert werden.

Im allgemeinen werden aber auf hydraulischer Seite Vorkehrungen getroffen um den Kolben am Zurückweichen zu hindern, z. B. mit Sitzventilen und Druckspeichern, Druckschaltern und Warnanlagen für den Fall des Versagens dieser Systeme.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine solche Kolben-Spannzylindereinheit zum Aufbringen relativ grosser Kräfte auf den zu haltenden Gegenstand zu schaffen, die auch im drucklo­ sen, vom Druckversorgungssystem abgekoppelten Zustand die Spann­ kraft dauernd aufrechterhalten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale nach der Kennzeichnung des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemässe Spannzylinder-Kolbeneinheit hat den besonde­ ren Vorteil, dass auf der Druckfluid-Versorgungsseite keine Vor­ kehrungen getroffen werden müssen, um den Kolben am Zurückweichen zu hindern. Aufwendige Druckhaltesysteme, verbunden mit entspre­ chenden Sicherheits- und Warnvorrichtungen, entfallen vollständig, da der Spannkolben dauernd formschlüssig verriegelt bleibt. Zudem ist die Einheit konstruktiv einfach sowie betriebssicher aufgebaut und kann ohne grossen Fertigungsaufwand z. B. hinsichtlich Ge­ nauigkeit (Toleranzen) hergestellt werden. Ferner ergibt sich als weiterer grosser Vorteil, dass praktisch sämtliche an der Kraft­ übertragung und an der Verriegelung beteiligten Elemente der Spannzylindereinheit vollständig vom Druckfluid umgeben sind, so dass beispielsweise dann , wenn das Druckfluid ein Hydrauliköl ist, die Verriegelungsteile nicht "trocken" laufen.

Die erfindungsgemässe Einheit lässt sich kompakt und dadurch platzsparend bauen, wobei die Gehäuse-Aussenkontur den jeweiligen Einbauerfordernissen entsprechend gestaltet werden kann, z. B. mit entsprechenden Führungs- und Haltemittel versehen ist.

Ferner wird durch die erfindungsgemässe Einheit erreicht, dass das Spannen und Verkeilen des Spannkolbens praktisch ohne Setzvorgang während oder nach dem Wegfall des Spanndruckes verläuft, was für alle Spann- oder Klemmvorgänge, insbesondere bei extrem starren Systemen von grösster Bedeutung ist.

Weiterhin ist der Wegfall eines permanent vorgespannten Druckme­ diumkissens, z. B. Oelkissen oder Hochdruckgaskissen, welches in sich elastisch (kompressibel) ist, für die Steifheit des Spann­ systems von grösster Wichtigkeit.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 ergibt sich durch den im we­ sentlichen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt des Verrie­ gelungskeils eine fertigungstechnisch einfache Herstellung des Verriegelungkeils. Ferner besteht die Möglichkeit auch andere Querschnittsformen, z. B. ovaler oder runder Form, vorzusehen. Die Keilflächen wären dann hierbei wiederum als ebene oder einseitig bombierte Flächen vorhanden.

Vorteilhafterweise wäre es auch möglich mehr als einen Verriege­ lungskeil anzuordnen, beispielsweise parallel zueinander stehende oder einander diametral gegenüberstehende. Die Betätigung könnte dann wieder durch einen gemeinsamen Riegelkolben erfolgen, es wäre aber auch für jeden Verriegelungskeil ein separater Riegelkolben denkbar, sofern es die zur Verfügung stehenden Platzverhältnisse zulassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, welche einen Axialschnitt durch die Spannzylinder-Kolbeneinheit zeigt.

Die Spannzylinder-Kolbeneinheit weist ein Gehäuse 6 mit der Ein­ bauöffnung 7 auf, und ist mit im wesentlich rechtwinklig zur Achse des Spannzylinders angeordneten Druckfluid-Anschlüssen A und B versehen. In dem durch die Einbauöffnung 7 gebildeten Raum ist der Spannkolben 1 verschiebbar angeordnet, welcher durch die ein­ geschraubte oder eingepresste und abgedichtete Zylinderhülse 5 geführt wird.

Die Zylinderhülse 5 könnte auch entfallen und der Spannkolben 1 unmittelbar an der Gehäusewand geführt sein. Der Spannkolben 1 kann einen nicht gezeigten, die Gehäusestirnseite überragenden Ansatzteil aufweisen, der zur Kraftübertragung auf das Spannobjekt dient. Der Kolben 1 besitzt günstigerweise am Aussenumfang einen oder mehrere Dichtungsringe.

Auf der durch das Druckfluid beaufschlagten Seite besitzt der Spannkolben 1 weiter einen konsolartig auskragenden Teil, der an der Gehäusewand durch eine parallel zur Spannrichtung verlaufende ebene oder gekrümmte Führungsfläche 8 abgestützt ist. Der Füh­ rungsfläche 8 abgewendet, gegen die Mittelachse des Spannzylinders gerichtet, trägt der konsolartige Teil 9 die Gegenkeilfläche 10 in einer nutartigen Ausnehmung, über die sich der Spannkolben 1 am Verriegelungskeil 2 abstützt. Die Oberfläche der Führungsfläche des konsolartigen Teils 9 weist zusätzlich rillenartige Vertiefun­ gen auf, welche ein reibungstechnisch günstiges Abstützverhalten des konsolartigen Trägers auf der Keilstütze 4 der Gehäusewand ergeben. Die Keilstütze 4 ist in axialer Richtung unverrückbar am Gehäusewandkörper, hier in ringartiger Form, angeordnet, es könnte auch eine mehrteilige Ausführung in Frage kommen. Die Keilstütze 4 könnte weiter auch einstückig mit der Gehäusewand ausgeführt sein. Im gezeichneten Fall besteht die Möglichkeit die Keilstütze 4 aus einem anderen Material herzustellen als dasjenige des Gehäuses, so dass reibungstechnisch eine günstige, d. h. optimierte Material­ paarung erzielt werden kann.

Die Keilstütze 4 weist der Gegenkeilfläche 10 gegenüberliegend eine weitere Gegenkeilfläche 11 auf, die zum Spannkolben 1 hin geneigt ist. Die Neigung dieser Keilfläche 11 muss grösser sein als die Neigung der Gegenkeilfläche 10. Der Winkel zwischen den beiden Gegenkeilflächen 10,11 entspricht dem Winkel, den die beiden Keilflächen 12, 13 des Verriegelungskeils 2 einschliessen.

Dadurch wird im Verriegelungszustand die formschlüssige, vom Vorhandensein des Druckmediums nicht mehr abhängige Abstützung des Spannkolbens 1 durch den Verriegelungskeil 2 erreicht. Im linken Endbereich der Keilstütze 4 mündet der Kanal 14, welcher mit dem Anschluss B für das Druckfluid verbunden ist. Mit dem Anschluss B und dem Kanal 14 kann sowohl der Spannkolben 1 wie der Riegelkol­ ben 3 beaufschlagt werden. Im Raum zwischen den beiden genannten Gegenkeilflächen 10, 11 greift der Keil mit seinem die Keilflächen 12, 13 tragenden Bereich ein. An dem, diesem Bereich entgegen­ gesetzten Ende ist der Verriegelungskeil 2 mit dem verschiebbar angeordneten Riegelkolben 3 verbunden, welcher sich im koaxial zum Zyinderraum orientierten weiteren Raum befindet. Durch den Riegel­ kolben 3 werden die beiden Zylinderkammern 15, 16 abgegrenzt, wobei die Kammer 15 durch den Druckanschluss A und die Kammer 16 durch den Druckanschluss B beaufschlagt wird.

Die Verbindung des Verriegelungskeils 2 mit dem Riegelkolben 3 ist hier beispielsweise so gelöst, dass der Riegelkolben 3 auf seiner Stirnseite eine zur Kolbenachse quer verlaufende, einen T-förmigen Querschnitt aufweisende Führungsausnehmung 20 aufweist, in die der Verriegelungskeil 2 mit seinem entsprechend geformten Endbereich eingreift. Damit können die durch den Riegelkolben 3 erzeugten Bewegungen zum Verriegeln und Entriegeln des Spannkolbens 1 praktisch spielfrei in axialer Richtung auf den Verriegelungskeil 2 übertragen werden.

In Querrichtung kann der Verriegelungskeil 2 die erforderlichen Seitenbewegungen, die während des Spann- und Entriegelungsvorgangs durch die geneigte Bahn des Verriegelungskeils 2 bedingt sind, ungehindert ausführen.

Dadurch wird erreicht, dass sich der Verriegelungskeil 2 ohne Zwängung in seiner geneigten Verriegelungsbahn bewegen kann.

Funktionell sind folgende Phasen zu unterscheiden:

Phase 1: Spannen

Beide Hydraulikanschlüsse A und B werden mit Druckmedium beauf­ schlagt. Dadurch wird der Spannkolben 1 gegen das zu spannende Objekt ausgefahren. Der Riegelkolben 3 wird von beiden Seiten her beaufschlagt. Infolge der kleineren Kolbenfläche auf der dem Spannkolben 1 abgewendeten Seite erzeugt der Riegelkolben 3 eine Zugkraft auf den Keil 2 entsprechend der Kolbenflächendifferenz mal den während der Bewegung herrschenden Druck am Spannkolben 1. Der Riegelkolben 3 zieht somit leicht am Keil 2, wodurch dieser immer spielfrei an den Gegen-Keilflächen von Spannkolben 1 und Keilstütze 4 anliegt. Der Spannkolben 1 kann aber trotzdem weiter ausfahren, da er sich vom Keil 2 weg bewegt und dadurch die Ver­ keilung wieder lockert. Der Keil 2 muss sich also um so mehr vom Spannkolben 1 weg bewegen, als sich letzterer zum Spannobjekt hin bewegt.

Spannkolben 1 und Keil 2 führen folglich eine gegenläufige Bewe­ gung aus. Beim Auftreffen des Spannkolbens 1 auf das zu spannende Objekt beginnt der Druck anzusteigen und die Kräfte nehmen zu.

Phase 2: Verriegeln

Eine geeignete Steuerung schaltet den Anschluss A nach Erreichen des maximalen Spanndrucks auf drucklosen Zustand, während der Anschluss B weiterhin den vollen Druck erhält. Der Spannkolben 1 wirkt also ununterbrochen auf das zu spannende Objekt, während der Riegelkolben 3 durch nunmehr nur einseitige Druckbeaufschlagung via Anschluss B mit seiner vollen Kraft am Keil 2 zieht.

Phase 3: Gespannt und verriegelt

Das Keilsystem, bestehend aus Keil 2, Keilstütze 4 und Spannkolben 1 ist nun fest ineinander verkeilt, wodurch der Spannkolben 1 nicht mehr zurückweichen kann, auch nicht bei Wegfall des Druckes am Anschluss B.

D. h. das Drucksystem kann drucklos gemacht werden, während die Spannkraft mechanisch gehalten bleibt.

Phase 4: Entsperren

Zum Lösen des Spannkolbens 1 wird lediglich der Anschluss A unter Druck gesetzt, wodurch der Riegelkolben 3 auf den Keil 2 drückt und ihn löst, wodurch auch der Spannkolben 1 sich wieder frei bewegen kann. Dieser wird z. B. mittels einer externen Feder zurückgestossen. Er verdrängt das Druckfluid aus dem Anschluss B zurück in die Antriebseinheit.

Die beschriebene Lösung erlaubt insbesondere das Spannen und Verkeilen des Spannkolbens 1 praktisch ohne Setzvorgang während oder nach dem Wegfall des Spanndruckes, was für alle Spann- oder Klemmvorgänge, insbesondere bei extrem starren (unelastischen) Systemen von grösster Bedeutung ist.

Ein nachträgliches Setzen wird durch die vorhergehende Druckbeauf­ schlagung und die damit verbundene Vordehnung der Materialien auf ein absolutes Minimum reduziert.

Die Erfindung lässt sich auf mancherlei Art abwandeln und ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. Es könnte z. B. der konsolartig auskragende Teil des Spannkolbens 1 wegfal­ len und der Verriegelungskeil 2 in einem nicht durchgehenden Schlitz eines durchgehend zylindrischen Spannkolbens 1 angeordnet sein. Ferner wird die Neigung der miteinander in Kontakt stehenden Keil- und Gegenkeilflächen in jedem Fall so gewählt, dass eine selbsthemmende Verkeilung erfolgt. Die Durchmesser der beiden Kolben können z. B. auch gleich gross sein, ebenso sind andere Durchmesser-Kombinationen möglich. Auch bezüglich der Materialwahl der Einzelteile der Spanneinheit besteht ein weiter Spielraum in Frage kommender Werkstoffe.

Claims (14)

1. Druckfluid besufschlagbare, verriegelbare Spannzylinder-Kol­ beneinheit, mit einem Gehäuse (6), welches Anschlüsse (A, B) zur Versorgung der Spannzylinder-Kolbeneinheit mit Druckfluid und eine Einbauöffung (7) aufweist, in der ein Raum gebildet ist, in dem ein Spannkolben (1) verschiebbar angeordnet ist, der im genannten Raum einen das Druckfluid aufnehmenden Zylinderraum abgrenzt, wobei der Zylinderraum mit einem der Druckfluid-Anschlüsse (B) in Verbindung steht, dadurch gekenn­ zeichnet, dass im wesentlichen koaxial zur Einbauöffnung ein weiterer Raum im Gehäuse (6) gebildet ist, in dem ein Riegel­ kolben (3) verschiebbar angeordnet ist, der den weiteren Raum in zwei Zylinderkammern (15, 16) unterteilt, wobei die eine Zylinderkammer (15) mit einem weiteren Druckfluid-Anschluss (A) und die andere Zylinderkammer (16) mit dem erstgenannten Druckfluid-Anschluss (B) in Verbindung steht, so dass der Zylinderraum des Spannkolbens (1) und die andere Zylinder­ kammer (16) des Riegelkolbens (3) miteinander mit Druckfluid beaufschlagbar sind, und dass im Gehäuse (6) zwischen dem Spannkolben (1) und dem Riegelkolben (3) Mittel zum Verriegeln des Spannkolbens (1) im drucklosen Zustand angeordnet sind, welche Mittel einen Verriegelungskeil (2) aufweisen, der durch den Riegelkolben (3) betätigbar ist und dessen Keilflächen (12, 13) mit Gegenkeilflächen (10, 11) am Spannkolben und am Gehäuse zusammenwirken um den Spannkolben (1) nach erfolgtem Spann- und Verriegelungsvorgang in drucklosem Zustand formschlüssig dauernd zu verriegeln.

2. Spannzylinder-Kolbeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Verriegelungskeil (2) einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt hat, und die Keilflächen (12, 13) einander gegenüberliegend an den Schmalseiten des Keils (2) angeordnet sind.

3. Spannzylinder-Kolbeneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Verriegelungskeil (2) zum Riegelkolben (3) hin verjüngt.

4. Spannzylinder-Kolbeneinheit nach einem der Ansprüche 1-3, da­ durch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung des Verriege­ lungskeils (2) geneigt zur Verbindungslinie zwischen dem Zy­ linderraum und der anderen Zylinderkammer (16) verläuft, wobei die Neigung vorzugsweise 7,5° zur genannten Verbindungslinie beträgt.

5. Spannzylinder-Kolbeneinheit nach einem der Ansprüche 1-4, da­ durch gekennzeichnet, dass die Keilflächen (12, 13) des Keils (2) einen Winkel von 1-10° einschliessen.

6. Spannzylinder-Kolbeneinheit nach einem der Ansprüche 1-5, da­ durch gekennzeichnet, dass die eine Keilfläche (12) des Keils (2) mit der Gegenkeilfläche (10) des Spannkolbens zusammen­ wirkt und die andere Keilfläche (13) sich an der Gegenkeil­ fläche (11) einer in Spannrichtung unverschiebbar angeordneten Keilstütze (4) der Gehäusewand abstützt, welche genannten Ge­ genkeilflächen (10, 11) in verriegeltem und drucklosen Zustand den Verriegelungskeil formschlüssig abstützen.

7. Spannzylinder-Kolbeneinheit nach einem der Ansprüche 1-6, da­ durch gekennzeichnet, dass die Gegenkeilfläche (10) des Spann­ kolbens (1) an einem konsolartig auskragenden Teil (9) des Spannkolbens (1) ausgebildet ist, wobei der genannte Teil (9) sich an der Gehäusewand, insbesondere an der genannten Keil­ stütze (4) quer zur Spannrichtung abstützt.

8. Spannzylinder-Kolbeneinheit nach einem der Ansprüche 1-7, da­ durch gekennzeichnet, dass der Verriegelungskeil (2) so mit dem Riegelkolben (3) verbunden ist, dass quer zur Bewegungs­ richtung des Riegelkolbens (3) keine formschlüssige Kraftüber­ tragung zwischen Riegelkolben (3) und Verriegelungskeil (2) stattfinden kann.

9. Spannzylinder-Kolbeneinheit nach einem der Ansprüche 1-8, da­ durch gekennzeichnet, dass der Riegelkolben (3) eine zur Bewe­ gungsrichtung des Kolbens (3) quer verlaufende T-förmige Nut aufweist, in die der Verriegelungskeil (2) mit seinem einen Ende eingreift, so dass der Verriegelungskeil (2) durch den Riegelkolben zur Durchführung des Spann-, Verriegelungs- und des Entriegelungsvorgangs betätigt werden kann.

10. Spannzylinder-Kolbeneinheit nach einem der Ansprüche 1-9, da­ durch gekennzeichnet, dass der Riegelkolben (3) auf der dem Verriegelungskeil (2) abgewandten Seite einen im Gehäuse auf­ genommenen Führungsfortsatz (17) aufweist, und die wirksamen Riegelkolbenflächen nicht gleich gross sind.

11. Spannzylinder-Kolbeneinheit nach einem der Ansprüche 1-10, da­ durch gekennzeichnet, dass der Zylinderraum durch eine abge­ dichtet angeordnete Zylinderhülse (5) des Gehäuses begrenzt ist.

12. Spannzylinder-Kolbeneinheit nach einem der Ansprüche 1-11, da­ durch gekennzeichnet, dass die Achsen des Riegelkolbens (3) und des Spannkolbens (1) fluchtend verlaufen.

13. Werkstück Spannmittel mit einer Spannzylinderkolbeneinheit nach einem der Ansprüche 1-12.

14. Werkstück Spannmittel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Maschinenschraubstock ist.