DE3820337A1 - Kolben-zylinder-einheit mit gegen verdrehung gesicherter kolbenstange - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine druckmittelbeaufschlagbare Kolben-Zylinder-Einheit mit gegen Verdrehung gesicherter Kolbenstange.

Die Kolbenstange von heute hergestellten druckmittelbeauf­ schlagbaren Kolben-Zylinder-Einheiten, d.h. Pneumatik- oder Hydraulikzylindern, weisen zumindest in dem beim Arbeitshub den zugehörigen Zylinderdeckel durchsetzenden Längen­ abschnitt eine zylindrische Form auf, welche die Abdichtung des zwischen der Kolbenstange und der Durchtrittsöffnung im Zylinderdeckel erforderlichen Spalts gegen Druckverlust und Austritt des Druckmittels mittels üblicher Ringdichtungen - seien es O-Ringe oder Lippen-Dichtringe - ermöglicht. Durch die zylindrische Form der Kolbenstange ist das aus dem Zylinder austretende Ende der Kolbenstange nicht gegen Ver­ drehung gesichert, zumal ja der fest mit der Kolbenstange verbundene Zylinder eine konzentrisch kreisförmige Begren­ zung aufweist, welche in Umfangsrichtung innerhalb des Zylinders ebenfalls nicht gegen Verdrehung gesichert ist. Wenn solche Kolben-Zylinder-Einheiten in Konstruktionen eingesetzt werden, in denen sie Bauelemente vorschieben und zurückziehen müssen, welche während des Hubes in einer relativ zur Längsmittelachse der Kolben-Zylinder-Einheit gegen Verdrehung exakt gesicherte Ausrichtung gehalten werden müssen, müssen zusätzliche Führungen vorgesehen werden, welche die Kolbenstange gegen Verdrehung sichern. Unabhängig davon, ob es sich um in Reihen- oder Parallel­ anordnungen zur Kolbenstange vorgesehene und mit ihr ver­ bundene Führungen handelt, vergrößert sich die Baulänge bzw. Baubreite der Kolben-Zylinder-Einheit erheblich. Außerdem wird der Aufbau der Kolben-Zylinder-Einheit komplexer und die Anzahl der erforderlichen Bauteile sowie der Aufwand für deren Bearbeitung und Montage erhöht sich im Vergleich zu einer nicht gegen Verdrehung gesicherten einfachen Kolben-Zylinder-Einheit wesentlich.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Kolben-Zylinder-Einheit zu schaffen, in welcher eine die äußeren Abmessungen der Kolben-Zylinder-Einheit allenfalls geringfügig vergrößernde, die Kolbenstange gegen Drehung sichernde Eigenführung integriert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kolbenstange zumindest in dem den zugeordneten Zylinder­ deckel durchsetzenden Längsbereich mit einer Anzahl von in gleichmäßigen Winkelabständen versehenen, radial vorstehen­ den und in Arbeitshubrichtung verlaufenden Längskeilen ver­ sehen ist, die jeweils beidseitig im Übergangsbereich des jeweiligen Längskeils zur eigentlichen Kolbenstange mit Kugellaufbahnen versehen sind, daß auf der kolbenab­ gewandten Außenseite des Zylinderdeckels ein von der Kolbenstange durchsetzter Lagerbauteil befestigt ist, der seinerseits in Ausrichtung zu den Längskeilen mit längsver­ laufenden Kugellaufbahnen versehene Längsnuten aufweist, daß in dem zwischen der Außenfläche der Kolbenstange und der Innenfläche des Lagerbauteils bestehenden Zwischenraum Reihen von auf den Kugellaufbahnen der Kolbenstange einer­ seits und den Kugellaufbahnen des Lagerbauteils anderer­ seits abrollende Lager-Kugeln vorgesehen sind, und daß im Verbindungsbereich zwischen dem Zylinderdeckel und dem Lagerbauteil in einer die Kolbenstange mit radialem Abstand umgebenden umlaufenden Aufnahmenut ein Lippen-Dichtring mit einer der Querschnittsform der Kolbenstange komplementär entsprechenden Durchtrittsöffnung vorgesehen ist, dessen Dichtlippe(n) ins Innere der Kolben-Zylinder-Einheit gerichtet ist bzw. sind. Die Kolbenstange ist also grund­ sätzlich ähnlich einer durch ein Linear-Bewegungslager gegen Verdrehung gesicherten längsverschieblich geführten Welle ausgebildet, wobei aber das bei solchen Wellen nicht auftretende Problem der Abdichtung der Kolbenstange gegen den vom Druckmittel im Innern der Kolben-Zylinder-Einheit aufgebauten Druck durch einen speziellen Lippen-Dichtring mit der Querschnittsform der Kolbenstange angepaßter Durch­ trittsöffnung gelöst wird. Insbesondere eine Ausgestaltung gemäß dem unter der Bezeichnung "Ball Spline" bekannt­ gewordenen Linear-Bewegungslager hat sich bewährt, bei welcher insgesamt sechs Reihen vom am Umfang ausgerichteten Kugeln einerseits eine leichte Längsverschiebbarkeit gewährleisten andererseits aber ein Winkelspiel zwischen der Kolbenstange und dem Zylinder auch bei hohen einwirkenden Momenten verhindern.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind - wiederum in Übereinstimmung mit den erwähnten "Ball Spline" Lagern in Umfangsrichtung zu den Kugellaufbahnen versetzt tiefere Rückführ-Längsnuten in der Innenfläche des Lager­ bauteils vorgesehen, die an ihren beiden Enden mit den benachbarten Enden der jeweils zugeordneten Kugellaufbahn verbunden sind, so daß die bei einem Hub der Kolbenstange an einem Ende der zugehörigen Kugellaufbahn im Lagerbauteil ankommenden Lager-Kugeln bei der Fortsetzung der Kolben­ stangenbewegung in die Rückführ-Längsnuten verdrängt und über diese entgegen der Hubrichtung der Kolbenstange zurückgeführt werden.

Dabei ist es dann zweckmäßig, wenn den auf den Kugellauf­ bahnen abrollenden und den in den Rückführ-Längsnuten zurückgeführten Reihen von Lager-Kugeln ein die Lager- Kugeln im Lagerbauteil halternder Käfig zugeordnet ist, der in dem den Kugellaufbahnen der Kolbenstange gegenüber­ liegenden Bereichen jeweils einen Schlitz aufweist, durch welchen die Lager-Kugeln nur teilweise hindurchtreten können, während er im Bereich der Rückführ-Längsnuten jeweils zur Kolbenstange hin geschlossen ist. Somit ist eine Demontage des Lagerbauteils von der Kolbenstange mög­ lich, ohne daß die Kugeln aus dem Lagerbauteil austreten können.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Lippen-Dichtring ist in bevorzugter Ausgestaltung so ausgebildet, daß er einen kreisförmig begrenzten Außendurchmesser aufweist, der größer als der über die Stirnfläche der Längskeile der Kolbenstange gemessene Durchmesser ist, und an dessen Rand eine an der zylindrischen Innenfläche der Aufnahmenut abdichtende umlaufende elastische Dichtlippe vorgesehen ist, und daß entlang der der Querschnittsform der Kolben­ stange komplementär entsprechend geformten inneren Durch­ trittsöffnung eine weitere ringsum geschlossene und ununterbrochen auf der Außenfläche der Kolbenstange ab­ dichtende elastische Dichtlippe vorgesehen ist, wobei zwischen den beiden in gleiche Richtung weisenden Dicht­ lippen ein umlaufender, zum Zylinderinnern hin offener Druckraum gebildet ist, dessen zwischen der äußeren und der inneren Dichtlippe gemessene radiale Abmessungen in den den Längskeilen der Kolbenstange zugeordneten Bereichen gerin­ ger als in den in Umfangsrichtung dazwischenliegenden Bereichen sind.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung eines Aus­ führungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher er­ läutert, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen Längsmittelschnitt durch eine als Pneumatikzylinder ausgebildete Kolben- Zylinder-Einheit, deren Kolbenstange in der erfindungsgemäßen Weise gegen Verdrehung gesichert ist;

Fig. 2 eine Schnittansicht, gesehen in Richtung der Pfeile 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf den zur Abdichtung der Kolbenstange vorgesehenen Lippen-Dichtring, gesehen in Richtung des Pfeils 3 in Fig. 4;

Fig. 4 eine Schnittansicht des Lippen-Dichtrings, gesehen in Richtung der Pfeile 4-4 in Fig. 3; und

Fig. 5 ein vergrößertes Detail des in Fig. 1 innerhalb des strichpunktierten Kreises 5 gelegenen Teils der Kolben-Zylinder-Ein­ heit.

Die in Fig. 1 gezeigte, in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnete Kolben-Zylinder-Einheit ist ein mit Druckluft als Arbeitsmedium beaufschlagbarer doppelt wirkender Pneu­ matikzylinder mit Endlagendämpfung, der bezüglich seines grundlegenden Aufbaus bekannten Pneumatikzylinder dieser Art entspricht, so daß sein Aufbau insoweit nicht im ein­ zelnen beschrieben werden muß, zumal die erfindungsgemäß angestrebte Sicherung gegen Verdrehung seiner Kolbenstange 12 auch bei anderen Bauarten, z.B. einfach wirkenden und ungedämpften Pneumatikzylindern ebenso wie bei durch eine Hydraulikflüssigkeit des Arbeitsmediums beaufschlagbaren Kolben-Zylinder-Einheiten in gleicher Weise verwirklichbar ist.

Die Kolben-Zylinder-Einheit 10 weist also den eigentlichen, an einem Ende durch einen geschlossenen Zylinderdeckel 14 und am anderen Ende durch einen mit einer im Querschnitt kreisförmigen mittigen Durchgangsöffnung 16 für die Kolben­ stange 12 versehenen Zylinderdeckel 18 verschlossenen Zylinder 20 auf. In der zylindrischen Bohrung 22 des Zylin­ ders ist ein die Bohrung in zwei größenveränderliche Arbeitsräume 24, 24′ unterteilender und an der die Bohrung begrenzenden Innenwand abdichtender Kolben 26 verschieblich gelagert. Der aus mehreren, nicht im einzelnen beschriebe­ nen Teilen zusammengebaute Kolben 26 wird mittig vom im Durchmesser verringerten zylindrischen inneren Ende 28 der Kolbenstange 12 durchsetzt und durch eine auf das freie Ende aufgeschraubte Hülse 30 am Kolbenstangen-Ende gehalten.

Die in den Zylinderdeckeln 14 und 18 vorgesehenen Druckluft-Anschlüsse 32, 34 sind in Fig. 1 nur gestrichelt angedeutet.

Die Kolbenstange 12 weist in dem an den im Durchmesser ver­ ringerten, zylindrischen Endabschnitt 28 anschließenden Bereich 36 - abweichend von der üblichen Kreisquerschnitts­ form - den in Fig. 2 erkennbaren Querschnitt auf, bei dem von einem grundsätzlich kreisförmigen Grundquerschnitt jeweils um 120° in Umfangsrichtung zueinander versetzt Längskeile 38 radial vortreten, die in abgerundet in den kreisquerschnittsförmigen Wellenbereich übergehenden Über­ gangsbereichen 40 Kugellaufbahnen für Reihen von Lager- Kugeln 42 (Fig. 1) bilden, von denen also jeweils eine Reihe auf jeder Seite jedes Längskeiles liegt. Andererseits läuft jede Kugel-Reihe in je einer Längsnut 44 in einem umgebenden Lagerbauteil 46, welches zentriert im Zylinderdeckel 18 gehaltert und mit dem Zylinderdeckel gegen Drehung gesichert verschraubt ist. Diese Verschrau­ bung erfolgt - im gezeigten Fall - mit Befestigungs­ schrauben 48, von denen in Fig. 1 lediglich eine gezeigt ist, und die gleichzeitig auch dazu dienen, die Kolben- Zylinder-Einheit 10 insgesamt in einer Durchgangsbohrung 50 in einer Teil einer größeren Konstruktion bildenden Halte­ rungsplatte 52 zu befestigen, von der in Fig. 1 nur ein - strichpunktiert schraffierter - Teilbereich dargestellt ist.

In Fig. 1 ist die Kolbenstange 12 in der ganz in die Kolben-Zylinder-Einheit 10 zurückgezogenen Stellung gezeigt, in welcher der Arbeitsraum 24 seine maximale und der Arbeitsraum 24′ seine minimale Größe hat. Die Länge des mit den Längskeilen 38 versehenen Abschnitts 36 der Kolben­ stange 12 ist so gewählt, daß er sich noch durch den Lager­ bauteil 46 hindurch erstreckt und an dem in Fig. 1 links gelegenen Ende etwas aus dem Lagerbauteil 46 austritt. An den Abschnitt 36 schließt sich außen dann noch ein zylin­ drischer Kolbenstangen-Abschnitt 54 an, auf dem ein von der Kolbenstange 12 je nach Beaufschlagung der Arbeitsräume 24, 24′ mit Druckluft hin bzw. her zu bewegender - nicht gezeigter - Bauteil montierbar ist, von dem angenommen sei, daß er seine relative Drehstellung in bezug auf die Längs­ mittelachse der Kolben-Zylinder-Einheit 10 nicht ändern darf, weil er beispielsweise vorspringende Zapfen haben möge, die in der ganz ausgefahrenen Endstellung der Kolben­ stange 12 in zugeordneten passenden Bohrungen eingreifen müssen.

Die Drehsicherung der Kolbenstange 12 erfolgt also durch die die Längskeile 38 seitlich abstützenden und ihrerseits in den Längsnuten 44 im Lagerbauteil 46 abgestützten Kugel- Reihen. Beim Arbeitshubrollen die Lager-Kugeln 42 auf den zugeordneten Laufbahnen des Abschnitts 36 und des Lagerbau­ teils 46 ab und ändern somit auch ihre Lage in Längsrich­ tung. Um dies zu ermöglichen und die Kugeln trotzdem über die gesamte Länge des Lagerbauteils 46 zum Tragen zu brin­ gen, sind zu den im Lagerbauteil 46 gebildeten Laufbahnen in Umfangsrichtung versetzt tiefere Rückführ-Längsnuten 56 vorgesehen, die an ihren Enden über nicht gezeigte kreis­ bogenförmige Verbindungsabschnitte miteinander in Verbin­ dung stehen, so daß bei der Abrollbewegung an einem Ende aus den Längsnuten 44 austretende Lager-Kugeln 42 über den jeweiligen Verbindungsabschnitt in die zugeordnete Rückführ-Längsnut übertreten und in dieser in entgegen­ gesetzter Rollrichtung zum anderen Ende der Längsnut 44 zurückgeführt werden. Diese Rückführ-Längsnuten 56 sind so bemessen, daß sie die Lager-Kugeln vollständig aufnehmen, die also in diesen Bereichen nicht auf dem Kolbenstangen- Abschnitt 36 abrollen. Ein geeignet ausgebildeter Käfig 58 aus Kunststoff haltert die Lager-Kugeln 42 so, daß sie im Bereich der Längsnuten 44 teilweise durch jeweils einen dort vorgesehenen Schlitz zu den Kugellaufbahnen auf dem Kolbenstangen-Abschnitt 36 durchtreten können, während er die tieferen Rückführ-Längsnuten 56 gegen die Kolbenstange abschließt. Selbst bei vollständig aus dem Lagerbauteil 46 herausgezogener Kolbenstange 12 werden die Lager-Kugeln 42 also durch den Käfig 58 im Lagerbauteil 46 zurückgehalten, so daß also bei der Demontage oder Montage der Kolben- Zylinder-Einheit 10 nicht die Gefahr des Verlusts einzelner Lager-Kugeln 42 besteht. Im bisher beschriebenen Umfang entspricht die Verdrehsicherung der Kolbenstange 12 den unter der Bezeichnung "Ball Spline" von der Firma THK Europe GmbH, Düsseldorf gelieferten Linear-Bewegungslagern, welche also eine zentrisch geführte und gegen Verdrehung gesicherte Bewegung einer Welle in einem Lagerbauteil er­ möglichen, aber keine axiale Dichtung gegen gasförmige oder flüssige Druckmittel erlauben.

Um diese bei Anwendung zur Verdrehsicherung einer Kolben­ stange unabdingbare Abdichtung zu gewährleisten, ist erfin­ dungsgemäß die in Fig. 3 und 4 gesondert dargestellte Lippen-Dichtung 60 in einer umlaufenden, am Nutgrund zylindrischen Aufnahmenut 62 (Fig. 1 und 5) angeordnet, welche einerseits im Zylinderdeckel 18 und andererseits auf der Außenfläche des Kolbenstangen-Abschnitts 36 abdichtet. Hierfür weist der Lippen-Dichtring einen äußeren kreisför­ migen und einen inneren entsprechend der Querschnittsform des Kolbenstangen-Abschnitts 36 begrenzten radialen Abschnitt 64, der auf der dem Arbeitsraum 24 der Kolben- Zylinder-Einheit gegenüberliegenden Seite von einer metal­ lischen Stützscheibe 66 in der Aufnahmenut abgestützt wird. Die Stützscheibe ist zwischen einer Radialfläche des Zylin­ derdeckels 18 und des Lagerbauteils 46 eingespannt gehal­ ten. Eine am äußeren Umfang des radialen Abschnitts 64 an­ gesetzte, in Richtung zum Arbeitsraum 24 weisende umlau­ fende Dichtlippe 68 liegt unter Vorspannung dichtend an der Umfangs- oder Bodenfläche der Aufnahmenut 62 und eine der Umrißform der inneren Begrenzung folgende Dichtlippe 70 auf dem Kolbenstangen-Abschnitt 36 auf. Der aus elastomerem Kunststoff hergestellte Lippen-Dichtring 60 bildet also einen in Richtung zum Arbeitsraum 24 geöffneten umlaufenden Druckraum 72, in welchem sich der jeweils im Druckraum 24 herrschende Druck aufbaut und die Dichtlippe 68 zusätzlich an die zugeordneten Dichtflächen anpreßt. Eine starke Anpressung der Dichtlippe an den Kolbenstangen-Abschnitt 36 erfolgt aber nur dann, wenn der Arbeitsraum 24 mit Druck­ luft beaufschlagt wird, d.h. wenn die Kolbenstange ins Innere der Kolben-Zylinder-Einheit zurückgezogen wird. Die relative Bewegung zwischen dem Abschnitt 36 und der Dicht­ lippe 70 ist dann aber in Richtung des freien Endes der Dichtlippe gerichtet, wodurch deren Verschleiß nur relativ gering ist, sofern die Oberfläche des Kolbenstangen- Abschnitts 36 mit hinreichender Glätte ausgeführt ist. Wenn andererseits der Arbeitsraum 24′ mit Druckluft beaufschlagt wird, um die Kolbenstange 12 auszufahren, ist der Druckraum 24 entlüftet, d.h. es herrscht kein die Dichtlippe 70 mit zusätzlichem Druck auf der Oberfläche der Kolbenstange anliegender Überdruck. Auch insofern ist ein vorzeitiger Verschleiß der Dichtlippe nicht zu befürchten.

Claims (4)

1. Druckluftbeaufschlagbare Kolben-Zylinder-Einheit mit gegen Verdrehung gesicherter Kolbenstange, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kolbenstange (12) zumindest in dem den zugeordneten Zylinderdeckel (32) durchsetzenden Längenbereich (36) mit einer Anzahl von in gleichmäßigen Winkelabständen ver­ sehenen, radial vorstehenden und in Arbeitshubrichtung ver­ laufenden Längskeilen (38) versehen ist, die jeweils beid­ seitig im Übergangsbereich (40) des jeweiligen Längskeils (38) zur eigentlichen Kolbenstange mit Kugellaufbahnen ver­ sehen sind,
daß auf der kolbenabgewandten Außenseite des Zylinder­ deckels (32) ein von der Kolbenstange (12) durchsetzter Lagerbauteil (46) befestigt ist, der seinerseits in Aus­ richtung zu den Längskeilen (38) mit längsverlaufenden Kugellaufbahnen versehene Längsnuten (44) aufweist,
daß in dem zwischen der Außenfläche der Kolbenstange (12) und der Innenfläche des Lagerbauteils (46) bestehenden Zwischenraum Reihen von auf den Kugellaufbahnen der Kolben­ stange (12) einerseits und den Kugellaufbahnen des Lager­ bauteils (46) andererseits abrollende Lager-Kugeln (42) vorgesehen sind, und
daß im Verbindungsbereich zwischen dem Zylinderdeckel (32) und dem Lagerbauteil (46) in einer die Kolbenstange (12) mit radialem Abstand umgebenden umlaufenden Aufnahmenut (62) ein Lippen-Dichtring (60) mit einer der Querschnitts­ form der Kolbenstange (12) komplementär entsprechenden Durchtrittsöffnung vorgesehen ist, dessen Dichtlippen (68; 70) ins Innere der Kolben-Zylinder-Einheit (10) gerichtet sind.

2. Kolben-Zylinder-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung zu den Kugellauf­ bahnen versetzt tiefere Rückführ-Längsnuten (56) in der Innenfläche des Lagerbauteils (46) vorgesehen sind, die an ihren beiden Enden mit den benachbarten Enden der jeweils zugeordneten Kugellaufbahn (Längsnut 44) verbunden sind, so daß die bei einem Hub der Kolbenstange (12) an einem Ende der zugehörigen Kugellaufbahn im Lagerbauteil (46) ankom­ menden Lager-Kugeln (42) bei der Fortsetzung der Kolben­ stangenbewegung in die Rückführ-Längsnuten (58) verdrängt und über diese entgegen der Hubrichtung der Kolbenstange (12) zurückgeführt werden.

3. Kolben-Zylinder-Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den auf den Kugellaufbahnen (44; 40) abrollenden und den in den Rückführ-Längsnuten (56) zurück­ geführten Reihen von Lager-Kugeln (42) ein die Lager-Kugeln im Lagerbauteil (46) halternder Käfig (58) zugeordnet ist, der in dem den Kugellaufbahnen der Kolbenstange (12) gegen­ überliegenden Bereich jeweils einen Schlitz aufweist, durch welchen die Lager-Kugeln (42) nur teilweise hindurchtreten können, während er im Bereich der Rückführ-Längsnuten (56) jeweils zur Kolbenstange (12) hin geschlossen ist.

4. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lippen-Dichtring (60) einen kreisförmig begrenzten Außendurchmesser aufweist, der größer als der über die Stirnflächen der Längskeile (38) der Kolbenstange (12) gemessene Durchmesser ist, und an dessen Rand eine an der zylindrischen Innenfläche der Auf­ nahmenut (62) abdichtende umlaufende elastische Dichtlippe (68) vorgesehen ist, und daß entlang der der Querschnitts­ form der Kolbenstange (12) komplementär entsprechend geformten inneren Durchtrittsöffnung eine weitere ringsum geschlossene und ununterbrochen auf der Außenfläche der Kolbenstange (12) abdichtende elastische Dichtlippe (70) vorgesehen ist, wobei zwischen den beiden in gleiche Rich­ tung weisenden Dichtlippen (68; 70) ein umlaufender zum Zylinderinnern hin offener Druckraum (72) gebildet ist, dessen zwischen der äußeren und der inneren Dichtlippe gemessene radiale Abmessungen in den den Längskeilen (38) der Kolbenstange (12) zugeordneten Bereichen geringer als in den in Umfangsrichtung dazwischenliegenden Bereichen sind.