DE3825870A1 - Mechanischer kraftuebersetzer fuer einen pneumatischen kraftzylinder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Kraftübersetzer für einen pneumatischen Kraftzylinder.

Die von einem pneumatischen Kraftzylinder beim Auftreffen der Kolbenstange auf einen Widerstand ausübbare Kraft ist von dem Produkt aus Kolbenfläche und Luft- bzw. Gasdruck bestimmt. Letzterer ist zumeist durch das Druckluftversor­ gungssystem festgelegt und bestimmt zugleich die Ausfahr­ geschwindigkeit des Kraftzylinders bis zum Auftreffen auf den Widerstand.

In vielen Anwendungsfällen ist es erwünscht, bei begrenzter Ausfahrgeschwindigkeit der Kolbenstange im Augenblick des Auftreffens auf den Widerstand eine wesentlich größere Kraft auszuüben, als sie sich aus dem Luft- bzw. Gasdruck und der beim Ausfahren beaufschlagten Kolbenfläche ergibt. Ein bekannter Weg, dieses Erfordernis zu erfüllen, besteht in der Verwendung eines Zusatz- oder Tandemkolbens im Kraft­ zylinder, der erst beim Auftreffen auf den Widerstand mit Druckluft bzw. Druckgas beaufschlagt wird. Derartige Kraft­ zylinder sind jedoch teuer in der Herstellung und erfordern zusätzliche Wartung.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die geforderte Kraft­ verstärkung auf den mechanischen Teil des Kraftzylinders zu verlagern und einen mechanischen Kraftübersetzer zu schaffen, der zwischen dem Kraftzylinder und dem Widerstand angeordnet und von der Kolbenstange betätigt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch

• - ein mit seinem hinteren Ende gegen den Kraftzylinder ko­ axial zu dessen Kolbenstange abstützbares langgestrecktes Gehäuse mit einer Längsverzahnung im Inneren,
• - ein in dem Gehäuse verschiebliches hohles Stützteil mit wenigstens einem in Eingriff mit der Längsverzahnung be­ weglichen Sperrglied zur axialen Festlegung des Stütz­ teils an dem Gehäuse,
• - ein das Stützteil durchragendes langgestrecktes Steuer­ element, das mit seinem hinteren Ende an der Kolbenstange festlegbar ist,
• - eine Federanordnung zur kraftschlüssigen Verbindung des Stützteils mit dem Steuerelement,
• - am Steuerelement angeordnete erste Steuermittel, die beim Nachgeben der kraftschlüssigen Verbindung das Sperrglied in Eingriff mit der Längsverzahnung bringen,
• - ein im vorderen Teil des Gehäuses verschiebliches Ab­ triebselement,
• - eine zwischen dem Stützteil und dem Abtriebselement ange­ ordnete Kniehebeleinrichtung und
• - an dem Steuerelement angeordnete zweite Steuermittel, von denen die Kniehebeleinrichtung beim weiteren Nachge­ ben der kraftschlüssigen Verbindung nach dem Eingriff des Sperrgliedes in Streckrichtung beaufschlagbar ist.

Der erfindungsgemäße Kraftübersetzer macht sich unmittelbar nach dem Auftreffen seines Abtriebteils auf den Widerstand die kraftverstärkende Wirkung einer Kniehebeleinrichtung zunutze, deren Reaktionskraft über das Gehäuse des Kraft­ übersetzers auf das Gehäuse des Kraftzylinders übertragen wird, so daß die Kolbenstange hierauf nur noch eine Steuer­ kraft liefert, welche die Kniehebel der Kniehebeleinrich­ tung in ihre Strecklage durchzudrücken versucht. Um hier­ bei unzulässig hohe Kräfte zu verhindern, sieht ein besonde­ res Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung vor, daß das Ab­ triebselement aus zwei in Verschieberichtung kraftschlüssig miteinander verbundenen Teilen besteht, deren Verbindungs­ kraft wesentlich größer als die der kraftschlüssigen Ver­ bindung zwischen dem Stützteil und dem Steuerelement ist, wobei die Kniehebeleinrichtung an dem einen Teil des Ab­ triebselements angreift und das andere Teil aus dem Gehäuse herausragt. Auf diesem Wege wird die auf den Widerstand letztlich ausgeübte verstärkte Kraft von der Steifigkeit der kraftschlüssigen Verbindung zwischen den beiden Teilen des Abtriebselements bestimmt, und Überlastungen und Zer­ störungen des Kraftübersetzers und sonstiger Bauteile wer­ den wirksam verhindert.

Weitere Merkmale zur vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nach­ folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels eines mechanischen Kraft­ übersetzers nach der Erfindung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Kraftüber­ setzer, und zwar im linken oder hinte­ ren Teil a nach Linie Ia-Ia in Fig. 2 und im rechten oder vorderen Teil b nach Linie Ib-Ib in Fig. 3,

Fig. 2 einen Querschnitt nach Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt nach Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 einen ausschnittsweisen Längsschnitt nach IV-IV in Fig. 1 und

Fig. 5 den Ausschnitt V in Fig. 1 in wesent­ lich größerem Maßstab.

Der in der Zeichnung dargestellte mechanische Kraftüber­ setzer hat ein langgestrecktes zylindrisches Gehäuse 10, dessen hinteres - in Fig. 1 linkes - Ende in einen Flanschring 12 eingeschraubt ist. Der Flanschring 12 ist mit einem kragenförmigen Ansatz in das überstehende Gehäu­ seende eines pneumatischen Kraftzylinders eingesetzt und mit Schrauben 16 an einem Klemmring 18 befestigt, der auf den Kraftzylinder 14 aufgeklemmt ist.

Das Gehäuse 10 des Kraftübersetzers enthält axial aufein­ anderfolgende Einsatzbüchsen 20, 22, 24, 26, die mit Hilfe des Flanschrings 12 gegen einen Federring 28 am vorderen Ende des Gehäuses 10 verspannt sind. Die Einsatzbüchsen 20, 22, 24 sind dünnwandig mit gleicher Wandstärke ausge­ bildet, während die vorderste Einsatzbüchse 26 ein dickwan­ diges Bauteil bildet und eine zylindrische Führungsbohrung für eine Abtriebseinheit 30 enthält, welche weiter unten näher erläutert wird. Die mittlere dünnwandige Hülse 22 trägt innenseitig eine als flaches Gewinde ausgebildete Längsverzahnung 32, die, wie aus Fig. 5 ersichtlich, Säge­ zahnprofil mit nach vorn, d. h. in den Fig. 1 und 5 nach rechts weisenden radialen Zahnflanken 34 aufweist. Die Ein­ satzbüchsen 20 und 24 sind demgegenüber glatt ausgebildet und weisen denselben Innendurchmesser wie die Zahnköpfe der Längsverzahnung 32 auf.

Hauptsächlich innerhalb der verzahnten Einsatzbüchse 22 ist ein hohlzylindrisches Stützteil in Gestalt einer dick­ wandigen Hülse 36 verschieblich, die in drei um 120° zuein­ ander versetzten radialen Schlitzen 38 je einen Sperrschie­ ber 40 verschieblich aufnimmt, deren teilzylindrische äuße­ re Endflächen Gegenverzahnungen zu der Längsverzahnung 32 tragen, die demgemäß ebenfalls Sägezahnprofil mit jedoch nach hinten weisenden radialen Zahnflanken besitzen. Die inneren Endflächen der Sperrschieber 40 sind in drei axial aufeinander folgende Abschnitte unterteilt, nämlich zwei äußere teilzylindrische Abschnitte 42, 44 mit gleicher Krümmung wie die Bohrung der Hülse 36 und einen diese ver­ bindende teilkonischen Abschnitt 46 mit der Folge, daß die teilzylindrischen Abschnitte 44 der Sperrschieber 40 in das Innere der Hülse 36 vorstehen, wenn die teilzylindri­ schen Abschnitte 42 bündig mit der Bohrungsoberfläche der Hülse 36 abschließen. In diese Stellung, in der sich die Verzahnungen an den äußeren Enden der Sperrschieber 40 außer Eingriff mit der Längsverzahnung 32 des Gehäuses 10 befinden, werden die Sperrschieber 40 durch einen O-Ring oder eine ringförmige Zugfeder 48 gedrückt, die in einer sich teils in der Hülse 36 und teils in den Sperrschiebern 40 ausgebildeten Ringnut mit Vorspannung aufgenommen ist.

Ein als langgestreckter und im Durchmesser mehrfach abge­ setzter zylindrischer Körper ausgebildetes Steuerelement 50 ist mit einem Endflansch 52 verschieblich in der ersten dünnwandigen Einsatzbüchse 20 geführt und nimmt in einer Gewindebohrung 54 einen Gewindeansatz 56 an der Kolben­ stange 58 des Kraftzylinders 14 auf. An dem Endflansch 52 des Steuerelements 50 schließt sich eine erste Zylinderflä­ che 60 an, deren vorderes Ende mit geringem Spiel in die Hülse 36 eingreift. Eine den freien Teil der Zylinderfläche 60 umschließende Schraubendruckfeder 62 ist mit Vorspannung zwischen den Endflansch 52 und die Hülse 36 eingespannt und ist bestrebt, den Endflansch 52 und die Hülse 36 auf einen solchen Abstand zu halten, daß die Zylinderfläche 60 nur bis zu den teilzylindrischen inneren Endflächenabschnitten 42 der Sperrschieber 40 reicht und diese unter der Wirkung der ringförmigen Zugfeder 48 ihre eingriffsfreie innere Endstellung einnehmen können.

Auf die erste Zylinderfläche 60 des Steuerelements 50 fol­ gen eine konische Übergangsfläche 64 von gleicher Gestalt und Länge wie die teilkonischen Flächenabschnitte 46 an den inneren Enden der Sperrschieber 40 und eine zweite Zy­ linderfläche 66 von entsprechend kleinerem Durchmesser, die das oben erwähnte Vorstehen der Flächenabschnitte 44 an den inneren Enden der Sperrschieber 40 in das Innere der Hülse 36 gestattet. Mit der zweiten Zylinderfläche 66 durchragt das Steuerelement 50 die Hülse 36 vollends und reicht nach weiterer zweifacher Verjüngung seines Durch­ messers mit einem zylindrischen Endteil 38 bis zum Abtriebs­ element 30.

Das Abtriebselement 30 besteht aus einem hohlzylindrischen ersten Teil 70, der die dickwandige Einsatzbuchse 26 mit Schiebesitz durchragt und mit einem Flansch 72 in der vorde­ ren dünnwandigen Einsatzbüchse 24 geführt ist, sowie einem ringförmigen zweiten Teil 74, der mit einem hülsenförmigen Ansatz 76 in das erweiterte Ende der Bohrung des ersten Teils 70 verschieblich eingreift. Der ringförmige zweite Teil 74 des Abtriebselements 30 hat eine unter Ausbildung einer Schulter 78 stufenförmig abgesetzte Bohrung, deren weiterer Teil 86 sich in dem hülsenförmigen Ansatz 76 fort­ setzt. Der engere Bohrungsteil 82 nimmt das Endteil 68 des Steuerelements 50 auf, an dessen Stirnende mit einer Schrau­ be 84 eine Anschlagscheibe 86 angeschraubt ist, die mit der Schulter 78 zusammenwirkt.

Die Hülse 36 und der Ringteil 74 des Abtriebselements 30 sind an axial paarweise gegenüberliegenden und um 180° in Umfangsrichtung versetzten Stellen mit Ausfräsungen 88, 90 versehen, die von Lagerbolzen 92, 94 durchsetzt sind. An den Lagerbolzen 92, 94 sind die äußeren Enden zweier Kniehebel 96 gelagert, die in einer gemeinsamen Axialebene gegeneinander bis zur Anlage ihrer Kniegelenke gegen das Steuerelement 50 einzuknicken vermögen.

In der dargestellten Ausgangs- oder Ruhestellung des Kraft­ verstärkers drückt die Schraubendruckfeder 62 die Hülse 36 weg vom Endflansch 52 des Steuerelements 50, das mit der Anschlagscheibe 36 den Ringteil 34 des Abtriebselements 30 festhält, und bewirkt dadurch ein Einknicken der Knie­ hebel 96 bis zum Anschlag gegen den zylindrischen Endteil 68 des Steuerlements 50. Mit Axialabstand zu dieser An­ schlagstelle trägt das Steuerelement 50 zwei einander gegen­ überliegende Schrägflächen 98 (von denen in Fig. 1 wegen der Abknickung der Schnittebene nur eine zu sehen ist), durch welche die Kniehebel 96 beim Verschieben des Steuer­ elements 50 in Streckrichtung beaufschlagbar sind.

Die beiden Teile 70, 74 des Abtriebselements 30 sind durch vier Schraubendruckfedern 100 kraftschlüssig miteinander verbunden, die in paarweise am Umfang nebeneinander ange­ brachten Bohrungen des Ringteils 74 zwischen den Ausfräsun­ gen 90 eingesetzt sind und gegen den Flansch 72 des ersten Teils 70 des Abtriebselements 30 drücken. Die Druckfedern 100 durchsetzende Kopfschrauben 102 erstrecken sich mit ihren gewindefreien Schaftabschnitten verschieblich durch Bohrungen im Ringteil 74 und sind mit ihren Enden in Gewin­ delöcher des Flansches 72 eingedreht, wodurch der Verschie­ beweg zwischen den Teilen 70, 74 begrenzt wird und die Druckfedern 100 ständig vorgespannt sind. Die gesamte Vor­ spannung der Druckfedern 100 ist weitaus größer als die der Schraubendruckfeder 62 zwischen dem Endflansch 52 des Steuerelements 50 und der Hülse 36 bemessen.

Der beschriebene Kraftübersetzer arbeitet wie folgt:

Bei eingefahrenem Kraftzylinder 14 nehmen die einzelnen Teile des Kraftübersetzers die in Fig. 1 gezeigte Stellung ein, in welcher sich die Sperrschieber 40 außer Eingriff mit der Längsverzahnung 32 befinden und die Kniehebel 96 unter der Wirkung der Schraubendruckfeder 62 bis zur Anlage an den zylindrischen Endteil 68 des Steuerglieds 50 einge­ knickt sind.

Fährt nun die Kolbenstange 58 des Kraftzylinders 14 aus, ohne daß ein an das Abtriebselement 30 angeschlossenes Kraftübertragungsglied 104 auf einen Widerstand stößt, wer­ den die Schraubendruckfeder 62 und die Druckfedern 100 alle Teile innerhalb des Gehäuses 10 bzw. der Einsatzbüchsen 20 bis 26 in ihrer relativen Lage zueinander halten und als eine Einheit zusammen mit dem Kraftübertragungsglied 104 nach rechts verschieben.

Sobald das Kraftübertragungsglied 104 auf einen Widerstand trifft, werden der schaftförmige Teil 70 und, über die sehr steifen Druckfedern 100, auch der ringförmige Teil 74 des Abtriebselements 30 an einer Weiterbewegung gehindert. Gleichzeitig vermag sich aber auch die Hülse 36 nicht wei­ ter nach rechts zu bewegen, da die Kniehebel 96 nicht wei­ ter einknicken können. Dies hat zur Folge, daß die Schrau­ bendruckfeder 62 durch die Weiterbewegung des Steuerele­ ments 50 zusammengedrückt wird und das Steuerelement 50 mit der konischen Übergangsfläche 64 tiefer in die Hülse 36 eindringt. Hierbei erfaßt die Übergangsfläche 64 die Sperrschieber 40 und verschiebt diese radial nach außen in Eingriff mit der Längsverzahnung 32, wodurch die Hülse 36 im Gehäuse 10 festgelegt wird. Am Ende erreicht die erste Zylinderfläche 66 die teilzylindrischen Flächenab­ schnitte 44 der Sperrschieber 40 und sichert diese in der Eingriffsstellung innerhalb der Längsverzahnung 32, während sich das Steuerelement 50 weiter durch die Hülse 36 zu ver­ schieben vermag.

Bei dieser weiteren Verschiebung erreichen die Schrägflä­ chen 98 schießlich die Kniehebel 96 und drücken diese ra­ dial nach auswärts in Streckrichtung. Da die linken Enden der Kniehebel 96 an der durch den Zahneingriff am Gehäuse 10 festgelegten Hülse 36 nicht ausweichen können und der schaftförmige Teil 70 des Abtriebselements 30 durch den Widerstand abgefangen ist, führt die Auswärtsbewegung der Kniehebelgelenke zu einer Zusammenpressung der Federn 100, bis - noch vor Erreichen der Streckstellung der Kniehe­ bel - die beiden Teile 70 und 74 des Abtriebselements 30 unmittelbar aufeinandertreffen und von da an die volle Streckkraft der Kniehebel auf den Schaftteil 70 des Ab­ triebselements 30 übertragen wird. Es leuchtet ein, daß auf diese Weise eine Anpreßkraft gegen den Widerstand er­ halten wird, die ein vielfaches der vom Kraftzylinder 14 erzeugten pneumatischen Kraft ist.

Beim Einfahren des Kraftzylinders 14 laufen die geschilder­ ten Vorgänge in umgekehrter Reihenfolge ab, wobei am Ende die ringförmige Zugfeder 48 die Sperrschieber 40 wieder außer Eingriff mit der Längsverzahnung 32 bringt.

Claims (12)

1. Mechanischer Kraftübersetzer für einen pneumatischen Kraftzylinder, gekennzeichnet durch

• - ein mit seinem hinteren Ende gegen den Kraftzylinder (14) koaxial zu dessen Kolbenstange (58) abstützbares langgestrecktes Gehäuse (10) mit einer Längsverzah­ nung (32) im Inneren,
• - ein in dem Gehäuse (10) verschiebliches hohles Stütz­ teil (36) mit wenigstens einem in Eingriff mit der Längsverzahnung (32) beweglichen Sperrglied (40) zur axialen Festlegung des Stützteils (36) an dem Gehäuse (10),
• - ein das Stützteil (36) durchragendes langgestrecktes Steuerelement (50), das mit seinem hinteren Ende an der Kolbenstange (58) festlegbar ist,
• - eine Federanordnung (62) zur kraftschlüssigen Ver­ bindung des Stützteils (36) mit dem Steuerelement (50),
• - am Steuerelement (50) angeordnete erste Steuermittel (64), die beim Nachgeben der kraftschlüssigen Verbin­ dung das Sperrglied (40) in Eingriff mit der Längsver­ zahnung (32) bringen,
• - ein im vorderen Teil des Gehäuses (10) verschiebli­ ches Abtriebselement (30),
• - eine zwischen dem Stützteil (36) und dem Abtriebsele­ ment (30) angeordnete Kniehebeleinrichtung (96) und
• - an dem Steuerelement (50) angeordnete zweite Steuer­ mittel (98), von denen die Kniehebeleinrichtung (96) beim weiteren Nachgeben der kraftschlüssigen Verbin­ dung nach dem Eingriff des Sperrgliedes (40) in Streckrichtung beaufschlagbar ist.

2. Kraftübersetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) zylindrisch ausgebildet ist und das Stützteil von einer zylindrischen Hülse (36) gebildet ist, die mit radialen Schlitzen (38) zur verschieblichen Aufnahme von wenig­ stens zwei als Sperrschieber (40) ausgebildeten Sperr­ gliedern versehen ist.

3. Kraftübersetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Stützteil bildende Hülse (36) drei um 120° in Umfangsrichtung versetzte radiale Schlitze (38) für die Sperrschieber (40) enthält.

4. Kraftübersetzer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (36) und die Schieber (40) an den Außenseiten sich zu einer Ring­ nut ergänzende Umfangsnuten enthalten, in der eine mit ihren Enden zu einem geschlossenen Ring verbundene Zug­ feder (48) mit Vorspannung aufgenommen ist.

5. Kraftübersetzer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (50) ein im Durchmesser mehrfach abge­ setzter zylindrischer Körper ist, an welchem eine koni­ sche Übergangsfläche (64) die ersten Steuermittel bil­ det, und daß die inneren Endflächen der Sperrschieber (40) aus drei Teilflächen (42, 44, 46) bestehen, von denen die beiden äußeren (42, 44) teilzylindrisch und die mittlere (46) in Anpassung an die konische Über­ gangsfläche (64) des Steuerelements (40) teilkonisch ausgebildet ist.

6. Kraftübersetzer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (50) im hinteren Bereich einen Flansch (52) trägt und daß die Federanordnung aus einer das Steuerelement (50) koaxial umschließenden Schraubendruckfeder (62) be­ steht, die mit Vorspannung zwischen dem Flansch (52) und dem Stützteil (36) eingespannt ist.

7. Kraftübersetzer nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Kniehebeleinrichtung aus zwei in einer Längsmittel­ ebene des Kraftübersetzers gegeneinander einknickbaren Kniehebeln (96) besteht und die zweiten Steuermittel von diametral gegenüberliegenden Schrägflächen (98) am Steuerelement (50) gebildet sind.

8. Kraftübersetzer nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebselement (30) aus zwei in Verschieberich­ tung zueinander begrenzt beweglichen Teilen (70, 74) besteht, zwischen denen wenigstens eine Feder (100) von größerer Trennkraft als die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Stützteil (36) und dem Steuerelement (50) eingespannt ist, wobei die Kniehebeleinrichtung (96) an dem einen Teil (74) des Abtriebselements (30) angreift und das andere Teil (70) des Abtriebselements (30) aus dem Gehäuse herausragt.

9. Kraftübersetzer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (50) an seinem freien Ende einen Anschlag (86) trägt, mit welchem das Abtriebselement (30) in Einfahrrichtung der Kolbenstange (58) des Kraftzylinders (14) erfaß­ bar und mitnehnbar ist.

10. Kraftübersetzer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Teilen (70, 74) des Abtriebselements mehrere Schrauben­ druckfedern (100) eingespannt sind, durch welche sich Kopfbolzen erstrecken, die in dem einen Teil (70) des Abtriebselements (30) eingeschraubt sind und den ande­ ren Teil (74) verschieblich durchsetzen.

11. Kraftübersetzer nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsverzahnung (32) Sägezahnprofil mit nach vorn weisenden radialen Zahnflanken (34) aufweist und das Sperrglied bzw. die Sperrglieder (40) entsprechende Zähne mit nach hinten weisenden radialen Zahnflanken trägt bzw. tragen.

12. Kraftübersetzer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsverzahnung (32) an einer Einsatzbüchse (22) des Gehäuses (10) ange­ ordnet ist, die axial im Gehäuse (10) festgelegt ist.