DE4017086A1 - Doppel - plunger - antrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen doppelseitig wirkenden Hydraulik-Zylinder, welcher gegenüber den üblichen Versionen sich in zwei feststehende und in einer Fluchtung hintereinander angeordneten Plungerkolben gliedert, wobei über jeden Plungerkolben gleitgelagert die Halbseite eines geteilten Zylinders Aufnahme findet, aber durch einen Verbund ein zweifach gelagerter Zylinder vorliegt, der durch seine axiale Verschieblichkeit den Arbeits­ hub vollzieht. Diese Konstruktionsgestaltung erwirkt konstante Spaltbil­ dung zwischen Plungerkolben und den Zylinderlagerhülsen unabhängig vom hydraulischen Betriebsdruck, da praktisch kein Lagerbereich der durch die Plungerkolben angetriebenen doppelhälftigen Zylindereinheit einer lastab­ hängigen Aufweitung unterliegt und somit sowohl für eine vorteilhafte Zylinderlagerung bei annähernd konstanter Spalteinhaltung gegeben ist als auch bei auftretender Belastungsanspruchung Gleitlagerverkantung vermie­ den wird.

Diese Bauart eignet sich insbesondere für Hochdruckhydraulik von mehr als 1000 bar und ist für die Ausführungsformen Gleichgang- und Diffe­ rentialzylinder gleichermaßen nützlich.

Die Anwendung von immer höheren Drücken in Hydrauliksystemen führt zu verstärkten Problemen im Zylinderbau. Die Steigerung der Flüssigkeits­ drücke bedingt bei den geläufigen Belastungseinheiten immer dickwan­ digere Zylinderabmessungen, welche nicht nur aus Festigkeitsgründen, son­ dern auch bei konventioneller Bauart von ihrer druckabhängigen Aufdehnung notwendig sind. Diese elastischen Wandungsdeformationen des Zylinder­ rohres hat unerwünschte Spalterweiterungen zwischen dem abzudichtenden axial verschieblichen Kolben und dem umgebenden Zylinderrohr zur Folge.

Die Spaltvergrößerung bewirkt bei Flüssigkeitskolbenabdichtung durch reine Spaltwiderstandswirkung oder auch bei Einsatz spezieller Kolben­ dichtungen erhebliche Abdichtungsschwierigkeiten am Kolben, zumal in diesem Hochdruckbereich nicht selten eine Spaltvergrößerung um mehr als eine Zehnerpotenz gegenüber dem fertigungsgemäß vorgegebenen geringe­ ren Ursprungsspalt zunimmt.

Liegt zwischen Zylinderrohr und Kolben eine reine Spaltabdichtung vor, also eine Abdichtung ohne Verwendung von Dichtungselementen, so ver­ größern sich die Flüssigkeitsverluste am Spalt im Verhältnis der drit­ ten Potenz zur auftretenden Spaltweite. Zusätzlich wirkt sich der Ein­ satz von niederviskosen Medien, wie z. B. Wasser, auf die Leckverluste steigernd aus. Außerdem wird bei großer Spaltbildung die außermittige Verlagerung des Kolbens begünstigt, wodurch eine konzentrische Spalt­ bildung nicht mehr gegeben ist, und sich die Lecklage nochmals bis zum 2,5fachen des beim konzentrischen Spalt gegebenen Wertes ver­ vielfachen kann.

Die aufgezeigten physikalischen Erscheinungen verursachen unzulässige Leistungsverluste, die bei Hoch- und Höchstdruckhydrauliksystemen durch Energieumwandlung starke örtliche Aufheizungen im Kolbenbereich und damit gekoppelte Folgeschäden nicht ausschließen.

Wird zwischen Zylinderrohr und Kolben die Abdichtung mittels einer zu­ sätzlichen Kolbendichtung vorgenommen, so versagen in solchen Fällen regelmäßig herkömmliche Manschetten-, Stopfbuchsen-Dichtungen oder dergleichen, da bei der beschriebenen druckabhängigen Spalterweiterung eine ausreichende Abstützung der Dichtung nicht mehr vorliegt. Die Be­ gründung hierfür ist darin zu suchen, daß der zur Dichtung üblich ge­ hörende Stützring nur passend zum fertigungsgemäß vorhandenen engen Ursprungsspalt bemessen werden kann. Somit wandert im Zuge der Kolben­ bewegung das Dichtungsmaterial bei drastischer Spalterweiterung und da­ bei gleichzeitig herrschendem hohen Flüssigkeitsdruck in den Dichtungs­ spalt ein. Bei Druckabbau zieht sich das elastische Zylinderrohr wie­ der zusammen und zerquetscht die Kolbendichtung. Dieser Zerstörungs­ prozeß wird noch durch sich einklemmende Schmutzpartikel, welche im Zylinderrohr Längsriefen bilden, verschlimmert. Auch die Verschleiß­ bildung an Kolbenstangen und Zylinderbohrung durch zu starke Kanten­ pressung an den Führungsbuchsen wird durch unzulässige große Spalt­ bildung in gefährlicher Weise begünstigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier mittels einer zweckmäßi­ gen Problemlösung abzuhelfen, um präzis arbeitende Hydraulik-Zylinder mit oder ohne Verwendung von Gleitdichtungen bei geringer Leckkage, Vermeidung von Kolbenstangenverkantung, niedrigen Reibverlusten und beachtlicher Lebensdauer für den Einsatz in der allgemeinen Hydraulik, insbesondere bei Wasserbetrieb im Bereich der Hoch- und Höchstdruck­ hydraulik, zu schaffen. Darüber hinaus soll der Zylinderantrieb durch robusten und montagegünstigen Aufbau und wirtschaftlicher Fer­ tigung auszeichnen.

Diese Aufgabe löst die Erfindung bei einem gattungsgemäßen Hydraulik­ zylinder dadurch, daß zwei gegenläufige Plungerantriebe im Sinne eines Gleichgang- oder Differential-Zylinders wirken, indem die beiden Plungerkolben mit ihrer Rückseite gegeneinander zentrisch fluchtend in einem Querhaupt bzw. sonstigen dienlichen Bauteil aufgenommen und starr verbunden sind, wobei zu jeder Plungerstirnseite zum Zwecke des getrennten unabhängigen Druckmitteldurchsatzes Bohrungen führen. Über jeden der beiden Plungerkolben ist ein zylinderhälftiges Mantelrohr gestülpt, welches jeweils an seiner Frontseite über einen Gewindering mit Zentralbohrung zum Einspannen der Lagerbüchse mit Dichtungszube­ hör verfügt, und diese Lagerbüchse auf dem Plunger gleitet, während die Mantelrohrendseite einen flüssigkeitsdichtenden Deckelabschluß aufweist. Die einzelnen Mantelrohre sind wiederum mit Hilfe von mehre­ ren Zugstangen zu einer Einheit verbunden, indem die Zugstangen mit ihren endseitigen maßpräzisen Zapfen in die Paßbohrungen der Gewinde­ ringe fest eingefügt und fallweise verschraubt oder angeschweißt sind, wobei die Paßbohrungen zur Fluchtung der Lagerbüchsen sowohl exakt kreisförmig als auch planparallel um die Zentralbohrungen ihren Stand­ ort einnehmen. Zum freien Durchlaß der Zugstangen dienen großzügig be­ messene und funktionsgerechte verteilte Löcher, z. B. durch das Quer­ haupt oder anderen der Aufgabe "Plungerbefestigung" sich anbieten­ den Bauteilen.

Diese Maßnahmen der Erfindung bewirken zwischen Plungerkolben und der Zylinderlagerung, unabhängig von veränderlicher Flüssigkeitsbeauf­ schlagung, weitgehend die konstante Beibehaltung des ursprünglichen Lagerspaltes. Denn das Gleitlager liegt extrem weit von der größten Ausdehnung beim Atmen des zylinderhälftigen Mantelrohres entfernt und ist separat in einem eingeschraubten Gewindering gebettet, wo sich innerhalb des Gleitlagers der Flüssigkeitsdruck völlig abbaut, und die Restaufweitung des Gleitlagers bei entsprechender Plungeraufdehnung zonal kompensiert wird, was eine sinnvolle Auslegung des Bohrungs- Wandungs-Verhältnisses bei der Plungergestaltung voraussetzt. Ent­ scheidend zur Formstabilität der Gleitlager tragen auch die stabili­ sierenden Richtkräfte bei, welche von den in die Gewinderinge eingepaß­ ten Zugstangen ausgehen, was einer Verkantung der Gleitlager entgegen­ wirkt und die Fluchtung der Lager aufrechterhält. Ein bemerkenswertes charakteristisches Merkmal der Erfindung ist, daß die Lagerung der Zylindereinheit im Gegensatz zu den üblichen Gleichgang-Zylindern lediglich durch zwei Lagerstellen bewältigt wird und somit kein über­ bestimmtes System zustande kommt. Auch bleibt ihr Abstand nicht nur bei der Ausführungsform Gleichgang-, sondern auch Differentialzylinder unabhängig vom veränderlichen Arbeitshub beständig. Da die Führungsaufgabe allein den Plungerkolben mit zugehörigen Gleitlagern obliegt, entfällt eine kostspielige Bearbeitung der Zylindermantelrohre, hingegen stellt die Einbringung sämtlicher Paßbohrungen in die verhältnismäßig kurzen Gewinderinge einen unproblematischen Fertigungsaufwand dar.

Im folgenden wird die Erfindung anhand lediglich einer als Ausführungs­ beispiel darstellende Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Gleichgangzylinderanordnung für den erfindungsgemäßen "Doppel-Plunder-Antrieb", da sich die artgleiche Version eines Differentialantriebs nur durch unterschied­ liche Durchmesser der Plungerkolben unterscheidet.

Erläuterung zur zeichnerischen Darstellung

Das Prinzip von fest stationierten Plungern mit den darauf zum Antrieb verschieblich gleitenden zwei gekoppelten Zylinderhälften ist gegeben, indem der Plungerkolben (1) über einen Zentrierzapfen (1.1) verfügt, wel­ cher anschließend in Gewindezapfen (1.2) übergeht. Der Zentrierzapfen (1.1) findet seine Aufnahme in der Präzisionsbohrung (3.1) des als Basis feststehenden Bauteiles (3) und dient gleichzeitig zur Zentrierung des mit Paßbohrung (2.1) versehenen Plungerkolbens (2), wobei Plungerkolben (1) und (2) mittels Verschrauben von Gewindezapfen (1.2) in Gewindebohr­ ung (2.2) das fest stationierte Bauteil (3) zwangsmäßig einspannen, und so Plungerkolben (1), Bauteil (3) und Plungerkolben (2) einen ortsfesten Verbund bilden, in dem die Plungerkolben (1) und (2) gegeneinander präzis fluchten und durch Zwischenschaltung des Dichtungsringes (4) hermetisch verschlossen sind. Als Druckmittelanschlüsse dienen die im Bauteil (3) für eine jeweils separate Flüssigkeitsspeisung durch O-Ring (1.7) ab­ geschotteten und versetzt gegeneinander liegenden Bohrungen (3.2) und (3.3). Wird einerseits über Bohrung (3.2), Ringkanal (1.4), umfangs­ mäßigen Radialbohrungen (1.5) der im Plungerkolben (2) mittigen Bohrung (1.6) Fördermedium zugeführt, so kommt es durch Zunahme des Flüssigkeits­ volumens im allseits verschlossenen sowie gleitend gelagerten Mantelrohr (5) zum Antriebshub der kugelig gelagerten Druckplatte (10) und auf Grund der kraftübertragenden Zugstangen (8) über Gewindering (7.1) und (7.2) zu einem Synchronlauf des Mantelrohres (6), was eine Flüssigkeitsver­ drängung über die im Plungerkolben (1) mittig liegende Bohrung (1.8), umfangsgemäßen Radialbohrungen (1.9), Ringkanal (1.10) in die Bohrung (3.3) des Bauteils (3) ergibt, weil auch das Mantelrohr (6) identisch verschlossen und gleitend gelagert ist. Die entgegengesetzte Durch­ flutungsrichtung bewirkt eine Umkehr der Antriebsrichtung und damit den Rückzugshub der Druckplatte (10). Äußerlich ist der Abschluß am Mantel­ rohr (5) durch Dichtung (5.1), Deckel (5.2) und Schrauben (5.3) analog am Mantelrohr (6) durch Dichtung (6.1), Deckel (6.2) und Schrauben (6.3) bewerkstelligt. Stirnseitig am Mantelrohr (5) befindet sich in seiner Gewindebohrung (5.4) der Gewindering (7.1) und am baugleichen Mantel­ rohr (6) in seiner Gewindebohrung (6.3) der Gewindering (7.2).

Dem eingeschraubten Gewindering (7.1) bzw. (7.2) fällt jeweils die Aufgabe zu, mittels Paßbohrungen (7.13) bzw. (7.23) planparallel und paßgenau sowohl die Gleitlager (7.3) und (7.4) mit zugehörigen Dich­ tungen (7.31) und (7.41) beiderseits in ihrer Mittellage fluchtend einzubetten und gegen Mantelrohr (5) bzw. (6) zu spannen, wobei Gleit­ lager (7.4) auf Plungerkolben (2) sowie Gleitlager (7.3) auf Plunger­ kolben (1) richtungsstabil geführt ist, als auch mehrere um diese Gleitlagerungen in kreisförmiger Lage befindlichen Zugstangen (8) mit ihren Zapfen (8.1) und (8.2) festsitzend in Paßbohrungen (7.13) und (7.23) und zur Zugkraft-Übertragung mit Gewindering (7.1) verschweißt und Gewindering (7.2) mit Hilfe der Muttern (7.5) montagegerecht verschraubt ihre Aufnahme finden. Auf diese Weise bilden die Teile (7.1) bis (8.2) einen steifen, mit den Gleitlagern (7.3) und (7.4) versehenen, auf den Plunger (1) und (2) verschieblichen und die Mantel­ rohre (5) und (6) verbindenden Rahmen, welcher einer Verkantung der Gleitlager (7.3) und (7.4) entgegenwirkt. Auch bleibt die vom Flüs­ sigkeitsdruckwechsel verursachte Atmung der Mantelrohre (5) und (6) an ihrer formstabilsten Stirnseite, nämlich dort, wo die Gleitlager (7.3) und (7.4) separat in den Gewinderingen (7.2) und (7.1) unter­ gebracht sind, fast ohne Einfluß, so daß der ursprüngliche Lager­ spalt bei den jeweils wechselnden Betriebsverhältnissen praktisch konstant bleibt, zumal ein Kompensationseffekt zwischen Restauf­ weitung innerhalb der Gleitlagerzone und einer örtlich geringen Plungerkolben­ aufweitung durch innere Beaufschlagung des Druckmediums erkennbar ist. Auch die vermindernde Fähigkeit der Verformungs­ übertragung zwischen Mantelrohr (5); (6) und Gewindering (7.1); (7.2) begünstigt die Formstabilität der Gleitlager (7.4); (7.3). Schließ­ lich sei vermerkt, daß der kopfseitige Einbau von bekannten Endlagen­ dämpfungen in die Räume (V.1); (V.2) der Plungerkolben (1); (2) zur gedämpften Hubbegrenzung sich anbietet.

Claims (2)

1. Formstabile doppelseitige Plungerkolbenführung für hubausführenden doppelhälftigen Hydraulik-Zylinder, insbesondere Hochdruckhydraulik- Zylinder, zur axialen Gleitlagerung bei gleichzeitiger Druckflüssig­ keitsabdichtung durch reine Spaltwirkung oder Anwendung geeigneter Dichtungselemente, dadurch gekennzeichnet, daß Plungerkolben (1) über Zentrierzapfen (1.1) sowohl in Paßbohrung (3.1) des ortsfesten Bauteils (3) als auch über Dichtungsring (4) in Paßbohrung (2.1) des Plungerkolbens (2) gleichsam fluchtend fest einliegt, und Plungerkolben (1) mit seinem Gewindezapfen (1.2) in Gewindebohrung (2.2) des Plungerkolbens (2) eingeschraubt ist, wodurch Plungerkolben (1), stationäres Bauteil (3) und Plungerkolben (2) einen ortsfesten Ver­ bund bildet.
Durch den in Gewindebohrung (5.4) des Mantelrohres (5) eingeschraub­ ten Gewindering (7.1) ist in der mittigen Präzisionsbohrung (7.11) das Gleitlager (7.4) mit zugehörigen schmiegsamen Dichtungen (7.41) ein­ gebettet, indem es auf Plungerkolben (2) axial frei verschieblich, aber zwischen vorkragender Stirnfläche (7.12) des Gewinderinges (7.1) und Ansenkungsfläche (5.01) des Mantelrohres (5) eingespannt gehalten ist. Gleichfalls nimmt der in Gewindebohrung (6.4) des Mantelrohres (6) eingeschraubte Gewindering (7.2) mit der mittigen Präzisions­ bohrung (7.21) das Gleitlager (7.3) mit zugehörigen schmiegsamen Dich­ tungen (7.31) einbettend auf, indem es auf Plungerkolben (1) axial frei verschieblich aber zwischen vorkragender Stirnfläche (7.22) des Gewinderinges (7.2) und Ansenkungsfläche (6.01) des Mantelrohres (6) eingespannt gehalten ist.
Die Gewinderinge (7.1) sowie (7.2) sind baugleich, so daß nicht nur die mittigen Präzisionsbohrungen (7.11) und (7.21), sondern auch diese kreisumfangsmäßig und planparallel umgebenden Paßbohrungen (7.13) und (7.23) Deckungsgleichheit aufweisen, dabei ist Anzahl und Lage der Paßbohrun­ gen (7.13) oder der deckungsgleichen Paßbohrung (7.23) allein ab­ hängig von der Stückzahl und geometrischen Verteilung der Zugstan­ gen (8), welche auf diese Weise parallel und fluchtend zu den Gleit­ lagern (7.3) bzw. (7.4) verlaufen, da die Zugstangenzapfen (8.1) bzw. (8.2) in den zugeordneten Paßbohrungen (7.13) bzw. (7.23) festsitzend aufgenommen sind und die kraftübertragende Verbindung über die ver­ formungssteifen Zugstangen (8) einerseits durch Verschweißung mit Gewindering (7.1) und andererseits anhand der Verschraubung mittels Mutter (7.5) auf Gewindering (7.2) bewerkstelligt ist.
Die ungehinderte Passage der Zugstangen (8) durch das stationäre Bau­ teil (3) ist durch die dafür vorgesehenen Löcher (3.4) sichergestellt.
Die Komplettierung zu Zylinderhälften ist verwirklicht durch den flüssigkeitsdichten Abschluß am Mantelrohr (5) mittels Dichtung (5.1), Deckel (5.2) und Schrauben (5.3) sowie am Mantelrohr (6) durch Dich­ tung (6.1), Deckel (6.2) und Schrauben (6.3). Die separierte durch O-Ring (1.7) abgeschottete Flüssigkeitsspeisung besteht einerseits vom Druckanschluß (3.2) über Ringkanal (1.4), umfangsmäßigen Radial­ bohrungen (1.5), mittiger Plungerkolbenbohrung (1.6) zum allseitig verschlossenen Innenraum des Mantelrohres (5) dazu andererseits vom Druckanschluß (3.3) über Ringkanal (1.10), umfangmäßigen Radial­ bohrungen (1.9), mittiger Plungerkolbenbohrung (1.8) zum allseitig verschlossenen Innenraum des Mantelrohres (6).

2. Formstabile doppelseitige Plungerkolbenführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kopfseitige Plungerkolbenraum (V1) und (V2) zum Einbau von Endlagendämpfungs-Vorrichtungen beliebiger Bauart vorhanden ist.