DE4141460A1 - Druckmittelbetriebener arbeitszylinder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen druckmittelbetriebenen Arbeitszylinder mit Arbeitskolben und einer rohrförmigen mindestens einseitig aus dem Arbeitszylinder herausgeführten Kolbenstange, einer sich in die Kolbenstange hineinerstreckenden drehbaren und in axiale Richtung bezüglich des Arbeitszylinders fixierten Gewindespindel, sowie einem auf der Gewindespindel laufenden mit dem Arbeitskolben verbundenen Kugelgewindekörper.

Ein Arbeitszylinder der gattungsgemäßen Art ist aus der DE-OS 33 11 307 bekannt. Hierbei ist ein Arbeitszylinder dargestellt, bei dem eine rohrförmige Kolbenstange einseitig aus dem Arbeitszylinder herausgeführt ist. Innerhalb der Kolbenstange, d. h. in die Kolbenstange hineinerstreckend ist eine drehbare Gewindespindel angeordnet, die an dem Ende des Arbeitszylinders mit demselben axial fixiert ist, die der Seite, an der die Kolbenstange herausgeführt ist, gegenüberliegt. Der Arbeitskolben ist dabei mit einem auf der Gewindespindel laufenden Kugelgewindekörper versehen. Eine solche Anordnung gestattet ein extrem reibungsarmes Laufen des Kugelgewindekörpers auf der Gewindespindel. Die Kolbenstange ist hierbei mit dem Arbeitskolben über eine Schraubverbindung direkt verbunden. Des weiteren ist dieser bekannte Druckmittelbetriebene Arbeitszylinder mit einer auf die Spindel einwirkenden Bremseinrichtung versehen. Diese Bremseinrichtung gestattet es, die Kolbenstange in einer momentanen Ausfahrposition zu fixieren. Dies ist besonders dann wichtig, wenn über den Arbeitszylinder Lasten angehoben oder abgesenkt werden, die während des Heb- oder Absenkvorganges mindestens kurzzeitig gehalten werden müssen. Nachteilig ist bei diesen bekannten druckmittelbetriebenen Arbeitszylinder, daß das kurzzeitige Festhalten der Kolbenstange indirekt über die Bremseinrichtung relativ aufwendig ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Aufgabe, einen druckmittelbetriebenen Arbeitszylinder der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß ein Festhalten der Kolbenstange bzw. der Gewindespindel in einer angefahrenen Position mit einfachen Mitteln möglich ist.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem druckmittelbetriebenen Arbeitszylinder der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß die Kolbenstange über die Spindel mit einfachen Mitteln ohne separate Bremseinrichtung festgesetzt werden kann. Das heißt, daß die Betätigung der Kolbenstangenbremsung bzw. -festsetzung durch die Verhältnisse von Lastkraft und Kolbenvorschubkraft betätigt wird. Dabei ist der erfindungsgemäß vorgeschlagene druckmittelbetriebene Arbeitszylinder so ausgestaltet, daß beispielsweise beim ungewollten Druckabfall durch Leitungsbruch etc. die Kolbenstange in selbstsichernder Weise sofort in die Blockierung fährt. Damit ist zudem eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet. Die Nachordnung eines Gleitgewindekörpers hinter den Kugelgewindekörper hat in Verbindung mit der vorteilhaften Ausgestaltung, daß die Gewindesteigungen Selbsthemmung bewirkt, die Funktion, daß bei einer Nichtbeaufschlagung des Kolbens die Kolbenstange über den Gleitgewindekörper an einer axialen Bewegung durch Selbsthemmung gehindert wird. Erst wenn der Kolben entsprechend druckbeaufschlagt wird und die damit erzeugte Axialverschiebung des Kugelgewindekörpers eine Drehung der Spindel bewirkt, wird durch Drehung der Spindel wiederum eine Drehung und damit eine Axialverschiebung des mit der Kolbenstange verbundenen Gleitgewindekörpers bewirkt. Damit sich der Gleitgewindekörper und der Kugelgewindekörper nicht gegeneinander drehen lassen und eine Blockierung somit verhindert ist, wird über die Mitnehmerelemente ein gleichzeitiges gleichsinniges Drehen von Gleit- und Kugelgewindekörper bewirkt. Dabei sind in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung die Mitnehmerelemente sowie die Bohrungen zur Aufnahme der Mitnehmerelemente an den Stirnseiten der einander zugewandten Flächen von Kugelgewinde- und Gleitgewindekörper so dimensioniert, daß stets ein Luftspalt zwischen Gleitgewindekörper und Kugelgewindekörper existiert. Dieser Luftspalt garantiert, daß eine Verspannung zwischen Gleitgewindekörper und Kugelgewindekörper verhindert wird und die gesamte Anordnung somit im Zustand der Druckmittelbeaufschlagung des Arbeitskolbens axial relativ leicht verschiebbar ist. Bei Druckmittelabfall, d. h. bei Nichtbeaufschlagung des Arbeitskolbens wird auch die Gewindespindel nicht mehr über den Kugelgewindekörper gedreht, so daß in diesem Zustand der Gleitgewindekörper in Aktion tritt und in die Selbsthemmungehung fährt. Die Kolbenstange ist so festgesetzt.

Die Anordnung eines zweiten Arbeitskolbens innerhalb des Arbeitszylinders, der dann mit dem Gleitgewindekörper gekoppelt und mit der rohrförmigen Kolbenstange verbunden ist, hat die Funktion, daß die Lastbremsung bzw. -hemmung nur in einer Richtung wirkend ist.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im nachfolgenden näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 Arbeitszylinder mit Kugelgewinde und Gleitgewindekörper,

Fig. 2 Anordnung von zwei Arbeitskolben innerhalb eines Arbeitszylinders.

Fig. 1 zeigt einen Arbeitszylinder 30, der beidseitig mit Zylinderdeckeln 5 und 5′ verschlossen ist. Durch den Zylinderdeckel 5′ wird die Kolbenstange 6 abgedichtet nach außen geführt. Die Kolbenstange 6 ist dabei hohl ausgeführt, wobei sich in ihr Inneres eine Gewindespindel 1 hineinerstreckt. Diese Gewindespindel 1 ist am gegenüberliegenden Ende des Arbeitszylinders im Zylinderdeckel 5 befestigt. Dabei ist innerhalb des Zylinderdeckels 5 ein Kugellager 4 angeordnet, über welches die Gewindespindel 1 drehbar jedoch axial fixiert ist. Auf der Spindel laufend ist ein Kugelgewindekörper 2 angeordnet, der mit dem Kolben 10 verbunden ist. Axial nachgeschaltet ist auf der Gewindespindel 1 ein Gleitgewindekörper 3 angeordnet, der mit der Kolbenstange 6 verbunden ist. Gleitgewindekörper 3 und Kugelgewindekörper 2 sind über Mitnehmerelemente 20 gekoppelt. Diese Mitnehmerelemente 20 sind in Bohrungen 21 eingelegt, die an den sich einander gegenüberliegenden Seiten 2′, 3′ von Gleitgewindekörper 3 und Kugelgewindekörper 2 angeordnet sind. Die Dimensionierung dieser Bohrungen 21 und der Mitnehmerelemente 20 sind so gewählt, daß im montierten Zustand sich ein Luftspalt zwischen den einander zugewandten Seiten 2′ und 3′ von Kugelgewinde- und Gleitgewindekörper ergibt. Wird nun der Kolben 10 von der Seite des Zylinderdeckels 5 druckbeaufschlagt, so erfährt der Kolben 10 eine axiale Verschiebekraft. Diese axiale Verschiebekraft wirkt sich auch auf dem mit dem Kolben 10 verbundenen Kugelgewindekörper 2 aus, so daß sich eine Drehung der Spindel ergibt. Über die Mitnehmerelemente 20 wird der Gleitgewindekörper 3 mitgenommen, so daß auch der Gleitgewindekörper 3 auf dem Spindelgewinde 1′ abwärts läuft. Diese Bewegung wird über die Verbindung der Kolbenstange 6 mit dem Gleitgewindekörper 3 auf die Kolbenstange 6 übertragen und nach außen abgreifbar geführt. Die Kolbenstange 6 ist außen mit einer Last verbunden, die während der besagten Druckbeaufschlagung auch entsprechend bewegt wird. Wenn man vorgibt, daß der Arbeitszylinder in der dargestellten Weise eingebaut ist und eine an der Kolbenstange 6 entsprechend nach unten wirkende Last angreift, so wird diese Last entsprechend der oben ausgeführten Druckbeaufschlagung nach unten bewegt. Wird der Arbeitszylinder nun wieder entlüftet, so wirkt sich auch auf den Kolben 10 keine axiale Verschiebekraft mehr aus. Mit dem Fehlen der axialen Verschiebungskraft am Kolben 10 entfällt auch die Drehung der Gewindespindel 1 durch den Kugelgewindekörper 2. Die Steigung des Spindelgewindes 1′ sowie des entsprechend komplementären Gewindes des Gleitgewindekörpers 3 ist so gewählt, daß der Gleitgewindekörper nun in die Selbsthemmung fährt. Das heißt, die an der Kolbenstange 6 angreifende Last nach unten wird nun in dieser momentanen Position festgehalten. Wird nun der Kolben erneut druckbeaufschlagt, d. h. von der Zylinderdeckelseite 5 oder 5′, so wird in der oben angegebenen Weise wieder eine Verschiebekraft und damit eine Drehung der Gewindespindel 1 über den Kugelgewindekörper 2 bewirkt, die dann die Selbsthemmung des Gleitgewindekörpers 3 wieder aufhebt, indem die Gewindespindel verdreht wird. Die Funktionstüchtigkeit dieses Systems liegt ausschließlich darin begründet, daß der Kugelgewindekörper 2 und der Gleitgewindekörper 3 mit unterschiedlichen Reibungskräften auf der Spindel laufen. Durch die Anordnung von Kugeln innerhalb des Kugelgewindekörpers 2 wird die axiale Bewegung des Kolbens und des Kugelgewindekörpers 2 sehr leicht in eine Drehbewegung der Spindel umgesetzt, da die Reibung extrem klein ist. Der Gleitgewindekörper 3 ist jedoch nur mit einem dem Spindelgewinde 1′ komplementären Gewinde ausgestattet, welches auf dem Spindelgewinde 1′ mit Gleitreibungswirkung abläuft. Die Gleitreibung des Gleitgewindekörpers 3 ist dabei erheblich höher als die Rollreibung des Kugelgewindekörpers 2. Somit ist erreicht, daß beim Fehlen einer axialen Verschiebekraft auf den Kolben 10 durch Druckbeaufschlagung keine Drehung der Gewindespindel 1 über den Kugelgewindekörper 2 erfolgt. Das heißt, in diesem Zustand befindet sich der mit der Kolbenstange 6 verbundene Gleitgewindekörper in der Selbsthemmung. Diese Selbsthemmung wird immer dann aufgehoben, wenn auf den Kolben 10 durch Druckbeaufschlagung wieder eine axiale Verschiebekraft wirkt, die eine Verdrehung der Gewindespindel über den Kugelgewindekörper 2 bewirkt. Zwischen Kugelgewindekörper 2 und Gleitgewindekörper 3 ist eine Dichtung 7 angeordnet, die die beiden durch den Arbeitskolben 10 voneinander getrennten Zylinderraumabschnitte gegeneinander abdichtet.

Fig. 2 zeigt die Anordnung mit zwei Arbeitskolben 10, 12. Auch hierbei ist ein Kugelgewindekörper 2 auf der Spindel laufend angeordnet und mit dem Kolben 10 verbunden. Der zweite, also zusätzliche Kolben 12 ist dabei mit dem axial nachgeordneten Gleitgewindekörper 3 verbunden. Der Kolben 12 ist mit einer Öffnung 13 versehen, in die die Kolbenstange 6 hineinragt und mit dem Kolben 12 befestigt ist. Die Verbindung zwischen dem Kolben 12 und dem Gleitgewindekörper 3 ist dabei so gewählt, daß die Verbindungselemente 8 vom Kolben 12 in axialer Richtung durch den gesamten Gleitgewindekörper hindurchreichen, über den Luftspalt zwischen Kugelgewinde- und Gleitgewindekörper hinaus bis in den Kugelgewindekörper 2 hinein. Somit dienen diese Verbindungselemente 8 gleichzeitig als Mitnehmerelemente zwischen Kugelgewindekörper 2 und Gleitgewindekörper 3. Eine solche Anordnung mit quasi zwei Arbeitskolben dient zur Festsetzung der Kolbenstange bei einseitiger Lastrichtung. Soll also bei senkrecht arbeitenden Zylindern verhindert werden, daß bei Druckmittelausfall die Kolbenstange aufgrund des Eigengewichtes der Last ausfährt, wie es zum Beispiel bei Pressenzylindern mit schwerem Werkzeug der Fall ist, so genügt eine einseitig wirkende Hemmung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Im drucklosen Zustand hängt die Last dann auf dem Gleitgewindekörper 3, da dieser sich in Selbsthemmung befindet. Soll die Last nach unten verfahren werden, so muß der Raum über den Arbeitszylinder 10 mit Druck beaufschlagt werden. Die dadurch erzeugte Kraft wirkt auf den Kugelgewindekörper 2, verdreht die Spindel 1 und schraubt die Last nach unten. Beim Aufsetzen der Last und damit Umkehr der Lastrichtung, stützen sich die ebenfalls als Mitnehmerelemente wirkenden Verbindungselemente 8 in den Bohrungen 21 des Kugelgewindekörpers 2 auf dem Kugelgewindekörper ab, und die volle Zylinderkraft wirkt auf die Last ein. Das heißt, die Spindel 1 läuft leer mit. Dem Verbindungselement kommt somit also nicht nur die Funktion der Mitnehmerelemente sowie der Verbindung des zweiten Kolbens 12 mit der gesamten Kolbenanordnung zu, sondern sie bewirken durch die dargestellte Abstützung bei einer Kraftwirkung nach oben die Verdrehung der Spindel über eine Axialverschiebekraft auf den Kugelgewindekörper 2. Die Verdrehung der Spindel hat damit auch wieder die axiale Verschiebung des Gleitgewindekörpers 3 und damit der Kolbenstange 6 zur Folge. Das heißt, die Hemmung bzw. Selbstsicherung bei fehlender Druckbeaufschlagung wirkt hierbei nur in einer Richtung, das heißt nach unten. Beim Heben der Last wird der Raum von der Zylinderdeckelseite 5′ belüftet, das heißt mit Druck beaufschlagt. Dabei wird die Last mit voller Zylinderkraft gehoben, wobei sich die Verbindungselemente 8 wie oben bereits gesagt, auf dem Kugelgewindekörperabstützen, und so die Spindel unbelastet dreht und die Kolbenstange in die neue Position verfährt. Das Heben geschieht somit bei hohem Wirkungsgrad. Wird der Raum von der Zylinderdeckelseite 5′ wieder entlüftet, so wird die Last über die Verbindungselemente wieder auf dem Gleitgewindekörper 3 abgesetzt, der in Selbsthemmung dann die Bewegung der Kolbenstange 6 sperrt.

Insgesamt ergibt sich hierbei, daß eine Verdrehsicherung der Kolbenstange nicht erforderlich ist. Dies liegt in den Reibungsverhältnissen sämtlicher beweglichen Teile innerhalb des Arbeitszylinders begründet.

Claims (6)

1. Druckmittelbetriebener Arbeitszylinder mit Arbeitskolben und einer rohrförmigen mindestens einseitig aus dem Arbeitszylinder herausgeführten Kolbenstange, einer sich in die Kolbenstange hineinerstreckende drehbare und in axialer Richtung bezüglich des Arbeitszylinders fixierte Gewindespindel, sowie einem auf der Gewindespindel laufenden mit dem Arbeitskolben verbundenen Kugelgewindekörper, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kugelgewindekörper (2) auf der Gewindespindel (1) ein Gleitgewindekörper (3) axial nachgeordnet ist, und daß der Gleitgewindekörper (3) mit der Kolbenstange (6) verbunden und mit dem Kugelgewindekörper (2) über Mitnehmerelemente koppelbar ist.

2. Druckmittelbetriebener Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spindelgewinde (1′) mit einer bezüglich des Gleitgewindekörpers (3) Selbsthemmung bewirkender Gewindesteigung versehen ist.

3. Druckmittelbetriebener Arbeitszylinder nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnehmerelemente (20) aus Stiften bestehen und daß der Gleitgewindekörper (3) und der Kugelgewindekörper (2) an den sich einander zugewandten Seiten (3′, 2′) mit entsprechenden die Mitnehmerelemente (20) aufnehmenden Bohrungen (21) versehen sind.

4. Druckmittelbetriebener Arbeitszylinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnehmerelemente (20) und die Bohrungen (21) so dimensioniert sind, daß im montierten Zustand der Gleitgewindekörper (3) vom Kugelgewindekörper (2) auf der Gewindespindel (1) stets über einen Luftspalt beabstandet ist.

5. Druckmittelbetriebener Arbeitszylinder nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitgewindekörper (3) mit einem zweiten Arbeitskolben (12) über Verbindungselemente (8) verbindbar ist.

6. Druckmittelbetriebener Arbeitszylinder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Arbeitskolben (12) mit einer die Kolbenstange (6) aufnehmenden und die Gewindespindel (1) hindurchlassenden zentrischen Öffnung (13) versehen ist und daß sich die Verbindungselemente (8) durch den Gleitgewindekörper (3) hindurch- und in den Kugelgewindekörper (2) derart hineinerstrecken, daß sie gleichzeitig die Funktion der Mitnehmerelemente aufweisen.