DE4217164C2 - Arbeitszylinder mit Brems- oder/und Klemmeinrichtung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Arbeitszylinder mit einer Brems- oder/und Klemmeinrichtung nach der Gattung des Hauptan­ spruchs. Ein derartiger Arbeitszylinder ist beispielsweise in der DE 39 31 014 A1 beschrieben. Auf die Kolbenstange des Arbeitszylin­ ders wirken Klemmelemente, die an einem koaxial angeordneten Träger angebracht sind und in radialer Richtung bewegbar sind. Die Klemm­ elemente werden über Wälzkörper und eine Betätigungshülse zur Anlage an die Kolbenstange gebracht, indem ein Ringkolben die Betätigungs­ hülse in axialer Richtung verschiebt. Dieser Ringkolben begrenzt eine Druckkammer am Boden des Arbeitszylinders, die mit einem Steuerdruck (Brems- bzw. Klemmdruck) beaufschlagt wird. Ein der­ artiger Arbeitszylinder hat den Nachteil, daß zur Betätigung der Brems- oder Klemmeinrichtung eine Steuerdruckversorgung zusätzlich zur Arbeitsdruckversorgung des Arbeitszylinders erforderlich ist. Die Klemmeinrichtung ist ortsfest und an eine bestimmte Einbau­ stellung im Arbeitszylinder gebunden und beansprucht einen nicht unerheblichen Einbauraum. Darüberhinaus wirken die Klemmelemente auf die Kolbenstange mit ihrem relativ geringen Durchmesser, so daß die Klemmwirkung auch bei hoher Fertigungsgenauigkeit oftmals nur gering ist. Weiterhin kann die Kolbenstange an ihrer Oberfläche durch die einwirkenden Klemmelemente beschädigt werden, wodurch die Dichtheit des Arbeitszylinders an der Durchtrittsstelle der Kolbenstange beeinträchtigt wird. Rauheit der Kolbenstange führt selbst bei geringem Ausmaß zu einem hohen Verschleiß der Stangendichtung, so daß die Lebensdauer des Arbeitszylinders verringert wird.

Die gattungsgemäße Druckschrift US 3,320,862 offenbart einen Arbeitszylinder, der mit seiner Klemmeinrichtung eine besondere Sicherheitsfunktion erfüllen soll. Demnach soll beim Ausfahren der Kolbenstange und dabei auftretendem, nachgiebigem Widerstand der Klemmring radial angepaßt werden, wonach dann der Kolben mit der Kolbenstange nur noch einen kleinen Resthub ausführen kann, bedingt durch die hierfür vorgesehene Tellerfeder. Auf diese Weise soll zum Beispiel eine Verletzungsgefahr einer menschlichen Hand vermieden werden, die in den Arbeitsbereich gelangt. Zu diesem Zweck ist beim Arbeitszylinder im Abstand vom Kolben, der die eigentlichen Druckräume beiderseits des Kolbens voneinander trennt, an der Kolbenstange ein Becherglied befestigt, in dem der Betätigungsdruckraum angeordnet ist und vom Betätigungskolben begrenzt wird. An einem Klemmring liegt ein Abstandsring und daran die Tellerfeder an, an der sich erst der Kolben abstützt, so dass der Kolben bei blockierendem Klemmring noch einen Resthub ausführen kann, bevor er gegen den Anschlag fährt. Die Kolbenstange kann also erst verspätet bzw. verzögert zum Stillstand kommen, was in vielen Anwendungsfällen unerwünscht ist. Zudem kommt es dabei zu Stoßbelastungen und Geräuschen, da mehrere Bauelemente aufeinandergepreßt werden, wenn die Klemmeinrichtung wirksam wird. Ferner muß bei dieser Klemmeinrichtung die Kolbenstange abschnittsweise hohl ausgebildet werden, um die Druckübertragung zu gewährleisten, wodurch sich der Bauaufwand des Arbeitszylinders erhöht.

Die US 3,320,862 offenbart einen Arbeitszylinder, dessen Kolben nicht fest, sondern vielmehr axial beweglich auf der Kolbenstange angeordnet ist. Die Klemmeinrichtung wird hier über eine mechanische Hebelübersetzung und damit auf eine andere Weise betätigt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Arbeitszylinder mit einer Brems- oder/und Klemmeinrichtung hat demgegenüber den Vorteil, daß die Klemmeinrichtung ohne separate Steuerdruckversorgung auskommt und in Abhängigkeit vom Arbeitsdruck im Arbeitszylinder angesteuert wird. Die Klemmeinrichtung beansprucht nur einen geringen Einbauraum. Darüberhinaus hat sie keinen Einfluß auf die Beschaffenheit der Oberfläche der Kolbenstange, so daß kein Druckmittel aus dem Arbeitszylinder austreten kann.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt einen Schnitt in axialer Richtung durch einen nur teilweise dargestellten Arbeitszylinder.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Zeichnung ist mit 10 ein nur teilweise dargestellter Arbeitszylinder bezeichnet, der als Differentialzylinder ein hohlzylindrisches Gehäuse 11 und einen Kolben 12 mit Kolbenstange 13 aufweist. Der Kolben 12 trennt zwei Druckräume voneinander, einen Arbeitsdruckraum 14 an der großen wirksamen Kolbenseite und einen Ringraum 15 auf der gegenüberliegenden Seite.

Das im Inneren des Gehäuses 11 angeordnete Ende der Kolbenstange 13 ist als Abschnitt 16 geringeren Durchmessers ausgebildet, so daß am Übergang eine umlaufende Schulter 17 verläuft. Der Kolben 12 ist auf diesen Abschnitt 16 geringeren Durchmessers aufgesetzt und besteht aus zwei spiegelsymmetrischen Hohlzylinderelementen 18 und 18A, die mit ihren Stirnseiten 19 und 19A aneinanderliegen. Jedes der Hohl­ zylinderelemente 18, 18A hat von seiner Stirnseite 19, 19A ausgehend einen flachen Abschnitt 20, 20A, dessen Durchmesser etwas geringer als der Innendurchmesser des Gehäuses 11 ist. An den Abschnitt 20, 20A schließt sich eine umlaufende Ringnut 21, 21A an, die einen Kolbendichtring 22, 22A aufnimmt. An diese Ringnut 21, 21A schließt sich ein Zylinderabschnitt 23, 23A an, dessen Durchmesser etwas geringer ist als der des Abschnittes 20, 20A. Daran schließt sich ein Endabschnitt 24, 24A mit nochmal geringerem Durchmesser an. Am Übergang vom Endabschnitt 24, 24A zum Zylinderabschnitt 23, 23A sind gleichmäßig über den Umfang verteilt mehrere halbkugelförmige Ein­ senkungen 25, 25A angebracht.

Im Zylinderabschnitt 23, 23A verläuft eine radiale Bohrung 27, 27A, die nicht bis zur Kolbenstange 13 bzw. zum Abschnitt 16 reicht. In diese mündet eine axiale Bohrung 28, 28A, die von einer zylin­ drischen Vertiefung 29, 29A in der Stirnseite 19, 19A ausgeht. Der Übergang der Vertiefung 29, 29A zur axialen Bohrung 28, 28A ist als Ventilsitz 30, 30A ausgebildet. Die beiden Hohlzylinderelemente 18, 18A sind im Einbauzustand so angeordnet, daß die Vertiefungen 29, 29A einander gegenüberliegen und einen Wechselventilraum 31 bilden, in dem sich eine Ventilkugel 32 befindet. Diese wirkt mit jeweils einem der Ventilsitze 30, 30A zusammen.

In den Stirnseiten 19, 19A sind jeweils zwei umlaufende Ringnuten angeordnet, eine äußere Ringnut 34, 34A zwischen Außenumfang und Vertiefung 29, 29A, und eine innere Ringnut 33, 33A zwischen Ver­ tiefung 29, 29A und Kolbenstange 13. Die äußeren Ringnuten 34, 34A nehmen einen Dichtring 35 auf, die inneren Ringnuten 33, 33A bilden einen Ringkanal 36, der mit dem Wechselventilraum 31 verbunden ist.

In den Ringkanal 36 mündet jeweils eine axial verlaufende, durch­ gehende Bohrung 38, 38A. Diese geht aus von einer zylindrischen Ver­ tiefung 39, 39A in der freien Stirnseite 40, 40A des Hohlzylinder­ elementes 18, 18A. Die Vertiefung 39, 39A reicht bis in die Nähe der Bohrung 27, 27A.

Am Grund 41, 41A der Vertiefung 39, 39A stützt sich eine Hülse 42, 42A ab, deren Außendurchmesser kleiner ist als der der Vertiefung 39, 39A. An der am Grund 41, 41A anliegenden Stirnseite 43, 43A hat die Hülse 42, 42A eine zylindrische Vertiefung 44, 44A zur Aufnahme eines Dichtringes 45, 45A. An der gegenüberliegenden Stirnseite 46, 46A stützt sich ein Abschlußring 47, 47A ab. Der (linke) Abschluß­ ring 47 liegt mit seiner freien Stirnseite 48 an der Schulter 17 an. Der (rechte) Abschlußring 47A ist auf geeignete Weise so mit dem freien Ende der Kolbenstange 13 verbunden, daß die Hülsen 42, 42A, die Hohlzylinderelemente 18, 18A und der Anschlußring 47 in axialer Richtung fixiert auf dem Abschnitt 16 befestigt sind. Der Abschluß­ ring 47A kann dazu beispielsweise am freien Ende der Kolbenstange 13 (des Abschnittes 16) verschraubt, verklemmt oder verkeilt sein.

Zwischen die Hülse 42, 42A und die Wandung der Vertiefung 39, 39A ist ein becherförmiger Betätigungskolben 50, 50A eingesetzt, dessen Boden 51, 51A dem Grund 41, 41A der Vertiefung 39, 39A zugewandt ist und eine Bohrung 52, 52A zur Durchführung der Hülse 42, 42A auf­ weist. Zwischen dem Boden 51, 51A und dem Grund 41, 41A der Ver­ tiefung 39, 39A ist ein Druckraum 53, 53A ausgebildet. Am Außenum­ fang des Kolbens 50, 50A ist eine Ringschulter 54, 54A ausgebildet, an der eine Betätigungshülse anliegt. Diese ist als Konusring 55, 55A ausgebildet, dessen Außenumfang sich zum Abschlußring 47, 47A hin aufweitet. Der Konusring 55, 55A ist fest auf den Betätigungs­ kolben 50, 50A aufgebracht und ragt über diesen hinaus und umfaßt mit einem Abschnitt 56, 56A größeren Innendurchmessers den Abschluß­ ring 47, 47A.

Der Abschlußring 47, 47A hat in seiner dem Betätigungskolben 50, 50A zugewandten Stirnseite eine Ringnut 57, 57A, an deren Grund sich eine Druckfeder 58, 58A abstützt. Deren entgegengesetztes Ende liegt am Boden 51, 51A des Betätigungskolbens 50, 50A an.

In den Einsenkungen 25, 25A der Endabschnitte 24, 24A sind kugel­ förmige Lagerköpfe 60, 60A von Klemmelementen 61, 61A gelagert, deren gewölbte Klemmabschnitte 62, 62A an der Innenwand 63 des Gehäuses 11 anliegen. Die Klemmelemente 61, 61A sind gleichmäßig über den Umfang verteilt, ihre Lagerköpfe 60, 60A liegen jeweils in den entsprechend angeordneten Vertiefungen 25, 25A. Der Außendurch­ messer der Klemmabschnitte 62, 62A ist an den Innendurchmesser des Gehäuses 11 angepaßt. Die Bogenlänge eines jeden Klemmabschnittes 62, 62A ist so bemessen, daß zwischen zwei benachbarten Klemmab­ schnitten ein geringer Abstand vorhanden ist, so daß diese sich nicht gegenseitig bei einer Bewegung nach innen (in radialer Richtung) behindern. An den Innenseiten 64, 64A der Klemmelemente 61, 61A bzw. der Klemmabschnitte 62, 62A liegen Wälzelemente 65, 65A an, die in diesem Ausführungsbeispiel als Kugeln ausgebildet sind. Diese Wälzelemente 65, 65A sind in einem Ringelement 66, 66A ge­ führt. Die Wälzelemente 65, 65A liegen weiterhin an der Außenfläche 67, 67A des Konusringes 55, 55A an. Am Ringelement 66, 66A zur Führung der Wälzelemente stützt sich eine Druckfeder 68, 68A ab, deren entgegengesetztes Ende an der freien Stirnseite 40, 40A des Hohlzylinderelementes 18, 18A anliegt.

In der dargestellten Arbeitsstellung des Arbeitszylinders befindet sich dieser in einer stationären, blockierten Position. Der Druck­ raum 14 und der Ringraum 15 sind (nahezu) drucklos. In der hier gezeigten Stellung des Arbeitszylinders herrscht im Arbeitsdruckraum 14 ein geringfügig höherer Restdruck als im Ringraum 15. Der Druck im Ringraum 15 herrscht auch in der Bohrung 27 und der Axialbohrung 28, die durch die Ventilkugel 32 einseitig verschlossen ist. Die Vertiefung 29A und die axiale Bohrung 28A sind über die Bohrung 27A mit dem Druckraum 14 verbunden. Aufgrund des Druckunterschiedes liegt die Ventilkugel 32 am Ventilsitz 30 an. Der Wechselventilraum 31 aus den beiden Vertiefungen 29, 29A steht über den Ringkanal 33 und die beiden Bohrungen 38, 38A mit den Druckräumen 53 bzw. 53A in Verbindung.

Auf die Betätigungskolben 50, 50A wirkt jeweils eine Kraft aufgrund der Wirkung der Druckfeder 58, 58A. Diese Kraft ist größer als die dagegen wirkende durch den Druck im Druckraum 53 bzw. 53A. Dadurch wird der Betätigungskolben 50, 50A mit dem fest verbundenen Konus­ ring 55, 55A in Richtung Grund 41, 41A der Vertiefung 39, 39A be­ wegt. Aufgrund des Reibschlusses zwischen den Außenflächen 67, 67A der Konusringe 55, 55A und den Wälzelementen 65 bzw. 65A einerseits und zwischen den Wälzelementen 65, 65A und den Innenseiten 64, 64A der Klemmabschnitte 62, 62A andererseits werden die Wälzelemente nach außen gedrückt. Aufgrund des sich verringernden Ringspaltes zwischen Konusring 55, 55A und Klemmabschnitt 62, 62A werden letztere gegen die Innenwand 63 des Gehäuses 11 gedrückt, so daß der Kolben 12 und die Kolbenstange 13 fixiert werden.

Soll der Kolben 12 bzw. die Kolbenstange 13 in eine der beiden Richtungen bewegt werden, wird entsprechend der Arbeitsdruckraum 14 oder der Ringraum 15 mit Druck beaufschlagt. Die Vertiefung 29 ist dabei über die Bohrungen 28 und 27 mit dem Ringraum 15 verbunden, während die Vertiefung 29A über die Bohrungen 28A und 27A mit dem Arbeits­ druckraum 14 in Verbindung steht. Die Ventilkugel 32 im Wechsel­ ventilraum 31 legt sich in Abhängigkeit vom Druck an einen der beiden Ventilsitze 30 bzw. 30A an, so daß im Wechselventilraum 32 der höhere der beiden Drücke ansteht. Über den Ringkanal 36 und die Bohrungen 38, 38A baut sich dieser Druck auch in den Druckräumen 53, 53A auf. Übersteigt die Kraft aufgrund dieses Druckes auf den Be­ tätigungskolben 50, 50A die entgegengesetzt wirkende Kraft der Druckfeder 58, 58A, wird der Betätigungskolben 50, 50A in Richtung Abschlußring 47, 47A bewegt. Damit wird auch der Konusring 55, 55A in diese Richtung bewegt. Die Wälzelemente 65, 65A rollen auf der schrägen Außenfläche 67, 67A und den Innenseiten 64, 64A der Klemm­ abschnitte ebenfalls zum Abschlußring 47, 47A hin ab. Dabei ver­ größert sich der Abstand zwischen Konusring 55, 55A und Klemmelement 62, 62A im Bereich der Wälzelemente. Die Klemmabschnitte 62, 62A können sich von der Innenwand des Gehäuses 11 lösen, so daß Kolben 12 und Kolbenstange 13 frei beweglich sind.

Die Druckfeder 68, 68A gewährleistet eine gute und sichere Anlage der Wälzelemente 65, 65A am Konusring 55, 55A und an den Innenseiten 64, 64A der Klemmabschnitte 62, 62A. Die Vorspannung dieser Druck­ feder 68, 68A ist jedoch so gering, daß die freie Beweglichkeit des Kolbens 12 bzw. der Kolbenstange 13 nicht beeinträchtigt wird, d. h. über die Druckfedern 68, 68A werden keine nennenswerten Klemmkräfte aufgebracht.

Durch die symmetrische Ausbildung des Kolbens 12 bzw. der Klemmein­ richtung wirkt diese gleichmäßig in beide Arbeitsrichtungen. Durch die entgegengesetzt gerichtete Anordnung der Klemmelemente 61 bzw. 61A ist stets eine gute Klemmwirkung gewährleistet. Die Druckräume 53, 53A werden über den Wechselventilraum 31 stets mit dem höheren der Drücke im Druckraum 14 bzw. im Ringraum 15 beaufschlagt. Dadurch ist eine optimale Brems- bzw. Klemmwirkung gewährleistet. Durch den Wechselventilraum 31 mit dem Ventilglied bzw. der Ventilkugel 32 (Wechselventil) wird gleichzeitig ein Kurzschluß zwischen Arbeits­ druckraum 14 und Ringraum 15 verhindert.

Die Klemm- bzw. Bremseinrichtung wirkt selbsttätig bei sich ver­ ringerndem Druck und legt sich aufgrund der Wirkung der Druckfedern 58, 58A an die Innenwand des Gehäuses 11 an. Damit wirken die Klemm­ elemente 62, 62A auf einem relativ großen Durchmesser, wodurch die wirksamen Reib- bzw. Klemmflächen entsprechend groß sind. Gleich­ zeitig wird die Oberfläche der Kolbenstange 13 nicht beschädigt. Sollten über die Lebensdauer und/oder bei sehr hohen Brems- bzw. Klemmkräften Beschädigungen an der Innenwand des Gehäuses auftreten, würde dies zu Undichtigkeiten im Inneren des Arbeitszylinders führen, deren Folgen wären aber bei weitem nicht so schwerwiegend wie Undichtigkeiten an der Kolbenstange des Arbeitszylinders.

Claims (8)

1. Arbeitszylinder mit einem Kolben (12) und einer Kolbenstange (13), die aufgrund des Druckes in mindestens einem Arbeitsdruckraum (14, 15) relativ zum Gehäuse (11) axial verschiebbar sind, mit einer Brems- oder/und Klemmeinrichtung mit Klemmelementen (61, 61A), die koaxial zur Kolbenstange angeordnet und radial zu dieser beweglich sind, mit mindestens einem Betätigungsmittel (55, 55A, 50, 50A), das koaxial zur Kolbenstange angeordnet und in dessen axialer Richtung beweglich ist, mit Wälzelementen (65, 65A) zwischen Klemmelementen und Betätigungsmittel, wobei die Klemmelemente (61, 61A) samt Betätigungsmittel und Wälzelementen mit dem Kolben (12) verschiebbar sind, und daß das Betätigungsmittel eine axial verschiebbare, konisch ausgebildete Betätigungshülse (55, 55A) und einen Betätigungskolben (50, 50A) aufweist, der einerseits von einer Druckfeder (58, 58A) und andererseits vom Druck im Druckraum (14, 15) beaufschlagt ist, wobei der Kolben (12) die beiden Druckräume (14, 15) voneinander trennt und in axialer Richtung fest mit der Kolbenstange (13) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmelemente (61, 61A) unmittelbar am Kolben (12) gelenkig angeordnet sind und daß der Betätigungskolben (50, 50A) mit einem Betätigungsdruckraum (53, 53A) zusammenwirkt, der am Kolben (12) angeordnet ist.

2. Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsdruckraum (53, 53A) über Druckmittelkanäle (38, 38A, 36, 31, 28, 28A, 27, 27A) im Kolben (12) mit dem Arbeitsdruckraum (14, 15) verbunden ist.

3. Arbeitszylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzelemente (65, 65A) in einem Führungsring (66, 66A) geführt sind.

4. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Brems- oder/und Klemmeinrichtung am Kolben (12) angeordnet ist.

5. Arbeitszylinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Brems- oder/und Klemmeinrichtung spiegelsymmetrisch zur ersten aufgebaut ist.

6. Arbeitszylinder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Betätigungsdruckräume (53, 53A) mit einem Arbeitsdruckraum (14, 15) verbunden ist.

7. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsdruckräume (53, 53A) mit jedem der Arbeitsdruckräume (14, 15) verbindbar sind.

8. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Druckmittelkanal (38, 38A, 36, 31, 28, 28A, 27, 27A) zwischen den Betätigungsdruckräumen (53, 53A) und den Arbeitsdruckräumen (14, 15) ein Wechselrückschlagventil (31, 32) angeordnet ist.