DE4405938A1

DE4405938A1 - Kolben-Zylinder-Einheit

Info

Publication number: DE4405938A1
Application number: DE19944405938
Authority: DE
Inventors: Werner Prof Dr Ing Moeller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-02-24
Filing date: 1994-02-24
Publication date: 1995-08-31

Description

Bekannt ist eine Kolbenzylinder-Einheit für fluidische Druckmittel zur Umwandlung von hydraulischer oder pneumatischer Energie auf linearem Weg in mechanische Energie oder umgekehrt.

Die Erfindung betrifft eine Maschine, die sowohl im Bereich der Wasser- und Ölhydraulik als auch in der Pneumatik eingesetzt wer den kann. Sie ist sowohl als Motor als auch als Pumpe ausführbar. Derartige Kolben-Zylinder-Einheiten sind einfachwirkende oder doppeltwirkende Linearmaschinen.

Es ist bei Kolben-Zylinder-Einheiten, bestehend aus einem Zylin der, einem Kolben mit Kolbenstange, mit vor und hinter dem Kolben am Zylinder, -kopf oder -fuß angeordneten Druckmittelanschlüssen, bekannt, daß aufgrund der ungleichen Kolbenflächen bei gleichem Druck des Fluids die Kräfte und Geschwindigkeiten im Vor- und Rückhub unterschiedlich groß sind. Für viele Anwendungsfälle stellt der Umstand, daß beim Ein- und Ausfahren der Kolbenstange unterschiedliche Verhältnisse vorliegen, einen erheblichen Nachteil dar, weil mehr oft die Forderung nach gleichgroßen Kräften und gleichhohen Geschwindigkeiten besteht.

Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrun de, eine Kolben-Zylinder-Einheit bei gleichbleibendem Druck des Fluids mit zwei und mehr direkt schaltbaren Kraftstufen auszustat ten, ohne eine Differentialschaltung einsetzen zu müssen.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Kolbenstangenrohr auf einem ruhenden Kolben abdichtend gleitet, wobei das freie Ende des Kolbenstangenrohres als Kolben stangenkopf aus einem Zylinderkopf herausragt und sein anderes Ende mit einem Ringkolben versehen ist, der sich seinerseits ab dichtend in einem Zylinderrohr bewegt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß, obgleich zwei Kolben vorhanden sind, nur eine einzige Kolbenstange nach außen führt. Ferner kann bei Positionierarbeiten für einen Eilgang und für einen Schleichgang auf aufwendige und teure Zusatzgeräte verzichtet werden, wodurch eine wesentlich ge drängtere Bauweise erreicht wird und darüber hinaus Kosten einge spart werden. Der Hauptvorteil, bei gleichem Druck zumindest drei verschiedene Kraftstufen für den Vorhub direkt zu erzeugen, wird auf einfachste Weise erzielt. Ferner kann eine gegenüber der Kolbenausschubkraft größere Rückhubkraft erreicht werden. Schließ lich ist nur eine Kolbenstangendurchführung abzudichten.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 2 angegeben. Demzufolge ist vorgesehen, daß ein erster Druckraum über ein feststehendes Kolbenstangenrohr mit einem Druckmittelan schluß in einem Zylinderfuß verbunden ist, daß einem zweiten Druckraum ein Druckmittelanschluß im Zylinderfuß und einem dritten Druckraum ein Druckmittelanschluß im Zylinderkopf zugeordnet ist.

Bei entsprechender Kombination von Druckbeaufschlagung oder Druck entlastung der Druckmittelanschlüsse können zumindest theoretisch acht Kraftstufen erzielt werden. Die Druckräume sind dabei vonein ander unabhängig. Die Druckmittelanschlüsse werden über Ventile angesteuert und können somit wahlweise druckbelastet oder freige schaltet werden, so daß die vorstehend genannten Kombinationen erzielt werden.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß die Kolbenfläche des ruhenden Kol bens und eine kleinere Ringfläche des Ringkolbens gleichgroß sind.

Nach weiteren Merkmalen der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das Flächenverhältnis der Ringfläche des Ringkolbens zur Kolbenfläche des Kolbens größer oder gleich "1" ist, so daß die Kraft beim Ein fahren des Kolbenstangenrohrs größer als die Kraft oder gleich der Kraft beim einfachen Ausfahren ist.

Verbesserungen der Erfindung bestehen darin, daß durch unter schiedliche Kombinationen der Druckbeaufschlagung und der Druck entlastung für die Druckmittelanschlüsse unterschiedlich hohe Kräfte an dem Kolbenstangenkopf einstellbar sind.

Eine vorteilhafte Ergänzung der Erfindung ist dadurch gegeben, daß für die axial bewegliche Kolbenstange, bestehend aus dem Kolben stangenkopf, dem Kolbenstangenrohr und dem Ringkolben, eine Dämp fungseinrichtung und eine Wegnehmereinrichtung vorgesehen sind.

Vorteilhaft ist außerdem, daß der Kolbenstangenkopf und das Kol benstangenrohr der axial beweglichen Kolbenstange in ihrer äu ßeren Kontur kreisförmig oder durchgehend vieleckig ausgeführt sind.

Ferner besteht eine Ausgestaltung der Erfindung darin, daß die Mediendrücke an den Druckmittelanschlüssen nach einem Programm unterschiedlich einstellbar sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge stellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1A eine Draufsicht auf die Kolben-Zylinder-Einheit,

Fig. 1B einen Querschnitt B-B entsprechend der Schnittangabe in Fig. 1A,

Fig. 2A einen axialen Längsschnitt durch die Kolben-Zylinder einheit,

Fig. 2B einen Querschnitt A-A entsprechend der Schnittangabe in Fig. 2A und

Fig. 3 das Symbol (Schaltzeichen) für einen Koaxialkolben- Linearmotor mit einstellbarer Dämpfung für den Vorhub und für den Rückhub.

Die Doppelkolben-Zylinder-Einheit entspricht nur rein äußerlich einem gewöhnlichen doppeltwirkenden Linearmotor und weist wie dieser einen Zylinderkopf 1, ein Zylinderrohr 2 und einen Zylin derfuß 3 auf. Aus dem Zylinderkopf 1 ragt ein Kolbenstangenkopf 4 heraus, der dem Anschluß an eine Arbeitsmaschine dient.

Der Zylinderfuß 3 ist mittels eines Deckels und Deckelschrauben 19 verschlossen.

Gegenüber einer gewöhnlichen Kolben-Zylinder-Einheit mit zwei Druckmittelanschlüssen, weist der Erfindungsgegenstand jedoch drei Druckmittelanschlüsse 5, 6 und 7 auf. Wesentliche Unter schiede gegenüber den gewöhnlichen Kolben-Zylinder-Einheiten ergeben sich durch die Gestaltung im Innern. An dem Zylinder fuß 3 ist ein Kolbenstangenrohr 8 befestigt, an dessen freiem Ende 8a ein Kolben 9 angeordnet ist. Diese Baugruppe trägt somit den feststehenden, ruhenden Kolben 9, über den ein axial ver schiebbares Kolbenstangenrohr 10 gleiten kann. Während an dem beweglichen Kolbenstangenrohr 10 an seinem innenliegenden Kolbenstangenrohr-Ende 10a ein Ringkolben 11 angeordnet ist, geht das aus dem Zylinderkopf 1 herausragende Kolbenstangenrohr-Ende 10b in den Kolbenstangenkopf 4 über. Der Kolbenstangenkopf 4 dient zur Aufnahme eines Verbindungselementes zur Arbeitsmaschine hin und kann wie bekannt hergestellt werden (also mit einem Gewinde zapfen, einer Gewindebohrung u. dgl.).

Die aus dem Kolbenstangenkopf 4, dem Kolbenstangenrohr 10 und dem Ringkolben 11 bestehende Kolbenstange gleitet einerseits mit dem Ringkolben 11 in dem Zylinderrohr 2 und andererseits mit dem Kolbenstangenrohr 10 in dem Zylinderkopf 1.

Druckräume 12, 13 und 14 werden durch Dichtungselemente 15, 16, 17 und 18 (vgl. Fig. 3), 20, 21 gegeneinander bzw. nach außen hin abge dichtet. Die Arbeitsweise der Doppelkolben-Zylinder-Einheit ist wie folgt:
Bei der Druckbeaufschlagung des Druckmittelanschlusses 5 und gleichzeitiger Entlastung der Druckmittelanschlüsse 6 und 7 setzt sich der Druck bis in einen Druckraum 12 fort und stützt sich hierbei auf der Kolbenfläche 9a des Kolbens 9 ab, so daß das Kolbenstangenrohr 10 mit einer druckabhängigen Kolbenkraft und mit einer dem jeweiligen Pumpenvolumenstrom entsprechenden Geschwin digkeit aus dem Zylinderkopf 1 ausgefahren wird.

Bei gleichzeitiger Entlastung der Druckmittelanschlüsse 5 und 6 sowie einer Druckbeaufschlagung des Druckmittelanschlusses 7 wird die "Kolbenstange" wieder zurückgezogen. Zwei weitere Kraftstufen sind durch direkte Beaufschlagung des Druckmittel anschlusses 6 bzw. der Druckmittelanschlüsse 5 und 6 bei jeweils gleichzeitiger Entlastung des Druckmittelanschlusses 7 zu errei chen.

Desweiteren sind durch zyklische Vertauschungen in der Druck beaufschlagung und Druckentlastung der drei Druckmittelanschlüs se 5, 6 und 7 noch weitere Kraft- und Geschwindigkeitsverhältnisse zu erzielen.

Insgesamt ergeben sich bei drei Druckmittelanschlüssen 5, 6 und 7 acht unterschiedliche Kombinationen, von denen sieben praktisch nutzbar sein können.

Bei der praktischen Ausführung eines Versuchsmodells ergaben sich z. B. sieben unterschiedliche Werte für die Kraft-Verhältnis-Zahl zwischen + 2,25 im Vorhub und -1,015 im Rückhub. Natur gegeben sind diese Verhältnisse in ihrer Größe sehr stark von den gewählten geometrischen Verhältnissen abhängig.

Für den Fall, daß die Kolbenflächen-Verhältniszahl = 1,00 genau ausgeführt wird, wird der in der Fig. 2A und 2B dargestellte und als Beispiel beschriebene Linearmotor zu einem Gleichlauf- Linearmotor mit einseitiger Kolbenstangendurchführung, bei dem die Rückhubkraft gleich der Kolbenausschubkraft ist.

Bezugszeichenliste

1 Zylinderkopf
2 Zylinderrohr
3 Zylinderfuß
4 Kolbenstangenkopf
5 Druckmittelanschluß
6 Druckmittelanschluß
7 Druckmittelanschluß
8 Kolbenstangenrohr
8a Kolbenstangenrohr-Ende
9 Kolben
9a Kolbenfläche
10 Kolbenstangenrohr
10a Kolbenstangenrohr-Ende
10b Kolbenstangenrohr-Ende
11 Ringkolben
11a Ringkolbenfläche
11b Ringkolbenfläche
12 erster Druckraum
13 zweiter Druckraum
14 dritter Druckraum
15 Dichtungselement
16 Dichtungselement
17 Dichtungselement
18 Dichtungselement
19 Deckelschrauben
20 Dichtung
21 Dichtung

Claims

1. Kolben-Zylinder-Einheit für fluidische Druckmittel zur Umwandlung von hydraulischer oder pneumatischer Energie auf linearem Wege in mechanische Energie oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kolbenstangenrohr (10) auf einem ruhenden Kolben (9) abdichtend gleitet, wobei das freie Ende (10b) des Kolben stangenrohres (10) als Kolbenstangenkopf (4) aus einem Zylinderkopf (1) herausragt und sein anderes Ende (10a) mit einem Ringkolben (11) versehen ist, der sich seinerseits abdichtend in einem Zylinderrohr (2) bewegt.

2. Kolben-Zylinder-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Druckraum (12) über ein feststehendes Kolben stangenrohr (8) mit einem Druckmittelanschluß (5) in einem Zylinderfuß (3) verbunden ist, daß einem zweiten Druckraum (13) ein Druckmittelanschluß (6) im Zylinderfuß (3) und einem dritten Druckraum (14) ein Druckmittelanschluß (7) im Zylin derkopf (1) zugeordnet ist.

3. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenfläche (9a) des ruhenden Kolbens (9) und eine kleinere Ringfläche (11a) des Ringkolbens (11) gleichgroß sind.

4. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis der Ringfläche (11a) des Ringkol bens (11) zur Kolbenfläche (9a) des Kolbens (9) größer oder gleich "1" ist, so daß die Kraft beim Einfahren des Kolbenstangenrohrs (10) größer als die Kraft oder gleich der Kraft beim einfachen Ausfahren ist.

5. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch unterschiedliche Kombinationen der Druckbeaufschla gung und der Druckentlastung für die Druckmittelanschlüsse (5, 6, 7) unterschiedlich hohe Kräfte an dem Kolbenstangenkopf (4) einstellbar sind.

6. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß für die axial bewegliche Kolbenstange, bestehend aus dem Kolbenstangenkopf (4), dem Kolbenstangenrohr (10) und dem Ringkolben (11), eine Dämpfungseinrichtung und eine Wegneh mereinrichtung vorgesehen sind.

7. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenstangenkopf (4) und das Kolbenstangenrohr (10) der axial beweglichen Kolbenstange in ihrer äußeren Kontur kreisförmig oder durchgehend vieleckig ausgeführt sind.

8. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mediendrücke an den Druckmittelanschlüssen (5, 6, 7) nach einem Programm unterschiedlich einstellbar sind.