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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Pneumatikzylinder nach dem Oberbegriff
Patentanspruchs 1.
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Aus
der
DE 38 14 184 A1 ist
ein gattungsgemäßer Zylinder
bekannt, dessen Kolbenstange über Wälzlager
im Gehäuse
geführt
ist, so daß auch
Kräfte quer
zur Verschieberichtung des Kolbens aufgenommen werden können. Durch
den Ersatz der ansonsten üblichen
Gleitlagerungen wird ein Verklemmen der Kolbenstange unter Querkraft
vermieden. Ein mit dem Kolben mitbewegter Dichtring (O-Ring) verhindert
den Druckmittelübertritt
zwischen den beiden Arbeitsräumen
des Zylinders. Weitere Dichtringe, insbesondere in Gestalt von Abstreifringen, übernehmen
die Abdichtung zwischen der Kolbenstange und dem Gehäuse.
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Nachteilig
bei dem bekannten Zylinder ist, daß durch die beschriebenen Abdichtmaßnahmen eine
im Verhältnis
zur Nennlast des Zylinders relativ hohe Reibung zwischen dem Gehäuse einerseits und
dem Kolben bzw. der Kolbenstange andererseits zu überwinden
ist. Durch die Reibung wird der Energieverbrauch beim Betrieb des
Zylinders erhöht.
Gravierender ist jedoch die Einschränkung hinsichtlich der nutzbaren
Kolbengeschwindigkeiten: Einerseits verhin dern die Reibflächen entsprechend
hohe Kolbengeschwindigkeiten, andererseits sind bei sehr niedrigen
Kolbengeschwindigkeiten (Kriechgang) aufgrund der zwischen dem Gehäuse und
den Dichtungen auftretenden Stick-Slip-Effekte gleichförmige Kolbenbewegungen
ohne verzögertes
Ansprechverhalten und ohne ruckartige Bewegungsformen nicht möglich.
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In
konventionellen Pneumatikanlagen werden die Pneumatikzylinder über einfache
Impuls- oder Schaltventile angesteuert und lediglich zwischen ihren
Endlagen bewegt. In Analogie zur Servohydraulik hat in den letzten
Jahren jedoch auch die Servopneumatik an Bedeutung gewonnen. Servopneumatische
Anlagen arbeiten mit Ventilen, mit denen neben der Schaltfunktion "EIN/AUS" auch der Luftdurchsatz
durch das Ventil in seiner Menge verändert werden kann. Derartige
Servoventile werden daher auch als Proportionalventile bezeichnet.
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Aus
der
EP 0 043 918 A1 ist
ein reibungsarmer Dichtring, insbesondere eines Hydraulikzylinders
bekannt, der mit engem Spalt, vorzugsweise aus einem Passungsspiel
resultierend, in den Zylinder eingesetzt ist. Der Dichtring ist
innerhalb der Nut im Zylinder axial und radial mit Spiel aufgenommen, sodass
er bei Beaufschlagung mit Druckmittel "gewissermaßen schwimmend gehalten ist". Durch hydrodynamische
Kräfte
stellt sich zwischen dem Dichtring und der Kolbenstange ein konzentrischer Leckölspalt ein,
durch die eine hydrodynamische Vollschmierung mit verminderter Reibung
erzielt wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, für
servopneumatische Anwendungen einen Pneumatikzylinder zur Verfügung zu
stellen, der auch bei sehr niedrigen und hohen Kolbengeschwindigkeiten
ein gleichmäßiges Ansprechverhalten
aufweist, um damit die mit Servoventilen mögliche exakte Regelung der
Kolbenbewegung auch umsetzen zu können.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale es Patentanspruchs
1 gelöst.
Durch die berührungslose
Abdichtung wird die Bewegung von Kolben und Kolbenstange im Gehäuse nicht
behindert. In Verbindung mit der an sich bekannten Wälzlagerung
der Kolbenstange treten somit konstruktionsbedingt keine Stick-Slip-Effekte mehr auf. Damit
steht ein Pneumatikzylinder zur Verfügung, der über ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten
in allen Kolbengeschwindigkeitsbereichen verfügt und daher auch für servopneumatische
Anwen dungsfälle
entsprechend gut regelbar ist. Somit eröffnen sich mit dem erfindungsgemäßen Pneumatikzylinder
neue Anwendungsfelder für
die Pneumatik, so daß in
vielen Fällen
eine aufwendige servohydraulische Anlage durch eine in Anschaffung
und Betrieb deutlich kostengünstigere
servopneumatische Anlage ersetzt werden kann.
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Während auf
den ersten Blick die durch die berührungslose Abdichtung prinzipbedingt
vorhandene kleine Leckage als Nachteil erscheint, liegt gerade hierin
bei genauerer Betrachtung eigentlich ein Vorteil für servopneumatische
Schaltkreise: Um Servoventile in pneumatischen Regelkreisen betreiben
zu können,
ist ein gewisser Mindestluftdurchsatz erforderlich, insbesondere
beim Halten einer vorgegebenen Kraft bzw. einer vorgegebenen Position.
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Dieser
Luftdurchsatz wurde bisher durch ein einstellbares Bypass-Ventil,
das zwischen die Ausgänge
eines Servoventils geschaltet wurde, realisiert. Durch den Einsatz
des erfindungsgemäßen Pneumatikzylinders
kann ein derartiges Bypass-Ventil in der Regel entfallen, da die
Leckage durch die berührungslose
Abdichtung den geforderten Mindestluftdurchsatz gewährleistet.
Durch die geringere Reibungsarbeit werden die Druckmittelverluste
durch die Leckage mehr als wettgemacht. Zu berücksichtien ist ferner, daß eine Leckage
zwischen den beiden Teilräumen
des Pneumatikzylinders nur dann auftritt, wenn der Kolben bewegt
wird; herrscht beiderseits des Kolbens gleicher Druck (Halteposition),
so findet hier auch kein Druckmittelaustausch statt.
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Darüberhinaus
zeichnet sich die berührungslose
Abdichtung durch Verschleißfreiheit
aus und muß nicht
gewartet werden. Zudem ist sie kostengünstig herzustellen und robust
in ihrer Ausführung.
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Die
Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 zeichnet sich durch
ihren einfachen Aufbau aus: Die gegeneinander verschieblichen Teile
werden entlang ihres Verschiebewe ges mit einem kostengünstig herstellbaren,
großzügig bemessenen Spaltmaß ausgeführt. Lediglich
im Bereich der Abdichtungsstellen wird das Spaltmaß verringert,
so daß durch
den engen Dichtungsspalt nur mehr eine geringe Menge an Luft strömen kann.
Zusätzlich
wird diese Luftströmung
verwirbelt, wodurch eine Sperrschicht entsteht, die die Luftströmung behindert
und somit einem Druckausgleich entgegenwirkt.
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Gemäß Anspruch
3 werden an der Spaltdichtung umlaufende Rillen vorgesehen, die
z. B. direkt am Kolben bzw. den Lagerstellen der Kolbenstange im
Gehäuse
angebracht sein können.
In der Regel ist es jedoch vorteilhafter, einen separaten Dichtring
mit Rillen am Außen-
bzw. Innenumfang in den Kolben bzw. das Gehäuse einzusetzen. Die Spaltdichtung kann
auch mit aneinandergereihten dünnen
Ringen, welche in verschiedenen Durchmessern und Dicken exakt und
einfach herzustellen sind, aufgebaut werden. Bei Druckunterschieden
zwischen den beiden Seiten der Spaltdichtung entstehen durch die
in geringer Menge durchströmende
Luft Verwirbelungen in den einzelnen Ringkammern der Rillen, wodurch
sich eine strömungsbehindernde
Sperrschicht aufbaut.
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Bei
der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 weist die Spaltdichtung
anstelle der bzw. zusätzlich
zu den Rillen im Dichtungsspalt eine Oberfläche aus Filz auf. Die Filzoberfläche bewirkt
ebenso wie die Rillen eine Verwirbelung der durch den Dichtspalt
hindurchströmenden
Luft. Filzringe sind besonders kostengünstig in der Herstellung und Montage.
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Da
in der Servopneumatik eine Regelung meist über den Parameter Kraft erfolgt,
stellt die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 einen kompakten
und universell verwendbaren Pneumatikzylinder zur Verfügung. Selbstver ständlich kann
jedoch auch ein Wegmeßsystem
anstelle des Kraftmeßelementes
oder zusätzlich
hierzu in den Pneumatikzylinder integriert sein.
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Die
Erfindung wird anhand eines möglichen Ausführungsbeispiels
in der Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 einen servopneumatischen
Regelkreis,
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2 einen erfindungsgemäßen Pneumatikzylinder
in Schnittdarstellung,
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3 eine vergrößerte Detaildarstellung
der Abdichtung zwischen der Kolbenstange und dem Gehäuse und
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4 eine der 3 entsprechende Darstellung der Abdichtung
zwischen dem Kolben und dem Gehäuse.
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1 zeigt ein servopneumatisches
Blockschaltbild eines Regelkreises zur definierten Kraftbeaufschlagung
eines Prüfkörpers 3.
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Beim
dargestellten Prüfaufbau
wird über
einen erfindungsgemäßen Pneumatikzylinder 1 unter Zwischenschaltung
eines Koppelelementes 2 eine Kraft auf den fest eingespannten
Prüfkörper 3 aufgebracht.
Damit die Krafteinleitung geregelt erfolgen kann, ist der Pneumatikzylinder 1 an
einen servopneumatischen Regelkreis angeschlossen. Kernstück dieses
Regelkreises ist eine elektronische Regeleinheit 4, der
von einer Signalquelle 5 ein Sollwert vorgegeben wird.
Die Signalquelle 5 kann beispielsweise ein Sinusgenerator,
ein Magnetband mit Echtzeitsignalen etc. sein. An die elektronische
Regeleinheit 4 ist ein Ventilverstärker 6 angeschlossen,
von dem drei elektrische Verbindungsleitungen 7, 8 und 9 ausgehen.
Zusätzlich
ist eine direkt von der Regeleinheit 4 abgehende Steuerleitung 10 vorgesehen.
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Mit
der Steuerleitung 10 kann der gesamte Regelkreis mit Druck
beaufschlagt bzw. drucklos geschaltet werden, indem ein 3/2-Wegeventil
mit der Bezugszahl 11 über
einen Filter 12 die Verbindung zu einer Druckluftquelle 13 herstellt
bzw. unterbricht. In der Offenstellung des 3/2-Wegeventils 11 ist das pneumatisches
Servoventil 15 über
eine Verbindungsleitung 14 an die Druckluftquelle 13 angeschlossen.
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Das
Servoventil 15 besitzt einen Signaleingang 16 sowie
einen Signalausgang 17 mit nachgeschaltetem Weg-Spannungswandler 18. Über die Leitung 7 kann
das Servoventil 15 in vier verschiedene Stellungen gebracht
werden (von links nach rechts):
- – Druckluftkreislauf
gegen den Uhrzeigersinn,
- – gesperrt
(Spannung = 0),
- – Druckluftkreislauf
im Uhrzeigersinn und
- – gesperrt
(stromlos).
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Im
Unterschied zum 3/2-Wegeventil 11 handelt es sich bei dem
Servoventil 15 jedoch um ein regelbares Ventil. Dies wird
durch die mit Drosseln versehenen Pfeile in der Symboldarstellung
des Servoventils 15 zum Ausdruck gebracht. Über die
beiden Druckluftausgänge 19 und 20 ist
das Servoventil 15 mit dem Pneumatikzylinder 1 verbunden.
Zwischen die beiden Verbindungsleitungen 21 ist wahlweise eine
Bypass-Drossel 22 geschaltet, die in der Regel jedoch entfallen
kann, da die Leckage des Pneumatikzylinders 1 ausreicht,
um den für
den sicheren Betrieb des Servoventils 15 notwendigen Mindestluftdurchsatz
zu gewährleisten
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Die
Verbindungsleitungen 21 münden über Druckluftanschlüsse 23 und 24 in
einen linken und einen rechten Ar beitsraum 25 bzw. 26 des
Pneumatikzylinders 1. Die beiden Arbeitsräume. 25 und 26 werden
durch einen Kolben 27 unterteilt. Der Kolben 27 bewegt
eine Kolbenstange 28, die einen linken und einen rechten
Abschnitt 29 bzw. 30 aufweist. In den linken Abschnitt 29 der
Kolbenstange 28 ist ein Kraftmeßelement 31, beispielsweise
ein Dehnmeßstreifen,
integriert. Das Kraftmeßelement 31 ist über die Leitung 9 mit
dem Ventilverstärker 6 der
Regeleinheit 4 verbunden.
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Bei
dem beschriebenen servopneumatischen Regelkreis handelt es sich
um einen geschlossenen Regelkreis, bei den der Sollwert über die
Regelleitung 7 an das Servoventil 15 geleitet
wird. Das Stellsignal geht über
die Druckluftausgänge 19 und 20 an
den Pneumatikzylinder 1, während als Maß für dieses
Stellsignal ein elektrisches Signal über die Rückleitung 8 an die
Regeleinheit 4 geführt
wird. Der Abgleich des Istwertes mit der Sollwert-Vorgabe erfolgt über das
in die Kolbenstange 28 integrierte Kraftmeßelement 31,
das über
die Istwert-Leitung 9 mit der Regeleinheit 4 verbunden
ist.
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Während die
Regeleinheit 4 und die Ventile 11 und 15 bekannte
Einheiten sind, kann die Umsetzung der Stellsignals, das z. B einen
hochdynamischen Kraft-Zeit-Verlauf repräsentiert, nicht mit einem konventionell
gelagerten und abgedichteten Pneumatikzylinder, sondern nur mit
dem erfindungsgemäßen Pneumatikzylinder 1 erfolgen,
der sich den Anforderungen der Servopneumatik gemäß entsprechend
feinfühlig
regeln läßt.
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Selbstverständlich kann
der erfindungsgemäße Pneumatikzylinder 1 auch
in konventionellen Pneumatikschaltungen mit Schaltventilen eingesetzt werden,
wenngleich er hauptsächlich
für die
erhöhten
Anforderungen in servopneumatischen Regelkreisen konzipiert wurde.
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2 zeigt den erfindungsgemäßen Pneumatikzylinder 1 im
Längsschnitt.
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Der
Pneumatikzylinder 1 besteht aus einem Gehäuse 32,
das sich aus einem linken und rechten Gehäusedeckel 33 bzw. 34 mit
dazwischenliegendem zylindrischen Abschnitt 35 zusammensetzt.
Die einzelnen Bestandteile des Gehäuses 32 werden durch
durchgehende Ankerschrauben 36 zusammengehalten. Der Kolben 27,
der den zylindrischen Abschnitt 35 in einen linken und
einen rechten Arbeitsraum 25 bzw. 26 unterteilt,
ist auf die durchgehende hohlzylindrische Kolbenstange 28 beispielsweise
aufgeschrumpft oder ist mit ihr verschraubt. Die Lagerung der Kolbenstange 28 in
den Gehäusedeckeln 33 und 34 erfolgt über Wälzlager 37,
die beispielsweise als Linearkugellager ausgeführt sind. Die Druckluftanschlüsse 23 und 24 sind
den Arbeitsräumen 25 bzw. 26 zugeordnet.
Beide Arbeitsräume 25 und 26 verfügen über je einen
Druckluftauslaß 38. Nicht
näher dargestellte
Drosseln 47 im Bereich der Druckluftauslässe 38 übernehmen
die Endlagendämpfung
des Kolbens 27.
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Die
Abdichtung der Kolbenstange 28 gegenüber den Gehäusedeckeln 33 und 34 erfolgt über Spaltdichtungen 39,
wie am Beispiel des linken Gehäusedeckels 33 in 3 vergrößert dargestellt. In der Kolbenstangendurchführung des
Gehäusedeckels 33 ist
eine ringförmige
Ausnehmung 48 vorgesehen, in die ein Paket von Dichtringen 40 und 49 eingesetzt
ist. Die Dichtringe 40 reduzieren das außerhalb
der Spaltdichtung 39 vorherrschende Spaltmaß a auf
das Spaltmaß i
im Dichtungsspalt 43. Zwischen den einzelnen Dichtringen 40 sind
Dichtringe 49 unterschiedlichen Innendurchmessers eingesetzt. Hierdurch
entstehen Rillen 41 unterschiedlicher Tiefe. Die Spaltdichtung 39 wirkt
wie nachstehend beschrieben:
Infolge des geringen Spaltmaßes i kann
prinzipbedingt nur eine sehr geringe Menge an Luft durch den Dichtungsspalt 43 hindurchströmen. Diese
vom Arbeitsraum 25 durch den Dichtungsspalt 43 hindurchströmende Leckluft
wird in den Rillen 41 verwirbelt und bildet somit eine
Sperrschicht mit abdichtender Funktion.
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Die
Abdichtung des Wälzlagers 37 gegenüber der
Spaltdichtung 39 erfolgt über einen Filzring 52,
der im Dichtungsspalt 53 das verringerte Spaltmaß i herstellt.
Der Filzring 52 dichtet die Fettfüllung des Wälzlagers 37 ab und
bewirkt eine Verwirbelung der in sehr geringer Menge hindurchströmenden Luft. Zwischen
der Spaltdichtung 39 und dem Filzring 52 ist ein
Distanzring 42 angeordnet.
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4 zeigt die Abdichtung der
beiden Arbeitsräume 25 und 26 über eine
Spaltdichtung 50, die sich aus zwei gleichartigen Paketen
von Dichtringen 51 und 54 zusammensetzt, die von
zwei Filzringen 55 getrennt sind. Die gesamte Spaltdichtung 50 ist
am Außenumfang
des Kolbens 27 eingesetzt, wobei Tragringe 58 die
Filzringe 55 aufnehmen. Analog zur Spaltdichtung 39 reduziert
auch die Spaltdichtung 50 das Spaltmaß a zwischen Kolben 27 und
zylindrischem Abschnitt 35 des Gehäuses 32 im Bereich
des Dichtungsspaltes 57 auf das kleinere Spaltmaß i. Die zwischen
den Dichtringen 51 angeordneten Dichtringe 54 weisen
unterschiedliche Außendurchmesser auf
und schaffen hierdurch unterschiedlich tiefe Rillen 56,
in denen eine Luftverwirbelung stattfindet. Auch die Filzringe 55 mit
ihren unregelmäßigen äußeren Zylinderflächen unterstützen die
Luftverwirbelung. Um die Montage der Spaltdichtung 50 zu
ermöglichen,
besteht der Kolben 27 aus zwei trennbaren Hälften 27a und 27b.
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Wie
die dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen,
kann die berührungslose
Abdichtung durch Spaltdichtungen mit Rillen durch Filzringe oder
auch durch eine Kombination aus beiden Dichtungsarten erfolgen.
Neben den beiden dargestellten Ausführungsformen von Dichtungen
sind jedoch auch alle anderen Arten von Dichtungen möglich, die
einerseits das Spaltmaß im
Dichtungsspalt reduzieren und andererseits eine Verwirbelung der
Luft bewirken.
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Das
Kraftmeßelement 31 läßt sich
in vorteilhafter Weise in die Kolbenstange 28 integrieren,
indem es über
eine nur angedeutete Schraube 44, die von der linken Seite
her in die hohlzylindrische Kolbenstange 28 eingesetzt
ist, verschraubt wird.
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Je
nach Anwendungszweck kann der symmetrisch aufgebaute Pneumatikzylinder 1 um
180° gedreht
werden, um wahlweise mit oder ohne integriertes Kraftmeßglied 31 verwendet
zu werden. Wahlweise kann auch ein integriertes elektrisches Wegmeßsystem
Verwendung finden. Der nicht verwendete Abschnitt 29 bzw. 30 der
Kolbenstange 28 kann dabei durch einen Stangenschutz 45 abgedeckt werden,
der beispielsweise auf den linken Gehäusedeckel 33 mittels
der Schrauben 46 befestigt ist.