EP1225343A1 - Antriebsvorrichtung mit einem durch Fluidkraft betätigbaren Arbeitszylinder - Google Patents

Antriebsvorrichtung mit einem durch Fluidkraft betätigbaren Arbeitszylinder Download PDF

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EP1225343A1
EP1225343A1 EP01118584A EP01118584A EP1225343A1 EP 1225343 A1 EP1225343 A1 EP 1225343A1 EP 01118584 A EP01118584 A EP 01118584A EP 01118584 A EP01118584 A EP 01118584A EP 1225343 A1 EP1225343 A1 EP 1225343A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston rod
piston
drive device
cylinder
fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01118584A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kurt Dr. Stoll
Herbert Köngeter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Festo SE and Co KG
Original Assignee
Festo SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Festo SE and Co KG filed Critical Festo SE and Co KG
Publication of EP1225343A1 publication Critical patent/EP1225343A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/14—Characterised by the construction of the motor unit of the straight-cylinder type
    • F15B15/17—Characterised by the construction of the motor unit of the straight-cylinder type of differential-piston type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B11/00—Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor
    • F15B11/08—Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor with only one servomotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/14—Characterised by the construction of the motor unit of the straight-cylinder type
    • F15B15/1423—Component parts; Constructional details
    • F15B15/1447—Pistons; Piston to piston rod assemblies

Definitions

  • the invention relates to a drive device with a can be actuated by fluid force and in particular pneumatically Working cylinder is equipped.
  • Drive devices of this type are in various forms known. They regularly contain one with one Cylinder housing equipped working cylinder, the cylinder housing contains a piston with a one Force attack enabling piston rod is connected.
  • the Piston divides the interior of the cylinder housing into two Cylinder chambers that alternate with an actuating fluid can be acted upon or vented to the piston and Piston rod existing drive unit for a lifting movement drive.
  • Working cycles can be realized that an extension movement and an adjoining one Assemble the entry movement.
  • a control valve is assigned to each cylinder chamber, with which the fluid exposure or Can influence ventilation.
  • a drive device which contains a working cylinder which can be actuated by fluid force and which has a drive unit with a piston arranged in the cylinder housing and a piston rod connected to the piston and protruding from the cylinder housing on one end face, the piston having two for acting on one Actuating fluid provided cylinder chambers from each other, the piston rod has at least at its longitudinal section located within the associated cylinder chamber a cross-sectional area A, which is between 35% and 80% of the application area B 1 of the drive unit on the rodless side of the piston, and wherein the piston rod made of aluminum material with a tensile strength of at least 300 N / mm 2 .
  • the working cylinder can be operated with an integrated fluid spring, with particular consideration being given to pneumatic applications in which an air spring is present.
  • the cylinder chamber on the piston rod side is exposed to a constant exposure to fluid and only the opposite cylinder chamber without piston rod is acted upon by fluid in a valve-controlled manner, or is relieved or vented.
  • the differential force that forms when the fluid is applied causes the drive unit to move out quickly, while the subsequent actuation of the rodless cylinder chamber causes the actuation pressure in the cylinder chamber on the piston rod side to cause the drive-in movement.
  • a convenient measure is the cylinder to be equipped with a piston rod whose surface hardness Rockwell is over 40 HRC. There is an associated high wear resistance even at high working speeds. These values can be achieved, for example, with a Aluminum piston rod that has an anodized surface has and in particular has a sliding anodizing layer.
  • the cavity can if necessary, be provided with an internal thread that the Attaching a component allows, for example one Coupling piece or an object to be moved.
  • the control means exist here expediently from a single 3/2-way valve, which in the fluid connection between a pressure source and the piston rodless Cylinder chamber is turned on.
  • the means for constant fluid application on the piston rod side Cylinder chamber can be made between a pressure source and the fluid line running on the piston rod side of the cylinder chamber exist, preferably on a separate Pressure accumulator is dispensed with.
  • the resilient effect can therefore at least partially from the pressure increase of the connected Fluid line network when displacing the actuating fluid from the constantly pressurized cylinder chamber originate.
  • the configuration is expediently such that the two cylinder chambers are always under pressure are under the same actuation pressure. In this way is a connection to a common pressure source without any special Pressure regulation or reduction measures possible.
  • the measures according to the invention have particular advantages in connection with a working cylinder operated with compressed air, a so-called pneumatic cylinder.
  • the drive device denoted generally by reference number 1 contains a through as the main component Fluid power operated cylinder 2.
  • the fluid power is supplied by an actuating fluid that has a suitable Pressure source P is provided.
  • compressed air is provided as the actuating fluid, so that the working cylinder 2 is a pneumatic cylinder is.
  • the working cylinder 2 has a cylinder housing 3 with a cylinder tube 4, the rear through an end cover 5 and completed on the front by a bearing cover 6 is.
  • the covers are on the end of the cylinder tube 4 attached, but can also wholly or partially in the cylinder barrel 4 be used.
  • One-piece training too the cylinder tube 4 and at least one cover is possible.
  • the cylinder housing 3 delimits a receiving space inside 7, in which a piston 8 axially in the direction of the longitudinal axis 9 is slidably received.
  • the piston 8 carries in the area of the outer circumference a concentrically arranged annular Seal 12, which seals with the cylindrical inner surface of the recording room 7 cooperates. That way the receiving space 7 in two axially successive cylinder chambers 13, 14 divided.
  • a piston rod 15 fixedly connected to the piston 8 extends starting from the piston 8 towards the bearing cover 6, which they can be moved in the area of an opening 16 and penetrated sealed.
  • One of them for example Bearing bush formed annular bearing device 17 is in the Area of the opening 16 fixed on the bearing cover 6 and encloses the piston rod 15 with guide contact.
  • the piston rod 15 of a particular formed as a lip seal ring-shaped sealing device 18 enclosed, also on the bearing cap 6 is fixed. Both the bearing device 17 and the Sealing device 18 are advantageously within the Opening 16 placed and can be used as a unit if necessary be trained.
  • Fastening bolt 22 is provided for the connection between the piston 8 and the piston rod 15 . Its diameter is less than that of the piston rod 25, and it penetrates the piston 8 in the area of a central opening.
  • a spacer 23 On the end of the fastening bolt opposite the piston rod 15 22 is, advantageously with interposition a spacer 23, a fastening nut 24 screwed on, so that the piston 8 between the piston rod 15 and the fastening nut 24 is firmly clamped.
  • the piston rod 15 could also be in a different way on the piston 8 be attached, and would also be a one-piece design possible.
  • a separate fluid channel opens into each cylinder chamber 13, 14 26, 27, on the other hand via a connection opening 28, 29 opens out to the outer surface of the cylinder housing 3.
  • Actuating fluid fed in via the rear fluid channel 27 enters that cylinder chamber 14 which is not penetrated by a piston rod 15 and is referred to below as a rodless cylinder chamber 14.
  • the actuating fluid is then able to act on the end face of the drive unit 25 which delimits the rodless cylinder chamber 14 and which is referred to as the first action area B 1 .
  • it is composed of the end faces of the piston 8 which are oriented opposite to the piston rod 15 and the spacer 23, the fastening nut 24 and the fastening bolt 22.
  • the first actuating surface becomes B 1 is formed entirely by the piston surface facing away from the piston rod 15.
  • the first application area B 1 is defined by the area which is delimited by the outer contour of the piston 8.
  • the transverse extent of the first application area B 1 is additionally indicated by a double arrow.
  • the actuating fluid that is fed through the front fluid channel 16 into the cylinder chamber, which is penetrated by the piston rod 15 and is referred to below as the piston rod-side cylinder chamber 13, can, due to the piston rod 15 occupying a central region of the piston rod-side cylinder chamber 13, only act on a second application area B 2 , which is smaller than the axially oppositely oriented first application surface B 1 .
  • This second application surface B 2 is an annular surface, the outer contour of which is defined by the outer contour of the piston 8 and the inner contour of which is defined by the outer contour of the piston rod 15.
  • the second application area B 2 is marked by two double arrows for clarification.
  • Both the piston 8 and the piston rod 15 are preferably provided with a circular outer contour, so that the first application surface B 1 is a circular surface and the second application surface B 2 is an annular surface.
  • different contours would also be possible.
  • the piston 8 could have a non-circular outer contour have, preferably oval or elliptical or flat with rounded narrow sides.
  • the piston rod could also be non-circular contoured, for example square.
  • the size of the second application area B 2 depends on the size of the cross-sectional area A marked by a double arrow of the length section 35 of the piston rod 15 currently located within the cylinder chamber 13 on the piston rod side. It should be mentioned that the piston rod 15 expediently has a constant cross section over the entire length.
  • the cross-sectional area A of the piston rod 15 in an order of magnitude that is between 35% and 80% of the first application area B 1 . Accordingly, the size of the second application area B 2 is in a range between 65% and 20% of the first application area B 1 . The range limits of the percentages are included in each case.
  • a cross-sectional area A of the piston rod 15 in the range between 40% and 70%, in each case including the range limits, of the first application area B 1 has proven to be optimal.
  • the working cylinder 2 enables use as an air spring cylinder.
  • the cylinder chamber 13 on the piston rod side is constantly connected to the pressure source P via a first fluid line 32 connected to the front fluid channel 26 and is exposed to the operating pressure, which is, for example, in the order of 6 bar.
  • the operating pressure which is, for example, in the order of 6 bar.
  • the drive unit 25, in conjunction with the second application surface B 2 experiences a constant restoring force F R in the direction of entry, that is to say in the sense of an approach of the drive unit 25 to the end cover 5 on the rear side 13.
  • Common fluid line cross-sections are used here, an additional pressure accumulator is not switched on, as is the installation of a pressure reducer or pressure regulator.
  • the rodless cylinder chamber 14 is connected to the rear fluid channel 27 connected second fluid line 33 also connected to a pressure source P, whereby it is preferably the same pressure source with which also the piston rod-side cylinder chamber 13 in constant Connection is established.
  • a pressure source P is preferably the same pressure source with which also the piston rod-side cylinder chamber 13 in constant Connection is established.
  • a 3/2-way valve in the second fluid line 32 34 turned on, as a control means for the controlled Acting and relieving or venting the rodless cylinder chamber 14.
  • the 3/2-way valve which can be activated in particular electrically and in this case preferably electromagnetically or piezoelectrically, can optionally assume a ventilation switching position or an actuation switching position which can be seen in the drawing.
  • a ventilation switching position the connection between the rodless cylinder chamber 14 and the pressure source P is interrupted and the rodless cylinder chamber 14 is vented to the atmosphere.
  • the drive unit 25 consequently assumes the retracted position shown in the drawing, in which it rests with the piston 8 on the inner surface of the end cover 5.
  • the drive unit 25 is held in the retracted position by the constantly acting restoring force F R.
  • the 3/2-way valve can be switched to the vent switch position, whereupon the extension force F A is omitted and the drive unit 25 is moved back into the retracted position by the restoring force F R which continues to act.
  • the switching which triggers the retraction movement of the drive unit 25 of the 3/2-way valve can by a sensor device are triggered when the extended Position of the drive unit 25 responds.
  • the Piston 8 for example, a permanent magnetic actuator 42 have contactless with one not closer shown sensor cooperates outside the receiving space 7.
  • the sensor can be a simple cylinder switch or Be reed switch.
  • the actuating element 42 is concerned for example a ring magnet.
  • the design of the piston rod 15 made of aluminum material with a tensile strength of at least 300 N / mm 2 also makes a not insignificant contribution. Compared to a conventional steel piston rod, this results in a not inconsiderable weight saving, which allows higher acceleration values of the drive unit 25 due to the associated reduction in the mass to be moved.
  • the high tensile strength guarantees high resilience, so that the possible uses are not restricted compared to conventional working cylinders.
  • the Piston rod 15 is hollow over at least part of its length is trained.
  • the corresponding cavity 36 extends expediently starting from the opposite of the piston 8 outer end of the piston rod 15 coaxially in the direction towards the piston 8. Its length is expediently more than half the piston rod length. For example, it can by drilling out those originally made in solid material Piston rod 15 are made.
  • the cavity 36 can be used for multiple functions if required connect. So the piston rod 15 in the range of Cavity 36 may be provided with an internal thread 37, the allows the attachment of another component, for example one is the attachment of an object to be moved enabling coupling part or the object to be moved itself. So that the screwing process can be carried out without any problems goes, the piston rod 15, in particular at the outer end region, on the circumference with the attachment of a holding tool enabling key surface 38 equipped his.
  • the piston rod 15 is in the area their outer circumference with a surface hardness, which is over 40 HRC (Rockwell hardness).
  • HRC Rockwell hardness
  • the material of the piston 8 is also expedient selected in terms of weight saving. He therefore suitably consists of aluminum material, wherein however the strength values of the piston rod were not reached Need to become. It can be a conventional aluminum alloy act as they are especially for Components of the cylinder housing 3 is used.
  • the multi-part piston structure realized in the exemplary embodiment with two axially stacked disc bodies is not mandatory, but facilitates the assembly of the annular actuator 42.
  • the invention enables Structure of the drive device also an operation with relatively low air consumption. Because the entry movement from which previously from the piston rod side cylinder chamber ejected actuating fluid is caused Air consumption for the entry movement is zero, which in Compared to conventional modes of operation a considerable one Energy saving entails.

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Abstract

Es wird eine Antriebsvorrichtung vorgeschlagen, die einen durch Fluidkraft betätigbaren Arbeitszylinder (2) enthält, der eine Antriebseinheit (25) mit einem im Zylindergehäuse (3) angeordneten Kolben (8) und einer mit dem Kolben (8) verbundenen und an einer Stirnseite aus dem Zylindergehäuse (3) herausragenden Kolbenstange (15) aufweist. Der Kolben (8) teilt zwei zur Beaufschlagung mit einem Betätigungsfluid vorgesehene Zylinderkammern (13, 14) voneinander ab, wobei die Kolbenstange (15) wenigstens an ihrem innerhalb der zugeordneten Zylinderkammer (13) befindlichen Längenabschnitt (35) eine Querschnittsfläche (A) aufweist, die zwischen 35% und 80% der Beaufschlagungsfläche (B1) der Antriebseinheit (25) auf der kolbenstangenlosen Seite des Kolbens (8) beträgt. Die Kolbenstange (15) besteht aus Aluminiummaterial mit einer Zugfestigkeit von mindestens 300 N/mm<2>.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung, die mit einem durch Fluidkraft und insbesondere pneumatisch betätigbaren Arbeitszylinder ausgestattet ist.
Antriebsvorrichtungen dieser Art sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Sie enthalten regelmäßig einen mit einem Zylindergehäuse ausgestatteten Arbeitszylinder, wobei das Zylindergehäuse einen Kolben enthält, der mit einer einen Kraftangriff ermöglichenden Kolbenstange verbunden ist. Der Kolben unterteilt den Innenraum des Zylindergehäuses in zwei Zylinderkammern, die abwechselnd mit einem Betätigungsfluid beaufschlagbar oder entlüftbar sind, um die aus Kolben und Kolbenstange bestehende Antriebseinheit zu einer Hubbewegung anzutreiben. Dabei lassen sich Arbeitszyklen realisieren, die sich aus einer Ausfahrbewegung und einer sich daran anschlieβenden Einfahrbewegung zusammensetzen. Zur Steuerung des Arbeitszyklus ist jeder Zylinderkammer ein Steuerventil zugeordnet, mit dem sich die Fluidbeaufschlagung beziehungsweise Entlüftung beeinflussen lässt.
Je nach Anwendungsfall besteht bei den Antriebsvorrichtungen nicht selten die Anforderung für sehr geringe Zykluszeiten und eine dementsprechend hohe Arbeitsgeschwindigkeit. Andererseits soll der konstruktive Aufwand der Antriebsvorrichtungen möglichst gering gehalten werden. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebsvorrichtung mit einem Arbeitszylinder zu schaffen, die bei einfachem Aufbau hohe Arbeitsgeschwindigkeiten gestattet.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Antriebsvorrichtung, die einen durch Fluidkraft betätigbaren Arbeitszylinder enthält, der eine Antriebseinheit mit einem im Zylindergehäuse angeordneten Kolben und einer mit dem Kolben verbundenen und an einer Stirnseite aus dem Zylindergehäuse herausragenden Kolbenstange aufweist, wobei der Kolben zwei zur Beaufschlagung mit einem Betätigungsfluid vorgesehene Zylinderkammern voneinander abteilt, wobei die Kolbenstange wenigstens an ihrem innerhalb der zugeordneten Zylinderkammer befindlichen Längenabschnitt eine Querschnittsfläche A aufweist, die zwischen 35 % und 80 % der Beaufschlagungsfläche B1 der Antriebseinheit auf der kolbenstangenlosen Seite des Kolbens beträgt, und wobei die Kolbenstange aus Aluminiummaterial mit einer Zugfestigkeit von mindestens 300 N/mm2 besteht.
Auf Grund des relativ großen Kolbenstangenquerschnittes ergibt sich eine verhältnismäßig große Flächendifferenz zwischen den beidseits des Kolbens definierten, einer Fluidbeaufschlagung zur Verfügung stehenden Beaufschlagungsflächen der Antriebseinheit. Auf diese Weise kann der Arbeitszylinder mit integrierter Fluidfeder betrieben werden, wobei insbesondere an pneumatische Anwendungen gedacht ist, bei denen eine Luftfeder vorhanden ist. Dabei wird die kolbenstangenseitige Zylinderkammer einer ständigen Fluidbeaufschlagung ausgesetzt und lediglich die entgegengesetzte, kolbenstangenlose Zylinderkammer ventiltechnisch gesteuert mit Fluid beaufschlagt oder entlastet bzw. entlüftet. Die sich bei der Fluidbeaufschlagung ausbildende Differenzkraft bewirkt eine rasche Ausfahrbewegung der Antriebseinheit, während beim nachfolgenden Entlüften der kolbenstangenlosen Zylinderkammer der in der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer anstehende Betätigungsdruck die Einfahrbewegung verursacht. Bedingt durch die auf diese Weise mögliche Reduzierung der Steuerventile, können Verzögerungen beim Umschalten zwischen der Ausfahrbewegung und der Einfahrbewegung drastisch reduziert werden, so dass sich eine sehr geringe Zykluszeit mit entsprechend hoher Arbeitsgeschwindigkeit einstellt. In Verbindung mit dieser Betätigungsmöglichkeit führt die Herstellung der Kolbenstange aus Aluminiummaterial zu einer Verringerung der zu bewegenden Masse, was höhere Beschleunigungswerte gestattet und folglich ebenfalls zu einer Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit beiträgt. Die dabei gewählte Zugfestigkeit des Kolbenstangenmaterials von mindestens 300 N/mm2 garantiert Festigkeitswerte, die denjenigen konventioneller, aus Stahl bestehender Kolbenstangen nicht oder nur wenig nachstehen, so dass der Arbeitszylinder praktisch uneingeschränkt einsetzbar ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, die Querschnittsfläche A der Kolbenstange zwischen 40 % und 70 % der auf der kolbenstangenlosen Seite liegenden Beaufschlagungsfläche B1 der Antriebseinheit zu wählen. Dabei sind, wie bei den eingangs genannten Prozentangaben, die Bereichsgrenzwerte mit eingeschlossen.
Eine zweckmäßige Maßnahme besteht darin, den Arbeitszylinder mit einer Kolbenstange auszustatten, deren Oberflächenhärte nach Rockwell bei über 40 HRC liegt. Damit verbunden ist eine hohe Verschleißfestigkeit auch bei hohen Arbeitsgeschwindigkeiten. Erzielbar sind diese Werte beispielsweise mit einer Aluminium-Kolbenstange, die über eine eloxierte Oberfläche verfügt und insbesondere eine Gleit-Eloxierschicht aufweist.
Eine weitere Verringerung der bewegten Masse kann dadurch hervorgerufen werden, dass die Kolbenstange über wenigstens einen Teil ihrer Länge und vorzugsweise über mehr als die Hälfte ihrer Länge hohl ausgebildet ist. Der Hohlraum kann bei Bedarf mit einem Innengewinde versehen werden, das das Anbringen eines Bauteils ermöglicht, beispielsweise eines Kupplungsstückes oder eines zu bewegenden Gegenstandes.
Es ist zweckmäßig, die Antriebsvorrichtung unmittelbar so auszuführen, dass sie zum einen Mittel zur ständigen Fluidbeaufschlagung der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer enthält und zum anderen über Steuermittel zur gesteuerten Beaufschlagung und Entlastung bzw. Entlüftung der kolbenstangenlosen Zylinderkammer verfügt. Die Steuermittel bestehen hierbei zweckmäßigerweise aus einem einzigen 3/2-Wegeventil, das in die Fluidverbindung zwischen einer Druckquelle und der kolbenstangenlosen Zylinderkammer eingeschaltet ist. Die Mittel zur ständigen Fluidbeaufschlagung der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer können aus einer zwischen der Druckquelle und der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer verlaufenden Fluidleitung bestehen, wobei vorzugsweise auf einen gesonderten Druckspeicher verzichtet wird. Der rückfedernde Effekt kann daher zumindest partiell von der Druckerhöhung des angeschlossenen Fluidleitungsnetzes beim Verdrängen des Betätigungsfluides aus der ständig druckbeaufschlagten Zylinderkammer herrühren.
Zweckmäßigerweise ist die Ausgestaltung so getroffen, dass die beiden Zylinderkammern im beaufschlagten Zustand stets unter dem gleichen Betätigungsdruck stehen. Auf diese Weise ist ein Anschluss an eine gemeinsame Druckquelle ohne besondere Druckregelungs- bzw. -reduziermaßnahmen möglich.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen zeitigen besondere Vorteile in Verbindung mit einem mit Druckluft betriebenen Arbeitszylinder, also einem sogenannten Pneumatikzylinder.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der eine einzige Figur enthaltenden beiliegenden Zeichnung näher erläutert, die einen bevorzugten Aufbau der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung zeigt, wobei der Arbeitszylinder der Antriebsvorrichtung im Längsschnitt dargestellt ist.
Die in ihrer Allgemeinheit mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Antriebsvorrichtung enthält als Hauptkomponente einen durch Fluidkraft betätigbaren Arbeitszylinder 2. Die Fluidkraft wird von einem Betätigungsfluid geliefert, das über eine geeignete Druckquelle P zur Verfügung gestellt wird. Beim Ausführungsbeispiel ist als Betätigungsfluid Druckluft vorgesehen, so dass es sich bei dem Arbeitszylinder 2 um einen Pneumatikzylinder handelt.
Der Arbeitszylinder 2 verfügt über ein Zylindergehäuse 3 mit einem Zylinderrohr 4, das rückseitig durch einen Abschlussdeckel 5 und vorderseitig durch einen Lagerdeckel 6 abgeschlossen ist. Die Deckel sind an das Zylinderrohr 4 stirnseitig angesetzt, können aber auch ganz oder teilweise in das Zylinderrohr 4 eingesetzt sein. Auch eine einstückige Ausbildung des Zylinderrohres 4 und wenigstens eines Deckels ist möglich.
Das Zylindergehäuse 3 begrenzt im Innern einen Aufnahmeraum 7, in dem ein Kolben 8 axial in Richtung der Längsachse 9 verschiebbar aufgenommen ist. Der Kolben 8 trägt im Bereich des Außenumfanges eine konzentrisch angeordnete ringförmige Dichtung 12, die dichtend mit der zylindrischen Innenfläche des Aufnahmeraumes 7 zusammenarbeitet. Auf diese Weise ist der Aufnahmeraum 7 in zwei axial aufeinanderfolgende Zylinderkammern 13, 14 unterteilt.
Eine mit dem Kolben 8 fest verbundene Kolbenstange 15 erstreckt sich ausgehend vom Kolben 8 in Richtung zum Lagerdeckel 6, den sie im Bereich einer Durchbrechung 16 verschiebbar und abgedichtet durchsetzt. Eine beispielsweise von einer Lagerbüchse gebildete ringförmige Lagereinrichtung 17 ist im Bereich der Durchbrechung 16 am Lagerdeckel 6 fixiert und umschließt die Kolbenstange 15 mit Führungskontakt. In vergleichbarer Weise wird die Kolbenstange 15 von einer insbesondere als Lippendichtring ausgebildeten ringförmigen Dichtungseinrichtung 18 umschlossen, die ebenfalls am Lagerdeckel 6 fixiert ist. Sowohl die Lagereinrichtung 17 als auch die Dichtungseinrichtung 18 sind zweckmäßigerweise innerhalb der Durchbrechung 16 platziert und können bei Bedarf als Baueinheit ausgebildet sein.
Zur Verbindung zwischen dem Kolben 8 und der Kolbenstange 15 ist an letzterer rückseitig ein mit einem Gewinde ausgestatteter Befestigungsbolzen 22 vorgesehen. Sein Durchmesser ist geringer als derjenige der Kolbenstange 25, und er durchsetzt den Kolben 8 im Bereich einer zentralen Durchbrechung. Auf das der Kolbenstange 15 entgegengesetzte Ende des Befestigungsbolzens 22 ist, zweckmäßigerweise unter Zwischenschaltung einer Distanzscheibe 23, eine Befestigungsmutter 24 aufgeschraubt, so dass der Kolben 8 zwischen der Kolbenstange 15 und der Befestigungsmutter 24 fest eingespannt ist.
Die Kolbenstange 15 könnte auch auf andere Weise am Kolben 8 befestigt sein, und auch eine einstückige Ausgestaltung wäre möglich. Jedenfalls sind der Kolben 8 und die Kolbenstange 15 durch die feste Verbindung zu einer Antriebseinheit 25 zusammengefasst, die sich nur einheitlich in Richtung der Längsachse 9 gemäß Doppelpfeil 21 hin und her bewegen lässt.
In jede Zylinderkammer 13, 14 mündet ein eigener Fluidkanal 26, 27, der andererseits über eine Anschlussöffnung 28, 29 zur Außenfläche des Zylindergehäuses 3 ausmündet. Bevorzugt verlaufen die Fluidkanäle 26, 27 im der jeweiligen Zylinderkammer 13, 14 zugeordneten Abschluss- bzw. Lagerdeckel 5, 6.
Über den rückseitigen Fluidkanal 27 eingespeistes Betätigungsfluid gelangt in diejenige Zylinderkammer 14, die nicht von einer Kolbenstange 15 durchsetzt ist und nachfolgend als kolbenstangenlose Zylinderkammer 14 bezeichnet wird. Das Betätigungsfluid ist dann in der Lage, die die kolbenstangenlose Zylinderkammer 14 begrenzende Stirnfläche der Antriebseinheit 25 zu beaufschlagen, welche als erste Beaufschlagungsfläche B1 bezeichnet sei. Sie setzt sich beim Ausführungsbeispiel zusammen aus den entgegengesetzt zur Kolbenstange 15 orientierten Stirnflächen des Kolbens 8 sowie der Distanzscheibe 23, der Befestigungsmutter 24 und des Befestigungsbolzens 22. Bei einer Befestigungsart der Kolbenstange 15, die auf eine Durchdringung des Kolbens 8 verzichtet, wird die erste Betätigungsfläche B1 komplett von der der Kolbenstange 15 abgewandten Kolbenfläche gebildet. Jedenfalls wird die erste Beaufschlagungsfläche B1 von derjenigen Fläche definiert, die von der Außenkontur des Kolbens 8 umgrenzt ist. Die Querausdehnung der ersten Beaufschlagungsfläche B1 ist ergänzend durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet.
Das über den vorderen Fluidkanal 16 in die von der Kolbenstange 15 durchsetzte und nachfolgend als kolbenstangenseitige Zylinderkammer 13 bezeichnete Zylinderkammer eingespeiste Betätigungsfluid kann, bedingt durch die einen zentralen Bereich der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer 13 belegende Kolbenstange 15, lediglich eine zweite Beaufschlagungsfläche B2 beaufschlagen, die kleiner ist als die axial entgegengesetzt orientierte erste Beaufschlagungsfläche B1. Es handelt sich bei dieser zweiten Beaufschlagungsfläche B2 um eine Ringfläche, deren Außenkontur von der Außenkontur des Kolbens 8 und deren Innenkontur von der Außenkontur der Kolbenstange 15 definiert ist. In der Zeichnung ist die zweite Beaufschlagungsfläche B2 zur Verdeutlichung noch mittels zweier Doppelpfeile markiert.
Vorzugsweise sind sowohl der Kolben 8 als auch die Kolbenstange 15 mit einer kreisrunden Außenkontur versehen, so dass die erste Beaufschlagungsfläche B1 eine Kreisfläche und die zweite Beaufschlagungsfläche B2 eine Kreisringfläche ist. Allerdings wären auch abweichende Konturen möglich.
Beispielsweise könnte der Kolben 8 eine unkreisförmige Außenkontur haben, vorzugsweise oval oder elliptisch oder flach mit abgerundeten Schmalseiten. Die Kolbenstange könnte ebenfalls unkreisförmig konturiert sein, beispielsweise quadratisch.
Jedenfalls ist ersichtlich, dass die Größe der zweiten Beaufschlagungsfläche B2 von der Größe der durch einen Doppelpfeil markierten Querschnittsfläche A des momentan innerhalb der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer 13 befindlichen Längenabschnittes 35 der Kolbenstange 15 abhängt. Dabei sei erwähnt, dass die Kolbenstange 15 zweckmäßigerweise über die gesamte Länge hinweg einen konstanten Querschnitt aufweist.
Für die gewünschten Einsatzfälle hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Querschnittsfläche A der Kolbenstange 15 in einer Größenordnung zu wählen, die zwischen 35 % und 80 % der ersten Beaufschlagungsfläche B1 beträgt. Dementsprechend beläuft sich die Größe der zweiten Beaufschlagungsfläche B2 auf einen Bereich zwischen 65 % und 20 % der ersten Beaufschlagungsfläche B1. Die Bereichsgrenzen der Prozentangaben sind hierbei jeweils mit einbezogen.
Als optimal hat sich eine Querschnittsfläche A der Kolbenstange 15 im Bereich zwischen 40 % und 70 %, je einschließlich der Bereichsgrenzen, der ersten Beaufschlagungsfläche B1 herausgestellt.
Auf Basis dieser Auslegung ermöglicht der Arbeitszylinder 2 einen Einsatz als Luftfeder-Zylinder. Dabei steht die kolbenstangenseitige Zylinderkammer 13 über eine an den vorderen Fluidkanal 26 angeschlossene erste Fluidleitung 32 ständig mit der Druckquelle P in Verbindung und ist dem Betriebsdruck ausgesetzt, der beispielsweise in einer Größenordnung von 6 bar liegt. Durch diesen Betriebsdruck erfährt die Antriebseinheit 25 in Verbindung mit der zweiten Beaufschlagungsfläche B2 eine ständige Rückstellkraft FR im Einfahrsinne, also im Sinne einer Annäherung der Antriebseinheit 25 an den rückseitigen Abschlussdeckel 5. Die erste Fluidleitung 32 repräsentiert hier Mittel zur ständigen Fluidbeaufschlagung der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer 13. Es kommen hierbei übliche Fluidleitungsquerschnitte zum Einsatz, auf die Einschaltung eines zusätzlichen Druckspeichers wird ebenso verzichtet wie auf den Einbau eines Druckminderers bzw. Druckreglers.
Die kolbenstangenlose Zylinderkammer 14 ist über eine an den rückseitigen Fluidkanal 27 angeschlossene zweite Fluidleitung 33 ebenfalls an eine Druckquelle P angeschlossen, wobei es sich vorzugsweise um die gleiche Druckquelle handelt, mit der auch die kolbenstangenseitige Zylinderkammer 13 in ständiger Verbindung steht. Anders als bei der ersten Fluidleitung 32 ist allerdings in die zweite Fluidleitung 32 ein 3/2-Wegeventil 34 eingeschaltet, und zwar als Steuermittel zur gesteuerten Beaufschlagung und Entlastung bzw. Entlüftung der kolbenstangenlosen Zylinderkammer 14.
Das insbesondere elektrisch und dabei vorzugsweise elektromagnetisch oder piezoelektrisch aktivierbare 3/2-Wegeventil kann wahlweise eine aus der Zeichnung ersichtliche Entlüftungsschaltstellung oder eine Beaufschlagungsschaltstellung einnehmen. In der Entlüftungsschaltstellung ist die Verbindung zwischen der kolbenstangenlosen Zylinderkammer 14 und der Druckquelle P unterbrochen und die kolbenstangenlose Zylinderkammer 14 zur Atmosphäre hin entlüftet. Die Antriebseinheit 25 nimmt demzufolge die aus der Zeichnung ersichtliche eingefahrene Stellung ein, bei der sie mit dem Kolben 8 an der Innenfläche des Abschlussdeckels 5 anliegt. Die Antriebseinheit 25 wird durch die ständig wirkende Rückstellkraft FR in der eingefahrenen Stellung gehalten.
Erfolgt ein Umschalten des 3/2-Wegeventils in die Beaufschlagungsstellung, ergibt sich eine Fluidverbindung zwischen der Druckquelle P und der kolbenstangenlosen Zylinderkammer 14. Als Folge wirkt auf die Antriebseinheit 25 eine der Rückstellkraft FR entgegengesetzte Ausfahrkraft FA, die auf Grund der im Vergleich zur zweiten Beaufschlagungsfläche B2 größeren ersten Beaufschlagungsfläche B1 erheblich größer ist als die Rückstellkraft FR. Dies hat zur Folge, dass die Antriebseinheit 25 eine Ausfahrbewegung durchführt, bei der die Kolbenstange 15 aus dem Lagerdeckel 6 ausfährt und sich der Kolben 8 zugleich an den Lagerdeckel 6 annähert. Die Ausfahrbewegung endet mit dem Aufprall des Kolbens 8 an der Innenfläche des Lagerdeckels 6.
Bei Erreichen dieser ausgefahrenen Position kann das 3/2-Wegeventil in die Entlüftungsschaltstellung umgeschaltet werden, worauf die Ausfahrkraft FA entfällt und die Antriebseinheit 25 durch die weiterhin wirkende Rückstellkraft FR in die eingefahrene Stellung zurückbewegt wird.
Das die Einfahrbewegung der Antriebseinheit 25 auslösende Umschalten des 3/2-Wegeventils kann durch eine Sensoreinrichtung ausgelöst werden, die bei Erreichen der ausgefahrenen Position der Antriebseinheit 25 anspricht. Hierzu kann der Kolben 8 ein zum Beispiel permanentmagnetisches Betätigungselement 42 aufweisen, das berührungslos mit einem nicht näher dargestellten Sensor außerhalb des Aufnahmeraumes 7 zusammenarbeitet. Der Sensor kann ein einfacher Zylinderschalter bzw. Reed-Schalter sein. Bei dem Betätigungselement 42 handelt es sich beispielsweise um einen Ringmagneten.
Auf diese Weise ist eine automatische Umsteuerung des 3/2-Wegeventils realisierbar, was eine verzögerungsfreie Bewegungsumkehr ermöglicht und demzufolge einen sehr raschen Ablauf eines aus Ausfahrbewegung und Einfahrbewegung bestehenden Arbeitszyklus. Da eine Ventilsteuerung der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer 13 entfällt, entfallen auch die Ventilschaltzeiten, die mit einem solchen zusätzlichen Steuerventil verbunden wären.
Allerdings sind nicht nur das Flächenverhältnis und die gewählte Betätigungsart für die hohe Arbeitsgeschwindigkeit des Arbeitszylinders 2 verantwortlich. Einen nicht unwesentlichen Beitrag liefert auch die Ausgestaltung der Kolbenstange 15 aus Aluminiummaterial mit einer Zugfestigkeit von mindestens 300 N/mm2. Im Vergleich zu einer konventionellen Stahl-Kolbenstange ergibt sich hier eine nicht unbeträchtliche Gewichtseinsparung, was infolge der damit verbundenen Reduzierung der zu bewegenden Masse höhere Beschleunigungswerte der Antriebseinheit 25 gestattet. Die hohe Zugfestigkeit garantiert dabei eine hohe Belastbarkeit, so dass die Einsatzmöglichkeiten im Vergleich zu konventionellen Arbeitszylindern nicht eingeschränkt sind.
Um die bewegte Masse noch weiter zu reduzieren, kann gemäß dem Ausführungsbeispiel auch noch vorgesehen sein, dass die Kolbenstange 15 über wenigstens einen Teil ihrer Länge hohl ausgebildet ist. Der entsprechende Hohlraum 36 erstreckt sich zweckmäßigerweise ausgehend von dem dem Kolben 8 entgegengesetzten äußeren Ende der Kolbenstange 15 koaxial in Richtung zum Kolben 8 hin. Seine Länge beträgt zweckmäßigerweise mehr als die Hälfte der Kolbenstangenlänge. Er kann beispielsweise durch Aufbohren der ursprünglich in Vollmaterial ausgeführten Kolbenstange 15 hergestellt werden.
Mit dem Hohlraum 36 lässt sich bei Bedarf eine Mehrfachfunktion verbinden. So kann die Kolbenstange 15 im Bereich des Hohlraumes 36 mit einem Innengewinde 37 versehen sein, das die Befestigung eines weiteren Bauteils gestattet, beispielsweise eines das Anbringen eines zu bewegenden Gegenstandes ermöglichenden Kupplungsteils oder des zu bewegenden Gegenstandes selbst. Damit der Schraubvorgang problemlos vonstatten geht, kann die Kolbenstange 15, insbesondere am äußeren Endbereich, umfangsseitig mit einer das Ansetzen eines Haltewerkzeuges ermöglichenden Schlüsselfläche 38 ausgestattet sein.
Um trotz hoher Arbeitsgeschwindigkeit einen verschleißarmen Betrieb zu ermöglichen, ist die Kolbenstange 15 im Bereich ihres Außenumfanges mit einer Oberflächenhärte ausgebildet, die über 40 HRC (Rockwell-Härte) liegt. Der Arbeitszylinder 2 eignet sich somit auch für Einsatzfälle, bei denen die Kolbenstange Querbelastungen ausgesetzt ist.
Das Material des Kolbens 8 ist zweckmäßigerweise ebenfalls unter Gesichtspunkten der Gewichtseinsparung ausgewählt. Er besteht daher zweckmäßigerweise aus Aluminiummaterial, wobei allerdings die Festigkeitswerte der Kolbenstange nicht erreicht werden müssen. Es kann sich um eine konventionelle Aluminiumlegierung handeln, wie sie insbesondere auch für die Komponenten des Zylindergehäuses 3 zum Einsatz kommt.
Der beim Ausführungsbeispiel realisierte mehrteilige Kolbenaufbau mit zwei axial aufeinandergeschichteten Scheibenkörpern ist nicht zwingend, erleichtert jedoch die Montage des ringförmigen Betätigungselementes 42.
Neben der hohen Arbeitsgeschwindigkeit ermöglicht der erfindungsgemäße Aufbau der Antriebsvorrichtung auch einen Betrieb mit relativ geringem Luftverbrauch. Da die Einfahrbewegung von dem zuvor aus der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer ausgeschobenen Betätigungsfluid hervorgerufen wird, ist der Luftverbrauch für die Einfahrbewegung gleich null, was im Vergleich zu konventionellen Betriebsweisen eine beträchtliche Energieeinsparung nach sich zieht.
Zur Arbeitsgeschwindigkeit kann noch nachgetragen werden, dass der beschriebene Aufbau der Antriebsvorrichtung im Vergleich zu Serienzylindern entsprechender Kolbendurchmesser eine Geschwindigkeitserhöhung von bis zu 60 % gestattet.

Claims (13)

  1. Antriebsvorrichtung, mit einem durch Fluidkraft betätigbaren Arbeitszylinder (2), der eine Antriebseinheit (25) mit einem im Zylindergehäuse (3) angeordneten Kolben (8) und einer mit dem Kolben (8) verbundenen und an einer Stirnseite aus dem Zylindergehäuse (3) herausragenden Kolbenstange (15) aufweist, wobei der Kolben (8) zwei zur Beaufschlagung mit einem Betätigungsfluid vorgesehene Zylinderkammern (13, 14) voneinander abteilt, wobei die Kolbenstange (15) wenigstens an ihrem innerhalb der zugeordneten Zylinderkammer (13) befindlichen Längenabschnitt (35) eine Querschnittsfläche (A) aufweist, die zwischen 35 % und 80 % der Beaufschlagungsfläche (B1) der Antriebseinheit (25) auf der kolbenstangenlosen Seite des Kolbens (8) beträgt, und wobei die Kolbenstange (15) aus Aluminiummaterial mit einer Zugfestigkeit von mindestens 300 N/mmm2 besteht.
  2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche (A) der Kolbenstange (15) zwischen 40 % und 70 % der auf der kolbenstangenlosen Seite liegenden Beaufschlagungsfläche (B1) der Antriebseinheit (25) beträgt.
  3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (8) und/oder die Kolbenstange (15) eine kreisrunde oder eine von der Kreisform abweichende Außenkontur aufweisen.
  4. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (15) mit einer über 40 HRC liegenden Oberflächenhärte ausgebildet ist.
  5. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (15) über wenigstens einen Teil ihrer Länge und vorzugsweise über mehr als die Hälfte ihrer Länge hohl ausgebildet ist.
  6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Hohlraum (36) der Kolbenstange (15) ausgehend von dem dem Kolben (8) entgegengesetzten äußeren Ende der Kolbenstange (15) koaxial in Richtung zum Kolben (8) erstreckt.
  7. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (15) im Bereich des Hohlraumes (36) mit einem Innengewinde versehen ist.
  8. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (8) aus Aluminiummaterial besteht.
  9. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Mittel (32) zur ständigen Fluidbeaufschlagung der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer (13) und durch Steuermittel (34) zur gesteuerten Beaufschlagung und Entlastung bzw. Entlüftung der kolbenstangenlosen Zylinderkammer (14).
  10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel aus einem 3/2-Wegeventil (34) bestehen, das in die Fluidverbindung zur kolbenstangenlosen Zylinderkammer (14) eingeschaltet ist.
  11. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur ständigen Fluidbeaufschlagung der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer (13) aus einer zwischen einer Druckquelle (P) und der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer (13) verlaufenden Fluidleitung (32) bestehen.
  12. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zylinderkammern (13, 14) zur Beaufschlagung mit unter dem gleichen Betätigungsdruck stehendem Betätigungsfluid vorgesehen sind.
  13. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Arbeitszylinder (2) um einen durch Druckluft als Betätigungsfluid betätigbaren pneumatischen Arbeitszylinder handelt.
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