EP1261808B1 - Linearantrieb mit integriertem pneumohydraulischen druckübersetzer - Google Patents

Linearantrieb mit integriertem pneumohydraulischen druckübersetzer Download PDF

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EP1261808B1
EP1261808B1 EP01915078A EP01915078A EP1261808B1 EP 1261808 B1 EP1261808 B1 EP 1261808B1 EP 01915078 A EP01915078 A EP 01915078A EP 01915078 A EP01915078 A EP 01915078A EP 1261808 B1 EP1261808 B1 EP 1261808B1
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EP
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pneumatic
hydraulic
membrane
linear drive
cylinder
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EP01915078A
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Heinrich VAN DE LÖCHT
Holger JÄSCHKE
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Kontec GmbH
Original Assignee
Kontec GmbH
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Publication date
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    • F15B2211/775—Combined control, e.g. control of speed and force for providing a high speed approach stroke with low force followed by a low speed working stroke with high force, e.g. for a hydraulic press

Definitions

  • the invention relates to a linear drive with an integrated pneumohydraulic pressure intensifier with the features of the preamble of claim 1.
  • Such a linear drive is known from DE 197 58 159 A1, which has a pneumatic cylinder in which a pneumatic piston arrangement is mounted in an axially adjustable manner.
  • This pneumatic piston arrangement has two axially spaced end pistons, between which the pneumatic piston arrangement contains a hydraulic cylinder in which a plunger and a hydraulic piston are mounted so as to be axially adjustable.
  • the plunger is led out of the hydraulic cylinder, the plunger penetrating the associated end piston of the pneumatic piston arrangement.
  • the plunger is also attached to the pneumatic cylinder on a cylinder base that axially closes the pneumatic cylinder.
  • the hydraulic piston drives a drive rod which is led out of the hydraulic cylinder and from the pneumatic cylinder on the side facing away from the plunger, the drive rod penetrating the associated end piston of the pneumatic piston arrangement and an associated cylinder base closing the pneumatic cylinder.
  • An appropriate dimensioning forms an annular space between the plunger and the hydraulic cylinder, the volume of which depends on the axial position of the pneumatic piston arrangement relative to the plunger.
  • the pneumatic piston arrangement also has a sleeve-shaped membrane which radially envelops the hydraulic cylinder, a hydraulic accumulator being formed radially between this membrane and the hydraulic cylinder and communicating with the interior of the hydraulic cylinder via a hydraulic connection.
  • the hydraulic connection is open and the hydraulic piston is biased in the forward stroke direction of the drive rod and is stationary relative to the pneumatic piston arrangement.
  • the pneumatic piston arrangement moves relative to the plunger, which moves out of the hydraulic cylinder. This reduces the volume of the annular space on the one hand and increases the volume of the interior of the hydraulic cylinder filled with hydraulic fluid on the other hand.
  • hydraulic fluid flows from the hydraulic accumulator into the interior of the hydraulic cylinder.
  • the hydraulic connection is blocked and the pneumatic piston arrangement moves relative to the hydraulic piston, so that due to the still decreasing volume of the annular space in the hydraulic cylinder Hydraulic piston driving high pressure builds up as soon as the drive rod meets an obstacle.
  • the drive rod moves relative to the pneumatic cylinder with a relatively low lifting speed. Since a relatively low pneumatic pressure is converted into a relatively high hydraulic pressure inside the linear drive constructed in this way, the linear drive has an integrated pneumohydraulic pressure intensifier.
  • the present invention is concerned with the problem of designing a linear drive of the type mentioned at the outset in such a way that the entry of the pneumatic means into the hydraulic system of the linear drive is reduced.
  • the invention is based on the general idea of forming a vented intermediate layer inside the membrane, which envelops the hydraulic accumulator.
  • Under a "vent” is understood here to mean the application of a degassing pressure which is lower than the pneumatic pressure prevailing on the outside of the membrane.
  • the pneumatic means penetrating from the radially outside into the membrane reaches a maximum of the intermediate layer, since this is vented and the pneumatic gas can accordingly escape from the intermediate layer.
  • the invention is based on the knowledge that the pneumatic means penetrates into the membrane or penetrates through the membrane when the pneumatic means is at an elevated pressure level. Accordingly, such a diffusion does not take place against an overpressure, but always in the direction of a pressure drop.
  • the vented intermediate layer can be formed, for example, by placing one half of the membrane over the other half.
  • the membrane has an inner membrane and an outer membrane, between which the intermediate layer is formed. hereby the result is a particularly simple to implement structure for a membrane with an internal intermediate layer.
  • a plurality of axially extending grooves can be formed on at least one side facing the intermediate layer, which communicate with an annular groove running in the circumferential direction, which in turn communicate with a pneumatic connection that applies the degassing pressure to the intermediate layer. This measure simplifies the discharge of pneumatic means from the intermediate layer.
  • a pneumatic prestressing chamber radially enveloping the membrane can be provided, which communicates with a section of the pneumatic cylinder penetrated by the plunger and is sealed against a section of the pneumatic cylinder penetrated by the drive rod.
  • This measure results in essentially the same pneumatic pressure in the prestressing chamber as in the section of the pneumatic cylinder penetrated by the plunger.
  • the pneumatic pressure driving the pneumatic piston arrangement in the forward stroke direction also acts on the membrane, as a result of which a preload is applied to the hydraulic accumulator, so that the hydraulic medium, driven by this preload, enters the hydraulic cylinder. In this way, cavity effects can be reduced.
  • the pneumatic piston arrangement can advantageously have a cylindrical sleeve which radially surrounds the membrane, the prestressing chamber being formed radially between this sleeve and the membrane.
  • the diaphragm can come into radial contact with the sleeve when the hydraulic accumulator is filled, whereby a relatively large accumulator volume can be achieved for the hydraulic accumulator.
  • a linear drive 1 has a pneumatic cylinder 2, which is closed at its axial ends by a cylinder base 3 or 4, respectively.
  • a pneumatic piston arrangement 5 is axially adjustable.
  • This pneumatic piston arrangement 5 has two axially spaced end pistons 6 and 7, between which a hydraulic cylinder 8 extends.
  • the hydraulic cylinder 8 is surrounded radially on the outside by a sleeve-shaped membrane 9 made of a conventional elastic material, which is fastened at its axial ends to a receiving ring 10 and 11, respectively.
  • Each of these receiving rings 10 and 11 is firmly connected to the associated end piston 5 and 6, respectively.
  • the pneumatic piston arrangement 5 also has a cylindrical sleeve 12 which envelops the membrane 9 radially on the outside and extends in the axial direction from one end piston 6 to the other end piston 7, so that the receiving rings 10 and 11 are also accommodated in the sleeve 12.
  • the sleeve 12 is dimensioned such that an annular space 13 is formed radially between the sleeve 12 and the pneumatic cylinder 2, which has at least one radial opening 14 with an environment 15 of the pneumatic cylinder 2 communicates.
  • the annular space 13 is sealed off from the pneumatic cylinder 2 by radial seals 16 and 17, respectively, which are accommodated in the end pistons 6 and 7, respectively.
  • the pneumatic piston arrangement 5 axially separates two chambers or sections 19 and 20 from one another in the pneumatic cylinder 2. 1 to 4, the left section 19 is formed axially between the left cylinder bottom 3 and the left end piston 6 and the right section 20 axially between the right cylinder bottom 4 and the right end piston 7.
  • annular biasing chamber 18 Radially between the sleeve 12 and the membrane 9, an annular biasing chamber 18 is formed, which is sealed at one end in the axial direction with respect to the sleeve 12 and which communicates with the left cylinder section 19 at its other end via a pneumatic connecting line 21.
  • the prestressing chamber 18 is sealed off from the sleeve 12 here by a sealing collar 31 formed on the membrane 9 and projecting radially therefrom.
  • the connecting line 21 consists of a bore 22 penetrating the end piston 6, a bore 23 penetrating into the receiving ring 10, a tap hole 24 and a radial gap 25 between the sleeve 12 and the receiving ring 10.
  • a plunger 26 is fastened, which penetrates the left partial piston 6 in a sealed manner and into which Hydraulic cylinder 8 penetrates, wherein an annular space 27 is formed radially between the hydraulic cylinder 8 and the plunger 26.
  • annular space 27 is formed radially between the hydraulic cylinder 8 and the plunger 26.
  • another space extending in the axial direction could also be provided, which is formed, for example, by one or more axial grooves.
  • a hydraulic piston 28 is also axially adjustable, which is drive-connected to a drive rod 29 which penetrates the right end piston 7 in a sealed manner and also penetrates the right cylinder base 4 in a sealed manner and thus protrudes axially from the pneumatic cylinder 2.
  • a preceding end 30 of the drive rod 29 is only shown in FIG. 1, since the drive rod 29 in FIGS. 2 to 3 protrudes from the region that can be represented due to its stroke.
  • An annular hydraulic accumulator 32 is formed radially between the diaphragm 9 and the hydraulic cylinder 8 and communicates with an interior 34 of the hydraulic cylinder 8 via a hydraulic connection 33.
  • the hydraulic connection 33 consists of a spur line 35, an annular space 36 and a radial bore 37, which communicates with the hydraulic accumulator 32.
  • a sleeve-shaped intermediate layer 38 is formed in the interior of the membrane 9 and communicates with the surroundings 15 via a pneumatic connection 39.
  • the pneumatic connection 39 is in this case adjacent to the intermediate layer 38 Annular groove 40, an annular space 41 communicating therewith, a radial gap 42 between the receiving ring 11 and the sleeve 12 and an axial passage 43 between the receiving ring 11 and the associated end piston 7.
  • the radial passage 43 communicates with the annular space 13 and thus via the radial opening 14 with the environment 15.
  • While the right receiving ring 11 is pneumatically permeable to the sleeve 12 and to the end piston 7, 10 sealing means 44 are provided in the opposite receiving ring, which the seal the left receiving ring 10 on the one hand against the sleeve 12 and on the other hand against the left end piston 6.
  • a hydraulic connection 56 is formed in the left cylinder base 3 and communicates with the interior 34 of the hydraulic cylinder 8 via a central channel 58 in the plunger 26. Hydraulic medium can be filled into the hydraulic cylinder 8 via this hydraulic connection 56, or missing hydraulic medium can be refilled as required.
  • a pressure sensor 57 can be inserted into this hydraulic connection 56, which monitors the hydraulic pressure in the hydraulic cylinder 8.
  • This pressure sensor 57 is indicated by broken lines as an example in FIG. 1. With the help of the pressure sensor 57, the pressure curve can be monitored during the operation of the linear drive 1. This is important for quality assurance, for example.
  • the membrane 9 has a radially inner membrane 45 and a radially outer membrane 46.
  • the intermediate layer 38 is formed radially between the inner membrane 45 and the outer membrane 46 and adjoins the annular groove 40 at the axial end shown on the right in FIG. 5.
  • This annular groove 40 has at least one, here two, radial opening 47, which enables communication between the annular groove 40 and the annular space 41 (cf. FIGS. 1 to 4).
  • the sealing collar 31 is formed on the outer membrane 46.
  • the axial ends of the inner membrane 45 are formed by radially outwardly projecting annular collars 48 and 49, which radially overlap the outer membrane 46 on the outside.
  • the axial ends of the outer membrane 46 are also in the form of radially outwardly projecting ring collars 50 and 51, the ring collars 48 and 49 of the inner membrane 45 and the ring collars 50 and 51 of the outer membrane 46 abutting one another in an axially sealing manner.
  • the annular collars 48 to 51 have on the mutually facing sides annular depressions 52 and projections 53 which are complementary to one another and engage axially with one another.
  • a positive coupling of the two membranes 45, 46 is also achieved.
  • the outer membrane 46 can have a plurality of axially on its inside 54 facing the inner membrane 45 extending grooves 55 may be provided, which are preferably distributed in a star shape along the inner circumference of the outer membrane 46.
  • the axial grooves 55 each communicate with the annular groove 40.
  • the linear drive 1 according to the invention works as follows:
  • a pneumatic high pressure in the left cylinder section 19 drives the pneumatic piston arrangement 5 to the right. Since the driving pneumatic pressure also prevails in the preload chamber 18, it is transmitted to the hydraulic medium and thus to the interior 34 of the hydraulic cylinder 8 via the open hydraulic connection 33. Accordingly, the hydraulic piston 28 is biased into its right end position. As long as the hydraulic connection 33 is open, the hydraulic piston 28 and thus also the drive rod 29 are stationary relative to the hydraulic cylinder 8 and consequently relative to the pneumatic piston arrangement 5. Accordingly, the drive rod 29 is adjusted to the right at the same speed as the pneumatic piston arrangement 5.
  • FIG. 1 shows the starting position for a forward stroke of the drive rod 29
  • FIG. 2 shows a position in which the pneumatic piston arrangement 5 and thus the drive rod 29 have already been adjusted to the right.
  • the adjustment movement of the pneumatic piston arrangement 5 results in a relative adjustment between the plunger 26 and the hydraulic cylinder 8. Accordingly, the volume of the interior 34 of the hydraulic cylinder 8 enlarged. Hydraulic fluid can flow from the hydraulic accumulator 32 into the interior 34 through the open hydraulic connection 33.
  • the pretensioning of the membrane 9 ensures that there are no cavities when the plunger 26 is moved out of the hydraulic cylinder 8.
  • the pneumatic means During the operation of the linear drive 1, it can do so due to the pneumatic pressure prevailing in the preload chamber 18 come that pneumatic means penetrates into the membrane 9 radially from the outside to the inside, or diffuses into it. As soon as the pneumatic means has penetrated the outer membrane 46, the pneumatic means reaches the intermediate view 38, which communicates with the surroundings 15 via the pneumatic connection 39. Accordingly, there is essentially the ambient pressure in the intermediate layer 38, which is considerably lower than the pneumatic pressure prevailing in the prestressing chamber 18. Accordingly, the pneumatic means can escape from the intermediate layer 38 into the environment 15 through the pneumatic connection 39.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit integriertem pneumohydraulischen Druckübersetzer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Aus der DE 197 58 159 A1 ist ein derartiger Linearantrieb bekannt, der einen Pneumatikzylinder aufweist, in dem eine Pneumatikkolbenanordnung axial verstellbar gelagert ist. Diese Pneumatikkolbenanordnung weist zwei axial voneinander beabstandete Endkolben auf, zwischen denen die Pneumatikkolbenanordnung einen Hydraulikzylinder enthält, in dem ein Plunger und ein Hydraulikkolben axial verstellbar gelagert sind. Der Plunger ist aus dem Hydraulikzylinder herausgeführt, wobei der Plunger den zugeordneten Endkolben der Pneumatikkolbenanordnung durchdringt. Der Plunger ist außerdem am Pneumatikzylinder an einem den Pneumatikzylinder axial verschließenden Zylinderboden befestigt. Der Hydraulikkolben treibt eine Antriebsstange an, die auf der dem Plunger abgewandten Seite aus dem Hydraulikzylinder und aus dem Pneumatikzylinder herausgeführt ist, wobei die Antriebsstange den zugehörigen Endkolben der Pneumatikkolbenanordnung sowie einen zugeordneten, den Pneumatikzylinder verschließenden Zylinderboden durchdringt.
  • Zwischen dem Plunger und dem Hydraulikzylinder ist durch eine entsprechende Dimensionierung ein Ringraum ausgebildet, dessen Volumen von der Axialstellung der Pneumatikkolbenanordnung relativ zum Plunger abhängt.
  • Die Pneumatikkolbenanordnung weist außerdem eine den Hydraulikzylinder radial umhüllende, hülsenförmige Membran auf, wobei radial zwischen dieser Membran und dem Hydraulikzylinder ein Hydraulikspeicher ausgebildet ist, der über eine Hydraulikverbindung mit dem Inneren des Hydraulikzylinders kommuniziert.
  • Während einer Schnellhubphase ist die Hydraulikverbindung offen und der Hydraulikkolben ist in Vorhubrichtung der Antriebsstange vorgespannt und steht relativ zur Pneumatikkolbenanordnung still. Dabei verstellt sich die Pneumatikkolbenanordnung relativ zum Plunger, wobei sich dieser aus dem Hydraulikzylinder herausbewegt. Hierdurch reduziert sich einerseits das Volumen des Ringraumes und vergrößert sich andererseits das Volumen des mit Hydraulikmittel befüllten Inneren des Hydraulikzylinders. Durch die offene Hydraulikverbindung strömt dabei Hydraulikmittel aus dem Hydraulikspeicher in das Innere des Hydraulikzylinders.
  • Während einer Krafthubphase ist die Hydraulikverbindung gesperrt und die Pneumatikkolbenanordnung bewegt sich relativ zum Hydraulikkolben, so daß sich durch das weiterhin abnehmende Volumen des Ringraumes im Hydraulikzylinder ein den Hydraulikkolben antreibenden Hochdruck aufbaut, sobald die Antriebsstange auf ein Hindernis trifft. Dabei bewegt sich die Antriebsstange relativ zum Pneumatikzylinder mit einer relativ kleinen Hubgeschwindigkeit. Da im Inneren des so aufgebauten Linearantriebes ein relativ niedriger Pneumatikdruck in einen relativ hohen Hydraulikdruck umgewandelt wird, besitzt der Linearantrieb einen integrierten pneumohydraulischen Druckübersetzer.
  • Bei einem derartigen Linearantrieb besteht das Problem, daß das Pneumatikmittel, insbesondere Luft, mit der Zeit die Membran durchdringt, insbesondere durch Diffusionsvorgänge, und dadurch in den Hydraulikspeicher eindringt und somit auf die Hydraulikseite des Linearantriebs gelangt. Es liegt auf der Hand, daß ein kompressibles Pneumatikmittel die Leistungsfähigkeit des Hydrauliksystems erheblich beeinträchtigt.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, einen Linearantrieb der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß der Eintritt des Pneumatikmittels in das Hydrauliksystem des Linearantriebs vermindert wird.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch einen Linearantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, im Inneren der Membran eine entlüftete Zwischenschicht auszubilden, die den Hydraulikspeicher umhüllt. Unter einer "Entlüftung" wird hierbei das Anlegen eines Entgasungsdruckes verstanden, der niedriger ist als der außen an der Membran herrschende Pneumatikdruck. Durch diese Maßnahme gelangt das von radial außen in die Membran eindringende Pneumatikmittel maximal bis zur Zwischenschicht, da diese entlüftet ist und das Pneumatikgas dementsprechend aus der Zwischenschicht austreten kann. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß das Pneumatikmittel vor allem dann in die Membran eindringt bzw. durch die Membran hindurchdringt, wenn sich das Pneumatikmittel auf einem erhöhten Druckniveau befindet. Eine solche Diffusion findet dementsprechend nicht entgegen eines Überdruckes statt, sondern stets in Richtung eines Druckgefälles. Durch die Wirkungsweise der Membran herrscht im Hydraulikspeicher zumindest derselbe Druck wie außerhalb der Membran, so daß in der Zwischenschicht relativ zur außenliegenden Umgebung der Membran und zum Hydraulikspeicher ein Unterdruck herrscht. Folglich hat das von außen durch die Membran hindurchdringende Pneumatikmittel in der Zwischenschicht keinen weiteren Antrieb, um von der Zwischenschicht aus in die Membran einzudringen.
  • Die entlüftete Zwischenschicht kann beispielsweise dadurch ausgebildet werden, daß eine Hälfte der Membran über die andere Hälfte übergestülpt wird.
  • Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform weist die Membran eine Innenmembran und eine Außenmembran auf, zwischen denen die Zwischenschicht ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfach realisierbare= Aufbau für eine Membran mit innenliegender Zwischenschicht.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform können an mindestens einer der Zwischenschicht zugewandten Seite mehrere axial verlaufende Nuten ausgebildet sein, die mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Ringnut kommunizieren, die ihrerseits mit einer Pneumatikverbindung kommunizieren, die an der Zwischenschicht den Entgasungsdruck anlegt. Durch diese Maßnahme wird der Austrag von Pneumatikmittel aus der Zwischenschicht vereinfacht.
  • Bei einer Weiterbildung kann eine die Membran radial umhüllende pneumatische Vorspannungskammer vorgesehen sein, die mit einem vom Plunger durchdrungenen Abschnitt des Pneumatikzylinders kommuniziert und gegenüber einem von der Antriebsstange durchdrungenen Abschnitt des Pneumatikzylinders abgedichtet ist. Durch diese Maßnahme herrscht in der Vorspannungskammer im wesentlichen derselbe Pneumatikdruck, wie in dem vom Plunger durchdrungenen Abschnitt des Pneumatikzylinders. Während der Schnellhubphase wirkt daher der die Pneumatikkolbenanordnung in Vorhubrichtung antreibende Pneumatikdruck auch auf die Membran, wodurch eine Vorspannung auf den Hydraulikspeicher aufgeprägt wird, so daß das Hydraulikmittel durch diese Vorspannung angetrieben in den Hydraulikzylinder eintritt. Auf diese Weise können Kavitätseffekte reduziert werden.
  • Vorteilhafterweise kann die Pneumatikkolbenanordnung eine die Membran radial umgebende zylindrische Hülse aufweisen, wobei radial zwischen dieser Hülse und der Membran die Vorspannungskammer ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme kann die Membran bei aufgefülltem Hydraulikspeicher mit der Hülse radial in Kontakt kommen, wodurch ein relativ großes Speichervolumen für den Hydraulikspeicher erzielbar ist.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen, jeweils schematisch,
    • Fig. 1 bis 4
    einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Linearantrieb bei verschiedenen Hubstellungen,
    Fig. 5
    einen Längsschnitt durch eine Membran bei einem vergrößertem Maßstab und
    Fig. 6
    einen Querschnitt entsprechend den Schnittlinien VI in Fig. 5 durch eine Außenmembran bei einem anderen Maßstab.
  • Entsprechend den Fig. 1 bis 4 weist ein erfindungsgemäßer Linearantrieb 1 einen Pneumatikzylinder 2 auf, der an seinen axialen Enden jeweils durch einen Zylinderboden 3 bzw. 4 verschlossen ist. Im Inneren des Pneumatikzylinders 2 ist eine Pneumatikkolbenanordnung 5 axial verstellbar gelagert. Diese Pneumatikkolbenanordnung 5 weist zwei axial voneinander beabstandete Endkolben 6 bzw. 7 auf, zwischen denen sich ein Hydraulikzylinder 8 erstreckt. Der Hydraulikzylinder 8 ist radial außen von einer hülsenförmigen Membran 9 aus einem herkömmlichen elastischen Material umgeben, die an ihren axialen Enden jeweils an einem Aufnahmering 10 bzw. 11 befestigt ist. Jeder dieser Aufnahmeringe 10 und 11 ist mit dem zugeordneten Endkolben 5 bzw. 6 fest verbunden.
  • Die Pneumatikkolbenanordnung 5 weist außerdem eine zylindrische Hülse 12 auf, die die Membran 9 radial außen umhüllt und sich in axialer Richtung von dem einen Endkolben 6 bis zum anderen Endkolben 7 erstreckt, so daß auch die Aufnahmeringe 10 und 11 in der Hülse 12 untergebracht sind. Die Hülse 12 ist so dimensioniert, daß sich radial zwischen der Hülse 12 und dem Pneumatikzylinder 2 ein Ringraum 13 ausbildet, der über wenigstens eine Radialöffnung 14 mit einer Umgebung 15 des Pneumatikzylinders 2 kommuniziert. In axialer Richtung ist der Ringraum 13 durch Radialdichtungen 16 bzw. 17 gegenüber dem Pneumatikzylinder 2 abgedichtet, die in den Endkolben 6 bzw. 7 untergebracht sind.
  • Die Pneumatikkolbenanordnung 5 trennt im Pneumatikzylinder 2 zwei Kammern bzw. Abschnitte 19 und 20 axial voneinander ab. Entsprechend den Fig. 1 bis 4 ist der linke Abschnitt 19 axial zwischen dem linken Zylinderboden 3 und dem linken Endkolben 6 und der rechte Abschnitt 20 axial zwischen dem rechten Zylinderboden 4 und dem rechten Endkolben 7 ausgebildet.
  • Radial zwischen der Hülse 12 und der Membran 9 ist eine ringförmige Vorspannungskammer 18 ausgebildet, die in axialer Richtung an einem Ende gegenüber der Hülse 12 abgedichtet ist und die an ihrem anderen Ende über eine pneumatische Verbindungsleitung 21 mit dem linken Zylinderabschnitt 19 kommuniziert. Die Abdichtung der Vorspannungskammer 18 gegenüber der Hülse 12 wird hier durch einen an der Membran 9 ausgebildeten, davon radial vorstehenden Dichtkragen 31 realisiert. Die Verbindungsleitung 21 besteht dabei aus einer den Endkolben 6 durchdringenden Bohrung 22, einer in den Aufnahmering 10 eindringenden Bohrung 23, einer Stichbohrung 24 und aus einem radialen Spalt 25 zwischen der Hülse 12 und dem Aufnahmering 10.
  • Am linken Zylinderboden 3 ist ein Plunger 26 befestigt, der den linken Teilkolben 6 abgedichtet durchdringt und in den Hydraulikzylinder 8 eindringt, wobei radial zwischen dem Hydraulikzylinder 8 und dem Plunger 26 ein Ringraum 27 ausgebildet ist. Anstelle eines Ringraumes 27 könnte auch ein anderer, sich in axialer Richtung erstreckender Raum vorgesehen sein, der z.B. durch eine oder mehrere Axialnuten ausgebildet ist.
  • Im Hydraulikzylinder 8 ist außerdem ein Hydraulikkolben 28 axial verstellbar gelagert, der mit einer Antriebsstange 29 antriebsverbunden ist, die den rechten Endkolben 7 abgedichtet durchdringt und außerdem den rechten Zylinderboden 4 abgedichtet durchdringt und so aus dem Pneumatikzylinder 2 axial herausragt. Ein vorangehendes Ende 30 der Antriebsstange 29 ist lediglich in Fig. 1 wiedergegeben, da die Antriebsstange 29 in den Fig. 2 bis 3 aufgrund ihres Hubes aus dem darstellbaren Bereich herausragt.
  • Radial zwischen der Membran 9 und dem Hydraulikzylinder 8 ist ein ringförmiger Hydraulikspeicher 32 ausgebildet, der über eine Hydraulikverbindung 33 mit einem Inneren 34 des Hydraulikzylinders 8 kommuniziert. Die Hydraulikverbindung 33 besteht dabei aus einer Stichleitung 35, einem Ringraum 36 und einer Radialbohrung 37, die mit dem Hydraulikspeicher 32 kommuniziert.
  • Im Inneren der Membran 9 ist eine hülsenförmige Zwischenschicht 38 ausgebildet, die über eine Pneumatikverbindung 39 mit der Umgebung 15 kommuniziert. Die Pneumatikverbindung 39 wird hierbei durch eine an die Zwischenschicht 38 angrenzende Ringnut 40, einen damit kommunizierend verbundenen Ringraum 41, einen radialen Spalt 42 zwischen dem Aufnahmering 11 und der Hülse 12 sowie einem axialen Durchgang 43 zwischen dem Aufnahmering 11 und dem zugehörigen Endkolben 7 gebildet. Der radiale Durchgang 43 kommuniziert mit dem Ringraum 13 und somit über die Radialöffnung 14 mit der Umgebung 15. Während der rechte Aufnahmering 11 pneumatisch durchlässig mit der Hülse 12 und mit dem Endkolben 7 verbunden ist, sind beim gegenüberliegenden Aufnahmering 10 Dichtmittel 44 vorgesehen, die den linken Aufnahmering 10 einerseits gegenüber der Hülse 12 und andererseits gegenüber dem linken Endkolben 6 abdichten.
  • Im linken Zylinderboden 3 ist ein Hydraulikanschluß 56 ausgebildet, der über einen zentralen Kanal 58 im Plunger 26 mit dem Inneren 34 des Hydraulikzylinders 8 kommuniziert. Über diesen Hydraulikanschluß 56 kann Hydraulikmittel in den Hydraulikzylinder 8 eingefüllt werden, bzw. kann fehlendes Hydraulikmittel bedarfsabhängig nachgefüllt werden.
  • Bei einer besonderen Ausführungsform kann in diesen Hydraulikanschluß 56 ein Drucksensor 57 eingesetzt sein, der den Hydraulikdruck im Hydraulikzylinder 8 überwacht. Dieser Drucksensor 57 ist beispielhaft in Fig. 1 mit unterbrochenen Linien angedeutet. Mit Hilfe des Drucksensors 57 kann während des Betriebs des Linearantriebs 1 der Druckverlauf überwacht werden. Dies ist beispielsweise für die Qualitätssicherung wichtig.
  • Entsprechend Fig. 5 weist die Membran 9 eine radial innenliegende Innenmembran 45 sowie eine radial außenliegende Außenmembran 46 auf. Radial zwischen Innenmembran 45 und Außenmembran 46 ist die Zwischenschicht 38 ausgebildet, die an dem in Fig. 5 rechts wiedergegebenen axialen Ende an die Ringnut 40 angrenzt. Diese Ringnut 40 weist wenigstens eine, hier zwei, radiale Öffnung 47 auf, die eine Kommunikation zwischen der Ringnut 40 und dem Ringraum 41 (vgl. Fig. 1 bis 4) ermöglicht. Der Dichtkragen 31 ist an der Außenmembran 46 ausgebildet.
  • Die axialen Enden der Innenmembran 45 sind durch radial nach außen abstehende Ringkragen 48 bzw. 49 ausgebildet, die axial außen die Außenmembran 46 radial übergreifen. Auch die axialen Enden der Außenmembran 46 sind in Form von radial nach außen abstehenden Ringkragen 50 bzw. 51 ausgebildet, wobei die Ringkragen 48 und 49 der Innenmembran 45 und die Ringkragen 50 und 51 der Außenmembran 46 axial dichtend aneinander anliegen. Um die Dichtwirkung zwischen den Ringkragen 48 bis 51 der Membranen 45, 46 zu verbessern, weisen die Ringkragen 48 bis 51 an den aneinander zugewandten Seiten ringförmige Vertiefungen 52 und Vorsprünge 53 auf, die komplementär zueinander ausgebildet sind und axial ineinandergreifen. Neben einer verbesserten Dichtwirkung wird außerdem eine formschlüssige Kopplung der beiden Membranen 45, 46 erreicht.
  • Entsprechend Fig. 6 kann die Außenmembran 46 an ihrer der Innenmembran 45 zugewandten Innenseite 54 mit mehreren axial verlaufenden Nuten 55 versehen sein, die vorzugsweise sternförmig entlang des Innenumfangs der Außenmembran 46 verteilt sind. Die axialen Nuten 55 kommunizieren jeweils mit der Ringnut 40.
  • Der erfindungsgemäße Linearantrieb 1 arbeitet wie folgt:
  • Während einer Schnellhubphase gemäß den Fig. 1 und 2 treibt ein pneumatischer Hochdruck im linken Zylinderabschnitt 19 die Pneumatikkolbenanordnung 5 nach rechts an. Da der antreibende Pneumatikdruck auch in der Vorspannungskammer 18 herrscht, wird dieser auf das Hydraulikmedium und somit über die offene Hydraulikverbindung 33 auf das Innere 34 des Hydraulikzylinders 8 übertragen. Dementsprechend ist der Hydraulikkolben 28 in seine rechte Endstellung vorgespannt. Solange die Hydraulikverbindung 33 offen ist, stehen der Hydraulikkolben 28 und somit auch die Antriebsstange 29 relativ zum Hydraulikzylinder 8 und folglich relativ zur Pneumatikkolbenanordnung 5 still. Dementsprechend wird die Antriebsstange 29 mit derselben Geschwindigkeit wie die Pneumatikkolbenanordnung 5 nach rechts verstellt.
  • Während Fig. 1 die Ausgangsstellung für einen Vorhub der Antriebsstange 29 wiedergibt, zeigt Fig. 2 eine Position, bei der sich die Pneumatikkolbenanordnung 5 und somit die Antriebsstange 29 bereits nach rechts verstellt haben. Durch die Verstellbewegung der Pneumatikkolbenanordnung 5 findet eine Relativverstellung zwischen dem Plunger 26 und dem Hydraulikzylinder 8 statt. Dementsprechend wird das Volumen des Inneren 34 des Hydraulikzylinders 8 vergrößert. Durch die offene Hydraulikverbindung 33 kann Hydraulikmittel aus dem Hydraulikspeicher 32 in das Innere 34 nachfließen. Durch die Vorspannung der Membran 9 wird dabei gewährleistet, daß es beim Herausbewegen des Plungers 26 aus dem Hydraulikzylinder 8 nicht zu Kavitätserscheinungen kommt.
  • Sobald die Antriebsstange 29 auf ein Hindernis trifft, bleibt sie zunächst stehen, wodurch der Hydraulikkolben 29 in das Innere 34 des Hydraulikzylinders 8 eindringt, da sich die Pneumatikkolbenanordnung 5 weiter nach rechts verstellt. Auf diese Weise wird die Hydraulikverbindung 33 gesperrt und dadurch die Krafthubphase entsprechend den Fig. 3 und 4 eingeleitet. Während dieser Krafthubphase verstellt sich die Pneumatikkolbenanordnung 5 weiter nach rechts, wodurch sich der Plunger 26 weiter aus dem Inneren 34 des Hydraulikzylinders 8 herausbewegt. Dadurch verringert sich das Volumen des Ringraumes 27. Das darin enthaltene Hydraulikmittel tritt in das Innere 34 ein, wodurch im Inneren 34 der Druck stark ansteigt, so daß hier eine Übersetzung des pneumatischen Drukkes in einen hydraulischen Hochdruck stattfindet. Da das Hydraulikmittel im Vergleich zum Pneumatikmittel inkompressibel ist, kommt es zu einer Zwangsverstellung des Hydraulikkolbens 28 und somit der Antriebsstange 29 nach rechts, wobei dieser Krafthub mit einer geringen Geschwindigkeit, jedoch mit einer hohen Vorschubskraft erfolgt.
  • Während des Betriebs des Linearantriebs 1 kann es durch den in der Vorspannungskammer 18 herrschenden Pneumatikdruck dazu kommen, daß Pneumatikmittel in die Membran 9 radial von außen nach Innen eindringt, oder hineindiffundiert. Sobald das Pneumatikmittel die Außenmembran 46 durchdrungen hat, gelangt das Pneumatikmittel in die Zwischensicht 38, die über die Pneumatikverbindung 39 mit der Umgebung 15 kommuniziert. Dementsprechend herrscht in der Zwischenschicht 38 im wesentlichen der Umgebungsdruck, der erheblich niedriger ist, als der in der Vorspannungkammer 18 herrschende Pneumatikdruck. Dementsprechend kann das Pneumatikmittel aus der Zwischenschicht 38 durch die Pneumatikverbindung 39 in die Umgebung 15 entweichen. Zu einem Eindringen des Pneumatikmittels in die Innenmembran 45 oder sogar zu einer Durchdringung der Innenmembran 45 kommt es jedoch nicht, da der in der Zwischenschicht 38 herrschende Druck dazu nicht ausreicht. Auf diese Weise wird verhindert, daß Pneumatikmittel auf die Hydraulikseite des Linearantriebs 1 gelangt. Die ordnungsgemäße Funktionsweise des Linearantriebs 1 kann insoweit gewährleistet werden.

Claims (14)

  1. Linearantrieb mit integriertem pneumohydraulischen Druckübersetzer, mit folgenden Merkmalen:
    - der Linearantrieb (1) weist einen Pneumatikzylinder (2) auf, in dem eine Pneumatikkolbenanordnung (5) axial verstellbar gelagert ist,
    - die Pneumatikkolbenanordnung (5) weist einen Hydraulikzylinder (8) auf, in dem ein Plunger (26) und ein Hydraulikkolben (28) axial verstellbar gelagert sind,
    - der Plunger (26) ist aus dem Hydraulikzylinder (8) herausgeführt und ist am Pneumatikzylinder (2) befestigt,
    - der Hydraulikkolben (28) treibt eine Antriebsstange (29) an, die auf der dem Plunger (26) abgewandten Seite aus dem Hydraulikzylinder (8) und aus dem Pneumatikzylinder (2) herausgeführt ist,
    - zwischen dem Plunger (26) und dem Hydraulikzylinder (8) ist ein Raum (27) ausgebildet, dessen Volumen von der Axialstellung der Pneumatikkolbenanordnung (5) abhängt,
    - die Pneumatikkolbenanordnung (5) weist eine den Hydraulikzylinder (8) radial umhüllende hülsenförmige Membran (9) auf,
    - radial zwischen der Membran (9) und dem Hydraulikzylinder (8) ist ein Hydraulikspeicher (32) ausgebildet, der über eine Hydraulikverbindung (33) mit einem Inneren (34) des Hydraulikzylinders (8) kommuniziert,
    - während einer Schnellhubphase ist die Hydraulikverbindung (33) offen und der Hydraulikkolben (28) ist in Vorhubrichtung der Antriebsstange (29) vorgespannt und steht relativ zur Pneumatikkolbenanordnung (5) still,
    - während einer Krafthubphase ist die Hydraulikverbindung (33) gesperrt und die Pneumatikkolbenanordnung (5) bewegt sich relativ zum Hydraulikkolben (28), so daß sich durch das abnehmende Volumen des Raumes (27) im Inneren (34) des Hydraulikzylinders (8) ein den Hydraulikkolben (28) antreibender Hochdruck aufbaut, sobald die Antriebsstange (29) auf ein Hindernis trifft,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß im Inneren der Membran (9) eine den Hydraulikspeicher (32) umhüllende Zwischenschicht (38) ausgebildet ist, wobei eine Pneumatikverbindung (39) an die Zwischenschicht (38) einen Entgasungsdruck anlegt, der kleiner ist als ein radial außen an der Membran (9) anliegender Pneumatikdruck.
  2. Linearantrieb nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Membran (9) eine Innenmembran (45) und eine Außenmembran (46) aufweist, zwischen denen die Zwischenschicht (38) ausgebildet ist.
  3. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß an mindestens einer der Zwischenschicht (38) zugewandten Seite mindestens eine sich zwischen den axialen Enden der Zwischenschicht (38) erstreckende Nut (55) ausgebildet ist, die mit der Pneumatikverbindung (39) kommuniziert.
  4. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß an mindestens einer der Zwischenschicht (38) zugewandten Seite mehrere axial verlaufende Nuten (55) ausgebildet sind, die mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Ringnut (40) kommunizieren, die ihrerseits mit der Pneumatikverbindung (39) kommuniziert oder einen Bestandteil davon bildet.
  5. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine die Membran (9) radial umhüllende pneumatische Vorspannungskammer (18) vorgesehen ist, die mit einem vom Plunger (26) durchdrungenen Abschnitt (19) des Pneumatikzylinders (2) kommuniziert und gegenüber einem von der Antriebsstange (29) durchdrungenen Abschnitt (20) des Pneumatikzylinders (2) abgedichtet ist.
  6. Linearantrieb nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Pneumatikkolbenanordnung (5) eine die Membran (9) radial umgebende zylindrische Hülse (12) aufweist, wobei radial zwischen dieser Hülse (12) und der Membran (9) die Vorspannungskammer (18) ausgebildet ist.
  7. Linearantrieb nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das radial zwischen der Hülse (12) und dem Pneumatikzylinder (2) ein Ringraum (13) ausgebildet ist, der einerseits gegenüber dem vom Plunger (26) durchdrungenen Abschnitt (19) des Pneumatikzylinders (2) und andererseits gegenüber dem-von der Antriebsstange (29) durchdrungenen Abschnitt (20) des Pneumatikzylinders (2) abgedichtet ist, wobei die Pneumatikverbindung (39) mit dem Ringraum (13) kommuniziert, in dem über einen Pneumatikanschluß (14) der Entgasungsdruck herrscht.
  8. Linearantrieb nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Pneumatikanschluß durch eine Radialöffnung (14) im Pneumatikzylinder (2) gebildet ist, so daß der Entgasungsdruck einem Umgebungsdruck entspricht, der außen am Pneumatikzylinder (2) anliegt.
  9. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Membran (9) an einem axialen Endabschnitt, der dem von der Antriebsstange (29) durchdrungenen Abschnitt (20) des Pneumatikzylinders (2) zugewandt ist, einen radial vorstehenden Dichtkragen (31) aufweist, der an der Hülse (12) radial dichtend anliegt.
  10. Linearantrieb nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Membran (9) in einem Axialabschnitt, der bezüglich der Zwischenschicht (38) radial außen angeordnet ist und der zwischen dem Dichtkragen (31) und einem dem von der Antriebsstange (29) durchdrungenen Abschnitt (20) des Pneumatikzylinders (2) zugewandten Ende der Membran (9) angeordnet ist, mindestens eine Radialöffnung (47) aufweist, die einen Bestandteil der Pneumatikverbindung (39) bildet.
  11. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die axialen Enden der Innenmembran (45) und der Außenmembran (46) als radial nach außen abstehende Ringkragen (48, 49, 50, 51) ausgebildet sind, wobei an jedem axialen Membranende die zugehörigen Ringkragen (48, 50) und (49, 51) von Innenmembran (45) und Außenmembran (46) axial dichtend aneinander anliegen.
  12. Linearantrieb nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß an einer axialen Seite des Ringkragens (48, 49) der Innenmembran (45) mindestens ein axial vorstehender, ringförmiger Vorsprung (53) und/oder mindestens eine axial eindringende, ringförmige Vertiefung ausgebildet ist, der bzw. die mit einer komplementären Vertiefung (52) bzw. mit einem komplementären Vorsprung an der zugewandten Seite des Ringkragens (50, 51) der Außenmembran (46) dichtend zusammenwirkt.
  13. Linearantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Drucksensor (57) vorgesehen ist, der den Hydraulikdruck im Hydraulikzylinder (8) erfaßt.
  14. Linearantrieb nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Linearantrieb (1) einen Hydraulikanschluß (56) aufweist, durch den der Hydraulikzylinder (8) mit Hydraulikmittel füllbar bzw. nachfüllbar ist, daß der Drucksensor (57) mit dem Hydraulikanschluß (56) kommuniziert oder an diesen angeschlossen ist.
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