EP1838963A1 - Axial angetriebene kolben-zylinder-einheit - Google Patents

Axial angetriebene kolben-zylinder-einheit

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EP1838963A1 EP06701389A EP06701389A EP1838963A1 EP 1838963 A1 EP1838963 A1 EP 1838963A1 EP 06701389 A EP06701389 A EP 06701389A EP 06701389 A EP06701389 A EP 06701389A EP 1838963 A1 EP1838963 A1 EP 1838963A1
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Abstract

Eine axial angetriebene Kolben-Zylinder-Einheit mit einem Zylinder (2) , einem Kolben (3) , der zwischen einer ersten Kolbenstellung, in der das vom Kolben (3) und vom Zylinder (2) umschlossene Zylindervolumen (18) maximal ist, und einer zweiten Kolbenstellung, in der dieses Zylindervolumen minimal ist, in Axialrichtung des Zylinders (2) hin- und herbewegbar ist, sowie einem in Axialrichtung des Zylinders hin- und herbewegbaren Antriebselement (50) , das mit dem Kolben (3) über eine Kolbenstange (4) mechanisch verbunden ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (4) an ihrem ersten Ende (4 ' ) und / oder an ihrem zweiten Ende (4') mittels einer elastischen Einrichtung (6) mit dem Kolben (3) beziehungsweise mit dem Antriebselement (50) gegen die Vorspannkraft der elastischen Einrichtung axial relativ beweglich zum Kolben (3) beziehungsweise zum Antriebselement (50) derart verbunden ist, daß dann, wenn der Kolbenboden (16) bei einer Bewegung des Kolbens (3) in die zweite Kolbenstellung an der köpf seit igen Stirnwand (12) an der zylinderkopf seitigen Stirnwand (12) der Zylinderbohrung (10) zur Anlage kommt, die weitere Bewegung des Antriebselements (50) gegen die Kraft der elastischen Einrichtung (6) erfolgt und so das Antriebselement (50) abgebremst wird.

Description

15
Axial angetriebene Kolben-Zylinder-Einheit
Die Erfindung betrifft eine axial angetriebene »„ Kolben-Zylinder-Einheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Kolben-Zylinder-Einheit ist beispielsweise aus der US 5 , 525 , 845 bekannt . Dort ist die Kolbenstange sowohl mit dem axial bewegbaren Antriebselement des Linearantriebs , als auch mit dem Kolben starr verbunden . Beim Betrieb des vom Linearmotor angetriebenen Kolbens kann ein Zustand auftreten, in welchem die vom Linearmotor erzeugte AxialSchwingung der Einheit aus bewegbarem Antriebselement , Kolbenstange und ^„ Kolben eine Steigerung der Schwingsantriebsamplitude erfährt , so daß der Kolben mit dem Kolbenboden gegen den Boden der Zylinderbohrung anschlagen kann . Dabei kann es zu Beschädigungen des Kolbensbodens oder der kopfseitigen Stirnwand der Zylinderbohrung kommen .
35 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , eine gattungsgemäße axial angetriebene Kolben-Zylinder-Einheit so auszugestalten, daß die Gefahr einer Zerstörung des Kolbens oder des Zylinders reduziert wird .
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst .
Im normalen Betrieb der Kolben-Zylinder-Einheit ist die Kolbenstange sowohl am Kolben, als auch am Antriebselement exakt festgelegt und es findet keine Relativbewegung zwischen Antriebselement , Kolbenstange und Kolben statt . Erst im Überlastfall , wenn die vom Antriebselement aufgebrachte Kraft die Vorspannkraft der elastischen Einrichtung überschreitet , erfolgt eine Relativbewegung zwischen dem Antriebselement und der Kolbenstange oder zwischen der Kolbenstange und dem Kolben .
Durch die Entkoppelung der Masse des Antriebselements vom Kolben mittels der elastischen Einrichung wird das
Antriebselement bei einer Bewegung des Kolbens in die Kompressionsstellung von der elastischen Einrichtung dann abgebremst , wenn der Kolben an der kopfseitigen Stirnwand der Zylinderbohrung zur Anlage gekommen ist . Hierdurch trifft nur die Masse des Kolbens gegebenenfalls mit der Masse der
Kolbenstange , aber ohne die Masse des Antriebselements auf die kopfseitige Stirnwand der Zylinderbohrung auf . Der dadurch entstehende Stoßimpuls ist gegenüber einer starren Einheit aus Kolben, Kolbenstange und Antriebselement wesentlich geringer, so daß auch die Gefahr der Beschädigung des Kolbenbodens oder der kopfseitigen Stirnwand der Zylinderbohrung deutlich herabgesetzt ist .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kolbenboden mit einer Öffnung versehen, durch die das erste Ende der
Kolbenstange hindurchgeführt ist , wobei die Kolbenstange relativ zum Kolben in Axialrichtung des Kolbens bewegbar ist , wobei die elastische Einrichtung zwischen der Kolbenstange und dem Kolben vorgesehen ist und wobei die elastische Einrichtung die Kolbenstange vom Kolben zur Antriebseinrichtung vorspannt , wobei die Kolbenstange mit einem Endanschlag versehen ist , der verhindert , daß die Kolbenstange aus der Öffnung austritt . Bei dieser Ausgestaltungsform ist die auf die kopfseitige Stirnwand auftreffende Masse noch weiter reduziert , da auch die Masse der Kolbenstange vom Kolben entkoppelt ist .
Besonders vorteilhaft ist es dabei , wenn die Kolbenstange in der Öffnung abdichtend geführt ist , wozu bevorzugt eine die Kolbenstange umgebende Dichtung vorgesehen ist . Bei dieser Ausgestaltung wird der Kompressionswirkungsgrad verbessert , da das vom Kolben komprimierte Medium nicht durch die die Kolbenstange umgebende Ringspaltöffnung entweichen kann .
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß das Antriebselement mit einer Öffnung versehen ist , durch die das zweite Ende der Kolbenstange hindurchgeführt ist , daß die Kolbenstange relativ zum Antriebselement in Axialrichtung des Antriebselements bewegbar ist , daß die elastische Einrichtung zwischen der Kolbenstange und dem Antriebselement vorgesehen ist und daß die elastische Einrichtung die Kolbenstange vom Antriebselement zum Kolben vorspannt, wobei die Kolbenstange mit einem Endanschlag versehen ist , der verhindert , daß die Kolbenstange aus der Öffnung austritt . Bei dieser Variante erfolgt die Entkoppelung mittels der elastischen Einrichtung auf der Seite des Antriebselements , so daß zwischen dem Kolben und der Kolbenstange eine feste Verbindung vorgesehen sein kann und eine aufwendige Abdichtung einer Öffnung im Kolbenboden nicht vorgesehen sein muß . Bevorzugterweise weist die elastische Einrichtung eine Feder auf oder ist von einer Feder gebildet . Besonders bevorzugt ist hier das Vorsehen einer Tellerfederanordnung oder einer auf Druck oder Zug belasteten Schraubenfeder .
Besonders wirksam ist eine Realisierung der vorliegenden Erfindung bei einem Linearantrieb, beispielsweise einem Linearmotor, wobei der Kolben zum hin- und herbewegenden Antrieb von einem beweglichen Antriebselement des Linearantriebs beaufschlagt ist .
Eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen axial angetriebenen Kolben-Zylinder-Einheit ist der Einsatz in einem Kompressor zur Erzeugung eines Druckfluids .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert . In dieser zeigt :
Fig . 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einer Entkoppelung im Bereich des Kolbens und
Fig . 2 eine vergrößerte Darstellung der Durchführung der Kolbenstange durch den Kolbenboden in der Ausführungsform gemäß Fig . 1.
In Fig . 1 ist ein Längsschnitt durch eine Kolben-Zylinder-Einheit 1 mit einem Zylinder 2 und einem Kolben 3 gezeigt . Der Zylinder 2 ist mit einer Zylinderbohrung 10 versehen, in der der Kolben 3 in Richtung der Längsachse X der Zylinderbohrung 10 hin- und herbewegbar und frei geführt aufgenommen ist . Der Kolben 3 ist im Zylinder 2 gasgelagert . Die an einem Zylinderkopf 23 ausgebildete kopfseitige Stirnwand 12 der Zylinderbohrung 10 , die Innenumfangswand 14 der Zylinderbohrung 10 und der Kolbenboden 16 begrenzen das Zylindervolumen 18. In die kopfseitige Stirnwand 12 der Zylinderbohrung 10 mündet ein mit einem schematisch gezeigten Ventil 20 versehener Einlaßkanal 22. Ebenfalls in der kopfseitigen Stirnwand 12 ist ein Auslaßkanal 24 vorgesehen, der ein entsprechendes Ventil 26 aufweist ; auch dieser Auslaßkanal mündet in die ZyIinderbohrung 10.
Bei einer Bewegung des Kolbens 3 in Fig . 1 nach links wird durch den Einlaßkanal 22 und das Einlaßventil 20 Fluid in den Zylinderraum 18 angesaugt und bei einer Bewegung des Kolbens 3 nach rechts wird dieses Fluid im komprimierten Zustand durch das Auslaßventil 26 und den Auslaßkanal 24 ausgestoßen. Die gezeigte Kolben-Zylinder-Einheit 1 ist Teil einer Kolbenarbeitsmaschine , bei der das ausgestoßene Fluid gasförmig ist , wie dies beispielsweise der Fall ist bei einem Kompressor . Die Erfindung ist grundsätzlich aber auch bei anderen Kolbenarbeitsmaschinen einsetzbar, wie beispielsweise bei Pumpen.
Angetrieben wird der Kolben 3 von einem entlang einer Achse Y hin und her schwingenden längsbeweglichen Antriebselement 50 eines Linearantriebs 5 , der in der Figur nur schematisch dargestellt ist . Das bewegliche Antriebselement 50 ist mit dem Kolben 3 über eine Kolbenstange 4 mechanisch verbunden . Die Kolbenstange 4 ist in Axialrichtung unelastisch und somit in der Lage, Axialkräfte vom Antriebselement 50 auf den Kolben 3 zu übertragen.
Die Kolbenstange 4 ist mit dem Antriebselement 50 starr verbunden . Im Kolben 3 ist die Kolbenstange 4 in Richtung der Längsachse X des Zylinders 2 beziehungsweise der mit dieser koaxialen Längsachse X 1 des Kolbens 3 verschiebbar geführt . Dazu ist die Kolbenstange 4 im Inneren des Kolbens 3 von einer ringförmigen Radialstütze 31 gelagert , wobei die
Radialstütze 31 an ihrem radialen Außenumfang mit dem Kolben 3 fest verbunden ist und eine zentrale Öffnung aufweist , durch welche die Kolbenstange 4 axial verschiebbar hindurchgeführt ist .
Im Kolbenboden 16 ist eine zentrale Durchtrittsöffnung 16 ' vorgesehen (Fig . 2 ) , durch welche die Kolbenstange 4 mit ihrem kolbenseitigen ersten Ende 4 ' axial verschiebbar hindurchgeführt ist . An ihrem kolbenseitigen ersten Ende 4 ' ist die Kolbenstange 4 mit einem stirnseitigen pilzförmigen Kopf 41 versehen, dessen gewölbte Oberfläche zum Zylinderkopf 23 hin weist . Der pilzförmige Kopf 41 bildet auf seiner rückwärtigen, zum Kolbenboden 16 weisenden Seite eine ringförmige Anlagefläche 41 ' aus , deren Außendurchmesser größer ist als der Durchmesser der Öffnung 16 ' im Kolbenboden 16 , so daß die Kolbenstange 4 gegen ein Herausrutschen in den Figuren nach links gesichert ist .
Das kolbenseitige erste Ende 4 ' der Kolbenstange 4 weist einen gegenüber dem Rest der Kolbenstange 4 verringerten Durchmesser auf . Um diesen Durchmesser kann eine Dichtung 43 angeordnet sein, die den kolbenseitigen erste Endabschnitt 4 ' der Kolbenstange 4 gegenüber dem Innenumfang der Öffnung 16 ' des Kolbenbodens 16 abdichtet .
Im Inneren des Kolbens 3 ist als elastische Einrichtung 6 im Bereich der radialen Lagerstütze 31 eine ringförmige, gewölbte Tellerfeder 44 vorgesehen, deren Außenumfang am Kolben 3 verankert ist und die eine zentrale Bohrung aufweist , durch welche die Kolbenstange 4 hindurchgeführt ist , wobei der Innenumfang der ringförmigen Tellerfeder 44 an der Kolbenstange 4 verankert ist . Die Tellerfeder 44 ist in der Fig . 1 nach links , also zum Antriebselement 50 hin, konvex gewölbt , so daß die Tellerfeder 44 eine Vorspannung auf die Kolbenstange 4 in Fig . 1 nach links ausübt , wodurch der pilzförmige Kopf 41 am kolbenseitigen ersten Ende 4 ' der Kolbenstange 4 mit seiner ringförmigen Fläche 41 ' gegen den Kolbenboden 16 unter der Spannung der Feder 44 zur Anlage gebracht wird.
Wird der Kolben 3 in der Figur nach rechts , also in die Kompressionsstellung, in der das umschlossene Zylindervolumen 18 minimal ist , bewegt , so gerät der Kolbenboden 16 in Anlage an die kopfseitige Stirnwand 12 des Zylinderkopfs 23. Aufgrund der Massenträgheit des bewegbaren Antriebselements 50 und der Kolbenstange 4 führen das Antriebselement 50 und die Kolbenstange 4 diese Bewegung nach rechts gegen die Kraft der Tellerfeder 44 weiter und werden von der Federkraft der Tellerfeder 44 abgebremst . Der pilzförmige Kopf 41 am kolbenseitigen Ende 4 ' der Kolbenstange 4 hebt dabei vom Kolbenboden 16 ab und bewegt sich in eine Aussparung 25 , die im Bereich der Mündung des Auslaßkanals 24 in das
Zylindervolumen 18 im Zylinderkopf 23 ausgebildet ist . Auf diese Weise wird der Impuls beim Auftreffen des Kolbenbodens 16 auf die kopfseitige Stirnwand 12 auf die Masse des Kolbens 3 beschränkt , während die Masse des Antriebselements 50 und der Kolbenstange 4 von der Feder 44 zeitlich nach dem
Auftreffen des Kolbenbodens 16 auf die kopfseitige Stirnwand 12 abgebremst werden.
Alternativ kann die Kolbenstange 4 auch fest mit dem Kolben 3 verbunden sein, wobei dann die axialverschiebliche Lagerung der Kolbenstange 4 im Antriebselement 50 vorgesehen ist und das von der Feder 44 gebildete elastische Element zwischen der Kolbenstange 4 und dem Antriebselement 50 vorgesehen ist .
Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt , das lediglich der allgemeinen Erläuterung des Kerngedankens der Erfindung dient . Im Rahmen des Schutzumfangs kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vielmehr auch andere als die oben beschriebenen Ausgestaltungsformen annehmen. Die Vorrichtung kann hierbei insbesondere Merkmale aufweisen, die eine Kombination aus den j eweiligen Einzelmerkmalen der Ansprüche darstellen .
Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der
Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken .

Claims

Patentansprüche
1. Axial angetriebene Kolben-Zylinder-Einheit mit einem Zylinder (2 ) , einem Kolben (3 ) , der zwischen einer ersten Kolbenstellung, in der das vom Kolben (3 ) und vom Zylinder (2 ) umschlossene Zylindervolumen (18 ) maximal ist , und einer zweiten Kolbenstellung, in der dieses Zylindervolumen minimal ist , in Axialrichtung des Zylinders (2 ) hin- und herbewegbar ist , sowie - einem in Axialrichtung des Zylinders hin- und herbewegbaren Antriebselement (50 ) , das mit dem Kolben (3 ) über eine Kolbenstange (4) mechanisch verbunden ist , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , - daß die Kolbenstange (4) an ihrem ersten Ende (4 ' ) und/oder an ihrem zweiten Ende (4 " ) mittels einer elastischen Einrichtung (6) mit dem Kolben (3 ) beziehungsweise mit dem Antriebselement (50 ) gegen die Vorspannkraft der elastischen Einrichtung axial relativ beweglich zum Kolben (3 ) beziehungsweise zum Antriebselement (50) derart verbunden ist , daß dann, wenn der Kolbenboden (16) bei einer Bewegung des Kolbens (3 ) in die zweite Kolbenstellung an der köpfseitigen Stirnwand (12 ) an der zylinderkopfseitigen Stirnwand (12 ) der
Zylinderbohrung (10) zur Anlage kommt , die weitere Bewegung des Antriebselements (50 ) gegen die Kraft der elastischen Einrichtung (6) erfolgt und so das Antriebselement (50 ) abgebremst wird .
2. Axial angetriebene Kolben-Zylinder-Einheit nach Anspruch
1 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kolbenboden (16) mit einer Öffnung (16 ' ) versehen ist , durch die das erste Ende (4 ' ) der Kolbenstange (4) hindurchgeführt ist , daß die Kolbenstange (4) relativ zum Kolben (3 ) in Axialrichtung des Kolbens (3 ) bewegbar ist , daß die elastische Einrichtung (6) zwischen der Kolbenstange und dem Kolben (3 ) vorgesehen ist und daß die elastische Einrichtung (6) die Kolbenstange (4 ) vom Kolben (3 ) zur Antriebseinrichtung (50 ) vorspannt , wobei die Kolbenstange (4 ) mit einem Endanschlag (41 ' ) versehen ist , der verhindert , daß die Kolbenstange (4) aus der Öffnung (16 ' ) austritt .
3. Axial angetriebene Kolben-Zylinder-Einheit nach Anspruch 2 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kolbenstange (4 ) in der Öffnung (16 ' ) abdichtend geführt ist , wozu vorzugsweise eine die Kolbenstange (4 ) umgebende Dichtung (43 ) vorgesehen ist .
4. Axial angetriebene Kolben-Zylinder-Einheit nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Antriebselement (50) mit einer Öffnung versehen ist , durch die das zweite Ende (4 " ) der Kolbenstange (4) hindurchgeführt ist , - daß die Kolbenstange (4) relativ zum Antriebselement (50 ) in Axialrichtung des Antriebselements (50 ) bewegbar ist , daß die elastische Einrichtung zwischen der Kolbenstange (4 ) und dem Antriebselement (50) vorgesehen ist und daß die elastische Einrichtung die Kolbenstange (4) vom Antriebselement (50) zum Kolben (3 ) vorspannt , wobei die Kolbenstange (4 ) mit einem Endanschlag versehen ist , der verhindert , daß die Kolbenstange (4 ) aus der Öffnung austritt .
5. Axial angetriebene Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die elastische Einrichtung (6) eine Feder ( 60) aufweist .
6. Axial angetriebene Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der vorgehenden Ansprüche , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kolben (3 ) zum hin- und herbewegenden Antrieb von einem beweglichen Antriebselement (50) eines Linearantriebs (5) beaufschlagt ist .
7. Kompressor zur Erzeugung eines Druckfluids mit zumindest einer axial angetriebenen Kolben-Zylinder-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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