EP2047116B1

EP2047116B1 - Fluidbetätigte lineareinheit, insbesondere linearantrieb

Info

Publication number: EP2047116B1
Application number: EP07702715A
Authority: EP
Inventors: Michael Rau; Gerald Müller
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2027-01-12
Also published as: WO2008083717A1; DE502007004411D1; CN101365886B; CN101365886A; EP2047116A1

Description

Die Erfindung betrifft eine fluidbetätigte Lineareinheit, mit einem in einer Arbeitskammer eines Gehäuses linear verschiebbar angeordneten Kolben und mit Mitteln zur Endlagendämpfung des Kolbens, die einen mit dem Kolben bewegungsgekoppelten Absperrkörper und einen axial gegenüberliegend des Absperrkörpers an einer gehäusefesten Abschlusswand in die Arbeitskammer einmündenden fluidischen Steuerkanal enthalten, wobei an der Abschlusswand oder an dem Absperrkörper ein zur Mündung des Steuerkanals koaxialer Dichtungsring angeordnet ist, der an einer am Außenumfang des Absperrkörpers bzw. am Innenumfang des Steuerkanals ausgebildeten zylindrischen Dichtfläche dichtend abgleitet, wenn der Absperrkörper bei Annäherung des Kolbens an seine Kolbenendlage in den Steuerkanal eintaucht, wobei in die Dichtfläche mehrere in Umfangsrichtung über den Umfang verteilte, axial verlaufende erste Dämpfungsnuten eingelassen sind, die ausgehend von dem dem Dichtungsring zugewandten vorderen Ende der Dichtfläche einen sich zu ihrer Rückseite hin zumindest in der Summe verringernden Nutenquerschnitt definieren.
Aus der EP 1 283 958 B1 geht eine fluidbetätigte Lineareinheit dieser Art hervor, die als Pneumatikzylinder konzipiert ist. Vorhandene Mittel zur Endlagendämpfung sorgen für eine Verringerung der Aufprallintensität, wenn der Kolben in seine Kolbenendlage fährt, die in der Regel durch den Kontakt mit einer gegenüberliegenden gehäusefesten Abschlusswand definiert wird. Die Endlagen-Dämpfungsmittel umfassen bei einer Variante einen vom Kolben wegragenden Absperrkörper mit umlaufender Dichtfläche, in die mehrere sich über die gesamte Länge der Dichtfläche erstreckende Dämpfungsnuten sich verringernden Nutquerschnittes eingelassen sind. Außerhalb der Dämpfungsphase kann vom Kolben verdrängtes Fluid über einen gegenüberliegenden Steuerkanal abströmen. Bei Annäherung an die Kolbenendlage taucht der Absperrkörper in den Steuerkanal ein, wobei er durch einen Dichtungsring hindurchgreift, der derart an der Dichtfläche anliegt, dass das Fluid nurmehr durch die Dämpfungsnuten hindurch und folglich mit verringerter Strömungsrate ausströmen kann. Dies bewirkt ein Abbremsen des Kolbens.
Verglichen mit in der EP 1 283 958 B1 beschriebenen Bauformen, bei denen die Dichtfläche keine Nuten aufweist und zur Drosselung separate Drosselelemente vorhanden sind, ist die bekannte Lineareinheit einfacher herzustellen. Außerdem wird der sich bewegende Kolben auf Grund des sich verringernden Nutquerschnittes automatisch umso stärker abgebremst, je weiter er sich an die Kolbenendlage annähert.
Aus der DE 93 02 454 U1 ist eine als hydraulischer Stoßdämpfer konzipierte fluidbetätigte Lineareinheit bekannt, bei der die Endlagendämpfung eines Kolbens ebenfalls durch sich im Querschnitt verringernde Längsnuten bewirkt wird. Für die Längsnuten sind unterschiedliche Querschnittsformen denkbar. Auch eine Nut mit durchgehend konstantem Querschnitt kann vorhanden sein, wenn der Durchfluss durch ein zugeordnetes Regulierventil begrenzt ist. Durch Betätigung des Regulierventils kann die Dämpfungsintensität variiert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine fluidbetätigte Lineareinheit mit Endlagendämpfungsmitteln auszustatten, die auch ohne Veränderung der Einstellung von Ventilen bei unterschiedlichen Kolbengeschwindigkeiten eine wirksame Endlagendämpfung hervorrufen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass die ersten Dämpfungsnuten rückseitig axial vor der als Endlagenstelle bezeichneten Stelle der Dichtfläche enden, an der der Dichtungsring dichtend anliegt, wenn der Kolben die Kolbenendlage erreicht hat, derart, dass die ersten Dämpfungsnuten ihre Wirkung verlieren, bevor der Kolben in der Kolbenendlage angelangt ist, und dass in die Dichtfläche zusätzlich zu den ersten Dämpfungsnuten mindestens eine ebenfalls axial verlaufende zweite Dämpfungsnut eingelassen ist, die sich mit wenigstens einer der ersten Dämpfungsnuten axial überlappt und die rückseitig zu einem Bereich offen ist, der axial nach der Endlagenstelle der Dichtfläche liegt, derart, dass die mindestens eine zweite Dämpfungsnut einen Fluidübertritt zwischen Arbeitskammer und Steuerkanal bis zum Erreichen der Kolbenendlage ermöglicht.
Zweckmäßigerweise ist der Nutquerschnitt der mindestens einen zweiten Dämpfungsnut über die gesamte Nutlänge konstant. Sind mehrere zweite Dämpfungsnuten vorhanden, gilt diese Querschnittkonstanz wenigstens für die Summe der zweiten Dämpfungsnuten.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird erreicht, dass während der Dämpfungsphase von Beginn an die sich in ihrem Nutquerschnitt allmählich verringernden ersten Dämpfungsnuten einen Fluidübertritt zwischen der Arbeitskammer und dem Steuerkanal ermöglichen. Wie bei dem eingangs genannten Stand der Technik tritt hierbei eine allmähliche Zunahme der Abbremsintensität auf. Abweichend vom Stand der Technik verlieren die ersten Dämpfungsnuten jedoch ihre Wirkung, noch bevor die Kolbenendlage erreicht ist. Hier wirkt dann nur noch der verbleibende Endabschnitt der einen oder mehreren zweiten Dämpfungsnuten, die sich wenigstens ein Stück weit axial mit einer oder mehreren der ersten Dämpfungsnuten überlappen, um eine Unterbrechung der Fluidübertrittsströmung zu vermeiden. Es ist auf diese Weise möglich, die ersten Dämpfungsnuten hinsichtlich eines möglichst schnellen, auf kürzestem Wege stattfindendem Abbremsens auszulegen und die mindestens eine zweite Dämpfungsnut für eine Art "Schleichgang", also dahingehend, dass das letzte, bevorzugt kurze Stück der Dämpfungswegstrecke mit sehr geringer Geschwindigkeit zurückgelegt wird, bei gleichzeitiger Gewährleistung eines Erreichens der Kolbenendlage ohne Rückprallgefahr.
Bewegt sich der Kolben mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit, sind für das Abbremsen, also für den Dämpfungsvorgang, in der eben geschilderten Weise sowohl die ersten als auch die zweiten Dämpfungsnuten relevant. Es wird dadurch ein relativ langer Bremsweg zur Verfügung gestellt. Ist die Kolbengeschwindigkeit hingegen von Hause aus relativ gering, wirken sich die ersten Dämpfungsnuten nur sehr wenig oder gar nicht in abbremsender Weise aus und zumindest der überwiegende Abbremseffekt wird ausschließlich von der mindestens einen zweiten Dämpfungsnut hervorgerufen.
Die Endlagen-Dämpfungsmittel bewirken somit auch bei unterschiedlichen Kolbengeschwindigkeiten eine effektive Endlagendämpfung, ohne dass zwischendurch irgendwelche Einstellungsarbeiten vorgenommen werden müssten.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die Mittel zur Endlagendämpfung können nur einfach vorhanden sein, wenn bei nur einer Bewegungsrichtung des Kolbens eine Endlagendämpfung gewünscht ist. Dies ist beispielsweise bei einer als Stoßdämpfer fungierenden Lineareinheit der Fall. Handelt es sich bei der Lineareinheit um einen fluidbetätigten Linearantrieb, werden die Endlagen-Dämpfungsmittel regelmäßig derart zweifach vorhanden sein, dass bei beiden Bewegungsrichtungen eine Endlagendämpfung bewirkt wird.
Für den Querschnittsverlauf der ersten Dämpfungsnuten hat sich eine kontinuierliche Verringerung des Nutquerschnittes bis hin zur Rückseite der ersten Dämpfungsnuten als vorteilhaft erwiesen. Für spezielle Anwendungsfälle sind allerdings auch andere Verläufe denkbar, insbesondere solche nichtlinearer Art.
Prinzipiell genügt es, wenn die vorhandenen mehreren ersten Dämpfungsnuten insgesamt betrachtet einen sich zur Rückseite hin verringernden Nutquerschnitt definieren. Mindestens eine erste Dämpfungsnut kann hierbei theoretisch auch einen durchgängig konstanten Querschnitt aufweisen. Als besonders vorteilhaft wird jedoch eine Bauform angesehen, bei der jede erste Dämpfungsnut einen sich zu ihrer Rückseite hin verringernden Nutquerschnitt aufweist. Hierbei können dann sämtliche ersten Dämpfungsnuten insbesondere auch identisch gestaltet sein.
Es ist vor allem auch zweckmäßig, die ersten Dämpfungsnuten untereinander mit gleicher Länge auszuführen. Gleichwohl wäre es prinzipiell möglich, mehrere erste Dämpfungsnuten vorzusehen, die über die gesamte Länge oder wenigstens eine Teillänge über einen konstanten Nutquerschnitt verfügen, die aber unterschiedlich lang sind, sodass sich die Querschnittsänderung durch Veränderung der Anzahl der momentan wirksamen ersten Dämpfungsnuten einstellt.
Versuche haben gezeigt, dass ein rechteckiger Nutquerschnitt für die ersten Dämpfungsnuten besonders vorteilhaft ist. Hier kann durch entsprechende, in der Umfangsrichtung der Dichtfläche gemessene Breite der einzelnen ersten Dämpfungsnuten ein relativ großer Nutquerschnitt zur Verfügung gestellt werden, auch wenn die Nuttiefe relativ gering ist. Durch das Vorhandensein einer Mehrzahl erster Dämpfungsnuten kann gleichwohl ein relativ großer Gesamt-Nutquerschnitt erreicht werden, ohne die einzelnen ersten Dämpfungsnuten übermäßig breit ausbilden zu müssen. Dadurch wird ein zu starkes radiales Eindringen des Dichtungsringes in die ersten Dämpfungsnuten vermieden, was einen frühzeitigen Verschleiß zur Folge haben könnte.
Einem günstigen Strömungsverhalten förderlich ist es, wenn die ersten Dämpfungsnuten über einen gewissen Umfangsabschnitt der Dichtfläche gleichmäßig verteilt sind. Dieser Umfangsabschnitt kann weniger als 360° belegen.
Was die zweiten Dämpfungsnuten anbelangt, hat sich herausgestellt, dass die Verwendung von nur einer einzigen zweiten Dämpfungsnut die beste Wirkung hervorruft. Hierdurch kann ein minimaler Nutquerschnitt zur Verfügung gestellt werden, der eine Kolbenbewegung auf niedrigstem Geschwindigkeitsniveau zulässt, um den Kolben äußerst sanft und ohne Rückprallgefahr bis in die Kolbenendlage verfahren zu lassen.
Bei der mindestens einen zweiten Dämpfungsnut ist ein besonders kleiner Nutquerschnitt angestrebt. Dies lässt sich mit einer V-Nut, also einer Nut mit Dreiecksquerschnitt, besonders gut realisieren. Eine solche Nut lässt sich auch bei geringer Breite wesentlich einfacher mit relativ großer Tiefe fertigen als beispielsweise eine Rechtecknut. Die Herstellungstoleranzen spielen bei einer solchen Nutquerschnittsform eine weitaus geringere Rolle als bei einer Rechtecknut.
Ungeachtet der vorstehenden Ausführungen ist es selbstverständlich möglich, mehrere in der Umfangsrichtung über die Dichtfläche verteilte zweite Dämpfungsnuten vorzusehen.
Wie sich herausgestellt hat, stellt sich ein besonders sanfter Übergang zwischen der Bremsphase und der oben als "Schleichgang" titulierten Endphase der Kolbenbewegung ein, wenn sich die mindestens eine zweite Dämpfungsnut wie die ersten Dämpfungsnuten bis zum vorderen Ende der Dichtfläche erstreckt. Erste und zweite Dämpfungsnuten sind dadurch von Anbeginn an gleichzeitig wirksam, was die Definition des dem Fluid für das Überströmen von der Arbeitskammer in den Steuerkanal zur Verfügung gestellten Strömungsquerschnittes anbelangt.
Um zu gewährleisten, dass die mindestens eine zweite Dämpfungsnut bis zum Erreichen der Kolbenendlage einen Strömungsweg für das überströmende Fluid zur Verfügung stellt, wird am Einfachsten eine dahingehende Nutgestaltung gewählt, dass die zweite Dämpfungsnut am rückseitigen Ende der Dichtfläche stirnseitig offen ist. Alternativ könnte die zweite Dämpfungsnut am rückseitigen Ende allerdings auch stirnseitig geschlossen sein, wenn sie über eine ausreichende Länge verfügt, die gewährleistet, dass sie in der Kolbenendlage nicht über ihre gesamte Länge durch den Dichtungsring hindurchgetreten ist. Das überströmende Fluid kann dann radial ein- oder austreten.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn zwischen sämtlichen der an der Dichtfläche ausgebildeten ersten und zweiten Dämpfungsnuten in der Umfangsrichtung der Dichtfläche ein gleicher Abstand vorliegt. Beispielsweise kann eine einzige zweite Dämpfungsnut mit fünf ersten Dämpfungsnuten unter gleichmäßigen Winkelabständen von 60° über den Umfang der Dichtfläche verteilt sein.
Die mit den Dämpfungsnuten ausgestattete Dichtfläche kann sich entweder am Außenumfang des mit dem Kolben verbundenen Absperrkörpers befinden oder am Innenumfang des fluidischen Steuerkanals, in den der Absperrkörper eintaucht. Der Dichtungsring befindet sich dann an der jeweils anderen Komponente, unter koaxialer Ausrichtung bezüglich der Mündung des Steuerkanals.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Figur 1: einen Längsschnitt durch ein bevorzugtes erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen fluid- betätigten Lineareinheit im Längsschnitt,
Figuren 2 bis 4: Querschnitte durch die Lineareinheit aus Figur 1 im Bereich der Dichtfläche an unterschied- lichen Axialpositionen gemäß den Schnittlinien II- II, III-III und IV-IV,
Figuren 5 und 6: die in Figuren 2 und 3 markierten Aus- schnitte V und VI im Bereich einer ersten Dämpfungsnut in vergrößerter Darstellung,
Figur 7: den in Figur 4 markierten Ausschnitt VII einer zweiten Dämpfungsnut in vergrößertem Maßstab,
Figur 8: eine Einzeldarstellung des in Figur 1 in dem umran- deten Abschnitt VIII liegenden hülsenförmigen Ab- sperrkörpers im Längsschnitt, wobei auch der an der Endlagenstelle in Dichtkontakt mit der Dichtfläche stehende Dichtungsring angedeutet ist,
Figur 9: einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungs- beispiel einer erfindungsgemäßen fluidbetätigten Lineareinheit, bei der die Dämpfungsnuten nicht wie beim Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 8 am Ab- sperrkörper, sondern in dem diesem gegenüberliegen- den fluidischen Steuerkanal ausgebildet sind,
Figuren 10 bis 12: Querschnitte durch die Lineareinheit im Bereich der Dichtfläche an axial zueinander beabstandeten Stellen gemäß Schnittlinien X-X, XI- XI und XII-XII,
Figuren 13 und 14: die in Figuren 10 und 11 markierten Aus- schnitte XIII und XIV in vergrößertem Maßstab im Bereich einer ersten Dämpfungsnut, und
Figur 15: den in Figur 12 markierten Ausschnitt XV im Bereich einer zweiten Dämpfungsnut mit wiederum vergrößer- tem Maßstab.

Die beiden in ihrer Gesamtheit abgebildeten fluidbetätigten Lineareinheiten 1 sind als Linearantriebe ausgebildet und enthalten jeweils eine durch Fluidbeaufschlagung relativ zu einem Gehäuse 3 linear bewegbare Arbeitseinheit 2. Das für die erforderliche Betätigungskraft verantwortliche Fluid ist insbesondere Druckluft, wenngleich auch ein anderes Gas oder auch ein hydraulisches Medium verwendbar wäre.
In nicht weiter abgebildeter Weise könnte die Lineareinheit 1 auch als Stoßdämpfer konzipiert sein. Die Arbeitseinheit 2 wird in diesem Fall mechanisch durch eine auf sie einwirkende externe Stellkraft verlagert.
Die mögliche Linearbewegung der Arbeitseinheit 2 sei im Folgenden als Arbeitsbewegung bezeichnet und ist in der Zeichnung bei 4 durch einen Doppelpfeil verdeutlicht.
Das Gehäuse 3 definiert eine längliche Arbeitskammer 5, in der ein zu der Arbeitseinheit 2 gehörender Kolben 6 in Richtung der Arbeitsbewegung 4 linear hin und her verschiebbar aufgenommen ist. Durch den Kolben 6 ist die Arbeitskammer 5 unter Abdichtung axial in eine erste und eine zweite Teilkammer 7, 8 unterteilt. Die Abdichtung wird durch eine vom Kolben 6 getragene Dichtungseinrichtung 12 bewirkt, die an der von der Mantelfläche der Arbeitskammer 5 definierten Kolbenlauffläche 13 gleitverschieblich anliegt.
Exemplarisch enthält das Gehäuse 3 ein die Kolbenlauffläche 13 definierendes Gehäuserohr 14 sowie eine erste und eine zweite Abschlusswand 15, 16, die an den beiden Stirnseiten des Gehäuserohres 14 unter Abdichtung befestigt sind. Diese Komponenten begrenzen gemeinsam die Arbeitskammer 5. Bei den beiden Abschlusswänden 15, 16 handelt es sich insbesondere um Abschlussdeckel, die in das Gehäuserohr 14 eingesteckt und mit diesem durch je eine Sickenverbindung 17 fest verbunden sind. Andere Arten der abdichtenden Befestigung sind jedoch ebenfalls möglich.
Die Arbeitseinheit 2 enthält eine mit dem Kolben 6 fest verbundene Kolbenstange 18, die die erste Abschlusswand 15 unter Abdichtung gleitverschieblich durchsetzt. An dem dadurch stirnseitig aus dem Gehäuse 3 herausragenden äußeren Endabschnitt 22 der Kolbenstange 18 kann eine zu bewegende Komponente befestigt werden, beispielsweise ein Maschinenteil.
An den dem Kolben 6 zugewandten Stirnflächen der beiden Abschlusswände 15, 16 mündet jeweils ein erster bzw. zweiter fluidischer Steuerkanal 23, 24 in die sich anschließende erste bzw. zweite Teilkammer 7, 8 ein. Die Mündung 25 der Steuerkanäle 23, 24 ist koaxial zu der Arbeitseinheit 2 ausgerichtet, deren Längsachse mit 26 bezeichnet ist.
Jeder Steuerkanal 23, 24 erstreckt sich ausgehend von der zugeordneten Mündung 25 axial in die zugehörige Abschlusswand 15, 16 hinein und mündet mit seinem entgegengesetzten Ende, insbesondere an einer seitlichen Außenfläche der Abschlusswand 15, 16, unter Bildung einer Anschlussöffnung 27 zur Umgebung aus. Die Anschlussöffnung 27 ist normalerweise mit nicht weiter dargestellten Befestigungsmitteln ausgestattet, die den Anschluss je einer Fluidleitung gestatten, die unter Zwischenschaltung einer ebenfalls nicht weiter dargestellten Steuerventileinrichtung mit einer Druckquelle verbindbar ist.
Somit kann über die beiden Anschlussöffnungen 27 hinweg abwechselnd und gegensinnig Fluid in die beiden Teilkammern 7, 8 eingespeist bzw. aus diesen Teilkammern 7, 8 abgeführt werden, um den Kolben 6 mit einer fluidischen Betätigungskraft zu beaufschlagen, aus der die Arbeitsbewegung 4 resultiert.
Einer der beiden Steuerkanäle 24 ist von der Kolbenstange 18 durchsetzt. Sein für die Fluidströmung zur Verfügung gestellter Strömungsquerschnitt ist daher geringer als derjenige, des anderen Steuerkanals 23.
Von dem Kolben 6 ragt axial, nach beiden Seiten, je ein Absperrkörper 28, 29 weg. Er erstreckt sich koaxial zur gegenüberliegenden Kanalmündung 25 und ist im Durchmesser geringer als diese.
Im Rahmen der Arbeitsbewegung 4 ist die Arbeitseinheit 2 zwischen einer aus Figuren 1 und 9 ersichtlichen Kolbenendlage bei maximal ausgefahrener Kolbenstange 18 und einer nicht weiter abgebildeten ersten Kolbenendlage bei maximal eingefahrener Kolbenstange bewegbar. Die beiden Kolbenendlagen sind dadurch definiert, dass der Kolben 6 an der Stirnfläche entweder der zweiten Abschlusswand 16 oder der ersten Abschlusswand 15 anliegt. Um einen metallisch harten Aufprall zu vermeiden, können am Kolben 6 und/oder an der gegenüberliegenden Stirnfläche der Abschlusswand 15, 16 Gummipuffermittel vorgesehen sein.
Die Absperrkörper 28, 29 sind kürzer als der mögliche Arbeitshub der Arbeitseinheit 2 zwischen den beiden Kolbenendlagen. Nimmt der Kolben 6 eine Kolbenendlage ein, befindet sich daher der in Richtung zur anderen Kolbenendlage ragende Absperrkörper 28 oder 29 innerhalb der betreffenden Teilkammer 7, 8 und ist aus dem gegenüberliegenden Steuerkanal 23, 24 herausgezogen.
Wird der Kolben 6 durch Betätigung der Arbeitseinheit 2 zwischen zwei Kolbenendlagen verlagert, taucht der in Bewegungsrichtung momentan voreilende Absperrkörper 28, 29 nach einer gewissen Wegstrecke durch die gegenüberliegende Mündung 25 hindurch in den zugeordneten Steuerkanal 23 oder 24 ein. Der zurückgelegte Arbeitshub bis zum Beginn des Eintauchvorganges hängt von der Länge der Arbeitskammer 5 und des Kolbens 6 ab und variiert je nach Anwendungsfall.
Wenn sich der Kolben 6 axial bewegt, wird das in der momentan kleiner werdenden ersten oder zweiten Teilkammer 7, 8 befindliche Fluid durch den mit der betreffenden Teilkammer kommunizierenden Steuerkanal 23, 24 hindurch ausgeschoben. Bei Bedarf kann mit dem Steuerkanal 23, 24 eine schematisch dargestellte Drosseleinrichtung 30 in Reihe geschaltet sein, mit der sich die Ausströmrate des Fluides und somit die Geschwindigkeit des Kolbens 6 bzw. der Arbeitseinheit 2 vorgeben lässt. Die Drosseleinrichtung kann hierbei von einem Geschwindigkeitsregulierventil gebildet sein. Derartige Geschwindigkeitsreguliermaßnahmen sind allerdings optional.
Womit die Lineareinheit 1 auf jeden Fall ausgestattet ist, sind Mittel 32, 32a zur Endlagendämpfung des Kolbens 6, im Folgenden auch Endlagen-Dämpfungsmittel 32, 32a genannt. Diese Mittel 32, 32a bewirken, dass die Geschwindigkeit des Kolbens 6 und somit der Arbeitseinheit 2 während einer als Dämpfungsphase bezeichneten Hubphase durch Aufbau einer fluidischen Gegenkraft bezüglich der bis dahin auftretenden Geschwindigkeit stark herabgesetzt wird, um bei Erreichen der Kolbenendlage einen unerwünschten Aufprall an der vorgelagerten Abschlusswand 15, 16 zu vermeiden. Exemplarisch sind erste Endlagen-Dämpfungsmittel 32 für die eine Hubrichtung und zweite Endlagen-Dämpfungsmittel 32a für die andere Hubrichtung der Arbeitseinheit 2 vorhanden. Eine nur einfache Ausstattung mit Endlagen-Dämpfungsmitteln ist allerdings möglich, wenn bei nur einer Bewegungsrichtung eine Endlagendämpfung gewünscht ist.
Die ersten Endlagen-Dämpfungsmittel 32 beinhalten den ersten Absperrkörper 28 und den diesem axial gegenüberliegenden ersten Steuerkanal 23. In entsprechender Weise sind der zweite Absperrkörper 29 und der zweite Steuerkanal 24 Bestandteile der zweiten Endlagen-Dämpfungsmittel 32a.
Zu beiden Endlagen-Dämpfungsmitteln 32, 32a gehört ferner je ein Dichtungsring 33, der koaxial zur Mündung 25 des jeweiligen Steuerkanals 23, 24 angeordnet ist: Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 8 ist er, vorzugsweise im Bereich der Kanalmündung 25, an der Abschlusswand 15, 16 fixiert. Sein bevorzugt als Dichtlippe ausgebildeter ringförmiger Dichtabschnitt 34 ragt radial nach innen. Bei der Arbeitsbewegung 4 verlagert sich die Arbeitseinheit 2 relativ zu dem gehäusefesten Dichtungsring 33.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 9 bis 15 ist der Dichtungsring 33 am Absperrkörper 28, 29 angeordnet, wobei sein ringförmiger Dichtabschnitt 34 radial nach außen ragt. In diesem Fall macht der Dichtungsring 33 die Arbeitsbewegung 4 direkt mit.
Schließlich gehört zu den ersten und zweiten Endlagen-Dämpfungsmitteln 32, 32a jeweils eine zylindrische Dichtfläche 35, die mit dem zu den gleichen Endlagen-Dämpfungsmitteln 32, 32a gehörenden Dichtungsring 33 dichtend zusammenwirken kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 8 befindet sich die Dichtfläche 35 am Außenumfang des vom Kolben 6 axial wegragenden Absperrkörpers 28, 29, während sie beim Ausführungsbeispiel der Figuren 9 bis 15 am Innenumfang des sich an die Kanalmündung 25 anschließenden Längenabschnittes des Steuerkanals 23, 24 vorgesehen ist.
Wenn sich der Kolben 6 bei der Arbeitsbewegung 4 an seine Kolbenendlage annähert, taucht der momentan voreilende Absperrkörper 28, 29 irgendwann in den gegenüberliegenden Steuerkanal 23, 24 ein. Dabei beginnt die oben erwähnte Dämpfungsphase, wenn der Absperrkörper 28, 29 soweit in den Steuerkanal 23 eingetaucht ist, dass der Dichtabschnitt 34 des Dichtungsringes 33 die Dichtfläche 35 unter Dichtkontakt umschließt. Dieser Anfangszeitpunkt der Dämpfungsphase ist in Figur 8 bei 36 illustriert.
Die Dämpfungsphase dauert an, bis der Kolben 6, beginnend mit dem Anfangszeitpunkt, die Kolbenendlage erreicht hat. Bei dem dabei von dem Kolben 6 bzw. der Arbeitseinheit 2 zurückgelegten Hubabschnitt - im Folgenden als Dämpfungsstrecke 37 bezeichnet, vgl. Figur 8 - gleitet der Dichtungsring 33 unter Aufrechterhaltung des Dichtkontaktes an der Dichtfläche 35 ab. Die Dämpfungsphase endet mit dem Erreichen der Kolbenendlage, bei der der Dichtungsring 33 mit seinem Dichtabschnitt 34 an einer als Endlagestelle 38 bezeichneten Stelle der Dichtfläche 35 zu liegen kommt. Die Endlagenstelle 38 kann das axiale Ende der Dichtfläche 35 markieren. Beim Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Dichtfläche 35 sogar noch über die Endlagestelle 38 hinaus.
In die Dichtfläche 35 eingelassene, axial verlaufende erste und zweite Dämpfungsnuten 42, 43 verhindern, dass durch den Kontakt zwischen Dichtungsring 33 und Dichtfläche 35 die Verbindung zwischen der momentan ihr Volumen verringernden Teilkammer 7, 8 und dem dieser zugeordneten Steuerkanal 23, 24 komplett abgesperrt wird. Dem aus der momentan im Stadium der Volumenverringerung des befindlichen Teilkammer 7, 8 verdrängten Fluid steht als Überströmquerschnitt die Summe derjenigen Nutquerschnitte der ersten und zweiten Dämpfungsnuten 42, 43 zur Verfügung, die sich an der momentan von dem Dichtabschnitt 34 umschlossenen Stelle der Dichtfläche 35 befinden. Aus Figur 2 bis 4 und 10 bis 12 sind diejenigen Nutquerschnitte ersichtlich, die als Überströmquerschnitte zur Verfügung stehen, wenn sich der Dichtabschnitt 34 an den in Figuren 1 und 9 durch die zugeordneten Schnittlinien definierten Stellen der Dichtfläche 35 befindet.
Da der nur durch die Dämpfungsnuten 42, 43 zur Verfügung gestellte Überströmquerschnitt geringer ist als der Querschnitt der Kanalmündung 35, ergibt sich während der Dämpfungsphase eine starke Verringerung der Strömungsrate des verdrängen Fluides. Als Folge baut sich in der betroffenen Teilkammer 7, 8 ein Gegendruck auf, der auf den Kolben 6 und mithin auf die Arbeitseinheit 2 eine deren Verlangsamung bewirkende Abbremskraft ausübt.
Beiden aus der Zeichnung ersichtlichen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass mehrere - beispielsweise fünf Stück - erste Dämpfungsnuten 42 in der Dichtfläche 35 ausgebildet sind, die in der Umfangsrichtung über den Umfang der Dichtfläche 35 verteilt sind. Bevorzugt liegt hierbei eine gleichmäßige Verteilung über einen Umfangsabschnitt der Dichtfläche 35 vor, der beim Ausführungsbeispiel 240° beträgt.
Die ersten Dämpfungsnuten 42 sind an dem dem Dichtungsring 33 zugewandten vorderen Ende 44 der Dichtfläche 35 zweckmäßigerweise stirnseitig offen, wobei sie beim Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 8 zu der vom Kolben 6 abgewandten Vorderseite des Absperrkörpers 28, 29 hin ausmünden und im Falle des Ausführungsbeispiels der Figuren 1 bis 15 in Richtung zu der die Kanalmündung 25 umgebenden Stirnfläche der Abschlusswand 15, 16.
Ausgehend von dieser stirnseitig offenen Vorderseite 45 erstrecken sich sämtliche erste Dämpfungsnuten 42, bevorzugt parallel zu der Längsachse 26, in Richtung zur Rückseite der Dichtfläche 35, wobei sie allerdings vor der oben definierten Endlagenstelle 38 enden. Dies bedeutet, dass keine der ersten Dämpfungsnuten 42 von dem Dichtungsring 33 umschlossen ist, wenn die Kolbenendlage erreicht ist und zudem auch nicht während eines vorangehenden axialen Endabschnittes 37b der Dämpfungsstrecke 37. Mit anderen Worten legt die Arbeitseinheit 2 den letzten Abschnitt der Dämpfungsphase bei unwirksamen ersten Dämpfungsnuten 42 zurück.
Zumindest in der Summe verfügen die ersten Dämpfungsnuten 42 über einen sich zu ihrer Rückseite 46 hin verringernden Nutquerschnitt. Deutlich wird dies beispielsweise aus Figur 8 sowie aus einem Vergleich zum einen der Figuren 2 und 3 sowie zum anderen der Figuren 10 und 11. Bevorzugt besitzt jede erste Dämpfungsnut 42 einen sich von vorne nach hinten verringernden Nutquerschnitt, wobei insbesondere eine kontinuierliche, bevorzugt lineare Querschnittsverringerung vorliegt.
Zweckmäßig ist es zudem, wenn alle ersten Dämpfungsnuten 42 die gleiche Länge aufweisen, sodass ihre Rückseite 46 an der gleichen axialen Stelle der Dichtfläche 35 liegt.
Vorzugsweise sind sämtlichen ersten Dämpfungsnuten 42 untereinander identisch ausgebildet.
Zusätzlich zu den mehreren ersten Dämpfungsnuten 42 ist beim Ausführungsbeispiel eine einzige zweite Dämpfungsnut 43 vorhanden. Diese erstreckt sich, insbesondere parallel zu den ersten Dämpfungsnuten 42, zweckmäßigerweise über die gesamte Länge der Dichtfläche 35, wobei sie an ihrer Vorderseite 47, die dem vorderen Ende 44 der Dichtfläche 35 zugeordnet ist, bevorzugt stirnseitig offen ist. An ihrer entgegengesetzten Rückseite 48 öffnet sich die zweite Dämpfungsnut 43 zu einem Bereich 52, der axial nach der oben erwähnten Endlagenstelle 38 liegt. Letzteres hat zur Folge, dass die zweite Dämpfungsnut 43 bis zum Erreichen der Kolbenendlage mit dem Dichtungsring 33 kooperiert und einen Fluidübertritt zwischen der betreffenden Teilkammer 7, 8 und dem dieser zugeordneten Steuerkanal 23, 24 zulässt. Die Anordnung ist insbesondere so getroffen, dass die zweite Dämpfungsnut 43 auch in der Kolbenendlage eine Fluidverbindung zwischen Teilkammer 7, 8 und Steuerkanal 23, 24 herstellt.
Der offene Bereich 52 lässt sich am einfachsten dadurch realisieren, dass man die zweite Dämpfungsnut 43 an ihrer Rückseite 48 stirnseitig offen ausbildet.
Für die zweite Dämpfungsnut 43 gilt, dass sie zweckmäßigerweise über ihre gesamte Länge hinweg einen konstanten Nutquerschnitt aufweist. Der durch sie im Zusammenwirken mit dem Dichtungsring 33 zur Verfügung gestellte Überströmquerschnitt ist also während der gesamten Dämpfungsphase der gleiche.
Somit unterteilt sich die Dämpfungsphase in eine Anfangsphase, in der gleichzeitig beide Arten von Dämpfungsnuten 42, 43 wirksam sind, und eine sich daran anschließende Endphase mit ausschließlicher Wirksamkeit der zweiten Dämpfungsnut 43.
Alle vorhandenen Dämpfungsnuten 42, 43 sind zweckmäßigerweise in der Umfangsrichtung gleichmäßig über die Dichtfläche 35 verteilt. Bei der exemplarisch vorhandenen Gesamtanzahl von sechs Dämpfungsnuten betragen die Winkeldistanzen zwischen jeweils benachbarten Dämpfungsnuten jeweils 60°.
Abweichend von den Ausführungsbeispielen könnten prinzipiell auch mehrere zweite Dämpfungsnuten 43 vorhanden sein, die dann vorzugsweise identisch gestaltet sind.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, dass sich die zweite Dämpfungsnut 43 bis zum vorderen Ende 44 der Dichtfläche 35 erstreckt. Sie könnte auch kürzer ausfallen, wobei allerdings zum Erhalt eines nicht zu schroffen Überganges zumindest ein Stück weit eine axiale Überlappung mit den ersten Dämpfungsnuten 42 vorliegen sollte. Die Dämpfungsphase würde sich dann in insgesamt drei Abschnitte unterteilen, und zwar in einen Anfangsabschnitt mit ausschließlich wirksamen ersten Dämpfungsnuten 42, in einen sich daran anschließenden Mittelabschnitt mit gleichzeitig wirkenden ersten und zweiten Dämpfungsnuten 42, 43 und in einen darauf folgenden Endabschnitt mit ausschließlich wirksamer mindestens einer zweiten Dämpfungsnut 43.
Die ersten Dämpfungsnuten 42 sollten im Bereich ihrer Vorderseite einen möglichst großen Nutquerschnitt definieren, um den Übergang zwischen der normalen Hubphase und der Dämpfungsphase möglichst sanft zu gestalten. Wie sich gezeigt hat, lässt sich dies vorteilhaft dadurch realisieren, dass die ersten Dämpfungsnuten 42 mit rechteckigem Nutquerschnitt versehen sind. Die Nutbreite ist hierbei über die gesamte Nutlänge zweckmäßigerweise konstant, lediglich die Tiefe variiert, wie dies aus einem Vergleich der Figuren 5 und 6 sowie der Figuren 13 und 14 offensichtlich ist. Mittels Rechtecknuten kann trotz verhältnismäßig geringer Tiefe ein relativ großer Nutquerschnitt durch entsprechende Breitenabmessungen zur Verfügung gestellt werden.
Die Aufgabe der ersten Dämpfungsnuten 42 ist es, eine Hauptabbremsphase der Dämpfungsphase zu definieren, in der der Kolben 6 bzw. die Arbeitseinheit 2 bis auf eine Minimalgeschwindigkeit abgebremst wird.
Die Hauptaufgabe der zweiten Dämpfungsnut 43 besteht darin, der bereits abgebremsten Arbeitseinheit 2 auf geringem Geschwindigkeitsniveau das Erreichen der Kolbenendlage zu ermöglichen. Während dieses Endabschnittes der Dämpfungsphase wird die Arbeitseinheit 2 zudem auf geringem Geschwindigkeitsniveau nur geringfügig weiter abgebremst.
Um dies zu gewährleisten, sollte der Nutquerschnitt der zweiten Dämpfungsnut 43 möglichst gering sein. Wie sich gezeigt hat, lässt sich diese Erkenntnis mit einer einen V-förmigen bzw. dreiecksförmigen Nutquerschnitt aufweisenden zweiten Dämpfungsnut 43 am besten umsetzen. Die zweite Dämpfungsnut 43 ist hierbei nach Art einer Kerbe gestaltet. Die V-Kontur lässt sich sehr exakt herstellen, wobei Fertigungstoleranzen eine nur untergeordnete Rolle spielen.
Beim Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 8 ist der die Dichtfläche 35 definierende, auf der Seite der Kolbenstange 18 angeordnete zweite Absperrkörper 29 hülsenförmig ausgebildet und koaxial auf die Kolbenstange 18 aufgesteckt. Setzt sich die Kolbenstange 18 auch auf der entgegengesetzten Seite des Kolbens 6, wenigstens ein Stück weit, fort, kann der dortige erste Absperrkörper 28 entsprechend ausgebildet sein. Beim Ausführungsbeispiel ist der erste Absperrkörper 28 kolbenförmig gestaltet und stirnseitig an den Kolben 6 angesetzt, wobei er mit einem Innengewinde 53 auf einen den Kolben 6 durchsetzenden, nicht weiter dargestellten Gewindefortsatz der Kolbenstange 18 aufgeschraubt ist.
In beiden Fällen ist es von Vorteil, wenn der Absperrkörper 28, 29 im Bereich des vorderen Endes 44 abgeschrägt ist, um eine problemloses Eintauchen in den Dichtungsring 33 zu gewährleisten.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 9 bis 15 besteht der erste Absperrkörper 28 aus einem vergleichbar der Figur 1 auf einen Gewindefortsatz 53 der Kolbenstange 18 aufgeschraubten kolbenförmigen Körper, während der zweite Absperrkörper 29 unmittelbar von dem sich an den Kolben 6 anschließenden Längenabschnitt der Kolbenstange 18 gebildet ist. Der Dichtungsring 33 kann in einer Ringnut 54 des jeweiligen Absperrkörpers 28, 29 gehalten sein.
Die Endlagen-Dämpfungsmittel 32, 32a rufen eine geschwindigkeitsabhängige Variation der Länge der wirksamen Dämpfungsstrecke 37 hervor. Die Dämpfungsnuten 42, 43 wirken sich erst aus, wenn der durch sie in Verbindung mit dem zugeordneten Dichtungsring 33 zur Verfügung gestellte Überströmquerschnitt kleiner ist als der dem Fluid zur Verfügung gestellte maximale Abströmquerschnitt, der beispielsweise durch die eingangs geschilderte optionale Drosseleinrichtung 30 vorgegeben werden kann. Bei höheren Kolbengeschwindigkeiten wird die gesamte Dämpfungsstrecke 37 ausgenutzt. Bei geringeren Geschwindigkeiten setzt die eigentliche Dämpfungswirkung erst ein, wenn die ersten Dämpfungsnuten 42 schon ein Stück weit durch den Dichtungsring 33 hindurchgetreten sind.

Claims

Fluidbetätigte Lineareinheit, mit einem in einer Arbeitskammer (5) eines Gehäuses (3) linear verschiebbar angeordneten Kolben (6) und mit Mitteln (32, 32a) zur Endlagendämpfung des Kolbens (6), die einen mit dem Kolben (6) bewegungsgekoppelten Absperrkörper (28, 29) und einen axial gegenüberliegend des Absperrkörpers (28, 29) an einer gehäusefesten Abschlusswand (15, 16) in die Arbeitskammer (5) einmündenden fluidischen Steuerkanal (23, 24) enthalten, wobei an der Abschlusswand (15, 16) oder an dem Absperrkörper (28, 29) ein zur Mündung (25) des Steuerkanals (23, 24) koaxialer Dichtungsring (33) angeordnet ist, der an einer am Außenumfang des Absperrkörpers (28. 29) bzw. am Innenumfang des Steuerkanals (23, 24) ausgebildeten zylindrischen Dichtfläche (35) dichtend abgleitet, wenn der Absperrkörper (28, 29) bei Annäherung des Kolbens (6) an seine Kolbenendlage in den Steuerkanal (23, 24) eintaucht, wobei in die Dichtfläche (35) mehrere in Umfangsrichtung über den Umfang verteilte, axial verlaufende erste Dämpfungsnuten (42) eingelassen sind, die ausgehend von dem dem Dichtungsring (33) zugewandten vorderen Ende (44) der Dichtfläche (35) einen sich zu ihrer Rückseite (46) hin zumindest in der Summe verringernden Nutquerschnitt definieren, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Dämpfungsnuten (42) axial vor der Stelle (Endlagenstelle (38)) der Dichtfläche (35) enden, an der der Dichtungsring (33) dichtend anliegt, wenn der Kolben (6) die Kolbenendlage erreicht hat, derart, dass die ersten Dämpfungsnuten (42) ihre Wirkung verlieren, bevor der Kolben (6) in der Kolbenendlage angelangt ist, und dass in die Dichtfläche (35) zusätzlich zu den ersten Dämpfungsnuten (42) mindestens eine ebenfalls axial verlaufende zweite Dämpfungsnut (43) eingelassen ist, die sich mit wenigstens einer der ersten Dämpfungsnuten (42) axial überlappt und die rückseitig zu einem Bereich (52) offen ist, der axial nach der Endlagenstelle (38) der Dichtfläche (35) liegt, derart, dass die mindestens eine zweite Dämpfungsnut (43) einen Fluidübertritt zwischen Arbeitskammer (5) und Steuerkanal (23, 24) bis zum Erreichen der Kolbenendlage ermöglicht.
Lineareinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (32, 32a) zur Endlagendämpfung des Kolbens (6) zweifach vorhanden sind, um bei beiden möglichen Bewegungsrichtungen des Kolbens (6) eine Endlagendämpfung hervorzurufen.
Lineareinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der durch die ersten Dämpfungsnuten (42) definierte Nutquerschnitt kontinuierlich verringert.
Lineareinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede erste Dämpfungsnut (42) einen sich zu ihrer Rückseite (46) hin verringernden Nutquerschnitt aufweist.
Lineareinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Dämpfungsnuten (42) untereinander die gleiche Länge aufweisen.
Lineareinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Dämpfungsnut (42) einen rechteckigen Nutquerschnitt aufweist.
Lineareinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche ersten Dämpfungsnuten (42) über einen rechteckigen Nutquerschnitt verfügen.
Lineareinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einen rechteckigen Nutquerschnitt aufweisende mindestens eine erste Dämpfungsnut (42) über ihre gesamte Länge hinweg eine konstante Breite aufweist, wobei die Verringerung des Nutquerschnittes aus einer sich verringernden Nuttiefe resultiert.
Lineareinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Dämpfungsnuten (42) über einen Umfangsabschnitt der Dichtfläche (35) gleichmäßig verteilt sind.
Lineareinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Dämpfungsnuten (42, 43) gleichmäßig über den Gesamtumfang der Dichtfläche (35) verteilt sind.
Lineareinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens eine zweite Dämpfungsnut (43) bis zum vorderen Ende (44) der Dichtfläche (35) erstreckt.
Lineareinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Dämpfungsnut (43) am vorderen Ende (44) der Dichtfläche (35) stirnseitig offen ist.
Lineareinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Dämpfungsnut (43) an ihrer Rückseite (48) stirnseitig offen ist.
Lineareinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens eine zweite Dämpfungsnut (43) über die gesamte Länge der Dichtfläche (35) hinweg erstreckt.
Lineareinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Dämpfungsnut (43) einen über ihre gesamte Länge hinweg konstanten Nutquerschnitt aufweist.
Lineareinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Dämpfungsnut (43) einen dreieckigen Nutquerschnitt aufweist.
Lineareinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Dichtfläche (35) eine einzige zweite Dämpfungsnut (43) ausgebildet ist.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Dämpfungsnuten (42) an ihrer Vorderseite stirnseitig offen sind.
Lineareinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Absperrkörper (28, 29) axial vom Kolben (6) wegragt.
Lineareinheit nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der die Dämpfungsnuten (42, 43) aufweisende Absperrkörper (28, 29) kolbenförmig oder hülsenförmig ausgebildet ist.
Lineareinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung als mit Druckluft betriebene pneumatische Lineareinheit (1).
Lineareinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 21, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung als Linearantrieb, bei dem der Kolben (6) durch Fluidbeaufschlagung in Richtung seiner Kolbenendlage verfahrbar ist.