MUELLE DE GAS CON GUIA Campo de la Invención Esta invención se refiere en general a muelles de gas, y de manera más particular, a un muelle de gas que incluye una guia.
Antecedentes de la Invención Son bien conocidos los muelles de gas y se han usado en troqueles de prensas para operaciones de estampado de hojas metálicas. Los muelles convencionales de gas tienen una cámara de gas que recibe un gas presurizado que proporciona una fuerza en un pistón y una varilla sólida de pistón que lleva el pistón para desviarlos a una posición extendida. El gas presurizado resiste el movimiento del pistón y la varilla de pistón de su posición extendida a una posición retraída. Se proporcionan varios alojamientos y sellos en el muelle de gas para retener el pistón y la varilla de pistón dentro de un forro del muelle de gas y para impedir la fuga del gas presurizado desde la cámara de gas. La varilla sólida de pistón ocupa un volumen significativo en el muelle de gas y un diseño convencional tiene una varilla de pistón de un diámetro relativamente pequeño en comparación al diámetro interno de un forro en el cual se mueve el vaivén de la varilla de pistón. Debido a
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que es pequeña la relación del diámetro de la varilla de pistón al diámetro de forro, el incremento de presión durante el viaje de la varilla de pistón es menos de 100 % aunque la curva de fuerza no sea muy plana, como se muestra en general por la línea A en la Figura 10. Para ganar más fuerza efectiva, se han hecho, más grandes en diámetro, las varillas de pistón. Para evitar un incremento indeseado de presión durante una carrera debido al uso de la varilla de pistón de diámetro más grande, la varilla de pistón se puede hacer hueca en algún grado. Sin embargo, conforme se incrementa la profundidad del agujero sin salida, se incrementa dramáticamente el costo de fabricación de la varilla de pistón. Para lograr una carrera más larga, se necesita mayor superficie de soporte. Pero una mayor superficie de soporte requiere una varilla más larga de pistón, que a su vez requiere un agujero más profundo y mucho más costoso. Además, el montaje más largo de soporte consume volumen de la cámara de gas y conduce de este modo a un mayor incremento de presión durante la carrera. El incremento de fuerza durante una carrera de la varilla de pistón es mayor en este tipo de diseño, como se muestra por la línea B en la Figura 10.
Breve Descripción de la Invención En al menos una modalidad, un muelle de gas incluye
un forro que tiene una superficie interior que define en parte una cámara de gas, una varilla de pistón y un sello. La varilla de pistón se recibe al menos parcialmente en el forro para el movimiento en vaivén a lo largo de un eje entre posiciones extendida y retraída. La varilla de pistón tiene una cavidad interna que define un espacio hueco, un tope y una guía de varilla colocada adyacente a la superficie interior del forro para guiar el movimiento en vaivén de la varilla de pistón al menos en parte. El sello en general se proporciona entre la varilla de pistón y el forro para impedir la fuga de gas desde la cámara de gas . En una implementación, un muelle de gas incluye un forro que tiene una superficie interior que define en parte una cámara de gas, y una varilla de pistón recibida al menos parcialmente en el forro para movimiento de vaivén a lo largo de un eje entre posiciones extendida y retraída. La varilla de pistón puede tener una primera porción que se extiende fuera del forro al menos en la posición extendida de la varilla de pistón y una segunda porción formada de manera separada de la primera porción y conectada a la primera porción para el movimiento conjunto con éste a lo largo del eje. Una guía de varilla portada por la segunda porción de la varilla de pistón tiene al menos una porción colocada adyacente a la superficie interior del forro y se proporciona un sello entre la varilla de pistón y el forro. En al menos
algunas aplicaciones, la construcción de varilla de pistón de dos piezas puede facilitar la provisión de un pistón sustancialmente hueco y de diámetro más grande que puede tener una longitud mayor a menor costo, y puede tener movimiento guiado mejorado. En una implementación, la segunda porción de la varilla de pistón es un tubo hueco conectado a la primera porción. La primera porción puede incluir un agujero o cavidad sin salida, aunque debido a que la cavidad se forma sólo en la primera porción, no es tan profunda en comparación a cuando la varilla de pistón se forma en una pieza y se puede formar sin gran gasto. Aunque la cavidad de la primera porción no es profunda, la adición de la segunda porción tubular proporciona una longitud hueca efectiva incrementada de la varilla de pistón para reducir el volumen de la cámara de gas que se ocupa por la varilla de pistón. Además, en al menos algunas aplicaciones, en la primera porción de la varilla de pistón se puede formar un tope que limita el viaje de la varilla de pistón hacia su posición extendida, y por lo tanto, la segunda porción de la varilla de pistón se puede formar de un material más delgado y/o más débil.
Breve Descripción de las Figuras La siguiente descripción detallada de las modalidades preferidas y el mejor modo se expondrán con
respecto a las figuras anexas, en las cuales: La Figura 1 es una vista seccional parcial de una modalidad actualmente preferida de un muelle de gas con una varilla de pistón mostrada en su posición extendida; La Figura 2 es una vista similar a la Figura 1 con la varilla de pistón en su posición retraída; La Figura 3 es una vista fragmentaria agrandada de una porción de la varilla de pistón de la Figura 1 mostrada antes del montaje final; La Figura 4 es una vista fragmentaria agrandada de la porción de la varilla de pistón mostrada en la Figura 3 después del montaje final; La Figura 5 es una vista seccional fragmentaria de una modalidad de una segunda porción de una varilla de pistón; La Figura 6 es una vista seccional fragmentaria de otra modalidad de una varilla de pistón; La Figura 7 es una vista seccional fragmentaria de otra modalidad de una varilla de pistón; La Figura 8 es una vista seccional fragmentaria de otra modalidad de una varilla de pistón; La Figura 9 es una vista seccional fragmentaria de otra modalidad de una varilla de pistón; y La Figura 10 es una gráfica de fuerza como una función del viaje de la varilla de pistón para tres tipos de
configuraciones de varilla de pistón y muelle de gas.
Descripción Detallada de la Invención Con referencia en más detalle a las figuras, las Figuras 1 y 2 ilustran una modalidad actualmente preferida de un muelle 10 de gas, tal como aquellos usados en prensas mecánicas (no mostradas) . En general, se puede colocar una pluralidad de muelles 10 de gas en la prensa mecánica tal que se acopla una varilla 12 de pistón de cada muelle 10 de gas, y se impulsa por un ariete de la prensa conforme el ariete avanza para formar una pieza sin terminar de hoja metálica en un montaje de troquel de la prensa. El muelle de gas tiene un forro 14 con una pared 16 en general cilindrica que termina en un extremo 18 en general cerrado, y en otro extremo 20 que está sustancialmente abierto para recibir en el mismo la varilla 12 de pistón. En general, el extremo 18 cerrado se une, por ejemplo, a través de una unión soldada, o se forma como una pieza con la pared cilindrica 16. La pared 16 del forro 14 tiene una superficie interior 22 que define al menos en parte una cámara 24 de gas, y una superficie exterior 26. La superficie interior 22 de la pared 16 tiene una ranura 28 circunferencial de retenedor construida para recibir un retenedor, mostrado aquí a manera de ejemplo como un anillo 30 de presión, para mantener en su estado montado al muelle 10 de gas. Para
facilitar el montaje y la colocación del muelle 10 de gas dentro de la prensa, se forma un par de ranuras 32 , 34 circunferenciales longitudinalmente espaciadas, en la superficie exterior 26 del forro 14 adyacente a sus extremos 18 , 20 . Para admitir gas en el muelle 10 de gas, el forro 14 tiene un pasaje u orificio 42 de relleno que se extiende entre las superficies interior e inferior 22 , 26 de la pared 16 , mostrado aquí como que se extiende a través del extremo cerrado 18 del forro 14 . Una válvula de relleno (no mostrada) recibida en el orificio 42 de relleno actúa como una válvula unidireccional y permite que el gas se admita en el muelle 10 de gas, en tanto que impide que el gas salga de manera no intencionada del muelle 10 de gas. La válvula de relleno se puede abrir de manera preferente para liberar gas presurizado desde dentro del muelle 10 de gas, cuando se desea . La varilla 12 de pistón se acciona por el gas en la cámara 24 de gas y se recibe en el forro para movimiento de vaivén a lo largo del eje 44 entre una posición extendida (Figura 1 ) y una posición retraída (Figura 2 ) . La varilla 12 de pistón puede incluir una primera porción 46 y una segunda porción 48 que se pueden formar de manera separada una de otra, de piezas separadas de material. La primera porción 46 tiene un extremo 49 que se
extiende preferentemente fuera del forro 14 al menos cuando la varilla 12 de pistón está en su posición extendida y se adapta para acoplamiento operable con el ariete de la prensa, y otro extremo 50 recibido dentro del forro 14 . La primera porción 46 puede tener una superficie 52 exterior en general cilindrica, y una cavidad tal como un agujero 54 sin salida de modo que el extremo 50 esté en general abierto. La profundidad del agujero 54 sin salida puede ser mayor que el espesor de una pared terminal 56 definida entre el agujero 54 sin salida y el extremo 49 . La primera porción 46 puede tener un tope 58 , que en al menos una implementadón puede incluir una pestaña 59 anular que se extiende hacia fuera. En otras implementaciones , el tope puede incluir lengüetas circunferencialmente espaciadas y que se extienden de forma radial u otra superficie o superficies de tope. El tope 58 se puede formar de manera integral en una pieza con la primera porción 46 , o conectado a ésta o de otro modo portada de forma diferente. La segunda porción 48 de la varilla 12 de pistón puede ser hueca de modo que no ocupa volumen significativo en la cámara 24 de gas. En una implementación, la segunda porción 48 es un tubo en general de pared delgada conectada al extremo 50 de la primera porción 46 . La segunda porción 48 se puede conectar a la primera porción 46 de cualquier manera adecuada tal como por ajuste a presión, de manera
adhesiva, roscas de acoplamiento, soldadura, ajuste a presión, anillo de retención, etc. la segunda porción 48 puede incluir un resalto 60 u otra superficie que pueda limitar la inserción de la segunda porción 48 en el agujero 54 de la primera porción 46, y/o proporcionar un área superficial incrementada de acoplamiento entre la primera y segunda porciones 46, 48 para mejorar la rigidez y estabilidad de su conexión. Un pasaje o abertura 62 a través de la segunda porción 48 se puede alinear de manera coaxial con el agujero 54 sin salida en la primera porción 46, y la segunda porción se puede alinear de manera coaxial con la primera porción para movimiento conjunto con ésta a lo largo del eje 46. Se puede formar una ranura 66 en la segunda porción 48 para facilitar la conexión de una guía 68 de varilla a ésta como se expone en más detalle más adelante. La guía 68 de varilla se puede llevar por una o ambas de la primera porción 46 y la segunda porción 48, y se muestra en esta modalidad como que se lleva o porta por la segunda porción 48. La guía 68 de varilla puede ser anular y estar colocada alrededor de una porción de la superficie exterior de la segunda porción 48 adyacente a la ranura 66. Se puede colocar un anillo 70 de retención en la ranura 66 y adyacente a la guía 68 de varilla para mantener la posición de la guía de varilla en la segunda porción de la varilla de pistón. Como se muestra mejor en la Figura 3, la guía 68 de
varilla puede incluir una depresión anular que se recibe sobre el anillo 70 de retención. Entonces, como se muestra en la Figura 4, una orilla dependiente o pestaña anular 71 de la guía 68 de varilla se puede rizar o enrollar parcialmente sobre el anillo 70 de retención para conectar firmemente la guía 68 de varilla a la segunda porción 48 de la varilla 12 de pistón. La guía 68 de varilla puede ser en general anular con una superficie periférica 72 en la cual se puede formar una ranura 74 para recibir un cojinete 76 guía anular o tira de desgaste. El cojinete guía 76 se puede construir de cualquier material adecuado de baja fricción y se hace de un tamaño para acoplar de manera deslizable la superficie interior 22 del forro 14 para guiar la varilla 12 de pistón para movimiento axial de vaivén dentro del forro 14. Se pueden formar uno o más pasajes 77 a través de la guía 68 de varilla para impedir que la guía de varilla actúe como un pistón y/o restringa excesivamente el flujo de gas en la cámara de gas durante una carrera de la varilla 12 de pistón. Esto reduce al mínimo el incremento de temperatura que de otro modo puede presentarse en el uso debido a una restricción al flujo de gas a través de la guía 68 de varilla. Como se muestra en la Figura 5, en otra implementación, una guía 68' de varilla se puede formar de manera integral en una pieza con una segunda porción 48' de
una varilla de pistón, y puede tener un cojinete 76' en general como se describe anteriormente con respecto a la guía 68 de varilla y el cojinete 76. En una implementación, la guía 68 de varilla se retiene en la segunda porción 48 de la varilla 12 de pistón por una característica de conexión que se adapta para fallar antes de que falle la conexión entre la primera porción 46 y la segunda porción 48. De esta manera, la guía 68 de varilla se puede adaptar para que se libere de su conexión rígida a la varilla 12 de pistón antes de que la segunda porción 48 de la varilla de pistón se separe de la primera porción 46, debido a, por ejemplo, la carga lateral inusual en la segunda porción 48 o unión de la guía 68 de varilla. La característica de conexión puede incluir cualquier manera o mecanismo adecuado para conectar la guía 68 de varilla a la varilla 12 de pistón, tal como el anillo 70 de retención, adhesivo, soldadura, roscas, ajuste a presión o la guía 68 de varilla puede ser un anillo partido recibido en una ranura en la varilla 12 de pistón, a manera de ejemplo sin limitación. En la modalidad mostrada en las Figuras 1-4, la guía 68 de varilla sólo se puede liberar de la varilla 12 de pistón si la pestaña 68 rizada o enrollada se desvía de manera suficiente para pasar el anillo 70 de retención tal que la guía de varilla entonces pueda moverse a lo largo de la segunda porción y hacia el tope 58. El acoplamiento de la
guía 68 de varilla con el anillo 70 de retención impide que la guía de varilla se mueva a lo largo de la segunda porción en la dirección opuesta (es decir, en la dirección que tiende a remover la guía 68 de varilla desde la varilla 12 de pistón) . Esto puede impedir el daño a los otros componentes del muelle de gas al mantener la guía de varilla atrapada en la varilla 12 de pistón. Como se muestra en las Figuras 1 y 2, el muelle 10 de gas tiene un cojinete y montaje 80 de sello que sella el extremo abierto del forro 14 para impedir el escape de gas de la cámara 24 de gas y proporcionar un cojinete 82 que ayuda a guiar el movimiento de la varilla 12 de pistón. Por consiguiente, la varilla 12 de pistón se guía en dos ubicaciones separadas tanto por el cojinete 76 (portado por la guía 68 de varilla) y el cojinete 82. El montaje 80 de cojinete y sello incluye un cuerpo 84 que tiene el cojinete 82, un sello 86 de varilla (que puede incluir una placa 88 de respaldo o anillo para impedir la extrusión del sello 86 entre la varilla 12 y el cuerpo 84) , un sello 90 de forro tal como un anillo tórico y un contacto deslizante 92 para mantener los contaminantes fuera del montaje 80 de cojinete y sello. El cuerpo 84 puede acoplar el anillo 30 de retención recibido en el forro 14 para retener el cuerpo 84 y sus componentes con relación al forro 14. un extremo del cuerpo 84 puede definir una superficie 98 de tope (Figura 2)
adaptada para que se acople por el tope 58 de la varilla 12 de pistón para limitar el movimiento de la varilla 12 de pistón lejos del extremo cerrado 18 del forro 14 . En al menos algunas modalidades, el acoplamiento de la superficie 58 , 98 de tope puede definir la posición completamente extendida de la varilla 12 de pistón. Con la varilla 12 de pistón recibida en el forro 14 , y el montaje 80 de cojinete y sello mantenido dentro del forro 14 por el anillo 30 de retención, el muelle 10 de gas se puede cargar con gas a través del orificio 42 de relleno. El gas presurizado desvía de manera deformable la varilla 12 de pistón a su posición extendida en donde el tope 58 de varilla de pistón acopla el tope 98 definido por el cuerpo. Típicamente, se recibe una pluralidad de muelles 10 de gas cargados en un montaje de troquel con un anillo de sujeción de pieza de trabajo o anillo de unión que descansa en los extremos 48 de las varillas 12 de pistón, extendidas. Como se muestra en la Figura 6 , se puede atrapar una guía 68 ' ' de varilla entre un resalto 99 de una segunda porción 48 ' ' de una varilla de pistón y un anillo 70 ' ' de retención para mantener la guía 68 ' ' de varilla en la segunda porción 48 ' ' . El modo de falla de esta conexión puede ser una liberación de la guía 68 ' ' de varilla desde la varilla de pistón en la ruptura de al menos una porción del anillo 70 ' ' de retención.
Como se muestra en la Figura 7, en una modalidad, una varilla 112 de pistón completa y la guía 168 de varilla se pueden formar en una pieza e incluir un tope 158 que se extiende hacia fuera y una guía 168 de varilla que se extiende hacia fuera. Una cavidad 154 puede extenderse sustancialmente por la longitud completa de la varilla 112 de pistón, como se desee. En la modalidad mostrada en la Figura 8, se muestra una varilla 212 de pistón de múltiples piezas. Una primera porción 246 en general es cilindrica y sólida, es decir, sin ningún agujero o cavidad sin salida significativa, formada en la misma. Un retenedor 202 de anillo partido se recibe en una ranura 204 formada en una superficie exterior de la primera porción 246 y se extiende radialmente hacia fuera de la primera porción. De esta manera, el retenedor 202 define el tope 258 adaptado para acoplar una superficie de tope portada por el forro 14 (tal como un tope 98 en el montaje 80 de cojinete y sello) . Una segunda porción 248 de la varilla 212 de pistón se conecta al retenedor 202 (que define el tope) , tal como por sujetadores roscados 206 o de otro modo como se desee. La segunda porción 248 se puede alinear en general de manera axial con el tope 258 y puede incluir una porción 268 guía de varilla que se puede adaptar para recibir un cojinete 276 para ayudar al movimiento guía de la varilla 212 de pistón. La segunda porción también puede ser
parcialmente hueca o tubular para definir una cavidad 254 de la varilla 212 de pistón. En la Figura 9 se muestra una modalidad diferente de una varilla 312 de pistón. En esta modalidad, la primera porción 346 de la varilla 312 de pistón se puede formar de manera similar a la primera porción 46 de la varilla 12 de pistón mostrada en las Figuras 1 y 2 excepto que esta primera porción 346 no incluye una pestaña integral tal como la pestaña 59 en la varilla 12 de pistón. La primera porción 346 incluye por lo tanto una cavidad 354 tal como un agujero sin salida. En realidad, se proporciona un retenedor anular 302 radialmente hacia fuera de una superficie exterior 304 de la primera porción 346 para definir un tope 358 . El retenedor 302 se mantiene en su lugar contra al movimiento en una dirección por una anillo 306 de presión portado en una ranura 308 en la primera porción 346 y contra el movimiento en la otra dirección por su conexión a una segunda porción 348 de la varilla 312 de pistón. La segunda porción 348 puede ser tubular y puede incluir un resalte 310 que tiene en un extremo 312 de la primera porción 346 . La segunda porción 348 se puede conectar al retenedor 302 de cualquier manera adecuada, tal como por sujetadores roscados 314 . De esta manera, la primera porción 346 , la segunda porción 348 y el topee retenedor 302 se mantienen firmemente de forma conjunta, pero se pueden separar fácilmente para servicio o
reparación, al remover los sujetadores 314. Se puede proporcionar una guía 368 de varilla de manera integral con o como un componente separado de la segunda porción 348 y puede incluir un cojinete 376. En al menos algunas modalidades del muelle de gas, la varilla de pistón se puede formar con una longitud más grande sin incrementar significativamente el volumen de la cámara de gas usada por la varilla de pistón. Como se muestra en la línea C de la Figura 10, esto permite que el muelle de gas tenga una fuerza efectiva incrementada similar a aquélla de los muelles de gas anteriores de tamaño similar y parámetros de operación que tienen varillas de pistón con alguna porción hueca (por ejemplo, del tipo mostrado por la línea B) y mayor que los muelles de gas que tienen un diseño de varilla sólida de pistón (por ejemplo, del tipo mostrado por la línea A) , en tanto que mantiene una fuerza relativamente plana en la curva de viaje en comparación a aquella mostrada por la línea B. Por consiguiente, el muelle de gas puede proporcionar una fuerza efectiva incrementada con un volumen aumentado al máximo de cámara de gas para un tamaño determinado y una fuerza relativamente constante sobre su longitud de carrera. En al menos algunas modalidades, la porción hueca de la varilla de pistón, definida por una cavidad de la primera porción (si la hay) y una segunda porción tubular o
al menos parcialmente hueca, se extiende sobre la mitad de la longitud de la varilla de pistón, y puede extenderse hasta 95% de la longitud de la varilla de pistón. Además, en algunas modalidades, el espesor de la pared terminal 56 de la varilla 12 de pistón puede estar entre aproximadamente 40% y 100% del diámetro de la cavidad o agujero 54 sin salida en la primera porción 46. Además, la varilla 12 de pistón puede tener una longitud guía efectiva incrementada, que se puede definir como la distancia entre el extremo del cojinete 82 más cercana al extremo 49 de la varilla 12 de pistón, y el extremo opuesto del cojinete 76 portado por la guía de varilla. La longitud guía mínima se presenta cuando el pistón está en su posición extendida puesto que en esta posición la guía de varilla está más cerca al cojinete 82. En algunas implementaciones , la longitud guía efectiva mínima puede estar entre aproximadamente 100% a 200% del diámetro de la varilla de pistón, y en algunos casos se puede limitar sólo por la longitud del forro y varilla de pistón. En otras palabras, la longitud guía efectiva puede ser tanto como el forro, o aún algo más larga si, por ejemplo, el montaje 80 de cojinete y sello se extiende fuera del extremo abierto del forro 14. además, los cojinetes guía espaciados permiten el uso de un cojinete más pequeño y un montaje más pequeño de cojinete y sello para reducir el volumen de la cámara de gas
consumido por estos componentes en tanto que se proporciona una longitud guía total larga. Se debe reconocer que un experto en la técnica reconocerá otras modalidades abarcadas dentro del alcance de esta invención. Por ejemplo, cuando la varilla de pistón se forma en más de una pieza, la segunda porción de la varilla de pistón se puede unir a la primera porción de cualquier manera dada o en cualquier arreglo dado y la pluralidad de arreglos mostrados y descritos son sólo de ejemplo y no una lista o representación completa o exhaustiva. Igualmente, la guía de varilla se puede portar por o formar integralmente con, la varilla de pistón, o cualquier porción de la varilla de pistón, en cualquier número de maneras. Además, el cojinete de la guía de varilla puede estar integral y en una pieza con la segunda porción en lugar de estar en una parte separada portada por la segunda porción. Por supuesto, se pueden lograr, en vista de esta descripción, aún otras modalidades e implementaciones . Las modalidades descritas anteriormente se propone que sean ilustrativas y no limitantes. El alcance de la invención se define por las reivindicaciones que siguen. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la presente invención, es el que resulta claro a partir de la presente descripción de la invención.