Linearantrieb mit integriertem pneumohydraulisehen Druckübersetzer
Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit integriertem pneumohydraulischen Druckubersetzer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der DE 197 58 159 AI 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 enthalt, in dem ein Plunger und ein Hydraulikkolben axial verstelloar 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 Pneuratikzylmder 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 abhangt.
Die Pneumatikkolbenanordnung weist außerdem eine den Hydraulikzylinder radial umhüllende, hülsenformige Membran auf, wobei radial zwischen dieser Membran und dem Hydraulikzylinder ein Hydraulikspeicher ausgebildet ist, der über eine Hydraulikverbindung mit dem Inneren des Hydraulikzylinders kommuniziert .
Wahrend 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 Hydraulik it el befullten Inneren des Hydraulikzylinders. Durch die offene Hydraulikverbindung strömt dabei Hydraulikmittel aus dem Hydraulikspeicher in das Innere des Hydraulikzylinders.
Wahrend einer Krafthubphase ist die Hydraulikverbindung gesperrt und die Pneumatikkolbenanordnung bev/egt 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 Druckubersetzer.
Bei einem derartigen Linearantrieb besteht das Problem, daß das Pneumatikmittel, insbesondere Luft, mit der Zeit die Membran durchdringt, insbesondere durch Diffusionsvorgange, 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 besch ftigt sich mit dem Problem, einen Linearantrieb der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß der Eintritt des Pneumatikmittels in das Hy- drauliksystem des Linearantriebs vermindert wird.
Dieses Problem wird erfindungsgemaß durch einen Linearantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelost.
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 realisierbarer Aufbau für eine Membran mit mnenliegender Zwischenschicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausfuhrungsform können an mindestens einer der Zwischenschicht zugewandten Seite mehrere axial verlaufende Nuten ausgebildet sein, die ~ιt einer in Umfangsπchtung verlaufenden Ringnut kommunizieren, die ihrerseits mit einer Pneumatikverbindung kommunizieren, die an der Zwischenschicht den Entgasungsdruck anlegt. Durch diese Maßnahme wird der Austrag von Pneumatikmittel ≤αs 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 Pneuir≥ ikzylmders abgedichtet ist. Durch diese Maßnahme herrscht in αer Vorspannungskammer im wesentlichen derselbe Pneumac__kdruck, wie in dem vom Plunger durchdrungenen Abschnitt des Pneumatikzylinders. Wahrend der Schnellhubphase wirkt oa^er der die Pneumatikkolbenanordnung in Vorhubπchtung antreibende Pneumatikdruck auch auf die Membran, wodurch eine Vorspannung auf den Hydraulikspeicher aufgeprägt wird, so oaß das hy- draulikrnittel durch diese Vorspannung angetrieben ιr den Hydraulikzylinder eintritt. Auf diese Weise könne- Kavitatsef- fekte 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 erfmdungsgemaßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteranspruchen, aus den Zeichnungen unα 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 Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird m der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 bis 4 einen Längsschnitt durch einen erfmdungsgemaßen 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 erfmdungsgemaßer Linearantrieb 1 einen Pneumatikzylinder 2 auf, der an seinen axialen Enden jeweils durch einen Zylinderboden 3 bzw. 4 verschlossen ist. Im Inneren oes Pneumatikzylinders 2 ist eine Pneumatikkolbenanordnung 5 axial verstellbar gelagert. Diese Pneumatikkolbenanordnung 5 weist zwei axial voneinander beabstandete Endkolben 6 bzw. 7 auf, zwischen denen s ch ein Hydraulikzylinder 8 erstreckt. Der Hydraulikzylinder 8 ist radial außen von einer hulsenformigen 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 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 Radialoffnung 14 mit einer Um-
gebung 15 des Pneumatikzylinders 2 kommuniziert. In axialer Richtung ist der Ringraum 13 durch Radialdichtungen lβ bzw. 17 gegenüber dem Pneumatikzylinder 2 abgedichtet, die den Endkolben 6 bzw. 7 untergebracht sind.
Die Pneumatikkolbenanordnung 5 trennt im Pneumatikzylir.der 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 Merroran 9 ausgebildeten, davon radial vorstehenden Dichtkragen 31 realisiert. Die Verbindungsleitung 21 besteht dabei aus einer den Endkolben 6 durchdringenden Bohrung 22, einer 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 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 33 angrenzen-
de 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 Rmgraum 13 und somit über die Radialoffnung 14 mit der Umgebung 15. Wahrend der rechte Aufnahmering 11 pneumatisch durchlassig mit der Hülse 12 und mit dem Endkolben 7 verbunden ist, sind beim gegenüberliegenden Aufnahmering 10 Dicht- mittel 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 e Hydraulikanschluß 56 ausgebildet, der über einen zentralen Kanal 58 im Plunger 26 mit dem Inneren 34 des Hydraulikzylinders 8 komrriuniziert. Über diesen Hyoraulikanschluß 56 kann Hydraulikmittel m den Hydraulikzylinder 8 eingefüllt werden, bzv . kann fehlendes Hydraulikmittel bedarfsabhangig nachgefüllt v/erden.
Bei einer besonderen Ausfuhrungsform kann m diesen Hydraulikanschluß 56 em 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 wahrend 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 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 v/ird 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 v/iedergibt, 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 Hydraulikverbmdung 33 kann Hyorau__ιkmιttel aus dem Hydraulikspeicher 32 in das Innere 34 nachfließen. Durch die Vorspannung der Membran 9 wird dabei gewährleistet, daß es beim Herausbewege^ des Plungers 26 aus oe~ ydraulikzy- linder 8 nicht zu Ka 'ltatserschemungen kommt.
Sobald die Antriebsstange 29 auf em h αernis trifft, bleibt sie zunächst stehen, wodurch der Hydra _.lιkkolben 29 in oas Innere 34 des Hydraulikzylinders 8 eindringt, da sich die Pneumatikkolbenanordnung 5 weiter nach recrts verstellt. Auf diese Weise wird die Hydraulikverbmdung 33 gesperrt und dadurch die Krafthubphase entsprechend den Fig. 3 und 4 eingeleitet. Wahrend dieser Krafthubphase verstellt sich die Pneumatikkolbenanordnung 5 weiter nach rechts, v.odurch sich der Plunger 26 weiter aus dem Inneren 34 des Hydraulikzylinders 8 herausbewegt. Dadurch verringert sicα das Volumen des Ringraumes 27. Das darin enthaltene Hydraulιk*~_ttel tritt m das Innere 34 em, wodurch im Inneren 34 cer Dr__ck stark ansteigt, so daß hier eine Übersetzung des pneumatischen Druk- kes in einen hydraulischen Hochdruck stattfindet. Da das Hydraulikmittel im Vergleich zum Pneumatikmittel mkompressi- bel ist, kommt es zu einer Zwangsverstellung oes Hydraulikkolbens 28 und somit der Antriebsstange 29 nac rechts, wobei dieser Krafthub mit einer geringen Geschwindigkeit, jedoch mit einer hohen Vorschubskraft erfolgt.
Wahrend des Betriebs des Linearantriebs 1 a ^ es durch den in der Vorspannungskammer 18 herrschenden Pneu^atikdruck da-
zu 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 m die Zwischensicht 38, die über die Pneumatikverbindung 39 mit der Umgebung 15 kommuniziert. Dementsprechend herrscht in der Zwischenschicht 38 im wesentlichen oer Umgebungsdruck, der erheblich niedriger ist, als der m der Verspannungkammer 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.