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Druckmittelzylinder, hier insbesondere Hydraulikzylinder zur maschinellen Umsetzung von Linear- oder Drehbewegungen, sind in der Industrie weit verbreitet. Einfache einstufige Druckmittelzylinder eignen sich in den Fällen, wo eine gleichförmige Kraft über eine definierte Wegstrecke aufgebracht werden muss. In vielen Fällen, z. B. bei hydraulischer Verstellung eines Scherentisches verändert sich jedoch der notwendige Kraftaufwand mit der Wegstrecke. Im eingefahrenen Zustand wird aufgrund der speziellen Kinematik in der Anfangsphase auf einer ersten, relativ kurzen Wegstrecke ein hoher Kraftaufwand benötigt, anschließend kann das weitere Ausfahren nach Überwinden dieses Anfahrwiderstands mit deutlich geringerem Kraftaufwand bewerkstelligt werden. Gleichzeitig ist es bei diesem Anwendungsfall wünschenswert, dass die Ausfahrbewegung insgesamt zügig und daher besonders auf der zweiten, größeren Wegstrecke schnell abläuft.
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Stand der Technik
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Eine einfache, weit verbreitete Lösung zur Erfüllung dieser Anforderungen besteht darin, einen Scherenhubtisch mit zwei Hydraulikzylindern zu versehen, wobei der eigentliche Arbeitszylinder entsprechend des relativ geringen Kraftaufwands in der Hebephase dimensioniert wird. Dieser Arbeitszylinder wird in der kurzen Hubanfahrphase zusätzlich von einem deutlich größer dimensionierten Hilfszylinder unterstützt, dessen Aufgabe lediglich darin besteht, diesen Anfangswiderstand zu überwinden. Nachteil dieser Lösung ist, dass zwei separate Zylinder verbaut, mit Druckmittelleitungen verbunden und angesteuert werden müssen. Neben dem Nachteil des höheren Gewichtes und Aufwands müssen in beiden Zylindern Versagenssicherungen eingebaut werden, um mögliche Unfälle zu verhindern, die bei Ausfall eines der Zylinder auftreten könnten.
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In
US 3269275 A wird in einem anderen Anwendungsfall mit ähnlichen Anforderungen ein zweistufiger Hydraulikzylinder vorgeschlagen, der zwei teleskopartig ineinander verbaute Kolben mit unterschiedlichen Durchmessern beinhaltet. Die unterschiedlichen Querschnittsflächen der beiden Kolben bedingen, dass bei gleichmäßigem Druckmittelzufluss sich zuerst der äußere größere Kolben zusammen mit dem in ihm gelagerten kleinen Kolben relativ langsam bewegt und dabei eine relativ große Kraft überträgt. In dem Moment, wo der größere Kolben seine Endlage erreicht, wird der kleinere Kolben aktiviert und führt die Bewegung mit größere Geschwindigkeit und verminderter Kraftübertragung weiter, bis auch er seine Endlage erreicht.
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Ähnliche konstruierte mehrstufige Druckmittelzylinder werden auch anderweitig eingesetzt. In
DE 10 2008 045 426 A1 wird ein pneumatisch betriebener Doppelhubzylinder vorgestellt, der einen als offene Hülse gebildeten Vorschubkolben und einen darin wiederum axial verschiebbar gelagerten Arbeitshubkolben beinhaltet. Beide Kolben haben an ihren Stirnflächen unterschiedliche, aufeinander abgestimmte Durchmesser. Durch wechselseitige Druckmittelzufuhr werden in einem Fall beide Kolben in eine Bewegungsrichtung gezwungen, im anderen Fall wird lediglich der Arbeitskolben mit hoher Geschwindigkeit im stillstehendem Vorschubkolben bewegt.
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Ein Nachteil derartiger zwei- oder mehrstufiger Hydraulikzylinder liegt darin, dass es lastabhängig ist, in welcher Reihenfolge die einzelnen Zylinderstufen angesprochen werden. Mit dem Zweck eine höhere Betriebssicherheit zu erzielen wird in
EP 0 967 399 A2 ein mehrstufiger Hydraulikzylinder für Hubarbeitssysteme beschrieben, bei dem durch eine besondere Hydraulikanordnung eine festgelegte Reihenfolge der Betätigung der Zylinderstufen beim Ein- und Ausfahren erzwungen wird.
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Es bleibt der konstruktive Nachteil aller teleskopartigen oder anderweitig mehrfach ineinander geschobenen mehrstufigen (Hohl-)kolben, wie sie in weiteren Konstruktionsformen auch in
US 2009/0308243 A1 ,
DE 38 09 461 A1 und
DE 100 57 280 C2 beschrieben sind, dass diese relativ aufwändig gebaut sind und in jeder ineinander geschobenen Stufe gegeneinander druckmittelundurchlässig abgedichtet sein müssen. Des für die Ausfahrbewegung notwendige Spiel jeder Stufe addiert sich und erhöht letztlich das Risiko von Leckagen und der Durchknickung des ausgefahrenen Zylinders. Zudem bestimmt der Durchmesser der größten Zylinderstufe die Größe des gesamten Zylindergehäuses und führt damit zwangsläufig zu einer relativ voluminösen Bauart.
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Aufgabenstellung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen zwei- oder mehrstufigen Druckmittelzylinder zu entwickeln, der die Übertragung unterschiedlicher Kräfte mit entsprechend unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeiten erlaubt und dabei relativ einfach, robust und kostengünstig konstruiert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Druckmittelzylinder, dessen abgestuftes Zylindergehäuse aus zwei hintereinander liegenden rohrartigen Abschnitten mit unterschiedlichen Durchmessern besteht, dessen Enden mit einem Zylinderdeckel verschlossen sind, zwei hintereinander liegende, jeweils axial verschiebbare und nicht miteinander verbundene Kolben beinhaltet, wobei der größere Kolben eine beide Stirnflächen verbindende Durchgangsbohrung aufweist und mindestens zwei Kolbenabschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern beinhaltet, dessen durchmessergrößerer Kolbenabschnitt in der Innenseite des durchmessergrößeren Teils des Zylindergehäuses und dessen Kolbenabsschnitt mit dem kleineren Durchmesser genauso wie der zweite Kolben in der Innenseite des durchmesserkleineren Teils des Zylindergehäuses geführt wird, so dass in einer ersten Hubphase beide Kolben gleichzeitig in Bewegung gesetzt werden, bis der größere Kolben seine Endlage erreicht und anschließend der kleinere Kolben mit erhöhter Hubgeschwindigkeit weiterbewegt wird, bis auch dieser seine Endlage erreicht.
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In einer vorteilhaften Ausführung besteht das Zylindergehäuse aus mehr als zwei rohrartigen Abschnitten mit unterschiedlichen Durchmessern und enthält gleich viele Kolben mit jeweils entsprechend angepassten Durchmessern in der oben beschriebenen Bauart, so dass der Hub in mehreren noch feiner auf die Anforderungen abgestimmten Teilstufen durchgeführt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der mehrstufiger Druckmittelzylinder als doppelwirkender Zylinder ausgeführt wird, wobei der Kolben mit der größten Kolbenfläche ebenfalls mit einer Kolbenstange verbunden ist, die an dem dem Austritt der ersten Kolbenstange gegenüberliegenden Ende des Zylindergehäuse austritt.
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In einer vorteilhafter Ausführung besteht ein doppelwirkendes Zylindergehäuse aus zwei baugleichen Teilzylindergehäusen der oben beschriebenen Art, deren größere Stirnflächen keinen Zylinderdeckel beeinhalten und die spiegelbildlich aneinander gesetzt und fluiddicht verbunden sind und eine gemeinsame mittige Fluideinlassöffnung besitzen, so dass beim Einlassen des Drucksmittels beide Kolbenkombinationen zeitgleich in entgegengesetzte Richtung bewegt werden.
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In einer weiteren vorteilhafter Ausführung besteht ein doppelwirkendes Zylindergehäuse der oben beschriebenen Bauart aus zwei Teilzylindergehäusen mit unterschiedlichen Geometrien, wobei die beiden Teilzylindergehäuse und die einzelnen Kolben so dimensioniert sind, dass auf jeder Teilwegstrecke in die jeweilige Richtung die optimale Hebe- bzw. Zugkraft und Arbeitsgeschwindigkeit erzielt wird.
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In einer weiteren vorteilhafter Ausführung sind ein oder mehrere Kolben eines mehrstufiger Zylinder der vorher beschriebenen Art mit einer Endlagendämpfung versehen, die die Erschütterungen reduzieren, die aus dem Anschlagen der Kolben gegeneinander bzw. dem Anschlagen an ihre Endlage resultieren.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
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1: einen Schnitt durch einen zweistufigen Hydraulikzylinder in Ruhestellung
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2: einen Schnitt durch einen zweistufigen Hydraulikzylinder mit ausgefahrener ersten Hubstufe
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3: einen Schnitt durch einen zweistufigen Hydraulikzylinder im komplett ausgefahrenen Zustand
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4: einen Schnitt durch einen zweistufigen Hydraulikzylinder mit Endlagendämpfung beider Kolben
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Das Ausführungsbeispiel in den 1 bis 3 zeigt einen zweistufigen Hydraulikzylinder (1) bestehend aus einem aus Zylindergehäuse (2), das aus zwei hintereinander liegenden rohrartigen Abschnitten mit unterschiedlichen Durchmessern (3) und (4) besteht und dessen beiden Stirnseiten jeweils mit einem Zylinderdeckel (5) und (6) verschlossen sind. Im Inneren des Zylindergehäuses (2) sind zwei nicht miteinander verbundene, jeweils axial verschiebbare Kolben mit unterschiedlichen Kolbenflächen (7) und (9) hintereinander liegend untergebracht, die jeweils an der Innenseite des rohrartigen Zylindergehäuse (2) geführt werden.
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Der axiale Bewegungsspielraum des kleineren zylindrischen Kolbens (7) ist auf das dünneren Segment (3) des Zylindergehäuse (2) beschränkt; dieser Kolben (7) ist fest mit einer Kolbenstange (10) verbunden. Der Zylinderdeckel (5) auf der Stirnseite des kleineren zylindrischen Segments ist mit einer Durchgangsbohrung (8) versehen, die als fluiddichte Führung dem Austritt der Kolbenstange (10) aus dem Zylindergehäuse (2) dient, Der größere Kolben (9) setzt sich aus zwei zylindrischen Abschnitten mit jeweils unterschiedlichem Außendurchmesser (11) und (12) zusammen und ist so in dem Zylindergehäuse (2) axial verschiebbar gelagert, dass der Abschnitt (11) in jeder Bewegungsphase in dem rohrartigem Abschnitt (3) und der zylindrische Abschnitt (12) des Kolben (9) in dem größerem rohrartigen Segment (4) des Zylindergehäuse (2) geführt wird. Der größere Kolben (9) besitzt eine zentrisch eingebrachte Durchgangsbohrung (13), durch die das Druckmedium fließen kann und über den Druck, den es dabei auf die Stirnfläche des kleineren Kolbens (7) ausübt, diesen in Bewegung setzen kann. Die Durchgangsbohrung (13) ist dabei so dimensioniert, dass sie beim Rückfahren des Zylinders als Drosselventil dient und dabei das Auftreffen des Kolbens (7) auf den Kolben (9) abbremst.
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Sämtliche sich gegeneinander bewegende Komponenten des zweistufigen Hydraulikzylinders (1) sind fluidundurchlässig gegeneinander geführt. Die abgedichteten Führungen (14) bis (17) entsprechen dem Stand der Technik, so wie sie in Druckmittelzylindern üblicherweise Verwendung finden und sind deshalb nur schematisch angedeutet.
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Das Zylindergehäuse (2) besitzt auf dem Umfang an beiden Enden jeweils unmittelbar neben den Zylinderdeckeln (5) und (6) sowie zusätzlich im rohrartigen Abschnitt (4) nahe des Übergangs zum dünneren Abschnitt (3) drei Ein-/Auslassöffnungen (18) bis (20), die jeweils mit einer nicht abgebildeten Druckmittelleitungen zur Zu- und Abführung des Hydrauliköls verbunden sind.
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In 1 ist der zweistufige Druckmittelzylinder in Ruhestellung abgebildet. Über die Ein-/Auslassöffnung (18) wird dem Druckmittelzylinder Hydrauliköl in den Teilzylinderraum (21) zugeführt. Dadurch, dass der Kolben (9) gegenüber dem Kolben (7) eine im Vergleich zum Reibungswiderstand größere Kolbenfläche bietet, ist die Bewegungsreihenfolge beider Kolben vorgegeben. Der ansteigende Druck im Teilzylinderraum (21) führt dazu, dass der Kolben (9) und gleichzeitig mit ihm der direkt an diesem anliegende Kolben (7) in Richtung des Zylinderdeckels (5) bewegt wird. Über die Auslassöffnung (20) entweicht das im Teilzylinderraum (22) befindliche Hydrauliköl. Die Bewegung des Kolben (9) wird gestoppt, wenn die in Richtung Zylinderdeckel (5) liegende Stirnfläche des zylindrischen Abschnitts (12) die in Richtung Zylinderdeckel (6) liegende Stirnfläche des rohrartigen Abschnitts (3) des Zylindergehäuses (2) berührt (2). Nachdem der Kolben (9) seine Endlage erreicht hat, wird die in Richtung des Zylinderdeckels (6) weisende Stirnfläche des Kolbens (7) über die Durchgangsbohrung (13) weiter mit Hydrauliköl beaufschlagt, so dass durch den ansteigenden Druck der Kolben (7) in gleiche Richtung jedoch aufgrund der geringeren Kolbenquerschnittsfläche nun mit erhöhter Geschwindigkeit weiter bewegt wird. Ein normalerweise zu erwartender ruckartige Stufenübergang, wie er bei anderen Konstruktionen auftritt, findet nur sehr gedämpft statt. Ursache hierfür ist, dass der Kolben (7) nicht aus der Ruhelage angestoßen wird, sondern bereits in Bewegung lediglich eine Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit erfährt. Über die Ein-/Auslassöffnung (19) entweicht das im Teilzylinderraum (23) befindliche Hydrauliköl. Der Kolben (7) erreicht seine Endlage, wenn seine kolbenstangenseitige Stirnfläche die im Inneren des Zylindergehäuses (2) liegende Stirnfläche des Zylinderdeckels (5) berührt (3).
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Beim Rückfahren des Zylinders wird über die Ein-/Auslassöffnung (19) Hydrauliköl in den Teilzylinderraum (23) zugeführt. Der Kolben (7) wird in Richtung Zylinderdeckel (6) bewegt, das zwischen Kolben (7) und Kolben (9) im Teilzylinderraum (24) befindliche Hydrauliköl fließt über die Durchgangsbohrung (13) in den Teilzylinderraum (21), bis die dem Zylinderdeckel (6) zugewandte Stirnseite des Kolbens (7) die dem Zylinderdeckel (5) zugewandte Stirnseite des Kolben (9) berührt. Der Kolben (7) schiebt den Kolben (9) weiter in Richtung Zylinderdeckel (6), das Hydrauliköl im Teilzylinderraum (21) wird über die Ein-/Auslassöffnung (18) abgeführt, über die Ein-/Auslassöffnung (20) gelangt Hydrauliköl in den Teilzylinderraum (22), bis schließlich beide Kolben wieder ihre Ausgangslage erreichen.
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4 zeigt eine Variante des in 1 bis 3 dargestellten zweistufigen Hydraulikzylinders, bei dem beide Kolben mit einer Entlagendämpfung versehen sind. Hierzu ist an der Innenseite des Zylinderdeckels (6) ein zylindrisch geformter Dämpferzapfen (25) angebracht, der die mittig angebrachte Ein-/Auslassöffnung (18) beinhaltet. Die diesem Zylinderdeckel zugewandte Stirnseite des Kolbens (9) besitzt eine im Durchmesser an den Dämpferzapfen angepasste zylindrische Dämpferbohrung (26). Auf der dem Zylinderdeckel (5) zugewandten Stirnseite des Kolbens (9) ist ein weiterer zylindrisch geformter Dämpferzapfen (27) angebracht, der wiederum mit einer im Durchmesser angepassten zylindrischen Dämpferbohrung (28) korrespondiert. Beim Zurückfahren des Kolbens (7) wird ab dem Moment, wo der Dämpferzapfen (27) in die Dämpferbohrung (28) eindringt, das Hydrauliköl durch den zwischen dem Außendurchmesser des Dämpferzapfens (27) und dem Innendurchmesser der Dämpferbohrung (28) verbleibenden Spalt gezwungen und dadurch die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolben (7) abgebremst. Beim weiteren Zurückfahren des Kolbens (7) gemeinsam mit Kolben (9), wird dann wiederum ab dem Moment, wie der zweite Dämpferzapfen (25) in die Dämpferbohrung (26) eindringt, die Bewegungsgeschwindigkeit beider Kolben in gleiche Weise abgebremst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3269275 A [0001, 0004]
- DE 3809461 A1 [0001, 0007]
- EP 0967399 A2 [0001, 0006]
- DE 10057280 C2 [0001, 0007]
- DE 102008045426 A1 [0001, 0005]
- US 2009/0308243 A1 [0001, 0007]
