DE19611081A1 - Fluidbetätigter Arbeitszylinder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen fluidbetätigten Arbeits­ zylinder, mit einer stirnseitig angeordneten Kolben­ stangen-Führungseinrichtung, die von einem einen unkreis­ förmigen Querschnitt aufweisenden Führungsabschnitt der Kolbenstange axial durchsetzt ist, und die über eine gehäuseseitig abgestützte, mit der Außenfläche des Füh­ rungsabschnittes zusammenarbeitende Wälzlagereinrichtung verfügt, die sowohl eine Querabstützung als auch eine Ver­ drehsicherung der Kolbenstange bewirkt.

Ein derartiger Arbeitszylinder geht aus der EP 0 346 716 B1 hervor. Dieser besitzt eine mit Längsnuten oder Längs­ keilen versehene Kolbenstange, an deren Außenumfang in Längsrichtung verlaufende Kugellaufbahnen ausgebildet sind, die mit gehäuseseitig abgestützten Lagerkugeln zu­ sammenwirken. Die Lagerkugeln stellen eine hochbelastbare Wälzlagereinrichtung dar, die die Kolbenstange seitlich abstützt und führt. Durch den formschlüssigen Eingriff mit den Kugellaufbahnen wird überdies eine Verdrehsicherung der Kolbenstange realisiert.

Als problematisch bei dieser Anordnung erweist sich die Abdichtung zwischen der Kolbenstange und dem Gehäuse des Arbeitszylinders. Die Kugellaufbahnen erfordern ein Kolbenstangenprofil, das nur sehr schwer abdichtbar ist, so daß im Betrieb Undichtigkeiten auftreten können. Bei pneumatischen Arbeitszylindern kann sich dies in einem ständigen Ausblasen von Druckluft äußern.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen fluidbetätigten Arbeitszylinder der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei weiterhin guter Führung und Verdreh­ sicherung der Kolbenstange einfacher und zuverlässiger abzudichten ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß sich die Außenfläche des Führungsabschnittes der Kolbenstange aus einem sich axial erstreckenden ebenen Flachabschnitt und einem sich in Umfangsrichtung daran anschließenden, kreis­ zylindrisch gestalteten Zylinderabschnitt zusammensetzt und daß die Wälzlagereinrichtung eine den Führungs­ abschnitt koaxial umschließende, ausschließlich mit dem Zylinderabschnitt zusammenarbeitende Kugelbuchse aufweist sowie eine der Kugelbuchse axial nachgeordnete, seitlich neben der Kolbenstange drehgelagerte Lagerrolle, die auf dem Flachabschnitt abläuft.

Auf diese Weise liegt eine Kolbenstange vor, die zumindest im Bereich ihres Führungsabschnittes im Querschnitt ge­ sehen die Form eines an einer Stelle des Umfanges abge­ flachten Kreises hat. Man kann sich den Führungsabschnitt als abgeflachten bzw. abgeplatteten, ursprünglich kreis­ zylindrischen Stangenabschnitt vorstellen. Dieses Kolben­ stangenprofil zeichnet sich durch glatte Flächen aus, dessen Abweichung von der Kreisform nicht so stark ist, als daß sich nicht noch eine zuverlässige Abdichtung erzielen ließe. Die Verdrehsicherung der Kolbenstange wird hier durch das Zusammenwirken des Flachabschnittes mit dem Außenumfang der Lagerrolle gewährleistet, die seitlich neben dem Führungsabschnitt mit quer zur Längsachse der Kolbenstange verlaufender Drehachse drehgelagert ist. Diese Lagerrolle bewirkt zudem die Querabstützung der Kolbenstange im Bereich des Flachabschnittes, der nicht mit der axial benachbarten Kugelbuchse zusammenarbeitet. Diese, insbesondere handelsübliche, Kugelbuchse, die auch als Kugelhülse bezeichnet werden kann, umschließt den Führungsabschnitt, wobei die radial neben dem Zylinder­ abschnitt angeordneten Kugeln mit diesem Zylinderabschnitt Zusammenwirken. Die eventuell vorhandenen, dem Flach­ abschnitt gegenüberliegenden Kugeln bleiben wegen des Abstandes zum Flachabschnitt funktionslos.

Indem für die Kolbenstangen-Führungseinrichtung auf handelsübliche Wälzlagerteile zurückgegriffen werden kann, ist eine kostengünstige Herstellung möglich.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Die Lagerrolle ist bevorzugt von einem handelsüblichen Wälzlager gebildet, das beispielsweise ein Rollenlager oder ein Nadellager sein kann. Es läuft im Betrieb mit seinem Außenring auf dem Flachabschnitt des Führungs­ abschnittes ab.

Als Kugelbuchse kommt zweckmäßigerweise eine Kugelumlauf­ buchse zum Einsatz, deren Kugeln in buchseninternen Um­ laufbahnen geführt sind. Kugelumlaufbuchsen dieser Art sind handelsüblich und daher kostengünstig bereitstellbar.

Die Kolbenstangen-Führungseinrichtung kann unmittelbar in einen stirnseitigen Abschlußdeckel des Arbeitszylinders integriert sein. Vor allem zur Nachrüstung bestehender Arbeitszylinder empfiehlt es sich, die Kolbenstangen- Führungseinrichtung separat auszubilden, so daß sie sich nachträglich lösbar an einen bereits vorhandenen Abschluß­ deckel des Arbeitszylinders ansetzen läßt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen stirnseitigen Endabschnitt eines fluid­ betätigten Arbeitszylinders, der mit einer be­ vorzugten Bauform der erfindungsgemäßen Kolbenstangen-Führungseinrichtung ausgestattet ist, im Längsschnitt gemäß Schnittlinie I-I aus Fig. 2, und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Arbeitszylinder aus Fig. 1 gemäß Schnittlinie II-II, wobei der Ab­ schlußdeckel im Bereich der Lagerrolle zu deren Sichtbarmachung aufgebrochen dargestellt ist.

Die Zeichnung zeigt den stirnseitigen Endabschnitt eines pneumatischen Arbeitszylinders 1. Dieser besitzt ein Ge­ häuse 2, das sich aus einem Zylinderrohr 3 und zwei das Zylinderrohr 3 stirnseitig verschließenden Abschlußdeckeln 4 zusammensetzt, von denen nur einer dargestellt ist.

In dem Zylinderrohr 3 ist ein Kolben 5 axial beweglich gelagert. Er trennt zwei Arbeitsräume 6 voneinander ab, von denen nur einer dargestellt ist. In jeden Arbeitsraum 6 mündet ein im zugeordneten Abschlußdeckel 4 verlaufender Fluidkanal 7, über den in an sich bekannter Weise das Betätigungsfluid, hier Druckluft, zu- und abgeführt werden kann, um den Kolben 5 zu einer Verschiebebewegung zu ver­ anlassen.

An dem Kolben 5 ist eine Kolbenstange 8 angeordnet, die sich in Längsrichtung des Gehäuses 2 erstreckt und deren Längsachse 12 strichpunktiert angedeutet ist. Die Kolben­ stange 8 durchsetzt wenigstens den einen Abschlußdeckel 4 in axialer Richtung. An dem außerhalb des Gehäuses 2 be­ findlichen Kolbenstangenabschnitt kann auf an sich bekann­ te Weise ein beliebiger zu verlagernder Gegenstand ange­ ordnet werden.

In den Abschlußdeckel 4 ist eine Kolbenstangen-Führungs­ einrichtung 13 integriert, die von der Kolbenstange 8 durchsetzt wird. Der Abschlußdeckel 4 bildet das Gehäuse der Kolbenstangen-Führungseinrichtung 13.

Durch die Kolbenstangen-Führungseinrichtung 13 wird die Kolbenstange 8 in ihrer Axialbewegung, die sie entspre­ chend der Verlagerung des Kolbens 5 ausübt, geführt bzw. seitlich abgestützt. Gleichzeitig findet eine Verdreh­ sicherung der Kolbenstange 8 statt, die somit an einer Drehbewegung um ihre Längsachse 12 bezüglich des Gehäuses 2 gehindert ist. Auf diese Weise lassen sich mit dem Arbeitszylinder Positionieraufgaben sehr präzise bewälti­ gen, selbst wenn die Kolbenstange 8 einer hohen Quer­ belastung ausgesetzt sein sollte.

Wesentlicher Bestandteil der Kolbenstangen-Führungsein­ richtung ist eine nachstehend noch im Detail beschriebene Wälzlagereinrichtung 14, die an dem Gehäuse bzw. Abschluß­ deckel 4 abgestützt ist und mit der Außenfläche 15 des­ jenigen Längenabschnittes der Kolbenstange 8 zusammen­ arbeitet, der die Kolbenstangen-Führungseinrichtung 13 im Betrieb durchsetzt. Dieser Kolbenstangen-Längenabschnitt sei nachfolgend als Führungsabschnitt 16 bezeichnet.

Zumindest über die Länge des Führungsabschnittes 16 hat die Kolbenstange 8 einen besonderen unkreisförmigen Quer­ schnitt. Aus Kostengründen verfügt die beispielsgemäße Kolbenstange 8 über ihre gesamte Länge über die entspre­ chende Profilierung.

Die unkreisförmige Querschnittsgestalt des Führungs­ abschnittes 16 ist besonders gut aus Fig. 2 ersichtlich. Erkennbar setzt sich die Außenfläche 15 der Kolbenstange 8 aus einem sich axial erstreckenden ebenen Flachabschnitt 17 und einem sich in Umfangsrichtung daran anschließenden, kreiszylindrisch gestalteten Zylinderabschnitt 18 zu­ sammen. Der Führungsabschnitt 16 hat somit eine Zweieck­ kontur. Man kann sich den Führungsabschnitt 16 entstanden denken aus einer Stange mit ursprünglich kreisförmigem Querschnitt, von dem eine kreissegmentartige Querschnitts­ partie entfernt wurde. Der Zentriwinkel des Zylinderab­ schnittes 18 ist größer als 180° und beträgt beim Aus­ führungsbeispiel in etwa 270°.

Die geschilderte Profilierung des Führungsabschnittes 16 gewährleistet insbesondere eine zuverlässige Verdreh­ sicherung bei gleichzeitiger guter Abdichtmöglichkeit des Durchdringungsbereiches zwischen dem Abschlußdeckel 4 und der Kolbenstange 8.

Die Verdrehsicherung wird bewirkt durch eine Lagerrolle 22 der Wälzlagereinrichtung 14. Sie ist in dem Abschlußdeckel bzw. Gehäuse 4 seitlich neben dem Führungsabschnitt 16 angeordnet und relativ zu besagtem Abschlußdeckel bzw. Gehäuse 4 drehgelagert. Ihre Ausrichtung ist so getroffen, daß ihre Drehachse 23 mit radialem Abstand zur Längsachse 12 der Kolbenstange 8 rechtwinkelig zu dieser verläuft. Mit ihrer bezogen auf die Drehachse 23 radial nach außen weisenden Stützfläche 24 steht die Lagerrolle 22 in Kontakt mit dem Flachabschnitt 17, auf dem sie während der Verschiebebewegung der Kolbenstange 8 abläuft.

Die Lagerrolle 22 ist beim Ausführungsbeispiel von einem Wälzlager 22′ gebildet, das in an sich bekannter Weise aufgebaut ist. Es handelt sich hier um ein Rollen- bzw.

Nadellager. Es umfaßt einen Innenring 25, mit dem es auf eine Lagerachse 26 aufgezogen ist, deren Längsachse die erwähnte Drehachse 23 darstellt. Der Innenring 25 ist von einem Wälzelementenkranz 27 umgeben, der seinerseits von einem Außenring 28 umfaßt ist. Letzterer ist relativ zu dem Innenring 25 verdrehbar. Die radial auswärtsgerichtete Außenfläche des Außenringes 28 bildet die erwähnte Stütz­ fläche 24. Da diese insgesamt kreiszylindrisch gestaltet ist, ergibt sich ein großflächiger Berührbereich 32 mit dem Flachabschnitt 17, der zumindest annähernd über seine gesamte Breite von der Stützfläche 24 beaufschlagt werden kann. Auf diese Weise ist die Kolbenstange 8 an einer Rotation um ihre Längsachse 12 gehindert.

Die Wälzlagereinrichtung 14 sitzt in der von der Kolben­ stange 8 durchsetzten axialen Durchbrechung 33 des Ab­ schlußdeckels 4. Die axiale Durchbrechung 33 hat eine vorzugsweise ringförmige radiale Erweiterung, die den Aufnahmeraum 34 für die Lagerrolle 22 bzw. das Wälzlager 22′ bildet. Die Lagerachse 26 durchsetzt den Aufnahmeraum 34 nach Art einer Sekante und ist mit ihren beiden End­ bereichen in einer den Abschlußdeckel 4 quer durchsetzen­ den Lagerbohrung 35 gehalten. Die Lagerrolle 22 sitzt auf dem den Aufnahmeraum 34 durchquerenden Mittelabschnitt 36 der Lagerachse 26.

In einem sich axial mit Abstand an den Aufnahmeraum 34 anschließenden Lagerabschnitt 36 der axialen Durchbrechung 33 ist eine Kugelbuchse 37 festgelegt, die einen weiteren Bestandteil der Wälzlagereinrichtung 14 bildet. Die Kugel­ buchse 37, auch als Kugelhülse bezeichenbar, umschließt den Führungsabschnitt 16 koaxial. Die beispielsgemäße Kugelbuchse 37 ist ein handelsübliches Bauteil, dessen Aufbau allgemein bekannt ist, so daß sich nähere Ausfüh­ rungen hierzu erübrigen. Es kann sich beispielsweise um eine Kugelhülse der Art handeln, wie sie in dem INA- Maßkatalog D 303, 1974, Seiten 120/121, beschrieben ist. Als Wälzlagerelemente fungieren Kugeln 38, die ausschließ­ lich mit dem Zylinderabschnitt 18 zusammenwirken, während die Lagerrolle 22 ausschließlich mit dem Flachabschnitt 17 zusammenarbeitet.

In bevorzugter Ausgestaltung ist die Kugelbuchse 37 als Kugelumlaufbuchse konzipiert, die über mehrere integrier­ te, jeweils in sich geschlossene Kugellaufbahnen 42 ver­ fügt, in denen Kugeln 38 aufeinanderfolgend aufgereiht sind. Diese Kugelreihen laufen in der zugeordneten Kugel­ laufbahn um, wenn die Kolbenstange 8 axial verlagert wird. Mehrere derartiger, ringförmig aufgereihter Kugelreihen 43 sind in Umfangsrichtung der Kugelbuchse 37 verteilt an­ geordnet. Allerdings sind nur diejenigen wirksam, die dem Zylinderabschnitt 18 radial gegenüberliegen. Die dem Flachabschnitt 17 gegenüberliegenden Kugelreihen 43′ sind hingegen wirkungslos, es liegt ein radialer Zwischenraum zwischen diesen Kugelreihen 43′ und dem Flachabschnitt 17 vor.

Die Kugellaufbahnen 42 sind in einem hülsenförmigen, ins­ besondere aus Kunststoff bestehenden Führungskäfig 44 ausgebildet, der außen von einer gehärteten Außenhülse 45 umschlossen ist und mit dieser eine Montageeinheit bildet. Entlang eines linearen Längenabschnittes sind die Kugel­ laufbahnen 42 über eine schlitzartige Öffnung 46 des Führungskäfigs 44 zur Kolbenstange 8 hin offen, so daß die Kugeln 38 teilweise radial hindurchtreten und in Führungs­ kontakt mit dem Zylinderabschnitt 18 gelangen können.

Die Kugelbuchse 37 kann in die axiale Durchbrechung 33 eingepreßt oder, wie abgebildet, durch einen Sicherungs­ ring 47 fixiert sein.

Bevorzugt ist die Lagerrolle 22 axial innerhalb der Kugel­ buchse 37 angeordnet, so daß sie axial zwischen der Kugel­ buchse 37 und dem zugeordneten Arbeitsraum 6 zu liegen kommt. Dies ermöglicht nach derzeitiger Auffassung kom­ paktere Gesamtabmessungen als die ebenfalls mögliche um­ gekehrte axiale Aufeinanderfolge.

Zur Abdichtung zwischen dem Abschlußdeckel 4 und der Kolbenstange 8 dient ein Dichtring 48, der zweckmäßiger­ weise axial zwischen der Wälzlagereinrichtung 14 und dem zugeordneten Arbeitsraum 6 in der axialen Durchbrechung 33 gehalten ist. Es handelt sich zweckmäßigerweise um einen Lippenring, der über eine radial flexible schrägstehende Dichtlippe 49 verfügt. Die Flexibilität dieser Dichtlippe 49 stellt sicher, daß trotz üblicher Ringgestalt ein sicherer Dichtkontakt sowohl zu dem Zylinderabschnitt 18 als auch zu dem radial weiter entfernten Flachabschnitt 17 hergestellt wird.

Der Dichtring 48 kann ohne weiteres auch eine Spezial­ anfertigung sein, beispielsweise hergestellt in Spritz­ gußtechnik, dessen vorzugsweise lippenförmige Dichtpartie der Außenkontur des unkreisförmigen Führungsabschnittes 16 angepaßt ist. Da dessen Außenfläche im übrigen nicht von Nuten oder keilartigen Erhöhungen überzogen sein muß, sondern vielmehr glattflächige Flächenabschnitte möglich sind, kann mit einer guten Dichtqualität gerechnet werden.

Während beim Ausführungsbeispiel die Kolbenstangen- Führungseinrichtung 13 Bestandteil eines Abschlußdeckels 4 des Arbeitszylinders ist, wäre es auch möglich, die Kolbenstangen-Führungseinrichtung 13 separat auszubilden, derart, daß sie nach Bedarf an einen Abschlußdeckel montierbar ist. Dies kann die Nachrüstung bestehender Arbeitszylinder erleichtern. Angedeutet ist diese Möglich­ keit durch die strichpunktierte Linie 52, die in diesem Falle eine Trennlinie darstellen könnte, wobei der Bereich rechts davon den Abschlußdeckel und der Bereich links davon die separate Kolbenstangen-Führungseinrichtung 13 darstellt.

Claims (8)

1. Fluidbetätigter Arbeitszylinder, mit einer stirn­ seitig angeordneten Kolbenstangen-Führungseinrichtung (13), die von einem einen unkreisförmigen Querschnitt aufweisenden Führungsabschnitt (16) der Kolbenstange (8) axial durchsetzt ist, und die über eine gehäuseseitig abgestützte, mit der Außenfläche (15) des Führungs­ abschnittes (16) zusammenarbeitende Wälzlagereinrichtung (14) verfügt, die sowohl eine Querabstützung als auch eine Verdrehsicherung der Kolbenstange (8) bewirkt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die Außenfläche (15) des Führungsabschnittes (16) der Kolbenstange (8) aus einem sich axial erstreckenden ebenen Flachabschnitt (17) und einem sich in Umfangsrichtung daran anschließenden, kreis­ zylindrisch gestalteten Zylinderabschnitt (18) zusammen­ setzt und daß die Wälzlagereinrichtung (14) eine den Führungsabschnitt (16) koaxial umschließende, ausschließlich mit dem Zylinderabschnitt (18) zusammen­ arbeitende Kugelbuchse (37) aufweist sowie eine der Kugel­ buchse (37) axial nachgeordnete, seitlich neben der Kolbenstange (8) drehgelagerte Lagerrolle (22), die auf dem Flachabschnitt (17) abläuft.

2. Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lagerrolle (22) von einem Wälzlager (22′) gebildet ist, dessen Außenring (28) mit seiner radialen zylindrischen Außenfläche (24) mit dem Flach­ abschnitt (16) zusammenarbeitet.

3. Arbeitszylinder nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Wälzlager (22′) ein Rollen- oder Nadel­ lager ist.

4. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerrolle (22) auf einer mit Abstand neben der Kolbenstange (8) angeordneten und rechtwinkelig zur Längsachse (12) der Kolbenstange (8) ausgerichteten Lagerachse (26) sitzt.

5. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerrolle (22) axial innerhalb der Kugelbuchse (37) angeordnet ist.

6. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelbuchse (37) eine Kugelumlaufbuchse ist.

7. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstangen-Führungs­ einrichtung (13) Bestandteil eines stirnseitigen Abschluß­ deckels (4) des Arbeitszylinders (1) ist.

8. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstangen-Führungs­ einrichtung (13) stirnseitig an einen Abschlußdeckel (4) des Arbeitszylinders (1) angebaut ist.