DE19639548C2 - Fluidbetätigter Arbeitszylinder - Google Patents
Fluidbetätigter ArbeitszylinderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen fluidbetätigten Arbeitszylinder,
mit einer stirnseitig angeordneten Kolbenstangen-Führungs
einrichtung, die von einem einen Mehreckquerschnitt aufwei
senden Führungsabschnitt der Kolbenstange durchsetzt ist und
die über einen Grundkörper verfügt, an dem seitlich neben der
Kolbenstange eine an dieser ablaufende Führungsrollenanord
nung drehgelagert ist, die sowohl eine Querabstützung als
auch eine Verdrehsicherung der Kolbenstange bewirkt.
Ein Arbeitszylinder dieser Art geht aus der DE 295 07 688 U1
hervor. Er verfügt dort über eine kreisförmige Kolbenstange,
die unter Bildung eines Zweieckquerschnittes abgeflacht ist.
Zur Querabstützung trägt maßgeblich eine Kugelbüchse bei, die
mit dem kreiszylindrischen Kolbenstangenabschnitt zusammenar
beitet. Eine zusätzlich vorgesehene Führungsrollenanordnung
umfasst eine an dem Grundkörper drehgelagerte Führungsrolle,
die gegen den Flachabschnitt der Kolbenstange arbeitet. Außer
einer Querabstützung bewirkt diese Führungsrolle auch eine
Verdrehsicherung der Kolbenstange.
Bedingt durch die unterschiedlichen Lagerungskonzepte für die
Kolbenstange ist die Herstellung des bekannten Arbeitszylinders
relativ teuer. Auch sind die von der Kolbenstange auf
nehmbaren Drehmomente nicht sehr hoch und es bereitet ferner
Probleme, die Kugelbüchse einerseits und die Führungsrolle
andererseits so zu justieren, dass die Kolbenstange zum einen
spielfrei geführt ist, zum anderen aber auch keinen Verspan
nungen unterliegt. Letzteres würde zu einem raschen Ver
schleiß der einzelnen Führungselemente und auch der Kolben
stange selbst führen, was neben den Einbußen in der Führungs
qualität auch Abdichtungsprobleme im Bereich der Kolbenstan
gendurchführung des Zylindergehäuses nach sich ziehen könnte.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
fluidbetätigten Arbeitszylinder der eingangs genannten Art zu
schaffen, der bei guter Querabstützung der Kolbenstange auch
bei größerer Drehmomentbelastung eine zuverlässige Verdrehsi
cherung der Kolbenstange und einen verschleißarmen Betrieb
ermöglicht.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Ober
begriffes des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass zumin
dest der Führungsabschnitt der Kolbenstange eine prismatische
Formgebung aufweist, wobei zwei sich bezüglich der Längsachse
der Kolbenstange diametral gegenüberliegende Prisma-Seiten
kanten Führungsbereiche definieren, die mit der Führungsrol
lenanordnung zusammenarbeiten, indem jeder dieser Prisma-
Seitenkanten mindestens eine Führungsrolle zugeordnet ist,
die eine umlaufende Führungsnut aufweist, in die die betref
fende Prisma-Seitenkante eintaucht, so dass die seitlich
beidseits an eine jeweilige Prisma-Seitenkante anschließenden,
im Querschnitt gesehen winkelig zueinander verlaufenden
Flächenabschnitte des Prismas unter Bildung von Führungsflä
chen von den Nutflanken der zugeordneten Führungsnut abge
stützt sind, und dass die Führungsflächen der einen Prisma-
Seitenkante mit zwei beabstandeten Führungsrollen zusammenar
beiten, während der anderen Prisma-Seitenkante lediglich eine
Führungsrolle zugeordnet ist, die in dem axialen Bereich zwi
schen den beiden anderen Führungsrollen sitzt.
Auf diese Weise wird die Kolbenstange durch die gegen einan
der diametral entgegengesetzte Seitenbereiche des prismati
schen Führungsabschnittes arbeitenden Führungsrollen zuver
lässig gegen Querkräfte abgestützt. Da auch eine Abstützung
in der Umfangsrichtung der Kolbenstange stattfindet, wird
zugleich eine für hohe Drehmomentbelastungen ausgelegte Ver
drehsicherung erzielt. Selbst wenn die gesamte Kolbenstange
mit einer prismatischen Formgebung ausgestattet ist, lässt
sich der Durchdringungsbereich zwischen der Kolbenstange und
dem zugeordneten Lagerdeckel des Zylindergehäuses mit einem
entsprechend geformten Dichtungsring problemlos abdichten.
Durch die besondere Anordnung der Führungsrollen ergibt sich
ferner praktisch eine Dreipunktlagerung für die Kolbenstange,
woraus der weitere Vorteil resultiert, dass sich sehr einfach
eine statisch bestimmte Lagerung erzielen lässt, die eine ex
akte Führung ohne Hervorrufen von verschleißfördernden Ver
spannungen garantiert.
Aus der DE 38 20 333 A1 ist es bereits bekannt, die Kolben
stange eines Schwingungsdämpfers mittels Führungsrollen zu
lagern. Die Kolbenstange hat allerdings einen kreisförmigen
Querschnitt, und eine Verdrehsicherung wird nicht bewirkt.
Bei einem aus der EP 0 346 716 B1 bekannten Arbeitszylinder
erfolgt die Querabstützung und Verdrehsicherung der Kolben
stange mittels gehäuseseitig abgestützten Lagerkugeln, die in
Längsnuten der Kolbenstange ablaufen. Die daraus resultieren
de besondere Querschnittsform der Kolbenstange erschwert je
doch die Abdichtung gegen Fluidaustritt aus dem Arbeitszylin
der.
Die DE 34 23 390 A1 offenbart ein Linearsystem, bei dem
schlittenartige Einrichtungen mit prismatisch konturierten
Führungsrollen an Führungstangen entlang laufen, die einen
prismatischen Querschnitt haben. Die Führungsrollen liegen
sich hier jedoch stets paarweise gegenüber und beaufschlagen
die Führungsstange im gleichen Längenbereich. Entsprechendes
gilt für die in der DE 44 05 413 A1 beschriebene Linearfüh
rung.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter
ansprüchen aufgeführt.
Die Führungsrollen sind zweckmäßigerweise als Wälzlagerein
richtungen ausgeführt, so dass im Lagerbereich auch bei hoher
Querkraftbeaufschlagung eine reibungsarme und leichtgängige
Abstützung erfolgt.
Die Führungsrollen können ohne weiteres mehrteilig ausgeführt
sein und jeweils wenigstens zwei unabhängig voneinander dreh
bare Rolleneinheiten aufweisen, die jeweils gegen eine der
beiden Führungsflächen einer jeweiligen Prisma-Seitenkante
arbeiten. Die Drehachsen der Rolleneinheiten einer jeweiligen
Führungsrolle fallen zweckmäßigerweise zusammen, so dass eine
Lagerung auf einer gemeinsamen Lagerachse möglich ist.
Als bevorzugte Querschnittsgestaltung des Führungsabschnittes
wird eine quadratische Formgebung angesehen.
Insbesondere zu Zwecken der Gewichtseinsparung kann die Kol
benstange wenigstens im Bereich des Führungsabschnittes hohl
ausgebildet sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeich
nung näher erläutert. In dieser zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Bauform des
fluidbetätigten Arbeitszylinders in schematischer
Darstellung gemäß Schnittlinie I-I aus Fig. 2 und
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Arbeitszylinder aus
Fig. 1 gemäß Schnittlinie II-II aus Fig. 1, wobei
auch die von der Schnittlinie durchsetzte Führungs
rolle ungeschnitten dargestellt ist.
Der beispielsgemäße Arbeitszylinder 1 verfügt über ein Gehäu
se 2 mit einem Zylinderrohr 3 und dieses stirnseitig verschließenden
Deckeln, einen Lagerdeckel 4 und einen Abschluß
deckel 4'.
Im Innern des Zylinderrohres 3 ist ein Kolben 5 in an sich
bekannter Weise axial beweglich gelagert. Er trennt zwei
Arbeitsräume 6, 6' dicht voneinander ab. In jeden Arbeits
raum 6, 6' mündet ein im zugeordneten Deckel 4, 4' ver
laufender Fluidkanal 7, 7', über den in an sich bekannter
Weise das Betätigungsfluid, hier Druckluft, zu- und abge
führt werden kann, um den Kolben 5 zu einer Verschiebe
bewegung in Längsrichtung zu veranlassen.
An dem Kolben 5 ist eine Kolbenstange 8 festgelegt, die
sich in Längsrichtung des Gehäuses 2 erstreckt. Ihre
Längsachse ist bei 12 strichpunktiert angedeutet. Sie
durchsetzt den Lagerdeckel 4 in axialer Richtung, wobei an
dem außerhalb des Gehäuses 2 befindlichen Kolbenstangen
abschnitt ein beliebiger, zu verlagernder Gegenstand an
gebracht werden kann. Die Kolbenstange 8 verfügt zu diesem
Zweck an ihrem dem Kolben 5 entgegengesetzten axialen Ende
über eine geeignete Befestigungspartie 11.
Der Kolben 5 trägt an seiner der Kolbenstange 8 entgegen
gesetzten Seite einen Pufferkolben 13, der zur fluidischen
Endlagendämpfung mit dem Abschlußdeckel 4' zusammen
arbeiten kann. Es wäre denkbar, eine durchgehende Kolben
stange vorzusehen, die auch den Abschlußdeckel 4' durch
setzt.
Der von der Kolbenstange 8 durchsetzten Stirnseite des
Gehäuses 2 ist eine Kolbenstangen-Führungseinrichtung 14
zugeordnet. Sie wird von einem Längenabschnitt der Kolben
stange 8 durchsetzt, der als Führungsabschnitt 15 bezeich
net sei.
Durch die Kolbenstangen-Führungseinrichtung 14 wird die
Kolbenstange 8 in ihrer Axialbewegung, die sie entspre
chend der Beaufschlagung des Kolbens 5 ausübt, geführt und
seitlich abgestützt. Gleichzeitig erfolgt eine Verdreh
sicherung der Kolbenstange 8, die somit an einer Dreh
bewegung 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 und/oder großen Drehmomenten ausgesetzt sein
sollte.
Die Kolbenstangen-Führungseinrichtung 14 umfaßt eine all
gemein mit 16 bezeichnete Führungsrollenanordnung, die an
einem mit dem Gehäuse 2 fest verbundenen Grundkörper 17
drehgelagert ist. Der Grundkörper 17 ist axial an das
Zylinderrohr 3 oder das Gehäuse 2 angesetzt, wobei er beim
Ausführungsbeispiel über eine stirnseitige Abschlußwand 18
verfügt, die gleichzeitig den Lagerdeckel 4 bildet.
Der Grundkörper 17 des Ausführungsbeispiels ist nach Art
eines Gehäuses ausgeführt, das die Führungsrollenanordnung
16 aufnimmt und zweckmäßigerweise vor Verunreinigungen
schützt.
Wenigstens der Führungsabschnitt 15, bevorzugt jedoch die
Kolbenstange 8 insgesamt, weist eine prismatische Formgebung
auf. Bevorzugt wird die aus Fig. 2 besonders gut ersichtli
che Querschnittsform eines regelmäßigen Prismas mit quadrati
scher Außenkontur.
Das den Führungsabschnitt 15 bildende Prisma verfügt über
mehrere parallel zur Längsachse 12 verlaufende Prisma-
Seitenkanten. Wenigstens zwei dieser Prisma-Seitenkanten 22,
22' liegen sich bezüglich der Längsachse 12 der Kolbenstange
8 diametral, also quer zur Längsachse 12, gegenüber. Sie lau
fen in einer gemeinsamen, in Fig. 2 näher gekennzeichneten
Führungsebene 23, die sich axial und radial ausdehnt.
Jeder der beiden erwähnten Prisma-Seitenkanten 22, 22' ist
wenigstens eine Führungsrolle 36; 24', 25' zugeordnet. Diese
sind an dem Grundkörper 17 mit rechtwinkelig zu der Führungs
ebene 23 verlaufenden Drehachsen 26 drehbar gelagert. Die
Führungsrollen 36; 24', 25' sitzen seitlich neben dem Füh
rungsabschnitt 15 und sind zweckmäßigerweise in einer gemeinsamen
Gehäusekammer 27 des Grundkörpers 17 angeordnet,
die auch von dem Führungsabschnitt 15 durchsetzt wird. Dabei
wird der Führungsabschnitt 15 im Bereich der beiden erwähnten
Prisma-Seitenkanten 22, 22' durch die Führungsrollen 36; 24',
25' von entgegengesetzten Seiten her radial beaufschlagt.
Jede Führungsrolle 36; 24', 25' verfügt im Bereich des Außen
umfanges über eine nach radial außen hin offene umlaufende
Führungsnut 28. Diese verläuft in der gemeinsamen Führungs
ebene 23 mit den Prisma-Seitenkanten 22, 22'. Jede Prisma-
Seitenkante 22, 22' taucht in die Führungsnut 28 der zugeord
neten Führungsrolle 36; 24', 25' ein.
Im Bereich der Prisma-Seitenkanten 22, 22' laufen jeweils
zwei ebene Prisma-Seitenflächen zweckmäßigerweise unter einem
spitzen Winkel zusammen. Die sich dabei jeweils unmittelbar
an eine jeweilige Prisma-Seitenkante 22, 22' anschließenden
Flächenabschnitte dieser Prisma-Seitenflächen 33, 34; 33',
34' stellen winkelig zueinander verlaufende Führungsflächen
35 dar, mit denen die Führungsrollen 36; 24', 25' mit den
komplementär geformten Nutflanken 32 ihrer Führungsnuten 28
zusammenarbeiten. Auf diese Weise erfolgt eine Querabstützung
und gleichzeitig durch den radialen Eingriff der Führungsflä
chen 35 in die betreffende Führungsnut 28 eine Verdrehsiche
rung der Kolbenstange 8. Die Flächennormalen auf die Füh
rungsflächen 35 treffen die Längsachse 12 nicht, so dass bei
einer Drehmomentbeaufschlagung der Kolbenstange 8 die ent
sprechend ausgerichteten Führungsflächen 35 gegen die zuge
ordnete Nutflanke 32 gedrückt und durch diese abgestützt wer
den.
Es ist sinnvoll, wenigstens einer Prisma-Seitenkante 22'
mindestens zwei und vorzugsweise, wie abgebildet, genau
zwei Führungsrollen 24', 25' zuzuordnen. Diese sind in
Längsrichtung der Kolbenstange 8 mit Abstand zueinander
angeordnet. Die dadurch erzielte Querabstützung der Kolben
stange 8 verhindert in besonderem Maße ein Verbiegen der
Kolbenstange 8. Die Kolbenstangen-Führungseinrichtung 14 ist
dabei zweckmäßigerweise so ausgerichtet, dass die an der
Kolbenstange 8 angreifenden Querkräfte im wesentlichen in
der Führungsebene 23 zu der von wenigstens zwei Führungsrol
len 24', 25' beaufschlagten Prisma-Seitenkante 22' hin ge
richtet sind.
Der entgegengesetzten Prisma-Seitenkante 22 ist lediglich
eine Führungsrolle 36 zugeordnet, die in Fig. 1 lediglich
strichpunktiert angedeutet ist. Sie beaufschlagt den Füh
rungsabschnitt 15 in dem axialen Zwischenbereich, der sich
zwischen den beiden der anderen Prisma-Seitenkante 22' zuge
ordneten Führungsrollen 24', 25' erstreckt. Die Anordnung der
einzigen Führungsrolle 36 erfolgt hierbei zweckmäßigerweise
mittig in dem entsprechenden Zwischenbereich.
Zugunsten einer geringen Reibung bei gleichwohl hoher Belast
barkeit sind die Führungsrollen 36; 24', 25' beim Ausfüh
rungsbeispiel als Wälzlagereinrichtungen ausgebildet. Sie um
fassen jeweils eine am Grundkörper 17 festgelegte Lagerachse
37 mit zwei unabhängig voneinander drehbar angeordneten ko
axialen Rolleneinheiten 38.
Jede Rolleneinheit 38 besitzt einen äußeren Führungsring 41,
der über eine lediglich schematisch angedeutete kranzförmige
Wälzelementenanordnung 42 an der Lagerachse 37 drehgelagert
ist. Als Wälzelemente kommen insbesondere Kugeln oder Rollen
bzw. Nadeln in Betracht. Bevorzugt liegt eine kombinierte Ra
dial- und Axiallagerung vor, um allen auftretenden Kräften
Rechnung tragen zu können.
Die erwähnte Führungsnut 28 befindet sich jeweils im Zwi
schenbereich zwischen den beiden Rolleinheiten 38 einer je
weiligen Führungsrolle 36. Unter dem Begriff "Führungsnut"
wird allgemein eine umlaufende, zur Führung dienende Vertie
fung verstanden, unabhängig davon, auf welche Weise sie her
gestellt oder vorgegeben wird.
Es empfiehlt sich, Justiermöglichkeiten vorzusehen, um die
Lage bzw. Ausrichtung der Führungsrollen 36; 24', 25' oder
der gegebenenfalls vorhandenen Rolleneinheiten 38 an die gegebene
Kontur des Führungsabschnittes 15 anpassen zu können
und insbesondere eine bedarfsgemäße Spieleinstellung durch
führen zu können.
Die Kolbenstange 8 des Ausführungsbeispiels besteht aus Voll
material. Es ist allerdings auch möglich, eine hohle Kolben
stange zu verwenden, deren Innenkontur entsprechend der Au
ßenkontur zweckmäßigerweise ebenfalls prismatisch
ist. Eine entsprechende Weiterbildung ist in Fig. 2
strichpunktiert bei 43 angedeutet.
Der Arbeitszylinder 1 des Ausführungsbeispiels ist ein
sogenannter doppeltwirkender Zylinder. Daher steht der
an den Lagerdeckel 4 angrenzende Arbeitsraum 6 im Betrieb
unter Fluidbeaufschlagung. Um einen Fluidaustritt durch
die von der Kolbenstange 8 durchsetzte Durchbrechung 44
des Lagerdeckels 4 zu vermeiden, ist an diesem Lagerdeckel
4 ein zweckmäßigerweise als Lippendichtring bzw. soge
nannter Nutring gestalteter Dichtungsring 45 festgelegt,
der die Kolbenstange 8 unter Dichtkontakt umschließt.
Seine Außenkontur ist zweckmäßigerweise kreisförmig. Im
Bereich der an der Kolbenstange 8 anliegenden Dichtpartie
46 hat er zweckmäßigerweise einen der Außenkontur der
prismatischen Kolbenstange 8 entsprechenden Umfangs
verlauf.
Der Grundkörper 17 des Ausführungsbeispiels verfügt über
ein die Gehäusekammer 27 enthaltendes Mittelteil 47, das
an beiden Enden durch Abschlußwände 18, 18' verschlossen
ist. Die dem Kolben 5 zugewandte Abschlußwand 18 bildet
gleichzeitig den Lagerdeckel 4. An der ebenfalls von der
Kolbenstange 8 durchsetzten, der Befestigungspartie 11
zugewandten anderen Abschlußwand 18' kann bei Bedarf
ebenfalls eine Dichtungseinrichtung 49 vorgesehen sein,
die die Kolbenstange 8 dicht umschließt und ein Eindringen
von Verunreinigungen in die die Führungsrollen 24, 25,
24', 25' aufnehmende Gehäusekammer 27 verhindert.
Der Grundkörper 17 eignet sich auf Grund seiner Stabilität
zur Befestigung des Arbeitszylinders an einer beliebigen
Tragstruktur. Daher sind an dem Grundkörper 17 zweck
mäßigerweise geeignete Befestigungsmittel 48 vorgesehen,
beispielsweise Löcher, die das Hindurchführen von Befesti
gungsschrauben ermöglichen.
Claims (8)
1. Fluidbetätigter Arbeitszylinder, mit einer stirn
seitig angeordneten Kolbenstangen-Führungseinrichtung (14),
die von einem einen Mehreckquerschnitt aufweisenden Führungs
abschnitt (15) der Kolbenstange (8) durchsetzt ist und die
über einen Grundkörper (17) verfügt, an dem seitlich neben
der Kolbenstange (8) eine an dieser ablaufende Führungsrol
lenanordnung (16) drehgelagert ist, die sowohl eine Querab
stützung als auch eine Verdrehsicherung der Kolbenstange (8)
bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Führungs
abschnitt (15) der Kolbenstange (8) eine prismatische Formge
bung aufweist, wobei zwei sich bezüglich der Längsachse der
Kolbenstange (8) diametral gegenüberliegende Prisma-Seiten
kanten (22, 22') Führungsbereiche definieren, die mit der
Führungsrollenanordnung (16) zusammenarbeiten, indem jeder
dieser Prisma-Seitenkanten (22, 22') mindestens eine Füh
rungsrolle (24, 25, 24', 25', 36) zugeordnet ist, die eine
umlaufende Führungsnut (28) aufweist, in die die betreffende
Prisma-Seitenkante (22, 22') eintaucht, so daß die seitlich
beidseits an eine jeweilige Prisma-Seitenkante (22, 22') an
schließenden, im Querschnitt gesehen winkelig zueinander ver
laufenden Flächenabschnitte des Prismas unter Bildung von
Führungsflächen (35) von den Nutflanken (32) der zugeordneten
Führungsnut (28) abgestützt sind, und daß die Führungsflächen
(35) der einen Prisma-Seitenkante (22') mit zwei beabstande
ten Führungsrollen (24', 25') zusammenarbeiten, während der
anderen Prisma-Seitenkante (22) lediglich eine Führungsrolle
(36) zugeordnet ist, die in dem axialen Bereich zwischen den
beiden anderen Führungsrollen (24', 25') sitzt.
2. Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Führungsrollen (24, 25, 24', 25') von Wälz
lagereinrichtungen gebildet sind.
3. Arbeitszylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß wenigstens eine Führungsrolle (24, 25, 24',
25') zwei unabhängig voneinander drehbare Rolleneinheiten
(38) aufweist, die zwischen sich die zugeordnete Führungsnut
(28) definieren.
4. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Führungsabschnitt
(15) der Kolbenstange (8) im Querschnitt eine quadratische
Außenkontur aufweist.
5. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (8) wenigstens
im Bereich des Führungsabschnittes (15) hohl ausgebildet ist.
6. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (17) der Kolbenstangen-Führungseinrichtung
(14) als Gehäuse ausgeführt ist,
das die Führungsrollenanordnung (16) enthält.
7. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstangen-Führungsein
richtung (14) am Lagerdeckel (4) des Zylindergehäuses (2)
festgelegt ist.
8. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß er als doppeltwirkender Arbeits
zylinder ausgebildet ist.
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