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Doppeltwirkender Arbeitszylinder
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Die Erfindung betrifft einen doppeltwirkenden Arbeitszylinder nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1, wie er beispielsweise aus der US-PS 3,018,763
als bekannt hervorgeht.
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Das Bauvolumen eines Arbeitszylinders richtet sich üblicherweise nach
der aufzubringenden Hubkraft, der Hublänge, sowie der verfügbaren Druckhöhe des
von einem Druckerzeuger zur Verfügung gestellten Arbeitsmittels. Für Arbeitsprozesse,
in denen in einem Arbeitshub hohe Anfangskräfte bei kurzen Stellwegen der Kolbenstange,
und daran anschließend im selben Arbeitshub in der selben Arbeitsrichtung lange
Stellwege bei niedrigen Kräften gefordert sind, läßt sich ein Arbeitszylinder mit
einer Stufenkolbenanordnung nach der US-PS 3,018,763 einsetzen. Hier sind zwei Kolben
unterschiedlicher Durchmesser einer gemeinsamen Kolbenstange zugeordnet. Während
der kleinere Kolben ständig fest mit der Kolbenstange verbunden ist, wird vom größeren
Kolben, wozu er axial an der Kolbenstange abgestützt ist, nur in einem ersten Teilhub
eine Arbeitsleistung in die Kolbenstange über die Abstützung eingeleitet. Mit dem
Anschlag an die Stirnwand seines Gehäuses ist sein Hub begrenzt. Im daran anschließenden
Teilhub fließt das Druckmittel durch axiale Durchlässe zwischen der Kolbenstange
und dem auf ihr angeordneten großen Kolben zum kleineren Kolben. In diesem zweiten
Teilhub wird die Kolbenstange nunmehr entsprechend der druckbeaufschlagten Kolbenfläche
unter geringerer
Kraftentwicklung in der selben Arbeitsrichtung
weiterbewegt, während der größere Kolben in-seiner Endstellung verbleibt. Mit einem
Arbeitszylinder der dargestellten Art läßt sich bei entsprechenden Arbeitsprozessen,
in denen sie eingesetzt werden können, das Bauvolumen gegenüber konventionellen
Zylindern verringern, und insbesondere der Verbrauch an Hubmittel stark reduzieren.
Nachteilig ist jedoch, daß der Arbeitszylinder nur in solchen Arbeitsprozessen einsetzbar
ist, in denen hohe Anfangskräfte in der einen Betätigungsrichtung und daran anschließend
sowohl für den Resthub der gleichen Betätigungsrichtung, als auch für den Gesamthub
der Gegenrichtung nur niedrige Stellkräfte erforderlich sind.
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In einem weitaus größeren Einsatzbereich sind aber im Gegenteil gerade
im Resthub hohe Endkräfte oder auch sowohl im Resthub als auch zu Beginn des Rückhubs
hohe Kräfte erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,einen Arbeitszylinder aufzuzeigen,
mit dem es möglich ist, große Stellkräfte in beiden Betätigungsrichtungen auf einen
Teilbereich des Gesamtkolbenhubs auszuüben, und zwar insbesondere auch zum Ende
eines Teilhubs.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
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Damit zu Beginn eines Arbeitshubs niedrige, und zum Ende des Arbeitshubs
hohe Kräfte an der Kolbenstange wirken, wird entsprechend in der Anfangsphase des
Arbeitshubs der kleine Kolben druckbeaufschlagt in Arbeitsrichtung bewegt, während
der große Kolben in einer dem kleinen Kolben zugewandten Anfangsstellung verharrt.
Erst in einer definierten Axiallage der Kolbenstange wird der große Kolben mit Druck
beaufschlagt,
muß aber, damit eine Kraftübertragung zur Kolbenstange ermöglicht wird, fest an
sie angekoppelt werden.. Da: der große Kolben in der Bewegungsrichtung vor dem kleinen
Kolben liegt, kann die Ankopplung nicht etwa nur durch eine axiale Abstützung des
großen Kolbens erfolgen. Es muß vielmehr eine axial einrastbare und im Rückhub lösbare
Kupplung vorgesehen werden. Das Einrasten bzw.
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Lösen erfolgt beispielsweise selbsttätig durch Auflaufen von Teilen
einer axial wirksamen Steckkupplung auf Anschläge.
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Ebenso können die die Kupplung bildenden beweglichen Teile beispielsweise
auch hubabhängig durch Druckbeaufschlagung von außen gesteuert werden. Im Rückhub
sind hohe Anfangskräfte verfügbar, und nachdem das Abkuppeln erfolgt ist, zu Ende
des Rückhubs niedrige Stelikräfte.
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Vorteilhaft ist, daß der Arbeitszylinder universell einsetzbar ist,
da hohe Anfangskräfte und niedrige Endkräfte, oder umgekehrt niedrige Anfangskräfte
und hohe Endkräfte, oder auch beliebige Kombinationen daraus verwirklicht werden
können. Vorteilhaft ist auch, daß bei entsprechenden Arbeitsprozessen nunmehr beispielsweise
auf eine Zweihand-Sicherheitssteuerung oder sonstige Berührabschirmungen verzichtet
werden kann, da ja die maximal aufbaubare Kraft beim bloßen Stellen des Kolbens
sehr klein gehalten werden kann, und im Hub für hohe Arbeitsleistung wegen kleinen
Stellhüben praktisch keine Gefährdung möglich ist. Entsprechende Einrichtungen können
also kostengünstig ausgeführt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben; es zeigen:
Figur 1 einen
teils in der Schnittansicht und teils in der Seitenansicht gezeichneten Arbeitszylinder,
Figur 2 eine vergrößere Ansicht der in Figur 1 strichpunktiert eingerahmten Einzelheit
II, die die Ausbildung der Kupplungsteile darstellt, mit einem Kugelkörper als Riegelkörper,
Figur 3 einen als Ringscheibensegment ausgebildeten und anstelle des Kugelkörpers
in Figur 2 einsetzbaren Riegel körper, Figur 4 als Verriegelungsstift ausgebildeter
und anstelle des Kugelkörpers in Figur 2 einsetzbarer Riegel körper, Figur 5 einen
Verriegelungsstift analog Figur 4 jedoch anderer Form, Figur 6 den Kupplungsbereich
in einer Figur 2 entsprechenden Ansicht mit einem druckmittelbetätigbaren Verriegelungsstift.
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Der Arbeitszylinder 1 nach Figur 1 besitzt zwei zusammen mit zugehörigen
Stirnwänden das Zylindergehäuse bildende Zylinderrohre 2,.3 unterschiedlicher Durchmesser,
denen Kolben 6, 7 mit entsprechend unterschiedlichen Durchmessern zugeordnet sind.
Aus der Stirnwand 4 tritt die gemeinsame Kolbenstange 11 aus dem Zylindergehäuse
aus. In der gegenüberliegenden Stirnwand 5 ist ein Durchgang vorgesehen, der den
Durchtritt des kleinen Kolbens 7 aus dem Zylinderrohr 2 heraus in den Kolbenraum
des großen Kolbens 6 hinein zuläßt.
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Mittels eines Montageringes 9 und Schraubverbindungen ist
das
Zylinderrohr 2 an der Stirnwand 5 befestigt. Der Übergang ist für einen guten Kolbendurchtritt
stetig und zur größeren Arbeitskammer etwas aufgeweitet. Über Druckmittelanschlüsse
22 und 24 sind die Kolbenräume druckbeaufschlagbar. Über zwei weitere Druckmittelanschlüsse
23 und 23', die gegebenenfalls untereinander verbunden werden können, ist die Umströmung
des Kolbens 6 in seiner gezeichneten Wartestellung möglich. Je nach Bedarf kann
die Umströmungsleitung auch geschlossen werden und die Druckmittelanschlüsse getrennt
angesteuert werden. Während der kleine Kolben 7 ständig mit der Kolbenstange fest
verschraubt ist, ist der große Kolben 6 axial frei auf der Kolbenstange 11 verschieblich,
solange durch eine Kupplung noch keine starre verbindung hergestellt wurde. Der
große Kolben 6 ist über eine Nutmutter 14 starr mit einer äußeren Kupplungshülse
13 verschraubt, die auf der Kolbenstange 11 sitzt. Die äußere Kupplungshülse 13
tesitztin ihrem dem kleinen Kolben 7 zugewandten Teil in einem Querschnitt über
den Umfang verteilt mehrere radiale Bohrungen 15. Diese Bohrungen bilden zusammen
mit der Oberfläche einer inneren Kupplungshülse 12, die auf das Ende der Kolbenstange
11 aufgesetzt ist und einer weiteren Schiebehülse 16, die die äußere Kupplungshülse
umgibt, Käfige für Kugel körper 17. Die Durchmesser der Kugelkörper 17 sind etwas
großer als die Wandstärke der äußeren Kupplungshülse 13 beträgt. Die Schiebehülse
16 ist axial auf der Kupplungshülse 13 in zwei Endstellungen verschiebbar. In einer
Endstellung überdeckt sie die Bohrungen so, daß die Kugel körper 17 die äußere Oberfläche
der Kupplungshülse 13 radial überragen, aber nicht aus ihren den Käfig bildenden
Bohrungen 15 herausfallen können. Der die Bohrungen überdeckende Umfang der Schiebehülse
ist dafür entsprechend erweitert. In einer anderen axialen Stellung die durch einen
in der äußeren Kupplungshülse 13 eingelassenen Sprengring 18 begrenzt ist, liegt
die Schiebehülse 16 auf dem Außendurchmesser
der Kupplungshülse
13 im Bereich der Bohrungen 15 bündig anschließend an. Da die radiale Höhe der Bohrungen
15 in dieser Endstellung nicht ausreicht, um die Kugeln aufzunehmen, müssen nunmehr
die Kugeln radial nach innen in eine Umfangsnut oder inneren Kupplungshülse 12 ausweichen
können. Die Umfangsnut liegt genau dann radial zu den Bohrungen 15, wenn die äußere
Kupplungshülse 13 an einem Vorsprung 19 der inneren Kupplungshülse 12 anschlägt.
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Dann befindet sich der kleine Kolben 7 auch kurz vor dem Durchgang
zur Arbeitskammer des großen Kolbens 6.
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In einer vergrößerten Detaildarstellung nach der Figur 2 ist die relative
Lage der Teile der Steckkupplung sowie deren Ausbildung deutlicher erkennbar. Beim
Ankuppeln liegt am Kolben 7 der Arbeitsdruck an, und der große Kolben wird abgestützt
am Vorsprung 19 in der Zeichnung nach rechts mitgenommen. Die gegen eine vorgespannte
Feder 20 über eine Stützhülse 25 am Kolben 6 abgestützte und über einen Ringflansch
an der Stirnwand 5 auf Anschlag befindliche Schiebehülse 16 verbleibt in ihrer axialen
Position, bis sie vom Sprengring 18 von der sich fortbewegenden Kolbenstange mitgenommen
wird. Dann bilden die Kugelkörper 17 Riegel körper, die eine Relativverschiebung
von der Kolbenstange 11 und 6 gegeneinander nicht mehr zulassen. In entsprechender
Weise ist die Verbindung im Rückhub auch wieder selbsttätig lösbar. Wenn die Schiebehülse
16 von den Bohrungen 15 gegen die Kraft der Feder zurückgeschoben wurde, können
die Riegelkörper wieder radial nach außen ausweichen.
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Der Kolben 6 verbleibt nach der Abkopplung in der gezeichneten Position
oder wird zumindest vor dem Ankuppeln in die entsprechende Position verfahren. Zum
Ankuppeln muß der große Kolben 6 in seiner dem kleinen Kolben zugewandten
Warteposition
verbleiben, und deshalb müssen Kräfte am Kolben 6 aufgebracht werden, die die Feder
20 vorgespannt halten und/oder sonstigen Einflüssen entgegenwirken, die den Kolben
6 unerwünschenswerterweise aus seiner Position verschieben könnten. Diese Haltekraft
wird beispielsweise durch Magnete 30 aufgebracht, die an der Stirnwand 5 montiert
sind.
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Es können aber auch die Druckmittelanschlüsse 22 und 23' so gesteuert
sein, daß eine entsprechende Druckkraft am Kolben 6 aufgebaut ist. Nachdem die Ankupplung
erfolgt ist, müssen natürlich die Druckmittelzuflüsse 22 und 23' mit dem Rückfluß
verbunden werden. Die Haltekraft könnte aber beispielsweise auch durch Federn erzeugt
werden, die im Kolbenraum in der Bewegungsrichtung des Kolbens 6 wirksam sind.
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Die Steuerung der Druckmittel zu- und Abfuhr für die Bewegung der
Kolben kann allein über die Druckmittelanschlüsse 22 und 24 erfolgen, wenn die Anschlüsse
23 und 23' miteinander verschaltet sind.Verdrangtes Arbeitsmittel zwischen den beiden
Kolben kann beispielsweise über die Druckmittel anschlüsse 23, 23' und 22 zum Rücklaufbehälter
abfließen.
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Sobald die Ankupplung des Kolbens 6 erfolgt ist, wird über Druckmittelanschlüsse
24 und 23 der volle Arbeitsdruck beaufschlagt. Selbstverständlich ist dann die Umströmungsleitung
zwischen den Anschlüssen 23 und 23' geschlossen.
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Die Steuerung der Druckmittel zufuhr kann hubabhängig erfolgen, so
daß beispielsweise nach Kupplungsschluß die Druckmittel zufuhr zum großen Kolben
selbsttätig aufgesteuert wird. Zum Rückhub wird umgekehrt Druckmittel anschluß 22
mit dem Druckerzeuger verbunden Druckmittel anschlüsse 23, und 24 sind dann mit
dem Rücklauf verbunden.
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Nach dem Anschlag des Kolbens 6 und dem Lösen der Kupplung wird Druckmittelanschluß
23 mit dem Druckerzeuger verbunden.
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Sofern auch am Kolben G resultierende Druckkräfte die magnetischen
Haltekräfte
oder Federkräfte am Kolben 6 nicht übersteigen, verbleibt dieser in seiner Wartestellung.
Andernfalls wird wird er durch Druckbeaufschlagung des gegenüberliegenden Kolbenraumes
festgehalten oder nach beendigtem Rückhub beispielsweise durch eine Feder selbsttätig
positioniert.
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Ein derartiger Zylinder ist sowohl hydraulisch als auch pneumatisch
betreibbar. Er ist mit Vorteil dann einsetzbar, wenn Spannhebel-, Preß-, Schneid-
oder Stanzwerkzeuge möglichst weit vom Arbeitsbereich weggefahren werden sollen,
um Behinderungen, beispielsweise beim Einlegen oder Wegnehmen von Bauteilen zu vermeiden.
Aus Sicherheitsgründen sollen dann die Stellkräfte klein sein, und hohe Leistung
nur in dem kurzen Hubintervall freiwerden, wenn sie auch tatsächlich benötigt wird.
Neben dem Sicherheitsrisikp ist auch der Druckmittelverbrauch gering. Die Einsparung
an Druckmittel gegenüber einem konventionellen Zylinder hängt natürlich vom Verhältnis
der Zylinderdurchmesser ab.
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Würde während des gesamten Arbeitshubes der Kolben 6 in Wartestellung
an der rechten Stirnwand verbleiben, würde sich ein völlig anderer Kraft-Weg-Verlauf
ergeben.
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Wird der in seiner linken Ausgangsposition befindliche Kolben 7 über
Druckmittelanschluß 24 druckbeaufschlagt,- erfährt er auch eine seiner gesamten
Kolbenfläche entsprechende Kraftwirkung. Nach Durchtritt in den Kolbenraum des großen
Kolbens 6 würde sich jedoch die wirksame Kolbenfläche verringern und damit auch
die resultierende Kraft an der Kolbenstange.
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Die Figuren 3 bis 5 zeigen unterschiedlich geformte Riegelkörper,
die anstelle de Kugelkörper 17 bei geeigneter Ausbildung der Schiebehülse 16 und
der Sperrkanten, die an der Ausnehmung der Kolbenstange bzw. der Kopplungshülse
13 angebracht sind, eingesetzt werden könnten. Gegenüber den kugelförmigen Riegelkörpern
haben insbesondere die als Ringscheibensegmente nach Figur 3 ausgebildeten Riegelkörper
sehr viel größere Anlageflächen zur Kraftübertragung.
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Aber auch Verriegelungsstifte nach den Figuren 4 und 5 eventuell mit
Federrückstellung, sind unter dem Gesichtspunkt der Kraftübertragung und Lebensdauer
der Kupplung günstiger als Kugel körper.
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Figur 6 zeigt eine Kupplung, die von außen gesteuert betätigbar ist,
d.h., durch Druckbeaufschlagung der Verriegelungs stifte 17'. Für die Sperrstellung
der Stifte wird Druckmittelanschluß 23 mit dem Druckerzeuger verbunden. Der sich
im anschließenden Raum aufbauende Druck bewirkt, daß die Verriegelungsstifte gegen
dieKraft einer Rückstellfeder 32 einrasten, bevor der volle Arbeitsdruck aufgebaut
ist, und die Druckkräfte am Kolben die beispielsweise magnetische Haltekräfte überwinden.
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Zum Rückhub stützt sich der Kolben 6 am Vorsprung 19 der Kolbenstange
ab, und es ist deshalb nötig, daß die Verriegelungsstifte nicht eingerastet sind.
Der Druckaufbau im Raum, zu dem Druckmittelanschluß 22 führt, bewirkt vielmehr,
daß über Kanal 31 neben der Federkraft eine zusätzliche rückstellende Druckkraft
an den Verriegelungsstiften wirksam werden kann.
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Die Drucksteuerung kann natürlich hublagenabhängig erfolgen.
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Zu grunde liegt dann eine selbsttätige Steuerung, d.h., Ein-und Ausrasten
der Kupplung erfolgt selbsttätig nach einem vorgegebenen Programmablauf.
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Außer den aufgezeigten Kupplungsbetätigungen ist es auch denkbar,
eine aufblasbare Ringdichtung als Antriebselement für einen mechanischen Mitnehmer
einzusetzen.