DE4229473C2 - Explosionsschützender fluidischer Antrieb zur Erzeugung einer zeitvariabel oszillierenden Bewegung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen explosionsschützenden, fluidischen Antrieb entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Antriebe sind auf elektrischer bzw. elektra­ mechanischer Basis in vielfältiger Form bekannt. Falls diese Antriebe unter Bedingungen eingesetzt werden, die durch explosionsfähige Gas- bzw. Gas-Dampf-Gemische gekennzeichnet sind, müssen vergleichsweise aufwendige Maßnahmen getroffen werden, um eine Funkenbildung ebenso zu verhindern wie ein lokales Auftreten unzulässiger Erwärmungen, beispielsweise als Folge von Bauteilschäden, Überlastungen usw.

Insbesondere in der chemischen Industrie besteht häufig die Notwendigkeit, explosionsgeschützte Betriebsmittel einzusetzen. Lediglich beispielhaft für diese Problema­ tik sei auf die Ausrüstung explosionsgeschützter Flurför­ derzeuge wie zum Beispiel Gabelstapler hingewiesen, deren geschlossene Fahrerkabine mit Scheibenwischern nebst zugehörigem, eine oszillierende Bewegung erzeugen­ den Antrieb auszurüsten ist, um dem Fahrer jederzeit eine einwandfreie Sicht zu ermöglichen.

Aus einem Prospektblatt "Druckgesteuertes 4/2 Wegeventil/ ND6/10 CETOP/DIN 24340" der Firma Lucas Fluid-Technik ist ein beidseitig unter Mitwirkung von Steuerventilen druckmittelbetätigbares Wegeventil bekannt, welches eine taktweise Beaufschlagung der einen oder anderen seiner beiden Ausgangsleitungen ermöglicht. Beide Steuerventile sind mit dem Druck der jeweiligen Ausgangsleitung beauf­ schlagbar und stehen über Drosselelemente mit den Steuer­ anschlüssen des Wegeventils in Verbindung. Die Schalt­ zeitpunkte des Wegeventils sind über die fest eingestell­ ten Drosselelemente vorgegeben. Dieses Wegeventil nebst zugeordneten Steuerelementen ist in einen Funktionsbau­ stein eingebunden.

Ferner ist aus der US 3,151,460 ein druckluftbetriebener Scheibenwischerantrieb für ein mit einer Verbrennungskraft­ maschine angetriebenes Kraftfahrzeug beschrieben. Der Schei­ benwischerantrieb ist ein pneumatischer Schwenkkolbenmotor, der sowohl mit Druckluft aus einer mechanischen Pumpe als auch mit Hilfe des in den Ansaugkanälen der Verbrennungskraft­ maschine zeitweise vorhandenen Unterdrucks betrieben wird. Diese Konstruktion ist ein kompliziertes Spezialgerät.

In der Zeitschrift "Ölhydraulik und Pneumatik", Jahrgang 21 aus dem Jahre 1977, Heft 9, Seite 614 wird eine Pneumatik­ schaltung beschrieben, die einen oszillierenden Betrieb eines doppeltwirkenden Zylinders ermöglicht. Die Funktion der Schal­ tung basiert auf der Voraussetzung, daß die jeweils nicht mit Arbeitsdruck beaufschlagte Kolbenseite während eines jeden Ar­ beitshubs unter Gegendruck steht, der kleiner als der Arbeits­ druck ist. Der Gegendruck wird benotigt zum Halten der Steuer­ ventile. Die Schaltung funktioniert nur bei einem doppelt­ wirkenden Zylinder.

Des weiteren ist aus der US 4,114,515 eine Pneumatikventil­ kombination bekannt, die bei einem anliegenden konstanten Druck einen Kolben eines einfachwirkenden Zylinders oszillie­ rend ein- und ausfährt. Dazu weist die Ventilkombination ein zentrales, differentialdruckbetätiges 3/2-Wegeventil auf. Die kleinere, wirksame Ventilfläche wird direkt mit dem System­ druck beaufschlagt. Die größere Ventilfläche der Differential­ druckbetätigung steht über ein Druckbegrenzungsventil mit der zum Zylinder führenden Druckleitung in Verbindung. Überschrei­ tet der Druck in der zum Zylinder führenden Druckleitung einen einstellbaren Druckwert, öffnet das Druckbegrenzungsventil, womit über einen Steuerkanal der Ventilraum mit Druckluft ver­ sorgt wird. Als Folge hiervon schließt das zentrale 3/2-Wege­ ventil solange, bis das Produkt aus der wirksamen Ventilfläche und dem Eingangsdruck größer ist als das Produkt aus der Ven­ tilfläche und dem am Druckbegrenzungsventil eingestellten Druckwert. Die oszillierende Bewegung wird durch eine sensible Drucksteuerung bewirkt, die hohe Anforderungen an die Dichtig­ keit des Systems und die Konstanz der Druckerzeugung stellt. Beispielsweise wird schon bei einem geringen Leckageverlust zwischen dem Kolben und dessen Zylinder der vorgegebene Druck­ wert nicht mehr erreicht, womit die Oszillation unterbrochen ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen explosionsschützenden, fluidischen Antrieb der eingangs bezeichneten Art zu entwerfen, der einfach im Aufbau ist und zur Verwendung in einer explosionsgefähr­ lichen Atmosphäre geeignet ist. Diese Aufgabe ist bei einem gattungsgemäßen Antrieb durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1 gelöst.

Der fluidische Antrieb ist als druckmittelstromgesteuerter Antrieb ausgebildet. Er setzt lediglich das Vorhandensein eines herkömmlichen Druckmit­ telversorgungssystems voraus. Es kann sich hierbei um ein hydraulisches, jedoch auch um ein pneumatisches System handeln. Der Antrieb besteht global aus einer Kolben-Zylinder-Einheit, deren Kolbenstange dem unmittel­ baren Antrieb des jeweiligen Gegenstands dient, welcher über eine Steuerung im Sinne einer oszillierenden Bewe­ gung gesteuert wird. Die Ventile der Steuerung beeinflussen vorwiegend den Druckmitteldurchfluß und nicht den Druck. Wesentlich ist in diesem Zusammen­ hang, daß nahezu jedes Druckmittelversorgungssystem über eine Temperaturüberwachung verfügt, so daß die Temperatur des Druckmittels stets begrenzt ist. Risiken als Folge unzulässig hoher Temperaturen sind auf diesem Wege praktisch eliminiert. Wesentlich ist ferner, daß der Betrieb der im Rahmen der Steuerung eingesetzten Bautei­ le durch keinerlei, die Betriebssicherheit gefährdende Funkenbildung charakterisiert ist. Ein weiteres Wesens­ merkmal des Antriebs besteht darin, daß der Anfangszeit­ punkt der Bewegungen des Gegenstands während der hin- und hergehenden Bewegungsphase über die Steuerung des Hauptventils praktisch stufenlos steuerbar ist, und zwar indem die Zeitintervalle veränderbar sind, in denen das die Kolben-Zylinder-Einheit beaufschlagende Hauptventil sich in der jeweils einen oder anderen Schaltstellung befindet. Die genannte Kolben-Zylinder-Einheit ist eine einseitig beaufschlagbare Baueinheit, so daß die Rückführbewegung des Kolbens unter dem Einfluß einer Feder erfolgt. In diesem Fall ist die Steuerung ledig­ lich mit Hinblick auf die taktweise Beaufschlagung einer, zu der Kolben-Zylinder-Einheit führenden Leitung hin ausgelegt.

Die Schaltstellungen des Hauptventils sind in jedem Fall zeitlich über die Einstellung von Drosselelementen steuerbar, so daß auf diesem Wege die Anzahl der Hubbewegungen des Kolbens der Kolben-Zylinder-Einheit pro Zeiteinheit in beiden Richtungen vorgebbar ist. Das der Steuerung zugrundeliegende, im einfachsten Fall aus einem Hauptventil, einem Steuerventil und zwei Drosselelementen bestehende Schaltungskonzept ist im eingeschalteten Zustand durch ein nach Maßgabe der Einstellung der Drosselelemente periodisches Umschalten der Stellung des Hauptventils gekennzeichnet, über welches die Kolben-Zylinder-Einheit taktweise beauf­ schlagt sowie entlüftet wird. Ein solcher Antrieb kann, da keine funkenerzeugenden Bauteile Verwendung finden und die Temperatur des Druckmittels begrenzt ist, insbe­ sondere unter betrieblichen Bedingungen eingesetzt werden, die durch eine zündfähige Atmosphäre gekennzeich­ net sind. Der Antrieb ist technisch einfach realisierbar und kann aus handelsüblichen Bauteilen aufgebaut werden.

Zur Bereitstellung einer Steuergröße wird - in Richtung des Flusses des Druckmediums über das Hauptventil in Richtung auf die Kolben-Zylinder-Einheit hin gesehen - das Druckmedium an vor und hinter dem Hauptventil gele­ genen Anschlußpunkten abgegriffen. Die an diesen beiden Anschlußpunkten anstehenden Betriebszustände des Druck­ mediums bilden die wesentlichen Steuergrößen zur einstell­ baren, nach Maßgabe vorgebbarer Zeitpunkte erfolgenden periodischen Umschaltung des Hauptventils.

Die Merkmale des Anspruchs 4 bringen den Vorteil einer großen räumlichen Flexibilität bei der Anordnung des Antriebs mit sich. Das Steuergerät kann hiernach an einer beliebigen, leicht zugänglichen Stelle des tech­ nischen Systems angebracht werden, in dessen Funktions­ zusammenhang der erfindungsgemäße Antrieb eingebunden ist. Die Verbindung zwischen Kolben-Zylinder-Einheit und Steuergerät wird im einfachsten Fall lediglich durch eine Leitung gebildet, die räumlich beliebig angeordnet sein kann.

Der erfindungsgemäße explosionsschützende, fluidische Antrieb kann zur Bereitstellung eines geradlinig oszillierenden Antriebs benutzt werden. Er kann jedoch - wie die Merkmale des Anspruchs 5 erken­ nen lassen, insbesondere auch zur Realisierung einer oszillierenden Drehbewegung, z. B. eines Scheibenwischers herangezogen werden. Im letzteren Fall kann durch zweck­ mäßige Wahl des Kraftangriffspunktes der Kolbenstange an dem Wischerhebel trotz kleinem Hub eine ausreichende Amplitude der Drehbewegung erreicht werden, so daß der Einsatz einer kleinen, raumsparenden Kolben-Zylinder-Einheit ausreichend ist, zu deren Betätigung lediglich ein dementsprechend geringes Volumen an Druckmedium bewegt werden muß. Ein mit einem solchen Antrieb ausge­ rüsteter Scheibenwischer kann beispielsweise bei der Kabine eines ansonsten explosionsgeschützten Gabelstap­ lers oder eines sonstigen explosionsgeschützt ausgebil­ deten Fahrzeugs eingesetzt werden, dessen Druckmittelver­ sorgungssystem, insbesondere Hydrauliksystem ohnehin über eine Temperaturüberwachung für das Druckmedium verfügt. Die Ausrüstung des Scheibenwischers mit einem solchen Antrieb ist durch keinen besonderen Konstruk­ tionsaufwand gekennzeichnet und auch im Sinne einer Nachausrüstung oder Umrüstung leicht durchführbar.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Die Zeichnung zeigt ein Schaltschema für den explosions­ schützenden, hydraulischen Antrieb eines Scheibenwi­ schers. Der Antrieb ist zur Verwendung bei Fahrzeugen oder in sonstigen technischen Funktionszusammenhängen bestimmt, die durch explosionsgefährliche, beispielsweise durch zündfähige Gas- bzw. Gas-Dampf-Gemische gekenn­ zeichnet sind.

Mit 1 ist ein Wischerhebel mit Wischerblatt bezeichnet, der an der Stelle 2 um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Achse drehbar gelagert ist und an seinem, dem Wischerblatt abgekehrten Ende 3 um die genannte Achse oszillierend antreibbar ist.

Der Antrieb erfolgt über ein den federbelasteten Kolben einer einseitig beaufschlagbaren Kolben-Zylinder-Einheit 4, deren Kolbenstange, gegebenenfalls unter Zwischenan­ ordnung eines Schiebers, mit dem Ende 3 des Wischerhebels in Verbindung steht, wobei diese Verbindung - in Längsrich­ tung des Wischerhebels 1 gesehen - gleitfähig ausgebildet ist. Eine taktweise Beaufschlagung der Kolben-Zylinder-Einheit 4 ausgehend von der zeichnerischen Darstellung des Kolbens hat somit eine Drehbewegung des Wischerhe­ bels 1 um seine Achse in Richtung des Pfeiles 5 bzw. in Gegenrichtung zur Folge, und zwar unter taktweiser Kompression der dem Kolben zugeordneten Rückstellfeder.

Mit 6 ist - strichpunktiert umrandet - ein Steuergerät be­ zeichnet, welches über eine Leitung 7 mit der Kolbenzylin­ dereinheit 4 und über Leitungen 8, 9 mit dein Hydraulik­ system 10 beispielsweise eines Fahrzeugs in Verbindung steht. Mit 8 ist eine Druckleitung und mit 9 eine zurück in den Tank des Hydrauliksystems 10 führende Rücklaufleitung bezeichnet. Das Steuergerät 6 beinhaltet sämtliche, zum oszillierenden Antrieb des Wischerhebels 1 erforderlichen hydraulischen Funktionselemente und ein Schieberventil 11. Die Steuereinheit kann an dem Fahrzeug an beliebiger, nach Zweckmäßigkeitsgesichtspunkten wie z. B. Zugängigkeit, Einbauvolumen usw. festgelegter Position angebracht sein. Es ist mit einem zeichnerisch nicht dargestellten bei­ spielsweise verrastbaren Hebel oder sonstigen Schalter oder auch direkt handbetätigt zum Ein- und Ausschalten der Dreh­ bewegung des Wischerhebels 1 ausgerüstet.

Mit 11 ist ein Schieberventil bezeichnet, welches mit dem zuletzt genannten Schalter beispielsweise über einen Rollenhebel oder in sonstiger Weise betätigbar ist. Es handelt sich dem ein mit drei Anschlüssen 12, 13 und 14 versehenes, zwei mögliche Schaltstellungen aufweisendes Ventil. Die Anschlüsse 12, 14 stehen jeweils mit den Leitungen 8, 9 in Verbindung, somit mit der Druck- sowie der Rücklaufleitung. Die Schaltstellung des Schie­ berventils 11 wird durch die Schaltstellung des genann­ ten Schalters oder Hebels zur Betätigung des Wischeran­ triebs festgelegt.

Der Anschluß 13 des Schieberventils 11 steht mit einem weiteren, zwei Schaltstellungen aufweisenden, federbe­ lasteten Schieberventil 15 in Verbindung. Letzteres weist drei Anschlüsse 16, 17, 18 und einen Steueranschluß 19 auf. Das Schieberventil 15 ist ein federbeaufschlag­ tes einseitig hydraulisch betätigbares Ventil, so daß dessen Schaltstellung vom Beaufschlagungszustand des Steueran­ schlusses 19 abhängt. Der Anschluß 18 steht unmittelbar mit der Leitung 7 in Verbindung. Das Schieberventil 15 ist das Hauptventil der Steuerung, da im eingeschalteten Zustand die Stellung dieses Ventils den Beaufschla­ gungszustand der Kolben-Zylinder-Einheit 4 bestimmt.

Mit 20 ist ein weiteres, mit drei Anschlüssen 21, 22, 23 sowie einem Steueranschluß 24 versehenes, federbelaste­ tes, einseitig hydraulisch betätigbares Schieberventil bezeichnet.

Der Anschluß 23 steht über eine Steuerleitung 25 mit dem Steueranschluß 18 des Schieberventils 15 in Verbindung. Der Steueranschluß 24 des Schieberventils 20 steht über eine Steuerleitung 26 mit dem Anschlußpunkt 27 innerhalb des Steuergeräts 6 mit der Leitung 7 in Verbindung.

Mit 28 ist ein die gestrichelt dargestellte Steuerlei­ tung 26 eingebundenes, einstellbares Drossel-Rückschlag­ ventil bezeichnet, über welches ein Strom von dem An­ schlußpunkt 27 in Richtung auf den Steueranschluß 24 hin drosselbar ist, in Gegenrichtung jedoch nahezu ungedros­ selt erfolgt. Das Schieberventil 20 erfüllt die Funktion eines dem genannten Hauptventil zugeordneten Steuerven­ tils.

Mit 29 ist ein, in die ebenfalls gestrichelt wiedergege­ bene Steuerleitung 25 eingebundenes, einstellbares weiteres Drossel-Rückschlagventil bezeichnet, über welches ein Strom ausgehend von dem Anschluß 23 in Richtung auf den Steueranschluß 19 hin gedrosselt, in Gegenrichtung jedoch nahezu ungedrosselt erfolgt.

Mit 30 ist eine Leitung bezeichnet, über welche die Anschlüsse 13, 16 der Schieberventile 11, 15 in Verbin­ dung stehen. Der Anschluß 11 steht über eine Leitung 31 mit der obengenannten Rücklaufleitung 9 in Verbindung. Mit 32, 33 sind im Zuge der Leitungen 30, 31 angeordnete Anschlußpunkte bezeichnet, die über Leitungen 34, 35 mit den Anschlüssen 21, 22 des Schieberventils 20 in Verbin­ dung stehen.

Die in der Zeichnung wiedergegebenen Schaltpositionen der Schieberventile 11, 15, 20 entsprechen der Abschalt­ position des Steuergeräts 6, welche dadurch charakterisiert ist, daß die Leitung 7 mit der Rücklaufleitung 9 in Verbindung steht, die Kolben-Zylinder-Einheit 4 ihre eine, federkraftbedingte Endposition einnimmt und da­ durch, daß der Anschluß 13 und damit die Leitungen 30, 34 sowie die Steuerleitung 25 drucklos geschaltet sind.

Ein Einschalten des Wischerhebelantriebs über das Schie­ berventil 11 hat zur Folge, daß die Leitungen 30, 34 und - über die Steuerleitung 25 - der Steueranschluß 19 des Schieberventils 15 beaufschlagt werden. Der Schaltvorgang über den Steueranschluß 19 erfolgt entsprechend der Einstellung des Drossel-Rückschlagventils 29 zeitlich verzögert, so daß das Schieberventil 15 erst nach Ablauf dieser Verzögerung umgeschaltet wird und die Leitung 7 sowie die Kolben-Zylindereinheit 4 beaufschlagt werden. Letzteres hat den Beginn der Drehbewegung des Wischerhe­ bels in Richtung des Pfeiles 5 zur Folge. Mit der Beauf­ schlagung der Leitung 7 wird über den Anschlußpunkt 27 gleichzeitig die Steuerleitung 26 und damit der Steuer­ anschluß 24 des Schieberventils 20 beaufschlagt. Der Schaltvorgang über den Steueranschluß 24 erfolgt ent­ sprechend der Einstellung des Drossel-Rückschlagventils 28 ebenfalls zeitlich verzögert, so daß das Schieberven­ til 20 erst nach Ablauf dieser Verzögerung umgeschaltet wird. Eine Umschaltung des Schieberventils 20 hat zur Folge, daß die Steuerleitung 25 drucklos wird, so daß das Schieberventil 15 unter der Wirkung seiner Rückstell­ feder in die in der Zeichnung dargestellte Schaltstellung zurückkehrt, welches zur Folge hat, daß die Leitung 7 drucklos geschaltet wird und die Kolben-Zylindereinheit 4 unter der Wirkung ihrer Rückstellfeder in die in der Zeichnung dargestellte Position zurückkehrt. Ein Druck­ abfall in der Leitung 7 hat über den Anschlußpunkt 27 einen Druckabfall in der Steuerleitung 26 und damit an den Steueranschluß 24 zur Folge, so daß das Schieberven­ til 20 ebenfalls in die in der Zeichnung dargestellte Schaltstellung zurückkehrt. Dies wiederum hat eine erneute Beaufschlagung der Steuerleitung 25 und damit des Steueranschlusses 19 des Schieberventils 15 zur Folge, woraufhin sich der oben beschriebene Vorgang zyklisch wiederholt.

Zur Beeinflussung der Geschwindigkeit der Bewegung des Kolbens der Kolben-Zylinder-Einheit 4 kann in der Lei­ tung 7 ein einstellbares Drosselelement angeordnet sein, dessen Drosselwirkung in beiden Richtungen vorzugsweise gleichermaßen wirksam ist.

Unter Zwischenanordnung eines entsprechenden Getriebes, Hebelsystems oder dergleichen können über eine Kolben- Zylinder-Einheit auch mehrere Wischerhebel 1 gleichzei­ tig angetrieben werden.

Schließlich kann durch Verzweigung der Leitung 7 über die Steuerung auch ein Antrieb mehrerer Kolben-Zylinder Einheiten erfolgen.

Claims (5)

1. Explosionsschützender fluidischer Antrieb zur Erzeugung einer zeitvariabel oszillierenden Bewegung eines Gegenstandes, unter Verwendung einer, über eine Druckmittelleitung versorgten, ein­ seitig federbelasteten Kolben-Zylinder-Einheit und einer, mit dem Druckmittelversorgungssystem in Verbindung stehenden Steue­ rung, wobei die Steuerung wenigstens ein, den Fluß des Druck­ mediums in Richtung auf die Kolben-Zylinder-Einheit sowie in Ge­ genrichtung steuerndes druckmittelbetätigbares Hauptventil und wenigstens ein, zur Steuerung des Hauptventils dienendes druck­ mittelbetätigbares Steuerventil aufweist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Hauptventil (15) ein gegen die Kraft einer Rückstell­ feder druckmittelbetätigbares 3/2-Wegeventil ist, das über das Steuerventil (20) und ein diesem in Sperrstellung nachgeschal­ tetes erstes Drossel-Rückschlagventil (29) betätigbar ist und
• - daß das Steuerventil (20) ebenfalls ein gegen die Kraft einer Rückstellfeder druckmittelbetätigbares 3/2-Wegeventil ist, wel­ ches über ein in Sperrstellung angeordnetes zweites Drossel-Rückschlagventil (28) durch die zur Kolben-Zylinder-Einheit (4) führende Druckmittelleitung (7) steuerbar ist.

2. Explosionsschützender fluidischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Drossel-Rückschlagven­ tile (28, 29) einstellbar ausgebildet sind.

3. Explosionsschützender fluidischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranschlüsse (24, 19) des Steuerventils (20) und des Hauptventils (15) mit An­ schlußpunkten (27, 32) in Verbindung stehen, die Leitungs­ abschnitten (7, 30) zugeordnet sind, die - in Flußrichtung auf die Kolben-Zylinder-Einheit (4) hin gesehen - ausgangsseitig bzw. eingangsseitig bezüglich des Hauptventils (15) angeordnet sind.

4. Explosionsschützender fluidischer Antrieb nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Bauele­ mente der Steuerung, zuzüglich eines weiteren 3/2-Wegeventils zur Beaufschlagung der Steuerung mit Druckmittel, in einem Steu­ ergerät (6) zusammengefaßt sind, welches über die Druckmittel­ leitung (7) mit der Kolben-Zylinder-Einheit (4) in Verbindung steht.

5. Explosionsschützender fluidischer Antrieb nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oszillierend antreibbare Gegenstand ein um eine Achse (2) drehbar gelagerter Wischerhebel (1) ist, dessen eines von der Achse (2) abgekehrtes Ende mit der Kolben-Zylinder-Einheit (4) in Wirkverbindung steht.