DE4404472A1

DE4404472A1 - Arbeitszylinder

Info

Publication number: DE4404472A1
Application number: DE19944404472
Authority: DE
Inventors: Imre Molnar
Original assignee: FESTO METROTECHNIC AUTOMATIKA
Current assignee: FESTO METROTECHNIC AUTOMATIKA
Priority date: 1993-02-16
Filing date: 1994-02-14
Publication date: 1994-08-18

Description

Die Erfindung betrifft einen durch Arbeitsmittel von gemischtem/verschiedenem Aggregatzustand und Druck, von gleichem Aggregatzustand aber verschiedenem Druck/ oder durch gleiche Arbeitsmittel betätigten Arbeitszylinder mit mindestens zwei Räumen (sog. Tandem-Arbeitszylinder), in einem Kolben dessen ein inneres Durchlaßventil oder innere Durchlaßventile zwischen den durch die Kolben zerteilten Räumen angeordnet ist/sind, das/die durch die Stange des anderen Kolbe und/oder durch den zwischen den Räumen während der Bewegung entstandenen Druckdifferenz gesteuert ist/sind.

Das Wesen der Erfindung ist (siehe z. B. Abb. 2), daß zwei Kolben 6 und 11 im gemeinsamen oder verschiedenen, konstruktiv zueinander gekoppelten Zylinderkörper angeordnet sind, wobei deren Kolbenstangen zweckgemäß aber nicht notwendigerweise gleiche Querschnitte aufweisen; die Stange des Kolbens 11 in den Außenraum eingreift und die Stange des Kolbens 6 zum Kolben 11 durch eine zweistellige verschiebbare Stoßvorrichtung gekoppelt ist, wobei der die Stoßvorrichtung 22 enthaltende Ansatz der Kolbenstange die auch mechanisch aufschließbare Rückschlagventile 18 und 19 anhängig von der Bewegungsrichtung öffnet, so, daß beim Öffnen eines der Ventile das andere Ventil geschlossen wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist, einen Arbeitszylinder herzustellen, wo das Arbeitsmittel während der durch den Kolben 6 zustande gebrachte gemeinsamen Schnellbewegung frei zwischen den durch den anderen Kolben zerteilten Zylinderräumen durchströmt, so daß kein Strom durch die Anschlüsse 4 und 5 fließt.

In der Industrieerzeugung wird häufig ein Arbeitszyklus benötigt, die aus einer schnellen Annäherung, einen Arbeitsgang und einen Schnellrückgang besteht. Natürlich können auch andere Reihenfolgen gewünscht werden.

Traditionsgemäß werden solche Aufgaben meistens mittels Arbeitszylinder gelöst. Zweckgemäß wird das Arbeitsmedium bei der Schnellbewegung in großer Menge aber unter nicht zu hohem Druck benutzt, und wird das kostbarere Hochdruckmedium nur beim Arbeitsgang in das Zylinder geführt.

Zum Beispiel, bei der Einpressung einer Büchse in die Bohrung besteht das Arbeitszyklus aus einer schneller Bewegung mit nicht zu großer Kraft weit von dem Arbeitsstück bis zum Anstoßen auf der Büchse, dann ein Arbeitszyklus und schließlich ein Schnellrückgang.

Für solche Aufgaben zahlreiche Lösungen wurden ausgearbeitet (u. a. Pumpen mit umstellbarem Druck und zwei verschiedenen Förderleistungen, Ventilvariationen, Hilfszylinder usw.), sind diese aber nur Einzellösungen ohne Kompaktausführung.

Die Abb. 1 stellt eine kompakte und den heutigen Stand der Technik repräsentierende Lösung schematisch dar, die als KRAFTPAKET bekannt wurde.

Der Teil der auf der Seite der Arbeitsstange liegt, besteht aus einem Arbeitszylinder mit Doppelwirkung, dessen gegenseitiges Stangenende in einen hydraulischen Zylinderraum hineinreicht. Diesem Raum ist mittels Dichtungswand ein pneumatisches Arbeitszylinder mit Federrückstellung angeschlossen, an der Kolbenstange dessen ein ringförmiger Kolben verschiebbar und gedichtet angeordnet ist und auf der Rückstellfeder aufsitzt, während seine Gegenseite den als Öltank ausgeführten Teil des Zylinders abschließt. In der Grundstellung wird zwischen dem Öltank und dem hydraulischen Zylinderraum eine freie Strömung ermöglicht.

Während einer Schnellbewegung in X-Richtung wird Preßluft dem Anschluß 1′ zugeführt, und der Anschluß 2′ mit der Atmosphäre verbunden ist. Gleichzeitig wird der hydraulischer Raum aus dem Öltank aufgefüllt.

Während einem Arbeitsgang wird Preßluft dem Anschluß 3′ zugeführt. In diesem Falle schließt die Kolbenstange des als Druckverstärker wirkenden Zylinders durch die mit Dichtung versehenen Bohrung den hydraulischen Zylinderraum ab, dann wird die zum Hochleistungs-Arbeitsgang notwendige Kraft infolge der Gesamtfläche der hydraulischen Stangenende und des pneumatischen Kolbens herbeigeführt.

Die Schnellbewegung in Y-Richtung wird infolge der dem Anschluß 2′ zugeführten Preßluft zustande gebracht, während die Anschlüsse 1′ und 3′ mit der Atmosphäre verbunden sind.

Neben ihrer Vorteile hat diese Ausführung auch Nachteile wie folgt:

1. Infolge des Zusammenbaus von zahlreichen Einheiten, weist die Vorrichtung eine große Länge auf.
2. Ein großer Öltank wird benötigt, da die Nachfüllung während der Schnellbewegung gewährleistet werden soll.
3. Nur Schnellgang in X-Richtung, Arbeitsgang in X-Richtung und Schnellgang in Y-Richtung sind möglich.
4. Infolge der Ausführung, ist die Größe des Arbeitshubes gegeben, die nicht verändert werden kann.

Die Zielsetzung meiner Erfindung ist, einen Mechanismus mit niedrigem Raumbedarf und mit einem Arbeitshub mit veränderlicher Stelle, Richtung und Länge herbeizuführen und damit die Verbindung von mehreren Arbeitszylindern mit einer hydraulischen Druckerzeugung, sowie einen kompakten Zusammenbau zu ermöglichen.

Die Erfindung ist auf Grund der Abb. 2/a beschrieben.

Alle Komponenten der Einrichtung sind innerhalb des mit pneumatischen 2 und 3 sowie hydraulischen 4 und 5 Anschlüssen versehenen gemeinsamen Zylinderkörper 1 angeordnet. Der pneumatische Kolben 6 ist mit dem in zwei Richtungen wirkenden Dichtungsring 7 versehen. Seine Kolbenstange reicht durch die Trennwand des Zylinders 1 und die die hydraulischen und pneumatischen Arbeitsmedien trennenden Dichtungsringe 8 bzw. 9 in den hydraulischen Zylinderraum hinein. Zwischen den zwei Dichtungsringen sind eine Bohrung und eine Nute zur Verbindung zur Atmosphäre ausgebildet, die verhindern, daß die Medien im Falle von eventuellen Undichtheiten sich einander mischen.

Die Kolbenstange des hydraulischen Kolbens 11, auf dem die Dichtungsringe 12 und 13 zwecks Schließung und der Führungsring zwecks der guten Gleitverhältnissen angeordnet sind, reicht durch die an der Vorderseite des Zylinderraumes angeordnete und mit der Dichtungsring 15 und Führungsring 16 sowie auch mit einem Schmutzabzieher versehene Bohrung in den Außenraum hinein und kann als ein zur Arbeitsleistung geeigneter Stutzen benutzt werden.

Innerhalb des Hohlraumes des hydraulischen Kolbens 11 sind die mit Federn 18 und 19 sowie 20 und 21 versehenen Rückschlagventile auf dem am Ende der pneumatischen Kolbenstange 6 ausgeführten Ansatz verschiebbar angeordnet. Die Federn stützen sich auf den Stoßkörper 22, der einen Teil des Ansatzes bildet. Die Ventile können auf die im Hohlraum des hydraulischen Kolbens 11 ausgebildeten Sitzen schließen, wobei das Schließen zwischen dem Ansatz und den Ventilkörpern durch die Dichtungsringe 23 und 24 gewährleistet ist.

Die Abbildung zeigt eine im Prinzip ähnliche Lösung, mit der Abweichung, daß die Schließelemente und Rückschlagventile als Schieber ausgebildet sind.

Die Abb. 3 zeigt die Funktion in vier Bewegungsphasen des Arbeitszylinders.

Die Abb. 3/a stellt die Schnellbewegung in X-Richtung dar. Während dieser Bewegung, schiebt der pneumatische Kolben 6 den hydraulischen Kolben 11 mittels des Stoßkörpers; der Ventil 18 ist geöffnet. Vorausgesetzt daß der Anschluß 5 geschlossen ist, wird der Ventil 19 als Rückschlagventil durch den im anschlußseitigem Zylinderraum entstehenden Überdruck geöffnet. So wird eine Freiströmung zwischen den zwei Zylinderräumen ermöglicht.

Die Abb. 3/b zeigt den Stillstand (Aufstoßen) nach der Bewegung in X-Richtung. Da die Strömung zwischen den Zylinderräumen abgebrochen ist, schließt sich das Ventil 19 auf seinem Sitz. Dann, durch Zuführung von Hochdrucköl über den Anschluß 4 und durch Öffnen den Anschluß zur Entleerung wird der Arbeitsgang mit hoher Kraft zustande gebracht.

Die Abb. 3/c zeigt den Zustand während der Schnellbewegung und Abb. 3/d zeigt den Zustand beim Aufstoßen in dieser Richtung. Hier werden die Rollen der Ventile umgetauscht.

In den einzelnen Phasen können die Kräfte auf Grund der folgenden Formeln berechnet, vorausgesetzt daß alle Querschnitte kreisförmig sind (bei anderen Formen werden die Formeln entsprechend geändert).

Bezeichnungen:
D_p Durchmesser des Kolbens 6
D_h Durchmesser des Kolbens 11
d Gleiche Durchmessern der Kolbenstangen 6 und 11
d_t Durchmesser des Ansatzteiles zur Kolbenstange 11, der zur Berechnung benutzt wird
D_s Mitteldurchmesser des Ventilsitzes 19
p_p Druck des pneumatischen Mediums
p_h Druck des hydraulischen Mediums

Die Formeln sind wie folgt:

Schnellgang in X-Richtung:

Arbeitsgang in X-Richtung:

Schnellgang in Y-Richtung:

Arbeitsgang in Y-Richtung:

Die Vorrichtung ist in der X-Richtung arbeitsunfähig, falls die folgende Ungleichheit nicht besteht:

wo die Federkraft 20 vernachlässigt wird. Nämlich, kann der Ventil 19 in diesem Falle nicht schließen; demzufolge bestehen die Bedingungen des Arbeitsganges in X-Richtung nicht.

Die Abb. 4 zeigt das Schaltbild des Arbeitszylinders gemäß der Erfindung, wo Symbole benutzt werden. Hier wird die Aufmerksamkeit darauf gelenkt, daß keine Strömung durch die Anschlüsse 4 und 5 des Zylinders während der Schnellgängen gemäß der Zielsetzung besteht.

Demzufolge sollen diese Anschlüsse nur auf der Strömungsgeschwindigkeit der Arbeitsgänge berechnet werden.

Die Abb. 5 stellt den Arbeitszylinder und das mittels Symbolen aufgebaute Schaltbild des damit zusammengebauten pneumo-hydraulischen Pumpe dar. Mit dieser Schaltung können Arbeitsgänge von beliebiger Richtung und Länge realisiert werden, die innerhalb- des Hubes irgendwo angefangen oder beendet werden können. Zum Dauerbetrieb des Systems soll ein Tank von kleinerer Abmessung nach der Abbildung eingebaut werden, um die Verluste des Hydrauliköles wegen der Undichtheiten ergänzen zu können.

Der Arbeitszylinder gemäß der Erfindung kann auch mit einer durchgehenden Kolbenstange ausgeführt werden. Diese Lösung ist in der Abb. 6 dargestellt.

Bei diesem Aufbau kann die Rolle des zwei zusammengebauten Zylinderteiles umgetauscht werden, vorausgesetzt, daß die gemeinsame Kolbenstange der ganzen Länge nach einen gleichmäßigen Querschnitt aufweist. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß der herausstehende Ende der Kolbenstange mit einem verstellbaren Anschlag zur Begrenzung des Hubes versehen werden kann.

Die Abb. 7 zeigt eine Lösung, wo die zusammengebauten Zylinder mittels Druckmedium von gleicher Qualität und gleichem Druck betrieben werden. Die Ökonomie des Betriebes besteht darin, daß die Abmessungen des den Schnellgang gewährleistenden Zylinders wesentlich kleiner im Vergleich zum anderen Zylinder sind. Hier ist zweckmäßig, die bekannte "Sparschaltung" zu verwenden, wobei das Arbeitsmedium beim Vorlauf/X-Richtung/Schnellgang gleichzeitig den Anschlüssen 2 und 3 zugeführt wird.

In diesem Falle ist nur die Fläche der Kolbenstange aktiv; so wird der Flüssigkeitsverbrauch des Schnellgangszylinders kleiner, mit der Folge daß mit gleicher Einströmmenge eine größere Geschwindigkeit erreicht wird.

Des weiteren wird die Aufmerksamkeit auf der Ausführung gemäß der Abb. 8 gelenkt, wo die durchgehende Kolbenstange hinter dem hydraulischen Zylinderteil frei steht. So kann diese unter die Wirkung von Außenkraft betätigt werden.

Dadurch steht ein in beliebiger Richtung beliebig große Kraft ausübender Arbeitszylinder zur Verfügung, bei dem die Schnellgänge zur Annäherung und Rückführung sogar manuell herbeigeführt werden können. Es ist nicht notwendig, dessen Bedeutung z. B. bei Rettungsanlagen (Hebe-, Schneide- und Spannvorrichtungen usw.) zu betonen, wo die Schnelleinstellung in Arbeitsstellung lebensrettend sein kann.

Claims

1. Arbeitszylinder, der vorteilhaft mindestens einen Doppelraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein inneres Ventil oder innere Ventile (18,19) im Hohlraum eines Kolbens (11) dessen zwischen den durch den Kolben (11) zerteilten Räumen angeordnet ist oder sind, das oder die durch einen verstellbar angeschlossenen Stangenansatz eines anderen Kolbens (6) bzw. durch den bei der durch den anderen Kolben (6) herbeigeführten Schnellbewegung entstehenden Druckdifferenz betätigt ist oder sind.

2. Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Schnellgänge manuell oder mechanisch, vorteilig mittels einer durchgehenden Kolbenstange herbeigeführt sind.

3. Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Raum geöffnet zur Atmosphäre zwischen den zwei Zylinderräumen ausgebildet ist, wobei einer der Zylinderräume mittels pneumatischem-, während der andere Zylinderraum mittels hydraulischem Arbeitsmittel betätigt ist.

4. Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderräume mittels Arbeitsmedium von gleicher Qualität aber verschiedenem Druck betätigt sind.

5. Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmedien von gleicher Qualität und gleichem Druck sind, während der den Schnellgang herbeiführende Zylinder reduzierte Abmessungen aufweist.

6. Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß - zwecks weiterer Erhöhung der Kraft während des Arbeitsganges - mehrere Kolben (11) und die dazu gehörenden Zylinderräume in Reihe zusammengebaut sind.

7. Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem den Schnellgang gewährleistenden Zylinderteil eine durchgehende und eventuell mit verstellbarem Anschlag am Hubende versehene Kolbenstange angeordnet ist.

8. Arbeitszylinder nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen der zwei Zylinder zur Gewährleistung der Kraft im Schnellgang bzw. im Arbeitsgang umgetauscht werden.

9. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle des Arbeitsganges geeignet ausdrücklich nur für eine (nur X oder nur Y) Richtung nur ein Durchlaßventil (18 oder 19) eingebaut ist.

10. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1, 3, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem pneumatischen Druckumformer als eine Einheit zusammengebaut ist, und der Arbeitshub entlang des vollen Hubes des Arbeitszylinders, abhängig von der Ausbaustufe, von beliebiger Richtung, Stelle und Länge sein kann.

11. Arbeitszylinder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Arbeitszylinder einem Druckumformer angeschlossen sind.