-
Die Erfindung betrifft einen hydraulischen
Arbeitszylinder, insbesondere Plungerzylinder, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, wobei dieser im Zylinderboden mit einer die Bewegung
der Kolbenstange bremsenden Verriegelungseinheit versehen ist.
-
Bei einem hydraulischen Arbeitszylinder
dieser Art (
DE 200 11 789.0 )
weist dieser eine hülsenförmige Kolbenstange
auf, die ausgehend vom Bereich ihres stirnseitigen Arbeitskolbens
von einer Gewindespindel durchgriffen ist. Mit dieser Gewindespindel wirkt
eine im Bereich des Arbeitskolbens vorgesehene Spindelmutter so
zusammen, daß der
Arbeitskolben eine lineare Schubbewegung ausführen kann und gleichzeitig
die Gewindespindel frei drehbar im Zylinderboden gehalten ist. Für eine Bremsung
oder Unterbrechung der Schubbewegung, beispielsweise zu Sicherungszwecken
im ausgefahrenen Zustand, kann die Gewindespindel mittels eines
axial verschiebbaren Verbindungsgliedes und eines drehfesten Gegengliedes
einer Verriegelungseinheit im Bereich des Zylinderbodens festgelegt
werden. Die dabei vorgesehene Bauteilanordnung weist eine axial bewegliche
Sperrscheibe als Verbindungsglied auf, wobei deren Steuerung durch
mehrere im Abstand zur Mittellängs achse
angeordnete Stößel aufwendig ist
und mehrere zur stirnseitigen Abstützung der im Zylinderboden
drehbaren Gewindespindel vorgesehenen Hülsenteile sind mit einer Vielzahl
von Steuerbohrungen und Dichtflächen
versehen, so daß diese Verriegelungseinheit
bei hohem technischen Aufwand besonders störanfällig ist.
-
Die Erfindung befaßt sich
mit dem Problem, einen hydraulischen Arbeitszylinder mit einer inneren Verriegelungseinheit
zu schaffen, die mit geringem Herstellungs- und Montageaufwand eine
auch unter rauhen Betriebsbedingungen funktionssichere, feinstufige
und zuverlässig
verriegelbare Bauteilanordnung bildet und deren Dichtungsanordnung
einen geringen Wartungsaufwand und eine verlängerte Einsatzzeit des Arbeitszylinders
ermöglicht.
-
Ausgehend von einem hydraulischen
Arbeitszylinder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 löst die Erfindung
diese Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs
1. Hinsichtlich wesentlicher weiterer Ausgestaltungen wird auf die
Ansprüche
2 bis 19 verwiesen.
-
Der erfindungsgemäße Arbeitszylinder weist im
Bereich seines Zylinderbodens einen als Verbindungsglied vorgesehenen
Rastkolben auf, der als funktionale Einheit mit einem stirnseitig
an diesem vorgesehenen Verzahnungsprofil und einem in dessen Bereich
vorgesehenen Stützlager
zusammenwirkt. In der Bewegungsstellung des Arbeitskolbens ist die
Gewindespindel in dem mit Arbeitsdruck beaufschlagbaren Innenraum
des Zylinderbodens ohne zusätzliche
Rotationsdichtungen belastungsoptimal abgestützt, wobei diese vom Druckmedium
umgebene Abstützung
auch dann erhalten bleibt, wenn die stirnseitige Verriegelungseinheit
des Rastkolbens mittels der diesen hintergreifenden Druckfeder in
die Verriegelungsstellung verlagert wird.
-
Zum Lösen der Verzahnungsprofile
aus der Verriegelungsstellung erfolgt eine axiale Verlagerung des
Rastkolbens über
einen Schubkörper
mit einem stirnseitigen Lager, wobei der Verschiebedruck auf den
Rastkolben übertragen,
die Verzahnung außer Eingriff
gebracht und dadurch die freie Drehbewegung der Gewindespindel möglich wird.
-
Diese vergleichsweise einfache Abstützung des
Rastkolbens durch eine gelagerte Verbindung mit dem Schubkörper ermöglicht eine
positionsgenaue externe Ansteuerung der Verriegelungsfunktion, die
im Bereich der Verzahnungsprofilierung besonders feinstufig erfolgt.
Damit kann bei zugeschalteter Verriegelungsfunktion ein Einfedern
der ausgefahrenen Kolbenstange auch unter schwellenden Lasten vermieden
werden. Die Verriegelungsfunktion ist auch dann wirksam, wenn durch
eine Leckage im Hydrauliksystem, beispielsweise durch Schlauchbruch,
das Absinken unter Last zu befürchten
wäre. In
dieser Situation ist der Schubkörper
drucklos geschaltet und durch axiale Verlagerung des Rastkolbens
greifen die insbesondere von einer Hirth-Verzahnung gebildeten Profile
ineinander. Die Einschublast der Kolbenstange wird nun durch die
Bremswirkung im Bereich der nur geringe Selbsthemmung aufweisenden
Verbindung von Gewindespindel und Spindelmutter aufgenommen und
auf die Verriegelungsbaugruppe so übertragen, daß das an
der Gewindespindel erzeugte Drehmoment blockiert ist.
-
Der hydraulische Arbeitszylinder
kann durch die Verzahnung der Verriegelungseinheit feinstufig in kleinen
Schritten, beispielsweise nach einem Hubweg von 0,2 mm, in der jeweils
erreichten Stellung fixiert werden. Der einfache Aufbau des Systems
mit dem Rastkolben ermöglicht
innerhalb des Arbeitsdruckraumes eine Abfrage der Verriegelungsfunktion über einen
Sensor am Zylindergehäuse.
-
Weiterhin kann mittels eines entsprechenden
Sensors die Drehstellung der Gewindespindel erfaßt werden, so daß damit
ein Wegmeßsystem
für den
Zylinderhub erreicht ist.
-
Die Stabilität der Verriegelungseinheit
im Bereich der Verzahnung ermöglicht
den Einsatz eines mehrgängigen
Trapetzgewindes im Bereich der Spindelmutter und der Gewindespindel,
so daß diese
Teile eine hohe Steigung und geringe Selbsthemmung aufweisen können. Dieser
Bereich des Arbeitszylinders und die Baugruppe der Verriegelung
sind permanent von Hydrauliköl
umspült,
so daß in
diesen Bereichen nur geringer Verschleiß auftritt. Mit diesem Verriegelungssystem
ist der Arbeitszylinder speziell für Einsatzbedingungen in Scherenhubtischen
und anderen Hub- und Transporteinheiten konzipiert, wobei das System
im Vergleich zu elektromechanischen Antrieben durch den einfach
steuerbaren Hydraulikantrieb und seine flexibel an die Einsatzbedingungen anzupassende
Bauform besondere Vorteile bietet.
-
Der Arbeitszylinder ermöglicht ein
problemloses Anfahren auch unter Last aus dem Stand, weist mit einer
kompakten Bauform nur geringe Einbauabmessungen auf und ist mit
geringem Aufwand an unterschiedliche Einsatzbedingungen anpaßbar. Auch ein
Austausch handelsüblicher
Hydraulikzylinder gegen den erfindungsgemäßen Arbeitszylinder ist mit geringem
Aufwand realisierbar. Zur Realisierung einer Notablaßfunktion
kann der Arbeitszylinder im Bereich des Druckmittelanschlusses am
Schubkörper durch
eine Handpumpe einfach entriegelt werden.
-
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und den Zeichnungen, die mehrere Ausführungsbeispiele der hydraulischen
Arbeitszylinder mit innerer Verriegelungseinheit veranschaulichen. Die
Zeichnungen zeigen:
-
1 eine
Schnitdarstellung des erfindungsgemäßen Arbeitszylinders mit in
Freigabestellung verlagerter Verriegelungseinheit im Bereich des
Zylinderbodens,
-
2 eine
Schnittdarstellung ähnlich 1 mit der Verriegelungseinheit
in Verriegelungsstellung,
-
3 eine
vergrößerte Ausschnittsdarstellung
des Arbeitszylinders gemäß 2 im Bereich des Zylinderbodens,
-
4 eine
vergrößerte Ausschnittsdarstellung ähnlich 3 mit der Verriegelungseinheit
in Freigabestellung,
-
5 eine
Darstellung ähnlich 4 mit einer Abstützung des
Rastkolbens mittels einer Keilwellenprofilierung und eines Wälzlagers ähnlich 1,
-
6 eine
zweite Ausführung
des Rastkolbens mit einer veränderten
Verriegelungs-Verzahnung,
-
7 eine
Darstellung ähnlich 6 mit dem Rastkolben in
Verriegelungsstellung, und
-
8 eine
Darstellung ähnlich 3 mit einer eine reibschlüssige Bremse
aufweisenden Verriegelungseinheit.
-
In 1 ist
ein insgesamt mit 1 bezeichneter hydraulischer Arbeitszylinder
in Form eines Plungerzylinders dargestellt, der in einem Zylindergehäuse 2 eine
zwischen einem Zylinderboden 3 und einem Zylinderkopf 4 verlagerbare
Kolbenstange 5 aufweist (Pfeil K', 1).
Diese in einem Innenraum 6 des Zylindergehäuses 2 verla gerbare
Kolbenstange 5 ist ihrerseits hülsenförmig ausgeführt und weist in ihrem Innenraum 7 eine
im Bereich des ringförmigen
Arbeitskolbens 8 eintretende Gewindespindel 11 auf, die
mittels eines Trapetzgewindes 10 im Bereich einer nach
Art einer Spindelmutter 9 wirksamen Gewindeverbindung drehbar
abgestützt
ist.
-
In ihrer Längserstreckung zum Bereich
des Zylinderbodens 3 hin ist die Gewindespindel 11 durch eine
allgemein mit 12 bezeichnete Lagerbaugruppe abgestützt, in
deren Bereich eine die Drehbewegung gemäß Pfeilrichtung A bremsende
Verriegelungseinheit 13 vorgesehen ist. Diese Verriegelungseinheit weist
ein axial verschiebbar mit der Gewindespindel 11 verbundenes
Verbindungsglied 14 auf, das im Bereich eines drehfest
am stirnseitigen Ende im Innenraum E des Zylinderbodens 3 gehaltenen
Gegengliedes 15 abbremsbar ist. Im Zusammenhang mit einer derartigen
Verriegelungseinheit 13 ist außerdem bekannt, daß das Verbindungsglied 14 mittels
einer Druckfeder 16 in die Verbindungsstellung (2) verlagerbar (Pfeil F)
und das Verbindungsglied 14 durch einen entgegen der Federwirkung
verlagerbaren Schubkörper 17 entriegelbar
ist (Pfeil S).
-
In 3 ist
in einer vergrößerten Prinzipdarstellung
der erfindungsgemäße Aufbau
der Verriegelungseinheit 13 ähnlich 2 dargestellt. Dabei wird deutlich, daß das Verbindungsglied 14 als
ein mit der Druckfeder 16 auf einem Tragansatzteil 19 der
Gewindespindel 11 axial verschiebbarer Rastkolben 20 ausgebildet
ist. Dieser Rastkolben 20 ist an seiner zum stirnseitigen
Ende des Zylinderbodens 3 gerichteten Stirnseite mit einem
Verzahnungsprofil 21 versehen, das in einer bodenseitigen
Gegenverzahnung 22 einrastbar ist (4).
-
Diese Verzahnungsprofilierungen 21, 22 bilden
mit einem koaxial zu diesen den Rastkolben 20 zentral aufnehmenden
Stützlager 23 und
dem mit diesem zusammenwirkenden Schubkörper 17 eine funktionale
Einheit, mit der eine in nahezu stu fenlos erreichbaren Hubstellungen
des Arbeitskolbens 8 zuschaltbare Verriegelung möglich ist,
die sich durch eine einfache und funktionssichere Bauteilgestaltung auszeichnet.
Der Rastkolben 20 und der einen rückseitigen Stellantrieb 24 aufweisende
Schubkörper 17 bilden
im Bereich des Stützlagers 23 eine
Verbindungseinheit, derart, daß der
auf dem Tragansatzteil 19 verschiebbare Rastkolben 20 mittels
des Stützlagers 23 positionsgenau
in die Gegenverzahnung 22 einrastbar und auskuppelbar ist.
-
In den dargestellten Ausführungsformen
gemäß 1, 2, 5 und 7 ist der Rastkolben 20 jeweils mit
einem Außenring 25 eines
als Wälzlagers
ausgebildeten Stützlagers 23 verbunden
und dieses erfaßt mit
seinem Innenring 26 den Schubkörper 17. Denkbar ist
dabei auch, daß der
Rastkolben 20 als zentrales Stützlager 23 mit einem
Gleitlager (nicht dargestellt) zusammenwirkt.
-
Mit der Abstützung der Gewindespindel 11 über die
vordere Lagerbaugruppe 12 im Bereich des Arbeitsdruckraums E und
die Verriegelungseinheit ist mit geringem Aufwand eine überraschend
einfache und wirkungsvolle Lastaufnahme möglich, die im nicht verriegeltem
Zustand der Kolbenstange 5 beim Ein- und Ausfahren eine
weitgehend reibungsfreie Drehbewegung (Pfeil A) der Gewindespindel 11 zuläßt und in
der Verriegelungsstellung (5)
eine optimale Kraftübertragung
sowie nur geringes Spiel gewährleistet.
Im verriegelten Zustand sind insgesamt wechselnde Belastungen am
Hydraulikzylinder 1 problemlos aufnehmbar und außerdem weist
dieser Zylinder bei geringem Wartungsaufwand eine hohe Lebensdauer
auf.
-
Die Prinzipdarstellungen gemäß 3 und 4 verdeutlichen in Zusammenschau die
unterschiedliche Arbeitsstellungen des Rastkolbens 20,
wobei deutlich wird, daß sich
bei der erfindungsgemäßen Konstruktion
der Tragansatzteil 19 mit seiner vorderen Lagerbaugruppe 12,
der von der Druckfeder 16 hintergriffene Rastkolben 20 mit
dem Stützlager 23 und
der den Zylinderboden 3 stirnseitig durchgreifende Schubkolben 17 mit
seinem das Stützlager 23 aufnehmenden
Halteteil 27 in dem gemeinsamen Arbeitsdruckraum E mit
dem vorderseitigen Arbeitskolben 8 erstrecken. Damit wird
eine Spindel-Verriegelung erreicht, bei der der Tragansatzteil 19 in
sämtlichen
seiner Stütz-
und Verbindungsbereiche ohne Rotationsdichtungen gehalten ist, so
daß dieser
den Hydraulikanschluß 29 (Arbeitsdruck:
Pfeil K) aufweisende Druckbereich der Konstruktion insgesamt
wenig störanfällig ist
und auch bei hohen Belastungen eine optimale Langzeitdichtigkeit
aufweist.
-
In den Darstellungen des Hydraulikzylinders 1 gemäß 1 bis 5 ist der Rastkolben 20 im Bereich der
Verriegelungseinheit 13 mit zwei gegenüberliegend eine entriegelbare
Verbindung nach Art einer Hirth-Verzahnung bildenden und in der
Schnittdarstellung nur prinzipiell sichtbaren Zahnkränzen 30, 31 (4) versehen, wobei der während der
Entriegelung am Rastkolben 20 anlegbare Schubkörper 17 zentral
in den Arbeitsdruckraum 28 geführt ist. In der Ausführungsform
gemäß 6 und 7 weist der Rastkolben 20' als Verzahnungsprofil
ein gradverzahntes Stirnradprofil 32 auf, das in gradverzahntes
Innenprofil 33 im Zylinderboden 3 einführbar ist
(Verbindungsstellung: 7).
In 6 zeigt die Prinzipdarstellung
dieser Verriegelungsbaugruppe 13' eine vertiefte Aufnahmekontur 28' in die entsprechend
der Kontur 28 in 3 das
Stützlager 23 in
der Blockierstellung der Profile 32 und 33 eintaucht.
-
Der mit dem Rastkolben 20, 20' zusammenwirkende
Schubkörper 17 weist
im Bereich der im Zylinderboden 3 vorgesehenen Durchgangsbohrung D einen
Dichtungsring 34' und
einen Führungsring 34 auf,
die einen mittleren Führungsteil 35 des
Schubkörpers 17 umgreifen.
Gleichzeitig ist der Schubkörper 17 mit
einem Druckkolben 36 in einem äußeren Druckraum 37 aufgenommen,
so daß der
Schubkörper 17 mittels
des Druckkolbens 36 außenseitig
mit einem Steuerdruck (Druckanschluß 38) beaufschlagbar
ist und damit der Stellantrieb 24 wirksam wird.
-
Der Aufbau der Verriegelungseinheit 13 ist im
Bereich des Schubkörpers 17 gemäß 3, 4 und 6 mit
einstückigem
Zylinderboden 3 gezeigt. In mehrteiliger Ausführung (1, 2 und 7)
ist der Arbeitsdruckraum 28 mit einer vom Schubkörper 17 im
Bereich der Durchgangsbohrung D durchgriffenen, stirnseitigen Verriegelungshülse 39 verschlossen
ist, die den radial erweiterten und außenseitig durch einen Deckelteil 40 verschlossenen
Druckraum 37 aufweist. Die in dem Druckraum 37 mit
Fluiddruck (Pfeil P) beaufschlagbare Druckkolben 36 ist
insbesondere einstückig
mit dem Schubkörper 17 geformt,
wobei auch eine Ausführung
mit verschraubten Einzelteilen denkbar ist (nicht dargestellt).
-
Für
die Steuerung der Verriegelungseinheit mittels des Schubkörpers 17 weist
dieser im Bereich des Druckkolbens 36 einen Durchmesser B auf,
der größer ist
als der Durchmesser C im Bereich des mittleren Führungsteiles 35 (3). Damit ist eine besonders
wirksame Steuerung im Bereich des Rastkolbens 20, 20' erreicht, da
mit einem vergleichsweise geringen Druck P im Bereich des
Druckkolbens 36 eine dem Verhältnis der Flächen von
B:C entsprechende Druckübersetzung
der verfügbaren
Druckkraft (Pfeil S) für
den Bereich des Stützlagers 23 erreicht
wird. Dieses erfüllt
den Zweck, den erforderlichen hydraulischen Druck für die Steuerung
der Verriegelungsfunktion in einer ähnlichen Größenordnung wie den Druck der
Kolbenstange 5 zu halten. Gleichzeitig wird die Übertragung
von Störeinflüssen der
Arbeitshydraulik im Druckraum E auf die Steuerung im Druckraum 37 minimiert.
-
Die Dichtungen 41 bzw. 34' im Bereich
des Schubkörpers 17 werden
bei den Stellbewegungen des Schubkörpers 17 nur gering
belastet, da die Schaltwege kurz sind und keine Rotationsdichtungen eingesetzt
werden. Der Schubkörper 17 wirkt
im Bereich des Druckkolbens 36 mit einer vorderseitig bei 37' in den Druckraum 37 einmündenden
Entlüftungsbohrung 42 zusammen
(3). Im Bereich seines Druckkolbens 36 weist
der Schubkörper 17 einen
im Abstand R zur Mittellängsebene M verlaufenden
Haltestift 49 auf, der einerseits im Deckelteil 40 gehalten ist
und andererseits axial verschiebbar in eine Bohrung 50 des
Druckkolbens 36 eingreift. Damit wird ein Mitdrehen des
Schubkörpers 17 verhindert.
-
In zweckmäßiger Ausführung ist der Rastkolben 20 auf
dem Tragansatzteil 19 durch ein Keilwellenprofil 43 gehalten,
so daß eine
optimale axiale Verschiebung in Richtung der Mittellängsachse M möglich ist.
Gleichzeitig kann diese Profilierung jeweilige in der Verriegelungsstellung
wirksame Drehmomente optimal aufnehmen. An Stelle der Keilwellenprofilierung 43 ist
ebenfalls die Anwendung einer Nut-Feder-Verbindung 44 (1) denkbar.
-
Für
die optimale Steuerung des Hydraulikzylinders 1 ist vorgesehen,
daß die
Rastkolben 20, 20' mit
einem dessen Bewegungsbereich erfassenden Positionsensor 45 zusammenwirkt.
Der Positionssensor 45 ist dabei mit einem in den Zylinderboden 3 eingreifenden
Aufnehmer 45' versehen,
der durch eine nahe diesem verlagerbare Konturformung 46 und
eine Ringmulde 46' am
Rastkolben 20 dessen jeweilige Stellung und damit die Schaltstellung
der Verriegelung erfaßt.
Ebenso ist denkbar, daß die
Gewindespindel 11 mit einem deren Winkelstellung erfassenden
Sensor (nicht dargestellt) zusammenwirkt, so daß eine Wegmessung der jeweiligen
Hubstellung der Kolbenstange 5 möglich ist.
-
Für
die erfindungsgemäße Ausführung der Verriegelungseinheit 13 ist
der Tragansatzteil 19 im Bereich seiner vor der den Rastkolben 20, 20' hintergreifenden
Druckfeder 16 mit zwei Axiallagern 47, 48 (1, 2, 5 und 7) im Arbeitsdruckraum E des
Zylinderbodens 3 abgestützt,
so daß die
Verriegelungskonstruktion insgesamt eine weitgehend axialspielfreie
und leichtgängige
Konstruktion gewährleistet.
-
Die vorbeschriebene Verriegelung
im Bereich des Rastkolbens 20, 20' ist als axial schaltbare Einheit
mit einer Feinstufigkeit einsetzbar. Bei einem Schaltvorgang sind
an der aus- oder einfahrenden Kolbenstange 5 jeweilige
Hubhöhen
von weniger als 0,5 mm realisierbar und nach Erreichen der jeweiligen
Stellung ist eine stabile Verrastung und Arretierung möglich. Dabei
ist die stirnseitige Verzahnungsprofilierung 30, 31; 32, 33 insbesondere
mit schrägen Flanken
ausgebildet, so daß die
Schaltbarkeit des Systems verbessert ist und eine automatische Selbstzentrierung
insbesondere bei der an sich bekannten Hirt-Verzahnung erreicht
wird.
-
Diese Konstruktion des Hydraulikzylinders 1 ist
insbesondere in Hub-Vorrichtungen als Sicherungs- und/oder Haltevorrichtung
einsetzbar, so daß beispielsweise
für einen
während
des Betriebes der Vorrichtung erfolgenden Ausfall der Antriebshydraulik
eine zuverlässige
Sicherung gewährleistet
ist oder angefahrene Hubstellungen sicher gehalten werden können. Mit
der konstruktiven Gestaltung des mit der Druckverstärkung im
Bereich B zu C versehenen Schubkörpers 17 können Störeinflüsse der
Arbeitshydraulik vermieden und insgesamt die Sicherheit des Systems
verbessert werden, wobei dieses im Bereich des mittels der vorderen
Lagerbaugruppe 12 und des Stützlagers 23 geführten Rastkolbens 20 eine
langzeitstabile Verriegelungsfunktion aufweist.
-
In 8 ist
eine weitere Ausführungsform des
Arbeitszylinders 1' dargestellt,
dessen konstruktiver Aufbau im wesentlichem dem in 3 entspricht, so daß sich die entsprechenden Bezugszeichen
der Einzelteile auch ohne nochmalige Eintragung ergeben. Der Hydraulikzylinder 1' ist mit einer Verriegelungseinheit 13' versehen, die
an Stelle der vorbeschriebenen Verzahnungsprofile 21, 22 (3) im Bereich eines Rastkolbens 20" mit einer reibschlüssigen Bremse 51 versehen
ist, deren Reibelemente) in einer Bremsstellung dargestellt sind
und damit die vorbeschriebene Verriegelungsfunktion gewährleisten.