DE4409751A1 - Pneumatikzylinder - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Pneumatikzylinder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 38 14 184 A1 ist ein gattungsgemäßer Zylinder bekannt, dessen Kolbenstange über Wälzlager im Gehäuse geführt ist, so daß auch Kräfte quer zur Verschieberich­ tung des Kolbens aufgenommen werden können. Durch den Er­ satz der ansonsten üblichen Gleitlagerungen wird ein Ver­ klemmen der Kolbenstange unter Querkraft vermieden. Ein mit dem Kolben mitbewegter Dichtring (O-Ring) verhindert den Druckmittelübertritt zwischen den beiden Arbeitsräu­ men des Zylinders. Weitere Dichtringe, insbesondere in Gestalt von Abstreifringen, übernehmen die Abdichtung zwischen der Kolbenstange und dem Gehäuse.

Nachteilig bei dem bekannten Zylinder ist, daß durch die beschriebenen Abdichtmaßnahmen eine im Verhältnis zur Nennlast des Zylinders relativ hohe Reibung zwischen dem Gehäuse einerseits und dem Kolben bzw. der Kolbenstange andererseits zu überwinden ist. Durch die Reibung wird der Energieverbrauch beim Betrieb des Zylinders erhöht. Gravierender ist jedoch die Einschränkung hinsichtlich der nutzbaren Kolbengeschwindigkeiten: Einerseits verhin­ dern die Reibflächen entsprechend hohe Kolbengeschwindig­ keiten, andererseits sind bei sehr niedrigen Kolbenge­ schwindigkeiten (Kriechgang) aufgrund der zwischen dem Gehäuse und den Dichtungen auftretenden Stick-Slip- Effekte gleichförmige Kolbenbewegungen ohne verzögertes Ansprechverhalten und ohne ruckartige Bewegungsformen nicht möglich.

In konventionellen Pneumatikanlagen werden die Pneuma­ tikzylinder über einfache Impuls- oder Schaltventile an­ gesteuert und lediglich zwischen ihren Endlagen bewegt. In Analogie zur Servohydraulik hat in den letzten Jahren jedoch auch die Servopneumatik an Bedeutung gewonnen. Servopneumatische Anlagen arbeiten mit Ventilen, mit denen neben der Schaltfunktion "EIN/AUS" auch der Luft­ durchsatz durch das Ventil in seiner Menge verändert wer­ den kann. Derartige Servoventile werden daher auch als Proportionalventile bezeichnet.

Aufgabe der Erfindung ist es, für servopneumatische An­ wendungen einen Pneumatikzylinder zur Verfügung zu stel­ len, der auch bei sehr niedrigen und hohen Kolbenge­ schwindigkeiten ein gleichmäßiges Ansprechverhalten auf­ weist, um damit die mit Servoventilen mögliche exakte Re­ gelung der Kolbenbewegung auch umsetzen zu können.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die berührungslose Abdichtung wird die Bewegung von Kolben und Kolbenstange im Gehäuse nicht behindert. In Verbindung mit der an sich bekannten Wälzlagerung der Kolbenstange treten somit konstruktionsbedingt keine Stick-Slip-Effekte mehr auf. Damit steht ein Pneumatikzy­ linder zur Verfügung, der über ein ausgezeichnetes An­ sprechverhalten in allen Kolbengeschwindigkeitsbereichen verfügt und daher auch für servopneumatische Anwen­ dungsfälle entsprechend gut regelbar ist. Somit eröffnen sich mit dem erfindungsgemäßen Pneumatikzylinder neue An­ wendungsfelder für die Pneumatik, so daß in vielen Fällen eine aufwendige servohydraulische Anlage durch eine in Anschaffung und Betrieb deutlich kostengünstigere servo­ pneumatische Anlage ersetzt werden kann.

Während auf den ersten Blick die durch die berührungslose Abdichtung prinzipbedingt vorhandene kleine Leckage als Nachteil erscheint, liegt gerade hierin bei genauerer Be­ trachtung eigentlich ein Vorteil für servopneumatische Schaltkreise: Um Servoventile in pneumatischen Regelkrei­ sen betreiben zu können, ist ein gewisser Mindestluft­ durchsatz erforderlich, insbesondere beim Halten einer vorgegebenen Kraft bzw. einer vorgegebenen Position. Dieser Luftdurchsatz wurde bisher durch ein einstellbares Bypass-Ventil, das zwischen die Ausgänge eines Servoven­ tils geschaltet wurde, realisiert. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Pneumatikzylinders kann ein derartiges Bypass-Ventil in der Regel entfallen, da die Leckage durch die berührungslose Abdichtung den geforderten Min­ destluftdurchsatz gewährleistet. Durch die geringere Rei­ bungsarbeit werden die Druckmittelverluste durch die Leckage mehr als wettgemacht. Zu berücksichtigen ist fer­ ner, daß eine Leckage zwischen den beiden Teilräumen des Pneumatikzylinders nur dann auftritt, wenn der Kolben be­ wegt wird; herrscht beiderseits des Kolbens gleicher Druck (Halteposition), so findet hier auch kein Druckmit­ telaustausch statt.

Darüberhinaus zeichnet sich die berührungslose Abdichtung durch Verschleißfreiheit aus und muß nicht gewartet wer­ den. Zudem ist sie kostengünstig herzustellen und robust in ihrer Ausführung.

Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 zeichnet sich durch ihren einfachen Aufbau aus: Die gegeneinander verschieblichen Teile werden entlang ihres Verschiebewe­ ges mit einem kostengünstig herstellbaren, großzügig be­ messenen Spaltmaß ausgeführt. Lediglich im Bereich der Abdichtungsstellen wird das Spaltmaß verringert, so daß durch den engen Dichtungsspalt nur mehr eine geringe Menge an Luft strömen kann. Zusätzlich wird diese Luft­ strömung verwirbelt, wodurch eine Sperrschicht entsteht, die die Luftströmung behindert und somit einem Druckaus­ gleich entgegenwirkt.

Gemäß Anspruch 3 werden an der Spaltdichtung umlaufende Rillen vorgesehen, die z. B. direkt am Kolben bzw. den Lagerstellen der Kolbenstange im Gehäuse angebracht sein können. In der Regel ist es jedoch vorteilhafter, einen separaten Dichtring mit Rillen am Außen- bzw. Innenumfang in den Kolben bzw. das Gehäuse einzusetzen. Die Spalt­ dichtung kann auch mit aneinandergereihten dünnen Ringen, welche in verschiedenen Durchmessern und Dicken exakt und einfach herzustellen sind, aufgebaut werden. Bei Druck­ unterschieden zwischen den beiden Seiten der Spaltdich­ tung entstehen durch die in geringer Menge durchströmende Luft Verwirbelungen in den einzelnen Ringkammern der Rillen, wodurch sich eine strömungsbehindernde Sperr­ schicht aufbaut.

Bei der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 weist die Spaltdichtung anstelle der bzw. zusätzlich zu den Rillen im Dichtungsspalt eine Oberfläche aus Filz auf. Die Filzoberfläche bewirkt ebenso wie die Rillen eine Verwirbelung der durch den Dichtspalt hindurchströmenden Luft. Filzringe sind besonders kostengünstig in der Her­ stellung und Montage.

Da in der Servopneumatik eine Regelung meist über den Pa­ rameter Kraft erfolgt, stellt die Weiterbildung der Er­ findung nach Anspruch 5 einen kompakten und universell verwendbaren Pneumatikzylinder zur Verfügung. Selbstver­ ständlich kann jedoch auch ein Wegmeßsystem anstelle des Kraftmeßelementes oder zusätzlich hierzu in den Pneuma­ tikzylinder integriert sein.

Die Erfindung wird anhand eines möglichen Ausführungsbei­ spiels in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen servopneumatischen Regelkreis,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Pneumatikzylinder in Schnittdarstellung,

Fig. 3 eine vergrößerte Detaildarstellung der Abdich­ tung zwischen der Kolbenstange und dem Gehäuse und

Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung der Abdichtung zwischen dem Kolben und dem Gehäuse.

Fig. 1 zeigt ein servopneumatisches Blockschaltbild eines Regelkreises zur definierten Kraftbeaufschlagung eines Prüfkörpers 3.

Beim dargestellten Prüfaufbau wird über einen erfindungs­ gemäßen Pneumatikzylinder 1 unter Zwischenschaltung eines Koppelelementes 2 eine Kraft auf den fest eingespannten Prüfkörper 3 aufgebracht. Damit die Krafteinleitung gere­ gelt erfolgen kann, ist der Pneumatikzylinder 1 an einen servopneumatischen Regelkreis angeschlossen. Kernstück dieses Regelkreises ist eine elektronische Regeleinheit 4, der von einer Signalquelle 5 ein Sollwert vorgegeben wird. Die Signalquelle 5 kann beispielsweise ein Sinusge­ nerator, ein Magnetband mit Echtzeitsignalen etc. sein. An die elektronische Regeleinheit 4 ist ein Ventil­ verstärker 6 angeschlossen, von dem drei elektrische Verbindungsleitungen 7, 8 und 9 ausgehen. Zusätzlich ist eine direkt von der Regeleinheit 4 abgehende Steuerlei­ tung 10 vorgesehen.

Mit der Steuerleitung 10 kann der gesamte Regelkreis mit Druck beaufschlagt bzw. drucklos geschaltet werden, indem ein 3/2-Wegeventil mit der Bezugszahl 11 über einen Fil­ ter 12 die Verbindung zu einer Druckluftquelle 13 her­ stellt bzw. unterbricht. In der Offenstellung des 3/2- Wegeventils 11 ist das pneumatisches Servoventil 15 über eine Verbindungsleitung 14 an die Druckluftquelle 13 an­ geschlossen.

Das Servoventil 15 besitzt einen Signaleingang 16 sowie einen Signalausgang 17 mit nachgeschaltetem Weg-Span­ nungswandler 18. Über die Leitung 7 kann das Servoventil 15 in vier verschiedene Stellungen gebracht werden (von links nach rechts):

• - Druckluftkreislauf gegen den Uhrzeigersinn,
• - gesperrt (Spannung = 0),
• - Druckluftkreislauf im Uhrzeigersinn und
• - gesperrt (stromlos).

Im Unterschied zum 3/2-Wegeventil 11 handelt es sich bei dem Servoventil 15 jedoch um ein regelbares Ventil. Dies wird durch die mit Drosseln versehenen Pfeile in der Sym­ boldarstellung des Servoventils 15 zum Ausdruck gebracht. Über die beiden Druckluftausgänge 19 und 20 ist das Ser­ voventil 15 mit dem Pneumatikzylinder 1 verbunden. Zwi­ schen die beiden Verbindungsleitungen 21 ist wahlweise eine Bypass-Drossel 22 geschaltet, die in der Regel je­ doch entfallen kann, da die Leckage des Pneumatikzylin­ ders 1 ausreicht, um den für den sicheren Betrieb des Servoventils 15 notwendigen Mindestluftdurchsatz zu ge­ währleisten.

Die Verbindungsleitungen 21 münden über Druckluftan­ schlüsse 23 und 24 in einen linken und einen rechten Ar­ beitsraum 25 bzw. 26 des Pneumatikzylinders 1. Die beiden Arbeitsräume 25 und 26 werden durch einen Kolben 27 un­ terteilt. Der Kolben 27 bewegt eine Kolbenstange 28, die einen linken und einen rechten Abschnitt 29 bzw. 30 auf­ weist. In den linken Abschnitt 29 der Kolbenstange 28 ist ein Kraftmeßelement 31, beispielsweise ein Dehnmeßstrei­ fen, integriert. Das Kraftmeßelement 31 ist über die Lei­ tung 9 mit dem Ventilverstärker 6 der Regeleinheit 4 ver­ bunden.

Bei dem beschriebenen servopneumatischen Regelkreis han­ delt es sich um einen geschlossenen Regelkreis, bei dem der Sollwert über die Regelleitung 7 an das Servoventil 15 geleitet wird. Das Stellsignal geht über die Druck­ luftausgänge 19 und 20 an den Pneumatikzylinder 1, wäh­ rend als Maß für dieses Stellsignal ein elektrisches Si­ gnal über die Rückleitung 8 an die Regeleinheit 4 geführt wird. Der Abgleich des Istwertes mit der Sollwert-Vorgabe erfolgt über das in die Kolbenstange 28 integrierte Kraftmeßelement 31, das über die Istwert-Leitung 9 mit der Regeleinheit 4 verbunden ist.

Während die Regeleinheit 4 und die Ventile 11 und 15 be­ kannte Einheiten sind, kann die Umsetzung der Stellsi­ gnals, das z. B einen hochdynamischen Kraft-Zeit-Verlauf repräsentiert, nicht mit einem konventionell gelagerten und abgedichteten Pneumatikzylinder, sondern nur mit dem erfindungsgemäßen Pneumatikzylinder 1 erfolgen, der sich den Anforderungen der Servopneumatik gemäß entsprechend feinfühlig regeln läßt.

Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Pneumatikzy­ linder 1 auch in konventionellen Pneumatikschaltungen mit Schaltventilen eingesetzt werden, wenngleich er haupt­ sächlich für die erhöhten Anforderungen in servopneumati­ schen Regelkreisen konzipiert wurde.

Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Pneumatikzylinder 1 im Längsschnitt.

Der Pneumatikzylinder 1 besteht aus einem Gehäuse 32, das sich aus einem linken und rechten Gehäusedeckel 33 bzw. 34 mit dazwischenliegendem zylindrischen Abschnitt 35 zu­ sammensetzt. Die einzelnen Bestandteile des Gehäuses 32 werden durch durchgehende Ankerschrauben 36 zusammenge­ halten. Der Kolben 27, der den zylindrischen Abschnitt 35 in einen linken und einen rechten Arbeitsraum 25 bzw. 26 unterteilt, ist auf die durchgehende hohlzylindrische Kolbenstange 28 beispielsweise aufgeschrumpft oder ist mit ihr verschraubt. Die Lagerung der Kolbenstange 28 in den Gehäusedeckeln 33 und 34 erfolgt über Wälzlager 37, die beispielsweise als Linearkugellager ausgeführt sind. Die Druckluftanschlüsse 23 und 24 sind den Arbeitsräumen 25 bzw. 26 zugeordnet. Beide Arbeitsräume 25 und 26 ver­ fügen über je einen Druckluftauslaß 38. Nicht näher dar­ gestellte Drosseln 47 im Bereich der Druckluftauslässe 38 übernehmen die Endlagendämpfung des Kolbens 27.

Die Abdichtung der Kolbenstange 28 gegenüber den Gehäuse­ deckeln 33 und 34 erfolgt über Spaltdichtungen 39, wie am Beispiel des linken Gehäusedeckels 33 in Fig. 3 ver­ größert dargestellt. In der Kolbenstangendurchführung des Gehäusedeckels 33 ist eine ringförmige Ausnehmung 48 vor­ gesehen, in die ein Paket von Dichtringen 40 und 49 ein­ gesetzt ist. Die Dichtringe 40 reduzieren das außerhalb der Spaltdichtung 39 vorherrschende Spaltmaß a auf das Spaltmaß i im Dichtungsspalt 43. Zwischen den einzelnen Dichtringen 40 sind Dichtringe 49 unterschiedlichen Innendurchmessers eingesetzt. Hierdurch entstehen Rillen 41 unterschiedlicher Tiefe. Die Spaltdichtung 39 wirkt wie nachstehend beschrieben:

Infolge des geringen Spaltmaßes i kann prinzipbedingt nur eine sehr geringe Menge an Luft durch den Dichtungsspalt 43 hindurchströmen. Diese vom Arbeitsraum 25 durch den Dichtungsspalt 43 hindurchströmende Leckluft wird in den Rillen 41 verwirbelt und bildet somit eine Sperrschicht mit abdichtender Funktion.

Die Abdichtung des Wälzlagers 37 gegenüber der Spaltdich­ tung 39 erfolgt über einen Filzring 52, der im Dichtungs­ spalt 53 das verringerte Spaltmaß i herstellt. Der Filz­ ring 52 dichtet die Fettfüllung des Wälzlagers 37 ab und bewirkt eine Verwirbelung der in sehr geringer Menge hin­ durchströmenden Luft. Zwischen der Spaltdichtung 39 und dem Filzring 52 ist ein Distanzring 42 angeordnet.

Fig. 4 zeigt die Abdichtung der beiden Arbeitsräume 25 und 26 über eine Spaltdichtung 50, die sich aus zwei gleichartigen Paketen von Dichtringen 51 und 54 zusammen­ setzt, die von zwei Filzringen 55 getrennt sind. Die ge­ samte Spaltdichtung 50 ist am Außenumfang des Kolbens 27 eingesetzt, wobei Tragringe 58 die Filzringe 55 aufneh­ men. Analog zur Spaltdichtung 39 reduziert auch die Spaltdichtung 50 das Spaltmaß a zwischen Kolben 27 und zylindrischem Abschnitt 35 des Gehäuses 32 im Bereich des Dichtungsspaltes 57 auf das kleinere Spaltmaß i. Die zwi­ schen den Dichtringen 51 angeordneten Dichtringe 54 wei­ sen unterschiedliche Außendurchmesser auf und schaffen hierdurch unterschiedlich tiefe Rillen 56, in denen eine Luftverwirbelung stattfindet. Auch die Filzringe 55 mit ihren unregelmäßigen äußeren Zylinderflächen unterstützen die Luftverwirbelung. Um die Montage der Spaltdichtung 50 zu ermöglichen, besteht der Kolben 27 aus zwei trennbaren Hälften 27a und 27b.

Wie die dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen, kann die berührungslose Abdichtung durch Spaltdichtungen mit Rillen, durch Filzringe oder auch durch eine Kombination aus beiden Dichtungsarten erfolgen. Neben den beiden dar­ gestellten Ausführungsformen von Dichtungen sind jedoch auch alle anderen Arten von Dichtungen möglich, die einerseits das Spaltmaß im Dichtungsspalt reduzieren und andererseits eine Verwirbelung der Luft bewirken.

Das Kraftmeßelement 31 läßt sich in vorteilhafter Weise in die Kolbenstange 28 integrieren, indem es über eine nur angedeutete Schraube 44, die von der linken Seite her in die hohlzylindrische Kolbenstange 28 eingesetzt ist, verschraubt wird.

Je nach Anwendungszweck kann der symmetrisch aufgebaute Pneumatikzylinder 1 um 180° gedreht werden, um wahlweise mit oder ohne integriertes Kraftmeßglied 31 verwendet zu werden. Wahlweise kann auch ein integriertes elektrisches Wegmeßsystem Verwendung finden. Der nicht verwendete Ab­ schnitt 29 bzw. 30 der Kolbenstange 28 kann dabei durch einen Stangenschutz 45 abgedeckt werden, der beispiels­ weise auf den linken Gehäusedeckel 33 mittels der Schrau­ ben 46 befestigt ist.

Claims (5)

1. Pneumatikzylinder, bestehend aus einem Gehäuse mit einem Arbeitsraum, der durch einen Kolben in zwei Teilräume unterteilt wird sowie einer im Gehäuse über Wälzlager geführten Kolbenstange, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung zwischen dem Kolben (27) und den beiden Teilräumen (Arbeitsräume 25, 26) und/oder zwischen der Kolben­ stange (28) und dem Gehäuse (32) über berührungslose Dichtungen erfolgt.

2. Pneumatikzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung als Spalt­ dichtung (39, 50) mit im Dichtungsspalt (43, 57) vorgesehenen Mitteln zur Verwirbelung der durchströ­ menden Luft ausgebildet ist.

3. Pneumatikzylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelung über in Umfangsrichtung verlaufende Rillen (41, 56) im Dichtungsspalt (43, 57) erfolgt.

4. Pneumatikzylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelung über einen Filzring (55) erfolgt.

5. Pneumatikzylinder nach wenigstens einem der vorge­ nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Pneumatikzylinder (1) ein Kraftmeßelement (31) integriert ist.