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Zylinderanordnung rnit Arbeitskolben und Vorhubkolben Die Erfindung
bezieht sich auf eine Zylinderanordnung bestehend aus einem zwei Stirnseiten und
Xanäle für ein Arbeitsmedium aufweisenden Zylinder, einem Arbeitskolben mit einer
in einer Stirnseite dicht, aber verschiebbar gelagerten ersten Kolbenstange und
einem mit einer mit der ersten Kolbenstange fluchtenden weiteren Kolbenstange versehenen,
in dem Raum zwischen Arbeitskolben und der anderen Stirnseite befindlichen Vorhubkolben,
der zwischen der anderen Stirnseite und einem mit dem Zylinder ortsfest verbundenen
Anschlag verschiebbar ist.
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Eine derartige Zylinderanordnung, die auch kurz als DreiætellungszyJ.inder
oder als Zylinder mit Vorhub bezeichnet
wird, ist bereit bekannt.
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Dreistellungszylinder können immer dann mit Vorteil eingesetzt werden,
wenn ma einen langen Kolbenweg benötigt, um ein aPl außerhalb des Zylinders gelegenen
Ende der ersten Kolbenstange befestigtes Werkzeug, beispielsweise eine Punktschweißeinrichtung,
in die Arbeitsposition zu fahren, während für die anschließenden ei.gentlichen Arbeitsvorgänge
jeweils nur sehr kurze Kolbenhübe erforderlich sind.
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Bei der bekannten Zy Zylinderanordnung besteht der Vorhubkolben aus
einem länglichen, abgesetzten Kolbenschaft und der weiteren Kolbenstange, die mit
dem Kolbenschaft starr verbunden uj in der anderen Stirnseite des Zylinders verschiebbar
gelagert i St. Die Lauffläche des Zylinders iLt entsprechend dem Kolbenschaft ebenfalls
abgesetzt, wodurch der Zylinder in zwei Innenräume unterschiedlichen Durchmessers
aufgeteilt ist. Der Absatz in der Zylinder lauffläche bildet den Anschlag für den
Vorhubkolben. Der Teil des Kolbenschaftes des Vorhubkolbens, der im Durchmesser
kleiner ist als der andere Teil des Kolbenschaftes, muß in seiner Länge so dimensioniert
sein, daß, wenn der Vorhubkolben aus seiner einen, durch den anschlag bestimmten
Endstellung zurückfährt bis in die andere Endstellung, dieser Teil sich immer noch
in dem engeren Zylinderinnenraum befindet. Dieses Erfordernis bedingt eine nge und
damit schwere bauliche Ausführung des Zylindergehäuses.
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Darüber hinaus muß aber auch außerhalb des Zylinders für den aus dem
Zylinder heraustretenden Teil der Vorhubkolbenstange genügend Platz reserviert sein.
In vielen Anwendungsfällen verbieten es die beengten Platzverhältnisse, diese bekannte
Zylinderanordnung einzusetzen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht demzufolge darin, eine Zylinderanordnung
der eingangs genannten Art zu sohaffen,
die bei gleicher Fii11Itionstüchtigkeit
wie die bekannte Anordnung wesentlich weniger Platz beansprucht und ein geringeres
Gewicht aufweist als diese. Die diese Aufgabe lösende Erfindung besteht darin, daß
die weitere Kolbenstange als Führung für den auf ihr verschiebbar angeordneten Vorhubkolben
dienend fest mit dem Zylinder verbunden ist und eine als Anschlag für den Vorhubkolben
dienende Schulter aufweist und daß die erste, bewegliche Kolbenstange eine Öffnung
aufweist, die während der IIin- und Herbewegung der ersten.I(olbenstange zeitweise
die weitere, feststehende Kolbenstange wenigstens teilweise aufnimmt. Die erfindungsgemäße
Zylinderanordnung läßt sich nicht nur um das Stück kürzer bauen, das bei der bekannten
Anordnung den im Durch messer kleineren Teil des Vorhubkolbenschaftes darstellt,
sondern man spart außerhalb des Zylinders den Platz, der bei der bekannten Anordnung
für den. aus d.em Zylinder austretenden Teil der weiteren Kolbenstange reserviert
bleiben muß. Bedingt durch die kürzere Bauweise der erfindungsgemäßen Zylinderanordnung
ist auch weniger Baumaterial erforderlich, was wiederum ein geringeres Gewicht zur
Folge hat.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schulter
mit während des Wirksamwerdens des Anschlages mit dem Vorhubkolben zusammenarbeitenden
und die der einen Stirnseite des Zylinders zugekehrte wirksame Kolbenfläche des
Vorhubkolbens verkleinernden Dichtmitteln Versehen.
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Diese Dichtmittel könnenaus wenigstens einem an Schulter und/oder
Vorhubkolben befindlichen separaten Dichtring bestehen. Sie können aber auch ebensogut
durch entsprechende Bearbeitung der Anlageflächen von Schulter und Vorhubkolben
durch diese selbst gebildet sein. Auf die Vorteile einer derartigen Ausführungsform
wird bei der Erläuterung eines weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiels näher
eingegangen.
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Zweckmä'£-'igerweise ist die weitere Kolbenstange auswechselbar in
der anderen Stirnseite des Zylinders befestigt. Durch Ausweoheeln der wei te-cen
Kolbenstange gegen eine längere oder kürere kann nämlich auf einfache Weise der
Betrag des Vorhubs verändert werden. Dies ist aber auch dadurch möglich, daß wie
im späteren Ausführungsbeispiel noch näher erläutert werden wird, die weitere Kolbenstange
axial verstellbar in der anderen Sti:rnseite des Zylinders befestigt ist. Gegenüber
der bekannten Anordnung ist diese einfach auszuführende Veränderung des Vorhubs,
also ohne aufwendige Demontage der Anordnung, ein besonderer Fortschritt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die weitere Kolbenstange in an
sich bekannter Weise mit einem den zwischen Arbeitskolben und Vorhubkolben gelegenen
Raum mit einem Arbeitsmittelreservoir verbindenden Kanal versehen ist. Man erreicht
damit eine einheitliche Arbeitsmittelzufuhr auch bei unterschliedlichen Vorlltiben.
Ansonsten müßten mehrere Anschlußstellen für das den Arbeitskolben aus dem Zylinder
herausbewegende Arbeitsmittel je nach Vorhub an unterschiedlichen Stellen in der
Zylinderwandung angeordnet sein. Zugleich erreicht man mit dem Kanal in der weiteren
Kolbenstange aber auch eine weitere Gewichtsverminderung, zu der ja insbesondere
auch die dem Vorhubkolben zugekehrte Öffnung in der Kolbenstange des Arbeitskolbens
beiträgt.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als zweckmäßig
erwiesen, daß der Vorhubkolben von einem mit dem an der weiteren Kolbenstange befindlichen
Anschlag zusammenarbeitenden inneren Ring aus schlagfestem Material und einem äußeren
Ring gebildet ist. Der innere Ring nimmt nicht nur die Stöße auf, die von dem Anschlag
auf den Vorhubkolben übertragen werden, sondern insbesondere die, die während des
eigentlichen Arbeitens mit der Zylinderanordnung,
währenddessen
der Vorhubkolben als Anschlag für dcii Arbeitskolben dient, hervorgerufen werden.
Während der Vorhubkolben nur hin und wieder, also zum Anfahren oder Verlassen der
Arbeitsposition, vor- und zurückgefahren wird, wird der. Arbeitskolben wesentlich
häufiger wechselseitig beaufschlagt. Bei jedem Zurückfahren des Arbeitskolbens tri£ft
dieser oder, je nach Ausführung, die erste Kolbenstange auf den als Anschlag wirkenden
Vorhubkolben. Zu diesem Zwecke ist es gut, wenn die dabei aufeinandertreffenden
Teile aus entsprechend verschleißfestem Material hergestellt sind Ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand der Zeichnung im folgenden näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine Ausführung der erfindungsgemäßen Zylinderanordnung in einer Stellung,
bei der Arbeitskolben und Vorhubkolben belde voll zurückgefahren sind, d.h. der
Vorhubkolben liegt an der anderen Stirnseite des Zylinders an, und unmi.ttelbar
anschließend, an dem Vorhubkolben anliegend, befindet sich der Arbeitskolben; Figur
2 die in Figur 1 dargestellte Zylinderanordnung, wobei der Vorhubkolben seine andere
Endstellung eingenommen hat und der Arbeitskolben eine Zwischenstellung zwischen
seinen beiden möglichen Endlagen inne hat Zum Verständnis der Jrfindung nicht wesentliche
Teile, wie beispielsweise Verschraubungen, sind nicht gesondert oder aber nur andeutungsweise
dargestellt
Die erfindungsgemäße Zylinderanordnung besteht im wesentlichen
aus dctn Zylinder 1, dem Arbeitskolben 2 mit der zugehörigen Kolbenstange 3 und
dem Vorhubkolben 4 mit der sugehörigen weiteren Kolbenstange 5. Di.e eine Stirnseite
des Zylinders 1 wird von dn: Zylinderboden 6, die andere Stirnseite von del!l Zylinderdeckel
7 gebildet. Der Zylinderdeckel 7 ist mit dem Zylindermantel 8, wie bei 9 und 10
angedeutet, verschraubt. Als Zylindrnr:Laufflächc ist die Buchse 11 in den Zylindermantel
8 eingczogen. Die in den Zylinderboden 6 montierte, mit Schmiert--chen 12 und der
Dichtung 13 versehene weitere Buchse 14 dient als Lauffläche für die Kolbenstange
3. er Zylinder 1 weist im Zylinderdeckel 7 den Kanal 15 und im Zylinderboden 6 den
Kanal 16 auf, die über nicht dargestellte Anschlußleitungen mit einem Arbeitsmittelreservoir
verbunden sind. In der Mitte des Zylinderdeckels 7 befindet sich eine Bohrung, in
der die weitere Kolbenstange 5 mit Hilfe der Mutter 17 dicht, aber axial verstellbar
befestigt ist. Der zentrisch angeordnete, durchgehende Kanal 18 in der weiteren
Kolbenstange 5 dient ebenfalls für deniTransport des Arbeitsmittels, das gasförmig
oder flüssig sein kann. An ihrem innerhalb des Zylinders gelegenen Ende weist die
weitere Kolbenstange 5 die Schulter 19 auf, die als Anschlag für den auf der weiteren
Kolbenstange 5 verschiebbar gelagerten Vorhubkolben 4 dient. Die weitere Kolbenstange
5 dient nicht nur der Begrenzung des Weges des Vorhubkolbens 4, sondern zugleich
auch als Führungseiement für den Vorhubkolben, wodurch ein Verkanten des Vorhubkolbens
innerhalb des Zylinders ausgeschlossen ist. Der Vorhubkolben 4 besteht aus dem inneren
Ring 20 aus schlagfestem Material und aus dem äußeren Ring 21. Der innere und der
äußere Ring sind miteinander fest verbunden und mit Hilfe der Dichtringe 22 und
23 gegen ihre Laufflächen abgedichtet. Der Arbeitskolben 2 und die Kolbenstange
3 sind ebenfalls miteinander, beispielsweise durch Verschraubung, fest verbunden.
Der Dichtring 24 sorgt für die erforderliche
Abdichtung des Arbeitskolbens
2 gegenüber der Buchse 11.
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Die Kolbenstange 3 hat auf ihrer dem Arbeitskolben 2 be- / nachbarten
Stirnseite eine Bohrung 25, in welcho die weitere Kolbenstange 5 unbehinde...1t
eintauchen kann. An ihrem gegenL'berliegenden de ist die Kolbenstange 3 mi.t einer
weiteren Bohrung 26 für die Aufnahme eines Werkzeuges, beispielsweise einer Punktschweißeinrichtung,
versehen.
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Es sei angenommen, daß im vorliegenden Ausführungsbeispiel die drei
Kanäle 15, 16 un.d 18 über Leitungen, di.e jeweils für sich Absperrorgane und Entlüftungseinrichtungen
aufweisen, an ein einheitliches Drucksystem angeschlossen sind. Um nun das in der
Bohrung 26 befindliche, in der Zeichnung nicht dargestellte Werkzeug an seine Arbeitsposition
heranzufahren, wird der Vorhubkolben 4 über den Kanal 15, ausgehend von der in Figur
1 dargestellten Lage des Vorhubkolbens 4 und des Arbeitskolbens 2, mit dem Arbeitsmittel,
beispielsweise Druckluft, beaufschlagt. Bei hinreichend kleinem Gegendruck in der
Kammer zwischen dem Arbeitskolben 2 und dem Zylinderboden 6 bewegen sich Vorhubkolben
4 und Arbeitskolben 2 in Richtung des Pfeiles V (vorwärts), bis der Vorhubkolben
4 gegen diese Schulter 19 der weiteren Kolbenstange 5 stößt und beide Kolben zum
Stehen kommen. Während dieser ersten und auch der nächsten Bewegungsphase wird man
den Gegendruck in der Kammer zwischen Arbeitskolben 2 und Zylinderboden 6 der Einfachheit
halber dem Umgebungsdruck angleichen, indem man die mit dem Kanal 16 verbundene
Leitung entlüftet.
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Der eigentliche'Arbeitshub des Kolbens 2 wird nun dadurch ausgelöst,
daß über den Kanal 18 der Arbeitskolben 2 beaufschlagt wird. Der Arbeitskolben 2
bewegt sich somit weiter in Richtung des Pfeiles V (siehe Figur 2) bis in seine.
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äußerste Endstellung am Zylinderboden. Während dieser zweiten Bewegungsphase
wirkt der Vorhubkolben 4 als Abstützung für das Arbeitsmittel. Dabei kann sich der
Vorhubkolben 4 - gleichgroße wirksame Kolbenflächen an Vorhubkolben 4 und Arbeitskolben
2 in dem Raum zwischen diesen beiden Kolben vorausgesetzt - durchaus in Richtung
des Pfeiles R (rückwärts) bewegen, wenn durch Druckstörungen der Druck in dem Raum
zwischen Vorhubkolben 4 und Zylilnderdeckel 7 etwas kleiner sein sollte als der
Druck in dem Raun zwischen Arbeitskolben 2 und Vorhubkolben 4.. Y;r! praktischen
Betrieb wird diese Rückwärtsbewegung des Vorhubkolbens 4 jedoch gering und daher
unbcdcntend sein, weil der Arbeitskolben 2 gegen einen im Vergleich zum Netzdruck
viel geringeren Druck -meistens Atmosphärendruck - verschoben wird. Beim Zurückfahren
des Arbeitskolbens 2., wobei der Raum zwischen Arbeitskolben 2und Vorhubkolten 4
über den Kanal 18 entlüftet wird, bewegt sich der Vorhubkolben 4 dann auf jeden
Fall wieder bis an den anschlag 19, weil die wirksame Kolbenfläche des Arbeitskolbens
2 an der dem Zylinderboden 6 zugekehrten Seite wesentlich kleiner ist als die dem
Zylinderdeckel 7 zugewandte Fläche des Vorhubkolbens 4.
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Den eben beschrebenen, an sich nicht erwünschten, aber möglichen Rücklauf
des Vorhubkolbens 4 kann man nun dadurch verhindern, daß der Vorhubkolben 4 in seiner
einen Endstellung dichtend am Anschlag anliegt, d.h. zwischen Schulter 19 und innerem
Ring 20 befindet sich eine im Bereich des äußeren Umfangs der Schulter angeordnete
(in der Zeichnung nicht dargestellte) Dichtung, oder aber die Anlageflächen 27 und
28 von Schulter 19 und innerem Ring 20 sind so sauber bearbeitet, daß sie ohne zusätzliche
Dichtung dichtend aufeinanderliegen, wodurch in der einen Endstellung des Vorhubkolbens
4 seine dem Arbeitskolben 2 zugekehrte
wirksame Kolbenfläche im
Vergleich zu der dem Zylinderdeckel 7 zugekohrten Kolbenfläche# um den Betrag kleiner
ist, den die Schulter 19 abdeckt. Die weitere Beschreibung des Ausführungsbeispiels
bezieht sich auf eine solche Konstruktion, bei der die erwähnten Abdichtflächen
27 und 28 an Schulter 19 und inneren Ring 20 vorhanden sind, d.h. während der zweiten
Bewegungsphase bewegt sich der Arbeitskolben 2 in Richtung des Pfeiles V, wobei
sich das Arbeitsmittel am Vorhubkolben 4 abstützt, ohne daß dieser sich zurückbewegt,k
weil die auf ihn in Richtung des Pfeiles V wirkende Kraft größer ist als die in
Richtung des Pfeiles R wirkende Gegenkraft.
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Ist nun ein Teil der Arbeit beendet, beispielsweise ein Punkt geschweißt,
so muß der Arbeitskolben 2 soweit in Richtl.mg des Pfeiles R zurückfahren daß das
zu bearbeitende Werkstück bis dahin weitergeschoben werden kann, wo der nächste
Schweißpunkt angebracht werden soll. Um diese Rückwärtsbewegung des Arbeitskolbens
2 einzuleiten, wird die Leitung zum Kanal 18 entlüftet und der Arbeitskolben über
den Kanal 16 aus dem einheitlichen Drucksystem beaufschlagt. Der Arbeitskolben 2
fährt nun so weit zurück, bis er auf den immer noch unter dem gleichen Druck stehenden
Vorhubkolben 4 stößt. Eizi weiteres Zurückgehen des Arbeitskolbens 2 ist nicht möglih,
weil die dem Zylinderboden 6 zugekehrte wirksame Kolbenfläche des hrbeitskoibens
2 kleiner ist als die dem Zylinderdeckel~7 zugekehrte Kolbenfläche des Vorhubkolbens
4. Für den nun folgenden Arbeitsvorgang wird wiederum die Leitung zum Kanal 16 entlüftet
und der Arbeitskolben 2 über den Kanal 18 beaufschlagt, wodurch er sich wieder vorwärts
bewegt. Erst wenn es erwünscht oder erforderlich ist, daß der Arbeitskolben 2 bis
in seine ursprüngsliche- Ausgangsstellung nahe dem Zylinderdeckel
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zuörückfährt, wird die Leitung zum Kanal 15 entlüftet, und der Arbeitskolben 2 kann
beim Zurückfahren den Vorhubkolben 4 vor sich herschieben, bis dieser am Zylinder
deckel 7 anliegt.