DE2249728C3 - Druckmittelbetriebener Arbeitszylinder für Eilgang und Krafthub - Google Patents

Description

Ausgehend von der bekannten Möglichkeit, ein Bypassventil an beliebiger Stelle des Hubes des Arbeitszylinders zu schließen, um vom Eilgang auf den Krafthub umzuschalten, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen druckmittelbetriebenen Arbeitszylinder mit Eilgang und Krafttub der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der ohne lange, Umlenkungen aufweisende Bypasskanäle auskommt, ein Bypassventil aufweist, das innerhalb kürzester Zeit sehr große, strömungsgünstig ausgebildete Querschnitte freizugeben bzw. abzuschließen gestattet, und der dabei einfach und leicht aufgebaut ist, indem die Formgebung und Anordnung der verwendeten Teile so gestaltet ist, daß Beanspruchungen hinsichtlich ihrer Richtung und Größe in günstiger Weise aufgenommen werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Hauptkolbens und des damit verbundenen Hilfskolbens ist es möglich, das Steuerventil für den Medium-Bypass im ortsfesten Gehäuse anzuordnen und dabei so große Querschnitte vorzusehen, daß dem Überströmen des Druckmediums vom einen Zylinderraum in den anderen kaum Widerstand entgegengesetzt wird. Hinzu kommt, daß bei dieser Anordnung nur eine geringe Umlenkung des Mediumstroms erfolgt, was ebenfalls zu einer Herabsetzung des Widerstandes beiträgt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden, anhand zweier ir der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele gegebenen Beschreibung. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des druckmittelbetriebenen Arbeitszylinders in halbschematischem Längsschnitt, und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des druckmittelbetriebenen Arbeitszylinders, wie er insbesondere für Schmiedepressen angewendet werden kann.

Der Hydraulik- oder Pneumatik-Arbeitszylinder gemäß Fig. 1 besteht aus einem Gehäuse 28, das mit einem Hauptkolbenzylinderraum 10 und mit einem Hilfskolbenzylinderraum 12 versehen ist. Eine Trennwand 22 ist zwischen den Zylinderräumen 10 und 12 vorgesehen, durch die eine einen Hauptkolben 4 mit einem Hilfskolben 6 verbindende Kolbenstange 2 hindurchgeführt ist. Eine in der Trennwand 22 angeordnete, zur Kolbenstange 2 konzentrische öffnung 18 kann durch ein Bypassventil 20 geöffnet oder geschlossen werden. Betätigt wird das als Kegelventil ausgebildete Bypassventil 20 durch einen kleinen hydraulischen oder pneumatischen Arbeitszylinder 26', der am Gehäuse 28 befestigt ist und doppeltwirkend mit Zuleitungen 48 bzw. 50 für die Kolbenober- bzw. Unterseite ausgebildet ist.

Der Hilfskolben 6 weist eine Sackbohrung 14 auf, in die ein gehäusefester, zylindrischer Fortsatz 24 hineinragt. Im dargestellten F ,lipi^i führt eine Zuleitung 46 zur Sackbohrung 14, die eine dem gehäusefesten, zylindrischen Fortsatz 24 entsprechende Endfläche 6b aufweist. Selbstverständlich kann auch der Ringraum 14« mit Druck beaufschlagt werden, wobei die wirksame Fläche dann der Ringflüche 6c entspricht. Wichtig ist für eine einwandfreie funktion des erfindungsgemäßen Hydraulik- oder Pneumatik-Arbeitszylinders, daß die Rückhubkolbenflche 6a des Hilfskolbens 6 größer ist als die Krafthubkolbenflcähe 4a des Hauptkolbens 4, und daß die als Eilgangkolbenfläche dienende Endfläche 6b bzw. die Ringfläche 6c größer ist als die Differenz aus der Rückhubkolbenfläche 6a und der Arbeitshubkolbenfläche 4a. Der Krafthubzy-Iinderraum 10 des Hauptkolbens 4 weist eine Zuleitung 42 auf, während der Rückhubzylinderraum 12 des Hilfskolbens 6 über eine Zuleitung 44 von außen ansteuerbar ist.

Der in Fig. 2 dargestellte Hydraulik- oder Pneumatik-Arbeitszylinder weist im wesentlichen die gleichen Teile auf wie der in Fig. 1 dargestellte, so daß diese Teile auch dieselben Bezugsziffern erhalten haben. Abweichend vom in Fig. 1 dargestellten Hydraulik- oder Pneumatik-Arbeitszylinder sind dem Hilfskolben 6 noch zwei weitere Hilfskolben 6' zugeordnet, die achsparallel zum Hauptkolben 4 angeordnet sind und auf ein gemeinsames Joch 40 wirken. Ferner ist in Fig. 2 die Verbindung des Hauptkolbens 4 und des Hilfskolbens 6 mittels einer als langer Zuganker ausgebildeten Kolbenstange 2 gezeigt, wobei die Kolbenstange 2 auf dem hauptkolbenseitigen Ende mit einem Kopf versehen ist, der im Hauptkolben 4 versenkt ist und auf dem hilfskolbenseitigeri Ende mittels einer Mutter 32 verschraubt ist. Ferner sind eine Führung und Dichtung 34 für den Hilfskolben 6, Führungen und Dichtungen 36 für die Hilfskolben 6' und eine Führung und Dichtung 38 für den Hauptkolben 4 sichtbar. Diese Dichtungen sind am Gehäuse 28 befestigt und können ausgewechselt werden, ohne daß deshalb die Kolben 4, 6, 6' aus dem Gehäuse 28 entfernt zu werden brauchen.

Die Betätigung des Bypassventils 20 erfolgt durch sechs zu einem Stern radial angeordnete Steuerkolben 26, die in entsprechenden Bohrungen des Gehäuses 28 sitzen. Die inneren Enden der Steuerkolben 26 sind mit Schrägflächen versehen und wirken auf entsprechende kegelige Steuerflächen 30 des Bypassventils 20. Je drei Steuerkoiben werden über eine Zuleitung 48 bzw. eine Zuleitung 50 gemeinsam betätigt, wobei ein Unterdrucksetzen der Zuleitung 48 ein öffnen des Kegelventils 20 bewirkt, während ein Unterdrucksetzen der Zuleitung 50 ein Schließen des Kegelventils bewirkt.

Die Steuerung des Eilvorlaufs, des Krafthubes und des Eilrücklaufs erfolgt durch hydraulische Steuerventile 8 und 16. Das Steuerventil 8 ist einerseits mit

so einer Druckquelle sowie einer drucklosen Rückleitung und andererseits mit einer Zuleitung 44 zum Hilfskolbenzylinderraum 12 und den Hilfskolbenzylinderräumen 14' über eine Zuleitung 46 verbunden. Der Hauptkolbenzylinderraum 10 ist ständig über eine Zuleitung 42 mit Mediumdruck beaufschlagt. Das Steuerventil 16 ist einerseits ebenfalls mit der Druckquelle und einer drucklosen Rückleitung 50 wie andererseits mit den Zuleitungen 48 bzw. 50 für die Steuerkolben 26 verbunden.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen den Hydraulik- oder Pneumatik-Arbeitszylinder während des Eilvorlaufs nach rechts. Das Steuerventil 8 hat eine Verbindung zwischen der Druckquelle und den Hilfskolbenzylinderräumen 14' sowie dem Hilfskolbenzylinderraum 12 hergestellt. Wie schon erwähnt, steht der Hauptkolbenzylinderraum 10 ständig mit der Druckquelle in Verbindung. Außerdem stehen der Haupt- und Hilfskolbenzylinderraum 10 und 12 miteinander über

d£is geöffnete Bypassventil 20 während des Eilvorlaufs miteinander in Verbindung. Das Bypassventil 20 wird durch das Steuerventil 16 betätigt, das in der gezeigten Stellung eine Verbindung zwischen der Druckquelle und der Zuleitung 48 für die entsprechenden Steuerkolben 26 herstellt. Indem die erwähnten Steuerkolben 26 auf die kegeligen Steuerflächen 30 drücken, wird das Kegelventil 20 nach rechts veschoben und gibt die Öffnung 18 frei, deren Querschnitt so bemessen ist, daß das Druckmedium sie praktisch drosselfrei durchströmt. Dadurch, daß durch die Öffnung 18 eine Flüssigkeitsmenge strömt, die der dem Hauptkolben 4 nachgeführten Flüssigkeitsmenge entspricht, fließen durch die Zuleitungen 44 bzw. 46 nur geringe Flüssigkeitsmengen, so daß die Leitungen und Ventile entsprechend klein bemessen werden können.

Um vom Eilvorlaui' auf den Krafthub umzuschalten, wird zunächst das Steuerventil 16 betätigt, wodurch die Zuleitung 48 zu den Steuerkolben 26 drucklos wird, während die Zuleitung 50 zu den Steuerkolben 26 unter Druck gesetzt wird. Das Bypassventil 20 wird nach links auf seinen Sitz gezogen und die Strömung durch öffnung 18 zunächst gedrosselt. Danach wird das Steuerventil 8 betätigt, so daß die Zuleitung 44 zum Hilfskolbenzylinderraum 12 drucklos wird, woraufhin sich das Bypassventil 20 vollständig schließt.

Da nunmehr der Hauptkoiben 4 und die Hilfskolben 6' mit Mediumdruck beaufschlagt sind und der in entgegengesetzter Richtung wirkende Hilfskolben 6 über die Kolbenstange 2 die Druckkraft des Hauptkolbens 4 nicht mehr kompensieren kann, wirkt jetzt auf das Joch 40 die volle Kraft des Hauptkolbens 6, d. h. es beginnt der Krafthub.

Wie eingangs schon erwähnt, sind die Leitungen und Ventile sowie die Leistung der Pumpe so bemessen, daß sie bei entsprechender Schaltung der Ventile 8 Ui id 16 zwar den Eilgang bewirken, daß sie aber nach dem Umschalten auf den Arbeitshub nur eine Mediummenge liefern, die zur Entwicklung einer sehr großen Kraft des Hauptkolbens 4 unter Berücksichtigung der bekannten Tatsache, daß bei konstantem Förderstrom die Kolbengeschwindigkeit umgekehrt proportional der Kolbenfläche ist, ausreicht.

Um nach Beendigung des Krafthubes den Eilrücklauf zu bewirken, wird zunächst das Steuerventil 8 betätigt. In Stellung Eilvorlauf wird eine Druckverbindung zwischen der Druckquelle und der Zuleitung 44 zum Hilfskolbenzylinderraum 12 hergestellt. Nachdem dieser Hilfskolbenzylinderraum 12 unter Druck gesetzt ist, wird das Stuerventil 16 betätigt, um das Bypassventil 20 zu öffnen. Nun wird Ventil S durchgeschaltet und der Eilrücklauf beginnt, da, wie schon erwähnt, die Rückhubkolbenfläche 6a größer ist als die Krafthubkolbenfläche 4« und die Hilfskolben 6' drucklos sind.

Auch für den Eilrücklauf werden nur geringe Mediumströme benötigt, da nur soviel Flüssigkeit gebraucht wird wie durch die Ringfläche des Hilfskolbens 6, gebildet aus der Differenz der Rückhubkolbenfläche 6a und der Krafthubkolbenfläche Λα aufgenommen wird.

ίο Die Geschwindigkeit des Eilrücklaufs im Verhältnis zur Geschwindigkeit des Eilvorlaufs wird aus dem Verhältnis der erwähnten Ringfläche zur Fläche 6'b der Hilfskolben 6' bestimmt. Sind die Flächen 6'b doppelt so groß wie die Flächendifferenz aus Hilfs- und Hauptkolben (6α-4α), so sind auch die Geschwindigkeiten des Eilvorlaufs und des Eilrücklaufs bei gleichem Mediumstrom gleich.

Wie man sieht, kann an beliebiger Stelle des Weges von Eilvorlauf auf Krafthub bzw. auf Eilrücklauf umgeschaltet werden, wobei der Hauptkolbenzylinderraum 10 ständig unter Druck bleibt und somit die Arbeitsleistung zur fortwährenden Unterdrucksetzung eingespart werden kann. Diese Einsparung an Arbeitsleistung ist am größten, wenn das Umschalten von Eilgang auf Arbeitshub stets erst gegen Ende des Gesamthubes des Hydraulik- oder Pneumatik-Arbeitszylinders erfolgt, da ja der Hilfskolbenzylinderraum 12 beim Umsteuern auf den Arbeitshub drucklos gemacht wird und beim Umschalten auf den Eilrücklauf wieder unter Druck gesetzt werden muß.

Es sei ferner noch erwähnt, daß der Arbeitshub

nicht notwendigerweise, wie dargestellt, nach rechts wirken muß. Er kann natürlich ebensogut nach links wirken, entweder indem durch den Hauptkolben 4 eine Zugwirkung ausgeübt wird oder aber indem durch den Hilfskolben 6 der geforderte Druck ausgeübt wird. In diesem Falle muß die Steuerung der Druckbeaufschlagung der verschiedenen Zylinderräume abgeändert werden, derart, daß nunmehr der Hilfskolbenzylinderraum 12 über die Zuleitung 44 ständig unter Druck gehalten wird, während der Hauptkolbenzylinderraum 10 über die Zuleitung 42 mit dem Steuerventil 8 verbunden ist und die Drucksteuerung, wie schon beschrieben, auf analoge Weise verläuft.

Die Betätigung der Steuerventile 8 und 16 kann manuell erfolgen, es ist aber selbstverständlich möglich, diese Ventile über mit den Hydraulik- oder Pneumatik-Zylindern verbundene Endschalter zu betätigen oder eine elektrische Programmsteuerung vorzusehen. Steuerungen dieser Art sind bekannt und gehören nicht zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Druckmittelbetriebener Arbeitszylinder für Eilgang und Krafthub mit folgenden Merkmalen:

a) neben einem Hauptkolben ist ein Hilfskolben vorgesehen, der mit diesem durch eine Kolbenstange verbunden ist;

b) die Kolbenstange ist in einer einen Hilfskolbenzylinderraum von einem Hauptkolbenzylinderraum abteilenden Trennwand abgedichtet geführt;

c) neben einer vom Hauptkolben gebildeten, den Hauptkolbenzylinderraum begrenzenden Krafthubkolbenfläche großen Querschnitts ist eine Eilgangkolbenfläche kleinen Querschnitts und eine Rückhubkolbsnfläche vorgesehen;

d) zwischen Krafthubzylinderraum und Rückhubzylinderraum ist ein von außen ansteuerbares Bypassventil geschaltet, das während des Eilgangs geöffnet und während des Krafthubs geschlossen ist;

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

e) der Hilfskolben (6) bildet die Rückhubkolbenflache (6α) und weist einen größeren Durchmesser als der Hauptkolben (4) auf;

f) das Bypassventil (20) ist in der Trennwand (22) angeordnet;

g) der Krafthubzylinderraum (10) ist ständig mit Druckmitteldruck beaufschlagt;

h) der Rückhubzylinderraum (12) ist während des Eilgangs mit Druckmitteldruck beaufschlagt und während des Krafthubs zum Rücklauf hin entlastet.

2. Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bypassventil ein ringförmiges Verschlußstück (20) aufweist, das auf der Kolbenstange (2) abgedichtet axial verschiebbar angeordnet ist und mit einer ringförmigen, zur Kolbenstange (2) konzentrischen Öffnung (18) in der Trennwand (22) zusammenwirkt.

3. Arbeitszylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bypassventil (20) als Kegelsitzventil ausgebildet ist.

4. Arbeitszylinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (20) zur Achse schräg angeordnete Steuerflächen (30) aufweist, mit denen radial bewegbare, in der Trennwand (22) vorgesehene Steuerkolben (26) zusammenwirken.

5. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Rückhubkolbenflache (6α) aufweisende Hilfskolben (6) eine Sackbohrung (14) aufweist, in die ein gehäusefester, zylindrischer Fortsatz (24) hineinragt, und daß die Endfläche (6b) der Sackbohrung (14) oder die den zylindrischen Fortsatz (24) umgebende Ringfläche (6c) des Hilfskolben (6) als Eilgangkolbenfläche dienen.

6. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere weitere, mit dem Hauptkolben (4) verbundene Hilfskolben (6') vorgesehen sind, die die Eilgangkolbenfläche (6'fo) aufweisen.

Die Erfindung betrifft einen druckmittelbetriebenen Arbeitszylinder für Eilgang und Krafthub nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Arbeitszylinder finden Verwendung, um den Energiegehalt des unter Druck stehenden Mediums in mechanische Arbeit umzusetzen. In bestimmten Anwendungsfällen ist es wünschenswert, daß der in dem Arbeitszylinder vorgesehene Kolben zunächst im Eilgang eine gewisse Strecke zurücklegt, wobei der

ic Kraftbedarf an der Kolbenstange nur gering ist und daß er dann unter verhältnismäßig langsamer Verschiebung eine wesentlich größere Kraf übertragen kann. Ein solches Anwendungsgebiet betrifft beispielsweise Schnellspannvorrichtungen für Werkzeugmaschinen, bei denen die das Werkstück haltende Kraft erheblich größer sein muß als die zur Überwindung der Reibung erforderlich Kraft während des Vor- und Rücklaufs. Ein weiterer Anwendungsfall liegt auf dem Sektor des Antriebs von Präge-, Tiefzieh-, Fließ- und Schmiedepressen und dergleichen. Hier ist es erwünscht, daß das Werkzeug zunächst möglichst schnell an das zu verformende Material heranfährt, wonach dann für die eigentliche Arbeit ein Vielfaches an Verformungsenergie zur Verfügung steht.

In der DE-OS 2 211288 ist ein solcher druckmittelbetriebener Arbeitszylinder beschrieben. Im Arbeitszylinder ist ein Kolben großen Durchmessers angeordnet, der beiderseits mit Kolbenstangen verbunden ist, die aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Die eine Kolbenstange dient dazu, die Arbeitswirkung des Kolbens auf ein Werkzeug oder Werkstück auszuüben, während die andere Kolbenstange an ihrem freien Ende verdickt ausgeführt ist und dort einen

J5 weiteren Kolben bildet und zusätzlich mit einer Sackbohrung versehen ist, in die ein gehäusefester, zylindrischer Fortsatz hineinragt. Der durch die Sackbohrung gebildete Raum ist über ein Steuerventil mit Druckmittel beaufschlagbar bzw. entlastbar und dient

ίο dazu, den Eilvorlauf des Kolbens zu bewirken. Das durch den Kolben während seines Vor- bzw. Rücklaufs auf der einen Kolbenseite verdrängte Druckmittelvolumen wird über einen Bypasskanal auf die andere Kolbenseite zurückgeleitet, wobei dieser By-

passkanal über ein Überdruckventil mit dem Druckmittelvorratsbehälter verbunden ist und in diesem Bypasskanal zwei weitere, steuerbare Ventile angeordnet sind, welche zur Umsteuerung von Eilhub auf Krafthub bzw. für den Rückhub den Bypasskanal verschließen, und die Druckmittelzufuhr zum Arbeitskolbenzylinderraum jeweils auf einer Seite des Arbeitskolbens öffnen. Es ist zwar möglich, die Umschaltung von Eilgang auf Krafthub in jeder Stellung des Arbeitskolbens durchzuführen, jedoch muß der Druck im Arbeitszylinder nach dem Umschalten erst aufgebaut werden, ehe die volle Kraftentfaltung einsetzen kann, was mit Zeit- und Energieverlust verbunden ist, da der Arbeitszylinder für den Rücklauf wieder vollständig entlastet werden muß.

Dieser Nachteil ist besonders gravierend bei Betätigung des Arbeitszylinder mittels Druckluft. Weiterhin ist der Querschnitt des im Gehäuse angeordneten Bypasskanals ohne konstruktive Nachteile, wie z. B. eine Verkleinerung des Hubes, nicht beliebig groß

&5 ausführbar, so daß in diesem Bypasskanal aus diesem Grund und wegen der unvermeidlichen Umlenkungen eine nicht unerhebliche Drosselwirkung eintritt, wodurch die Geschwindigkeit des Eilhubs begrenzt