Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel

Abstract

 Es wird eine druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel (4) beschrieben, die eine freie Drehung der Gewindespindel zur störungsfreien Rückführung der bis zum Endanschlag ausgefahrenen Kolbenstange (3) ermöglicht, geringe axiale Gegenkräfte auf den Kolben (6) bei dessen Bewegungen aufweist und gleichzeitig einen höheren Wirkungsgrad erzielt.
Erfindungsgemäß ist das auf die selbsthemmende Gewindespindel (4) wirkende Drehmoment des rotierenden Druckstromverbrauchers (2) begrenzt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine druckmittelbetriebene Hubvorrichtung, insbesondere zum Einsatz in hydraulisch betriebenen Hebezeugen, bei denen eine mechanische Sperrung der Bewegung einer Kolbenstange erforderlich ist.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind mechanische Sperrsysteme bekannt, die mittels formschlüssiger Kopplung einer Kolbenstange mit einem selbsthemmenden Gewindespindeltrieb wirken.

[0003] Derartige Spindelhubelemente, die über eine zwischengeschaltete Getriebeeinheit und ein geeignetes Antriebsaggregat die selbsthemmende Gewindespindel in Rotation versetzen, wodurch eine geführte Laufmutter oder die gehobene Gewindespindel die axiale Bewegung der Last bewirken, sperren beim Abschalten oder Ausfall der Antrie<bsenergie.

[0004] Auf einem kinematisch ähnlichen Wirkprinzip basieren sogenannte Rollengewindetriebe, die als Planetenrolltrieb oder Rollgewindetrieb ausgeführt sind.

[0005] Die Unterschiede bestehen in der Ausführung der Rollen und deren Lagerung in der Laufmutter.

[0006] Bei Planetenrolltrieben weisen die als Sperrelemente wirkenden Rollen Gewinde und beim Rollgewindetrieb Umfangsrillen auf.

[0007] Sperrvorrichtungen, die auf dem Grundprinzip der selbsthemmenden Gewindespindel basieren, erfordern die Installation einer hohen Leistung zur Erzeugung des erforderlichen Arbeitsdrucks des Fluids, da der Wirkungsgrad der Hubvorrich-Hubvorrichtungen infolge der extremen Flankenreibung in der Sperrvorrichtung gering ist.

[0008] Aus der Druckschrift DE 20 2006 019 452 U1 ist eine druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel bekannt, die einen wesentlich höheren Wirkungsgrad besitzt.

[0009] Ein linearer Druckstromverbraucher ist danach mit einem rotierenden Druckstromverbraucher mit einer Abtriebswelle gekoppelt, wobei die Abtriebswelle mit der Gewindespindel des linearen form- und kraftschlüssig verbunden ist.

[0010] Mittels eines Stromstellventils und einer geeigneten Kanalführungen zu den beiden Druckstromverbrauchern wird eine Synchronität zwischen der Geschwindigkeit der axialen Bewegung der Kolbenstange des linearen Druckstromverbrauchers mit der Drehzahl der vom rotierenden Druckstromverbraucher angetriebenen selbsthemmenden Gewindespindel erzielt, wodurch diese nur mit geringster Reibung nachgeführt werden muss.

[0011] Ist die Kolbenstange dieser Hubvorrichtung bis zur Endlage ausgefahren, kann es zu Problemen beim Einfahren der Kolbenstange kommen, da durch das unbegrenzte Drehmoment des rotierenden Druckstromverbrauchers zusätzliche axiale Kräfte am Endanschlag vorliegen.

[0012] Die freie Rückdrehung der selbsthemmenden Gewindespindel wird hierdurch gehemmt.

[0013] Für die Rückdrehung ist dann ein erhöhter Druck des Fluids erforderlich, wodurch sich der Wirkungsgrad verringert.

[0014] Zudem ergeben sich beim Ablauf des Fluids aus dem jeweiligen Kolbenraum auf den Kolben wirkende axiale Gegenkräfte, da die Menge des abzuführenden Fluids über den Kanal mit dem darin angeordneten Stromstellventil begrenzt wird.

[0015] Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel zu entwickeln, die eine freie Drehung der Gewindespindel zur störungsfreien Rückführung der bis zum Endanschlag ausgefahrenen Kolbenstange ermöglicht, geringe axiale Gegenkräfte auf den Kolben bei dessen Bewegungen aufweist und gleichzeitig einen höheren Wirkungsgrad erzielt.

[0016] Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0017] Eine druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel besteht in bekannter Weise im Wesentlichen aus einem linearen Druckstromverbraucher in Form eines Arbeitszylinders, dessen partiell hohle Kolbenstange formschlüssig mit einem Gewindespindeltrieb mit Selbsthemmung als Sperreinrichtung zusammenwirkt und mit einem rotierenden Druckstromverbraucher mit einer Abtriebswelle gekoppelt ist.

[0018] Die Kolbenstange des linearen Druckstromverbrauchers ist über die selbsthemmende Gewindespindel, die mit der Abtriebswelle des rotierenden Druckstromverbrauchers verbunden ist, mit dem rotierenden Druckstromverbraucher gekoppelt.

[0019] Bei gleichzeitiger Zuführung von Druckenergie an beide Druckstromverbraucher erfolgt die axiale Bewegung einer Last an der Kolbenstange in der Hauptachse der Hubvorrichtung.

[0020] Die Kopplung der Abtriebswelle des rotierenden Druckstromverbrauchers mit der selbsthemmenden Gewindespindel des linearen Druckstromverbrauchers erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise mittels eines Formgehemmes.

[0021] Die selbsthemmende Gewindespindel ist an der dem rotierenden Druckstromverbraucher zugewandten Seite mit einer verzahnungsartigen Profilierung als Rastelement versehen, die mit Federn vorgespannten Hemmteilen zusammenwirken.

[0022] Die Hemmteile sind mit den Federn und Mitteln zum Einstellen der Vorspannung in einem, mit der Abtriebswelle des rotierenden Druckstromverbrauchers kraft- und formschlüssig verbundenen, Grundkörper angeordnet.

[0023] Das Formgehemme gewährleistet, dass das auf die selbsthemmende Gewindespindel wirkende Drehmoment des rotierenden Druckstromverbrauchers auf die Größe begrenzt wird, die für die Drehung der selbsthemmende Gewindespindel zum Nachführen beim Ausfahren der Kolbenstange erforderlich ist.

[0024] Die sonst in der Endlage der Kolbenstange auftretenden axialen Kräfte bei unbegrenztem Drehmoment des rotierenden Druckstromverbrauchers auf die Gewindeflanken werden dadurch vermieden.

[0025] Zur Minimierung von auf den Kolben wirkenden axialen Gegenkräften auf Grund von Staudrücken, die insbesondere beim Einfahren der Kolbenstange im Kolbenraum auftreten, weist der Kolben parallel zur Achse angeordnete Ausgleichsbohrungenauf, die oberhalb eines Innengewindes des Kolbens angeordnet und mit dem Gewindestangenfreiraum in Verbindung stehen.

[0026] Des Weiteren erfolgt, im Gegensatz zur Zuführung des Fluids beim Ausfahren über einen Kanal mit einem Stromstellventil, zur Herstellung der Synchronität zwischen der Geschwindigkeit der axialen Bewegung der Kolbenstange des linearen Druckstromverbrauchers mit der Drehzahl des rotierenden Druckstromverbrauchers zum Nachführen der selbsthemmenden Gewindespindel, die freie Abführung des Fluids aus dem Kolbenraum über einen Parallelkanal mit einem Rückschlagventil zum ersten Anschluss der Hubvorrichtung.

[0027] Der Parallelkanal steht mit einem Mittelkanal und über Zulaufbohrungen, die jeweils vor dem Stromstell- und Rückschlagventil angeordnet sind und gleichzeitig der Zu- und Abführung des Fluids des rotierenden Druckstromstromverbrauchers dienen, mit einem Anschluss der Hubvorrichtung in Verbindung.

[0028] Der Kolbenraum ist über Radialbohrungen in der selbsthemmenden Spindel mit dem Mittelkanal in dieser verbunden.

[0029] Der optimale Abgleich bei der Teilung des druckführenden Fluidstroms zum rotierenden Druckstromverbraucher und dem linearen Druckstromverbraucher zur Herstellung der Synchronität deren Bewegungen liegt vor, wenn folgende mathematische Beziehung erfüllt wird:


Es bedeuten hierin:

Q_AZ

= Fluidstrommenge zum linearen Druckstromverbraucher

Q_R

= Fluidstrommenge zum rotierenden Druckstromverbraucher

A_AZ

= Kolbenfläche des linearen Druckstromverbrauchers

V_R

= Schluckvolumen des rotierenden Druckstromverbrauchers

η_V

= volumetrischer Wirkungsgrad

p

= Steigung der Gewindespindel

V_Hub

= Hubgeschwindigkeit

[0030] Die Synchronität der Geschwindigkeit der axialen Bewegung der Kolbenstange des linearen Druckstromverbrauchers mit der Drehzahl des rotierenden Druckstromverbrauchers wird auch beim Einfahren der Kolbenstange mittels eines von Außen einstellbaren Stromstellventils im druckführenden Kanal zum Kolbenstangenraum erzielt.

[0031] Der Rücklaufkanal vom Kolbenstangenraum ist mit einem Rückschlagventil gesperrt.

[0032] Diese beiden Kanäle sind mit einem zweiten Anschluss verbunden.

[0033] Neben diesen beiden Kanälen für die Versorgung des linearen Druckstromverbrauchers sind zwei weitere, mit dem rotierenden Druckstromverbraucher verbundene Kanäle zum Zu- bzw. Abstrom des Fluids vorhanden, die ebenfalls mit dem zweiten Anschluss verbunden sind.

[0034] Die beiden Anschlüsse der Hubvorrichtung dienen wie üblich in Abhängigkeit von der gewünschten Bewegungsrichtung der Kolbenstange jeweils zur Zu- bzw. Abführung des Fluids.

[0035] In der Hubvorrichtung auftretende axiale Kräfte werden wie üblich, über die selbsthemmende Gewindespindel mit Wellensicherungsringen direkt auf die im linearen Druckstromverbraucher angeordneten Lager übertragen.

[0036] Zur Vermeidung von Kräften, die auftreten, wenn das unter Druck stehende Fluid in den Freiraum des Formgehemmes eindringen könnte, wird der über den Mittelkanal ansonsten freie Zustrom durch eine abgedichtete Hülse gesperrt.

[0037] Der Freiraum des Formgehemmes und des Lagers der Gewindespindel sind gegen das Eindringen von Fluid zusätzlich mittels Dichtungen geschützt.

[0038] Die Kolbenstange ist dichtungssicher mittels einer lösbaren Verbindung kraft- und formschlüssig mit dem Kolben und dieser über dessen Innengewinde formschlüssig mit der selbsthemmenden Gewindespindel verbunden.

[0039] Auf Grund der Kopplung der selbsthemmenden Gewindespindel mittels des Formgehemmes mit einer Abtriebswelle am Rotor des rotierenden Druckstromverbrauchers, ist dessen Rotor vorteilhaft schwimmend gelagert, wodurch sich ein weiterer positiver Effekte zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads der Hubvorrichtung ergibt.

[0040] Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel an Hand von

Fig. 1

als Halbschnittdarstellung der Hubvorrichtung und

Fig. 2

als Schnittdarstellung im Bereich der Lagerung der selbsthemmenden Gewindespindel und des rotierenden Druckstromverbrauchers mit den zur Rückführung des Fluids erforderlichen Kanälen

näher erläutert.

[0041] Eine druckmittelbetriebene Hubvorrichtung besteht nach Fig. 1 in bekannter Weise aus einem linearen Druckstromverbraucher 1 und einem mit diesem gekoppelten rotierenden Druckstromverbraucher 2.

[0042] Der lineare Druckstromverbraucher 1 weist eine übliche, partiell hohle Kolbenstange 3 auf, in der eine selbsthemmende Gewindespindel 4 angeordnet ist, die mit einem Innengewinde 5 in einem Kolben 6 zusammenwirkt.

[0043] Die selbsthemmende Gewindespindel 4 ist mittels eines Formgehemmes 7, das an einer Abtriebwelle 8 des rotierenden Druckstromverbrauchers 2 angeflanscht ist, gekoppelt.

[0044] Die Zu- und Abführung des Fluids zum Betreiben der Hubvorrichtung erfolgt wie üblich über einen ersten Anschluss 9 und einen in Fig. 2 dargestellten zweiten Anschluss 10.

[0045] Zum Ausfahren der Kolbenstange 3 wird über den ersten Anschluss 9 ein unter Druck stehendes Fluid zugeführt, dieses strömt über Kanäle 11 (11.1; 11.2; 11.3; 11.4), einen Mittelkanal 12 und radiale Bohrungen 13 in Gewindespindel 4 in einen Kolbenraum 14.

[0046] Zeitgleich wird der rotierende Druckstromverbraucher 2 über die Kanäle 11 mit dem Druck des Fluids beaufschlagt und in Rotation versetzt. Das mittels vorgespannter Federn 15 eingestellte Drehmoment wird über die Abtriebswelle 8 mit dem angeflanschten Formgehemme 7 auf die Gewindespindel 4 übertragen.

[0047] Das zugeführte, unter Druck stehende Fluid bewirkt über den Kolben 6 die axiale Ausfahrbewegung der Kolbenstange 3 mit gleichzeitiger rotatorischer Nachführung der Wirkverbindung zwischen dem Innengewinde 5 und der Gewindespindel 4 durch den rotierenden Druckstromverbraucher 2.

[0048] Die erforderliche Synchronität zwischen der Ausfahrgeschwindigkeit der Kolbenstange 3 und der Drehzahl der Gewindespindel 4 wird mittels eines Stromstellventils 16 erzielt, dessen Einstellung die Menge des zum linearen Druckstromverbraucher 1 strömenden Fluids bestimmt. Der über den Mittelkanal 12 zum Kolbenraum 14 strömende Fluidstrom wird im Bereich des Formgehemmes 7 durch eine Hülse 18 geführt, um den Zustrom des Fluids in einen Freiraum 17 des Formgehemmes 7 zu verhindern.

[0049] Beim Ausfahren der Kolbenstange 3 wird gleichzeitig das sich in einem Kolbenstagenraum 18 befindliche und das vom rotierenden Druckstromverbraucher 2 abfließende Fluid zum zweiten Anschluss 10 zurückgeführt und strömt dort ab.

[0050] Die Rückführung des Fluids aus dem Kolbenstagenraum 18 erfolgt über eine Verbindungsbohrung 19 und einen Zwischenraum 20, der zwischen einem Außenrohr 21 und einem Innenrohr 22 des linearen Druckstromverbraucher 1 ausgebildet ist, weiter über einen in Fig. 2 dargestellten Umlaufkanal 23, ein Stromstellventilrohr 24 sowie ein Rückschlagventilrohr 25 mit darin angeordnetem Rückschlagventil 26, über das überwiegend das Fluid zum zweiten Anschluss 10 abgeführt wird.

[0051] Die auch über das Stromstellventilrohr 24 abfließende Menge des Fluids ist gering, da dieser mit einem, in diesem angeordneten, weiteren Stromstellventil 27 ein erheblicher Strömungswiederstand entgegengesetzt wird.

[0052] Das weitere Stromstellventil 27 dient zur Einstellung der Menge des Zuflusses des unter Druck stehenden Fluids zum Kolbenstangenraum 18 beim Einfahren der Kolbenstange 3.

[0053] Die Rückführung des Fluids vom rotierenden Druckstromverbraucher 2 zum zweiten Anschluss 10 erfolgt über Bohrungen 28.

[0054] Die im Kolbenraum 14 und einem Gewindespindelfreiraum 29 üblicherweise vorhandenen unterschiedlichen Drücke und durch Strömungsquerschnitte verursachten Staudrücke des Fluids werden mittels Ausgleichsbohrungen 30, die am Umfang des Innengewindes 5 im Kolben 6 gleichmäßig verteilt angeordnet sind, verhindert.

[0055] Das beim Einfahren der Kolbenstange 3 aus dem Gewindespindelfreiraum 29 und dem Kolbenraum 14 verdrängte Fluid wird über den Mittelkanal 12 und die radialen Bohrungen 13 zu einem Parallelkanal 31 geführt und strömt durch ein weiteres Rückschlagventil 32 und eine Distanzhülse 33 sowie Kanal 11.1 zum ersten Anschluss 9.

[0056] Zeitgleich erfolgt die Rückführung des Fluids des rotierenden Druckstromverbrauchers 2.

[0057] Die beim Ein- und Ausfahren der Kolbenstange 3 auftretenden axialen Kräfte werden über den Kolben 6 auf das Innengewinde 5 und über die Gewindespindel 4 auf ein im Gehäuse des linearen Druckstromverbrauchers 1 angeordnetes Kegelrollenlager 34 übertragen, wobei Dichtungen 35 das Einströmen des Fluids in das Lagergehäuse verhindern.

[0058] Zur Vermeidung von Kräften, die auftreten würden, wenn das unter Druck stehende Fluid in den Freiraum 17 des Formgehemmes 7 eindringen könnte, wird der über den Mittelkanal 12 ansonsten freie Zustrom zum Formgehemme 7 durch eine abgedichtete Hülse 36 gesperrt.

Verwendete Bezugszeichen

[0059] 

1

linearerer Druckstromverbraucher

2

rotierender Druckstromverbraucher

3

Kolbenstange

4

Gewindespindel

5

Innengewinde

6

Kolben

7

Formgehemme

8

Abtriebswelle

9

erster Anschluss

10

zweiter Anschluss

11

Kanäle (11.1; 11.2; 11.3; 11.4)

12

Mittelkanal

13

radiale Bohrungen

14

Kolbenraum

15

Federn

16

Stromstellventil

17

Freiraum

18

Kolbenstangenraum

19

Verbindungsbohrung

20

Zwischenraum

21

Außenrohr

22

Innenrohr

23

Umlaufkanal

24

Stromstellventilrohr

25

Rückschlagventilrohr

26

Rückschlagventil

27

weiteres Stromstellventil

28

Bohrungen

29

Gewindespindelfreiraum

30

Ausgleichsbohrungen

31

Parallelkanal

32

weiteres Rückschlagventil

33

Distanzhülse

34

Kegelrollenlager

35

Dichtungen

36

Hülse

Ansprüche

1. Druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel, im Wesentlichen bestehend aus einem linearen Druckstromverbraucher in Form eines Arbeitszylinders, dessen partiell hohle Kolbenstange mit einem Kolben formschlüssig mit einem Gewindespindeltrieb, der aus einem Innengewinde im Kolben und einer selbsthemmenden Gewindespindel besteht, als Sperreinrichtung zusammenwirkt und einem rotierenden Druckstromverbraucher, wobei die selbsthemmende Gewindespindel mit einer Abtriebswelle des rotierenden Druckstromverbrauchers gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet,
dass das auf die selbsthemmende Gewindespindel (4) wirkende Drehmoment des rotierenden Druckstromverbrauchers (2) begrenzt ist.

2. Druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (8) des rotierenden Druckstromverbrauchers (2) mit der selbsthemmenden Gewindespindel (4) des linearen Druckstromverbrauchers (1) mittels des Formgehemmes (7) gekoppelt ist.

3. Druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
dass am Umfang des Innengewindes (5) im Kolben (6) parallel zur Achse Ausgleichsbohrungen (30) angeordnet sind.

4. Druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass zur Abführung des Fluids aus einem Kolbenraum (14) ein Parallelkanal (31) mit einem weiteren Rückschlagventil (32) in der Hubvorrichtung angeordnet ist, der mit einem Mittelkanal (12) und über radiale Bohrungen (13), mit einem ersten Anschluss (9) in Verbindung steht.

5. Druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der Mittelkanal (12) mindestens im Bereich des Formgehemmes (7) in Form einer abgedichteten Hülse (36) ausgeführt ist.

6. Druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Rotor mit der Abtriebswelle (8) des rotierenden Druckstromverbrauchers (2) schwimmend gelagert ist.

Zeichnung