Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hydraulikzylinder gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruch 1 sowie gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruch 2.
Es werden Hydraulikzylinder gebraucht, welche grosse Kräfte bei kleinen Abmessungen und Gewicht erzeugen. Solche Zylinder finden in der Rammtechnik im Tiefbau sowie in der Stanztechnik und als Spannelemente in Werkzeugmaschinen und in der Robotik Anwendung.
Bekannte Lösungen, z.B. gemäss der EP-0 164 334, müssen ein innen abgestuftes Zylinderrohr aufweisen. Im weiteren sind die Ventile bei diesem bekannten hydraulischen Zylinder seitlich angeordnet. Diese Bauweise vergrössert den Zylinder beträchtlich und verursacht auch entsprechende Herstellungskosten. Eine Betätigung eines solchen Zylinders im Falle, wo ein fester Anschlag fehlt, führt zu dessen Beschädigung, da der Führungsflansch der Kolbenstange abgerissen wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hydraulikzylinder mit Druckübersetzung derart auszubilden, dass die obgenannten Nachteile vermieden werden, wobei eine sehr kompakte Bauweise für den Hydraulikzylinder mit Druckübersetzung ermöglicht werden soll.
Dies wird erfindungsgemäss erzielt durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hydraulikzylinder mit Druckübersetzung derart auszubilden, dass ein Zylinder ohne Abstufungen verwendet werden kann, was zu einer beträchtlichen Verbilligung führt. Dies wird erfindungsgemäss erzielt durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 2.
Da die Kolbenstange des Primärkolbens den Sekundärkolben durchdringt, und im Falle der Bauweise mit Plunger dieselben wiederum den Primärkolben durchdringen, bedarf es eines Minimums an Länge.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist entweder am Umfang des Primärkolbens ein Absatz angebracht oder das Zylinderrohr weist eine Abstufung auf, oder es ist innerhalb des Zylinderrohres ein Ring angeordnet, was den Vorteil aufweist, dass Zuleitungsbohrungen nicht durch Dichtungen überfahren werden und dabei einer Zerstörung unterliegen.
Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patantansprüchen.
Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
Gemäss Fig. 1 ist ein Zylinder 1 einerseits mit einem Kolbenstangen-Führungsflansch 2 und andererseits mit einem Zylinderboden 3 verschlossen. Ein Primärkolben 4 ist mit zwei Bohrungen 5 und 6 versehen, in welche zwei Plunger 7 und 8 eindringen. Die Bohrungen 5 und 6 sind mit Dichtungen 9 und 10 versehen. Die Plunger 7 und 8 sind mit einem Sekundärkolben 11 in Ringform steif verbunden. Der Sekundärkolben 11 wird auf der Kolbenstange 12 des Primärkolbens 4 geführt und ist gegenüber dem Zylinder 1 und der Kolbenstange 12 mit Dichtungen 13 und 14 beweglich abgedichtet. Im Kolbenstangen-Führungsflansch 2 befindet sich ebenfalls eine Dichtung 15 zur Abdichtung der Kolbenstange 12 gegenüber dem Flansch. Der Primärkolben 4 ist an seinem von der Kolbenstange 12 entfernten Ende ebenfalls mit einer Dichtung 16 versehen. Der Primär- und der Sekundärkolben sind in der oberen Hälfte der Fig. 1 in einer ersten Stellung und in der untern Hälfte in einer zweiten Stellung dargestellt. Der Zylinderboden 3 beinhaltet zwei entsperrbare Rückschlagventile 17 und 18, wobei das Rückschlagventil 17 durch eine starke Feder 19 und das Rückschlagventil 18 durch eine schwache Feder 20 vorgespannt sind. Die Rückschlagventile 17 und 18 werden durch zwei als Kugeln ausgebildete Entsperrkolben 21 und 22 entsperrt. Eine Zuführleitung 23 für das Fluid mündet in die beiden schmäleren Bereiche 24 und 25 der Rückschlagventilkammern 26 und 27. Die Leitung 23 mündet an Stellen 28 und 29, welche sich zwischen den Rückschlagventilen 17 und 18 und den Entsperrkolben 21 und 22 befinden, in die schmalen Teile 24 und 25 der Kammern 26 und 27 ein. Eine weitere Zuführleitung für das Fluid mündet an Stellen 31 und 32 in die Bereiche 33 und 34 der Rückschlaglventilkammern, welche sich hinter den Entsperrkolben befinden, ein und verbindet die beiden Kammern. Eine weitere Leitung 35 verbindet die Rückschlagventilkammer 26 mit dem Raum 36 zwischen dem Sekundärkolben 11 und dem Kolbenstangen-Führungsflansch 2. Eine weitere Leitung 37 verbindet den Teil 34 der Rückschlagventilkammer 27 mit einer Einmündungsstelle 38 in das Zylinderrohr. Eine weitere Leitung 39 verbindet die Rückschlagventilkammer 27 mit dem Raum 40, welcher sich zwischen dem Zylinderboden 3 und dem Primärkolben 4 befindet. In den Rückschlagventilen 17 und 18 befinden sich Bohrungen 41 und 42, welche die Vorderseite mit der Hinterseite der Ventile verbinden. Am Primärkolben 4 oder am Sekundärkolben 11 oder an beiden zugleich befindet sich ein Absatz 43, so dass sich ein Spalt zwischen der Mantelfläche des Primärkolbens und/oder Sekundärkolbens und dem Zylinderrohr bildet.
Im folgenden soll die Funktionsweise des Hydraulikzylinders gemäss Fig. 1 näher erläutert werden. Beide Kolben 4 und 11 befinden sich in ihren Ausgangslagen, wie in der oberen Hälfte der Fig. 1 abgebildet. Sobald der hydraulische Druck in der Leitung 23 zu wachsen beginnt, öffnet das Rückschlagventil 18 mit der schwachen Feder 20, und somit kann die Druckflüssigkeit durch die Bohrung 42 und die Leitung 39 in die Kammer 40 fliessen. Der Primärkolben 4 bewegt sich solange, bis er auf einen harten Widerstand trifft. Der Durchfluss der Druckflüssigkeit wird für kurze Zeit unterbrochen, wobei sich das Rückschlagventil 18 mit der schwachen Feder 20 schliesst und durch den sich aufbauenden Druck das Rückschlagventil 17 mit der starken Feder 19 geöffnet wird. Die Druckflüssigkeit fliesst über die Leitung 35 in die Kammer 36, was zur Folge hat, dass sich der Sekundärkolben 11 zu bewegen beginnt, und die Plunger 7 und 8 in die Bohrungen 5 und 6 des Primärkolbens 4 eindringen. Das Verhältnis zwischen den druckbeaufschlagten Flächen des Sekundärkolbens 11 und der Plunger 7 und 8 ist so bemessen, dass eine hydraulische Uebersetzung entsteht. Infolge des Eindringens der Plunger 7 und 8 in die Bohrungen 5 und 6 erhöht sich der Druck der Druckflüssigkeit in der Kammer 40 gemäss der hydraulischen Uebersetzung. Der Primärkolben 4 bewegt sich mit erhöhter Kraft solange vorwärts, bis der Widerstand die gleiche Grösse erreicht wie die erzeugte Kraft. In diesem Falle erreicht sowohl der Primärkolben 4 als auch der Sekundärkolben 11 seine Endlage nicht. Der Druck gleicht sich in der Zuleitung aus, das Rückschlagventil 17 schliesst, und der Zufluss der Hydraulikflüssigkeit kann unterbrochen werden. Der erreichte Druck bleibt erhalten.
Um beide Kolben in die Ausgangslage zu bringen, wird der Druck in der Leitung 30 erhöht, wobei die Entsperrkolben 21 und 22 die beiden Rückschlagventile 17 und 18 entsperren. Dabei fliesst die Druckflüssigkeit über die Leitung 37 in die Kammer 45 und drängt den Primärkolben 4 und den Sekundärkolben 11 in ihre Ausgangslagen zurück. Die Druckflüssigkeit kann aus den Kammern 36 und 40 über die Leitungen 35, 39 und 23 drucklos entweichen.
Falls der Primärkolben 4 in seiner Vorwärtsbewegung auf keinen festen Widerstand stösst, kommt er zum Anschlag mit dem Sekundärkolben 11, wobei dieser dann keine Bewegung ausführen kann, und die Druckerhöhung nicht eingeleitet wird. Auf den Kolbenstangen-Führungsflansch 2 wirkt in diesem Falle nur die Primärkraft, und derselbe kann nicht abgerissen werden. Der Absatz 43 am Primärkolben 4 oder am Sekundärkolben 11 sorgt dafür, dass die Mündung 38 der Leitung 37 nicht durch eine Dichtung überdeckt wird, und dass durch den Absatz 43 ständig eine hydraulische Verbindung mit der Kammer 45 aufrechterhalten wird. Trifft der Primärkolben 4 während seiner Vorwärtsbewegung auf einen nachgiebigen Widerstand, erfolgt eine Einleitung des Uebersetzungsvorganges, die maximale Kraft wird jedoch nicht erreicht, da der Sekundärkolben 11 nach Ausführen seines Hubes mit den Plungern 7 und 8 mit dem Zylinderboden 3 in Anschlag kommt. Dabei werden auch die Mündung 38 der Leitung 37 nicht überfahren, und die Dichtungen nicht zerstört. Diese Lage ist im unteren Teil der Fig. 1 abgebildet.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 weist das Zylinderrohr 46 eine Abstufung 47 auf, wodurch ein fester Anschlag 48 für den Primärkolben gebildet wird.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 wird der Anschlag für den Primärkolben durch einen geteilten Ring 49 innerhalb des Zylinderrohres 50 gebildet, welcher Ring durch einen Federring 51 gespreizt wird. Die Lösungen gemäss den Fig. 2 und 3 sind weniger vorteilhaft als diejenige gemäss Fig. 1, da die übersetzte Kraft beim Ausführen des Hubes doch entsteht und dann mit beträchtlichem Aufwand aufgefangen werden muss. Auch bei den Ausführungsformen gemäss den Fig. 2 und 3 sind in der Zeichnung jeweils in der oberen und unteren Hälfte verschiedene Stellungen der Kolben dargestellt. Die Funktionsweise der Ausführungsbeispiele gemäss der Fig. 2 und 3 ist dieselbe wie bei derjenigen gemäss Fig. 1.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 besitzt der Primärkolben 52 keine axialen Bohrungen und der Sekundärkolben 53 weist keine Plunger auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Primärkolben dreistufig ausgebildet und weist eine axiale Leitung 54 auf, welche die Kammer 55 mit der Kammer 56 verbindet. Der Sekundärkolben 53 weist eine zweistufige Bohrung 57 auf, welche an beiden Enden mit Dichtungen 58, 59 versehen ist. Eine Abstufung 61 am Sekundärkolben sorgt dafür, dass zwischen der Leitungsmündung 62 und der Kammer 63 ständig eine hydraulische Verbindung besteht. Die Funktion ist die gleiche wie bei der Ausführungsform gemäss der Fig. 1, d.h. bei maximalem Ausfahren des Primärkolbens 53 kann eine hydraulische Uebersetzung gar nicht entstehen. Auch beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 sind in der Zeichnung in der oberen und unteren Hälfte verschiedene Stellungen der Kolben dargestellt.
Die Ausführungsbeispiele gemäss den Fig. 1 und 4 verunmöglichen eine Entstehung hoher interner Kräfte, welche im nachhinein aufgefangen werden müssen. Die Möglichkeit, handelsübliche stufenlose Zylinderrohre bei den Ausführungsbeispielen gemäss den Fig. 1, 3 und 4 zu verwenden, erlaubt, die Herstellungskosten beträchtlich zu senken. Durch das Anordnen der Rückschlagventile im Zylinderboden wird der Hochdruckbereich auf nur einen Raum begrenzt, und seine Grösse wird nur durch den Hub des Primärkolbens bestimmt. Im Niederdruckteil, im Bereich des Sekundärkolbens, kann das Zylinderrohr verjüngt werden, was vor allem bei der Anwendung als Klemmzylinder im Tiefbau erwünscht ist, da der Klemmkörper dann massiver ausgebildet sein kann. Das Ausführungsbeispiel gemäss der Fig. 4 eignet sich vorzüglich für Zylinder mit kleinen Durchmessern für die Robotik.