[0001] Die Erfindung betrifft ein Fluidgerät, insbesondere einen fluidbetätigten Antrieb,
mit einem Gehäuse, das einen linear verschiebbaren Arbeitskolben enthält, der zusammen
mit mindestens einer axial gegenüberliegenden gehäuseseitigen Abschlusswand eine Arbeitskammer
begrenzt, in die ein die Abschlusswand durchsetzender Abströmkanal mit einer dem Arbeitskolben
axial zugewandten Abströmöffnung einmündet, wobei der Arbeitskolben bei sich an die
Abschlusswand annähernder Hubbewegung vor Erreichen seiner Hubendlage die Abströmöffnung
abdeckt und bei seiner Weiterbewegung in einer darauffolgenden Dämpfungsphase auf
Grund des sich in der Arbeitskammer aufbauenden Gegendruckes abgebremst wird.
[0002] Ein als fluidbetätigter Antrieb ausgebildetes Fluidgerät dieser Art ist aus der
DE 39 20 293 C2 bekannt. Das Fluidgerät ist mit Mitteln ausgestattet, die eine Endlagendämpfung des
Kolbens bewirken. Bei einer Verlagerung des Kolbens in Richtung einer Abschlusswand
wird Fluid aus der sich im Volumen verringernden Arbeitskammer durch einen gehäusefesten
Abströmkanal hindurch ausgeschoben. Vor dem Erreichen der Hubendlage deckt der Kolben
die zugeordnete Abströmöffnung ab, sodass das verdrängte Druckmedium nurmehr gedrosselt
über einen Bypasskanal abströmen kann. Auf Grund der reduzierten Strömungsrate baut
sich in der Arbeitskammer ein Gegendruck auf, der eine Verlangsamung der Kolbenbewegung
hervorruft, sodass der Kolben mit stark reduzierter Bewegungsenergie in der Hubendlage
angelangt.
[0004] In den vorgenannten Fällen wird die Abströmöffnung während der Dämpfungsphase durch
ein am Arbeitskolben federelastisch aufgehängtes Abdeckelement verschlossen. Die federelastische
Aufhängung ermöglicht dem Arbeitskolben eine Relativbewegung bezüglich des von ihm
getragenen Abdeckelementes, wenn dieses durch Anlage an der Abschlusswand an seiner
Weiterbewegung gehindert ist. Nachteilig bei dieser Bauweise ist der komplexe Aufbau
des Arbeitskolbens und die bedingt durch die Abdeckmittel im Vergleich zu einem konventionellen
Kolben erhöhte zu bewegende Masse. Außerdem können bei der Kolbenbewegung, insbesondere
bei hohen Beschleunigungen Schwingungen in dem bewegten System hervorgerufen werden,
die die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen und insbesondere einen nicht reproduzierbaren
Beginn der Dämpfungsphase hervorrufen können.
[0005] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fluidgerät der eingangs genannten
Art zu schaffen, das bei einfachem Aufbau eine zuverlässige Dämpfungsfunktion gewährleistet.
[0006] Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass sich die Abströmöffnung an der Stirnseite
eines von dem Abströmkanal durchsetzten Stößel befindet, der dem Arbeitskolben in
der Arbeitskammer ausgehend von der Abschlusswand entgegenragt und der in der Dämpfungsphase
entgegen einer ihn in Richtung des Arbeitskolbens beaufschlagenden Rückstellkraft
relativ zur Abschlusswand zurückgeschoben wird.
[0007] Da somit am Arbeitskolben auf ein federelastisch aufgehängtes Abdeckelement verzichtet
werden kann, vereinfacht sich der Kolbenaufbau beträchtlich. Das sich während der
Dämpfungsphase bewegende Element ist nun ein am Gehäuse gelagerter Stößel, der außerhalb
der Dämpfungsphase nicht mit dem Kolben mitbewegt wird, sodass die Schwingungsneigung
erheblich reduziert und die Präzision des Dämpfungsvorganges erhöht ist. Der Beginn
der Dämpfungsphase ist dadurch charakterisiert, dass der ankommende Arbeitskolben
die Abströmöffnung verschließt, sodass sich in der Arbeitskammer ein die Kolbengeschwindigkeit
reduzierender Gegendruck aufbauen kann. Entsprechend dem jeweils im Detail gewählten
Dämpfungsprinzip wird der Stößel allein durch die Schubkraft des Arbeitskolbens oder
unterstützt durch den sich in der Arbeitskammer aufbauenden Gegendruck zurückgeschoben,
bis der Arbeitskolben seine gewünschte Hubendlage erreicht hat.
[0008] Bei dem Fluidgerät handelt es sich insbesondere um einen fluidbetätigten Antrieb,
beispielsweise einen Pneumatikzylinder. Eine Realisierung als Stoßdämpfer wäre allerdings
ebenfalls möglich. Zwar beschreibt die
EP 0 318 671 B1 bereits einen pneumatischen Stoßdämpfer, bei dem der sich bewegende Arbeitskolben
mit einem gehäuseseitig gelagerten Stößel kooperiert. Dieser Stößel fungiert allerdings
nur als Ventilglied zur Entlüftung der Arbeitskammer und enthält auch keinen Abströmkanal.
[0009] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
[0010] Die auf den Stößel einwirkende Rückstellkraft wird zweckmäßigerweise von einer Federeinrichtung
geliefert, die den Stößel außerhalb der Dämpfungsphase in eine durch das Zusammenwirken
mit gehäusefesten Anschlagmitteln definierte Grundstellung vorspannt. Auf diese Weise
ist der Beginn der Dämpfungsphase durch den Kontakt zwischen Stößel und gehäuseseitigen
Anschlagmitteln fest vorgegeben, was eine reproduzierbare Betriebsweise begünstigt.
Die Federeinrichtung könnte beispielsweise eine Druckluftfeder sein. Besonders empfehlenswert
ist allerdings eine vorgespannte mechanische Federeinrichtung, beispielsweise in Gestalt
mindestens einer Druckfeder. Durch deren Vorspannung wird erreicht, dass sich eine
etwaige Relaxation nur auf die Federkraft auswirkt, nicht jedoch auf die Grundstellung
des Stößels, sodass anders als bei den nicht vorgespannten Federeinrichtungen des
Standes der Technik ein stets konstanter Beginn der Dämpfungsphase vorgegeben werden
kann.
[0011] Bei einer möglichen Bauform ist ein den stößelseitigen Abströmkanalabschnitt umgehender,
mit einer Drosselstelle ausgestatteter Bypasskanal vorhanden, durch den das aus der
Arbeitskammer verdrängte Druckmedium während der Dämpfungsphase verlangsamt abströmt.
In einem solchen Fall bleibt die Abströmöffnung von Beginn der Dämpfungsphase an durch
den stirnseitig am Stößel anliegenden Kolben verschlossen. Handelt es sich um eine
Drosselstelle mit einstellbarer Drosselungsintensität, beispielsweise gebildet durch
eine verstellbare Drosselschraube, kann die gewünschte Dämpfungscharakteristik anwendungsspezifisch
variabel vorgegeben werden.
[0012] Der Bypasskanal kann ein vom Stößel unabhängiger gesonderter Kanal sein, der in der
Abschlusswand des Gehäuses verläuft. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, als
Bypasskanal einen spaltartigen Zwischenraum zwischen dem Außenumfang des Stößels und
einer von diesem durchsetzten Trennwand vorzusehen. Letzteres ermöglicht sehr einfach
eine wegabhängige Variation der Dämpfungsintensität, indem man die Außenkontur des
Stößels so gestaltet, dass der Querschnitt des spaltartigen Zwischenraumes in Abhängigkeit
von der Axialposition des Stößels variiert. Es kann insbesondere ein sich beim Zurückschieben
des Stößels allmählich verringernder Querschnitt vorgesehen sein, mit den Bedürfnissen
entsprechend beispielsweise linearer oder progressiver Kennlinie.
[0013] Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Dämpfungsmaßnahmen befindet sich
an dem beweglichen Stößel mindestens eine während der Dämpfungsphase von dem in der
Arbeitskammer herrschenden Fluiddruck entgegengesetzt zur Wirkungsrichtung der Rückstellkraft
beaufschlagte Fluidbeaufschlagungsfläche. Diese Konfiguration kann insbesondere zum
Erhalt einer druckgeregelten Dämpfung eingesetzt werden. Dabei wirkt auf den Stößel
eine der Rückstellkraft entgegengesetzte Stellkraft, die auf Grund des zunehmend größer
werdenden Gegendruckes in der Arbeitskammer zunehmend ansteigt, bis sie letztlich
so groß ist, dass der Stößel von dem sich weiter in Richtung der Hubendlage bewegenden
Arbeitskolben vorübergehend abhebt und eine kurzzeitige Druckentlastung durch den
Abströmkanal hindurch stattfinden kann. Durch eine entsprechende Abstimmung der Größe
der Fluidbeaufschlagungsfläche und der Höhe der Rückstellkraft kann der während der
Dämpfungsphase in der Arbeitskammer herrschende Gegendruck auf ein vorbestimmtes Niveau
eingeregelt werden. Bei einer solchen Bauform bietet der Abströmkanal zweckmäßigerweise
die einzige Abströmmöglichkeit für das in der Arbeitskammer eingeschlossene Druckmedium.
Auf einen zusätzlichen Bypasskanal mit Drosselstelle wird zweckmäßigerweise verzichtet.
[0014] Der Stößel verfügt zweckmäßigerweise über einen im Querschnitt vergrößerten Stößelkolben
zur Definition der Fluidbeaufschlagungsfläche. Dabei kann der Stößelkolben ganz oder
teilweise von einer ringförmigen Dichtung gebildet sein. Diese kann gleichzeitig als
Rückschlagventilglied fungieren, um den Strömungsquerschnitt zu vergrößern, wenn durch
eine entgegengesetzte Fluidströmung eine Umkehrung der Kolbenbewegung hervorgerufen
werden soll.
[0015] Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
In dieser zeigen:
- Figur 1
- ein als fluidbetätigter Antrieb ausgebildetes Fluidgerät der erfindungsgemäßen Art
in einer bevorzugten Bauform in einer Vorderansicht mit Blickrichtung gemäß Pfeil
I aus Figur 2,
- Figur 2
- das Fluidgerät aus Figur 1 im Längsschnitt gemäß Schnittlinie gemäß II-II,
- Figur 3
- den in Figur 2 umrahmten Ausschnitt III in einer vergrößerten Darstellung, wobei strichpunktiert
die Kolbenstellung zu Beginn der Dämpfungsphase angedeutet ist,
- Figur 4
- einen vergrößerten Ausschnitt des Fluidgerätes im Bereich des Stößels im Querschnitt
gemäß Schnittlinie IV-IV aus Figur 3,
- Figur 5
- den in Figur 3 gezeigten Geräteausschnitt bei in der Hubendlage angelangtem Arbeitskolben,
und
- Figur 6
- einen der Darstellung der Figur 3 entsprechenden Ausschnitt eines mit modifizierten
Dämpfungsmaßnahmen ausgestatteten Fluidgerätes.
[0016] Bei den beispielhaft beschriebenen Fluidgeräten handelt es sich um fluidbetätige
Antriebe in Gestalt von Linearantrieben. Das erfinderische Konzept wäre allerdings
auch bei Drehantrieben einsetzbar. Bevorzugt handelt es sich um Pneumatikantriebe,
wenngleich auch ein Betrieb mit hydraulischen Medien möglich wäre.
[0017] Das Fluidgerät besitzt ein Gehäuse 1, das einen länglichen Innenraum 2 begrenzt,
in dem ein Arbeitskolben 3 linear verschiebbar angeordnet ist. Der Arbeitskolben 3
ist mit einer ringförmigen Dichtungsanordnung 4 ausgestattet, die unter Abdichtung
gleitverschieblich an der peripheren Umfangsfläche des Innenraumes 2 anliegt, sodass
letzterer unter Abdichtung in eine erste und zweite Arbeitskammer 5, 6 unterteilt
ist.
[0018] Die periphere Begrenzung des Innenraumes 2 übernimmt ein Rohrabschnitt 7 des Gehäuses
1. An dessen beiden Stirnseiten ist jeweils eine erste bzw. zweite Abschlusswand 8,
9 angeordnet, die die jeweils zugeordnete erste bzw. zweite Arbeitskammer 5, 6 auf
der dem Arbeitskolben 3 entgegengesetzten Axialseite abschließt.
[0019] Jede Arbeitskammer 5, 6 kommuniziert mit einem die Wandung des Gehäuses 1 durchsetzenden
ersten bzw. zweiten Steuerkanal 12, 13, der andernends zur Außenfläche des Gehäuses
1 ausmündet und über den fluidisches Druckmedium nach Wahl eingespeist oder abgeführt
werden kann, um den Arbeitskolben 3 in der einen oder anderen Richtung zu verlagern.
Die Bewegung des Arbeitskolbens 3 lässt sich außerhalb des Gehäuses 1 an einem mit
dem Arbeitskolben 3 bewegungsgekoppelten Abtriebsteil 14 abgreifen, das beim Ausführungsbeispiel
eine an dem Arbeitskolben 3 befestigte Kolbenstange ist, die die erste Abschlusswand
8 unter Abdichtung und gleitverschieblich geführt durchsetzt.
[0020] Der Arbeitskolben 3 lässt sich zwischen zwei Hubendlagen bewegen, in denen er an
der ihm zugewandten axialen Innenfläche der jeweils zugeordneten Abschlusswand 8,
9 anliegt. Die erste Hubendlage, bei der der Arbeitskolben 3 an der zweiten Abschlusswand
9 anliegt, geht aus Figur 2 hervor. Die entgegengesetzte zweite Hubendlage ist in
Figur 5 illustriert.
[0021] Der Antrieb ist mit Dämpfungsmitteln 16 ausgestattet, die eine Endlagendämpfung hervorrufen,
wenn der Arbeitskolben 3 in die zweite Hubendlage fährt. Diese Dämpfungsmittel 16
sind der ersten Abschlusswand 8 zugeordnet und mit dem ersten Steuerkanal 12 kombiniert.
Für die entgegengesetzte Hubbewegung des Arbeitskolbens 3 ist beim Ausführungsbeispiel
keine fluidische Endlagendämpfung vorgesehen und enthält die zweite Abschlusswand
9 demzufolge keine vergleichbaren Dämpfungsmittel. Allerdings wäre eine entsprechende
Ausstattung ohne weiteres möglich, wobei die Ausgestaltung dann derjenigen der Dämpfungsmittel
16 entsprechen würde, sodass auf eine gesonderte Beschreibung an dieser Stelle verzichtet
werden kann.
[0022] Wie schon erwähnt, vereinigen die beiden Steuerkanäle 12, 13 in sich jeweils die
Funktion eines die Einspeisung von Druckmedium in die zugeordnete Arbeitskammer 5,
6 ermöglichenden Zuströmkanals 12a bzw. 13a und eines das Abströmen des vom sich bewegenden
Arbeitskolben 3 verdrängten Druckmediums ermöglichenden Abströmkanals 12b, 13b. Da
für die Endlagendämpfung die Funktionalität als Abströmkanal besonders wichtig ist,
erfolgt die Beschreibung der Dämpfungsmittel 16 zunächst vor allem aus der Sicht der
Funktionalität eines Abströmkanals 12b.
[0023] Die der ersten Arbeitskammer 5 zugewandte erste Abschlusswand 8 enthält in Verlängerung
der ersten Arbeitskammer 5 und seitlich versetzt zu der Kolbenstange 14 eine sich
axial erstreckende Aufnahmekammer 17. In ihr befindet sich der rückseitige Endabschnitt
eines Stößels 18, der axial in die erste Arbeitskammer 5 vorsteht und dabei dem Arbeitskolben
3 entgegenragt. Der Stößel 18 ist relativ zu der ersten Abschlusswand 8 in einer zur
Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens 3 parallelen Bewegungsrichtung linear hin und
her verstellbar. Die Kolbenbewegung 22 und die Stößelbewegung 23 ist jeweils durch
einen Doppelpfeil verdeutlicht.
[0024] Die Aufnahmekammer 17 ist von der benachbarten ersten Arbeitskammer 5 durch eine
als einstückiger Bestandteil der ersten Abschlusswand 8 ausgebildete Trennwand 24
abgeteilt, die eine Durchbrechung 25 aufweist, die von dem Stößel 8 gleitverschieblich
durchsetzt ist. Die Durchbrechung 25 erstreckt sich entlang wenigstens eines Teilumfanges
des Stößels 18 und kann auf diese Weise eine Verschiebeführung bewirken.
[0025] Der Abströmkanal 12b besitzt einen den Stößel 18 bevorzugt koaxial über seine gesamte
Länge durchsetzenden stößelseitigen Abströmkanalabschnitt 26. Dieser mündet an der
dem Arbeitskolben 3 zugewandten vorderen Stirnseite des Stößels 18 mit einer Abströmöffnung
27 in die erste Arbeitskammer 5 aus. Rückseitig kommuniziert der stößelseitige Abströmkanalabschnitt
26 mit einem Bereich der Aufnahmekammer 17, der mit einem weiterführenden gehäuseseitigen
Abströmkanalabschnitt 28 in ständiger Verbindung steht, der mit einer Drucksenke verbindbar
ist, beispielsweise mit der atmosphärischen Umgebung oder mit einem Tank. Beim Ausführungsbeispiel
mündet der gehäuseseitige Abströmkanalabschnitt 28 zur Außenfläche des Gehäuses 1
und ist im Betrieb des Fluidgerätes an eine Steuerventileinrichtung angeschlossen,
über die wahlweise eine Verbindung mit einer Druckquelle oder einer Drucksenke hergestellt
werden kann. Anschlussmittel 32 des gehäuseseitigen Abströmkanalabschnittes 28 ermöglichen
den direkten Anbau der Steuerventileinrichtung oder den Anschluss einer zu der Steuerventileinrichtung
führenden Fluidleitung.
[0026] Im Innern der Aufnahmekammer 17 befindet sich eine mechanische Federeinrichtung 33,
die den Stößel 18 in seiner Ausfahrrichtung 34, also in Richtung zum Arbeitskolben
3 beaufschlagt und die sich an einer gehäusefesten Abstützfläche 35 abstützt. Bei
der Federeinrichtung 33 handelt es sich insbesondere um eine Druckfeder, bevorzugt
eine zum Stößel 18 koaxiale Schraubendruckfeder.
[0027] Die Federeinrichtung 33 greift rückseitig am Stößel 18 an und ist in Verlängerung
zu diesem ausgerichtet.
[0028] Im nicht vom Arbeitskolben 3 beaufschlagten Zustand wird der Stößel 18 von der unter
Vorspannung stehenden Federeinrichtung 33 in eine weitest möglich in die erste Arbeitskammer
5 ausgefahrene Grundstellung vorgespannt. Diese ist aus Figuren 2, 3 und 6 ersichtlich.
Die Grundstellung ist durch in den Hubweg des Stößels 18 ragende gehäusefeste Anschlagmittel
36 definiert, an denen der Stößel 18 in der Grundstellung anliegt. Beim Ausführungsbeispiel
sind die Anschlagmittel 36 von der Trennwand 24 gebildet, an der der in Grundstellung
befindliche Stößel 18 mit einem Radialvorsprung 37 anliegt.
[0029] Die Federeinrichtung 33 übt auf den Stößel 18 ständig eine in der Ausfahrrichtung
34 orientierte Rückstellkraft F
R aus. Diese ist zweckmäßigerweise variabel einstellbar. Als Einstellmöglichkeit ist
beim Ausführungsbeispiel ein gleichzeitig als Rückwand für die Aufnahmekammer 17 dienendes
Einstellglied 38 vorgesehen, das verdrehbar und dadurch axial verstellbar in einen
Innengewindeabschnitt 42 der Aufnahmekammer 17 eingeschraubt ist und an dem sich die
Abstützfläche 35 befindet.
[0030] Um den Arbeitskolben 3 zu einer Hubbewegung 43 aus der ersten in die zweite Hubendlage
zu veranlassen, wird über den Zuströmkanal 13a Druckmedium in die zweite Arbeitskammer
6 eingespeist, während gleichzeitig die erste Arbeitskammer 5 über den entsprechend
geschalteten Abströmkanal 12b mit einer Drucksenke in Verbindung gesetzt wird. Dabei
wird von dem sich in Richtung der ersten Abschlusswand 8 bewegenden Arbeitskolben
3 das in der ersten Arbeitskammer 5 befindliche Druckmedium durch den Abströmkanal
12b hindurch ausgestoßen. Der Strömungsquerschnitt des Abströmkanals 12b ist so bemessen,
dass eine die gewünschte Maximalgeschwindigkeit des Arbeitskolbens 3 zulassende Strömungsrate
realisierbar ist.
[0031] Bei der genannten Hubbewegung 43 trifft der Arbeitskolben 3 vor dem Erreichen der
zweiten Hubendlage mit einer an ihm vorgesehenen Abdeckfläche 44 auf die die Abströmöffnung
27 umgrenzende Stirnfläche 45 des Stößels 18 auf und bewirkt ein Verschließen der
Abströmöffnung 27. Um eine zuverlässige Abdichtung zu erreichen, kann die Abdeckfläche
44 Bestandteil eines kolbenfesten gummielastischen Körpers 46 sein. Damit sich Verdrehsicherungsmaßnahmen
für den Arbeitskolben 3 erübrigen, ist die Abdeckfläche 44 zweckmäßigerweise als zur
Kolbenlängsachse konzentrische Ringfläche ausgeführt, mit einem Radius, der dem Abstand
der Abströmöffnung 27 von der Kolbenlängsachse entspricht.
[0032] Der Moment des Auftreffens des Arbeitskolbens 3 auf der Stirnseite des Stößels 18
markiert den Beginn einer Dämpfungsphase der Hubbewegung 43. Die zugehörige Kolbenposition
ist in Figur 3 strichpunktiert angedeutet.
[0033] Während der Dämpfungsphase wird der Stößel 18 auf Grund des sich weiter an die erste
Abschlusswand annähernden Arbeitskolbens 3 entgegen der Ausfahrrichtung 34 und unter
Komprimierung der Federeinrichtung 33 in die Aufnahmekammer 17 hinein zurückgeschoben.
Da der Arbeitskolben 3 hierbei ständig oder zumindest phasenweise die Abströmöffnung
27 geschlossen hält, kann sich in der zunehmend ihr Volumen verringernden ersten Arbeitskammer
5 ein Gegendruck aufbauen, der den Arbeitskolben 3 abbremst und dazu beiträgt, dass
der Arbeitskolben 3 letztlich relativ sanft in der zweiten Hubendlage angelangt.
[0034] Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 5 sind die Dämpfungsmittel 16 zum Erhalt
einer druckgeregelten Dämpfungsphase ausgelegt. In diesem Zusammenhang besitzt der
Stößel 18 im Bereich seiner Rückseite innerhalb der Aufnahmekammer 17 einen als Stößelkolben
47 bezeichneten Abschnitt mit im Vergleich zu dem die Durchbrechung 25 durchsetzenden
rohrförmigen Stößelabschnitt größerem Außendurchmesser. Der Stößelkolben 47 unterteilt
die Aufnahmekammer 17 in einen unabhängigen von der Stößelposition ständig mit dem
gehäuseseitigen Abströmkanalabschnitt 28 verbundenen und gleichzeitig die Federeinrichtung
33 enthaltenden äußeren Aufnahmekammerabschnitt 48 und einen diesem axial entgegengesetzten
inneren Aufnahmekammerabschnitt 49. Der innere Aufnahmekammerabschnitt 49 steht ständig
mit der benachbarten ersten Arbeitskammer 5 in Verbindung, was beim Ausführungsbeispiel
über eine die Trennwand 24 durchsetzende Durchbrechung 52 geschieht. Die Durchbrechung
52 kann wie beim Ausführungsbeispiel von einer radialen Erweiterung der vom Stößel
18 durchsetzten Durchbrechung 25 gebildet sein.
[0035] Die den axial inneren Aufnahmekammerabschnitt 49 begrenzende Stirnfläche des Stößelkolbens
47 bildet eine Fluidbeaufschlagungsfläche 53, die über die Durchbrechung 52 hindurch
ständig von dem in der ersten Arbeitskammer 5 herrschenden Fluiddruck beaufschlagt
ist. Diese Fluidbeaufschlagung wirkt sich während der Dämpfungsphase auf die momentane
Stößelposition aus, weil aus der Fluidbeaufschlagungsfläche 53 in Verbindung mit dem
auf sie entgegen der Ausfahrrichtung 34 einwirkenden Fluiddruck eine der Rückstellkraft
F
R entgegenwirkende fluidische Stellkraft Fs resultiert. Die Höhe der fluidischen Stellkraft
Fs hängt von der Höhe des momentan in der ersten Arbeitskammer 5 herrschenden, sich
auf Grund der Behinderung der Abströmung aufbauenden Gegendruckes ab und nimmt mit
zunehmender Annäherung des Arbeitskolbens 3 an die zweite Hubendlage zu. Übersteigt
die fluidische Stellkraft Fs die Rückstellkraft F
R, verlagert sich der Stößel 18, ohne direkt vom Arbeitskolben 3 geschoben zu werden,
relativ zu diesem entgegen der Ausfahrrichtung 34 und hebt folglich ein Stück weit
vom Arbeitskolben 3 ab. Dadurch wird die Abströmöffnung 27 freigegeben, was einen
umgehenden Druckabbau in der ersten Arbeitskammer 5 über den Abströmkanal 12b zur
Folge hat, sodass der Arbeitskolben 3 auf Grund der sich dadurch wieder verringernden
Stellkraft Fs die Abströmöffnung 27 erneut verschließt.
[0036] Ersichtlich kann somit durch aufeinander abgestimmte Auswahl der Größe der Fluidbeaufschlagungsfläche
53 und der Höhe der Rückstellkraft eingestellt werden, bei welchem Gegendruck der
Stößel 18 unter vorübergehender, kurzzeitiger Entlüftung der ersten Arbeitskammer
5 vom Arbeitskolben 3 abhebt. Die getroffene Einstellung hat dann zur Folge, dass
die Dämpfungsphase bei weitgehend gleichbleibendem Gegendruck abläuft und man somit
ein druckgeregeltes Dämpfungsverhalten realisieren kann.
[0037] Die Einstellung des einzuregelnden Gegendruckes kann beim Ausführungsbeispiel durch
Variation der Vorspannung der Federeinrichtung 33 verändert werden. Hierzu muss lediglich
das Einstellglied mehr oder weniger weit in die Aufnahmekammer 17 eingeschraubt werden.
[0038] Um den Arbeitskolben aus der zweiten in die erste Hubendlage zurückzubewegen, wird
Druckmedium von außen in den ersten Steuerkanal 12 eingespeist, sodass er nicht mehr
als Abströmkanal 12b sondern als Zuströmkanal 12a fungiert. Das Druckmedium strömt
hierbei über den gehäuseseitigen Abströmkanalabschnitt 28 in den äußeren Aufnahmekammerabschnitt
48 und von dort in den stößelseitigen Abströmkanalabschnitt 26, sodass es die Abdeckfläche
44 des Arbeitskolbens 3 mit einer Stellkraft beaufschlagt.
[0039] Um die wirksame Beaufschlagungsfläche des Arbeitskolbens 3 zu vergrößern, sind außerdem
Rückschlagventilmittel 54 vorgesehen, die es dem Druckmedium erlauben, unter Umgehung
des stößelseitigen Abströmkanalabschnittes in die erste Arbeitskammer 5 einzuströmen.
[0040] Zur Realisierung der Rückschlagventilmittel 54 besteht beim Ausführungsbeispiel der
Stößelkolben 47 zumindest teilweise aus einer koaxial am Außenumfang des Stößels 18
angeordneten ringförmigen Dichtung 55, die über eine elastisch verformbare Dichtlippe
verfügt, welche in nach radial innen biegbarer Weise an der Umfangsfläche der Aufnahmekammer
17 anliegt. Die Dichtung 55 hat einen konischen Verlauf mit sich in der Ausfahrrichtung
34 schräg nach außen erweiterndem Querschnitt, sodass sie nach innen gebogen wird,
wenn der im äußeren Aufnahmekammerabschnitt 48 herrschende Druck größer ist als der
im inneren Aufnahmekammerabschnitt 49 herrschenden Druck. Dadurch kann die ringförmige
Dichtung 55 vom eingespeisten Druckmedium überströmt werden, das dann über die Durchbrechung
52 direkt in die erste Arbeitkammer 5 gelangt. Liegt an der ringförmigen Dichtung
55 eine umgekehrte Druckdifferenz vor, wird die Dichtlippe verstärkt gegen den Innenumfang
der Aufnahmekammer 17 gepresst und ein Fluidübertritt in den äußeren Aufnahmekammerabschnitt
48 verhindert. Insoweit trägt die ringförmige Dichtung 55 auch zur Definition der
Fluidbeaufschlagungsfläche 53 bei und bildet einen Bestandteil des Stößelkolbens 47.
[0041] Soll eine rein wegabhängige Dämpfung realisiert werden, kann bei dem Ausführungsbeispiel
der Figuren 1 bis 5 die Druckregelcharakteristik dadurch vermieden werden, dass man
den Aufbau eines übermäßig hohen Gegendruckes in der ersten Arbeitskammer 5 verhindert.
Dies geschieht mittels eines optionalen, in Figuren 3 und 5 nur strichpunktiert angedeuteten
Bypasskanals 56, der unter Umgehung des stößelseitigen Abströmkanalabschnittes 26
eine Verbindung zwischen der ersten Arbeitskammer 5 und dem gehäuseseitigen Abströmkanalabschnitt
28 oder dem äußeren Aufnahmekammerabschnitt 48 herstellt. Eine in den Verlauf des
Bypasskanals 56 eingeschaltete oder durch entsprechend geringen Querschnitt des Bypasskanals
56 gebildete Drosselstelle 57 begrenzt die durch den Bypasskanal 56 mögliche Strömungsrate
auf einen Wert, der niedriger liegt als die bei freigegebenem Abströmkanal 12b mögliche
Abströmrate, sodass ab Beginn der Dämpfungsphase zwar weiterhin Druckmedium aus der
ersten Arbeitskammer 5 verdrängt wird, dies jedoch in erheblich geringerem Maße, sodass
sich wiederum ein Gegendruck in der ersten Arbeitskammer 5 aufbaut, der die Kolbengeschwindigkeit
verringert.
[0042] Die Rückstellkraft der Federeinrichtung 33 wird bei dieser Vatiante so gewählt, dass
die sich aufbauende Stellkraft Fs zu keiner Zeit in der Lage ist, den Stößel 18 vom
Arbeitskolben 3 abzuheben.
[0043] Indem die Drosselstelle in ihrer Drosselungsintensität einstellbar ausgebildet ist,
lässt sich die Dämpfungscharakteristik an den jeweiligen Anwendungsfall bequem anpassen.
Die Drosselstelle kann beispielsweise durch eine einstellbare Drosselschraube definiert
werden.
[0044] Bei der druckgeregelten Variante ist die erste Arbeitskammer 5 bei vom Arbeitskolben
3 abgesperrter Abströmöffnung 27 komplett abgeschlossen und ohne weitere Verbindung
zu einer Drucksenke. Der Abfluss der Druckmediums erfolgt hier ausschließlich durch
die periodisch freigegebene Abströmöffnung 27.
[0045] Während bei der anhand Figuren 3 und 5 erläuterten, einen Bypasskanal aufweisenden
Bauform der Bypasskanal 56 ein unabhängig vom Stößel 18 in der ersten Abschlusswand
8 verlaufender Kanal ist, zeigt die Figur 6 eine Variante, bei der der Stößel 18 unmittelbar
selbst zur Definition des Bypasskanals 56 beiträgt.
[0046] Im Falle der Figur 6 ragt der Stößel 18 in die Aufnahmekammer 17 hinein, ohne diese
wie bei den anderen Ausführungsbeispielen unter Abdichtung in zwei Aufnahmekammerabschnitte
zu unterteilen. Die Aufnahmekammer 17 insgesamt steht zum einen mit dem gehäuseseitigen
Abströmkanalabschnitt 28 und zum anderen mit dem stößelseitigen Abströmkanalabschnitt
26 in der schon beschriebenen Weise in Verbindung. Als Bypasskanal 56 fungiert ein
spaltartiger Zwischenraum 56a zwischen dem Außenumfang des Stößels 18 und der vom
Stößel 18 durchsetzten Trennwand 24. Abgesehen von dem spaltartigen Zwischenraum 56a
liegt keine Verbindung zwischen der Aufnahmekammer 17 und der ersten Arbeitskammer
5 vor, es fehlt also insbesondere die bei den anderen Ausführungsbeispielen vorhandene
Durchbrechung 52. Mit Ausnahme im Bereich des spaltartigen Zwischenraumes 56a durchsetzt
der Stößel 18 die Durchbrechung 25 abgedichtet oder zumindest eng anliegend.
[0047] Zur Realisierung des spaltartigen Zwischenraumes 56a ist der Stößel 18 beim Ausführungsbeispiel
am Außenumfang lokal mit einer beispielsweise von einer Nut oder einer Abflachung
definierten Längsvertiefung 59 versehen, die mit dem gegenüberliegenden Umfangsflächenabschnitt
der Durchbrechung 25 den spaltartigen Zwischenraum 56a definiert. Wenn während der
Dämpfungsphase die Abströmöffnung 27 durch den Arbeitskolben 3 verschlossen ist, kann
das Druckmedium nurmehr gedrosselt über den spaltartigen Zwischenraum 56a in die Aufnahmekammer
17 und von dort zur Drucksenke abströmen, was in der ersten Arbeitskammer 5 den schon
beschriebenen Gegendruck und folglich das Abbremsen des Arbeitskolbens 3 hervorruft.
[0048] Die Längsvertiefung 59 kann so ausgeführt sein, dass der Querschnitt des spaltartigen
Zwischenraumes 56a unabhängig von der Axialposition des Stößels 18 konstant ist. Möglich
ist allerdings auch die Realisierung eines sich hubabhängig verändernden Strömungsquerschnittes.
Hierzu kann in der strichpunktiert angedeuteten Weise die Längsvertiefung 59 beispielsweise
mit einem sich in Längsrichtung verändernden Querschnitt ausgeführt sein, z.B. mit
sich ändernder Tiefe. Man kann dann insbesondere eine sich bei der Annäherung des
Arbeitskolbens 3 in die zweite Hubendlage zunehmende Dämpfungsintensität realisieren.
[0049] Auch bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 können zusätzliche Rückschlagventilmittel
54 vorhanden sein, die unter Umgehung des stößelseitigen Abströmkanalabschnittes 26
eine Fluidbeaufschlagung der ersten Arbeitskammer 5 ermöglichen, wenn über den ersten
Steuerkanal 12 Druckmedium eingespeist wird. Die Rückschlagventilmittel 54 können
hierbei in einen gesonderten Überströmkanal 58 eingeschaltet sein, der in der ersten
Abschlusswand 8 verläuft und der einenends in die erste Arbeitskammer 5 und andernends
in den gehäuseseitigen Abströmkanalabschnitt 28 oder direkt in die Aufnahmekammer
17 einmündet. Die Rückschlagventilmittel 45 lassen eine Fluidströmung lediglich in
Richtung der ersten Arbeitskammer 5 zu und sperren in der Gegenrichtung. Sie können
konventionell aufgebaut sein, beispielsweise mittels einer durch eine Feder gegen
einen Ventilsitz gedrückten Ventilkugel.
[0050] Eine solche gesonderte Realisierung der Rückschlagventilmittel 54 wäre auch bei der
Bauform der Figuren 1 bis 5 zusätzlich oder alternativ möglich. Dort könnte dann insbesondere
auf die Rückschlagfunktion der ringförmigen Dichtung 55 verzichtet werden.
[0051] Das erfindungsgemäße Dämpfungsprinzip lässt sich nicht nur bei aktiven Fluidgeräten
wie fluidbetätigten Antrieben einsetzen, sondern auch bei passiven Fluidgeräten wie
Stoßdämpfern, bei denen der Kolben nicht durch Fluidkraft sondern durch externe Krafteinleitung
verlagert wird. Das Abtriebsteil 14 würde dann als Antriebsteil fungieren, beispielsweise
als von einem abzubremsenden externen Teil zu beaufschlagende Stoßstange.
1. Fluidgerät, insbesondere fluidbetätigter Antrieb, mit einem Gehäuse (1), das einen
linear verschiebbaren Arbeitskolben (3) enthält, der zusammen mit mindestens einer
axial gegenüberliegenden gehäuseseitigen Abschlusswand (8) eine Arbeitskammer (5)
begrenzt, in die ein die Abschlusswand (8) durchsetzender Abströmkanal (12b) mit einer
dem Arbeitskolben (3) axial zugewandten Abströmöffnung (27) einmündet, wobei der Arbeitskolben
(3) bei sich an die Abschlusswand (8) annähernder Hubbewegung (43) vor Erreichen seiner
Hubendlage die Abströmöffnung (27) abdeckt und bei seiner Weiterbewegung in einer
darauffolgenden Dämpfungsphase auf Grund des sich in der Arbeitskammer (5) aufbauenden
Gegendruckes abgebremst wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abströmöffnung (27) an der Stirnseite eines von dem Abströmkanal (12b) durchsetzten
Stößels (18) befindet, der dem Arbeitskolben (3) in der Arbeitskammer (5) ausgehend
von der Abschlusswand (8) entgegenragt und der in der Dämpfungsphase entgegen einer
ihn in Richtung des Arbeitskolbens (3) beaufschlagenden Rückstellkraft relativ zur
Abschlusswand (8) zurückgeschoben wird.
2. Fluidgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraft variabel einstellbar ist.
3. Fluidgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraft von einer insbesondere mechanischen Federeinrichtung erzeugt wird,
die den Stößel außerhalb der Dämpfungsphase in Richtung des Arbeitskolbens (3) in
eine durch gehäusefeste Anschlagmittel (36) definierte Grundstellung vorspannt.
4. Fluidgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (33) mindestens eine sich einerseits an dem verschiebbaren Stößel
(18) und andererseits an einer gehäusefesten Abstützfläche (35) abstützende Druckfeder,
insbesondere eine Schraubendruckfeder, aufweist.
5. Fluidgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützfläche (35) an einem relativ zum Gehäuse (1) in der Verschieberichtung
des Stößels (18) variabel positionierbaren Einstellglied (38) vorgesehen ist.
6. Fluidgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (18) rückseitig in eine Aufnahmekammer (17) der zugeordneten Abschlusswand
(8) hineinragt, wobei der ihn durchsetzende stößelseitige Abströmkanalabschnitt (26)
mit einem Bereich der Aufnahmekammer (17) kommuniziert, der über einen weiterführenden
gehäuseseitigen Abströmkanalabschnitt (28) mit einer Drucksenke, insbesondere der
Atmosphäre, verbindbar ist.
7. Fluidgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Rückstellkraft hervorrufenden Mittel (33) in der Aufnahmekammer (17) angeordnet
sind.
8. Fluidgerät nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch einen den stößelseitigen Abströmkanalabschnitt (26) umgehenden, eine in ihrer Drosselungsintensität
zweckmäßigerweise einstellbare Drosselstelle (57) enthaltenden Bypasskanal (56).
9. Fluidgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (56) einenends mit der Arbeitskammer (5) und andernends mit der Aufnahmekammer
(17) oder dem gehäuseseitigen Abströmkanalabschnitt (28) verbunden ist.
10. Fluidgerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (56) als in der Abschlusswand (8) verlaufender, vom Stößel (18) unabhängiger
gesonderter Kanal ausgeführt ist.
11. Fluidgerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (56) von einem spaltartigen Zwischenraum (56a) zwischen dem Außenumfang
des Stößels (18) und einer vom Stößel (18) durchsetzten, die Aufnahmekammer (17) von
der benachbarten Arbeitskammer (5) abtrennenden Trennwand (24) gebildet ist.
12. Fluidgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt des spaltartigen Zwischenraumes (56a) auf Grund einer entsprechend
gestalteten Außenkontur des Stößels (18) in Abhängigkeit von dessen axialer Position
verändert.
13. Fluidgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem stößelseitigen Abströmkanalabschnitt (26) kommunizierende Bereich der
Arbeitskammer (17) über eine Fluidströmung in die Arbeitskammer (5) zulassende und
in Gegenrichtung sperrende Ventilmittel (54) mit der Arbeitskammer (5) verbunden ist.
14. Fluidgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem stößelseitigen Abströmkanalabschnitt (26) kommunizierende Bereich der
Aufnahmekammer (17) von einem durch den Stößel (18) abgedichtet begrenzten Aufnahmekammerabschnitt
(48) gebildet ist.
15. Fluidgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (18) einen innerhalb der Aufnahmekammer (17) angeordneten Stößelkolben
(47) aufweist, der die Aufnahmekammer (17) in einen mit dem stößelseitigen Abströmkanalabschnitt
(26) kommunizierenden axial äußeren Aufnahmekammerabschnitt (48) und einen dem Arbeitskolben
(3) zugewandten, ständig mit der Arbeitskammer (5) kommunizierenden axial inneren
Aufnahmekammerabschnitt (49) unterteilt.
16. Fluidgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Stößel (18) mindestens eine während der Dämpfungsphase von dem in der Arbeitskammer
(5) herrschenden Fluiddruck entgegengesetzt zur Wirkungsrichtung der Rückstellkraft
beaufschlagte Fluidbeaufschlagungsfläche (53) angeordnet ist.
17. Fluidgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Fluidbeaufschlagungsfläche (53) und die Höhe der Rückstellkraft derart
aufeinander abgestimmt sind, dass der Stößel (18) bei Erreichen eines vorbestimmten
Gegendruckes in der Arbeitskammer (5) auf Grund der daraus resultierenden Stellkraft
(Fs) unter Freigabe der Abströmöffnung (27) vorübergehend vom Arbeitskolben (3) abhebt.
18. Fluidgerät nach Anspruch 16 oder 17 in Verbindung mit Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidbeaufschlagungsfläche (53) am Stößelkolben (47) angeordnet ist.
19. Fluidgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößelkolben (47) zumindest teilweise von einer vom Stößel (18) getragenen ringförmigen
Dichtung (55) gebildet ist, die gleitverschieblich an der Umfangsfläche der Aufnahmekammer
(17) anliegt.
20. Fluidgerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Dichtung (55) eine zum Erhalt einer Rückschlagfunktion elastisch
verformbare Dichtlippe aufweist, derart, dass sie eine Fluidströmung vom äußeren Aufnahmekammerabschnitt
(48) in die Arbeitskammer (5) zulässt und in der Gegenrichtung verhindert.