Druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel

Abstract

 Es wird eine druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel beschrieben, deren Wirkungsgrad erheblich größer ist als der bisher bekannter Systeme mit mechanischer Wegsperrung.
Erfindungsgemäß ist ein linearer Druckstromverbraucher (1) mit einem rotierenden Druckstromverbraucher (2) mit einer Abtriebswelle (7) gekoppelt, die Abtriebswelle (8) ist mit der Gewindespindel (4) des linearen Druckstromverbrauchers (1) form- und kraftschlüssig verbunden, ein erstes Stromstellventil (15) und ein zweites Stromstellventil (26) sind in den Zuführungsleitungen (11; 25) zum linearen Druckstromverbraucher (1) zur Drosselung eines Teilfluidstroms angeordnet und auf Grund der Funktionalität der Stromstellventile (15; 26) liegt eine Synchronität zwischen der Geschwindigkeit der axialen Bewegung der Kolbenstange (3) des linearen Druckstromverbrauchers (1) mit der Drehzahl der, vom rotierenden Druckstromverbraucher (2) angetriebenen, Gewindespindel (4) vor.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezeichnet eine druckmittelbetriebene Hubvorrichtung, die in hydraulisch betriebenen Hebezeugen eingesetzt werden kann, bei denen im Falle des Ausfalls der Druckenergie eine mechanische Sperrung der Bewegung einer Kolbenstange erforderlich ist.

[0002] Die aus dem Stand der Technik bekannten Sperrsysteme zum Blokkieren der Bewegung einer Kolbenstange, können in zwei wesentliche Gruppen eingeteilt werden.

[0003] Der ersten Gruppe können solche Sperrsysteme zugeordnet werden, bei denen eine Sperreinrichtung direkt mit der Kolbenstange eines linearen Druckstromverbrauchers zusammenwirkt.

[0004] Hierfür bekannte mechanisch wirkende Sperrsysteme beruhen auf einer form- oder kraftschlüssige Blockierung der Bewegung der Kolbenstange, wobei kraftschlüssige Systeme überwiegen.

[0005] Aus der Druckschrift DE 38 07 669 C2 ist eine Sperreinrichtung für einen stufenlos verstellbaren Arbeitszylinder mit einer mechanischen Sperreinrichtung bekannt, der in der Lage ist, seine Position unter Last in beliebiger Zwischenstellung zuverlässig zu halten. Erzielt wird diese Wirkung mittels einer hohlen Kolbenstange mit einer Innenprofilierung, in der eine verschiebbare, axial federbelastete Stange mit einem Kugelumlaufkanal mit Kugeln, die in die Profilierung der Kolbenstange eingreifen, angeordnet ist. Die Stange ist mit einem Betätigungskolben in einem Betätigungszylinder verbunden, der die Stange bei Druckbeaufschlagung mit dem Druckmedium des Arbeitszylinders so ververschiebt, dass die Kugeln ungehindert umlaufen können und im Falle des Druckabfalls in Sperrstellung gebracht werden, somit die Kolbenstange an der weiteren Bewegung gehindert ist.

[0006] Beispiele für die Nutzung von Klemmköpfen, die auf die Kolbenstange einwirken und deren Bewegung verhindern, finden sich unter anderem in den Druckschriften DE 35 10 643 A1 und DE 38 11 225 C2. Klemmköpfe werden als externe Baueinheiten mit einem Arbeitszylinder gekoppelt, deren Klemmelement, ein unter Federvorspannung stehender und von einem Servokolben zur Entriegelung verschiebbarer Klemmkörper, bei Ausfall des Drucks eines Mediums von Aussen auf die Kolbenstange einwirkt und diese fixiert.

[0007] Auf dem gleichen Prinzip beruht die Vorrichtung zur Klemmung einer axial bewegten Stange nach der Druckschrift DE 37 07 046 A1. Die Klemmung erfolgt mittels einer Klemmhülse mit Aussenkonus, auf den der Innenkonus eines unter Federvorspannung stehenden, axial verschiebbaren Kolbens wirkt. Zum Freigeben der Bewegung der Stange wird der Druck eines Fluids auf den Kolben gegeben, wodurch die Klemmhülse gegen die Federvorspannung verschoben, die Klemmung aufgehoben wird und die Stange dadurch axial verschiebbar ist.

[0008] Einen Arbeitszylinder mit hohler Kolbenstange, deren Sperrfläche im Inneren angeordnet ist, wird in der Druckschrift DE 33 07 644 A1 beschrieben. In die hohle Kolbenstange ist eine Vorrichtung zur kraftschlüssigen Klemmung eingebaut, wobei Klemmsegmente mit Reibbelägen an einem Stützrohr durch einen Konus an einer Betätigungsstange, die mit einem Steuerkolben in einem Steuerzylinder verbunden und über eine Feder in die Klemmstellung vorgespannt ist, zur Blockierung gegen die Innenwand der Kolbenstange gepresst werden.

[0009] Bei Ausfall des Betriebsdrucks des Fluids wirkt die Feder über den Konus und infolge dessen ist die freie Bewegung der Kolbenstange blockiert.

[0010] Eine weiter Klemmvorrichtung zur Verriegelung einer Kolbenstange einer Kolben-Zylinderanordnung wird in der Druckschrift DE 38 10 183 A1 beschrieben. Die Klemmvorrichtung ist im Kolben angeordnet, wobei druckabhängig radial bewegliche innere Scheibensegmente den Kolben entsperren. Bei anliegendem Druck des Arbeitsmediums ist die freie Bewegung des Kolbens gegeben. Bei Druckausfall werden die Scheibensegmente mittels Federn radial in Richtung der Innenmantelfläche des Zylinderrohrs verschoben, wirken klemmend und haben eine Sperrung der Bewegung der Kolbenstange zur Folge.

[0011] Aus der Druckschrift EP 1 170 512 B1 ist ein druckmittelbetriebener Arbeitszylinder mit mechanischer Wegsperrung im drucklosen Zustand bekannt, bei dem die Sperrung mittels des Zusammenwirkens der Verzahnung zweier Stirnräder als Sperrelemente erfolgt. Eines der Stirnräder ist feststehend mit dem Gehäuse des Arbeitszylinders und das Andere mit einer rotierend angeordneten Gewindespindel großer Steigung oder der Spindel eines Kugelgewindetriebs. Bei Druckbeaufschlagung des Arbeitszylinders setzt sich die Gewindespindel in rotierende Bewegung nachdem die Verzahnungen der Stirnräder außer Eingriff gebracht wurden, somit die Entsperrung erfolgt ist. Das an der Gewindespindel angeordnete Stirnrad ist mit dieser formschlüssig, verschiebbar und axial federnd gelagert. Bei Druckausfall verschiebt sich durch die Wirkung einer Feder dieses Stirnrad so, dass dessen Verzahnung mit der des feststehenden Stirnrads in Eingriff kommt, wodurch es zur Sperrung, dem Blockieren der Bewegung der Kolbenstange kommt.

[0012] Nachteilig sind an dieser Lösung insbesondere der relativ hohe Fertigungsaufwand sowie ein verringerter Wirkungsgrad des Arbeitszylinders.

[0013] Der zweiten Gruppe angehörig sind Sperrsysteme, die indirekt über eine formschlüssige Kopplung der Kolbenstange mit einem Gewindespindeltrieb mit Selbsthemmung als Sperreinrichtung wirken. Die Kopplung der Kolbenstange mit einer Gewindespindel erfolgt zumeist mittels einer zur Gewindespindel passenden Mutter, die fest gelagert sein kann, wobei die Gewindespindel die axiale Bewegung der Kolbenstange bewirkt, oder die Mutter ist als Laufmutter ausgebildet und die axiale Bewegung der Kolbenstange wird durch diese bewirkt.
Eine vermittels der Kolbenstange zu bewegende Last ist somit stets an das die axiale Bewegung der Kolbenstange bewirkende Getriebeglied des Spindeltriebs gekoppelt.

[0014] Bei derartigen Spindelhubelementen wird über eine zwischengeschaltete Getriebeeinheit und mittels einer geeigneten Antriebseinheit die selbsthemmende Spindel in rotierende Bewegung versetzt, wodurch über eine geführte Laufmutter oder axial verschobene Spindel die Last an der Kolbenstange bewegt wird. Auf Grund der formschlüssigen Kopplung des beweglichen Teils der Hubvorrichtung mit selbsthemmenden Spindel, wird bei Ausfall der Druckenergie die Bewegung der Kolbenstange blockiert und eine Last dann in der aktuellen Position gehalten.

[0015] Eine andere Ausführungsform selbsthemmender Getriebe stellen sogenannte Rollengewindetriebe dar, die kinematisch ähnlich wie Spindeltriebe wirken und als Planetenrollentrieb oder Rollengewindetrieb ausgeführt sein können. Der Unterschied zwischen beiden Arten besteht lediglich in der Ausführung der Rollen und deren Lagerung in einer Laufmutter. Die Rollen von Planetenrollentrieben weisen ein Gewinde auf, die Rollen als Sperrelemente von Rollengewindetrieben sind mit Rillen am Umfang versehen.

[0016] Bekannte Spindelhubelemente mit selbsthemmender Gewindespindel als Sperrvorrichtung lassen keine vorgegebene exakte axiale Positionierung zu und sind in der Herstellung aufwendig.
Ebenso aufwändig sind Planetenrollentriebe oder Rollengewindetriebe, die zudem noch einen geringen Wirkungsgrad aufweisen.

[0017] Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel zu entwikkeln, deren Wirkungsgrad erheblich größer ist als bei bisher bekannten Systemen mit mechanischer Wegsperrung.

[0018] Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0019] Eine erfindungsgemäße druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel besteht 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. Die Kolbenstange des linearen Druckstromverbrauchers ist über die selbsthemmende Gewindespindel, die mit der Abtriebswelle des rotierenden Druckstromverbrauchers form- und kraftschlüssig verbunden ist, mit dem rotierenden Druckstromverbraucher gekoppelt. Bei gleichzeitiger Zuführung von Druckenergie an beide Druckstromverbraucher erfolgt die axiale Bewegung einer Last an der Kolbenstange in der Hauptachse der Hubvorrichtung.
Die Bewegung der Last an der Kolbenstange erfolgt ausschließlich mittels des linearen Druckstromverbrauchers, indem der zu dem jeweiligen Druckstromverbraucher geleitete Fluidstrom so gesteuert wird, dass der rotierende Druckstromverbraucher lediglich die selbsthemmende Gewindespindel drehzahlgesteuert, entsprechend der Geschwindigkeit der axialen Bewegung der Kolbenstange, mit geringster Reibung nachführt.
Die Drehzahl der selbsthemmenden Gewindespindel ist somit der Geschwindigkeit der axialen Bewegung der Kolbenstange angepasst und von der Steigung des Gewindes der selbsthemmenden Gewindespindel abhängig. Die dem rotierenden Druckstromverbraucher zuzuführende Fluidmenge ist hierdurch bestimmt, womit der Abgleich zwischen der axialen Bewegung der Kolbenstange und der Nachführung der selbsthemmenden Gewindespindel gewährleistet ist und die Last an der Kolbenstange nur bzw. nahezu nur, mittels des linearen Druckstromverbrauchers an der Kolbenstange bewegt wird.

[0020] Da der Wirkungsgrad des linearen Druckstromverbrauchers beim axialen Bewegen der Kolbenstange wesentlich größer als dieser beim Bewegen der Kolbenstange mittels der selbsthemmenden Gewindespindel ist, erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad der Hubvorrichtung in dem Maße, in dem der Abgleich der Zuführung des Fluidstroms zu den beiden Druckstromverbrauchern vorliegt, so dass die selbsthemmende Gewindespindel nur in dem Maße mit Überwindung der inneren Reibung nachgeführt werden muss, ohne dass diese an der eigentlichen Bewegung der Last an der Kolbenstange beteiligt ist.

[0021] Der optimale Abgleich der jeweiligen Menge der Zuführung des Fluidstroms zum linearen Druckstromverbraucher und dem rotierenden Druckstromverbraucher erfolgt durch Teilung des zugeführten Fluidstroms des Druckmediums, wobei in den Zuführungsleitungen zu den Druckstromverbrauchern, vorzugsweise in der Zuführungsleitung zum linearen Druckstromverbraucher ein Stromstellventil angeordnet ist, mit dem der Teilfluidstrom gedrosselt wird und die Geschwindigkeit der axialen Bewegung der Kolbenstange des linearen Druckstromverbrauchers mit der Drehzahl der, vom rotierenden Druckstromverbraucher angetriebenen, selbsthemmenden Gewindespindel synchronisiert wird.

[0022] Eine optimale Abgleichung des Fluidstroms zum rotierenden Druckstromverbraucher und dem linearen Druckstromverbraucher liegt vor, wenn folgende mathematische Beziehungen erfüllt sind:

[0023] Es bedeuten hierin:

Q_AZ =

Zustrommenge zum linearen Druckstromverbraucher

Q_R =

Zustrommenge zum rotierenden Druckstromverbraucher

A_AZ =

Kolbenfläche des linearen Druckstromverbrauchers

V =

Schluckvolumen des rotierenden Druckstromverbrauchers

η_v =

volumetrischer Wirkungsgrad

p =

Steigung der Gewindespindel

V_Hub =

Hubgeschwindigkeit

[0024] Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass der Gesamtwirkungsgrad der druckmittelbetriebenen Hubvorrichtung wesentlich größer als der eines rotierenden Druckstromverbrauchers von etwa 35 Prozent ist, wenn die Last an der Kolbenstange allein über die selbsthemmende Gewindespindel bewegt werden würde. Es kann ein Gesamtwirkungsgrad in der Nähe der für einen linearen Druckstromverbraucher liegenden Größe, der üblicherweise mindestens 90 Prozent beträgt, erreicht werden.

[0025] Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel an Hand von

Fig. 1

als Halbschnittdarstellung der druckmittelbetriebenen Hubvorrichtung mit selbsthemmender Spindel

und

Fig. 2

als Schnitt im Bereich des rotierenden Druckstromver-brauchers mit Darstellung der Fluidkanäle und Bohrungen für den Zu- und Ablauf des Druckmediums

näher erläutert.

[0026] Eine beispielhaft ausgeführte druckmittelbetriebene Hubvorrichtung besteht nach Fig.1 im Wesentlichen aus einem linearen Druckstromverbraucher 1 und einem rotierenden Druckstromverbraucher 2, die als eine Baueinheit ausgeführt und direkt miteinander gekoppelt sind. Der lineare Druckstromverbraucher 1 weist eine übliche, partiell hohle Kolbenstange 3 auf, in der eine selbsthemmende Gewindespindel 4 angeordnet ist, die mit einem Gewindepartner 5 in einem Arbeitskolben 6 zusammenwirkt. Die Gewindespindel 4 ist mittels einer kraft- und formschlüssigen Verbindung 7 mit einer Abtriebswelle 8 des rotierenden Druckstromverbrauchers 2 verbunden. Die Zu- und Abführung eines Druckmediums zum Betreiben der druckmittelbetriebenen Hubvorrichtung erfolgt in bekannter Weise über einen ersten Anschluss 9 und einen zweiten Anschluss 10, der in Fig.2 dargestellt ist. Wird bei eingefahrener Kolbenstange 3 über den ersten Anschluss 9 ein Druckmedium zugeführt, so wird dieses über Kanäle 11 Arbeitsräumen mit Rotorenflügeln 12 in einer Kurvenscheibe 13 des rotierenden Druckstromverbrauchers 2 zugeführt, wodurch dieser in rotierende Bewegung versetzt wird. Gleichzeitig erfolgt die Zuführung des Druckmediums einem Kolbenraum 14, sodass der Arbeitskolben 6 des linearen Druckstromverbrauchers 1 die axiale Ausfahrbewegung der Kolbenstange 3 bewirkt. Die dem rotierenden Druckstromverbraucher 2 zugeführte Menge des Druckmediumls bestimmt bekanntermaßen dessen Drehzahl und somit in Abhängigkeit vom Steigungswert der selbsthemmenden Gewindespindel 4 die Geschwindigkeit der axialen Bewegung einer Last an der Kolbenstange 3.
Zur Optimierung des Wirkungsgrads der druckmittelbetriebenen Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel 4 werden die Geschwindigkeit der ausfahrenden Kolbenstange 3 und die Drehzahl an der Abtriebswelle 8 des rotierenden Druckstromverbrauchers 2 synchronisiert, indem die dem Kolbenraum 14 zuzuführende Menge des Druckmediums mittels eines ersten Stromstellventils 15 im Vorlauf angepasst wird.

[0027] Das in einem Kolbenstangenraum 16 vorhandene Druckmedium wird beim Ausfahren der Kolbenstange 3 über eine Bohrung 17 und einen Zwischenraum 18 eines doppelwandigen Zylinderrohrs 19 in einen Umlaufkanal 20 geleitet und nach Fig.2 weiter über eine Ablaufbohrung 21 und ein Rückschlagventil 22 in einen Ablaufkanal 23, in den auch das über Bohrungen 24 aus dem rotierenden Druckstromverbraucher 2 abfließende Druckmedium zum ablauforientierten zweiten Anschluss 9 geführt wird.

[0028] Der Wirkungsgrad der druckmittelbetriebenen Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel 4 ist dann optimal, wenn die Last an der Kolbenstange 3 ausschließlich vom linearen Druckstromverbraucher 1 getragen wird und die Gewindespindel 4 vom rotierenden Druckstromverbraucher 2 lediglich der Ausfahrbewegung der Kolbenstange 3 nachgeführt wird.

[0029] Zum Einfahren der Kolbenstange 3 erfolgt die Zuführung des Druckmediums über den zweiten Anschluss 10 und der Abstrom des Druckmediums über den ersten Anschluss 9. Das Druckmedium wird hierbei nach Fig.2 über den Ablaufkanal 23 dem linearen Druckstromverbraucher 1 zugeführt und über die Bohrungen 24 dem rotierenden Druckstromverbraucher 2. Über einen weiteren Kanal 25, den Umlaufkanal 20, den Zwischenraum 18 und die Bohrung 17 gelangt das Druckmedium in den Kolbenstangenraum 16. Mittels eines zweiten Stromstellventils 26 wird die Menge des dem Kolbenstangenraum 16 zuzuführenden Druckmediums angepasst, um wieder die Drehzahl an der Abtriebswelle 8 des rotierenden Druckstromverbrauchers 2 mit der Geschwindigkeit der einfahrenden Kolbenstange 3 des linearen Druckstromverbrauchers 1 zu synchronisieren.

[0030] Die Stromstellventile 15; 26 sind auch beim Ablaufen des Druckmediums aus den Räumen 14; 16 wirksam.

[0031] Bei Ausfall des Drucks des Druckmediums wird die an der Kolbenstange 3 aufgenommene Last durch die selbsthemmende Gewindespindel 4 im Zusammenwirken mit dem Gewindepartner 5 im Arbeitskolben 6 gehalten, da sich die Gewindespindel 3 infolge der Selbsthemmung nicht mehr drehen kann und somit keine axiale Bewegung der Kolbenstange 3 mehr möglich ist.

[0032] Aus den Figuren 1 und 2 gehen weitere Einzelheiten der druckmittelbetriebenen Hubvorrichtung mit selbsthemmender Spindel hervor. So ist die Gewindespindel 4 beispielsweise über Kegelrollenlager 27 der Abtriebswelle 8 des rotierenden Druckstromverbrauchers 2 gelagert, wobei die Kegelrollenlager 27 in einem linken Außengehäuse 28 gelagert sind. Das linke Außengehäuse 28 ist über ein Mittelgehäuse 29 und die Kurvenscheibe 13 mit einem rechten Außengehäuse 30 kraft und formschlüssig verbunden. Die im linken Außengehäuse 28, Mittelgehäuse 29 und rechtem Außengehäuse 30 vorhandenen vorhandenen Zu- und Ablaufkanäle in Form der Ablaufbohrung 21 und des weiteren Kanals 25, werden über Verbindungsrohre 31 miteinander gekoppelt.

Verwendete Bezugszeichen

[0033] 

1

linearer Druckstromverbraucher

2

rotierender Druckstromverbraucher

3

Kolbenstange

4

Gewindespindel

5

Gewindepartner

6

Arbeitskolben

7

kraft- und formschlüssige Verbindung

8

Abtriebswelle

9

erster Anschluss

10

zweiter Anschluss

11

Kanäle

12

Rotorenflügel

13

Kurvenscheibe

14

Kolbenraum

15

erstes Stromstellventil

16

Kolbenstangenraum

17

Bohrung

18

Zwischenraum

19

doppelwandiges Zylinderrohr

20

Umlaufkanal

21

Ablaufbohrung

22

Rückschlagventil

23

Ablaufkanal

24

Bohrungen

25

weiterer Kanal

26

zweites Stromstellventil

27

Kegelrollenlager

28

linkes Außengehäuse

29

Mittelgehäuse

30

rechtes Außengehäuse

31

Verbindungsrohre

Ansprüche

1. Druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel, die mit einem Gewindepartner an einer partiell hohlen Kolbenstange eines Arbeitszylinders, als linearer Druckstromverbraucher, zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet,
dass der lineare Druckstromverbraucher (1) mit einem rotierenden Druckstromverbraucher (2) mit einer Abtriebswelle (7) gekoppelt ist, wobei die Abtriebswelle (8) mit der Gewindespindel (4) des linearen Druckstromverbrauchers (1) form- und kraftschlüssig verbunden ist,
dass ein erstes Stromstellventil (15) und ein zweites Stromstellventil (26) in den Zuführungsleitungen (11; 25) zum linearen Druckstromverbraucher (1) zur Drosselung eines Teilfluidstroms angeordnet sind und
dass auf Grund der Funktionalität der Stromstellventile (15; 26) eine Synchronität zwischen der Geschwindigkeit der axialen Bewegung der Kolbenstange (3) des linearen Druckstromverbrauchers (1) mit der Drehzahl der, vom rotierenden Druckstromverbraucher (2) angetriebenen, Gewindespindel (4) vorliegt.

2. Druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass eine gleichzeitige Beaufschlagung des linearen Druckstromverbrauchers (1) und des rotierenden Druckstromverbrauchers (2) mit dem Druckmedium vorliegt.

3. Druckmittelbetriebene Hubvorrichtung mit selbsthemmender Gewindespindel nach den Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Synchronisation der Geschwindigkeit der axialen Bewegung der Kolbenstange (3) mit der Drehzahl der selbsthemmenden Gewindespindel (4) so vorliegt, dass die Bewegung einer Last an der Kolbenstange (3) nur das Resultat der Zuführung eines Druckmediums zum jeweiligen Arbeitsraum des linearen Druckstromverbrauchers (1) ist und wobei die Gewindespindel (4) entsprechend der Geschwindigkeit der axialen Bewegung der Kolbenstange (3) in einem Gewindepartner (5) im Arbeitskolben (6) über eine Abtriebswelle (8) des rotierenden Druckstromverbrauchers (2) mit geringster Reibung nachgeführt ist.

Zeichnung