Einrichtung zur Hubbegrenzung eines Hydraulikzylinders

Abstract

 Für einen Hydraulikzylinder, insbesondere für Pressen oder dergleichen, erfolgt die Beendigung der Arbeitsbewegung durch hubabhängige Betätigung eines Abschaltventils (7), das vorteilhafterweise mit dem Arbeitszylinder (1) zu einer Baueinheit verbunden ist. Zur mechanischen Betätigung des Abschaltventils (7) dient eine Schleppstange (13), die vor Erreichen der Hubendstellung den Steuerkolben (9) des Abschaltventils (7) gegen eine elastische Rückstellkraft in Richtung Offenstellung bewegt. Dabei wird von der dem Arbeitsdruckraum (5) zugeführten konstanten Fördermenge ein Anteil abgezweigt und zum Tank geleitet. Da gleichzeitig der Arbeitskolben (2) unter einem hydraulischen Gegendruck eines Speichers (35) steht, stellt sich selbsttätig ein ausgeregelter Zustand ein, in dem der Arbeitskolben (2) in der Hubendstellung hydraulisch gehalten ist. Durch weiteres öffnen des Abschaltventils (7), entweder mechanisch oder hydraulisch, sinkt der Druck im Arbeitsdruckraum (5) weiter ab, so daß durch die Differenzdruckkraft der Arbeitskolben (2) in seine Ausgangslage zurückbewegt wird. Ein besonderer Vorteil ist darin zu sehen, daß für die mechanische Übertragung vom Arbeitskolben (2) zum Abschaltventil (7) lediglich ein einziges Bauelement, nämlich die Schleppstange (13), vorgesehen ist, die überdies erst kurz vor Erreichen der Hubendstellung in Eingriff kommt und somit eine relativ kleine Verstellbewegung ausführt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Hubbegrenzung eines Hydraulikzylinders nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

[0002] Aus der DE-OS 23 23 522 ist für eine Hilfskraftlenkvorrichtung eine hubabhängig arbeitende Ventilvorrichtung zur Begrenzung der Arbeitsbewegung des Kolbens bekannt. Dabei bewirkt beim Erreichen einer Hubendstellung das öffnen eines Ventils einen Pumpenkurzschluß zwischen Druck- und Saugseite der Druckmittelpumpe. Zur Betätigung des Ventils sind getrieblich mit dem Arbeitskolben verbundene Steuernocken vorgesehen, die bei Erreichen der vorgegebenen Hubendstellung eine den Steuerschieber zusammen mit einer Feder in der den Pumpenkurzschluß absperrenden Ruhestellung haltende Druckkraft abschalten. Ventil- und Leitungsaufwand zum Abschalten des Arbeitsdruckes sind bei dieser bekannten Vorrichtung relativ hoch.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders einfache und wenig aufwendige Einrichtung zur Hubbegrenzung des Kolbens eines Arbeitszylinders zu schaffen, die mit dem Arbeitszylinder zu einer Baueinheit in kompakter Bauweise vereinigt werden kann, die konstruktiv einfache Betätigungselemente benötigt und bei der mit einfachen Mitteln ein hydromechanischer Lageregelkreis darstellbar ist. Außerdem soll die Einrichtung so beschaffen sein, daß die Hubbegrenzung hinsichtlich Zeitpunkt bzw. Kolbenstellung nachträglich auf einfache Weise in Grenzen verstellbar ist.

[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale a) bis f) des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0005] Danach wird die Hubbegrenzung durch die mechanische Betätigung eines einzigen Ventils vor dem Erreichen der vorgegebenen Endstellung bewirkt, indem von der Druckmittelzufuhrleitung eine solche Menge an Druckmittel abgezweigt wird, daß der Arbeitskolben, der auf der Gegenseite der Einwirkung eines konstanten Druckes eines Druckspeichers ausgesetzt ist, in der vorgegebenen Endlage hydraulisch gehalten wird. Von besonderem Vorteil ist dabei, daß die mechanische Einwirkung auf das Abschaltventil nicht ständig wirksam ist, sondern erst vor Erreichen der vorgegebenen Hubendstellung des Arbeitskolbens einsetzt. Für die Rückmeldung vom Arbeitskolben zum Abschaltventil wird somit nur eine relativ kurze Strecke des gesamten Hubweges benötigt. Sie entspricht dem Weg vom Kontaktschluß der Schleppstange mit dem Arbeitskolben bis zum Eintreten des ausgeregelten Zustandes, d. h. bis zum Erreichen einer solchen Stellung des Schieberkolbens, bei der die gesamte Fördermenge der Druckquelle über den Abzweig zum Tank abfließen kann. Bei diesem Zustand hat sich - ohne daß hierzu eine externe Schaltung notwendig ist - ein hydromechanischer Lageregelkreis stabilisiert.

[0006] Vorteilhafte Weiterbildungen der Einrichtung nach Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen beschrieben. Zur Vereinfachung des Zusammenbaus und zur Erleichterung der Wartung ist das Abschaltventil als lösbarer Bestandteil des Arbeitszylinders ausgebildet.

[0007] Das Abschaltventil ist im wesentlichen wie folgt ausgebildet. In der Gehäusebohrung für den Schieberkolben sind zwei axial hintereinander liegende Ringnuten vorgesehen, an die zum einen die Abzweigleitung und zum anderen die Tankleitung angeschlossen sind, während der Schieberkolben ein den Ringnuten in seiner axialen Länge angepaßte Umfangsnut aufweist. In der Ausgangsstellung ist die erste Umfangsnut, an die die Zufuhrleitung angeschlossen ist, durch den Schieberkolben abgedeckt. Nach dem Verlassen der Ausgangs- oder Grundstellung des Schieberkolbens überdeckt die Umfangsnut zunehmend auch die vorher versperrte Umfangsnut, so daß ein ansteigender Anteil der von der Druckquelle zugeführten Fördermenge über die Abzweigung zum Tank abfließen kann. Dadurch, daß die abgezweige Fördermenge, nicht schlagartig, sondern über einen gewissen Zeitraum bis zum Maximalwert ansteigt, wird eine stoßartige Begrenzung bzw. Abschaltung des Arbeitshubes des Kolbens vermieden.

[0008] Die Rückbewegung des Arbeitskolbens wird durch eine weitere Verringerung des Druckes auf der Kolbenbodenseite des Arbeitskolbens herbeigeführt. Zu diesem Zweck wird der Schieberkolben durch Einwirkung von außen im Sinne einer weiteren Öffnung der Abzweigleitung in Richtung zum Tank unabhängig vom Arbeitskolben bewegt. Dies kann durch eine mechanische Betätigung oder über Betätigungskolben hydraulisch ausgeführt werden. Für eine hydraulische Betätigung ist am Gehäuse des Abschaltventils am freien Stirnende vorteilhafterweise ein Aufsatz angebracht, in dem zwei Betätigungskolben gelagert sind, durch die der Schieberkolben in seine volle Offenstellung gegen die ständig wirkende Rückstellkaft bewegbar ist. Der oder die Betätigungskolben werden vorteilhafterweise mit Hilfe eines Magnetventils gesteuert.

[0009] Um den Zeitpunkt der Hubbegrenzung nachträglich verändern zu können, ist vorteilhafterweise der Anschlag am inneren Ende der Schleppstange als von außen verstellbarer Anschlag ausgebildet.

[0010] Eine vorteilhafte Lösung eines verstellbaren Anschlages sieht vor, daß der Anschlag mit einem Innengewinde auf einem Gewindeabschnitt der Schleppstange gelagert ist, wobei das rückwärtige Ende der Schleppstande gegenüber der Einrichtung vorsteht und für die Ausführung einer drehenden Justierbewegung mit einem geeigneten Profil versehen ist. Der Anschlag seinerseits ist mit bei dieser Ausführung in der hohlen Kolbenstande gegen verdrehen gesichert, jedoch axial gleitbeweglich geführt.

[0011] Nachfolgend wird die Erfindung an einem in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1

einen Hydraulikzylinder mit Abschaltventil in einem Axialschnitt in Verbindung mit einem hydraulischen Schaltschema, wobei der Arbeitskolben in der Ruhestellung steht,

Fig. 2

eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung, in der jedoch der Arbeitskolben in der Abschaltstellung steht, und

Fig. 3

eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung, die den Arbeitskolben während des Rückhubes zeigt.

[0012] Zu dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel gehören ein Hydraulikzylinder (1) mit einem Arbeitskolben (2) in Form eines Differentialkolbens, von dem eine hohle, endseitig abgeschlossene Kolbenstange (3) ausgeht, die außerhalb des Zylinders (1) endet.

[0013] Am anderen Ende ist der Zylinder (1) durch eine Kopfplatte (4) abgeschlossen, die den Arbeitsdruckraum (5) auf der Kolbenbodenseite begrenzt.

[0014] Mit der Kopfplatte (4) lösbar verbunden ist das Gehäuse (6) eines Abschaltventils (7). In einer zur Zylinderachse konzentrischen Bohrung (8) ist ein Schieberkolben (9) gleitbeweglich gelagert, auf dessen inneren Stirnfläche eine Rückstellfeder (10) einwirkt. Fig. 1 zeigt den Schieberkolben (9) in seiner Grundstellung, in der er mit seiner äußeren Stirnfläche mit einem Anschlagring (11) in Verbindung steht.

[0015] Der Schieberkolben (9) ist in einer zentralen Bohrung (12) von einer Schleppstange (13) durchdrungen, die sich durch eine Bohrung (14) im Kolben (2) bis in die hohle Kolbenstange (3) erstreckt. An ihrem innern Ende sitzt auf der Schleppstange (13) auf einem Gewindeabschnitt ein Ringanschlag (15), der in der Längsbohrung (16) der Kolbenstange (3) gleitbeweglich, jedoch gegen Verdrehung gesichert geführt ist. Ausnehmungen (17) in der Mantelfläche des Anschlags (15) stellen eine Verbindung zwischen den Räumen auf den beiden Seiten des Ringanschlags (15) her.

[0016] Auf der Schleppstange (13) ist im Bereich des Arbeitsdruckraumens (5) ein Stützring (18) befestigt, der in der Grundstellung an der Kopfplatte (4) anliegt und damit die axiale Beweglichkeit der Schleppstange (13) in der Gegenrichtung zur Arbeitsbewegung des Kolbens (2) begrenzt. Weiter ist in der Nähe des rückwärtigen Endes der Schleppstange (13) auf dieser ein Mitnahmering (19) befestigt, der bei einer Schleppbewegung der Schleppstange (13) am Anschlagring (11) zur Anlage kommt.

[0017] Am Schieberkolben (9) ist auf dem Umfang eine umlaufende Nut (20) eingearbeitet, die mit zwei Ringnuten (21, 22) im Gehäuse (6) zusammenwirkt und in ihrer axialen Länge so bemessen ist, daß sie in der Offenstellung des Schieberkolbens (9) beide Ringnuten (21, 22) vollständig überdeckt (Fig. 3). In der entgegengesetzten Schließstellung des Schieberkolbens (9) liegt die Umfangsnut (20) außerhalb der inneren Ringnut (21), die in dieser Stellung durch den Ringkolben (9) abgesperrt ist.

[0018] Mit dem Gehäuse (6) ist an seinem freien Stirnende ein Ansatz (23) verbunden, der das Gehäuse für z. B. zwei Kolbenstößel (24) bildet, die bei Druckbeaufschlagung auf den Anschlagring (11) einwirken können. Mit E₁ ist eine Vorrichtung zur Stellungsanzeige der Schleppstange (13) angedeutet, die ein Signal auslöst, wenn das Endstück (25) der Schleppstange (13) mit der Vorrichtung E₁ auf gleicher Höhe steht.

[0019] Für den Anschluß der Druckmittelzufuhrleitung A₁ zum Ausführen des Arbeitshubes des Kolbens (2) ist am Gehäuse (6) eine Bohrung (26) und für den Anschluß der Tankleitung T eine Bohrung (27) vorgesehen. Von der Bohrung (26) führt einerseits ein Kanal zum Druckmittelraum (5) und andererseits ein Kanal zur Ringnut (21). Die Bohrung (27) ist nur mit der Ringnut (22) verbunden. Weiter ist am Zylinder (1) eine Bohrung (28) für den Anschluß einer Druckmittelleitung P₂ vorgesehen, von der ein Kanal zum Druckmittelraum auf der Ringseite des Kolbens (2) führt. Schließlich enthält der Ansatz (23) eine Bohrung (30) für den Anschluß einer Leitung (31), über die das Druckmittel für die Beaufschlagung der Stößelkolben (24) zu- bzw. abgeführt wird.

[0020] Die außerdem für den Betrieb des Hydraulikzylinders vorgesehenen Bauteile werden nachfolgend im Zusammenhang mit der Beschreibung der Funktionsweise erläutert.

Grundstellung:

[0021] Der Arbeitskolben (2) steht in der eingefahrenen Stellung. Der Schieberkolben (9) des Abschaltventils (7) nimmt unter der Einwirkung der Rückstellfeder (10) die Schließstellung ein. Der Druckmittelraum (29) kann mit dem Druckmittel einer Druckquelle (32) über ein Rückschlagventil (33) beaufschlagt werden. An die Zufuhrleitung P₂ ist hinter dem Rückschlagventil zum einen ein einstellbares Druckbegrenzungsventil (34) und zum anderen über ein Wegeventil Y₂ ein Hydro-Druckspeicher (35). Weiter angedeutet sind ein Druckmeßgerät (36) und Sicherheitszubehör (37).

[0022] Nach dem Einschalten des Wegeventils Y₂ wird der Hydro-Druckspeicher (35) geladen, z. B. auf einen Druck von 60 bar. Dieser Druck steht im Druckmittelraum (29) an und hält den Arbeitskolben (2) in der eingefahrenen Position.

Arbeitshub (Fig. 1):

[0023] Eine weitere Druckquelle (38) ist über die Leitung A₁ an die Bohrung (26) angeschlossen und liefert das Druckmittel für die Beaufschlagung des Arbeitsdruckraumens (5). Ein Rückschlagventil (39) verhindert einen Rückfluß über die Leitung A₁. An die von der Druckquelle (38) abgehende Leitung ist ein schaltbares Druckbegrenzungsventil Y₃ angeschlossen. Wird das Ventil Y₃ an Spannung gelegt, strömt das Druckmittel von der Druckquelle (38) in den Arbeitsdruckraum (5). Da das Abschaltventil (7) geschlossen ist, kann sich ein Druck aufbauen, der das Ausfahren des Arbeitskolbens (2) bewirkt.

[0024] Die Ausfahrgeschwindigkeit hängt dabei von der Fördermenge der Druckquelle (38) ab, während der im Druckmittelraum (5) sich einstellende Druck (extern wirkende Kräfte ausgenommen) vom Flächenverhältnis der wirksamen Kolbenflächen und dem Betriebsdruck im Druckmittelraum (29) abhängt.

Hubabschaltung in der Endlage (Fig. 2):

[0025] Kommt der ausfahrende Arbeitskolben (2) kurz vor Erreichen seiner Endlage mit einer hierfür vorgesehenen Stützfläche (40) mit dem Ringanschlag (17) in Kontakt (Beginn der mechanischen Rückmeldung), wird von der sich nun bewegenden Schleppstange (13) über den Mitnahmering (19) der Schieberkolben (9) im öffnungssinn mitgeschleppt. Die Umfangsnut (20) gelangt dabei in den Bereich der Ringnut (21) und stellt somit eine (Abzweig-)Verbindung von der Zufuhrleitung A₁ zur Tankleitung T her. Folglich kann ein Teil der Fördermenge der Druckquelle (38) zum Tank fließen; die Ausfahrgeschwindigkeit des Arbeitskolbens (2) verringert sich, weil auf der Ringseite des Kolbens (2) eine definierte Gegenkraft wirksam ist.

[0026] Auf diese Weise entsteht, ohne daß hierzu eine externe Schaltung notwendig ist, ein hydromechanischer Lageregelkreis, der sich wie folgt stabilisiert:

[0027] Der öffnungshub des Schieberkolbens (9) stellt sich selbsttägig so ein, daß die über A₁ einströmende Fördermenge vollständig über die Leitung T abfließen kann.

[0028] Selbstverständlich tritt in der öffnungsstellung des Schieberkolbens (9) eine Änderung ein, sofern

• eine externe Kraft auf die Kolbenstange (3) einwirkt und/oder
• die Fördermenge der Druckquelle (38) verändert wird.

[0029] Wird jedoch nichts verändert, bleibt der Arbeitskolben (2) des Hydraulikzylinders in dieser Stellung "ausgeregelt" stehen. Der Arbeitskolben hat somit die Endstellung des Arbeitshubes ohne die Einwirkung einer mechanischen Arretierung erreicht.

[0030] Sobald die Schleppstange (13) vom Arbeitskolben (2) mitgeschleppt wird, signalisiert die Vorrichtung E₁ diesen Zustand.

[0031] Wie aus diesen Erläuterungen deutlich wird, beansprucht die mechanische Rückmeldung nur einen sehr kleinen Teil der Gesamtlänge des Arbeitshubes des Arbeitskolbens (2). Sie entspricht im wesentlichen der Überdeckung der Umfangsnut (20) mit der Ringnut (21).

Rückhub (Fig. 3):

[0032] Die Stößelkolben (24) werden zweckmäßigerweise mit dem Druckmittel der Druckquelle (30) betrieben. Zu diesem Zweck ist die Leitung (31) über ein schaltbares 4/2-Wegeventil Y₁ an die Leitung P₂ angeschlossen Der Anschluß T des Ventils Y₁ ist wie üblich mit einer zum Tank führenden Leitung verbunden; der Anschluß A ist abgesperrt.

[0033] Wird das Magnetventil Y₁ an Spannung gelegt, wird durch das Ausfahren der Stößelkolben (24) der Kolbenschieber (9) aus seiner ausgeregelten Lage im Öffnungssinn weiterbewegt, wodurch die Überdeckung der Umfangsnut (20) mit der Ringnut (21) weiter vergrößert wird. Durch die damit verbundene Verringerung der Drosselfunktion des Abschaltventils (7) fällt der Druck im Arbeitsdruckraum (5) so stark ab, daß durch das einsetzende Übergewicht des Druckes auf der Ringseite des Arbeitskolbens (2) dieser bis zum Erreichen der Ausgangslage zurückgefahren wird. Hierfür wird das Druckmittel verwendet, welches beim Ausfahren im Hydro-Druckspeicher (35) gespeichert wurde.

[0034] Während des Rückhubes ist es unerhebliche, ob die Fördermenge der Druckquelle (38) entweder über die Leitung A₁ zum Tank zurückfließt oder über das schaltbare Druckbegrenzungsventil Y₃ direkt zum Tank geleitet wird.

[0035] Wenn der Hydraulikzylinder (1) im Dauerlauf betrieben werde soll, empfiehlt es sich, das Druckbegrenzungsventil Y₃ während des Betriebes nicht abzuschalten und lediglich mit dem Magnetventil Y₁ den Umschaltpunkt des Arbeitskolbens (2) zu realisieren.

Ansprüche

1. Einrichtung zur Hubbegrenzung eines Hydraulikzylinders, insbesondere für Pressen oder dergleichen, mit doppelseitig beaufschlagbarem Arbeitskolben, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Arbeitsdruckraum (5) auf der Kolbenbodenseite wird mit dem Druckmittel einer Druckquelle (38) gefüllt und mit Hilfe eines Abschaltventils (7), das an der Kolbenbodenseite des Arbeitszylinders (1) koaxial mit diesem verbunden ist, zum Tank entleert,

b) der Raum (29) auf der Ringseite des Arbeitskolbens (2) wird konstant mit Druckmittel durch die Einwirkung eines Druckspeichers (35) versorgt, und

c) das Abschaltventil (7) enthält einen in der Schließstellung durch elastische Rückstellkraft, z. B. einer Feder (10), gehaltenen Schieberkolben (9), mittels dessen eine Abzweigung von der Zufuhrleitung (A₁) zum Arbeitszylinder (1) zu einer zum Tank führenden Leitung (T) regelbar ist,

d) im Schieberkolben verläuft eine Schleppstange (13), die sich mit einem Ende durch den Arbeitskolben (2) bis in das Innere (16) der hohlen Kolbenstange (3) des Arbeitskolbens (2) erstreckt und mit einem endseitigen Anschlag (15) vor dem Erreichen der Endlage der Arbeitsbewegung des Arbeitskolbens (2) mit diesem in Kontaktschluß kommt,

e) an der Schleppstange (13) ist am entgegengesetzten Ende ein Ringansatz (19) enthalten, mittels dessen bei Kontaktschluß der Schieberkolben (9) in Richtung Offenstellung bewegt wird, bis sich ein ausgeregelter Zustand einstellt, in dem der Arbeitskolben (2) in seiner Endlage hydraulisch gehalten wird,

f) dem Abschaltventil (7) ist wenigstens ein druckmittelbetriebener Betätigungskolben (24) zugeordnet, der nach Beendigung der Arbeitsbewegung des Arbeitskolbens (2) auf den Schieberkolben im Sinne einer weiteren Öffnungsbewegung einwirken kann, durch die dieser die bisherige ausgeregelte Lage verläßt und durch weiteres öffnen der Abzweigung von der Zufuhrleitung (A₁) zur Tankleitung (T) den Druckmitteldruck auf der Kolbenbodenseite so weit verringert, daß der Arbeitskolben (2) aufgrund des Übergewichts des Gegendruckes auf der Ringseite in seine Ausgangslage zurückbewegbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckquelle (38) für den Arbeitshub einerseits über ein Rückschlagventil (39) mit der Zufuhrleitung (A₁) und andererseits über ein steuerbares Druckbegrenzungsventil (Y₃) mit einer Abflußleitung verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschaltventil (7) einen lösbaren Bestandteil des Arbeitszylinders (1) bildet.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gehäusebohrung (8) für den Schieberkolben (9) zwei axial hintereinander liegende Ringnuten (21, 22) vorgesehen sind, an die zum einen die Abzweigleitung und zum anderen die Tankleitung (T) angeschlossen sind, und daß der Schieberkolben (9) eine Umfangsnut (20) aufweist, die nach Verlassen der Ausgangsstellung des Schieberkolbens auch die zweite, axial hintere Ringnut (21) zunehmend überdeckt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (6) des Abschaltventils (7) am freien Stirnende ein Aufsatz (23) angebracht ist, in dem zwei Betätigungskolben (24) gelagert sind, durch die der Schieberkolben (9) in seine volle Offenstellung gegen die Rückstellkraft bewegbar ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Betätigungskolben (24) mit Hilfe eines Magnetventils (Y₁) steuerbar sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (15) der Schleppstange (13) von außen axial verstellbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (15) mit einem Innengewinde auf einem Gewindeabschnitt (13₁) der Schleppstange (13) gelagert ist und daß das rückwärtige Ende der Schleppstange (13) aus dem Aufsatz (23) herausragt und für die Ausführung einer drehenden Bewegung zur Verstellung der Hubbegrenzung mit einem geeigneten Profil oder dergleichen versehen ist.

Zeichnung