CH640312A5 - Druckuebersetzte hydropneumatische antriebsvorrichtung. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine druckübersetzte hydropneumatische Antriebsvorrichtung für Eilgang und Krafthub, insbesondere zum Antrieb von Stanzwerkzeugen, mit folgenden Merkmalen:

a) es ist ein Zylindergehäuse mit zwei durch eine Querwand voneinander getrennten Abschnitten vorgesehen;

b) im ersten Zylinderabschnitt ist ein pneumatisch beaufschlagbarer, einen Plunger-Durchmesser tragender Scheibenkolben abgedichtet geführt;

c) der Plunger kann die Querwand nach einem vorgegebenen Hub abgedichtet durchdringen;

d) im zweiten Zylinderabschnitt ist ein Arbeitskolben mit einer nach aussen führenden Kolbenstange angeordnet;

e) der Arbeitskolben ist auf der Kolbenstangenseite zum Rückhub mit Druckluft beaufschlagbar;

f) ein den Plunger umfassender Ringkolben ist im ersten Zylinderabschnitt vorgesehen;

g) die vom Arbeitskolben und vom Ringkolben begrenzten Zylinderräume beiderseits der Querwand sind mit Hydrauliköl gefüllt.

Zugrundeliegender Stand der Technik: US-PS 3 426 530, US-PS 4 072 013.

Bei einem aus der US-Patentschrift 3 426 530 bekannten Antrieb dieser Gattung wird beim Eilgang in den Raum zwischen dem Ringkolben und dem Scheibenkolben Druckluft eingeleitet. Dabei verschiebt der Ringkolben den Hydraulik-ölvorrat und bewegt mit dessen Hilfe den Arbeitskolben. Der erwähnte Raum ist gleichzeitig Hubraum des Scheibenkolbens beim Krafthub und stellt im Eilgang einen toten Luftraum dar, der verhältnismässig gross ist. Das hat die nachteilige Folge, dass beim Eilgang viel Antriebsdruckluft verbraucht wird. Auch erfordert der Druckauf- und -abbau in diesem grossen Raum eine verhältnismässig lange Zeit, was die Ansprechgeschwindigkeit dieses bekannten Antriebs herabsetzt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Antriebsluftdruck des Eilgangs beim Krafthub ganz abgebaut sein muss, da er der beginnenden Bewegung des Scheibenkolbens entgegenwirkt.

Da der Ringkolben des bekannten Antriebs auf einer Seite mit Druckluft und auf der anderen Seite mit Hydrauliköl beaufschlagt ist, weist er eine besondere Dichtungsanordnung auf, bestehend aus zwei Dichtungsringen und einer Entlüftung des dazwischen liegenden Ringraums. Dies ist erfah-rungsgemäss unumgänglich, da keine Dichtung auf Dauer vollkommen dicht ist und deshalb ohne Belüftung des Zwischenraums Luft in das Hydrauliköl gelangen und dieses aufschäumen würde. Das hätte zur Folge, dass am Arbeitskolben die gewünschte Kraft nicht erzeugt werden und der Antrieb sich unzulässig erhitzen könnte. Da sich jedoch die Belüftungsöffnung im Zylindergehäuse nicht mit dem Ringkolben bewegt, müssen die Dichtungsringe um mindestens die Hublänge dieses Kolbens auseinandergerückt werden. Das bringt eine unvorteilhafte Verlängerung des ganzen Zylindergehäuses des Antriebs nach US-Patent 3 426 530 mit sich.

Schliesslich zeigt dieser bekannte Antrieb eine komplizierte Bauweise insofern, als der Plunger ein Hohlkörper ist, in den ein rüsselförmiger Ansatz der Zylinderstirnwand abgedichtet hineinragt.

Ein druckübersetzter hydropneumatischer Antrieb anderer Gattung ist aus der US-Patentschrift 4 072 013 bekannt. Um den Arbeitskolben im Eilgang zu bewegen, weist dieser eine in Vorschubrichtung mit Druckluft beaufschlagbare Ringfläche auf. Hierdurch wird zwar die Ansprechzeit verkürzt. Diese bekannte Anordnung verbraucht aber viel Antriebsdruckluft, weil auch ein den Arbeitskolben umgebender, in einem eigenen Zylindergehäuse geführter Ringkolben mit Druckluft beaufschlagt wird. Im übrigen hat die konzentrisch verschachtelte Bauweise dieses bekannten Antriebs wesentliche fertigungstechnische Nachteile, was auch die grosse Zahl der erforderlichen Einzelteile erkennen lässt.

Die Antriebsvorrichtung gemäss der Erfindung ist durch den Wortlaut des Anspruchs 1 gekennzeichnet.

In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Sie zeigt einen Längsschnitt eines druckübersetzten hydropneumatischen Antriebes mit einem als Stufenkolben ausgebildeten Arbeitskolben.

Die dargestellte Antriebsvorrichtung setzt sich zusammen aus einem Hochdruckzylinder 1, in dem sich ein gestufter Arbeitskolben 2, der eine Kolbenstange 3 aufweist, bewegen kann, und einem Druckluftzylinder 4, dessen Deckel 5 mit Hilfe mehrerer über den Umfang verteilter langer Spannschrauben 6 mit dem Hochdruckzylinder 1 verspannt ist. Der Druckluftzylinder 4 enthält einen Scheibenkolben 7, der mit einem Plunger 8 fest verbunden ist, und einen Ringkolben 9, der innen gegenüber dem Plunger und aussen gegenüber dem Druckluftzylinder 4 abgedichtet ist. Zwischen dem Ringkolben 9 und dem Scheibenkolben 7 ist eine Druckfeder 10 eingespannt. Der Teil des Druckluftzylinder-Innenraumes, in dem sich diese Druckfeder 10 befindet, steht über ein Filter 11 mit der Aussenluft in Verbindung. Der Raum zwischen dem Ringkolben 9 und der oberen Querwand 12 des Hochdruckzylinders wird als Ölspeicher 13 bezeichnet, der Raum zwischen dem Arbeitskolben 2 und dieser Querwand als Ölkammer 14. Beide sind mit Hydrauliköl gefüllt. In der Querwand 12 befindet sich eine nach oben trichterförmig aufgeweitete Durchtrittsöffnung 15 mit Dichtring, welche

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von dem nach unten gehenden Plunger 8 dicht verschlossen werden kann.

Der Hochdruckzylinder 1 hat zwei Druckluftanschlüsse A und B. Der Anschluss A steht mit dem durch die Stufe gebildeten Ringraum 16 in Verbindung, wodurch eine Ringfläche 16a des Arbeitskolbens 2 beaufschlagt werden kann. Der andere Druckluftanschluss B führt zu dem zwischen dem Arbeitskolben 2 und einem unteren Deckel 17 des Hochdruckzylinders gebildeten Raum 18. Der Arbeitskolben 2 hat eine nach oben offene zentrale Bohrung 19 zur Aufnahme des Plungers 8, wobei der Durchmesser dieser Bohrung deutlich grösser als der Aussendurchmesser des Plungers 8 ist.

Die eventuell nach längerem Betrieb eintretende geringe Leckage der Medien Luft und Öl wird über eine Ringnut und eine Längsbohrung 20 im Arbeitskolben 2 und dessen Kolbenstange 3 nach aussen abgeführt. Über einen am Hochdruckzylinder 1 angebrachten Nippel 21 kann jederzeit Hydrauliköl in den Ölspeicher 13 nachgefüllt werden.

Der Ringraum 16 ist über eine Verbindungsleitung 22 und eine Ventileinheit 23 mit dem Raum 24 zwischen dem Scheibenkolben 7 und dem Deckel 5 des Druckluftzylinders verbunden. Die Ventileinheit enthält ein nur schematisch dargestelltes, nach oben öffnendes Überdruckventil 25. Ferner ist in der Ventileinheit ein Schnellentlüftungsventil 26 vorgesehen, welches die Verbindung zwischen der Verbindungsleitung 22 und dem Raum 24 herstellt, wenn in der Verbindungsleitung 22 Druck herrscht und das Überdruckventil 25 öffnet und welches andererseits bei Druckabfall in dieser Verbindungsleitung 22 die Entlüftung des Raumes 24 über einen Auslass 27 ermöglicht. Das Schnellentlüftungsventil 26 enthält ein auf- und abbewegliches Plättchen mit einem lippenartigen Dichtrand. Damit dieses Plättchen beim Rücklauf des Scheibenkolbens nach unten zurückweichen kann, ist dem Überdruckventil 25 als Bypass ein Rückschlagventil parallel geschaltet, welches die zwischen dem Überdruckventil 25 und dem Plättchen aufgestaute Luft in den Ringraum 16 abführt, der in dieser Phase ins Freie geöffnet ist.

Der beschriebene Antrieb wirkt wie folgt: In der gezeigten Ruhestellung ist der untere Druckluftanschluss B mit Druckluft beaufschlagt. Der Arbeitskolben 2 steht infolgedessen in seiner oberen Stellung. Ebenso wird der Scheibenkolben 7 von der Druckfeder 10 in seiner oberen Stellung gehalten.

Für den Eilgang wird der obere Druckluftanschluss A und damit die Ringfläche 16a beaufschlagt, während der Raum 18 entlüftet wird. Dadurch bewegt sich der Arbeitskolben 2 nach unten. Gleichzeitig drückt der Ringkolben 9 unter der Wirkung der Druckfeder 10 durch die geöffnete Durchtrittsöffnung 15 Hydrauliköl aus dem Ölspeicher 13 in die Ölkammer 14. Dieses Hydrauliköl drückt ebenfalls in Vorschubrichtung auf den Arbeitskolben 2.

Stösst der Arbeitskolben 2 nun auf Widerstand, so baut sich in dem Ringraum 16 ein Druck auf, der das Überdruckventil 25 öffnet, so dass die Druckluft den Scheibenkolben 7 mit dem Plunger 8 gegen die Kraft der Druckfeder 10 nach unten bewegt.

Sobald der Plunger 8 die Durchtrittsöffnung 15 und deren Dichtring durchfährt, steht der Ringkolben 9 still und das Hydrauliköl in der Ölkammer 14 wird durch das Eindringen des Plungers 8 verdrängt, so dass in der Ölkammer ein sehr hoher Druck entsteht, der den Arbeitskolben 2 mit höchster Kraft auf seinem restlichen Arbeitsweg nach unten bewegt. Die entstehende Kraft entspricht im wesentlichen dem Verhältnis des Querschnitts des oberen Teils des Arbeitskolbens zum Querschnitt des Plungers mal der von der Druckluft auf den Scheibenkolben ausgeübten Kraft. Zusätzlich wirkt die Druckluft nach wie vor auf die Ringfläche 16a des Arbeitskolbens 2.

Ist der Krafthub beendet, so wird die Druckluft wieder auf den Anschluss B umgeschaltet und der Arbeitskolben 2 in seine Ausgangsstellung zurückgedrückt. Gleichzeitig schiebt der oberhalb des Arbeitskolbens entstehende Öldruck den Plunger 8 zurück, wobei die Druckfeder 10 mitwirkt. Das schliesslich aus der Ölkammer 14 ausgestossene Öl wird vom Ölspeicher 13, der durch die Druckfeder 10 vorgespannt ist, . luftblasenfrei aufgenommen.

Die durch das Filter 11 ein- und ausströmende atmosphärische Luft wird nicht komprimiert. Sie trägt besonders bei Dauerbetrieb wesentlich zur Kühlung der Anordnung bei.

Nur als Beispiel werden nachfolgend die wichtigsten technischen Daten eines Prototyps eines solchen Antriebes gegeben: Pneumatischer Betriebsdruck 6 Bar, Eilgangkraft 430 kp, Arbeitskraft 10 000 kp, Rückzugskraft 780 kp, Gesamthub 30 mm, Arbeitshub 6 mm, Hubzahl 40/min., Bauhöhe insgesamt 500 mm. In Anbetracht der hohen Arbeitskraft ist der Luftverbrauch mit 1,81 Druckluft, entsprechend 10,81 angesaugter Luft je Hub, ausserordentlich gering. Hinzuweisen ist auch auf das optimale Verhältnis der Kräfte zueinander im Hinblick auf die Anwendung in der Stanzereitechnik, wo die Rückzugskraft des Arbeitskolbens im Verhältnis zur Arbeitskraft nicht zu klein sein darf.

Ein solcher Antrieb verbraucht wenig Antriebsdruckluft pro Hub, spricht schnell an, hat eine geringe Baulänge und ist einfach zu fertigen.

Eine wesentliche Verringerung des Druckluftverbrauchs ergibt sich zum einen aus dem Wegfall jeglichen toten Luftraumes und zum anderen aus dem Umstand, dass der Ringkolben gar nicht mehr mittels Druckluft angetrieben wird, sondern mittels der Druckfeder. Gleichzeitig ergibt sich eine Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit, d.h. eine Verkürzung des Zeitintervalls vom Startsignal bis zum Ende des Krafthubes, wozu vorteilhafterweise die Druckfeder beiträgt, denn der durch sie bewirkte Anfangsdruck im Ölspeicher unterstützt den pneumatischen Antrieb des Arbeitskolbens im Eilgang. Die bisher notwendige Doppeldichtung des Ringkolbens wird entbehrlich, da dieser nicht mehr mit Druckluft beaufschlagt ist. Vielmehr steht das Hydrauliköl wie erwähnt ständig unter Überdruck, so dass allenfalls Öl austreten, niemals aber Luft in das Öl gelangen kann. Der Wegfall der auf Abstand gesetzten Doppeldichtung erlaubt eine beträchtliche Verkürzung des Ringkolbens und damit des ganzen Zylindergehäuses. Schliesslich erreicht die Erfindung eine konstruktive Vereinfachung durch den Wegfall sowohl röhrenförmiger als auch mehrfach konzentrisch geschachtelter Elemente, was einen fühlbaren Fertigungsund damit Preisvorteil ergibt.

Da der die Druckfeder enthaltende Raum im Betrieb sein Volumen mit jedem Arbeitstakt verkleinert und wieder ver-grössert, wird Luft ausgestossen und aus der Umgebung wieder eingesaugt. Dieser Atmungsvorgang bewirkt eine vorteilhafte Kühlung des Antriebs. Um den Luftströmungswiderstand gering zu halten und das Eindringen von Staub und Fremdkörpern in den Raum zu verhindern, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Verbindung zur Atmosphäre über ein Filter erfolgt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

640312 2 PATENTANSPRÜCHE

1. Druckübersetzte hydropneumatische Antriebsvorrichtung für Eilgang und Krafthub, insbesondere zum Antrieb von Stanzwerkzeugen, mit folgenden Merkmalen:

a) es ist ein Zylindergehäuse mit zwei durch eine Querwand voneinander getrennten Abschnitten vorgesehen;

b) im ersten Zylinderabschnitt ist ein pneumatisch beauf-schJagbarer, einen Plunger-Durchmesser tragender Scheibenkolben abgedichtet geführt;

c) der Plunger kann die Querwand nach einem vorgegebenen Hub abgedichtet durchdringen;

d) im zweiten Zylinderabschnitt ist ein Arbeitskolben mit einer nach aussen führenden Kolbenstange angeordnet;

e) der Arbeitskolben ist auf der Kolbenstangenseite zum Rückhub mit Druckluft beaufschlagbar;

f) ein den Plunger umfassender Ringkolben ist im ersten Zylinderabschnitt vorgesehen;

g) die vom Arbeitskolben und vom Ringkolben begrenzten Zylinderräume beiderseits der Querwand sind mit Hydrauliköl gefüllt;

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

h) der Arbeitskolben (2) weist eine in Vorschubrichtung mit Druckluft beaufschlagbare Ringfläche (16a) auf;

i) zwischen dem Scheibenkolben (7) und dem Ringkolben (9) ist eine Druckfeder (10) eingespannt;

j) der die Druckfeder (10) enthaltende Raum ist immer mit der Atmosphäre verbunden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zur Atmosphäre über ein Filter (11) erfolgt.