DE29809717U1 - End position locking of hydraulic working cylinders - Google Patents
End position locking of hydraulic working cylindersInfo
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Abstract
Description
Endlagenverriegelung hydraulischer ArbeitszylinderEnd position locking of hydraulic working cylinders
Die Erfindung bezeichnet eine Endlagenverriegelung hydraulischer Arbeitszylinder, insbesondere Plungerzylinder und Differentialarbeitszylinder mit einer auch führungsseitigen - Verriegelung im höheren Druckbereich. Die Erfindung kann auf allen Gebieten der Fluidtechnik angewandt werden, bei welchen in den Endlagen des Arbeitszylinders eine mechanische Sperre notwendig ist.The invention refers to an end position locking device for hydraulic working cylinders, in particular plunger cylinders and differential working cylinders with a locking device on the guide side in the higher pressure range. The invention can be used in all areas of fluid technology in which a mechanical lock is necessary in the end positions of the working cylinder.
Nach der IPC (Internationale Patentklassifikation) werden Druckmittelbetriebene Stellorgane in der F15B klassifiziert . Die Verriegelung von druckmittelbetriebenen Vorrichtungen ist speziell in der F15B 15/26 klassifiziert.According to the IPC (International Patent Classification), pressure-operated actuators are classified in F15B. The locking of pressure-operated devices is specifically classified in F15B 15/26.
Das bei optimaler Materialausnutzung üblicherweise verwendete Kolbenstangenverhältnis PHI liegt bei hydraulischen Arbeitszylindern im Bereich von 1,6 bis 2,5.The piston rod ratio PHI usually used for hydraulic working cylinders for optimal material utilization is in the range of 1.6 to 2.5.
, PHI-I
Es gilt allgemein: U2=Ct1J—, PHI-I
The general rule is: U 2 =Ct 1 J —
V PHI V PHI
mitwith
d2: Kolbenstangendurchmesserd 2 : piston rod diameter
dx: Kolbendurchmesserd x : piston diameter
Es ist demnach für hydraulischen Differentialarbeitszylinder mit einem auch vorgegebenen Kolbendurchmesser der Kolbenstangendurchmesser in einem gewissen Intervall festgelegt und wird üblicherweise nicht unter bzw. überschritten. Vorbekannte Lösungen zur Verriegelung sind konstruktiv so gestaltet, daß sie sinnvoll vornehmlich nur bodenseitig angewendet werden, da das Lösungsprinzip bei Anwendung imFor hydraulic differential cylinders with a specified piston diameter, the piston rod diameter is therefore set at a certain interval and is usually not exceeded or undershot. Previously known locking solutions are designed in such a way that they are primarily used on the base side, since the solution principle is not applicable when used in the
Stangenführungsbereich radiale Ausdehnungen zur Folge hätte, die eine technisch vertretbare Lösung unter dem Gesichtspunkt kommerzieller Verwertung ausschließt. Vorbekannte Lösungen zur Verriegelung verwenden aus konstruktiven Gründen für eine einseitig wirkende Verriegelung zumeist ein Kolbenstangenverhältnis PHI außerhalb des technisch und kommerziell vertretbaren Bereiches.Rod guide area would result in radial expansions that rule out a technically acceptable solution from the point of view of commercial exploitation. Previously known locking solutions mostly use a piston rod ratio PHI outside the technically and commercially acceptable range for design reasons for a one-sided locking mechanism.
Für eine sperrende gehärtete Stahlkugel ergibt sich eineFor a locking hardened steel ball, the result is a
j FE2
Hertz'sehe Pressung nach />
= 0,388^—— j FE 2
Hertz's pressure according to /> = 0.388^——
&rgr; Hertz'sehe Pressung&rgr; Hertzian pressure
F axiale Kraft auf die KugelF axial force on the ball
E Elastizitätsmodul der mit der Kugel gepaarten TeileE Elastic modulus of the parts paired with the ball
r Radius der Kugelr radius of the sphere
welche aus der Erfahrung den Wert von p=900 N/mm2 nicht überschreiten sollte.which, from experience, should not exceed the value of p=900 N/mm 2 .
Die üblicherweise verwendeten Kugeln haben daher gegenüber im Flächenkontakt pressende Verriegelungselemente einen prinzipiellen Nachteil bei hohen Drücken auf Grund der maximal zulässigen Materialbelastungsgrenzen.The balls commonly used therefore have a fundamental disadvantage compared to locking elements that press in surface contact at high pressures due to the maximum permissible material load limits.
Ein weiteres signifikantes Merkmal vorbekannter Lösungen zur Verriegelung besteht darin, daß die Ankopplung des Sperrsystems zumeist an der Kolbenstange erfolgt, was den verfügbaren Hub verringert und die Verwendung der Kolbenstange für zusätzliche Funktionseinheiten am Arbeitszylinder unmöglich macht (Endschalter; Wegmeßeinrichtung). Ein weiteres Problem ist in der durch Leckage verursachten Sperrung des Verriegelungssystems zu sehen. Füllt sich überAnother significant feature of previously known locking solutions is that the locking system is usually connected to the piston rod, which reduces the available stroke and makes it impossible to use the piston rod for additional functional units on the working cylinder (limit switch; position measuring device). Another problem is the locking of the locking system caused by leakage. If the piston rod fills up above
einen längeren Zeitraum der eigentlich abgeschlossene Raum der vorspannenden Verriegelungskolbenfeder mit dem verwendeten Druckmittel, ist eine Entriegelung nicht mehr möglich, da das selbige der Bewegung des Verriegelungskolbens entgegensteht.If the actually closed space of the pre-tensioning locking piston spring is filled with the pressure medium used for a longer period of time, unlocking is no longer possible because the pressure medium opposes the movement of the locking piston.
In der Druckschrift DE2911071C2 wird eine Verriegelung für Arbeitszylinder mit einem ringförmigen Verriegelungskolben (7) zur Arretierung der Verriegelungselemente (8) ausgeführt, die nur bodenseitig anwendbar ist, da führungsseitig nicht hinreichend Platz für die zur Sperrung erforderlichen Teile, insbesondere den vorgespannten Sperrschieber (20) , zur Verfügung steht oder das führungsseitige Abschlußteil unverhältnismäßig masseintensiv ausgeführt werden müßte.In the publication DE2911071C2, a locking mechanism for working cylinders is designed with an annular locking piston (7) for locking the locking elements (8), which can only be used on the base side, since there is not enough space on the guide side for the parts required for locking, in particular the pre-tensioned locking slide (20), or the end part on the guide side would have to be designed to be disproportionately mass-intensive.
In der Druckschrift DE3540277 wird ein selbstsperrender, doppelt wirkender Arbeitszylinder ausgeführt, bei dem ein Differentialkolben axial verschiebbar einerseits an seinem Außendurchmesser im Gehäuse und andererseits mit seinem Innenkanal an einer gehäusefesten Buchse gelagert ist, wobei ein Verriegelungskolben, der einerseits im Differentialkolben und andererseits in der Buchse gelagert ist, das Kugeigesperre betätigt. Bei diesem Arbeitszylinder bewegen sich innerhalb des Gehäuses drei Bauteile relativ zueinander, wodurch sich ein relativ komplizierter Aufbau darstellt.In the publication DE3540277, a self-locking, double-acting working cylinder is designed in which a differential piston is mounted axially displaceably on its outer diameter in the housing and on its inner channel on a bushing fixed to the housing, whereby a locking piston, which is mounted on the one hand in the differential piston and on the other hand in the bushing, actuates the ball lock. In this working cylinder, three components move relative to one another within the housing, which results in a relatively complicated structure.
Bekannt ist ein verriegelbarer Arbeitszylinder mit wenigen beweglichen Verriegelungsteilen aus der Druckschrift DE3732561C2. Dabei werden Verriegelungsteile zwischen Aussparungen des Kolbeninnenmantels und des Zylinderaußenmantels gedrückt, welche die Sperrung übernehmen. Dazu befin-A lockable working cylinder with a few movable locking parts is known from the publication DE3732561C2. Locking parts are pressed between recesses in the piston inner casing and the cylinder outer casing, which take over the locking. For this purpose,
det sich ein Verriegelungskolben, welcher über eine Feder vorgespannt ist, innerhalb des Arbeitskolbens. Dieses Prinzip ist jedoch aus konstruktiven Gründen nur für bodenseitige Verriegelungen anwendbar, da führungsseitig in die Kolbenstange kein Verriegelungskolben integrierbar ist. Zudem sind hierbei als Verriegelungselemente ausschließlich Kugeln anwendbar, mit dem Nachteil der Linienberührung derselben bei der Sperrung und dadurch extrem hohe Hertz'sehe Pressung, wodurch dieses System nur bei geringen hydraulisehen Drücken anwendbar ist.A locking piston, which is pre-tensioned by a spring, is located inside the working piston. However, for structural reasons, this principle can only be used for bottom-side locking, since no locking piston can be integrated into the piston rod on the guide side. In addition, only balls can be used as locking elements, with the disadvantage of line contact when locking and therefore extremely high Hertzian pressure, which means that this system can only be used with low hydraulic pressures.
In der Druckschrift DE3942348C2 wird ein in der Endlage arretierbarer Arbeitszylinder mit einem vorgespannten Verriegelungskolben beschrieben, bei dem ein in den Kolben integriertes Kugeigesperre in einer dieses aufnehmende ringförmigen Aussparung des Bodens oder des Verriegelungskolbens arretiert wird. Der zentral liegende Verriegelungskolben selbst ist vorgespannt und liegt optional innerhalb des Kolbens (Fig. 3 und 4.). Nachteilig bei diesem System ist, daß eine führungsseitige Ausführung dieser Lösung nicht möglich ist.The publication DE3942348C2 describes a working cylinder that can be locked in the end position with a pre-tensioned locking piston, in which a ball lock integrated into the piston is locked in an annular recess in the base or the locking piston that accommodates it. The centrally located locking piston itself is pre-tensioned and is optionally located inside the piston (Fig. 3 and 4). The disadvantage of this system is that a guide-side implementation of this solution is not possible.
In der Druckschrift DE3428228A1 ist ein in beiden Endlagen arretierbarer Arbeitszylinder offenbart, bei welchem die jeweiligen Kugeigesperre in den Kolben integriert sind und die Arretierung gegen das Zylinderrohr erfolgt, welches durch sogenannte Flanschringe eine spezielle Ausbildung erfährt. Der Verriegelungskolben zur formschlüssigen Arretierung der Kugeln wird innerhalb der hohlen Kolbenstange axial geführt und durch einen separaten Steuerdruck betätigt. Nachteilig ist die Anordnung des VerriegelungskolbensThe publication DE3428228A1 discloses a working cylinder that can be locked in both end positions, in which the respective ball locks are integrated into the piston and the locking takes place against the cylinder tube, which has a special design using so-called flange rings. The locking piston for the positive locking of the balls is guided axially within the hollow piston rod and is actuated by a separate control pressure. The arrangement of the locking piston is disadvantageous
innerhalb der Kolbenstange, da dadurch nur geringe Kräfte über diese übertragbar sind, wodurch diese Anordnung für den Hochdruckbereich ungeeignet ist bzw. weitere Anwendungen der Kolbenstange nicht ermöglichst.within the piston rod, as this means that only small forces can be transmitted via it, making this arrangement unsuitable for the high-pressure range or not allowing further applications of the piston rod.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Realisierung einer führungsseitig und/oder bodenseitig verwendbaren Endlagenverriegelung eines Arbeitszylinders. Wesentliche Aspekte stellen gesonderte modular lösbare Sperreinheiten und eine optionale Verwendbarkeit der Kolbenstange für zusätzliche Systemlösungen dar. Ein weiterer wesentlicher Aspekt liegt in der Verwendbarkeit dieser Realisierung auch für den höheren Druckbereich, sowie im Ausschluß von funktionshemmenden Leckagestörungen.The object of the invention is to implement an end position lock of a working cylinder that can be used on the guide side and/or the base side. Important aspects are separate modularly detachable locking units and an optional usability of the piston rod for additional system solutions. Another important aspect is the usability of this implementation for the higher pressure range, as well as the exclusion of leakage problems that inhibit function.
Die Aufgabe wird durch die im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The problem is solved by the features listed in claim 1. Preferred further developments arise from the subclaims.
Das Wesen der Erfindung liegt in der vollständigen Integration des Kolbens und der je Endlagenverriegelung benötigten Konstruktionsteile, - der Verriegelungselemente, des vorgespannten Verriegelungskolbens und des Verriegelungselementeträgers - innerhalb des Ringraums zwischen Kolbenstange und Zylinder. Bei Differentialarbeitszylindern ist eine derartige Anordnung am Kolben gespiegelt ausgeführt.The essence of the invention lies in the complete integration of the piston and the structural parts required for each end position locking - the locking elements, the pre-tensioned locking piston and the locking element carrier - within the annular space between the piston rod and the cylinder. In differential working cylinders, such an arrangement is mirrored on the piston.
Die Verriegelungselemente greifen in den Zylinderinnenmantel - vorzugsweise im Bereich der Verschlußkappen - ein. Das Lösen der Verriegelungselemente erfolgt bei Druckaufbau im Arbeitsraum durch axiale Bewegung des Verriegelungskol-The locking elements engage in the inner cylinder casing - preferably in the area of the closure caps. The locking elements are released when pressure builds up in the working chamber by axial movement of the locking piston.
bens gegen die Vorspannung der Verriegelungskolbenfeder. Durch die Freigabe des die Verriegelung bewirkenden formschlüssigen Zwangs des Verriegelungskolbens erfolgt bei infinitessimaler axialer Bewegung des Kolbens - vermittelt über axial schräge Kontaktflächen des Verriegelungselements zur Aussparung im Zylinder - das vollständige Eindrücken der Verriegelungselemente in den Ringraums zwischen Kolbenstange und Zylinder.especially against the preload of the locking piston spring. By releasing the positive locking force of the locking piston, which causes the locking, the locking elements are completely pressed into the annular space between the piston rod and the cylinder with an infinitessimal axial movement of the piston - mediated by axially inclined contact surfaces of the locking element to the recess in the cylinder.
Zur Realisierung einer Endlagenverriegelung bei hohen Drükken werden keine im Linienkontakt pressenden Kugeln sondern vorzugsweise im Flächenkontakt pressende Kreissegmente als Verriegelungselemente benutzt. Zur Unterbindung leckagebedingter Störungen wird der Raum indem die Vorspannung für den Verriegelungskolben über eine Verriegelungskolbenfeder erfolgt über einen Kanal und ein Ventil zum gegenüberliegenden Arbeitsraum entspannt, vorzugsweise innerhalb der Kolbenstange. Zur Gewährleistung einer optional verbesserten axialen Führung des Kolbens im Zylinder wechseln sich alternierend axial führende Teile des Verriegelungselementeträgers mit Teilen der Verriegelungskolbenfeder bzw. Verriegelungskolbenfedern ab. Durch den vorzugsweise modularen Aufbau der zur Verriegelung benötigten Konstruktionsteile bezüglich des Kolbens ist eine wahlweise Ausführung des Arbeitszylinders mit und ohne Verriegelung einfach möglich.To achieve end position locking at high pressures, circular segments pressing in surface contact are used as locking elements, rather than balls pressing in line contact. To prevent leakage-related faults, the space in which the preload for the locking piston is applied via a locking piston spring is released via a channel and a valve to the opposite working space, preferably within the piston rod. To ensure optionally improved axial guidance of the piston in the cylinder, axially guiding parts of the locking element carrier alternate with parts of the locking piston spring or locking piston springs. Due to the preferably modular design of the structural parts required for locking with regard to the piston, it is easy to design the working cylinder with or without locking.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere inThe advantages of the invention are in particular
- der im wesentlichen gleichartigen Ausführung der an beiden Systemen für die Verriegelung benötigten Konstruktionsteile, - the essentially similar design of the structural components required for locking in both systems,
- der Möglichkeit einer - auch bezüglich der Verschlußkappen - relativ schlanken materialsparenden Bauausführung,- the possibility of a relatively slim, material-saving design - also with regard to the closure caps,
- der auch im höheren Druckbereich funktionssicheren Konstruktion - the design is functionally reliable even in the higher pressure range
- der schonenden Behandlung des Zylinderinnenrohres infolge flächiger Belastung der Sperrschieber- the gentle treatment of the cylinder inner tube due to the surface load on the locking slide
- der Gewährleistung der Funktionsfähigkeit auch bei langer Verriegelungszeit und- ensuring functionality even with long locking times and
- der zusätzlichen Verwendung von Stell- und Positionierungssystemen im Kolbenstangenbereich, da dieser durch das Verriegelungssystem nicht verwendet wird.- the additional use of adjustment and positioning systems in the piston rod area, as this is not used by the locking system.
Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel an Hand von
Fig. 1 als Endlagenverriegelung in der Führungsseite eines Arbeitszylinders
(Fig. 2 als Schnitt von Fig. 1)The invention is illustrated by way of example with reference to
Fig. 1 as end position locking in the guide side of a working cylinder
(Fig. 2 as a section of Fig. 1)
Fig. 3 als Endlagenverriegelung in der Bodenseite eines DifferentialarbeitsZylinders
näher erläutert.Fig. 3 as end position lock in the bottom side of a differential working cylinder
explained in more detail.
Nach Figur 1 und Figur 2 besteht ein hydraulischer Arbeitszylinder aus einem Kolben 1 auf einer Kolbenstange 2, welcher innerhalb eines Zylinders 3 geführt wird. In den Endlagen des Hubs wird die Position des Kolbens 1 im Zylinder 3 über Verriegelungselemente 4 formschlüssig arretiert. Diese Endlagenverriegelung benötigt neben den Verriegelungselementen 4 einen, vorteilhaft über eine Verriegelungskolbenfeder 5 - vorgespannten Verriegelungskolben 6 und einen Verriegelungselementeträger 7, der die Verriegelungselemente 4 bei ihrer radialen Bewegung führt und axial arretiert. Die Endlagenverriegelung ist zusammen mit dem Kolben 1According to Figure 1 and Figure 2, a hydraulic working cylinder consists of a piston 1 on a piston rod 2, which is guided within a cylinder 3. In the end positions of the stroke, the position of the piston 1 in the cylinder 3 is positively locked by locking elements 4. In addition to the locking elements 4, this end position locking requires a locking piston 6, which is advantageously pre-tensioned by a locking piston spring 5, and a locking element carrier 7, which guides the locking elements 4 during their radial movement and locks them axially. The end position locking is together with the piston 1
vollständig innerhalb des Ringraums zwischen Kolbenstange 2 und Zylinder 3 integriert. Die Verriegelungselemente 4 greifen zur Verriegelung der Endlage in Aussparungen 8 des Zylinderinnenmantels ein, welche vorzugsweise in einem Verschlußstück 9 eingebracht sind. Der Verriegelungselementeträger 7 ist mit dem Kolben 1 verbunden und zwischen diesem und der zu verriegelnden Endlage auf der Kolbenstange 2 angeordnet. Er trägt partiell zur axialen Führung des Kolbens 1 im Zylinder 3 bei und beinhaltet in entsprechenden Räumen eine oder mehrere Verriegelungskolbenfedern 5, welche die Druckvorspannung des auf der Kolbenstange 2 axial beweglichen Verriegelungskolbens 6 erzeugt, wenn sich der Verriegelungskolben 6 - durch den Druck des Arbeitsmediums auf seine zur Endlage orientierten Fläche - dem Kolben 1 nähert. Der Verriegelungskolben 6 weist auf seinem Außenmantel eine Fase 10 auf, welche die Verriegelungselemente 4 formschlüssig zwischen den Aussparungen 8 und dem Verriegelungselementeträger 7 arretiert, wenn die Endlage des Kolbens 1 erreicht ist, indem die bei der Annäherung des KoI-bens 1 an die Endlage aufgebaute Vorspannung eine radiale Verschiebung nach Außen der Verriegelungselemente 4 in die Aussparung 8 erzwingt. Dabei bildet die Berührungsfläche der Verriegelungselemente 4 mit der Aussparung 8 eine leichte axiale Schräge 11 aus. Die Verriegelungselemente 4 sind vorteilhaft als Kreissegmente ausgeführt, wodurch in den Aussparungen 8 eine Flächenpressung erzielt wird. Vorteilhaft ist der Raum der Verriegelungskolbenfeder 5 über einen dünnen Kanal 12 mit einem Ventil 13 mit dem jeweils anderen, druckfreien Arbeitsraum verbunden, wodurch auch bei vorhandener Leckage stets eine Entspannung dieses Raumes gegeben ist.completely integrated within the annular space between piston rod 2 and cylinder 3. The locking elements 4 engage in recesses 8 of the cylinder inner casing to lock the end position, which are preferably incorporated in a closure piece 9. The locking element carrier 7 is connected to the piston 1 and is arranged between it and the end position to be locked on the piston rod 2. It partially contributes to the axial guidance of the piston 1 in the cylinder 3 and contains one or more locking piston springs 5 in corresponding spaces, which generate the pressure preload of the locking piston 6, which is axially movable on the piston rod 2, when the locking piston 6 approaches the piston 1 - due to the pressure of the working medium on its surface oriented towards the end position. The locking piston 6 has a bevel 10 on its outer casing, which locks the locking elements 4 in a form-fitting manner between the recesses 8 and the locking element carrier 7 when the end position of the piston 1 is reached, in that the preload built up when the piston 1 approaches the end position forces a radial outward displacement of the locking elements 4 into the recess 8. The contact surface of the locking elements 4 with the recess 8 forms a slight axial slope 11. The locking elements 4 are advantageously designed as circular segments, whereby a surface pressure is achieved in the recesses 8. The space of the locking piston spring 5 is advantageously connected to the other, pressure-free working space via a thin channel 12 with a valve 13, whereby this space is always relieved even if there is a leak.
Nach Fig. 3 weist ein Differentialarbeitskolben sämtliche zur Endlagenverriegelung notwendigen Konstruktionselemente entsprechend Fig. 1 doppelt auf, wobei diese vorteilhaft jeweils an der Schnittfläche des Kolbens 1 gespiegelt sind. Der somit erzielbare modulare Aufbau der Endlagenverriegelung gestattet in der Produktion von Arbeitszylindern eine einfache an Kundenwünschen orientierte funktionelle Ausstattung dieser mit weitgehend einheitlichen Konstruktionsteilen. According to Fig. 3, a differential working piston has all the structural elements required for the end position locking in duplicate, as shown in Fig. 1, whereby these are advantageously mirrored on the cutting surface of the piston 1. The modular structure of the end position locking that can be achieved in this way allows for simple functional equipment of working cylinders in line with customer requirements with largely uniform structural parts.
&iacgr;&ogr;&iacgr;&ogr;
Verwendete BezugszeichenReference symbols used
Claims (6)
dadurch gekennzeichnet,in the end positions of the stroke, the position of the piston (1) in the cylinder (3) is positively locked via locking elements (4),
characterized,
daß als Verriegelungselemente (4) keine Kugeln verwendet werden.3. End position locking of hydraulic working cylinders according to claim 1 or claim 2, characterized in
that no balls are used as locking elements (4).
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Legal Events
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