AT522152B1 - Hydrospeicher zur Anspeisung von Stellgliedern mit einer Betriebsfrequenz von mehr als 100 Hz - Google Patents

Abstract

Ein Hydrospeicher zur Anspeisung von Stellgliedern mit einer Betriebsfrequenz von mehr als 100 Hz umfasst einen Gehäusekopf (3) und einen Gehäusekorpus (2), wobei ein von dem Gehäusekopf (3) und dem Gehäusekorpus (2) umschlossener Raum von einer Membran (4) fluiddicht in einen Speicherraum (5) und einen Versorgungsraum (6) aufgeteilt ist, der über eine Stichleitung (11) mit einer Hauptleitung (12) verbunden ist, wobei der Gehäusekorpus (2) die Stichleitung (11) und einen Abschnitt der Hauptleitung (12) umfasst und wobei das Verhältnis von Länge (l) zu kleinstem Durchmesser (d) der Stichleitung (11) kleiner als 3 ist. Erfindungsgemäß bildet der Längsschnitt der Stichleitung (11) zur Reduktion von Einlaufdruckverlusten in die Hauptleitung (12) einen Erweiterungsabschnitt (16), der die Form eines bezüglich seiner Rotationsachse (17) um den halben Kegelwinkel (α) gegenüber der Längsachse (19) der Stichleitung (11) geneigten Kegelstumpfes (18) aufweist.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Hydrospeicher zur Anspeisung von Stellgliedern mit einer Betriebsfrequenz von mehr als 100 Hz, umfassend einen Gehäusekopf und einen Gehäusekorpus, wobei ein von dem Gehäusekopf und dem Gehäusekorpus umschlossener Raum von einer Membran fluiddicht in einen Speicherraum und einen Versorgungsraum aufgeteilt ist, der über eine Stichleitung mit einer Hauptleitung verbunden ist, wobei der Gehäusekorpus die Stichleitung und einen Abschnitt der Hauptleitung umfasst und wobei das Verhältnis von Länge zu kleinstem Durchmesser der Stichleitung kleiner als 3 ist.

[0002] Hydrospeicher werden beispielsweise dazu eingesetzt, um bei hydraulischen Aktuatoren oder Stellgliedern eine stabile Druckversorgung sicherzustellen.

[0003] Aus der GB1412366A ist ein Hydrospeicher bekannt, der zwei Gehäusekomponenten, die einen fluiddichten Raum umspannen, umfasst, wobei in diesem fluiddichten Raum eine Membran angeordnet ist, die den fluiddichten Raum in zwei ebenfalls fluiddicht voneinander getrennte Räume, nämlich in einen Speicherraum und in einen Versorgungsraum, abteilt. Um auch bei sehr hohen Drucklasten eine Dichtheit der Membran zu gewährleisten, umgreift diese umfangseitig einen hinterschnittenen Fersenteil der bodenseitigen Gehäusekomponente und ist zudem von einem Feststellring unter Vorspannung an diesem Fersenteil festgehalten. Typischerweise werden solche Hydrospeicher mittels einer Schraubverbindung an die Druckversorgungshauptleitungen angeschlossen, wodurch sich allerdings ein sehr langer Kanal zwischen Versorgungsraum des Hydrospeichers und der Druckversorgungshauptleitung ergibt. Aus diesem Grund entstehen nicht zu vernachlässigende Druckverluste, die wiederum eine Erhöhung der hydraulischen Induktivität und somit eine Erniedrigung der Resonanzfrequenz des Hydrospeichers zur Folge haben. Wird nun der Hydrospeicher im Bereich dieser Resonanzfrequenz betrieben, so kommt es zu ungewollten Instabilitäten in der Druckversorgung.

[0004] Die SE530391C2 zeigt eine hydraulische Schlagvorrichtung mit einem Hammerkolben, der mit Hilfe eines hydraulischen Steuersystems und eines Hydrospeichers in Bewegung versetzt wird. Hierzu ist der Hydrospeicher über eine beidseitig erweiterte Stichleitung mit einem einen Schlagbolzen führenden Hauptleitung verbunden. Da solche hydraulischen Schlagvorrichtungen mit einer niedrigen Frequenz fern ab der Resonanzfrequenz vorbekannter Hydrospeicher betrieben werden, hat der durch die Stichleitung erzeugte Druckverlust und die damit verbundene Erniedrigung der Resonanzfrequenz des Hydrospeichers keine Bedeutung, sodass das primäre Ziel der lateralen Anbringung des Hydrospeichers lediglich in einer Erniedrigung der äußeren Dimensionierung der Schlagvorrichtung liegt. Zudem ist die Membran des Hydrospeichers mit einem Federelement abgestützt, das kurzzeitig wirkende Kräfte abdämpft und somit eine Verzögerung der Kraftübertragung zur Folge hat, sodass hohe Betriebsfrequenzen gar nicht erreicht werden können.

[0005] Aus der US4163461A, der DE2036199A1 und der JP S587990 U sind Hydrospeicher mit einem Gehäusekorpus, welcher eine Stichleitung und einen Abschnitt der Hauptleitung umfasst, zur Anspeisung von Stellgliedern bekannt. Das Verhältnis von Länge zu kleinstem Durchmesser der Stichleitungen ist kleiner als 3.

[0006] Die US4684687A offenbart einen Hydrospeicher, dessen Versorgungsraum über eine Stichleitung mit einer Hauptleitung verbunden ist. Die Stichleitung weist einen symmetrischen konischen Erweiterungsabschnitt auf.

[0007] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen robusten Hydrospeicher vorzuschlagen, der eine stabile Druckversorgung für Stellglieder oder hydraulische Aktuatoren mit hohen Betriebsfrequenzen von mehr als 100 Hz ermöglicht. Insbesondere soll auch eine stabile Druckversorgung von hydraulischen Kurzhubaktuatoren ermöglicht werden.

[0008] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Längsschnitt der Stichleitung zur Reduktion von Einlaufdruckverlusten in die Hauptleitung einen Erweiterungsabschnitt bildet, der die Form eines bezüglich seiner Rotationsachse um den halben Kegelwinkel a gegenüber

der Längsachse der Stichleitung geneigten Kegelstumpfes aufweist. Der Gehäusekorpus ist erfindungsgemäß als Blockkonstruktion ausgeführt und umfasst eine Ausnehmung, die eine Aufnahme für einen Gehäusekopf bildet. In dem von der Ausnehmung des Gehäusekorpus und des Gehäusekopfes umschlossenen Raum ist ein Trennelement, beispielsweise eine Membran, angeordnet, die den besagten Raum in einen mit einem Speichermedium befüllbaren Speicherraum und in einen Versorgungsraum fluiddicht voneinander abtrennt. Als Speichermedium kann beispielsweise Stickstoff dienen, der unter einem gewünschten Vordruck über ein deckseitig am Gehäusekopf angeordnetes Gasventil in den Speichrraum eingebracht werden kann. Der Versorgungsraum ist dabei über eine Stichleitung mit einer eine Hydraulikflüssigkeit, wie beispielsweise Hydrauliköl oder Wasser, führenden Hauptleitung, die beispielsweise zu einem Stellglied oder einem Aktuator führt, verbunden. Kommt es bei der Druckversorgung in der Hauptleitung beispielsweise zu Druckspitzen, so komprimiert die über die Stichleitung in den Versorgungsraum strömende Hydraulikflüssigkeit das im Speicherraum befindliche Speichermedium, wodurch die Druckspitze ausgeglichen wird. Umgekehrt expandiert das Speichermedium bei Drucksenken, wodurch die Hydraulikflüssigkeit von der Membran aus dem Versorgungsraum verdrängt und dadurch eine konstante Druckversorgung des an der Hauptleitung angeordneten Stellglieds oder dergleichen ermöglicht wird. Es versteht sich dabei für den Fachmann, dass die Membran als Trennelement ganz oder zumindest abschnittsweise elastisch ausgebildet sein muss. Es hat sich gezeigt, dass die Ausbildung des Gehäusekorpus als Abschnitt der mit dem Stellglied oder dem Aktuator verbundenen Haupleitung und der damit verbundenen konstruktiven Nähe von Hauptleitung und Versorgungsraum die Anwendung bei hochdynamischen Anwendungen mit hohen Betriebsfrequenzen ermöglicht, weil die von der Stichleitung verursachten Druckverluste und die damit verbundene Erhöhung der hydraulischen Induktivität minimiert werden kann. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass sich bei einem Längen zu Durchmesser Verhältnis der Stichleitung kleiner als 3 Strömungsbedingungen ergeben, die eine besonders stabile Druckversorgung des Stellglieds oder dergleichen ermöglicht, wodurch ein sicherer Betrieb von Stellgliedern im Freuquenzbereich von mehr als 100 Hz gewährleistet wird, vorausgesetzt, das Hubvolumen des Stellgliedes liegt in einem strömungsdynamisch sinnvollen Verhältnis zum sich ergebenden Totvolumen der Stichleitung, also jenem Teil des Volumenstromes, der nur innerhalb der Stichleitung hin- und her bewegt wird. Um auch eine Verbesserung der Regelungsgüte von hydraulischen Kurzhubaktoren, deren Frequenzbereich bekanntermaßen in einem deutlich höheren Bereich liegt, zu erzielen, hat sich herausgestellt, dass sich ein Längen zu Durchmesser Verhältnis der Stichleitung kleiner als 2 besonders vorteilhaft auf die Betriebssicherheit auswirkt. Auf diese Weise kann, gestützt durch die kompakte Ausgestaltung, ein resonanzfreier und sicherheitstechnisch zulässiger Betrieb in einer Betriebsfrequenz von bis zu 150 Hz erzielt werden, wobei das Verhältnis zwischen dem Hubvolumen des Stellgliedes zum Totvolumen der Stichleitung beispielsweise in einem Bereich größer als 0,3 liegt.

[0009] Um bei einem besonders hohen Vordruck des Speichermediums eine Beschädigung der Membran zu verhindern, wird vorgeschlagen, dass im Ubergangsbereich zwischen Versorgungsraum und Stichleitung ein Membrananschlag zur Verhinderung eines Eintritts der Membran in die Stichleitung angeordnet ist, der einen sich zur Hauptleitung hin erweiternden Strömungskanal für das Fluid bildet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Membrananschlags kann der membranseitige Querschnitt des Strömungskanals klein genug ausgestaltet sein, um ein Verstopfen der Stichleitung durch die Membran zu verhindern. Durch die Erweiterung des Strömungskanalquerschnittes kann zudem ein strömungsoptimierter Übergang vom Speicherraum zur Stichleitung, ohne dabei erhöhte Druckverluste in Kauf nehmen zu müssen, erzielt werden.

[0010] Damit ein Ablösen der Strömung am Übergangsbereich zwischen Stichleitung und Hauptleitung verhindert wird, empfiehlt es sich in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass die Stichleitung einen Erweiterungsabschnitt aufweist, der sich zur Reduktion der strömungsumlenkungsbedingten Einlaufdruckverluste in die Hauptleitung zu dieser hin kontinuierlich erweitert. Kontinuierlich soll in diesem Fall bedeuten, dass die Erweiterung des Erweiterungsabschnittes stufenlos und ohne Sprungstellen erfolgt. Insbesondere kann die Stichleitung einen Erweiterungsabschnitt bilden, der die Form eines bezüglich seiner Rotationsachse um den halben Kegelwinkel gegenüber der Längsachse der Stichleitung geneigten Ke-

gelstumpfes aufweist. Auf diese Weise erfährt die Hydraulikflüssigkeit eine geführte Richtungsänderung, wodurch Verwirbelungen und Turbulenzen vermindert werden können. Hierbei ergeben sich besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen, wenn sich der Erweiterungsabschnitt ausschließlich in Richtung des über die Hauptleitung versorgten Aktuators oder Stellgliedes erweitert.

[0011] Um eine stabile Druckversorgung von Stellgliedern oder hydraulischen Aktuatoren auch bei großen Durchflussmengen der Hydraulikflüssigkeit zu gewähren, ohne dabei eine Uberhitzung im Bereich der Stichleitung zu erzeugen, wird vorgeschlagen, dass das Volumen der Stichleitung maximal 5 % des maximal aufnehmbaren Volumens des Versorgungsraums entspricht. Dadurch wird eine ständige Durchmischung der Hydraulikflüssigkeit und damit ein effektiver konvektiver Wärmetransport zwischen Versorgungsraum, Stichleitung und Hauptleitung erreicht.

[0012] Besonders konstruktiv vorteilhafte Verhältnisse ergeben sich, wenn das Verhältnis zwischen dem größten Durchmesser des Versorgungsraumes quer zur Längsachse der Stichleitung und dem kleinsten Durchmesser der Stichleitung kleiner als 8 ist.

[0013] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen [0014] Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Hydrospeicher und

[0015] Fig. 2 eine schematische Darstellung der als geneigter Kegelstumpf ausgebildeten Stichleitung.

[0016] Der in der Fig. 1 abgebildete Hydrospeicher für Hochfrequenzanwendungen umfasst einen eine Ausnehmung 1 aufweisenden Gehäusekorpus 2, der als Aufnahme für einen Gehäusekopf 3 dient. Der Gehäusekorpus 2 und der Gehäusekopf 3 umschließen dabei einen Raum, der von einer als Trennelement wirkenden Membran 4 in einen Speicherraum 5 und einen Versorgungsraum 6 fluiddicht zueinander aufgeteilt ist. Der Gehäusekopf ist mittels eines Befestigungselementes beispielsweise eines Flanschringes 7 über Schraubverbindungen 8 lösbar mit dem Gehäusekorpus 2 verbunden. Uber ein Gasventil 9, das eine Verschlusskappe 10 als Schutz aufweist, kann der fluiddichte Speicherraum 5 unter Vordruck mit einem Speichermedium, beispielsweise mit Stickstoff oder anderen für den Fachmann naheliegenden Medien, befüllt werden. Das Speichermedium ist dabei durch die Membran 4 fluiddicht vom Versorgungsraum 6 abgetrennt. Um eine stabile Druckversorgung dem Hydrospeicher nachgereihter Stellglieder oder Aktuatoren zu ermöglichen, ist der Versorgungsraum 6 über eine Stichleitung 11 mit einer eine Hydraulikflüssigkeit führenden Hauptleitung 12, die zu dem besagten Stellglied, oder Aktuator führt, verbunden. Im Falle eines Auftretens von Druckspitzen wird die Hydraulikflüssigkeit von der quer zur Stichleitung 11 verlaufenden Hauptleitung 12 über die Stichleitung 11 in den Versorgungsraum 6 gedrückt, wodurch eine Kraft auf die Membran 4 ausgeübt und das Speichermedium im Speicherraum 5 komprimiert wird. Treten umgekehrt Drucksenken auf, expandiert das Speichermedium, woraufhin die Hydraulikflüssigkeit von der Membran 4 aus dem Versorgungsraum 6 verdrängt wird. Um diese konstante Druckversorgung auch bei hohen Betriebsfrequenzen zu ermöglichen, bildet der Gehäusekorpus 2 einen Teil der Hauptleitung 12 aus, wodurch die Stichleitung 11 kurz und mit einem im Vergleich zu herkömmlichen Hydrospeichern großen Querschnittsdurchmesser ausgeführt sein kann. Auf diese Weise kann die hydraulische Induktivität kleingehalten werden und als Folge der Erhöhung der Resonanzfrequenz des schwingungsfähigen Systems eine stabile Druckversorgung hochdynamischer Stellglieder ermöglicht werden. Die besten Ergebnisse hinsichtlich einer konstanten Druckversorgung von Stellgliedern mit hohen Betriebsfrequenzen ergibt sich dabei, wenn das Verhältnis von Länge | zu Durchmesser d der Stichleitung 11 kleiner als 3 ist. Die in der Fig. 1 abgebildete Stichleitung 11 weist ein Verhältnis von Länge | zu Durchmesser d von etwa 1,5 auf, wodurch eine zulässige Betriebsfrequenz von über 180 Hz erzielt werden kann, wobei das Verhältnis zwischen dem Hubvolumen des Stellgliedes zum Totvolumen der Stichleitung in einem Bereich von größer als 0,36 liegt. Damit eine große Dimensionierung des Durchmessers d der Stichleitung 11 auch bei hohen Vordrücken des Speichermediums möglich ist, ist in einer besonders praktischen Ausführungform des Hydrospeichers im Ubergangsbereich 13 zwischen Versorgungsraum 6 und Stichleitung 11 ein Membrananschlag 14 zur Verhinderung eines Eintritts der Membran 4 in die Stichleitung 11 angeordnet. Um die Strömungs-

bedingungen auch im Bereich des Membrananschlags 14 zu optimieren, bildet dieser einen sich zur Hauptleitung 12 hin erweiternden Strömungskanal 15 für das Hydraulikfluid aus. Wie in der Fig. 1 ebenfalls zu sehen, kann die Stichleitung 11 einen Erweiterungsabschnitt aufweisen, der die Form eines bezüglich seiner Rotationsachse um den halben Kegelwinkel gegenüber der Längsachse der Stichleitung 11 geneigten Kegelstumpfes aufweist. Auf diese Weise wird der Hydraulikflüssigkeit eine Strömungsrichtung vorgegeben, wodurch eine Ablösung am Umlenkpunkt zwischen Stichleitung 11 und Hauptleitung 12 vermieden wird.

[0017] Fig. 2 verdeutlicht schematisch die Erweiterung der Stichleitung 11 vom Versorgungsraum 6 zur Hauptleitung 12. Hierzu wird der um seine Rotationsachse 17 symmetrisch ausgebildete Kegelstumpf 18 aus der normal auf die Hauptleitung 12 stehenden Längsachse 19 der Stichleitung um einen Winkel a, der dem halben Kegelwinkel ß entspricht, um einen Schwenkpunkt 20 geschwenkt.

Claims (4)

Patentansprüche

1. Hydrospeicher zur Anspeisung von Stellgliedern mit einer Betriebsfrequenz von mehr als 100 Hz, umfassend einen Gehäusekopf (3) und einen Gehäusekorpus (2), wobei ein von dem Gehäusekopf (3) und dem Gehäusekorpus (2) umschlossener Raum von einer Membran (4) fluiddicht in einen Speicherraum (5) und einen Versorgungsraum (6) aufgeteilt ist, der über eine Stichleitung (11) mit einer Hauptleitung (12) verbunden ist, wobei der Gehäusekorpus (2) die Stichleitung (11) und einen Abschnitt der Hauptleitung (12) umfasst und wobei das Verhältnis von Länge (I) zu kleinstem Durchmesser (d) der Stichleitung (11) kleiner als 3 ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Längsschnitt der Stichleitung (11) zur Reduktion von Einlaufdruckverlusten in die Hauptleitung (12) einen Erweiterungsabschnitt (16) bildet, der die Form eines bezüglich seiner Rotationsachse (17) um den halben Kegelwinkel (a) gegenüber der Längsachse (19) der Stichleitung (11) geneigten Kegelstumpfes (18) aufweist.

2. Hydrospeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich (13) zwischen Versorgungsraum (6) und Stichleitung (11) ein Membrananschlag (14) zur Verhinderung eines Eintritts der Membran (4) in die Stichleitung (11) angeordnet ist, der einen sich zur Hauptleitung (12) hin erweiternden Strömungskanal (15) für das Fluid bildet.

3. Hydrospeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Stichleitung (11) maximal 5 % des maximal aufnehmbaren Volumens des Versorgungsraums (6) entspricht.

4. Hydrospeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem größten Durchmesser (D) des Versorgungsraumes quer zur Längsachse der Stichleitung (11) und dem kleinsten Durchmesser der Stichleitung (11) kleiner als 8 ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen