CH658497A5

CH658497A5 - Hydropneumatischer druckmittelwandler.

Info

Publication number: CH658497A5
Application number: CH522282A
Authority: CH
Inventors: Werner Gueng
Original assignee: Specken Ag
Priority date: 1981-11-05
Filing date: 1982-09-02
Publication date: 1986-11-14
Also published as: DE3143890C2; DE3143890A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein hydropneumatischer Druckmittelwandler der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art.

Druckmittelwandler werden als Bindeglied hydropneumatischer Antriebe zwischen Druckluft- und Hydrauliksystem eingesetzt. Offene hydropneumatische Systeme dieser Art bestehen in der Regel aus einem pneumatischen Leistungskreis, einem Druckmittelwandler, einem Stromregulierventil oder auch mehreren in einem Steuerblock angeordneten Stromregulierventilen und einem oder mehreren Antriebszylindern.

Über den Druckmittelwandler wird die im pneumatischen Leistungskreis eingeprägte Energie auf das Hydrauliksystem übertragen. Elektrische Signalverarbeitungssysteme bestimmen hierbei die Sequenzen im pneumatischen Leistungskreis, so dass über elektropneumatische Wandler und die vorerwähnten pneumatisch beeinflussbaren hydropneu-matischen Stromregulierventile dem Hydraulikstrom Signale eingeprägt werden können.

Die Hydraulikströme oder auch Hydroströme derart aufgebauter hydropneumatischer Systeme haben für viele Antriebsprobleme hervorragende Eigenschaften. Die Energie der Druckluft ist infolge der grossen Strömungsgeschwindigkeiten rasch verfügbar. Die Übertragung im Hydraulikteil erfolgt bei Verwendung moderner Geräte mit wenig Verlusten. Dabei ist der Hydrostrom frei von eingeprägten periodischen Störschwingungen. Ein noch nicht befriedigend gelöstes Problem sind die nichtperiodischen Störschwingungen, welche häufig von im Hydraulikmittel eingeschlossener, ungelöster Luft, von den Dichtungen und ungünstigen Gleiteigenschaften der Dichtungsmittel einerseits und des verwendeten Hydrodruckmittel andererseits herrühren.

So ist es bei derartigen Systemen wichtig, einen Druckmittelwandler zu verwenden, der möglichst geringen Leckverlust besitzt oder bei welchem Leckverlust des Hydraulikmittels selbsttätig ausgeglichen werden.

Bei einem hydropneumatischen Druckübersetzer, wie er in der DE-OS 29 06 631 beschrieben ist, ist dieses Problem mit einem Zylinder gelöst, welcher mit einem Druckmittelspeicherraum kombiniert ist, aus dem Leckverluste nach jedem Kolbenhub ausgeglichen werden.

Ein anderer Lösungsweg wurde bei einer hydraulisch-pneumatischen Druckübertragungsvorrichtung beschritten, wie diese in der DE-OS 15 50 704 beschrieben ist. Bei dieser Übertragungsvorrichtung ist bewusst auf eine Trennung zwischen pneumatischem und hydraulischem Kreis mittels eines dichten Kolbensystems verzichtet. Vielmehr erfolgt die Druckübertragung unmittelbar vom gasförmigen Medium, also der Luft, auf das hydraulische Medium, also das Öl, wobei lediglich ein im Zylinder nicht dichtend angeordneter Schwimmer oder Schwimmkolben aus leichtem Material die materielle Grenze zwischen den beiden Medien bildet.

Wie Untersuchungen gezeigt haben, ist bei einer derartigen Anordnung das Risiko, dass gasförmiges Druckmittel in das hydraulische Druckmittel eindringt und im hydraulischen System verbleibt, relativ gering. Da das gasförmige Medium stets das Bestreben hat, nach oben zu entweichen, erfolgt schon sehr rasch bei dieser Anordnung eine Entmischung und damit Entlüftung.

Problematischer ist bei dieser Anordnung allerdings, dass das mit hohem Druck impulsartig in den Wandler eindringende pneumatische Druckmittel eine Verwirbelung und Versprühung des hydraulischen Mittels bewirkt, wodurch Hydraulikmittel in das pneumatische System gelangen und in diesem verschleppt werden kann.

Bei der Lösung nach der DE-OS 15 50 704 soll dies dadurch vermieden werden, dass zwischen dem Drucklufteinlass und dem Zylinderraum eine Trennwand mit einer kleinen Öffnung vorgesehen ist, welche ausserdem mit dem Zylinderraum über ein U-förmig nach oben gebogenes Rohr verbunden ist.

Eine derartige Trennwand, die zwar das Verschleppen des Hydraulikmittels verhindern mag, stellt jedoch in dem System einen nicht unerheblichen Strömungswiderstand dar, wodurch neue Probleme, wie z.B. Phasenverschiebungen, Schwingungsneigungen und dgl. entstehen.

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Druckmittelwandler mit Schwimmkolben geschaffen werden, bei wel2

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chem das Verschäumen und Verschleppen des hydraulischen Druckmittels ohne Vergrösserung des Widerstandes im pneumatischen Druckmittelkreis erreicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäss vorliegender Erfindung nach dem Kennzeichen des Hauptanspruchs dadurch gelöst, dass der Kolben Führungsringe aufweist, mit welchen er an der Zylinderinnenwand anliegt, wobei zwischen den Führungsringen ein grösserer Ringspalt vorgesehen ist, der mit dem Luftraum bzw. Hydraulikmittelraum über die Führungsringe durchsetzende Durchbrüche verbunden ist.

Schon die Anordnung von Führungsringen und Ringspalt verhindert wirksam das Verschäumen des Hydraulikmittels, ohne jedoch den Widerstand in den pneumatischen oder hydraulischen Druckmittelkreisen oder Reibungsverluste des Schwimmkolbens zu erhöhen.

Diese Wirkung kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung dadurch verbessert werden, dass zwischen den Führungsringen und dem äusseren Ringspalt ringförmige Einschnitte unterschiedlicher Tiefe kaskadenartig axial hintereinander angeordnet sind. Die kaskadenartige Anordnung verschiedener Spalte ermöglicht ohne wesentliche Strömungsverluste ein automatisches Entlüften und setzt nach Art einer Labyrinthdichtung die Strömungsgeschwindigkeit des durch die Durchbrüche eintretenden pneumatischen Druckmittels herab, wodurch das gefürchtete Verschäumen weitgehend vermieden wird.

Bei einem derartigen Wandler kann in sehr einfacher Weise das Hydrodruckmittel drucklos und ohne Verwendung von Pumpen von oben in den Zylinder eingebracht werden. Hierbei tritt es durch die Durchbrüche und den Ringspalt in den unteren Zylinderraum. Der Schwimmkolben steigt mit geringer Verzögerung in die durch sein spezifisches Gewicht bedingte Trennposition. Da dynamisch wirkende Dichtelemente ganz fehlen, arbeitet der Übertrager leckfrei und ohne Reibungsverluste.

Konstruktive Einzelheiten des erfindungsgemässen Druckmittelwandlers sind mit den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles im einzelnen erläutert. Die Zeichnung zeigt einen Axialschnitt eines erfindungsgemäss gestalteten Druckmittelwandlers.

Dieser besteht im wesentlichen aus einem Zylinder 10, der oben von einem Zylinderdeckel 20 und unten von einem Zylinderdeckel 30 verschlossen ist. Im Zylinderinneren befindet sich der Schwimmkolben 40, welcher in das Hydraulikmittel eintaucht, dessen Oberfläche mit der Niveaulinie 19 angedeutet ist.

In den oberhalb des Kolben 40 befindlichen Zylinderraum 11 gelangt über die Druckmittelleitung 22 und den Lufteinlass 21 die Druckluft. In entsprechender Weise sind für das hydraulische Druckmittel im unteren Zylinderdeckel 30 eine radial verlaufende Anschlussleitung 32 und der axial in den Zylinderraum mündende Einlass 31 vorgesehen. Die Deckel 20 und 30 sind mit Hilfe von Schrauben 24 und 34 mit dem Zylinder 10, der im Bereich der Schrauben Verstärkungsrippen 13 besitzt, fest verbunden. O-Ringe 14 zwischen Zylinder 10 und den Deckeln 20 und 30 sorgen für die erforderliche Dichtung.

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Zum Einfüllen des hydraulischen Druckmittels, also des Hydrauliköls, ist im oberen Deckel 20 eine zentrale Einfüllöffnung vorgesehen, welche mit einem Schraubstopfen 23 verschlossen ist.

s Konstruktionsbedingt kann dieser DruCkmittelwandler nur in der dargestellten vertikalen Lage arbeiten. In seiner Arbeitsposition wird er von Stützfüssen 33 getragen.

Der Schwimmkolben 40 ist aus fertigungstechnischen Gründen aus einem Zylinderrohr 41 zusammengesetzt, in io das von beiden Seiten jeweils Kolbendeckel 42 und 43 eingesetzt sind, die mit einem Zuganker 51 verspannt und mit Hilfe von O-Ringen 47 abgedichtet sind.

Bei diesem Aufbau sind alle die Fertigung verteuernden Sondermassnahmen auf zwei miteinander identische Bauteils le, nämlich die Kolbendeckel 42 und 43, konzentriert, welche zweckmässigerweise Spritzgussteile sind.

Einstückig mit den Deckeln 42 und 43 sind die an den äussersten Enden der Kolben vorgesehenen Kolbenringe 44, welche mit der Zylinderwand 10 die Spalte 15 relativ kleiner 20 Weite begrenzen, wodurch eine Führung des Kolbens gewährleistet ist. Der hierdurch erhöhte Strömungswiderstand wird ausgeglichen durch die Durchbrüche 45, die unterhalb der Führungsringe 44 angebracht sind. Sie münden in einen ringförmigen Einschnitt 16 des Kolbens, der mit der Zylin-25 derinnenwand eine grössere Spaltweite als der Führungsring 44 begrenzt. Zwischen diesem Einschnitt 16 und dem Ringspalt 18 ist schliesslich ein weiterer Ringspalt 17 in den Kolbendeckel 42 bzw. 43 eingearbeitet, so dass axial hintereinander mehrere Spaltwiderstände angeordnet sind, welche 30 eine Beruhigung des Druckmittelmediums bewirken.

Dem gleichen Zweck dient die zentrale Anordnung der Druckmitteleinlässe 21 und 31 sowie die spezielle Gestaltung der Kolbendeckel im Bereich der Einlässe.

Auf der den Einlässen 21 bzw. 31 zugewandten Seite und 35 axialsymmetrisch sind die Kolbendeckel mit einem kegelförmig ausgebildeten Strömungsteiler 48 versehen, welcher in eine ringförmige Vertiefung 49 übergeht, an welche sich die unter einem stumpfen Winkel abfallenden Kegelstumpfflächen 50 anschliessen. Die Übergänge von Strömungsteiler 40 zur ringförmigen Vertiefung und Kegelstumpffläche sind abgerundet. Diese Gestaltung bewirkt, dass die in der Regel vertikal und zentral auf den Schwimmkolben auftreffenden Medienströme geteilt und gleichmässig zu den Durchbrüchen 45 umgelenkt werden. Durch diese Umlenkung wird 45 die Strömungsgeschwindigkeit herabgesetzt und es wird vor allem wirksam vermieden, dass das eine Druckmedium unmittelbar auf die Oberfläche des anderen Mediums stossartig gelangt, was zu unerwünschtem Aufschäumen und Versprühen des hydraulischen Druckmittels führen würde.

so Falls dennoch gasförmiges Druckmittel in das hydraulische Druckmittel gelangt, erfolgt sehr rasch und automatisch eine Entlüftung.

Nach bisherigen Erkenntnissen ist ein derartiger Wandler für einen Betriebsdruckbereich von 0,5 bis lObar bei Be-55 triebstemperaturen von 15—80 °C geeignet. Voraussetzung ist lediglich, dass der Wandler in vertikaler Position arbeiten kann.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Hydropneumatischer Druckmittelwandler, bestehend aus einem senkrecht stehenden, zu einem Teil mit hydraulischem Druckmittel (19) gefüllten Zylinder (10), der beiden-dig mit Deckeln (20,30) verschlossen ist, von welchen der obere (20) einen Drucklufteinlass (21,22) und der untere (30) einen Hydraulikmitteleinlass (31,32) aufweisen, wobei im Zylinderinneren ein im hydraulischen Druckmittel (19) schwimmender, dichtungsloser Kolben (40) axial verschiebbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (40) oben und unten jeweils einen im Abstand von der Zylinderinnenwand befindlichen Führungsring (44) aufweist, dass zwischen Kolben (41) und Zylinderinnenwand ein Ringspalt (18), der eine grössere Weite als der Spalt (15) zwischen Führungsring (44) und Zylinder (10) aufweist, vorgesehen ist und dass die Führungsringe (44) Durchbrüche (45) besitzen, welche den Luftraum (11) bzw. den Hydraulikmittelraum (12) mit dem Ringspalt (18) verbinden.
2. Druckmittelwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Führungsringen (44) und dem Ringspalt (18) ringförmige Einschnitte (16,17) kaskadenartig hintereinander angeordnet sind.
3. Druckmittelwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlässe (21,31) für Druckluft bzw. hydraulisches Druckmittel zentral und axial in die Zylinderräume (11 bzw. 12) münden und dass die Kolbenflächen jeweils einen diesen gegenüberliegenden kegelförmig vorspringenden Strömungsteiler (48) aufweisen, der von einer ringförmigen Vertiefung (49) umgeben ist.
4. Druckmittelwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die obere und untere Kolbenfläche (50) von der ringförmigen Vertiefung (49) bis zu dem am äusseren Rand vorgesehenen Führungsring (44) abfallen und jeweils einen Kegelstumpf mit geringer Neigung bilden.
5. Druckmittelwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkolben (40) aus einem den Ringspalt (18) zusammen mit der Zylinderinnenwand begrenzenden Hohlzylinder (41) besteht, in den beidseitig Deckel (42,43) eingesetzt sind, welche vorzugsweise die Führungsringe (44), ringförmige Einschnitte (16,17), Strömungsteiler (48) sowie ringförmige Vertiefung (49) aufweisen.
6. Druckmittelwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbendeckel (42,43) Spritzgussteile sind, zwischen welchen das Zylinderrohr (41) eingespannt ist und die mit einem axial angeordneten Zuganker (51) miteinander verbunden sind.
7. Druckmittelwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Zylinderdeckel (20) eine mit einem Stopfen (23) verschliessbare Hydraulikmittel-Einfüllöffnung besitzt, die vorzugsweise in den zentralen Lufteinlass (21) übergeht.