CN102543554A - 用于流体力学弹簧储能驱动装置的弹簧储能装置 - Google Patents

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CN102543554A CN201110345406XA CN201110345406A CN102543554A CN 102543554 A CN102543554 A CN 102543554A CN 201110345406X A CN201110345406X A CN 201110345406XA CN 201110345406 A CN201110345406 A CN 201110345406A CN 102543554 A CN102543554 A CN 102543554A
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Abstract

本发明的名称为用于流体力学弹簧储能驱动装置的弹簧储能装置，涉及一种用于用来操纵高压功率开关的流体力学弹簧储能驱动装置的流体力学弹簧储能装置，其包括：-弹簧装置(3)；-压力气缸(16)的活塞(8)；其中弹簧装置(3)和活塞(8)通过具有可变化的变换比的传动装置(1)耦合，以便将弹簧装置(3)的弹簧冲程转换为活塞冲程，其中变换比取决于弹簧装置(3)的偏移。

Description

用于流体力学弹簧储能驱动装置的弹簧储能装置
技术领域
本发明涉及一种用于操纵高压功率开关的流体力学的弹簧储能驱动装置。本发明尤其涉及一种用于使弹簧的、尤其是螺旋弹簧的弹簧特性曲线线性化的措施(massnahme)，这些弹簧在流体力学的弹簧储能驱动装置中作用于储能活塞(Speicherkolben)。
背景技术
由现有技术已知了用于操纵高压功率开关的流体力学的弹簧储能驱动装置。
在机械的弹簧储能驱动装置中，接通和断开的存储通过各一个自身的弹簧实现。在此，接通弹簧通过机械的、剧烈减速的传动装置张紧并且当接通时通过盘形凸轮张紧断开弹簧。这种机械的弹簧储能驱动装置的缺点在于，弹簧必须相互匹配，以及接通弹簧必须包含用于需要由其张紧的断开弹簧的能含量。
与之相反地，出版物WO 2009/086906A1公开了一种流体力学的弹簧储能驱动装置，其中与电路断路器耦合的工作气缸根据控制阀的位置与压力管路或储罐管路相连接。压力管路与压力气缸相连接，该压力气缸将压力管路中的流体保持在持久的压力下。压力气缸包含压力活塞，通过预加负荷的(vorbelastet)储能弹簧作用于该压力活塞。通过打开控制阀，位于压力气缸中的流体可以在工作气缸中流动，由此对电路断路器进行操纵。
储能弹簧通常设计为螺旋弹簧或设计为盘形弹簧并且在实践中具有非线性的弹簧特性曲线，因此根据其偏移利用不同的力作用于储能气缸的压力活塞。
对于流体力学的弹簧储能驱动装置然而值得期待的是，作用在储能气缸的压力活塞上的弹簧力是尽可能恒定的或者仅仅根据非常平坦的弹性常数改变，其中需要相对高的预应力。
这可以在传统的螺旋弹簧或盘形弹簧中仅仅通过弹簧特性曲线的非常小的范围的选择来实现，因此一大部分所存储的能量在断开情况(Ausloesefall)下不能被获取。
发明内容
因此本发明的目的是：提供一种措施，以便当应用具有非恒定的、用于作用于储能气缸的压力活塞的弹簧力的弹簧装置时使用存储在弹簧中的弹簧能量的大部分并且在此将尽可能恒定的力施加到压力活塞上。
该目的通过根据权利要求1所述的弹簧储能装置以及通过根据并列权利要求所述的高压功率开关来实现。
有利的设计方案在从属权利要求中说明。
根据第一方面，设置了一种流体力学的弹簧储能装置。该弹簧储能装置包括弹簧装置和压力气缸的活塞，其中弹簧装置和活塞通过具有可变化的变换比的传动装置耦合，以便将弹簧装置的弹簧冲程转换为活塞冲程，其中变换比取决于弹簧装置的偏移和/或活塞的偏移。
本发明的一种思路在于，由螺旋弹簧或盘形弹簧提供的、非恒定的弹簧力借助于线性化传动装置来实现线性化，以便利用存储在弹簧中的能量的较大的部分。线性化传动装置为此配备有连杆(Gestaenge)，该连杆具有由四个杆式连接件构成的平行四边形。
此外，弹簧装置可以构造用于在活塞的方向上施加取决于偏移的弹簧力，其中活塞可在相应于弹簧装置的偏移的方向的方向上在压力气缸中运动。
弹簧装置可以提供随着弹簧装置在远离活塞指向的方向上增加的偏移而增大的弹簧力。
根据一个实施方式，传动装置可以构造为四连杆传动装置并且布置在活塞的抵靠面(Anlageflaeche)与弹簧装置上的支承面(Auflageflaeche)之间。
此外，四连杆传动装置可以具有四个支腿，这些支腿在其端部上通过旋转铰链相互连接，因此构成了四角形，其中旋转铰链中的第一个抵靠在活塞的抵靠面上，面对第一个旋转铰链的第二个旋转铰链抵靠在弹簧装置的支承面上，以及第三个旋转铰链和面对第三个旋转铰链的第四个旋转铰链抵靠在相对于活塞和弹簧装置固定的滑动区域上。
尤其是，滑动区域可以设置在柱形的传动装置壳体的、尤其是弹簧管(Federrohr)的部段的内壁上，弹簧装置布置在其中。
滑动区域可以具有部分区域，这些部分区域相对于弹簧装置的偏移的方向倾斜，因此当四角形推移时，在第三个和第四个旋转铰链之间的间距发生变化。
尤其可以设置为，在所述部分区域之间限定的区域在活塞的方向上扩张。
在此，可以这样实现扩张，使得对于弹簧装置的弹簧力转换为在压力气缸的活塞上的活塞力的可变化的变换比这样发生变化，即使得活塞力至少逐段(abschnittsweise)恒定。
扩张尤其可以具有线性的走向。
四连杆传动装置的支腿的端部可以做成圆形(abgerundet)，以便实现在滑动区域中的滑动。
根据另一个方面设置了具有作为压力气缸的储能气缸的高压功率开关，该高压功率开关配备有上述的弹簧储能装置。
附图说明
以下参考附图详细说明本发明的优选的实施方式。图中示出：
图1示出了具有用于使弹簧特性曲线线性化的四连杆传动装置的液压的弹簧储能驱动装置的示意图；
图2示出了用于说明弹簧力、活塞力和为了实现恒定的活塞力所必需的变换比的图表。
具体实施方式
在图1中示出了液压的弹簧储能驱动装置1，在该装置中，弹簧提供了用于操纵储能活塞的机械能。
弹簧储能驱动装置1具有柱形的弹簧管2，在该弹簧管中布置了作为弹簧装置的螺旋弹簧3。螺旋弹簧3在静态的弹簧板4与可移动的弹簧板5之间，尤其是利用预应力，在弹簧管2的轴向方向上(沿着中心轴线M)布置。替代螺旋弹簧也可以应用另外的弹簧类型，例如盘形弹簧。
此外，螺旋弹簧3可以设置有基本上相应于柱形的弹簧管2的内直径的直径。静态的弹簧板4可以与调整装置24相连接，以便通过预设静态的弹簧板4的轴向的位置来调整弹簧储能驱动装置1。对此，调整装置24可以设置配备有螺纹的销钉(Stift)，该销钉插入带有内螺纹的弹簧管2的端面25上的开口中，因此通过旋转静态的弹簧板4可以在轴向方向上对其进行调节。
在流体力学的弹簧储能驱动装置1的面对端面25的端部上布置了储能气缸16。该储能气缸16具有在轴向方向上可移动的储能活塞8。储能气缸16用于持久地提供液压媒介的储能压力。
在可移动的弹簧板5与储能活塞8之间布置了四连杆传动装置9。四连杆传动装置9具有四个同样长度的支腿10、即第一个至第四个支腿10a-10d，这些支腿相互连接成梯形。每个支腿10对此在其端点处通过相应的旋转铰链11、第一个至第四个旋转铰链11a-11d，与相应的两个另外的支腿10连接，因此这些支腿形成了可围绕旋转铰链11变形的四角形。旋转铰链11和特别是相应的支腿10的在其上安置的端部做成圆形，因此可以实现旋转铰链11在一个平面上的滑动。可替换地，至少第三个和第四个旋转铰链11c和11d可以配备有滚轮，以便替代滑动实现滚动。
四连杆传动装置9这样地布置在储能活塞8与可移动的弹簧板5之间，从而该四连杆传动装置利用第一个旋转铰链11a抵靠在储能活塞8的抵靠面12上。相关于支腿10的四角形的布置在对面设置的第二旋转铰链11b抵靠在可移动的弹簧板5的面对螺旋弹簧3设置的侧面上。
可移动的弹簧板5对此优选地具有平坦的延伸部，该延伸部相应于弹簧管2的横截面。可移动的弹簧板5还具有中心的凹部13，该凹部伸入由螺旋弹簧3围绕的区域中。四连杆传动装置9的第二个旋转铰链11b位于凹部13的、用作支承面14的底面上。
此外，四连杆传动装置9具有第三个旋转铰链11c和第四个旋转铰链11d，这些旋转铰链彼此相对设置并且抵靠在弹簧管2的内表面上。第三个和第四个旋转铰链11a-11d分别位于螺旋弹簧3与储能活塞8的抵靠面12之间的弹簧管2的滑动区域中并且根据储能活塞的偏移在其上沿着滑动。滑动区域完全地或者在部分区域15中倾斜于中心轴线M的走向布置，因此构成了用于第三个和第四个旋转铰链11c，11d的滑动路段(或滚动路段)的滑动区域的部分区域15的间距在朝向于储能活塞8的抵靠面12的方向上扩张。部分区域15中的扩张可以相对于轴向方向线性地或者相应于另外的单调的走向实现。
例如由于储能气缸16中的压力下降而引起了储能活塞8运动时，四连杆传动装置9在弹簧管2的内部运动。在此，旋转铰链11沿着轴向方向运动，其中第一个和第二个旋转铰链11a，11b并不从轴向方向偏离。与之相反地，当运动时，第三个和第四个旋转铰链11c，11d由于在储能活塞8的抵靠面12与可移动的弹簧板5的支承面14之间的夹紧力而被向外挤压，因此第三个和第四个旋转铰链11c，11d在整个运动期间在部分区域15中抵靠在弹簧管2的内表面上。根据储能活塞8的偏移，第三个和第四个旋转铰链11c，11d位于相应的轴向位置上，因此在第三个和第四个旋转铰链11c，11d之间横向于轴向方向的间距取决于储能活塞8的偏移。
四连杆传动装置9布置在弹簧管2中，带有与轴向方向偏离的、内表面的部分区域15的走向，第三个和第四个旋转铰链11c，11d当储能活塞8偏移时在该部分区域上运动，这种布置引起了，可移动的弹簧板5的偏移与储能活塞8的与其偏离的偏移相反。这表明，四连杆传动装置9具有变换比
Figure BSA00000605857300061
其中变换比
Figure BSA00000605857300062
取决于部分区域15在第三个和第四个旋转铰链11c，11d短暂地处于的位置的倾斜(梯度)。
值得期待的是，如开头所述地，储能活塞8上的力不取决于其偏移来调节。这通过与螺旋弹簧3的直接耦合是不可能的，这是因为螺旋弹簧3施加了取决于其偏移的力。
图2示出了所施加的弹簧力(曲线K1)的示意图，在理想情况下恒定地走向的活塞力FK(曲线K2)、也就是说施加到储能活塞上的力，以及示出了为了由弹簧力FF中生成相应的活塞力FK(曲线K3)所需要的四连杆传动装置9的变换比
Figure BSA00000605857300063
可识别出，通过曲线K3示出的变换比
Figure BSA00000605857300064
基本上具有双曲线的走向。
因此值得期待的是，内表面的部分区域15的倾斜这样选择，使得双曲线的变换比
Figure BSA00000605857300065
相对于螺旋弹簧3的偏移而实现或者与其接近。出于这种四连杆传动装置9的更简单制造的原因优选地设计为，根据线性的斜度设置弹簧管2的内表面的扩张。在这种情况下有效的是，螺旋弹簧3越远地处于松弛的区域中，则变换比
Figure BSA00000605857300066
就越大。变换比相应于弹簧的弹性距离与储能活塞8的偏移之比。这例如表明，即，如果螺旋弹簧3引起了相应于所需要的活塞力的1/10的弹簧力，则变换比必须相应于10，也就是说，活塞冲程以1/10的特定路段的弹簧冲程相反于该弹簧冲程。这种在弹簧冲程、活塞冲程和弹簧力或活塞力之间的关系通过能量守恒定律设定。
根据图1定义了四连杆角度α，该四连杆角度说明了第三个或第四个支腿10c，10d相对于中心轴线M的延伸(在第二个旋转铰链11b和第三个或第四个旋转铰链11c，11d之间的线段)，并且还定义了倾斜角度β，该倾斜角度说明了部分区域15相对于中心轴线M的走向的线性的斜度。当确定了螺旋弹簧3的偏移时瞬时的角度α和β基本上确定了变换比
Figure BSA00000605857300071
倾斜角度β在当前情况下视为恒定的同时，四连杆角度α取决于螺旋弹簧3的偏移而发生变化。角度α因此决定性地确定了变换比
Figure BSA00000605857300072
其中有效的是：
Figure BSA00000605857300073
换句话说：弹簧松弛地越远，则α就越大，由此，变换比
Figure BSA00000605857300074
相对于可移动的弹簧板5和储能活塞8的偏移相应地增大。相对于这些力所述相应是有效的。四连杆角度α越大，则力横向于轴向方向的工作方向就旋转得越多。传动装置变换比
Figure BSA00000605857300075
由此如所期望地那样连续变化。
也在避免四连杆传动装置9中出现过大的力的情况下，通过这种设计方案可能的是，螺旋弹簧3的冲程的至少50％被线性化并且进而存储在弹簧中的能量的75％被加以利用。
带有第三个和第四个旋转铰链11c，11d的调节线路的扩张部分的部分区域15优选地设置在弹簧管2的内壁上。可替换地，弹簧管2也可以配备有两个狭槽，旋转铰链11c，11d穿过该狭槽伸出或者支腿10a-10d穿过该狭槽延长，并且带有相应的倾斜的滑动区域或滚动区域可以设置在弹簧管2的外部。
参考标号表
1四连杆传动装置
2弹簧管
3螺旋弹簧
4静态的弹簧板
5可移动的弹簧板
8储能活塞
9四连杆装置
10a，10b，10c，10d支腿
11a，11b，11c，11d第一至第四旋转铰链
12抵靠面
13凹部
14支承面
15部分区域
16储能气缸
24调整装置
25端面

Claims (12)

1.一种用于用来操纵高压功率开关的流体力学的弹簧储能驱动装置的流体力学的弹簧储能装置，所述弹簧储能装置包括：
-弹簧装置(3)；
-压力气缸(16)的活塞(8)；
其特征在于，
所述弹簧装置(3)和所述活塞(8)通过具有可变化的变换比的传动装置(1)耦合，以便将所述弹簧装置(3)的弹簧冲程转换为活塞冲程，其中所述变换比取决于所述弹簧装置(3)的偏移和/或所述活塞(8)的偏移。
2.根据权利要求1所述的弹簧储能装置，其中所述弹簧装置(3)构造用于在所述活塞(8)的方向上施加取决于所述偏移的弹簧力，以及其中所述活塞(8)可在相应于所述弹簧装置(3)的所述偏移的方向的方向上在所述压力气缸(16)中运动。
3.根据权利要求1或2所述的弹簧储能装置，其中所述弹簧装置(3)提供随着所述弹簧装置(3)在远离所述活塞(8)指向的方向上增加的偏移而增大的弹簧力。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的弹簧储能装置，其中所述传动装置(1)构造为四连杆传动装置并且布置在所述活塞(8)的抵靠面与所述弹簧装置(3)上的支承面之间。
5.根据权利要求4所述的弹簧储能装置，其中所述四连杆传动装置(1)具有四个支腿(10a，10b，10c，10d)，所述支腿在所述支腿的端部通过旋转铰链(11a，11b，11c，11d)相互连接，因此构成了四角形，其中所述旋转铰链(11a，11b，11c，11d)中的第一个抵靠在所述活塞(8)的所述抵靠面上，面对所述第一个旋转铰链(11a)的第二个所述旋转铰链(11b)抵靠在所述弹簧装置(3)的所述支承面上，以及第三个旋转铰链(11c)和面对所述第三个旋转铰链的第四个旋转铰链(11d)抵靠在相对于所述活塞(8)和所述弹簧装置(3)固定的滑动区域上。
6.根据权利要求5所述的弹簧储能装置，其中所述滑动区域设置在柱形的传动装置壳体的、特别是弹簧管(2)的部段的内壁上，所述弹簧装置(3)布置在其中。
7.根据权利要求5或6所述的弹簧储能装置，其中所述滑动区域具有部分区域(15)，所述部分区域相对于所述弹簧装置(3)的所述偏移的方向倾斜，因此当所述四角形推移时，在所述第三个旋转铰链和所述第四个旋转铰链(11c，11d)之间的间距发生变化。
8.根据权利要求7所述的弹簧储能装置，其中在所述部分区域(15)之间封闭的区域在所述活塞(8)的方向上扩张。
9.根据权利要求8所述的弹簧储能装置，其中这样实现所述扩张，即对于所述弹簧装置(3)的弹簧力转换为在所述压力气缸(16)的所述活塞(8)上的活塞力的可变化的变换比这样发生变化，即使得所述活塞力至少逐段恒定。
10.根据权利要求8所述的弹簧储能装置，其中所述扩张是线性的。
11.根据权利要求5至10中任一项所述的弹簧储能装置，其中所述四连杆传动装置(1)的所述支腿(10a，10b，10c，10d)的端部做成圆形，以便实现在所述滑动区域中的滑动。
12.一种具有作为压力气缸(16)的储能气缸的高压功率开关，所述高压功率开关配备有根据权利要求1至11中任一项所述的弹簧储能装置。
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