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Die
Erfindung betrifft einen Druckübersetzer, insbesondere
einen hydropneumatischen Druckübersetzer,
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Anstelle
eines pneumatischen Beaufschlagens des Betätigungskolbens ist es auch
möglich, den
Betätigungskolben
mit einem Fluid zu beaufschlagen.
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Derartige
Druckübersetzer
sind in der Regel pneumatische Arbeitssysteme, in denen ein Hydrauliksystem
integriert ist, welches ab einem gewünschten Vorschub in Arbeitsrichtung
einen Krafthub mit sehr hoher Stellkraft erzeugt. Solche Druckübersetzer
weisen lediglich nach außen
pneumatische Anschlüsse
auf; allerdings werden Kräfte
wie bei Hydraulikzylindern erzeugt.
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Bei
bekannten hydropneumatischen Druckübersetzern, wie sie beispielsweise
aus der
EP 0 577 955
B1 bekannt geworden sind, sind die einzelnen in dem Druckübersetzer
vorhandenen Kolben, insbesondere der Hochdruckkolben, in dem genannten Dokument
als Arbeitskolben bezeichnet, und der Betätigungskolben, in dem genannten
Dokument als Antriebskolben bezeichnet, hintereinander geschaltet.
Zwischen den beiden Kolben ist dabei der Hydraulikarbeitsraum angeordnet,
in welchen das freie Ende der Betätigungskolbenstange zur Druckerzeugung
eintaucht. Ein derartiger Druckübersetzer
hat insbesondere den Nachteil, dass er aufgrund der Hintereinanderanordnung
der einzelnen Kolben bzw. Niederdruck- und Hochdruckkammern relativ
große Außenabmessungen
aufweist und insbesondere sehr lang baut. Weiterhin ist eine komplizierte
Schaltlogik mit verschiedenen Sperr- und Wegeventilen erforderlich.
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Die
DE 40 22 159 C2 offenbart
einen hydropneumatischen Druckübersetzer,
der ein Gehäuse auf
sowie einen mit Hydraulik befüllbaren
Hydraulikarbeitsraum aufweist. Der Hydraulikarbeitsraum liegt zwischen
einem Hochdruckkolben, einer hohl ausgebildeten Kolbenstange, einem
Betätigungskolben und
einem Schwimmkolben. Das freie Ende der Hochdruckkolbenstange ist
zur Kraftübertragung
vorgesehen und ragt aus dem Gehäuse.
Der bekannte Druckübersetzer
sieht ferner eine Übersetzungsstufe vor,
die die von der hohl ausgebildeten Kolbenstange umringte Fläche umfasst.
Nachteilig an diesem Druckübersetzer
ist der relativ kurz ausgebildete, bei hohen Stellkräften zum
Verklemmen neigende Betätigungskolben.
Außerdem
können
aufgrund der hohl ausgebildeten Kolbenstange keine allzu hohen Druckübersetzungsverhältnisse
realisiert werden. Ferner ist von Nachteil, dass der Druckübersetzer aufgrund
der Hintereinanderschaltung der einzelnen Kolben relativ große Außenabmessungen
aufweist und lang baut.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckübersetzer
bereitzustellen, der kompakt und klein baut, wobei hohe Stellkräfte funktionssicher übertragen
werden sollen.
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Diese
Aufgabe wird von einem Druckübersetzer
gelöst,
der die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
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Erfindungsgemäß ist die
Hochdruckkolbenstange in dem Durchgangsloch axial verschiebbar gelagert
und geführt,
was zu der Funktionssicherheit der in entgegengesetzter Richtung
zueinander verfahrbaren Kolben bei zugleich kompakter Bauweise beiträgt. Insgesamt
wird eine sehr kompakte und kleine Bauweise des Druckübersetzers
ohne Einbußen in
der Höhe
der zu übertragenden
Stellkraft ermöglicht.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Übersetzungsstufe eine an der
Betätigungskolbenstange
angeordnete, in einem Zylinderraum geführte Ringfläche. Eine derart angeordnete
Ringfläche weist
insbesondere den Vorteil auf, dass sie auf einfache Art und Weise,
beispielsweise durch Abdrehen bzw. Schleifen der Betätigungskolbenstange,
auf das gewünschte
Maß herstellbar
ist.
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Bei
einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung
ist der Hydraulikarbeitsraum über
eine Hydraulikleitung mit einem Hydraulikvorratsraum verbunden,
in welchem die Hydraulik unter geringem Überdruck steht. Dadurch wird
gewährleistet,
dass sich bei veränderndem
Volumen des Hydraulikarbeitsraums ein Nachströmen der Hydraulik in den Hydraulikarbeitsraum
gewährleistet
wird. Aufgrund des geringen Überdrucks
der Hydraulik wird außerdem
ein Druck auf den Hochdruckkolben bewirkt, wodurch dieser im Eilhub
von der Ausgangsstellung in die Arbeitsstellung verfahren werden
kann.
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Dabei
kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein mit einer Druckfeder
beaufschlagter Vorratskolben zur Erzeugung des geringen Überdrucks
auf die in dem Hydraulikvorratsraum vorhandene Hydraulik wirkt.
Ein derartiger Vorratskolben mit entsprechender Druckfeder ist auf
einfache und kostengünstige
Art und Weise realisierbar.
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Vorteilhafterweise
kann dabei vorgesehen sein, dass der Vorratskolben eine Vorratskolbenstange
aufweist, die als Füllstandsanzeige
des Füllstands der
Hydraulik dient und insbesondere zur Füllstandsanzeige aus dem Gehäuse herausragt.
Durch beispielsweise Vergleichen von reproduzierbaren Stellungen
der Vorratskolbenstange ist eine Überwachung des Füllstandes
möglich.
Ein Austreten von Hydraulik aufgrund einer undichten Stelle bzw.
eines Leckes in dem mit Hydraulik gefüllten Raum kann dabei erkannt
werden.
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Bei
einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Hydraulikleitung durch axiales Verfahren des Betätigungskolbens mittels eines Schaltelements
geschlossen werden kann, wodurch eine den Hydraulikvorratsraum beinhaltende
Niederdruckkammer von einer den Hydraulikarbeitsraum beinhaltenden
Hochdruckkammer getrennt wird. Durch die Trennung des mit Hydraulik
gefüllten
Raumes in eine Niederdruck- und Hochdruckkammer wird vorteilhafterweise
erreicht, dass lediglich die Hochdruckkammer gegen den mittels der Übersetzungsstufe
erzeugten Hochdruck entsprechend ausgelegt und abgedichtet werden
muss. Die Niederdruckkammer hingegen ist lediglich auf den in ihr herrschenden
geringen Überdruck,
der insbesondere mittels des Vorratskolbens und der zugehörigen Druckfeder
erzeugt wird, auslegbar.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst
das Schaltelement eine an der hydraulischen Ringfläche angeordnete
Steuerkante. Dadurch bedarf es keines separaten Schaltelements zur
Trennung der Niederdruckkammer von der Hochdruckkammer.
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Dabei
verschließt
vorteilhafterweise die Steuerkante einen an dem Zylinderraum vorhandenen
Hydraulikanschluss bzw. wirkt mit einer an dem Zylinderraum angeordneten
Dichtung zusammen, wodurch eine komplizierte Schaltlogik nicht benötigt wird
und für
eine derartige Schaltlogik benötigte
Ventile und Bauteile entfallen.
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Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass
die dem Hydraulikarbeitsraum abgewandte Seite des Hochdruckkolbens
zur Verschiebung des Hochdruckkolbens mit vorzugsweise Druckluft
beaufschlagbar ist. Dadurch wird eine Verschiebung des Hochdruckkolbens
von der Arbeitsstellung in eine Ausgangsstellung ermöglicht.
Anstelle von Druckluft ist auch ein Beaufschlagen mit einem Fluid
denkbar.
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Außerdem ist
denkbar, dass die dem Hochdruckkolben zugewandte Fläche des
freien Endes der Betätigungskolbenstange
zur Verschiebung des Betätigungskolbens
vorzugsweise mit Druckluft beaufschlagbar ist. Hierdurch wird der
Betätigungskolben
mit einer Kraft beaufschlagt, die zu einem Verfahren des Betätigungskolbens
von der Arbeitsstellung in insbesondere die Ausgangsstellung beiträgt. Anstelle
von Druckluft ist auch hier denkbar, den Kolben mit einem Fluid
zu beaufschlagen.
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Bei
einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, dass auf der in Arbeitsstellung mit vorzugsweise Luftdruck beaufschlagbaren
Seite des Betätigungskolbens
ein axial angeordneter Arbeitskolben vorhanden ist, der sich bei
Beaufschlagung des Betätigungskolbens
in der dem Betätigungskolben
entgegengesetzten Richtung bewegt, wobei das freie Ende der Hochdruckkolbenstange
auf den Arbeitskolben stößt und wobei
die Arbeitskolbenstange zur Kraftübertragung vorgesehen ist.
Die zu übertragende
Stellkraft setzt sich dabei aus einem größeren Anteil, der über das Hydrauliksystem
und die Hochdruckkolbenstange auf die Arbeitskolbenstange übertragen
wird, sowie aus einem kleineren Anteil, der aufgrund der vorzugsweise
pneumatischen Beaufschlagung des Arbeitskolbens in die Arbeitskolbenstange
eingeleitet wird, zusammen. Vorteilhafterweise wird hierdurch gewährleistet,
dass bei Druckverlust in dem Hydrauliksystem bzw. in der Hochdruckkammer
der vorzugsweise pneumatisch beaufschlagte Arbeitskolben eine Reservestellkraft
liefert.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist der Arbeitskolben beidseitig
vorzugsweise pneumatisch druckbeaufschlagbar. Dadurch ist es insbesondere möglich, den
Arbeitskolben in die Ausgangsstellung zurückzufahren. Anstelle von Druckluft
ist auch ein Beaufschlagen mit einem Fluid denkbar.
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Vorteilhafterweise
kann auf der dem Arbeitszylinder zugewandten Seite des den Arbeitszylinder umgebenden
Zylinders ein Anschlag für
den Betätigungskolben
vorgesehen sein. Damit wird beim Zurückfahren des Betätigungskolbens
in die Ausgangsstellung eine vorgesehene Position erreicht.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung sind
der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand
des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben
und erläutert
ist.
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Es
zeigen:
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1:
einen erfindungsgemäßen hydropneumatischen
Druckübersetzer
im Längsschnitt
in Ausgangsstellung;
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2:
den Druckübersetzer
gemäß 1 nach
dem Anfahren an ein Werkstück;
und
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3:
den Druckübersetzer
gemäß 1 und 2 in
Arbeitsstellung unter maximaler Stellkraft.
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Die 1 bis 3 zeigen
einen hydropneumatischen Druckübersetzer 1,
der ein Grundgehäuse 2 sowie
einen vorderen Gehäusedeckel 3 und einen
hinteren Gehäusedeckel 4 aufweist.
Der vordere Gehäusedeckel 3 weist
dabei entlang der Längsachse 7 des
Druckübersetzers 1 eine
kreiszylindrische Bohrung 8 auf, durch welche das freie
Ende einer Arbeitskolbenstange 9 eines Arbeitskolbens 12 ragt.
Zwischen der Bohrung 8 und der Arbeitskolbenstange 9 sind
zwei Dichtungselemente 13 angeordnet, die den zwischen
dem Arbeitskolben 12 und dem Gehäusedeckel 3 vorhandenen
Raum A luftdicht abdichten. Der Arbeitskolben 12 weist
entlang seinem Umfang eine entsprechende Dichtung 13 auf.
Das freie Ende der Arbeitskolbenstange 9 ist dabei zur Kraftübertragung
der Stellkraft auf ein Werkstück 17 vorgesehen.
Da in der 1 die Ausgangsstellung des Druckübersetzers 1 dargestellt
ist, liegt die Arbeitskolbenstange 9 nicht an dem Werkstück 17 an.
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Das
Grundgehäuse 2 nimmt
einen Betätigungskolben 18 auf,
der in einem Zylinderraum B axial verfahrbar ist. Die Verfahrbarkeit
des Betätigungskolbens 18 wird
in Richtung Arbeitskolben 12 durch einen an dem Gehäusedeckel 3 angeordneten
Anschlag 19, der in den Zylinderraum B eingreift, begrenzt.
Sowohl der Arbeitskolben 12 als auch der Betätigungskolben 18 sind
beidseitig mit Druckluft beaufschlagbar. Der an seinem Umfang mit
einer Dichtung 13 versehene Betätigungskolben 18 weist
außerdem
eine in der dem Arbeitskolben 12 abgewandten Richtung weisende
Kolbenstange 23 auf.
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Der
pneumatische Druckübersetzer 1 umfasst
außerdem
einen Hochdruckkolben 24 mit einer in Richtung Arbeitskolben 12 weisenden
Kolbenstange 25. Wie aus 1 deutlich
hervorgeht, weist der Betätigungskolben 18 mit
Betätigungskolbenstange 23 ein
axial verlaufendes Durchgangsloch 27 in Form von einer
zylindrischen Bohrung auf, durch welches die Hochdruckkolbenstange 25 axial
verschiebbar hindurchragt. Der Durchmesser der Kolbenstange 25 des
Hochdruckkolbens 24 sowie der Durchmesser des Durchgangslochs 27 sind
dabei so gewählt,
dass die Hochdruckkolbenstange 25 in dem Durchgangsloch 27 axial
verschiebbar gelagert und geführt
ist.
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Die
der Kolbenstange 25 zugewandte Seite des Hochdruckkolbens 24 sowie
die freie Stirnseite der Betätigungskolbenstange 23 schließen einen
mit Druckluft befüllbaren
Raum C ein.
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Auf
der der Kolbenstange 25 abgewandten Seite des Hochdruckkolbens 24 weist
der Druckübersetzer 1 einen
mit Hydraulik befüllbaren
Hydraulikarbeitsraum H auf. Da in 1 der Druckübersetzer 1 in
der Ausgangsstellung gezeigt ist, ist in dem Hydraulikarbeitsraum
H nahezu keine Hydraulik vorhanden. Der Hydraulikarbeitsraum H ist über eine
Hydraulikleitung 28, einen Zylinderraum S und eine weitere
Hydraulikleitung 29 mit einem Hydraulikvorratsraum V verbunden.
Die Leitungen 28 und 29 weisen verschiedene, fertigungstechnisch
bedingte Blindabschnitte mit Verschlusspfropfen 32 auf.
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Auf
den mit Hydraulik gefüllten
Hydraulikvorratsraum V wirkt ein mit einer Druckfeder 33 beaufschlagter
Vorratskolben 34, um einen geringen Überdruck in dem Hydraulikvorratsraum
V sowie den Leitungen 28, 29, dem Zylinderraum
S sowie dem Hydraulikarbeitsraum H zu erzeugen.
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Der
Betätigungskolben 18 weist
an seiner Kolbenstange 23 eine in dem Zylinderraum S verfahrbare Übersetzungsstufe 37 in
Form einer Ringfläche auf.
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Durch
axiales Verschieben der Betätigungskolbenstange 23 in
Richtung des Hochdruckkolbens 24 wird ein die Leitung 29 mit
dem Zylinderraum S verbindender Anschluss 38 durch die
als Steuerkante wirkende Übersetzungsstufe 37 in
Verbindung mit einer Dichtung 39 in Form eines Dichtrings
verschlossen, wodurch eine den Hydraulikvorratsraum V und die Leitung 29 beinhaltende
Niederdruckkammer von einer den Zylinderraum S, die Leitung 28 und
den Hydraulikarbeitsraum H beinhaltende Hochdruckkammer getrennt
wird.
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Der
Dichtring 39 ist dabei so ausgelegt, dass er in der 1 und 2 dargestellten
Stellung des Betätigungskolbens 23 Hydraulik über den
Anschluss 38 in den Zylinderraum S hindurchlässt. Wird,
wie in 3 dargestellt, der Betätigungskolben 18 mit
der Kolbenstange 23 derart in Richtung Hochdruckkolben 24 verschoben,
dass die Übersetzungsstufe 37 den
Dichtring 39 überfährt, so
kann keine keine Hydraulik von der Niederdruckkammer zu der Hochdruckkammer
mehr gelangen.
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Der
in den 1 bis 3 dargestellte Druckübersetzer 1 weist
außerdem
eine Hydraulikfüllstandanzeige
in Form des aus dem unteren Gehäusedeckel 4 herausragenden
Endes der Kolbenstange 42 des Vorratskolbens 34 auf.
Bei Verlust von Hydraulik in dem Hydrauliksystem verändert das
freie Ende der Kolbenstange 42 bezüglich der Oberfläche des
Gehäusedeckels 4 seine
Position, wodurch aufgrund eines Soll-Ist-Vergleichs auf den jeweils
aktuellen Füllstand
rückgeschlossen
werden kann. Dazu ist an der Oberfläche des Gehäusedeckels 4 eine
Nut 35 vorhanden. Die Tiefe der Nut 35 ist dabei
so gewählt,
dass die Stirnseite der Kolbenstange 42 bei intaktem System
bei maximal eingefahrenem Vorratskolben 34 oberhalb des
Nutbodens ist. Bei einem Hydraulikverlust wird die Stirnseite der
Kolbenstange 42 unterhalb die durch den Nutboden gebildete
Referenzmarke gelangen, wodurch der Hydraulikverlust bemerkbar wird.
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Zur
Abdichtung der einzelnen Kolben und Kolbenstangenabschnitte sind
verschiedene weitere Dichtungen 13 an den jeweiligen Kolbenabschnitten vorhanden.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausgangslage des Druckübersetzers 1 sind
die Zylinderräume
A, B und C mit Druckluft gefüllt,
wobei in den 1 bis 3 die Pneumatikanschlüsse und
Luftverbindungskanäle
nicht dargestellt sind. Vorteilhafterweise können die einzelnen Räume A, B
und C durch nicht gezeigte Pneumatikleitungen miteinander verbunden sein.
Durch Einführen
von Druckluft in den Kolbenraum A wird der Arbeitskolben zurückgefahren. Durch
Einführen
von Druckluft in den Kolbenraum B wird der Betätigungskolben 18 gegen
den Anschlag 19 gedrückt.
Dadurch ist die Verbindung zwischen der Leitung 29 und
dem Zylinderraum S geöffnet;
es kann folglich Hydraulik aus dem Vorratsraum V in die Leitung 28 und
den Hydraulikarbeitsraum H strömen. Da
allerdings ebenfalls der Kolbenraum C mit Druckluft gefüllt wird,
wird der Hochdruckkolben 24 gegen einen dem Hochdruckkolben 24 zugewandten
Hochdruckdeckel 43 gedrückt.
Trotz des geringen Überdrucks
der Hydraulik strömt
keine Hydraulik in den Hydraulikarbeitsraum H. Die Druckluft in
dem Kolbenraum C bewirkt zusätzlich,
dass der Betätigungskolben 18 über die
an der Stirnseite des freien Endes der Kolbenstange 23 angreifende
Druckluft gegen die Anschläge 19 gedrückt wird.
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Bei
der in der 2 gezeigten Stellung des Druckübersetzers 1 sind
die Kolbenräume
A, B, C und auch D drucklos geschaltet. Aufgrund des geringen Überdrucks
der Hydraulik wird nun in den Hydraulikarbeitsraum H Hydraulik eingepresst,
wodurch sich der Hochdruckkolben 24 in Richtung Betätigungskolben 18 bewegt.
Die den Betätigungskolben 18 durchgreifende
Kolbenstange 25 des Hochdruckkolbens 24, die auf
den Arbeitskolben 12 stößt, bewegt
den Arbeitskolben in Richtung des Werkstücks 17, bis das freie
Ende der Kolbenstange 9 des Arbeitskolbens 12 auf
das Werkstück 17 auftrifft.
Das Werkstück 17 wird
demnach in der in 2 gezeigten Stellung mit einer
geringen aus dem geringen Überdruck
der Hydraulik resultierenden Stellkraft beaufschlagt.
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Zur
Erhöhung
der Stellkraft bzw. zum Erreichen der maximalen Stellkraft wird,
wie in 3 gezeigt, in den zwischen dem Betätigungskolben 18 und
dem Arbeitskolben 12 vorhandenen Arbeitsraum D Druckluft
eingeführt.
Dadurch werden im Wesentlichen zwei Effekte erzielt.
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Zum
einen bewegt sich der Betätigungskolben 18 samt
Kolbenstange 23 in Richtung Hochdruckkolben 24.
Dabei überfährt die
als Steuerkante ausgebildete Übersetzungsstufe 37 den
Dichtring 39, wodurch die Niederdruckkammer von der Hochdruckkammer
getrennt wird. Aufgrund der weiteren Verschiebung der Betätigungskolbenstange 23 bzw. der Übersetzungsstufe 37 in
Richtung Hochdruckkolben 24 wird ein Hochdruck in dem Hydraulikarbeitsraum
H aufgebaut. Dadurch wird über
den Hochdruckkolben 24 bzw. dessen Kolbenstange 25 die
auf den Arbeitskolben 12 und damit auf das Werkstück 17 wirkende
Stellkraft erhöht.
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Zum
anderen wirkt die in dem Arbeitsraum D auf den Arbeitskolben 12 wirkende
Druckluft unmittelbar auf das Werkstück 17. Die maximale
Stellkraft setzt sich folglich aus einem auf den Arbeitszylinder 12 wirkenden
pneumatischen Anteil und einem aus der hydraulischen Druckverstärkung resultierenden, über den
Hochdruckkolben 24 auf den Arbeitskolben 12 wirkenden
hydraulischen Anteil zusammen. Dies hat insbesondere den Vorteil,
dass bei einer Undichtheit bzw. eines Leckes in der Hochdruckkammer
der pneumatische Anteil der Stellkraft, der unmittelbar über den
Arbeitskolben 12 eingeleitet wird, als Reservekraft verbleibt.
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Zum
Zurückfahren
des Druckübersetzers 1 in
die in 1 gezeigte Ausgangsstellung wird der Arbeitsraum
D drucklos geschaltet, und die Kolbenräume A, B und C werden mit Druckluft
beaufschlagt.
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Bei
einer einfacheren als die in den 1 bis 3 gezeigten
Ausführungsformen
ist es denkbar, den Arbeitszylinder ersatzlos wegzulassen, wobei dann
das freie Ende der Hochdruckkolbenstange die Stellkraft unmittelbar
auf das Werkstück 17 überträgt.
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Der
in den 1 bis 3 dargestellte Druckübersetzer
ist vorteilhafterweise einfach montierbar. Nachdem das Grundgehäuse 2 mit
den entsprechenden Kolbenräumen
B und C und Leitungsbohrungen gefertigt ist, lassen sich der Betätigungskolben 18 sowie
der Hochdruckkolben 24 in das Grundgehäuse einführen. Danach wird vorteilhafterweise
der Hochdruckdeckel 43 montiert. In einem weiteren Schritt
werden die bereits vormontierten, die entsprechenden Kolben 12 bzw. 34 aufweisenden Gehäusedeckel 3 und 4 an
dem Grundgehäuse 2 montiert.
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Der
in den 1 bis 3 dargestellte Druckübersetzer 1 weist
auch den Vorteil auf, dass die maximale Spannkraft nicht bzw. weitgehend
von der Hydrauliktemperatur unabhängig ist. Erwärmt sich
beispielsweise während
des Betriebes des Druckübersetzers 1 die
Hydrauliktemperatur, so kann eine Volumenzunahme der in der Hochdruckkammer vorhandenen
Hydraulik über
eine Kompression der in dem Arbeitsraum D vorhandenen Luft ausgeglichen werden.
Damit wird einer Beschädigung
des Druckübersetzers 1 sowie
des Werkstücks 17 vorgebeugt.