-
Die
Erfindung betrifft einen Niederdruck-Hydrospeicher nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und eine Nibbelmaschine nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 14.
-
Bei
hochdynamischen Hydraulikachsen, wie z. B. bei geregelten Stanzachsen
für Nibbelmaschinen,
treten beim Einleiten einer großen
Druckmittelmenge in eine Tankleitung Druckspitzen auf. Diese Druckspitzen
können
zu unerwünschten
Geräuschen und
zur Beschädigung
der in der Tankleitung angeordneten hydraulischen Komponenten führen. Zur Vermeidung
derartiger Druckspitzen werden Niederdruck-Hydrospeicher als Dämpfer verwendet, die bestimmte
Volumen unter Druck stehender Druckmittel aufnehmen und diese bei
Bedarf wieder abgeben können,
so dass die Druckspitzen gedämpft
werden.
-
Bei
bekannten Niederdruck-Hydrospeichern wird zum Volumenausgleich das
Druckmittel über Vorspannelemente
gewichts- oder federbelastet oder mit Gas beaufschlagt. Dabei unterteilt
ein Trennglied den Niederdruck-Hydrospeicher
in einen Druckmittelraum zur Aufnahme des Druckmittels und einen
Gasraum zur Aufnahme des Vorspannelements. Je nach Art des Trennglieds
des Niederdruck-Hydrospeichers wird zwischen Kolbenspeicher, Membranspeicher und
Blasenspeicher unterschieden.
-
Ein
Beispiel für
einen Kolbenspeicher als Niederdruck-Hydrospeicher bei einer Nibbelmaschine
ist in der deutschen Patentanmeldung
DE 196 08 582 A1 der Anmelderin offenbart.
Ein Stanzzylinder kann über
eine Pumpe mit Druckmittel versorgt werden, wobei zur Dämpfung von
Druckschwankungen in einer Tankleitung ein Kolbenspeicher vorgesehen ist.
Der Kolbenspeicher hat einen gasvorgespannten Kolben.
-
Diese
Lösung
zeigt zwar aufgrund der Gasvorspannnung des Kolbens eine relativ
geringe zu bewegende Masse, jedoch kann die Abdichtung des Gasraums
eine Schwachstelle darstellen.
-
Ein
Beispiel für
einen gewichtsreduzierten und gasfreien Niederdruck-Hydrospeicher
ist in der
DE 698
05 118 T2 offenbart. Als Niederdruck-Hydrospeicher ist
ein Blasenspeicher mit einer Blase vorgesehen, die anstelle eines
Gases mit einer Vielzahl von elastischen Kunststoffröhrchen befüllt ist,
die bei Druckbeaufschlagung der Blase zusammengedrückt werden.
-
Nachteilig
an dieser Lösung
ist der relativ aufwendige Aufbau mit einer Blase und den Kunststoffröhrchen.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Niederdruck-Hydrospeicher
zur Dämpfung
von Druckschwankungen zu schaffen, der einen gewichtsreduzierten
und einfachen Aufbau zeigt, sowie eine Nibbelmaschine, bei der auftretende
Druckschwankungen reduziert sind.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Niederdruck-Hydrospeicher
mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 und durch eine Nibbelmaschine
mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 14.
-
Der
erfindungsgemäße Niederdruck-Hydrospeicher – im Folgenden
ND-Hydrospeicher genannt – hat
ein Gehäuse,
in dessen Innenraum ein kompressibler Festkörper vorgesehen ist. Die Kompressibilität des Festkörpers bestimmt
sich dabei im wesentlichen über
ein Porensystem des Festkörpers.
-
Der
Festkörper
zeigt aufgrund der niedrigen zu bewegenden Masse ein gutes Ansprechverhalten und
erfordert keine gewichts-, feder- oder gasartige Vorspannung. Er
ist in beliebigen Formen und Größen ausführbar und
kostengünstig
zu produzieren.
-
Der
Festkörper
ist vorzugsweise ein Kunststoff in Form von zelligen Elastomeren.
Ein bevorzugter Werkstoff ist aufgrund seiner federnden Wirkung geschäumtes Polyurethan.
Aufgrund des Porensystems ist es möglich, den Festkörper mit
einem Vollquerschnitt auszuführen.
Das Porensystem hat zumindest an seiner Außenfläche verschlossene Poren, so
dass kein Druckmittel in den Festkörper eindringen kann. Zusätzlich kann
eine Ummantelung der Außenfläche durch
eine elastische und/oder mediumbeständige Ummantelung erfolgen.
-
Bei
einer Ausführungsform
ist der Festkörper frei
im Innenraum des Gehäuses
bewegbar. Über
ein Gitter, welches einen Mündungsbereich
des ND-Hydrospeichers zur Tankleitung abdeckt, wird verhindert,
dass der Festkörper
in die Tankleitung gesaugt bzw. gequetscht wird.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
ist der Festkörper
als Federelement für
einen Speicherkolben ausgebildet. Der Kolben unterteilt den Innenraum
des Gehäuses
in einen Druckmittelraum zur Aufnahme des Druckmittels und einen
Rückraum. Der
Speicherkolben ist in dem Rückraum
angeordnet und stützt
den Speicherkolben ab. Dabei ist der Rückraum mit Atmosphärendruck
beaufschlagt. Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsform
ist, dass die zu bewegende Gesamtmasse der Kolben-Festkörper-Anordnung
gering ist, wodurch ein gutes Ansprechverhalten erzielbar ist, und
eine aufwendige Abdichtung des Rückraums
entfallen kann.
-
Bei
einer weiteren Ausführungsform
ist das Gehäuse
derart in die Tankleitung integriert, dass der Festkörper von
dem Druckmittel in der Tankleitung umströmt wird. Dabei kann der Festkörper unmittelbar
oder mittelbar von dem Druckmittel umströmt werden. Beim unmittelbaren
Umströmen
strömt
das Druckmittel entlang seiner Außenfläche. Beim mittelbaren Umströmen ist
der Festkörper
als Vorspannelement in einem Rohr zwischen zwei Speicherkolben aufgenommen.
-
Die
erfindungsgemäße Nibbelmaschine weist
den erfindungsgemäßen ND-Hydrospeicher zur
Dämpfung
von Druckschwankungen auf.
-
Sonstige
vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand weiterer Unteransprüche.
-
Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es
zeigen
-
1 eine
hydraulische Schaltung mit einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen ND-Hydrospeichers, 2 eine
zweite Ausführungsform
des ND-Hydrospeichers,
-
3 eine
dritte Ausführungsform
des ND-Hydrospeichers,
-
4 eine
vierte Ausführungsform
des ND-Hydrospeichers,
und
-
5 eine
fünfte
Ausführungsform
des ND-Hydrospeichers.
-
1 zeigt
eine hydraulische Schaltung 2 einer Nibbelmaschine mit
einem erfindungsgemäßen ND-Hydrospeicher 4.
Als Verbraucher ist ein Stanzzylinder 6 zum Bearbeiten
von Werkstücken
vorgesehen.
-
Der
Stanzzylinder 6 hat einen Kolben 8 mit einer Kolbenstange 10,
der den Innenraum des Stanzzylinders 6 in einen Ringraum 12 und
einen Zylinderraum 14 unterteilt. Über eine Pumpe 16 kann der
Stanzzylinder 6 mit Druckmittel aus einem Tank 18 versorgt
werden. Die Pumpe 16 ist in einer Zulaufleitung 20 angeordnet,
die über
eine Zweigleitung 22 mit dem Ringraum 12 des Stanzzylinders 6 in
Verbindung steht. Die Zulaufleitung 20 führt zu einem
elektrisch betätigten
Wegeventil 26 mit einem Pumpenanschluss P, einem Arbeitsanschluss
A und einem Tankanschluss T. An dem Pumpenanschluss P ist die Zulaufleitung 20 und
an dem Tankanschluss T eine zum Tank 18 führende Tankleitung 28 angeschlossen.
von dem Arbeitsanschluss A führt
eine Arbeitsleitung 24 zum Zylinderraum 14 des
Stanzzylinders 6.
-
In
der dargestellten Grundstellung (1) des Wegeventils 26 ist
der Zylinderraum 14 mit der Tankleitung 28 verbunden
und der Pumpenanschluss P abgesperrt. In der Arbeitsstellung (2)
des Wegeventils 26 ist der Pumpenanschluss P mit dem Arbeitsanschluss
A verbunden und die Tankleitung 28 abgesperrt.
-
In
der Tankleitung 28 ist ein Rückschlagventil 30 mit
einer parallel geschalteten Düse 32 angeordnet.
Das Rückschlagventil 30 hat
einen Schließkörper 34,
der über
eine Feder 36 gegen einen Ventilsitz 38 vorgespannt
ist. Die Kraft der Feder 36 bestimmt den Druck in dem Tankleitungsabschnitt
zwischen dem Wegeventil 26 und dem Tank 18. Erst
wenn der Druck überschritten
ist, öffnet
das Rückschlagventil 30 und
Druckmittel kann aus der Tankleitung 28 in den Tank fließen. Die
Düse 32 bewirkt,
dass der Druck in dem genannten Tankleitungsabschnitt nach einer
gewissen Zeit auf Atmosphärendruck
absinkt.
-
In
der Tankleitung 28 ist zwischen dem Rückschlagventil 30 und
dem Wegeventil 26 der ND-Hydrospeicher 4 angeschlossen.
Dieser hat ein Gehäuse 40,
in dessen Innenraum 48 ein Festkörper 42 aufgenommen
ist. Im Mündungsbereich 44 des
ND-Hydrospeichers 4 zur Tankleitung 28 ist ein
Gitter 44 vorgesehen, welches verhindert, dass der Festkörper 42 in
die Tankleitung 28 gelangt.
-
Der
Festkörper 42 ist
kompressibel und bewegbar im Innenraum 48 gelagert. Er
hat bspw. einen runden Querschnitt, was eine gleichmäßige Druckbeaufschlagung
ermöglicht.
Die Kompressibilität
wird im wesentlichen über
sein Porensystem erzielt. Dieses Porensystem wirkt federartig und
ermöglicht,
den Festkörper 42 wie
dargestellt mit einem Vollquerschnitt auszuführen. Der Festkörper 42 ist
aus Kunststoff, vorteilhafterweise aus zelligen Elastomeren, wie
z. B. Polyurethan. Der Festkörper 42 hat
geschlossene Poren bzw. Gaszellen mit einem durchschnittlichen Durchmesser
kleiner als etwa 0,1 mm. Als vorteilhaft hat sich der Kunststoff
Cellasto® der Firma
Elastogran herausgestellt.
-
Grundsätzlich kann
der Festkörper 42 in
jeder beliebigen Form ausgebildet sein. So ist es z.B. gemäß 2 möglich, den
Festkörper 42 ebenfalls zylindrisch
auszubilden und in einem zylindrischen Gehäuse 40 anzuordnen.
Zusätzlich
kann die Außenfläche 50 mit
einer elastischen und mediumresistenten Hülle bzw. mit einem entsprechenden Überzug,
wie z. B. Lack, ummantelt sein, sodass dann auch ein offenzelliger
Kuststoff einsetzbar wäre.
-
Im
Folgenden wird der ND-Hydrospeicher 4 anhand einer Funktionsbeschreibung
des hydraulischen Systems 2 näher erläutert.
-
Es
wird davon ausgegangen, dass der Kolben 8 des Stanzzylinders 6 angehoben
ist und das Wegeventil 26 in seine Arbeitsstellung (2) überführt ist.
Die Pumpe 16 fördert
Druckmittel aus dem Tank 18 über die Zulaufleitung 20,
das Wegeventil 26 und die Arbeitsleitung 24 in
den Zylinderraum 14, so daß der Kolben abgesenkt wird.
-
Gleichzeitig
wird über
die Zweigleitung 22 Druckmittel aus dem Ringraum 12 in
die Zulaufleitung 20 verdrängt. Die Tankleitung 28 ist
abgesperrt. Dabei ist der Druck in der Tankleitung 28 über das Rückschlagventil 30 bspw.
auf 2bar eingestellt, sodass der ND-Hydrospeicher 4 entsprechend
aufgeladen ist.
-
Zum
Rückhub
des Kolbens 8 wird das Wegeventil 26 in seine
dargestellte Grundstellung (1) überführt, in der der Zylinderraum 14 mit
der Tankleitung 28 verbunden ist. Die Pumpe 16 fördert Druckmittel
in den Ringraum 12, woraufhin das Druckmittel aus dem Zylinderraum 14 in
die Tankleitung 28 verdrängt wird und über das
geöffnete
Rückschlagventil 30 in den
Tank 18 abströmt.
-
Der
Druck in der Tankleitung 28 ist durch das Rückschlagventil 30 auf
2 bar vorgespant.
-
Beim
Betrieb der Nibbelmachine kann es zum Auftreten von Druckspitzen
in der Tankleitung 28 kommen, diese werden durch Komprimierung
des Festkörpers 42 so
weit gedämpft,
dass sie für
das System unschädlich
sind. Beim Umschalten des Wegeventils 26 und dem damit
einhergehenden schlagartigen Absperren der Tankleitung kann es bei
herkömmlichen
Systemen zu einem Druckabfall und damit zu Kavitaionserscheinungen
kommen. Diese werden durch den erfindungsmäßigen ND-Hydrospeicher 4 unterbunden,
da Druckmittel durch Ausdehnen des Festkörpers 42 in die Tankleitung
nachgefördert
und ein abrupter Druckabfall verhindert wird.
-
3 zeigt
eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen ND-Hydrospeichers 4 mit
einem Festkörper 42,
der als Federelement für
einen Speicherkolben 52 dient.
-
Der
Speicherkolben 52 ist in einem zylindrischen Gehäuse 4 verschiebbar
aufgenommen ist und trennt einen Druckmittelraum 54 von
einem Rückraum 56.
Der Druckmittelraum 54 ist über einen Mündungsbereich 44 zur
Tankleitung 28 geöffnet.
Im Rückraum 56 ist
der Festkörper 42 aufgenommen. Über Radialdichtungen 64 des
Speicherkolbens 52 sind der Druckmittelraum 54 und
der Rückraum 56 gegeneinander
abgedichtet.
-
Der
Festkörper 42 ist
ebenfalls zylindrisch ausgebildet. Er stützt sich am Boden 58 des
Gehäuses 40 ab
und greift an einer Stirnfläche 60 des
Speicherkolbens 52 an. Radial ist der Festkörper 42 von gegenüberliegenden
Innenumfangsabschnitten 62 des Gehäuses 40 beabstandet,
sodass Raum zum radialen Ausdehnen geschaffen ist. Der Rückraum 56 ist
vorzugsweise gegenüber
der Umgebung druckentlastet, so dass nur der Festkörper 42 und
keine Gassäule
als Federelement auf den Speicherkolben 52 wirkt.
-
Sobald
eine Druckspitze auftritt, wird der Speicherkolben 40 mit
einem Druck beaufschlagt, und gegen den Festkörpers 42 gedrückt, woraufhin dieser
gestaucht bzw. gespannt wird, bis sich ein Gleichgewicht zwischen
dem Druck des Druckmittels und dem Gegendruck des Festkörpers 42 einstellt. Der
Speicherkolben 52 ist aus seiner Ruhelage in Bodenrichtung
des Gehäuses 40 verschoben,
wodurch das Volumen des Druckmittelraums 54 zur Aufnahme zusätzlichen
Druckmittels vergrößert ist.
Nachdem der Druck in der Tankleitung 28 abgebaut ist, entspannt
sich der Festkörper 42 entsprechend
und bewegt den Speicherkolben 52 zurück in seine Ruhelage.
-
Zu 2 ist
eine vereinfachte Version des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels
dargestellt. Dabei wird auf den Speicherkolben 52 verzichtet
und der Festkörper 42 direkt
vom Druckmittel beaufschlagt und beim Auftreten von Druckspritzen
komprimiert, sodass diese gedämpft
werden.
-
Die 4 und 5 zeigen
jeweils eine offene Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen ND-Hydrospeichers 4. "Offen" bedeutet, dass der ND-Hydrospeicher 4 in
einer Tankleitung 28 derart integriert ist, dass sein Festkörper 42 von
dem Druckmittel in der Tankleitung 28 umströmt wird.
D.h. es wird auf ein externes Gehäuse 40 wie bei den
vorbeschriebenen geschlossen Ausführungsformen nach den 1, 2 und 3 verzichtet.
Dabei kann der Festkörper 42 unmittelbar
(4) oder mittelbar (5) von dem
Druckmittel umströmt
werden.
-
Bei
der Ausführungsform
nach 4 wird die Außenfläche 50 des
Festkörpers 42 direkt
von dem Druckmittel umströmt.
Um Strömungsturbulenzen
zu vermeiden, ist der Festkörper 42 strömungsoptimiert
in Tropfenform ausgebildet. Der Festkörper 42 kann über entsprechende
Halteelemente ortsfest an einem Innenwandungsabschnitt 66 der
Tankleitung 28 gesichert sein.
-
Bei
der Ausführungsform
nach 5 ist der Festkörper 42 als Vorspannelement
zwischen zwei gegenüberliegenden
Speicherkolben 52, 70 in einem Rohr 68 angeordnet.
-
Das
Rohr 68 ist koaxial zu Tankleitung 28 ausgerichtet
und in dieser ortsfest positioniert, sodass es vom Druckmittel umströmt werden
kann. Das Rohr 4 ist stirnseitig durch die Speicherkolben 52, 70 verschlossen.
Die Speicherkolben 52, 70 sind über den
Festkörper 42 voneinander
beabstandet, wobei sie jeweils in Ruhelage gegen einen Sicherungsring 74, 76 in
einer Innenumfangsnut des Rohrs 68 vorgespannt werden.
Der Festkörper 42 ist
radial von einem Innenumfangsabschnitt 66 des Rohrs 4 beabstandet,
so dass zwischen den Speicherkolben 52, 70 ein
ringartiger Rück-
oder Gasraum 56 gebildet wird. Über Radialdichtungen 64, 76 in
den Speicherkolben 52, 70 wird verhindert, dass
Druckmittel in den Gasraum 56 eindringen kann.
-
Bei
einer Druckspitze werden die Speicherkolben 52, 70 gegen
die Gegenkraft des Festkörpers 42 aufeinander
zubewegt. Der Festkörper 42 wird
gestaucht und der Raum in der Tankleitung 28 wird vergrößert. Nach
einem Abbau des Druckes in der Tankleitung 28 entspannt
sich der Festkörper 42 und bringt
die Speicherkolben 52, 70 in Anlage mit den Sicherungsringen 72, 74 zurück in ihre
Ruhelage.
-
Neben
der erläuterten
Verwendung des ND-Hydrospeichers 4 zur Dämpfung von
Niederdruckschwankungen bei Nibbelmaschinen ist es ebenfalls vorstellbar,
den ND-Hydrospeicher 4 allgemein
bei stationären
und aufgrund seines geringes Gewichtes besonders bei mobilen Hydraulikanlagen zur
Dämpfung
von Niederdruckschwankungen und zur Reduzierung von entsprechenden
Geräuschen einzusetzen,
wie sie z. B. auftreten beim plötzlichen Verbinden
von Räumen
mit unterschiedlichen Druckniveaus, beim An- und Abschalten von
Pumpen, bei Förderschwankungen
von Pumpen oder bei Betätigung
von Ventilen und anderen Stell- oder Sperrorganen auftreten.
-
Offenbart
ist ein Niederdruck-Hydrospeicher zur Dämpfung von Druckwankungen in
einer Tankleitung, der in einem Gehäuse einen kompressiblen Festkörper hat,
wobei die Kompressibilität
des Festkörpers
im wesentlichen über
sein Porensystem bestimmt ist. Offenbart ist desweiteren eine Nibbelmaschine
mit dem erfindungsgemäßen ND-Hydrospeicher.
-
- 2
- hydraulisches
System
- 4
- ND-Hydrospeicher
- 6
- Stanzzylinder
- 8
- Kolben
- 10
- Kolbenstange
- 12
- Ringraum
- 14
- Zylinderraum
- 16
- Pumpe
- 18
- Tank
- 20
- Zulaufleitung
- 22
- Zweigleitung
- 24
- Arbeitsleitung
- 26
- Wegeventil
- 28
- Tankleitung
- 30
- Rückschlagventil
- 32
- Düse
- 34
- Schließkörper
- 36
- Feder
- 38
- Ventilsitz
- 40
- Gehäuse
- 42
- Festkörper
- 44
- Mündungsbereich
- 46
- Gitter
- 48
- Innenraum
- 50
- Außenfläche
- 52
- Speicherkolben
- 54
- Druckmittelraum
- 56
- Rückraum
- 58
- Boden
- 60
- Stirnfläche
- 62
- Innenumfangsabschnitt
- 64
- Radialdichtung
- 66
- Innenwandungsabschnitt
- 68
- Rohr
- 70
- Speicherkolben
- 72
- Sicherungsring
- 74
- Sicherungsring
- 76
- Radialdichtung