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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Druckregeleinrichtung zur Beaufschlagung eines Bauteils mit einem Innendruck.
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Druckregeleinrichtungen sind aus der Praxis in vielfältiger Weise bekannt und können beispielsweise zur Funktionsprüfung eines im Betrieb mit einem Innendruck beaufschlagten Bauteils, wie einem Drucksensor oder auch einem Druckspeicher eines Cornrnon-Rail-Einspritzsystems, eingesetzt werden. Bei einer derartigen Prüfung wird ein pneumatisches Medium, wie Stickstoff oder Luft, oder auch ein hydraulisches Medium, wie ein Hydrauliköl oder Wasser, unter Druck gesetzt und in das zu prüfende Bauteil eingebracht. Der geforderte Druck wird dabei mittels einer beispielsweise aus Ventilen bestehenden Aktorik, mittels einer Sensorik und mittels Regelalgorithmen eingestellt.
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Die
DE 102 33 358 B3 beschreibt ein Regelverfahren zum Druckaufbau mittels Druckübersetzern, insbesondere an einer Presse zum Prüfen der Druckfestigkeit von Großrohren durch Befüllen mit einer Flüssigkeit ihres nach Abschließen der Rohrenden gegebenen Innenraumes und anschließendem Beaufschlagen der Flüssigkeit durch mit vorgegebenem Druck eingepresste weitere Flüssigkeit. Die
DE 43 40 210 C1 beschreibt eine Antiblockierbremsanlage für Fahrzeuge. Die
DE 44 01 995 C1 beschreibt eine Bremsdruck-Steuereinrichtung für ein Straßenfahrzeug mit hydraulischer Zweikreis-Bremsanlage mit Vorderachs-/Hinterachsbremskreisaufteilung. Die
DE 199 52 512 A1 beschreibt einen Druckverstärker zur Erhöhung des Einspritzdrucks in direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern. Die
DE 196 52 298 A1 beschreibt eine Hochdruckpumpenanordnung, bei der ein Arbeitsdruck eines Primärkreises über einen Druckübersetzer zur Druckerhöhung eines Sekundärkreises verwendet wird.
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Aus der
US 5 259 235 A ist eine Druckregeleinrichtung bekannt, die zwei Druckkammern aufweist, die durch einen Kolben voneinander getrennt sind und jeweils mit einem Verbraucherauslass verbunden sind. Der Kolben ist mit einer Kolbenstange verbunden, mittels der eine Verschiebung des Kolbens in den Druckräumen möglich ist, so dass an den Verbraucherauslässen jeweils ein Druck erzeugt wird. Die Ansteuerung der Kolbenstange erfolgt mittels einer beispielsweise motorischen Hilfseinrichtung.
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Aus der
GB 2 295 249 A ist eine Druckregeleinrichtung bekannt, bei der an einem Verbraucherauslass ein unter Druck stehendes Medium bereitgestellt wird. Die Einstellung des Drucks erfolgt mittels pulsweitenmoduliert angesteuerter Magnetventile.
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Die bekannten Druckregeleinrichtungen erfüllen jedoch die bei der Funktionsprüfung von Bauteilen zu stellenden Anforderungen hinsichtlich Regelgenauigkeit und Regeldynamik nur in begrenztem Maße.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Druckregelvorrichtung zur Beaufschlagung eines Bauteils mit einem Innendruck mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bietet die Möglichkeit, Drücke in einem weiten Druckspektrum bereitzustellen, und zwar aufgrund des Einsatzes des mit einem unter einem so genannten Vordruck stehenden Fluid angesteuerten Druckübersetzers mit einer hohen Dynamik und in einer durch die Auslegung von Verbindungsrohren und dergleichen definierten Zeit. Der Ausgleich von etwaigen Abweichungen des in dem zweiten Fluidkreis herrschenden Fluiddrucks von einem Sollwert erfolgt einfach durch Nachregelung des in dem ersten Fluidkreis herrschenden Fluiddrucks mittels des Regelventils. Das Regelventil erlaubt eine exakte Einstellung des auf den mindestens einen Druckübersetzer wirkenden Vordrucks, so dass bei Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem kleinen Toleranzband gearbeitet werden kann. Durch ihren mechanischen Aufbau und aufgrund der kontinuierlichen Arbeitsweise der einzelnen Bauteile zeichnet sich die erfindungsgemäße Druckregelvorrichtung auch durch eine hohe Verschleißbeständigkeit aus.
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Die Druckregelvorrichtung nach der Erfindung kann insbesondere im Rahmen automatisierter Herstellungsprozesse zur Kalibrierung, zur Dichtheitsprüfung, zur Lebensdauerprüfung und/oder zur Autofrettage von im Betrieb mit einem Innendruck beaufschlagten Bauteilen eingesetzt werden.
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Der Begriff ”Fluid” ist im vorliegenden Fall in seinem weitesten Sinne zu verstehen und umfasst mithin sowohl Gase als auch Flüssigkeiten.
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Um an dem Verbraucherauslass auch bei einer Leckage im Bereich eines Verbrauchers einen konstanten Druck bereitstellen zu können, wirkt der erste Fluiddruck vorzugsweise auf zwei als Übersetzerkolben ausgebildete Druckübersetzer, die alternierend zuschaltbar sind und die jeweils mit einem Rückstelldruck beaufschlagbar sind. Auf diese Weise ist ein kontinuierlicher Betrieb der als modularer Druckregler ausgebildeten Druckregelvorrichtung gewährleistet. Bei dem Druckübersetzer kann es sich um einen pneumohydraulischen, einen pneumatischen oder einen hydraulischen Druckübersetzer handeln.
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Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckregelvorrichtung ist der erste Fluidkreis ein Pneumatikkreis. In diesem Falle wird also in den ersten Fluidkreis ein verdichtetes Gas eingespeist und mittels des Regelventils auf einen gewünschten Druck entspannt. In dem Pneumatikkreis können beispielsweise Drücke von bis zu 1 kbar eingestellt werden, die auf den bzw. die Druckübersetzer wirken. Bei einer alternativen Ausführungsform der Druckregelvorrichtung kann der erste Fluidkreis aber auch als Hydraulikkreis ausgebildet sein.
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Der zweite Fluidkreis, an dessen Verbraucherauslass durch die Wirkung des Druckübersetzers Drücke von beispielsweise bis zu 8 kbar bereitgestellt werden können, ist zweckmäßigerweise als Hydraulikkreis ausgebildet. An dem Verbraucherauslass kann dann beispielsweise mindestens ein in einem hydraulischen System eingesetztes Bauteil angeschlossen werden, das einer Funktionsprüfung unterzogen werden soll.
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Um auch den ersten Fluidkreis, in dem ein niedrigerer Druck als in dem zweiten Fluidkreis herrscht, separat für Prüfzwecke nutzen zu können, ist es zweckmäßig, wenn der erste Fluidkreis und der zweite Fluidkreis mittels mindestens eines Sperrventils entkoppelbar sind.
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Grundsätzlich kann die Druckquelle als lokale oder auch als globale Druckquelle ausgeführt sein. Um in dem ersten Fluidkreis einen konstanten Eingangsdruck aufrechterhalten zu können, umfasst die dem ersten Fluidkreis zugeordnete Druckquelle zweckmäßigerweise eine Fluidpumpe und einen Druckspeicher.
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Eine besonders präzise Einstellung des in dem ersten Fluidkreis herrschenden Fluiddrucks bzw. Vordrucks lässt sich erreichen, wenn das Regelventil als Proportionalventil ausgeführt ist.
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Um beim Anfahren der Druckregelvorrichtung nach der Erfindung in dem ersten Fluidkreis in kurzer Zeit den gewünschten Vorsteuerdruck aufbauen zu können, kann dem Regelventil ein Bypass-Ventil zugeordnet sein, das einen großen Volumenstrom zulässt. Über das Bypass-Ventil kann dann eine Befüllung des ersten Fluidkreises bis zu einem Druck erfolgen, der geringfügig unterhalb des gewünschten Vorsteuerdrucks für den bzw. die Druckübersetzer liegt. Die Feineinstellung des Vorsteuerdrucks erfolgt dann mittels des Proportionalventils.
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Der mindestens eine Druckübersetzer, der als Übersetzerkolben ausgebildet sein kann, stellt beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis zwischen 1:4 und 1:12 bereit. Das Übersetzungsverhältnis ist bei einem Übersetzerkolben durch die den jeweiligen Fluidkreisen zugeordneten Kolbenflächen festgelegt. Die Funktionsweise des Übersetzerkolbens basiert auf dem Prinzip eines fluidischen Getriebes mit zwei unterschiedlich großen Querschnittsflächen.
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Denkbar ist es auch, dass der Druckübersetzer als Druckreduzierer ausgelegt ist. Dadurch ist es möglich, Fehler im ersten Fluiddruck entsprechend dem gewählten Übersetzungsverhältnis zu verringern, so dass der zweite Fluiddruck mit einem geringeren Fehler behaftet ist.
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Bei Nutzung des ersten Fluidkreises zu Prüfzwecken kann diesem eine eigene Druckmesseinrichtung zugeordnet sein, die ebenfalls mit der Steuereinrichtung verbunden ist und die den ersten Fluiddruck misst, welcher an einem dem ersten Fluidkreis zugeordneten Verbraucherauslass herrscht. Die Regelung des in dem ersten Fluidkreis herrschenden Drucks kann dann ebenfalls derart erfolgen, dass die Steuereinrichtung den in dem ersten Fluidkreis herrschenden Ist-Druck mit einem Soll-Druck vergleicht und in Abhängigkeit von dem Vergleich einen Stellwert für das Regelventil berechnet, so dass mittels des Regelventils der in dem ersten Fluidkreis herrschende Ist-Druck gegebenenfalls nachgeregelt werden kann.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes nach der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild einer Druckregeleinrichtung zur Funktionsprüfung von mit einem Innendruck beaufschlagten Bauteilen.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In der Zeichnung ist eine Druckregelvorrichtung 10 dargestellt, die zur Beaufschlagung mindestens eines beispielsweise als Drucksensor ausgebildeten Prüflings 11 mit einem Hydraulikdruck von beispielsweise 5 kbar dient.
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Die Druckregelvorrichtung 10 umfasst einen ersten Fluidkreis 12, der als Pneumatikkreis ausgeführt ist, und einen zweiten Fluidkreis 14, der als Hydraulikkreis ausgebildet ist und der über einen nicht näher dargestellten Verbraucherauslass bzw. -anschluss mit dem Prüfling 11 verbunden ist.
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Der Pneumatikkreis 12 ist über einen nicht näher dargestellten Fluideinlass mit einer aus einer Pumpe 16 und einem Druckspeicher 18 gebildeten Druckquelle verbunden, so dass er mit einem pneumatischen Speisedruck von beispielsweise 1 kbar beaufschlagt werden kann. Zwischen der Pumpe 16 und dem Druckspeicher 18 ist ein Sperrventil 20 angeordnet. Der Druckspeicher 18 dient dazu, den Fluiddruck, mit dem der Pneumatikkreis 12 gespeist wird, konstant zu halten, wobei ein konstanter Volumenstrom realisiert werden kann.
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Der Pneumatikkreis 12 umfasst des Weiteren ein als Proportionalventil ausgebildetes Regelventil 22, mittels dessen der stromauf des Regelventils 22 herrschende Pneumatikdruck auf einen gewünschten Wert abgeregelt werden kann. Die hierzu erforderlichen Steuersignale werden über eine Leitung 24 von einer Steuereinrichtung 26 bereitgestellt.
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Zum schnellen Druckaufbau in dem Pneumatikkreis 12 ist dem Regelventil 22 ein Bypassventil 28 zugeordnet, das bei einer mittels des Regelventils 22 erfolgenden Feineinstellung des in dem Pneumatikkreis 12 herrschenden Fluiddrucks geschlossen ist.
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Der in dem Pneumatikkreis 12 herrschende Fluiddruck stellt einen Vorsteuerdruck für zwei Übersetzerkolben 30 und 32 dar, die jeweils ein Übersetzungsverhältnis von 1:10 haben und zur Erzeugung des auf den Prüfling 11 wirkenden Fluiddrucks in dem Hydraulikkreis 14 dienen. Das Übersetzungsverhältnis der Übersetzerkolben 30 und 32 ist jeweils durch ein Flächenübersetzungsverhältnis iF = AP/AH festgelegt, wobei AP die vorliegend größere Kolbenfläche auf Seiten des Pneumatikkreises 12 und AH die vorliegend kleinere Kolbenfläche auf Seiten des Hydraulikkreises 14 bezeichnet. Zur Beaufschlagung der Übersetzerkolben 30 und 32 mit dem in dem Pneumatikkreis 12 herrschenden Fluiddruck sind Sperrventile 34, 36 und 38 in entsprechende Öffnungsstellungen zu versetzen.
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Der Hydraulikkreis 14 umfasst eine Speisepumpe 40, die zur Befüllung des Hydraulikkreises 14 mit einem Hydrauliköl und zur Rückstellung der Übersetzerkolben 30 und 32 dient.
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Stromab der Speisepumpe 40 sind ein dem Übersetzerkolben 30 zugeordnetes Sperrventil 42 und ein dem Übersetzerkolben 32 zugeordnetes Sperrventil 44 angeordnet. Stromab des Übersetzerkolbens 30 ist ein Sperrventil 46 und stromab des Übersetzerkolbens 32 ist ein Sperrventil 48 angeordnet.
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Im Bereich eines nicht näher dargestellten Verbraucherauslasses, mit dem der Prüfling 11 verbunden ist, misst ein Druckmessgerät 50 den in dem Hydraulikkreis 14 herrschenden Ist-Druck, der auf den Prüfling 11 wirkt. Der Ist-Druck wird über eine Leitung 52 an die Steuereinrichtung 26 übergeben, an der über eine Eingabeeinrichtung 54 ein Soll-Druck vorgegeben wird.
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Der Pneumatikkreis 12 ist des Weiteren zur Nutzung des Gasvolumenstroms über einen nicht näher dargestellten Auslass bzw. Anschluss mit einem weiteren Prüfling 56 verbunden, der beispielsweise einen Gasdrucksensor darstellt, wobei im Bereich des Auslasses der in dem Pneumatikkreis 12 herrschende Ist-Druck mittels eines Druckmessgerätes 58 gemessen wird, der über eine Leitung 60 ebenfalls an die Steuereinrichtung 26 übergeben wird. Dem Auslass des Pneumatikkreises 12 ist ein Sperrventil 62 vorgeschaltet.
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Zum Abbau eines nicht genutzten pneumatischen und/oder hydraulischen Volumenstroms, d. h. zum Abbau von zu hohen Drücken ist die Druckregelvorrichtung 10 mit hier nicht näher dargestellten Druckreduzierungseinrichtungen versehen.
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Wie üblich, erfolgt die Druckübertragung zwischen den vorbezeichneten Bauteilen über Kanäle bzw. Rohrleitungen, in denen das Gas bzw. das Hydrauliköl transportiert wird. Aufgrund der hohen Belastungen, die insbesondere im Hydraulikkreis 14 herrschen, müssen die Kanäle bzw. Rohrleitungen hohen Anforderungen genügen, wobei insbesondere auch Druckschwankungen, bedingt durch die dynamische Regelung, berücksichtigt werden müssen.
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Die vorstehend beschriebene Vorrichtung arbeitet in nachfolgend beschriebener Weise.
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Mittels der Speisepumpe 40 wird bei geöffneten Sperrventilen 42, 44, 46 und 48 der Hydraulikkreis 14 mit einem Hydrauliköl befüllt, das durch den auf die Kolben 30 und 32 ausgeübten pneumatischen Druck aufgrund des Übersetzungsverhältnisses der Übersetzerkolben 30 und 32 bei einem Druck von beispielsweise 500 bar in dem Pneumatikkreis 12 unter einen Druck von 5 kbar gesetzt wird.
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Mittels der aus der Pumpe 16 und dem Druckspeicher 18 bestehenden Druckquelle wird ein unter Druck stehendes Gas erzeugt und unter einem Druck von beispielsweise 1 kbar in den Pneumatikkreis 12 eingespeist. Hierbei sind das Bypassventil 28 und die Sperrventile 34, 36 und 38 geöffnet, so dass sich in dem Pneumatikkreis 12 in kurzer Zeit ein Gasdruck von beispielsweise 500 bar aufbauen kann, mit dem die Übersetzerkolben 30 und 32 beaufschlagt werden. Anschließend wird das Bypassventil 28 geschlossen. Der am Fluideinlass bereitgestellte Druck ist stets höher als der an dem dem Prüfling 56 zugeordneten Auslass gewünschte Fluiddruck. Der Fluiddruck wird also in dem Pneumatikkreis reduziert.
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Zur Prüfung des Druckverhaltens des Prüflings 11 werden alternierend die Ventile 36, 42 und 46 einerseits und die Ventile 38, 44 und 48 andererseits geschlossen, so dass im Bereich des Prüflings 11 auftretende Leckagen ausgeglichen werden können und eine kontinuierliche Beaufschlagung des Prüflings 11 mit einem Soll-Druck erfolgt. Gleichzeitig erfolgt bei einer entsprechenden Schaltstellung der Ventile 42 und 44 ein Rückstellen des jeweils abgekoppelten Übersetzerkolbens 30 bzw. 32. Leckagen werden also durch den alternierenden Betrieb der als Druckübersetzer dienenden Übersetzerkolben ausgeglichen. Das Befüllen und Rückfahren der Druckübersetzer erfolgt mittels der Speisepumpe 40. Das Aufrechterhalten des Soll-Drucks in dem Hydraulikkreis 14 wird dadurch gewährleistet, dass im Bereich des dem Prüfling 11 zugeordneten Verbraucherausgangs mittels des Druckmessgeräts 50 der Ist-Druck gemessen und an die als Informationsverarbeitung dienende Steuereinrichtung 26 übergeben wird. Diese vergleicht den Ist-Druck mit dem vorgegebenen Soll-Druck und berechnet aus diesem Vergleich einen Stellwert für das Regelventil 22, so dass bei einer Abweichung des in dem Hydraulikkreis 14 herrschenden Ist-Drucks von dem Soll-Druck eine Druckänderung in dem Pneumatikkreis 12 erfolgt. Diese Druckänderung wirkt auf die Übersetzerkolben 30 und 32, was wiederum eine Druckänderung in dem Hydraulikkreis 14 zur Folge hat, so dass der auf den Prüfling 11 wirkende Druck dem Soll-Druck entspricht. Etwaige Störungen bei der Druckbereitstellung können also auf diese Weise ausgeglichen werden.
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Für eine Pneumatikprüfung, d. h. für eine Prüfung des Druckverhaltens des Prüflings 56, wird zur Entkopplung des Pneumatikkreises 12 und des Hydraulikkreise 14 das Sperrventil 34 geschlossen. Das dem Prüfling 56 vorgeschaltete Sperrventil 62 wird geöffnet. Mittels des Druckmessgeräts 58 wird dann der in dem Pneumatikkreis 12 herrschende Ist-Druck gemessen und an die Steuereinrichtung 26 übergeben. Diese berechnet in Abhängigkeit von einem Vergleich des Ist-Drucks mit einem Sollwert einen Stellwert für das Regelventil 22, so dass der in dem Pneumatikkreis 12 herrschende Fluiddruck im Falle von Störungen nachgeregelt werden kann. Der maximale Fluiddruck, der auf den Prüfling 56 wirken kann, entspricht dem an dem Fluideinlass des Pneumatikkreises 12 herrschenden Speisedruck.
