DE102007050350A1

DE102007050350A1 - Hydraulikzylinder mit Energiespeicher

Info

Publication number: DE102007050350A1
Application number: DE102007050350A
Authority: DE
Inventors: Thomas Sauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2009-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft doppelwirkende Hydraulikzylinder, welche an Arbeitsmaschinen (2) mit Verbrennungsmotoren (34) oder deren Arbeitswerkzeugen (3) Anwendung finden, wobei der Hydraulikzylinder drei Kammern aufweist: eine Rückhubkammer (17) und zwei Vorhubkammern (20) und (23). Eine dieser Vorhubkammern (20) oder (23) dient als Energiespeicher (29) und ist deshalb mit Gasdruck befüllt und bewirkt eine zwangsläufig stattfindende Energieaufnahme bei einer Rückhubbewegung der Kolbenstange (14), indem die Gasdruckbefüllung (29) weiter verdichtet wird, und ebenso zwangsläufig stattfindende Energieabgabe bei einer Vorhubbewegung der Kolbenstange (14), indem sich die Gasdruckbefüllung (29) ausweiten kann. Hydraulikzylinder mit Energiespeicher (1) können hydraulisch erzeugte oder auch durch Totlast verursachte Rückhubkräfte speichern, um sie als Vorhubkräfte zur Verrichtung einer Arbeitsbewegung wieder nutzbringend einsetzen zu können.

Description

Die Erfindung betrifft Hydraulikzylinder, welche üblicherweise als hydraulisch beaufschlagbare Linearmotore an Arbeitsmaschinen oder Arbeitsgeräten eingesetzt werden.
Arbeitsmaschinen, wie Hydraulikbagger haben energieerzeugende Verbrennungsmotore welche Hydraulikpumpen antreiben, welche, aus einem Hydrauliktank angesaugtes Fluid, unter Druck an Verbraucher, wie Hydraulikzylinder, fördern können.
Dabei kann ein Maschinist durch die Bedienung von Wegeventilen darüber bestimmen, welcher Verbraucher mit druckbeaufschlagtem Fluid versorgt wird, und welche Bewegungsrichtung beispielsweise bei einem Hydraulikzylinder dabei erreicht werden soll.
Derart geförderte Fluide werden in Hydraulikleitungen transportiert, und haben meistens separate Zulauf- und Rücklaufleitungen. Rücklaufleitungen führen meistens in den Hydrauliktank zurück, um den Hydraulikkreislauf zu schließen.
Hydraulikzylinder gibt es je nach Anwendungsfall in vielen verschiedenen Ausführungen.
An Arbeitswerkzeugen und an Arbeitsmaschinen befinden sich häufig doppelwirkende Differenzialzylinder, welche zwei volumenunterschiedliche Verdrängungsräume, am verschiebbaren Kolben, aufweisen. Der dabei größere Verdrängungsraum wird bestmöglich für eine langsame, aber dafür kraftvolle Ausfahrarbeitsbewegung genützt, während der kleinere Verdrängungsraum für eine schnellere, weniger kraftvolle Rückholbewegung eingesetzt wird.
Nachteilig ist, dass die maschinenseitige Hydraulikpumpe sehr unterschiedliche Fluidmengen und Fluiddrücke bei Vor- oder Rückhub bereitstellen muß. Weiter nachteilig ist der Umstand, dass bei einem Arbeitsvorhub, der gesamte Arbeitsweg langsam und kraftvoll verläuft, unabhängig ob das Arbeitswerkzeug wirklich Arbeit zu verrichten hat.
An Arbeitsmaschinen, wie Hydraulikbagger, Schaufellader, Lift oder Kran, werden ebenfalls doppelwirkende Hydraulikzylinder, häufig in Differenzialbauweise, eingesetzt, um Lasthebearbeiten auszuführen.
Nachteiligerweise muß beim Arbeitsvorhub des Hydraulikzylinders, dabei nicht nur die Last, sondern auch die Totlast der Lasthebevorrichtungen, wie Tragarm oder Hubgerüst, energieaufwendig emporgehoben werden. Nachteiligerweise wird beim späteren Absenken der entleerten Lasthebevorrichtung diese Totlastenergie verschwendet.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen doppelwirkenden Hydraulikzylinder vorzuschlagen, welcher zwangsweise Rückhubenergie speichert, und zwangsweise als Vorhubenergie wieder abgibt.
Die Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst.
Demnach wird ein Hydraulikzylinder mit drei Hubkammern vorgeschlagen, wie sie beispielsweise aus der DE 19736141A1 bekannt sind.
Dabei kann eine Kolbenstange in einem zugehörigen Zylinderrohr eingefahren werden, indem eine Rückhubkammer mit Fluid befüllt wird.
Andersherum kann die Kolbenstange in ihrem zugehörigen Zylinderrohr ausgefahren werden, indem mindestens eine Vorhubkammer mit Fluid gefüllt wird.
Erfindungsgemäß wird eine der Vorhubkammern, wie besagt, zum Befüllen bzw. zum Entleeren von maschinenseitig gefördertem Fluid verwendet, die weitere Vorhubkammer ist erfindungsgemäß mit Druckgas befüllt, und dient als Energiespeicher.
Diese druckgasbefüllte Hubkammer ist autark abgeschlossen, und hat keine Verbindung zum Hydraulikkreislauf der Arbeitsmaschine, und hat auch keine Verbindung zu den Fluidhubräumen.
Die druckgasbefüllte Hubkammer kann in Verbindung zu einem extern vom Hydraulikzylinder angeordneten zusätzlichen druckgasbefüllten Speicherraum stehen.
Der druckgasbefüllte Zusatzspeicherraum kann in Verbindung mit mehreren druckgasbefüllten Hubräumen, hervorgehend von weiteren Hydraulikzylindern, stehen.
Die Wirkungsweise der Energiespeicherung und der Energieabgabe erfolgt zwangsweise durch eine Volumenveränderung der druckgasbefüllten Vorhubkammer. Beim Verkleinern von druckgasbefülltem Speicherraum, wird eine weitere Verdichtung des Gases erzwungen, was eine Energieaufnahme bewirkt. Beim umgekehrten Vergrößern von druckgasbefülltem Speicherraum, wird diese Energie abgegeben, weil sich das Gas wieder ausdehnen kann.
Die Volumenänderung des druckgasgefüllten Speicherraumes erfolgt jeweils bei einer herkömmlich fluidbeaufschlagten Kolbenstangeneinfahr- oder Kolbenstangenausfahrbewegung.
Bei Lasthebemaschinen kann ein einfahrender erfindungsgemäßer Hydraulikzylinder mit Energiespeicher die Kräfte einer sich senkenden Totlast einer Lasthebevorrichtung speichern, um sie dann bei einem Ausfahren des Hydraulikzylinders zum Zwecke eines erneuten Anhebens der Lasthebevorrichtung wieder nutzbringend abzugeben.
Bei Arbeitswerkzeugen, wie Schrottscheren, kann ein erfindungsgemäßer Hydraulikzylinder mit Energiespeicher, die überschüssig vorhandenen Kräfte eines fluidbeaufschlagten Zylinderrückhubes speichern, um sie einer schnelleren Arbeitsausfahrbewegung nutzbringend wieder abgeben zu können.
Die Hydraulikpumpe kann somit bei Hydraulikzylindereinfahr- und bei Hydraulikzylinderausfahrbewegung kraftausgeglichen arbeiten.
Aus der EP 0314660A1 ist eine Ausführungsform eines solchen Hydraulikzylinders für elektromotorbetriebene Hubstapler offenbart. Eine Anwendung bei Arbeitswerkzeugen oder Arbeitsmaschinen mit Verbrennungsmotoren war nicht Anspruch der Offenlegung.
Der Anspruch dieser Erfindung richtet sich deshalb ausschließlich an Arbeitsmaschinen, wie Hydraulikbagger, oder Arbeitswerkzeuge, wie Schrottscheren, deren Fluidversorgung von verbrennungsmotorangetriebenen Hydraulikpumpen ausgeht.
Die Erfindung, wird anhand der Zeichnungen der 1 bis 7 erklärt.
1 zeigt in Seitenansicht einen Hydraulikbagger 2, welcher mittels Verbrennungsmotor 34 eine Hydraulikpumpe 6 antreibt, und dabei Fluid aus dem Hydrauliktank 7 ansaugen, und an Verbraucher, wie Hydraulikzylinder 1, 8 druckbeaufschlagt fördern kann.
Durch manuelles Schalten des Wegeventiles 5 kann das Fluid durch entsprechende, dafür vorgesehenen Hydraulikleitungen 4 zu den gewünschten Verbrauchern 1, 8 hin- und auch in den Hydrauliktank 7 zurückbefördert werden.
Ein erfindungsgemäßer Hydraulikzylinder mit Energiespeicher 1 ist zum Heben und Senken der Lasthebevorrichtung 32 und der Last 33 angeordnet.
Der im Hydraulikzylinder 1 innenliegende Energiespeicher 29 ist von außen nicht sichtbar, nicht beschädigbar und deshalb unproblematisch an der Arbeitsmaschine installiert.
Der Energiespeicher 29 bewirkt, dass der Hydraulikbagger mit seiner Hydraulikpumpe 6 bei jedem Arbeitsspiel, nur seine Last und nicht auch die Totlast 32 der Lasthebevorrichtung energieverbrauchend anheben muß.
2 zeigt in Seitenansicht eine Schrottschere 3, welche an einen nicht gezeigten Hydraulikbagger 1, angebaut werden kann.
Der erfindungsgemäße Hydraulikzylinder mit Energiespeicher 1 ist an der Zylinderbefestigung 26 mit dem Hauptrahmen der Schrottschere verbunden, und mit den Befestigungsmitteln der Kolbenstange 14 an dem schwenkbeweglichem Scherenblatt.
Hydraulikleitungen 4 können mit einem Hydraulikkreislauf einer Arbeitsmaschine verbunden werden.
Der im Hydraulikzylinder 1 innenliegende, nicht sichtbare Energiespeicher 29 kann überschüssige hydraulisch beaufschlagte Rückhubkräfte speichern, und einem kraftaufwendigen hydraulisch beaufschlagtem Schrottschneidearbeitsvorhub zusätzlich zuführen. Dadurch muß die Hydraulikpumpe beim Öffnen und Schließen der Schrottschere eine immer nur ungefähr ausgeglichene Leistung erbringen.
3 zeigt, im Schnitt gezeichnet, einen erfindungsgemäßen Hydraulikzylinder mit Energiespeicher 1, und einen optional anbaubaren Zusatzspeicher 27 mit entsprechendem Gaskanal 28.
Der Hydraulikzylinder hat ein Zylinderrohr 9, mit Zylinderkopf 10 und darin installierter Zylinderkopfdichtung 19, und einen Zylinderboden 11 und daran befindlicher Zylinderbefestigung 26. Dem inneren Zylinderboden 11 ist eine Stange 15 fest verbunden.
Im Hydraulikrohr 9 befindet sich eine verschiebbare Kolbenstange, mit Kolben, Bohrung und äußeren Befestigungsteilen 14, dabei ragt die feststehende Stange 15 in die Bohrung der Kolbenstange 12, 13.
Im Kolben mit Bohrung 12 sind Trenndichtung 22 und Dichtung zur Stange 16 installiert.
Im Hydraulikzylinder ergeben sind dadurch drei Hubkammern, die durch die Dichtungen 16, 19, 22 druckdicht voneinander abgeschlossen sind.
Wird die Kolbenstange mit Kolben, Bohrung und Befestigungsmittel 14 im Zylinderrohr 9 verschoben, verändert sich das Volumen dieser drei nachfolgend beschriebenen Hubkammern.
Eine erste, ringförmige Vorhubkammer 20, befindet sich zwischen innerem Zylinderboden 11 und Kolben 12 und wird durch die Dichtung zur Stange 16 und durch die Trennkolbendichtung 22 abgedichtet. Mittels Fluidkanal 31 und Öffnung zur ersten Vorhubkammer 21, kann eine, nicht gezeichnete, maschinenseitig fluidversorgende Hydraulikleitung 4 angeschlossen werden.
Die zweite, kolbenförmige Vorhubkammer 23 ergibt sich in der Bohrung des Kolbens 12 und der Kolbenstange 13, und durch die am Zylinderboden 11 feststehende Stange 15, welche in die Bohrung hineinragt, und mittels der Dichtung zur Stange 16 druckdicht abdichtet. Diese zweite, kolbenförmige Vorhubkammer 23, ist hier mit Druckgas befüllt, und dient als Energiespeicher 29. Ein zur etwaigen Gasbefüllung vorgesehener Gaskanal 28 hat hier einen druckdichten Verschluß 25.
Bestehende Ausweitungen oder Hohlräume 30 bilden bei eingefahrener Vorhubkammer 23 immernoch einen druckgasgefüllten Resthubraum.
Die dritte Kammer dieses Hydraulikzylinders besteht aus einer Rückhubkammer 17, welche sich zwischen Zylinderkopf 10 und Kolben 12 ringförmig erstreckt, und durch die Trennkolbendichtung 22 und Zylinderkopfdichtung 19 druckdicht abgeschlossen ist. An eine Fluidöffnung zur Rückhubkammer 18 kann eine maschinenseitig versorgende Hydraulikleitung 4 angeschlossen werden, und die Rückhubkammer 17 mit Fluid durch Fluidkanal 31 versorgen.
Ein separater druckgasbefüllter Zusatzspeicher 27 kann durch Gaskanal 28 dem Energiespeicher 29 zur Volumenvergrößerung beigeordnet werden. Der Zusatzspeicher 27 ist am Schließventil 25 druckdicht befüllbar.
4 zeigt, im Schnitt gezeichnet, einen ebenfalls erfindungsgemäßen Hydraulikzylinder mit Energiespeicher 1. Er hat viele gemeinsame Merkmale mit dem Hydraulikzylinder der 3, deshalb sollen nur die Unterscheidungsmerkmale beschrieben werden.
Der vorgesehene Energiespeicher 29 befindet sich hier in der ersten, ringförmigen Vorhubkammer 20, und wird durch Verschluß 25 druckdicht abgeschlossen, wobei ein optional anbaubarer druckgasbefüllter Zusatzspeicher 27 mittels Gaskanal 28 angeschlossen werden kann. Im Inneren der feststehenden Stange 15 befindet sich ein weiterer druckgasbefüllter Hohlraum 30 welcher mittels Gaskanal 28 der Vorhubkammer 20 zugeordnet ist, und ein insgesamt erweitertes Gasvolumen ergibt.
Die zweite kolbenförmige Vorhubkammer 23 hat einen Fluidkanal 31 mit einer Öffnung zur zweiten Vorhubkammer 24 woran eine maschinenseitig fluidfördernde Hydraulikleitung 4 angeschlossen werden kann. Diese zweite Vorhubkammer dient bei hydraulischer Beaufschlagung zur Kolbenstangenausfahrt.
5 zeigt, im Schnitt, einen erfindungsgemäßen Hydraulikzylinder mit Energiespeicher 1. Er hat viele gemeinsame Merkmale mit dem Hydraulikzylinder der 4, deshalb sollen nur die Unterscheidungsmerkmale beschrieben werden.
Der vorgesehene Energiespeicher 29 befindet sich wieder in der ersten, ringförmigen Vorhubkammer 20, wobei sich die volumenvergrößernde Ausweitung 30 nicht in Hohlräumen der Stange 15 befinden, sondern durch eine Verjüngung der Stange 15 erreicht wurde. Die Dichtung zur Stange 16 befindet sich im äußeren Bereich der Stange 15.
Die Öffnung zur zweiten Vorhubkammer 24 liegt im Zylinderboden 11, wovon ein Fluidkanal 31 durch das Innere der Stange 15 zur zweiten fluidbeschickten Vorhubkammer 23 führt.
6 zeigt, im Schnitt, einen druckgasbefüllten Zusatzspeicher 27, mit mehreren Gaskanälen 28. Damit können mehrere Hydraulikzylinder mit Energiespeicher 1 an einen Zusatzspeicher 27 angeschlossen werden.
Der Zusatzspeicher 27 hat ein druckdichtes Schließventil 25.
7 zeigt, im Schnitt, eine weitere mögliche Ausführungsform einer Stange 15, welche dem Zylinderboden fest verbunden ist. Die Stange 15 weist hier Hohlräume 30 auf, welche mittels Gaskanal 28, der zweiten, druckgasbefüllten Vorhubkammer 23, als Energiespeicher 29 wirkend, verbunden ist.

1: Hydraulikzylinder mit Energiespeicher
2: Arbeitsmaschine, Hydraulikbagger
3: Arbeitswerkzeug, Schrottschere
4: Hydraulikleitungen
5: Wegeventil
6: Hydraulikpumpe
7: Hydrauliktank
8: Hydraulikzylinder in Differenzialbauweise ohne Energiespeicher
9: Zylinderrohr
10: Zylinderkopf
11: Zylinderboden
12: Kolben mit Bohrung
13: Kolbenstange mit Bohrung
14: Kolbenstange mit Kolben, Bohrung und Befestigungsmittel
15: Stange
16: Dichtung zur Stange, stangen- oder kolbenförmig
17: Rückhubkammer, ringförmig
18: Fluidöffnung zur Rückhubkammer
19: Zylinderkopfdichtung
20: erste Vorhubkammer, ringförmig
21: Öffnung zur ersten Vorhubkammer
22: Trennkolbendichtung
23: zweite Vorhubkammer, kolbenförmig, innenliegend
24: Öffnung zur zweiten Vorhubkammer
25: Verschluß, Schließventil
26: Zylinderbefestigung am Zylinderboden
27: Zusatzspeicher, druckgasbefüllbar
28: Gaskanal
29: Druckgasfüllung, Energiespeicher
30: Ausweitungen, Hohlräume
31: Fluidkanal
32: Lasthebevorrichtung, Tragarm, Totlast
33: Last
34: Verbrennungsmotor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19736141 A1 [0012]
- EP 0314660 A1 [0024]

Claims

Hydraulikzylinder mit Energiespeicher (1), als Linearmotor angewendet bei Arbeitsmaschinen (2) oder Arbeitswerkzeugen (3), welche zur Fluidversorgung, durch Verbrennungsmotore (34) angetriebene Hydraulikpumpen (6) aufweisen, mindestens bestehend aus: einem Zylinderrohr (9) mit einem Zylinderboden (11) und einem Zylinderkopf (10), wobei sich im Zylinderkopf (10) eine Zylinderkopfdichtung (19) befindet; einer Kolbenstange, mit Kolben, Bohrung und Befestigungsmittel (14), wobei der, mit einer Trennkolbendichtung (22) und optional mit einer Dichtung zur Stange (16), versehene Kolben mit Bohrung (12) im Zylinderrohr (9) druckdicht axial verschiebbar ist, während die Kolbenstange mit Bohrung (13) druckdicht an der Zylinderkopfdichtung geführt, nach Außen geht und mit Befestigungsmitteln versehen ist; einer, am inneren Zylinderboden (11) mittig feststehenden Stange (15), welche auch eine Dichtung zur Stange (16) aufweisen kann, wobei diese Stange (15) in die Bohrung der Kolbenstange (14) hineinragt; drei dadurch gebildeten Hubkammern, welche druckdicht zueinander abgeschlossen sind, nämlich, einer Rückhubkammer (17) mit zugehörigem Fluidkanal (31) und zugehöriger Öffnung zur Rückhubkammer (18), und zwei Vorhubkammern, einer ersten, ringförmigen Vorhubkammer (20), und einer zweiten, kolbenförmigen Vorhubkammer (23), wobei an einer der Vorhubkammern ein Fluidkanal (31) mit zugehöriger Öffnung zur Vorhubkammer (21) oder (24) angeordnet ist, und an der anderen Vorhubkammer ein Gaskanal (28) mit Verschluß (25), angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass eine der Vorhubkammern (20) oder (23) mit Gasdruck befüllt ist, und als Energiespeicher (29) dient.
Hydraulikzylinder mit Energiespeicher (1), nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass dem Energiespeicher (29) ein externer Zusatzspeicher (27) mittels Gaskanal (28) beigeordnet ist.
Hydraulikzylinder mit Energiespeicher (1), nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zusatzspeicher (27), mehrere Hydraulikzylinder mit Energiespeicher (1) zugeordnet sind.
Hydraulikzylinder mit Energiespeicher (1) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (29) zur Aufnahme von Totlasten verwendet wird.
Hydraulikzylinder mit Energiespeicher (1) nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (29) auch zur Speicherung von hydraulischen Rückhubkräften verwendet wird.
Hydraulikzylinder mit Energiespeicher (1) nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stange (15) Hohlräume oder Ausweitungen (30) aufweist, welche, bestmöglich, zur Vergrößerung des Energiespeichers (29) dienen.
Hydraulikzylinder mit Energiespeicher (1) nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (29) in der ringförmigen Vorhubkammer (20) angeordnet ist.
Hydraulikzylinder mit Energiespeicher (1) nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (29) in der ringförmigen Vorhubkammer (20) angeordnet ist, und dass der Verbrennungsmotor (34) auch als Elektromotor ersetzt sein kann.
Hydraulikzylinder mit Energiespeicher (1), welcher drei Hubkammern beinhaltet (17, 20, 23), wobei eine der drei Hubkammern mit Gasdruck befüllt ist, und als Energiespeicher (29) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass er Anwendung an einer dieselbetriebenen Arbeitsmaschine findet.