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Die
Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung, die die Merkmale aus
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist.
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Antriebsvorrichtungen
für Pressen, Werkzeugmaschinen oder Kunststoffspritzgießmaschinen sind
häufig mit einer hydraulischen Kraftübersetzungsvorrichtung
ausgestattet, um auch mit einem vergleichsweise schwach dimensionierten
Antriebsmotor eine hohe Haltekraft auszuüben.
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Die
DE 10 2005 043 571
A1 beschreibt z. B. eine Antriebsvorrichtung mit einer
elektromotorischen Antriebsvorrichtung, die ein geradlinig bewegbares
Ausgangselement aufweist. Eine hydraulische Kraftübersetzungsvorrichtung überträgt
die durch das Ausgangselement aufgebrachte Kraft an ein bewegbares
Bauteil. Die Kraftübersetzungsvorrichtung umfasst drei
Hydraulikkolben. Der erste Hydraulikkolben begrenzt mit einer ersten
Wirkfläche einen ersten Druckraum, der zweite Hydraulikkolben
begrenzt mit einer zweiten Wirkfläche einen zweiten Druckraum und
der dritte Hydraulikkolben begrenzt mit einer dritten Wirkfläche
einen dritten Druckraum und mit einer vierten Wirkfläche
einen vierten Druckraum. Die zweite Wirkfläche ist wesentlich
kleiner als die erste und als die dritte Wirkfläche. Der
zweite Hydraulikkolben ist starr mit dem Ausgangselement gekoppelt. Der
erste und zweite Druckraum sind dauernd fluidisch verbunden. Durch
einen einseitigen mechanischen Anschlag ist der dritte Hydraulikkolben
vom zweiten Hydraulikkolben in Richtung einer Vergrößerung
des dritten Druckraumes mitnehmbar. In dieser Richtung ist also
die Bewegung der beiden Kolben formschlüssig gekoppelt.
In der anderen Richtung folgt der dritte Hydraulikkolben dem zweiten
Hydraulikkolben bis zu einem bestimmten Druck im dritten Druckraum.
Mit einem Schaltventil ist einer der an den dritten Hydraulikkolben
angrenzenden Druckräume absperrbar. Auch der dritte Druckraum
ist dauernd mit dem ersten Druckraum verbunden und der vierte Druckraum
ist durch das Schaltventil sperrbar. Durch die Absperrung des vierten
Druckraumes wird der dritte Hydraulikkolben gegen einen vom dritten Druckraum
auf ihn einwirkenden Druck abgestützt. Somit lässt
sich im ersten, zweiten und dritten Druckraum ein hoher Druck aufbauen,
wenn der im Ver gleich zu dem dritten und ersten Hydraulikkolben
kleine zweite Hydraulikkolben im Sinne einer Volumenverkleinerung
des zweiten Druckraumes bewegt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung mit
den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzuentwickeln,
dass die hydraulische Kraftübersetzungsvorrichtung einfach
ist, wenig Bauraum erfordert und kostengünstig konstruiert
ist.
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Diese
Aufgabe wird für eine Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen
aus dem Oberbegriff durch eine zusätzliche Ausstattung
mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung mit
einer elektromotorischen Antriebseinheit, die einen Elektromotor
und ein geradlinig bewegbares Ausgangselement aufweist, und einer
hydraulischen Kraftübersetzungsvorrichtung, die einen Primärzylinder,
der als Differentialzylinder mit einem Ringraum und einem Zylinderraum
ausgebildet ist und einen Sekundärzylinder mit einem Druckraum aufweist,
der mit dem Zylinderraum des Primärzylinders verbunden
ist, ist eine Ventilanordnung mit einer ersten und einer zweiten
Schaltstellung vorhanden, die während des Eilganges in
der ersten Schaltstellung den Ringraum des Primärzylinders
mit einem Vorratsbehälter verbindet und während
des Kraftaufbaues in der zweiten Schaltstellung den Ringraum mit
dem Zylinderraum des Primärzylinders verbindet.
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Durch
eine einfache Beschaltung von Primär- und Sekundärzylinder
einer Kraftübersetzungsvorrichtung ist eine konstruktiv
einfache, wenig Bauraum erfordernde und kostengünstige
Antriebsvorrichtung realisiert, die eine bauraumintensive Versorgereinheit
mit zusätzlichen Komponenten und einem Aggregat ersetzt.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht auch darin, dass der Primärzylinder
nicht mehr in kostenintensiver Einzelfertigung hergestellt werden
muss, sondern dass ein Serienzylinder eingesetzt werden kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen
Antriebsvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist
der Sekundärzylinder ein einfachwirkender Zylinder. Dieser ist
kostengünstig und erfordert nur einen Druckmittelzulauf.
Der Kolben wird mechanisch mittels einer Feder oder durch das Eigengewicht
eingefahren.
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Wenn
der Sekundärzylinder ein Differentialzylinder ist und einen
Ring- und einen Zylinderraum hat, kann der Kolben Zug- und Druckkräfte übertragen.
Die verschieden großen wirksamen Flächen erlauben
unterschiedliche Hubgeschwindigkeiten. Die übertragbare
Kraft ist bei der Ausfahrbewegung von der Kolbenfläche,
bei der Einfahrbewegung von der Ringfläche abhängig.
Dieser Zylindertyp ist in nahezu allen Anwendungsgebieten zu finden.
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Dadurch,
dass der Ringraum des Sekundärzylinders in der ersten Schaltstellung
der Ventilanordnung mit dem Ringraum des Primärzylinders
verbunden ist, kann während des Eilganges Druckmittel vom
Sekundärzylinder in den Primärzylinder nachfließen
und ein großer Vorratsbehälter ist nicht erforderlich.
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Vorzugsweise
ist der Ringraum des Sekundärzylinders dauernd mit dem
Vorratsbehälter verbunden. Dadurch ist im Falle des Kraftaufbaues
ein Entweichen des Druckmittels aus dem Zylinderraum des Sekundärzylinders
möglich.
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Wenn
die Ventilanordnung zur Beschaltung der Zylinderräume aus
zwei Schaltventilen besteht, wobei das erste Schaltventil die Verbindung
zwischen Ringraum und Zylinderraum des Primärzylinders
und das zweite Schaltventil die Verbindung zwischen dem Ringraum
des Primärzylinders und dem Vorratsbehälter steuert,
ist die Ventilanordnung kostengünstig aufgebaut und erlaubt
eine versetzte Schaltung. Insbesondere trifft das zu, wenn die Ventilanordnung
aus zwei 2/2-Wegeventilen besteht.
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Ist
die Ventilanordnung durch ein einziges Wegeventil realisiert, ist
die Ventilanordnung einfach und kostengünstig umzusetzen
und eine synchrone Beschaltung der Zylinderräume ist durchführbar.
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Auf
einfache Weise schaltet die Ventilanordnung in Abhängigkeit
des Druckes im Zylinderraum des Primärzylinders, sodass
die Schaltung direkt bei Über- oder Unterschreitung eines
bestimmten Schaltdruckes im Zylinderraum des Primärzylin ders auslöst.
Die erforderlichen Komponenten sind auf eine geringe Stückzahl
reduziert.
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Wenn
die Ventilanordnung in Abhängigkeit der Kolbenstellung
des Primärzylinders schaltet, dann ist eine präzise
Umschaltung der Ventilanordnung schon bei Erreichen der Anlageposition
möglich. Die Anzahl der erforderlichen Komponenten steigt
geringfügig, die Ventilanordnung erlaubt jedoch eine exakte
und variable Beschaltung der Zylinderräume. Unterschiedliche
Schaltpositionen sind beliebig kombinierbar.
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Vorzugsweise
wird die Ventilanordnung hydraulisch betätigt, das ermöglicht
einen autarken Betrieb der Ventilanordnung. Die Antriebsvorrichtung kann
als geschlossenes Hydrauliksystem betrachtet werden.
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Wenn
die Ventilanordnung elektromagnetisch betätigt wird, ist
diese hinsichtlich des erforderlichen Bauraumes sehr kompakt angeordnet.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausbildung sieht vor, dass ein Vorratsbehälter
vorhanden ist, der die Druckflüssigkeitsbilanz in der hydraulischen
Kraftübersetzungsvorrichtung ausgleicht. Ist der Vorratsbehälter
vorgespannt, liegt der Gesamtsystemdruck etwas höher und
das System wird steifer.
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Drei
Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen
Antriebsvorrichtung sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand
der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1 ein
Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles mit einer
hydraulischen Antriebsvorrichtung und einer hydraulischen Kraftübersetzungsvorrichtung
mit einem Sekundärzylinder als einfachwirkender Zylinder
und einer Ventilanordnung mit einem 3/2-Wegeventil,
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2 ein
Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispieles mit einer
hydraulischen Antriebsvorrichtung und einer hydraulischen Kraftübersetzungsvorrichtung
mit einem Sekundärzylinder als Differentialzylinder und
einer Ventilanordnung mit zwei 2/2-Wegeventilen und
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3 ein
Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispieles, das sich
von 2 nur durch die Ventilanordnung unterscheidet,
die in 3 mit einem 4/2-Wegeventil ausgeführt
ist.
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Nach
den 1 und 2 ist eine Antriebsvorrichtung 1 mit
einem Elektromotor 2, mit einem Gewindetrieb 3 und
einer hydraulischen Kraftübersetzungsvorrichtung 10 ausgestattet.
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Die
hydraulische Kraftübersetzungsvorrichtung 10 wird
durch zwei verschiedene Hydraulikkolben 11 und 12 gebildet.
In ein Zylindergehäuse 13 ragt der Hydraulikkolben 11 hinein
und unterteilt das Zylindergehäuse 13 in einen
Zylinderraum 14 und einen Ringraum 15. Der Hydraulikkolben 11 ist
mechanisch fest mit einem Boden 4 einer Spindelhülse 5 verbunden.
Die Spindelhülse 5 bildet zusammen mit einer Spindelmutter 6 ein
Spindelgehäuse 7, das eine vom Elektromotor 2 in
Drehung versetzbare Spindel 8 in eingefahrenem Zustand
vollständig umgibt. Eine Ventilanordnung 16 steuert
die hydraulische Verbindung des Ringraumes 15 mit dem Zylinderraum 14 und
des Ringraumes 15 mit einem Vorratsbehälter 17.
Eine Steuerdruckverbindung 18 lässt den Druck im
Zylinderraum 14 auf die Ventilanordnung 16 wirken,
die in Abhängigkeit des Steuerdruckes auslöst.
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Der
Hydraulikkolben 12 ragt in ein Zylindergehäuse 20 hinein
und unterteilt das Zylindergehäuse 20 in einen
Zylinderraum 21 und einen Ringraum 22. Der Zylinderraum 21 ist
hydraulisch mit dem Zylinderraum 14 verbunden. Das Zylindergehäuse 13 bildet
mit dem Hydraulikkolben 11 einen Primärzylinder 25,
das Zylindergehäuse 20 stellt mit dem Hydraulikkolben 12 einen
Sekundärzylinder 26 dar.
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Nach 1 ist
der Sekundärzylinder 26 als ein einfachwirkender
Zylinder ausgebildet. Der Ringraum 22 nimmt eine Rückstellfeder 23 auf.
Die Ventilanordnung 16 wird durch ein 3/2-Wegeventil 24 gebildet,
dass die Verbindung des Ringraumes 15 mit dem Zylinderraum 14 und
mit dem Vorratsbehälter 17 steuert.
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Nach
den 2 und 3 ist der Sekundärzylinder
ein Differentialzylinder.
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Gemäß 2 besteht
die Ventilanordnung 16 aus einem ersten 30 und
einem zweiten 2/2-Wegeventil 31. Das erste 2/2-Wegeventil 30 sperrt
während des Eilganges die Verbindung vom Ringraum 15 zum
Zylinderraum 14 und öffnet die Verbindung während
des Kraftaufbaues. Das zweite 2/2-Wegeventil 31 öffnet
während des Eilganges die Verbindung vom Ringraum 15 zum
Ringraum 22, mit dem auch der Vorratsbehälter 17 in
Verbindung steht und sperrt die Verbindung während des
Kraftaufbaues.
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Nach 3 ist
die Ventilanordnung 16 durch ein einziges 4/2-Wegeventil 32 realisiert,
bei dem 2 Anschlüsse mit dem Ringraum 15 verbunden
sind. Eigentlich würde ein 3/2-Wegeventil ausreichen, 4/2-Wegeventile
sind jedoch günstiger.
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Nachfolgend
wird die Arbeitsweise der in 1 dargestellten
Antriebsvorrichtung 1 erläutert.
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Wird
der Elektromotor 2 entsprechend angesteuert, betätigt
dieser den Gewindetrieb 3, indem die drehbar gelagerte
Spindel 8 die vom Elektromotor 2 erzeugte Rotationsbewegung
auf die Spindelmutter 6 überträgt und
diese zur axialen Verschiebung des Hydraulikkolbens 11 linear
bewegt. Bei Einfahrbewegung des Hydraulikkolbens 11 wird
Druckmittel aus dem Zylinderraum 14 in den Zylinderraum 21 verdrängt.
Während dieses Vorganges sperrt die Ventilanordnung 16,
hier durch ein 3/2-Wegeventil realisiert; die Verbindung zwischen
dem Zylinderraum 14 und dem Ringraum 15 und öffnet
die Verbindung vom Ringraum 15 zum Vorratsbehälter 17,
sodass der Hydraulikkolben 12 schnell die Last in Anschlagposition bringt.
Ist die Anschlagposition erreicht, steigt der Druck im Zylinderraum 14 durch
die Weiterbewegung des Hydraulikkolbens 11 an. Die Ventilanordnung öffnet
darauf hin bei Überschreitung eines eingestellten Schaltdruckes
die Verbindung zwischen Ring- 15 und Zylinderraum 14 und
sperrt gleichzeitig die Verbindung zum Vorratsbehälter 17.
Durch die Verbindung des Ringraumes 15 mit dem Zylinderraum 14 herrschen
in beiden Räumen gleiche Druckverhältnisse, so
dass nur noch die Fläche in Größe des
Kolbenstangenquerschnittes im Sinne einer Verkleinerung des Volumens
des Zylinderraumes 14 effektiv wirksam ist. Durch die Kompression
des Druckmittels im Zylinderraum 21 presst der Hydraulikkolben 12 die Last
an den Anschlag. Die Rückstellfeder 23 ist gestaucht.
Die Kraftübersetzung bemisst sich nach dem Verhältnis
der an den Zylinderraum 21 angrenzenden Kreisfläche
des Hydraulikkolbens 12 und der Stangenquerschnittsfläche
des Hydraulikkolbens 11. Um eine Rückzugsbewegung
des Hydraulikkolbens 12 auszuführen, dreht der
Elektromotor 2 in die entgegengesetzte Richtung und der
Hydraulikkolben 11 beginnt auszufahren. Dabei unterschreitet
der Druck im Zylinderraum 14 einen bestimmten Schaltdruck und
löst die Schaltung der Ventilan ordnung 16 aus, die
die Verbindung des Ringraumes 15 zum Zylinderraum 14 sperrt
und die Verbindung vom Ringraum 15 zum Vorratsbehälter 17 öffnet.
Der Hydraulikkolben 11 fährt schell aus und die
Rückstellfeder 23 bringt den Hydraulikkolben 12 in
seine Ausgangslage.
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Nach
den 2 und 3 ist der Sekundärzylinder 26 ein
Differentialzylinder. Der Ringraum 22 des Sekundärzylinders
ist über die Ventilanordnung 16 mit dem Ringraum
des Primärzylinders verbunden. Nachem der Hydraulikkolben 12 die
Last an die Anschlagsposition gefahren hat, verbindet die Ventilanordnung
den Ringraum 22 mit dem Ringraum 15, sodass Druckmittel
aus dem Ringraum 22 in den Ringraum 15 nachfließen
kann. Während des Kraftaufbaues ist der Ringraum 22 nur
mit dem Vorratsbehälter verbunden, um das vom Ringraum 22 verdrängte Druckmittel
aufzunehmen.
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Die
Ventilanordnung 16 des Ausführungsbeispiels nach 2 unterscheidet
sich von der Ventilanordnung des Ausführungsbeispiels nach 3 dadurch,
dass in 2 zwei 2/2-Wegeventile verwendet
werden und in 3 wird ein 4/2-Wegeventil eingesetzt.
Die Funktion der Ventilanordnung ist in beiden Fällen gleich.
Im Ausführungsbeispiel nach 2 schaltet
das Ventil 31 geringfügig vor dem Ventil 30.
Würde das Ventil 30 zuerst schalten, würde Druckmittel
aus dem Ringraum 15 und dem Zylinderraum 14 in
den Speicher 17 strömen, sodass sich in der Zylinderkammer 14 kein
Druck mehr aufbauen könnte.
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Die
Ventilanordnung kann auch in Abhängigkeit der Kolbenstellung
des Primärzylinders schalten.
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Außerdem
kann die Ventilanordnung hydraulisch oder elektromagnetisch betätigt
werden. Bei hydraulischer Betätigung ist die Anzahl der
erforderlichen Komponenten auf ein Minimum reduziert und die Ventile
schalten direkt in Abhängigkeit des Druckes, der im Zylinderraum 14 vorherrscht.
Bei elektromagnetischer Betätigung steigt die Anzahl der
erforderlichen Komponenten mindestens um einen Wegaufnehmer und
einem Relais an, jedoch lässt sich eine exaktere und auch
variablere Beschaltung der Zylinderräume vornehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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