-
Die
Erfindung betrifft einen Hydraulikantrieb mit einem in einem Gehäuse
geführten Arbeitskolben.
-
Hydraulische
Antriebsvorrichtungen sind in verschiedenen Ausführungen
bekannt. Diese weisen meist einen hydraulischen Regelkreis auf,
mit dem die Regelgröße (Verfahrweg des Arbeitskolbens) durch
die Vorgabe einer Führungsgröße eingestellt wird.
In der
EP 0 296 104
B1 ist beispielsweise ein hydraulischer Linear-Servo-Verstärker
beschrieben. Hierbei wird die Bewegung des Kolbens durch mechanisches
Verschieben eines Steuerschiebers mittels einer Betätigungsstange gesteuert.
Aus der
DE 42 27 563 ist
ferner ein geregelter hydraulischer Vorschubantrieb bekannt. Die
Bewegung des Kolbens wird dabei über ein elektrisch gesteuertes
Regelventil kontrolliert, wobei der hydraulische Regelkreis durch
ein Wegmesssystem an einem Pilotzylinder hergestellt wird.
-
Derartige
Hydraulikantriebe kommen insbesondere als Press- und Stanzantriebe
in Tiefziehpressen, Stufenpressen, Schneideressen und anderen Werkzeugmaschinen
zum Einsatz. Üblicherweise sind dabei große Hublasten
zwischen 5 t und 800 t zu überwinden. Die belasteten Bauteile
sind daher entsprechend robust auszulegen. Gleichzeitig müssen
bei den beispielhaft genannten, vorbekannten hydraulischen Antriebssystemen
eine Vielzahl mechanischer und/oder elektrischer Bauteile präzise aufeinander
abgestimmt angeordnet werden.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen robusten, einfach aufgebauten
Hydraulikantrieb mit großer Flexibilität bei der
Anordnung der Bauteile bereitzustellen.
-
Diese
Aufgabe wird durch einen Hydraulikantrieb gemäß Anspruch
1 gelöst. Dieser umfasst einen in einem Gehäuse
längs einer Arbeitsrichtung geführten Arbeitskolben,
wobei der Arbeitskolben einen Arbeitsdruckraum begrenzt, der zur
Bewegung des Arbeitskolbens in Arbeitsrichtung mit einem Druckfluid
befüllbar ist. Der Arbeitskolben begrenzt außerdem
einen Steuerraum, dessen Volumen sich bei Bewegung des Arbeitskolbens
in die Arbeitsrichtung vergrößert. Ferner ist
ein in einem Steuerzylinder geführter Steuerkolben vorgesehen,
der zwischen einer Neutralstellung, einer die Zufuhr von Druckfluid
in den Arbeitsdruckraum ermöglichenden Zuflussstellung
und einer die Abfuhr von Druckfluid aus dem Arbeitsdruckraum ermöglichenden
Abflussstellung längs einer Steuerachse verschiebbar ist. Ferner
ist ein Kolbenraum vorgesehen, der zur Bewegung des Steuerkolbens
aus der Neutralstellung in die Zuflussstellung oder aus der Abflussstellung
in die Neutralstellung mit Steuerfluid befüllt wird. Dabei ist
der Kolbenraum derart mit dem Steuerraum druckverbunden, dass der
Steuerkolben durch die Volumenänderung des Steuerraums
in die Neutralstellung zurückgeführt wird.
-
Beim
erfindungsgemäßen Hydraulikantrieb erfolgt die
Sollwertvorgabe also durch die Zufuhr/Abfuhr von Steuerfluid in
den/aus dem mit dem Steuerkolben zusammenwirkenden Kolbenraum. Da
der Kolbenraum mit dem Steuerraum druckverbunden ist, kann die Zufuhr/Abfuhr
vom Steuerfluid auch in den/aus dem Steuerraum erfolgen. Das Volumen
an Steuerfluid stellt die Führungsgröße
des hydraulischen Regelkreises dar. Die Regelgröße
ist der Verfahrweg des Arbeitskolbens. Eine Rückkopplung
der Regelgröße (Verfahrweg) zur Führungsgröße
(Steuerfluidvolumen) erfolgt hydraulisch über die mit der Kolbenbewegung
verbundene Änderung des Volumens des Steuerraumes. Ein
zusätzliches Wegmesssystem am bewegten Arbeitskolben ist
zur Realisierung des hydraulischen Regelkreises beim erfindungsgemäßen
Hydraulikantrieb grundsätzlich nicht erforderlich, was
den Aufbau des Hydraulikantriebs insofern vereinfacht. Vorzugsweise
ist neben dem eigentlichen Arbeitskolben lediglich der Steuerkolben
als bewegtes Bauteil ausgeführt. Der Steuerzylinder kann
ortsfest, insbesondere mit dem Gehäuse verbunden oder in
dieses integriert verbaut sein. Im Betrieb der Vorrichtung sind
dann nur geringe Massen während der Steuervorgänge
zu bewegen. Gleichzeitig wird die Anzahl der mechanischen Übergänge
zwischen verschiedenen Bauteilen reduziert und daher Reibungskräfte
beim Steuervorgang minimiert. Dadurch wird eine Steuerung mit hochdynamischem
Bewegungsprofil ermöglicht. Der Hydraulikantrieb weist
daher eine hohe Folgetreue und hohe Ansprechgeschwindigkeit auf.
Eine Verringerung der Anzahl bewegter Teile vereinfacht außerdem
den Aufbau dadurch, dass aufwändige Maßnahmen
zum Abdichten nur noch an wenigen Stellen erforderlich sind. Darüber
hinaus werden Funktionsstörungen durch ein Verkanten beweglicher
Bauteile gegeneinander weitgehend vermieden, wie sie beispielsweise bei
hydraulischen Linearantrieben mit mechanischer Steuerung über
Steuerschieber auftreten können. Der erfindungsgemäße
Hydraulikantrieb kann daher mit hoher Zuverlässigkeit und
robust gegen Störungen betrieben werden.
-
Dadurch,
dass die Anordnung von Steuerzylinder und Steuerkolben weitgehend
unabhängig vom Arbeitskolben erfolgen kann, kann der Aufbau des
erfindungsgemäßen Hydraulikantriebs flexibel an
dem zur Verfügung stehenden Bauraum angepasst werden. Beispielsweise
kann bei begrenzten axialen Platzverhältnissen der Steuerzylinder
parallel zum Arbeitskolben angeordnet werden. Entscheidend ist lediglich,
dass der Kolbenraum mit dem Steuerraum druckverbunden ist, was beispielsweise durch
starre oder auch flexible Druckleitungen realisiert werden kann.
Eine solche Gestaltungsfreiheit ist beispielsweise bei mechanisch
gesteuerten hydraulischen Linearantrieben aus Prinzip nicht möglich.
-
Vorzugsweise
kann der Steuerkolben den Kolbenraum unmittelbar begrenzen. Denkbar
ist allerdings auch, dass zwischen dem Steuerkolben und dem Kolbenraum
ein auf den Steuerkolben wirkender Ausgleichskolben vorgesehen ist. Über
den Ausgleichskolben kann das gewünschte Übersetzungsverhältnis
von Arbeitskolben und Steuerkolben vorgegeben werden, wobei insbesondere
der in verschiedene Stellungen bringbare Steuerkolben als Standardbauteil
ausgeführt werden kann.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich dadurch, dass die den Steuerraum begrenzende
hydraulische Wirkfläche des Arbeitskolbens gleich groß wie,
kleiner als oder größer als die den Kolbenraum begrenzende
hydraulische Wirkfläche des Steuerkolbens oder des zwischengeschalteten
Ausgleichskolbens ist. Dadurch kann eine hydraulische 1:1-Übersetzung,
eine Untersetzung oder eine willkürliche Übersetzung
zwischen dem Volumen an Steuerfluid und dem Volumen an Druckfluid
bereitgestellt werden. Es können damit verschiedene Übersetzungen zwischen
Arbeits- und Steuerkolben realisiert werden.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dadurch,
dass der Arbeitskolben einen Arbeitsabschnitt aufweist, welcher
den Arbeitsdruckraum begrenzt und ferner einen dem Arbeitsabschnitt
ferngelegenen, als Führungskolben ausgebildeten, Bereich
aufweist, welcher den Steuerraum begrenzt. Der Arbeitsdruckraum
ist folglich vom Steuerraum räumlich getrennt und nicht
hydraulisch druckverbunden. Der Führungskolben kann insbesondere von
einer Führungsstange gebildet werden, die zur axialen Ausrichtung
des Arbeitskolbens im Gehäuse geführt wird und
deren Stirnseite kolbenartig ausgebildet ist.
-
Als
weitere Ausgestaltung können Steuerkolben und Steuerzylinder
gemeinsam mit dem Arbeitskolben im Gehäuse des Hydraulikantriebs
angeordnet sein.
-
Die
Steuerachse des Steuerkolbens und die Arbeitsrichtung des Arbeitskolbens
verlaufen vorzugsweise parallel. Alternativ ist auch möglich,
dass die Steuerachse in einem Winkel zur Arbeitsrichtung verläuft.
Dadurch ist eine flexible, an die Platzanforderungen der Einbausituation
angepasste Anordnung möglich.
-
Besonders
bevorzugt ist, dass der Steuerkolben parallel zum Führungskolben
im Gehäuse angeordnet ist und dass die Stirnseite des Gehäuses
den Steuerraum und den Kolbenraum des Steuerkolbens gemeinsam begrenzt.
Der Führungskolben und der Steuerkolben weisen also derart ähnliche
axiale Abmessungen auf, dass eine gemeinsame Anordnung im Gehäuse
mit einem gemeinsamen Deckel möglich ist. Ein derartiger
Hydraulikantrieb ist damit außerordentlich kompakt und
robust aufgebaut.
-
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich auch dadurch, dass der Steuerzylinder
mit Druckleitungen verbunden vom Gehäuse beabstandet angeordnet
ist. Die Steuerachse kann dabei in beliebigem Winkel zur Arbeitsrichtung
angeordnet sein. Dies ermöglicht einen besonders flexiblen
Aufbau des Hydraulikantriebs. Außerdem können
Anordnungen realisiert werden, bei denen für die eigentliche
Arbeitseinheit (Arbeitskolben und Gehäuse) nur sehr wenig
Platz benötigt wird. Alle Steuerelemente können
von der Arbeitseinheit getrennt angeordnet werden. Eine präzise
Steuerung ist dabei nach wie vor möglich.
-
Besonders
bevorzugt ist, wenn der Steuerkolben Steuerkanten aufweist, die
mit Steuerkanten am Steuerzylinder zur Steuerung des Flusses von Druckfluid
derart zusammenwirken, dass der Fluss durch die Auslenkung des Steuerkolbens
aus der Neutralstellung längs der Steuerachse stufenlos
einstellbar ist. Da der Arbeitskolben durch Befüllen des Arbeitsdruckraums
mit Druckfluid bewegt wird, ist durch die beschriebene Anordnung
eine proportionale Steuerung der Geschwindigkeit der Kolbenbewegung
möglich. Im Betrieb der Vorrichtung kann daher der Arbeitskolben
je nach Anforderung unterschiedlich schnell verfahren werden.
-
Vorteilhafterweise
ist ein Federmittel vorgesehen, das den Steuerkolben federnd gegen
den in den im Kolbenraum herrschenden Druck so beaufschlagt, dass
der Steuerkolben in der Neutralstellung gehalten wird. Das Federmittel
kann insbesondere als hydraulische Feder oder auch als Schraubenfeder
ausgebildet sein. Bei Druckentlastung des Steuerfluids (zum Beispiel
durch entsprechende Volumensänderung des Steuerraums) kehrt
der Steuerkolben damit automatisch in die Neutralstellung zurück.
Dadurch kann die Ansprechgeschwindigkeit der Steuerung erhöht
werden.
-
Zur
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuerfluidversorgung
derart vorgesehen, dass ein definiertes Volumen an Steuerfluid in
den Kolbenraum zugeführt oder aus dem Kolbenraum abgeführt werden
kann. Die Steuerfluidversorgung kann dabei fern vom Arbeitskolben
bzw. dessen Gehäuse sowie fern von Steuerkolben bzw. dessen
Zylinder angeordnet sein. Die Zuführung von Steuerfluid
in den Kolben- oder Steuerraum kann dabei über starre oder
auch flexible Druckleitungen erfolgen.
-
Beim
erfindungsgemäßen Hydraulikantrieb sind verschiedenartige
Wege der Ansteuerung möglich. Insbesondere kann die Steuerfluidversorgung als
elektrofluidischer Wandler mit einem Kolben zur Ausgabe eines definierten
Volumens an Steuerfluid aus einem Steuerfluidtank ausgebildet sein.
Ein solcher Wandler arbeitet nach dem Prinzip einer „Infusionsspritze”.
Das ausgegebene Volumen kann beispielsweise für eine bestimmte
Bewegung des Kolbens einmal geeicht werden, wodurch eine eine präzise
Steuerung des Arbeitskolbens ermöglicht werden kann.
-
Eine
weitere Ausführungsform ergibt sich daraus, dass die Steuerfluidversorgung
eine Niederdruckpumpe bzw. einen Niederdruckspeicher für Steuerfluid
und ein elektrisches Wegeventil zur Steuerung des von der Niederdruckpumpe
bzw. des Niederdruckspeichers zum Steuerraum zugeführten
Volumens an Steuerfluid umfasst. Als Wegeventil kann dabei beispielsweise
ein kontinuierliches Servoventil zum Einsatz kommen.
-
Ferner
kann die Steuerfluidversorgung eine über einen Motor antreibbare
Pumpe umfasst, über die ein vorgebbares Volumen in den
oder aus dem Kolbenraum zu- oder abgeführt wird. Dankbar
ist auch, dass die Steuerfluidversorgung eine motorisch antreibbaren
Exzenterkolben umfasst, über den ein vorgebbares Volumen
in den oder aus dem Kolbenraum zu- oder abgeführt werden
kann.
-
Als
vorteilhafte Weiterbildung ist eine Messeinrichtung zur Bestimmung
des Volumens des in den Steuerraum zugeführten oder aus
dem Steuerraum abgeführten Steuerfluids vorgesehen. Die
gemessenen Volumenwerte können beispielsweise zur Einrichtung der
hydraulischen Rückkopplung oder zur Erhöhung der
Präzision der Steuerung eingesetzt werden.
-
Es
ist außerdem denkbar, eine Messeinrichtung zur Bestimmung
des Verfahrwegs des Arbeitskolbens längs der Arbeitsrichtung
vorzusehen. Da die Bewegung des Arbeitskolbens das Volumen des Steuerraums ändert,
ist auch auf diesem Wege eine Überwachung und/oder Verfeinerung
der hydraulischen Rückkopplung möglich.
-
Als
besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist im Betrieb
der Vorrichtung der Druck des Steuerfluids niedriger als der Druck
des Druckfluids. Die Bewegung des Steuerkolbens kann daher mit geringem
Energie- und Kraftaufwand erfolgen. Der Hydraulikantrieb wirkt in
diesem Sinne als hydraulischer Verstärker.
-
Vorteilhafterweise
wird das Druckfluid und das Steuerfluid von einem Hydrauliköl
gebildet, wobei zur Bereitstellung von Druckfluid eine Hochdruckversorgung
und zur Bereitstellung von Steuerfluid eine Niederdruckversorgung
für Hydrauliköl vorgesehen sein kann. Die Steuerung
des Hydraulikantriebs erfolgt also durch Bereitstellung definierter
Volumina von Hydrauliköl bei niedrigem Druck und ist nur
mit einem geringen Energieaufwand verbunden.
-
Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
der folgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer die in den Figuren
dargestellten Ausführungsformen der Erfindung näher
beschrieben und erläutert sind.
-
Es
zeigen:
-
1 einen
Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Hydraulikantrieb mit skizziertem elektrofluidischem Wandler als
Steuerfluidversorgung;
-
2 eine
skizzierte weitere Ausführungsform für die Steuerfluidversorgung
in Zusammenwirkung mit einer Volumenmesseinrichtung;
-
3 eine
skizzierte weitere Ausführungsform der Steuerfluidversorgung;
und
-
4 eine
skizzierte weitere Ausführungsform der Steuerfluidversorgung.
-
Der
in 1 dargestellte erfindungsgemäße Hydraulikantrieb 1 weist
einen Arbeitskolben 2 mit einem Arbeitsabschnitt 3 auf,
der in einem Gehäuse 5 längs einer Arbeitsrichtung 7 dichtend
geführt wird. Der Arbeitskolben 2 umfasst eine
in Arbeitsrichtung 7 verlaufend ausgebildete Kolbenstange 9.
Der dem Arbeitsabschnitt 3 entgegen der Arbeitsrichtung 7 abgewandte
Bereich des Arbeitskolbens 2 ist als Führungskolben 11 ausgebildet.
Der Durchmesser 15 des Führungskolbens 11 ist dabei
kleiner als der Durchmesser 13 des Arbeitsabschnitts 3.
Der Führungskolben 11 wird im Führungsbereich 6 des
Gehäuses 5 dichtend geführt.
-
Der
Arbeitskolben 2 begrenzt mit seinem Arbeitsabschnitt 3 einen
Arbeitsdruckraum 17. Auf der dem Arbeitsdruckraum 17 abgewandten
Seite ist ein Ringraum 4 vorhanden, im welchem vorzugsweise ein
Dauerdruck herrscht. Der als Führungskolben 11 ausgebildete
Bereich des Arbeitskolbens 2 begrenzt einen Steuerraum 19.
Der den Arbeitsdruckraum 17 begrenzende Arbeitsabschnitt 3 hat
eine hydraulische Wirkfläche 14 zur Bewegung des
Arbeitskolbens 2. Der den Steuerraum begrenzende Führungskolben 11 weist
eine hydraulische Wirkfläche 16 auf.
-
Zur
Versorgung des Arbeitsdruckraums 17 mit einem Druckfluid,
das hier von einem Hydrauliköl gebildet wird, ist eine
Hochdruckversorgung 21 vorgesehen. Zur Aufnahme von aus
dem Arbeitsdruckraum 17 abfließendem Hydrauliköl
ist ein Tank 23 vorgesehen.
-
Im
Gehäuse 5 ist ferner ein Steuerzylinder 25 angeordnet,
in dem ein Steuerkolben 27 längs einer Steuerachse 29 dichtend
verschieblich geführt ist. Die Steuerachse 29 verläuft
bei der in 1 gezeigten Ausführungsform
parallel zur Arbeitsrichtung 7. Grundsätzlich
kann die Arbeitsrichtung 7 und die Steuerachse 29 einen
beliebigen Winkel einschließen. Der Führungsbereich 6 des
Gehäuses 5, der Führungskolben 11,
der Steuerzylinder 25 und der Steuerkolben 27 haben ähnliche axiale
Abmessungen und sind im Gehäuse 5 parallel zueinander
angeordnet. Die Stirnseite 31 des Gehäuses 5 bildet
dabei einen gemeinsamen Abschluss des Führungsbereichs 6 und
des Steuerzylinders 25. Auf der dem Arbeitsabschnitt 3 abgewandten
Seite des Steuerkolbens 27 ist ein vom Steuerkolben 27 vorzugsweise separat
ausgebildeter, am Steuerkolben 27 anliegender, Ausgleichskolben 37 vorgesehen.
-
Der
Steuerkolben 27 weist zwei ringbundartige axiale Erweiterungen 39, 41 auf.
Die Erweiterung 39 wirkt gegen den Ausgleichskolben 37,
welcher mit dem Steuerzylinder 25 einen Kolbenraum 33 begrenzt.
Zwischen den beiden Erweiterungen 39, 41 liegt
ein Durchflussraum 35. Die dem Steuerkolben 27 abgewandte
Stirnseite 52 des Ausgleichskolbens 37 bildet
eine hydraulische Wirkfläche 53 zur Bewegung des
Ausgleichskolbens 37 und des Steuerkolbens 27.
-
Über
den Durchmesser des Ausgleichskolbens 37 kann das gewünschte Übersetzungsverhältnis
des Steuerkolbens 27 und des Führungskolbens 11 vorgebeben
werden, ohne die Größenverhältnisse von
Führungskolben 11 und Steuerkolben 27 verändern
zu müssen. Bei geeigneten Größenverhältnissen
von Führungskolben 11 und Steuerkolben 27 kann
der Ausgleichskolben 37 auch entfallen.
-
Der
Durchflussraum 35 ist über einen Druckkanal 45 mit
dem Arbeitsdruckraum 17 verbunden. Der Kolbenraum 33 ist über
den Durchgang 47 mit dem Steuerraum 19 verbunden.
Die Stirnseite 31 des Gehäuses 5 bildet
folglich einen gemeinsamen Deckel für den Kolbenraum 33 und
den Steuerraum 19.
-
Im
Steuerzylinder 25 werden durch ringförmige Aussparungen
eine Zulaufkammer 49 und eine Rücklaufkammer 51 mit
dem Steuerkolben 27 begrenzt. Dabei ist die Zulaufkammer 49 mit
der Hochdruckversorgung 21 verbunden, die Rücklaufkammer 51 mit
dem Tank 23.
-
Die
ringbundartige Erweiterung 41 des Steuerkolbens 27 weist
eine Steuerkante 60 auf, welche mit einer Steuerkante 62 der
Zulaufkammer 49 zusammenwirkt. In ähnlicher Weise
ist an der ringbundartigen Erweiterung 39 eine Steuerkante 64 zur
Zusammenwirkung mit einer Steuerkante 66 am Steuerkolben 27 vorgesehen.
-
In
der 1 ist die Neutralstellung des Steuerkolbens 27 dargestellt.
Hierbei fluchten die Steuerkanten 60 und 62 beziehungsweise 64 und 66 miteinander.
Der Durchflussraum 35 ist in der Neutralstellung also weder
mit der Zuflusskammer 49 noch mit der Rücklaufkammer 51 druckverbunden.
Wird der Steuerkolben 27 aus seiner in 1 dargestellten Lage
nach unten bewegt, so gelangt er in die Zuflussstellung. Dabei öffnet
sich ein Spalt zwischen den korrespondierenden Steuerkanten 60 und 62,
wodurch die Zulaufkammer 49 mit dem Durchflussraum 35 druckverbunden
wird. Wird hingegen der Steuerkolben 27 aus seiner Neutralstellung
in 1 nach oben bewegt, so wird in analoger Weise
die Rücklaufkammer 51 mit dem Durchflussraum 35 druckverbunden,
indem sich ein Spalt zwischen den Steuerkanten 64 und 66 öffnet.
In dieser Situation befindet sich der Steuerkolben 27 in
seiner Abflussstellung.
-
Im
Bereich der ringbundartigen Erweiterung 41 hat der Steuerkolben 27 eine
Bodenseite 54, an welcher sich ein zwischen dem Gehäuse 5 und
dem Steuerkolben 27 angeordnetes Federmittel 55,
das hier als Schraubenfeder 56 ausgebildet ist, abstützt. In
der Darstellung der 1 wird dadurch der Steuerkolben 27 mit
einer Kraft nach oben gegen den in im Kolbenraum 33 herrschenden
Druck beaufschlagt.
-
Um
dem Kolbenraum 33 beziehungsweise dem Steuerraum 19 ein
definiertes Volumen an Steuerfluid zuzuführen, ist eine
Steuerfluidversorgung 80 vorgesehen. Diese ist über
eine Verbindungsleitung 108 mit dem Durchgang 47 verbunden,
welcher den Kolbenraum 33 und den Steuerraum 19 verbindet. Die
Steuerfluidversorgung 80 ist in 1 als elektrofluidischer
Wandler 81 ausgebildet. Hierbei ist ein Steuerfluidraum 87 vorgesehen,
der von einem Kolben 83 begrenzt wird. Der Kolben 83 wird
durch einen elektrischen Linearmotor 89 angetrieben. Wird der
Kolben 83 durch den elektrischen Linearmotor 89 um
ein definiertes Wegstück bewegt, so wird ein definiertes
Volumen an Steuerfluid aus dem Steuerfluidraum 87 ausgepresst
und dem Kolbenraum 33 zugeführt. Insofern arbeitet
der elektrofluidische Wandler 81 ähnlich einer
Infusionsspritze.
-
Da
der Kolbenraum 33 und der Steuerraum 19 über
den Durchgang 47 druckverbunden sind, spielt es keine Rolle,
ob das Steuerfluid dem Steuerraum 19 direkt, dem Kolbenraum 33 oder
einem die beiden Räume verbindenden Leitungsabschnitt beziehungsweise
dem Durchgang 47 zugeführt wird.
-
Im
Betrieb des Hydraulikantriebs 1 erfolgt die hydraulische
Steuerung in der nachfolgend geschilderten Art und Weise. In 1 befindet
sich der Steuerkolben 27 in seiner Neutralstellung, der
Arbeitskolben 2 in seiner Ausgangslage. Der Kolbenraum 33 und
der Steuerraum 19 sind mit einem Ausgangsvolumen an Steuerfluid
befüllt. Auf die hydraulische Wirkfläche 53 des
Steuerkolbens 27 wirkt in 1 eine Kraft
nach unten. Diese wird genau kompensiert durch die auf den Steuerkolben 27 wirkende Kraft
nach oben, welche durch das Federmittel 55 bereitgestellt
wird. Der Steuerkolben 27 befindet sich daher in seiner
Neutralstellung im Kräftegleichgewicht. Um den Arbeitskolben 2 um
einen definierten Verfahrweg in Arbeitsrichtung 7 zu bewegen,
wird dem Kolbenraum 33 von der Steuerfluidversorgung 80 ein
definiertes Volumen an Steuerfluid zugeführt. Das Volumen
an Steuerfluid stellt insofern die Führungsgröße
des hydraulischen Regelkreises dar. Mit der Zufuhr von Steuerfluid
erhöht sich der Druck auf die hydraulische Wirkfläche 53 des
Ausgleichskolbens 37 und damit auf den Steuerkolben 27.
Dieser weicht daraufhin aus seiner Neutralstellung in Richtung der
Zuflussstellung nach unten aus. Die Steuerfluidversorgung 80 muss
dabei lediglich die Gegenkraft des Federmittels 55 überwinden
und kann daher als energiesparende Niederdruckversorgung ausgebildet
sein. In der Zuflussstellung des Steuerkolbens 27 öffnet
sich wie oben beschrieben ein Spalt zwischen der Zulaufkammer 49 und
dem Durchflussraum 35. Daraufhin strömt Druckfluid
von der Hochdruckversorgung 21 durch die Zulaufkammer 49, durch
den Durchflussraum 35, über den Druckkanal 45 und
in den Arbeitsdruckraum 17. Dadurch wird der Arbeitskolben 2 aus
seiner Ausgangslage in Arbeitsrichtung 7 bewegt. Dieser
Bewegung folgt der als Führungskolben 11 ausgebildete
Bereich des Arbeitskolbens 2 im Führungsbereich 6.
Der Verfahrweg des Arbeitskolbens 2 längs der
Arbeitsrichtung 7 ist dabei gerade so groß, dass
die mit der Bewegung verbundene Vergrößerung des
Volumens des Steuerraums 19 gerade dem zugeführten
Volumen an Steuerfluid entspricht. Da der Steuerraum 19 mit
dem Kolbenraum 33 über den Durchgang 47 verbunden ist,
kompensiert die Volumenvergrößerung des Steuerraums 19 das
dem Kolbenraum 33 zugeführte Volumen. Durch diesen
Volumenausgleich lässt die auf die hydraulische Wirkfläche 53 des
Ausgleichskolbens 37 wirkende Kraft nach, und der Steuerkolben 27 kehrt
aufgrund der nach oben gerichteten Kraft des Federmittels 55 wieder
in seine Neutralstellung zurück. Dadurch wird ein weiterer
Zufluss von Druckfluid zum Arbeitsdruckraum 17 unterbunden,
und der Hydraulikantrieb erreicht eine neue Ruhestellung, in der
sich der Steuerkolben 27 erneut in seiner Neutralstellung
befindet. Auf diese Weise wird über das Volumen des Steuerraumes 19 eine
hydraulische Rückkopplung der Stellgröße
(Verfahrweg des Arbeitskolbens 2) mit der Führungsgröße
(Volumen an Steuerfluid) bereitgestellt. Eine Messeinrichtung zur
Erfassung der Stellgröße, beispielsweise eine
Positionsmessung am Arbeitskolben 2, ist also für
den Betrieb des Hydraulikantriebs grundsätzlich nicht notwendig, kann
aber dennoch zur besseren Kontrolle des Vorgangs vorgesehen sein.
-
Bei
Verlagerung des Steuerkolbens 27 längs der Steuerachse 29 ist
die Öffnungsweite des Spaltes zwischen den korrespondierenden
Steuerkanten 60, 62 beziehungsweise 64, 66 kontinuierlich
einstellbar. Da die Öffnungsweite der Spalten zwischen
Zulaufkammer 49 beziehungsweise Rücklaufkammer 51 und
dem Durchflussraum 35 die zeitliche Durchflussmenge an
Steuerfluid regelt, ist auf diese Weise eine proportionale Regelung
der Verfahrgeschwindigkeit des Arbeitskolbens möglich.
Die hydraulische Über- beziehungsweise Untersetzung zwischen
dem Volumen an Steuerfluid und dem Volumen an Druckfluid ist dabei
durch das Verhältnis der hydraulischen Wirkfläche 16 im
Steuerraum 19 und der hydraulischen Wirkfläche 14 des
Arbeitskolbens 2 im Arbeitsdruckraum 17 bestimmt.
Die Vorrichtung arbeitet insofern einerseits als hydraulischer Kraftverstärker, andererseits
als hydraulische Übersetzung.
-
Wird
dem Kolbenraum 33 beziehungsweise dem Steuerraum 19 ein
definiertes Volumen an Steuerfluid entnommen, so bewegt sich der
Steuerkolben 27 aus der Neutralstellung in die oben beschriebene Abflussstellung.
Dadurch wird der Arbeitsdruckraum 17 über den
Druckkanal 45, den Durchflussraum 35, mit der
Rücklaufkammer 51 und mit dem Tank 23 verbunden.
Dies ermöglicht einen Abfluss von Druckfluid aus dem Arbeitsdruckraum 17 und
damit eine Rückbewegung des Arbeitskolbens 2 entgegen
der Arbeitsrichtung 7 aufgrund eines im Ringraum 4 anstehenden
Dauerdrucks.
-
Zur
Erhöhung der Präzision der hydraulischen Rückkopplung
ist eine Messeinrichtung 75 zur Bestimmung des von der
Steuerfluidversorgung 80 in den Kolbenraum 33 zugeführten
bzw. aus dem Kolbenraum 33 abgeführten Volumens
an Steuerfluid vorgesehen. Ferner ist eine Steuereinheit 76 vorgesehen,
welche den Linearmotor 89 ansteuert, Wegmesssignale der
Auslenkung des Linearmotors 89 und das ausgegebene von
der Messeinrichtung 75 gemessene Volumen auswertet.
-
Bei
Vorsehen einer Messeinrichtung zur Erfassung der Position des Arbeitskolbens 2,
kann die Messeinrichtung 75 entfallen.
-
Die
Versorgung mit Steuerfluid für einen erfindungsgemäßen
Hydraulikantrieb kann auf verschiedene Weise erfolgen. Um dem Kolbenraum 33 (vgl. 1) über
die Verbindungsleitung 108 ein definiertes Volumen an Steuerfluid
zuzuführen, ist in 2 eine Steuerfluidversorgung 90 skizziert,
welche mit einer Messeinrichtung 75 für das zu-
oder abgeführte Volumen an Steuerfluid und einer Steuereinheit 76 zusammenwirkt.
Die Steuerfluidversorgung 90 umfasst eine Niederdruckversorgung
bzw. Niederdruckquelle 92 für Hydrauliköl,
welches hier das Steuerfluid bildet. Der Durchfluss von Hydrauliköl
von der Niederdruckversorgung 92 zum Kolbenraum 33 (vgl. 1)
wird von einem elektrisch betätigbaren Wegeventil 96 gesteuert,
welches von der Steuereinheit 76 entsprechend angesteuert
wird. Ein definiertes Volumen an Steuerfluid kann dadurch bereitgestellt
werden, dass die Messeinrichtung 75 das zu- bzw. abgeführte
Volumen an Steuerfluid misst und die Steuereinheit 76 durch
Vergleich der gemessenen Werte mit den definierten Vorgaben das
Wegeventil 96 entsprechend ansteuert.
-
Die
in 3 skizzierte Steuerfluidversorgung 100 weist
ein Reservoir 102 für Steuerfluid und eine Pumpe 106 auf.
Die Pumpe 106 wird von einem Motor 105 angetrieben.
Der Motor 105 von einer elektrischen Steuereinheit 76 angesteuert,
so dass dem Kolbenraum 33 (vgl. 1) bzw.
dem Steuerraum 19 (vgl. 1) über
die Verbindungsleitung 108 ein definiertes Volumen an Steuerfluid
bereitgestellt werden kann. Über ein Messsystem 104 können
die Drehzahl und damit das Fördervolumen der Pumpe 106 bestimmt
werden.
-
In
der 4 ist eine weitere Steuerfluidversorgung 110 dargestellt.
Diese umfasst einen von einem Motor 112 angetriebenen Exzenter 114, über welchen
ein Kolben 116 auf und ab bewegt wird. Über den
Kolben 116 wird ein vorgebbares Volumen in die Verbindungsleitung 108 einspeist
bzw. aus der Verbindungsleitung 108 entnommen. An die Verbindungsleitung 108 kann
zudem ein Volumensausgleich 118, insbesondere zur Einstellung
der Ausgangslage des Arbeitskolbens 2, angeschlossen sein.
Eine solche Steuerfluidversorgung 110 findet insbesondere
Verwendung bei vergleichsweise schnellen, periodisch wiederkehrenden
Hubbewegungen des Arbeitskolbens 2.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0296104
B1 [0002]
- - DE 4227563 [0002]