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Die
Erfindung betrifft einen hydraulischen Druckverstärker
sowie ein entsprechendes Steuerventil zur Steuerung des Zulaufs
zu dem Druckverstärker.
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1 zeigt
einen herkömmlichen hydraulischen Druckverstärker
1,
der auch als Hydrodruckübersetzer bezeichnet wird und beispielsweise
von der Anmelderin vertrieben wird. Der Druckverstärker
1 weist
an seiner Primärseite einen Druckeingang IN auf, über
den der Druckverstärker
1 mit einer Druckquelle
verbunden werden kann, die einen Fluiddruck p
IN bereitstellt,
wobei die Druckquelle zur Vereinfachung nicht dargestellt ist. An
seiner Sekundärseite verfügt der Druckverstärker
1 dagegen über
einen Druckausgang H, über den der Druckverstärker
1 mit einem
hydraulischen Verbraucher
2 verbunden werden kann, wobei
der Verbraucher
2 nur schematisch dargestellt ist. Der
Druckverstärker
1 übersetzt den primärseitig
anliegenden Fluiddruck p
IN hierbei mit einem Übersetzungsverhältnis
von 1,5–7,5 in einen größeren sekundärseitigen
Fluiddruck p
H, mit dem der Verbraucher
2 beaufschlagt
wird. Darüber hinaus weist der Druckverstärker
1 primärseitig
noch einen Rückführanschluss R auf, über
den Leckage zurückgeführt werden kann, die bauartbedingt
zwischen dem Druckeingang IN und dem Rückführanschluss
R auftritt. In dem Druckverstärker
1 befinden
sich neben einem herkömmlichen mechanischen Druckübersetzer
3 mit
einem Niederdruckkolben und einem Hochdruckkolben zwei Rückschlagventile
RV1, RV2 sowie ein entsperrbares Rückschlagventil DV. Der Aufbau
und die Funktionsweise des mechanischen Druckübersetzers
3 sind
beispielsweise in
DE
102 49 523 A1 beschrieben, so dass der Inhalt dieser Druckschrift
der vorliegenden Beschreibung in vollem Umfang zuzurechnen ist.
Im Betrieb des Druckverstärkers
1 gelangt zunächst
Hydrauliköl mit dem primärseitigen Fluiddruck
p
IN durch den Druckeingang IN über
die Rückschlagventile RV1, RV2 zu dem sekundärseitigen
Druckausgang H. Der Druckverstärker
1 befindet
sich in dieser Phase in der sogenannten Eilgangsfunktion. Bei steigendem
Druck arbeitet dann zunehmend auch der mechanische Druckübersetzer
3 mit
dem vorgegebenen Übersetzungsverhältnis, so dass
der sekundärseitige Fluiddruck p
H auf
den vorgegebenen Wert ansteigt.
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Nachteilig
an dieser Bauweise des Druckverstärkers ist die bauartbedingte
Leckage von 30–50 cm3/min. von
dem Druckeingang IN zu dem Rückführanschluss R.
Diese bauartbedingte Leckage kann im Betrieb des Druckverstärkers 1 zu
Funktionsstörungen führen, wenn eine automatische Drucküberwachung
den leckagebedingten Druckabfall in einer primärseitigen
Spannleitung 4 erfasst und fälschlicherweise eine
Funktionsstörung annimmt, so dass der Bearbeitungsprozess
angehalten wird, woraufhin der Maschinenführer die vermeintliche
Störung beseitigen und quittieren muss.
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Zur
Lösung dieses Problems ist es aus dem Stand der Technik
bekannt, dem Druckverstärker 1 ein 4/3-Wegeventil 5 vorzuschalten,
wie es in 2 dargestellt ist. Das 4/3-Wegenventil
entlastet den Fluiddruck pIN an dem primärseitigen
Druckeingang IN des Druckverstärkers 1, sobald
der sekundärseitige Fluiddruck pH aufgebaut
ist. Das primärseitig angeordnete 4/3-Wegeventil 5 verhindert
zwar die störende Leckage von dem primärseitigen
Druckeingang IN zu dem primärseitigen Rückführanschluss
R, jedoch ist es auf diese Weise nicht möglich, den sekundärseitigen
Fluiddruck pH aufrechtzuerhalten.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einem derartigen
hydraulischen Druckverstärker die leckagebedingten Funktionsstörungen zu
vermeiden und trotzdem eine sekundärseitige Druckhaltung
zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Druckverstärker
und ein erfindungsgemäßes Steuerventil gemäß den
Nebenansprüchen gelöst.
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Die
Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, eine Rückkopplung
von der Sekundärseite des Druckverstärkers auf
die Primärseite des Druckverstärkers vorzusehen,
um das primärseitige Steuerventil anzusteuern.
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Vorzugsweise
wird hierbei sekundärseitig eine Betriebsgröße
abgegriffen und als Regelgröße auf die Primärseite
des Druckverstärkers rückgekoppelt. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei der
Regelgröße um den sekundärseitigen Fluiddruck,
der im Rahmen der gewünschten Druckhaltung konstant gehalten
werden soll. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der sekundärseitig
gemessenen Betriebsgröße des Druckverstärkers
nicht auf den sekundärseitigen Fluiddruck beschränkt,
sondern grundsätzlich auch mit anderen sekundärseitigen
Betriebsgrößen des Druckverstärkers oder
des von dem Druckverstärker angetriebenen hydraulischen
Verbrauchers realisierbar.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst
die Rückkopplungsschleife von der Sekundärseite
des Druckverstärkers auf die Primärseite des Druckverstärkers
eine Druckleitung, die von dem Druckausgang auf der Sekundärseite
des Druckverstärkers auf die Primärseite des Druckverstärkers
führt und den sekundärseitigen Fluiddruck als
Regelgröße auf die Primärseite des Druckverstärkers
zurückführt. Hierbei wird also über die
Druckleitung ohne eine Messwertumwandlung direkt der sekundärseitige
Fluiddruck als Regelgröße zurückgekoppelt.
Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit,
dass die sekundärseitig abgegriffene Größe
zunächst in eine elektrische, optische oder sonstige Größe
umgewandelt und dann zurückgekoppelt wird. Die Rückkopplungsschleife
kann also auch einen Messwertwandler beinhalten.
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Das
primärseitig angeordnete Steuerventil nimmt dann in Abhängigkeit
von der rückgekoppelten Betriebsgröße
entweder eine geschlossene Ventilstellung oder eine geöffnete
Ventilstellung ein. Das Steuerventil ermöglicht also vorzugsweise
nur zwei verschiedene Ventilstellungen, nämlich entweder eine
geschlossene Ventilstellung oder eine geöffnete Ventilstellung.
Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit,
dass das Steuerventil im Rahmen der Rückkopplung seine
Ventilstellung kontinuierlich zwischen einer geschlossenen Ventilstellung
und einer geöffneten Ventilstellung verändert.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist
das primärseitig angeordnete Steuerventil zwei Steuereingänge
auf, nämlich zum Einen einen Steuereingang für
die Rückkopplungsschleife und zum Anderen einen Steuereingang
zur Aufnahme eines Sollwerts für den sekundärseitigen
Fluiddruck. Das Steuerventil öffnet bzw. schließt
dann in Abhängigkeit von dem sekundärseitig gemessenen und
zurückgekoppelten Fluiddruck relativ zu dem vorgegebenen
Sollwert des Fluiddrucks. Falls der sekundärseitig gemessene
Fluiddruck den vorgegebenen Sollwert unterschreitet, so öffnet
das Steuerventil, um dem Druckverstärker wieder Arbeitsfluid
(z. B. Hydrauliköl) zuzuführen und dadurch den
sekundärseitigen Fluiddruck wieder anzuheben. Falls der
sekundärseitig gemessene Fluiddruck dagegen im Wesentlichen
dem gewünschten Sollwert entspricht oder diesen sogar überschreitet,
so schließt das Steuerventil, weil dann kein Zufluss des
Arbeitsfluids zu dem Druckverstärker erforderlich ist.
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Bei
dem zweiten Steuereingang zur Einstellung des Sollwerts für
den sekundärseitigen Fluiddruck kann es sich beispielsweise
um einen mechanischen Steuereingang handeln. Dies bedeutet, dass der
Sollwert für den sekundärseitigen Fluiddruck beispielsweise
manuell durch eine Stellschraube eingestellt werden kann.
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Es
besteht jedoch im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit,
dass der zweite Steuereingang zum Einstellen des Sollwerts ein pneumatischer Steuereingang
ist, der ein entsprechendes pneumatisches Steuersignal aufnimmt.
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Theoretisch
besteht sogar die Möglichkeit, dass der Sollwert für
den sekundärseitigen Fluiddruck elektrisch eingestellt
wird.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kombiniert der erfindungsgemäße
Druckverstärker also die technischen Funktionen eines Druckverstärkers
und eines Druckreglers, da der erfindungsgemäße
Druckverstärker in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
einen integrierten Druckregler aufweist.
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Weiterhin
ist zu erwähnen, dass das primärseitig angeordnete
Steuerventil vorzugsweise eine Schalthysterese aufweist, um ein
Flattern des Steuerventils zu vermeiden, wenn der sekundärseitig
gemessene Fluiddruck im Wesentlichen dem gewünschten Sollwert
entspricht. Das Steuerventil öffnet also, wenn der sekundärseitig
gemessene Fluiddruck einen bestimmten Öffnungsdruck unterschreitet,
wohingegen das Steuerventil schließt, wenn der sekundärseitig
gemessene Fluiddruck einen bestimmten Schließdruck überschreitet,
wobei der Schließdruck um eine bestimmte Druckdifferenz
größer ist als der Öffnungsdruck, um
die gewünschte Schalthysterese zu erreichen. Beispielsweise
kann die Druckdifferenz zwischen dem Schließdruck und dem Öffnungsdruck
des primärseitigen Steuerventils zwischen 2% und 15% des
Schließdrucks oder des Öffnungsdrucks liegen.
Entscheidend ist jedoch lediglich, dass die Druckdifferenz zwischen
dem Schließdruck und dem Öffnungsdruck ausreichend groß ist,
um das unerwünschte Flattern des Steuerventils zu vermeiden.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist
der Druckverstärker ebenfalls einen Rückführanschluss
auf, um eine Leckage des Arbeitsfluids (z. B. Hydrauliköl)
zurückzuführen. Der erfindungsgemäße
Druckverstärker kann also ebenfalls eine Leckage von dem
primärseitigen Druckeingang zu dem Rückführanschluss
aufweisen. Jedoch führt diese bauartbedingte Leckage bei
dem erfindungsgemäßen Druckverstärker
nicht zu Funktionsstörungen, da diese Leckage nur auftritt,
wenn der primärseitige Druckeingang mit dem Arbeitsfluid
beaufschlagt wird. Dies ist jedoch nur der Fall, wenn der sekundärseitige
Fluiddruck unter den gewünschten Sollwert abgefallen ist.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist
der Druckverstärker ein Druckübersetzungsverhältnis
auf, das beispielsweise im Bereich von 1,5–20 liegen kann.
Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich des Druckübersetzungsverhältnisses
des Druckverstärkers nicht auf diesen Wertebereich beschränkt,
sondern grundsätzlich auch mit anderen Druckübersetzungsverhältnissen
realisierbar. Vorzugsweise ist der sekundärseitige Fluiddruck
jedoch im Betrieb größer als der primärseitige
Fluiddruck.
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Ferner
ist noch zu erwähnen, dass es sich bei dem erfindungsgemäßen
Druckverstärker vorzugsweise um einen hydraulischen Druckverstärker handelt.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf Druckverstärker beschränkt,
die als Arbeitsfluid Hydrauliköl verwenden. Vielmehr ist
es grundsätzlich auch möglich, das der erfindungsgemäße
Druckverstärker andere Arbeitsfluide verwendet und dafür
entsprechend ausgelegt ist.
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Zu
dem konstruktiven Aufbau des erfindungsgemäßen
Druckverstärkers ist weiterhin zu erwähnen, dass
der eigentliche mechanische Druckübersetzer mit dem Niederdruckkolben
und dem Hochdruckkolben vorzugsweise in einer Gehäuseplatte
angeordnet ist, die mehrere Bohrungen aufweist, um die Anschlüsse
des Druckverstärkers zu bilden. Darüber hinaus
weist der erfindungsgemäße Druckverstärker
vorzugsweise eine Flanschplatte auf, die an die Gehäuseplatte
angeflanscht ist und in der das Steuerventil angeordnet ist.
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Bei
einem solchen plattenförmigen Aufbau des Druckverstärkers
besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass die
Rückkopplungsschleife über die Gehäuseplatte
des Druckübersetzers hinaus bis in die Flanschplatte mit
dem Steuerventil reicht.
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Es
besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass das
Steuerventil baulich von dem eigentlichen Druckverstärker
getrennt ist. In diesem Fall ist das Steuerventil durch eine Verrohrung
mit dem Druckverstärker verbunden.
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Schließlich
ist noch zu erwähnen, dass die Erfindung auch das vorstehend
beschriebene Steuerventil als einzelnes Bauteil umfasst.
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Andere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
herkömmlichen hydraulischen Druckverstärker, der
bauartbedingt eine Leckage aufweist,
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2 den
herkömmlichen Druckverstärker gemäß 1 mit
einem primärseitigen 4/3-Wegeventil zur Vermeidung leckagebedingter
Funktionsstörungen,
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3 einen
erfindungsgemäßen Druckverstärker mit
einem eingangsseitigen Steuerventil und einer Rückkopplungsschleife
von der Sekundärseite des Druckverstärkers auf
die Primärseite des Druckverstärkers,
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4 eine
Abwandlung des erfindungsgemäßen Druckverstärkers
mit einem mechanisch einstellbaren Sollwert für den sekundärseitigen
Fluiddruck,
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5 eine
weitere Abwandlung des erfindungsgemäßen Druckverstärkers
mit einem pneumatischen Steuereingang zur Einstellung des Sollwertes
für den sekundärseitigen Fluiddruck,
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6 eine
Hysteresekennlinie des erfindungsgemäßen Steuerventils,
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7 ein
regelungstechnisches Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen
Druckverstärkers mit dem eingangsseitigen Steuerventil
sowie
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8 eine
vereinfachte Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen
Druckverstärkers, wobei das Steuerventil in einer Flanschplatte
angeordnet ist.
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Der
in 3 dargestellte erfindungsgemäße Druckverstärker 1 stimmt
weitgehend mit dem eingangs beschriebenen herkömmlichen
Druckverstärker 1 überein, so dass zur
Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen
wird, wobei für entsprechende Einzelheiten die selben Bezugszeichen
verwendet werden.
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Eine
Besonderheit des erfindungsgemäßen Druckverstärkers 1 besteht
in dem primärseitigen Steuerventil 6, das den
Fluidzufluss durch den Druckeingang IN steuert, wobei das Steuerventil 6 entweder
eine geöffnete Ventilstellung oder eine geschlossene Ventilstellung
einnimmt.
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Das
Steuerventil 6 wird von einer Rückkopplungsschleife 7 angesteuert,
die von der Sekundärseite des Druckverstärkers 1 ausgeht
und den sekundärseitigen Fluiddruck pH als
Regelgröße zurückkoppelt. Das primärseitige
Steuerventil 6 öffnet den Zufluss durch den Druckeingang
IN, wenn der sekundärseitige Fluiddruck pH einen
vorgegebenen Sollwert unterschreitet, wobei der Sollwert durch die Schaltcharakteristik
des Steuerventils 6 festgelegt wird. Das über
den Druckeingang IN zufließende Hydrauliköl führt
dann zu einer Erhöhung des sekundärseitigen Fluiddrucks
pH, woraufhin das Steuerventil 6 dann
wieder schließt, um die Leckage von dem Druckeingang IN
zu dem Rückführanschluss R zu minimieren.
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Das
Steuerventil 6 hat also zwei Funktionen. Zum Einen soll
das Steuerventil 6 den sekundärseitigen Fluiddruck
pH aufrecht erhalten, indem das Steuerventil 6 öffnet,
wenn der sekundärseitige Fluiddruck pH abfällt.
Zum Anderen soll das Steuerventil 6 aber auch die Leckage
von dem Druckeingang H zu dem Rückführanschluss
R minimieren, indem das Steuerventil 6 schließt,
wenn der sekundärseitige Fluiddruck pH an
dem Druckausgang dem gewünschten Sollwert entspricht oder
diesen sogar überschreitet. Das Schließen des
Steuerventils 6 führt zu einer Druckentlastung
an dem Druckeingang IN des Druckverstärkers 1,
wodurch die Leckage verringert wird.
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4 zeigt
eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Druckverstärkers 1 gemäß 3,
so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung
verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten die
selben Bezugszeichen verwendet werden.
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Eine
Besonderheit des Druckverstärkers 1 besteht darin,
dass das Steuerventil 6 einen mechanischen Steuereingang
in Form einer Einstellschraube aufweist, wobei über die
Einstellschraube ein gewünschter Sollwert pSOLL für
den sekundärseitigen Fluiddruck pH eingestellt
werden kann. Die Einstellschraube ermöglicht hierbei eine
Veränderung der Schaltcharakteristik des Steuerventils 6.
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5 zeigt
eine weitere Abwandlung des Druckverstärkers 1 gemäß den 3 und 4,
so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung
verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten die
selben Bezugszeichen verwendet werden können.
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Eine
Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin,
dass das Steuerventil 6 einen pneumatischen Steuereingang
ST aufweist, um den Sollwert pSOLL für
den sekundärseitigen Fluiddruck pH einzustellen.
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6 zeigt
eine Hysteresekennlinie des Steuerventils 6 aus den 3–5.
Daraus ist ersichtlich, dass das Steuerventil 6 schließt,
wenn der sekundärseitige Fluiddruck pH einen
vorgegebenen Schließdruck pZU überschreitet.
Das Steuerventil 6 öffnet dagegen wieder, wenn
der sekundärseitige Fluiddruck pH einen
vorgegebenen Öffnungsdruck pAUF unterschreitet.
Der Schließdruck pZU ist hierbei um
eine vorgegebene Druckdifferenz Δp größer
als der Öffnungsdruck pAUF, um
die gewünschte Schalthysterese des Steuerventils 6 zu
erreichen. Die Druckdifferenz Δp kann beispielsweise 10%
des vorgegebenen Schließdrucks pZU betragen.
Diese Schalthysterese verhindert ein Flattern des Steuerventils 6,
wenn der sekundärseitige Fluiddruck pH im Wesentlichen
dem gewünschten Sollwert pSOLL entspricht.
Die Schaltcharakteristik des Steuerventils 6 kann hierbei
so eingestellt werden, dass der Sollwert pSOLL in
der Mitte zwischen dem Öffnungsdruck pAUF und
dem Schließdruck pZU liegt.
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7 zeigt
ein regelungstechnisches Ersatzschaltbild des Druckverstärkers 1 gemäß den 3–5 mit
einem Subtrahierer 8 und einem Regler 9, wobei
der Subtrahierer 8 und der Regler 9 in der Praxis
baulich in das Steuerventil 6 integriert sind.
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8 zeigt
schließlich eine vereinfachte Querschnittsansicht eines
erfindungsgemäßen Druckverstärkers 1,
der hierbei ohne das Steuerventil 6 in einer Gehäuseplatte 10 angeordnet
ist, wobei durch die Gehäuseplatte 10 mehrere
Bohrungen 11–15 verlaufen.
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Das
Steuerventil 6 ist dagegen in einer separaten Flanschplatte 16 angeordnet,
die ebenfalls mehrere Bohrungen aufweist, welche den Bohrungen 11–15 in
der Gehäuseplatte 10 entsprechen.
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Schließlich
sind noch zwei Abschlussplatten 17, 18 vorgesehen,
wobei die Abschlussplatte 17 die Bohrung 11 in
der Gehäuseplatte 10 mit der Bohrung 14 in
der Gehäuseplatte 10 verbindet.
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Die
Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten
Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist
eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die
ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in
den Schutzbereich fallen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckverstärker
- 2
- Verbraucher
- 3
- Druckübersetzer
- 4
- Spannleitung
- 5
- 4/3-Wegeventil
- 6
- Steuerventil
- 7
- Rückkopplungsschleife
- 8
- Subtrahierer
- 9
- Regler
- 10
- Gehäuseplatte
- 11–15
- Bohrungen
- 16
- Flanschplatte
- DV
- Entsperrbares
Rückschlagventil
- H
- Druckausgang
- IN
- Druckeingang
- pAUF
- Öffnungsdruck
- pZU
- Schließdruck
- Δp
- Druckdifferenz
- pH
- Sekundärseitiger
Fluiddruck
- pIN
- Primärseitiger
Fluiddruck
- pSOLL
- Sollwert
- R
- Rückführanschluss
- RV1
- Rückschlagventil
- RV2
- Rückschlagventil
- ST
- pneumatischer
Steuereingang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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