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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieeinsparung bei hydraulisch betätigbaren Arbeitsgerätschaften, mit einer Versorgungseinheit, insbesondere in Form einer Hydraulikpumpe und mit einem Kolbenspeicher mit einem in einem Speichergehäuse längsbewegbaren Kolben, dessen Kolbenstange in einer Trennwand des Speichergehäuses längsverfahrbar geführt ist, die zusammen mit dem Kolben Zylinderräume begrenzt, wobei ein Zylinderraum als Druckbetätigungsraum für die für einen Arbeitsvorgang erforderliche Druckversorgung mit der Arbeitsgerätschaft verbunden ist, ein anderer Zylinderraum über eine Drucksteuereinrichtung mit der Versorgungseinheit verbindbar ist und ein weiterer Zylinderraum einen Druckspeicherraum bildet.
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Energiespar- und -rückgewinnungsvorrichtungen, die als Kolbenspeicher einen Doppelkolbenspeicher mit mehreren zwangsgekoppelten Kolben aufweisen und einer abweichenden Gattung zugehörig sind, sind durch
EP 0 897 480 B1 und
EP 1 254 319 B1 bekannt. Beim Betrieb derartiger Vorrichtungen entsteht bei Bewegungen der über das Kopplungsteil miteinander zwangsgekoppelten Kolben des Kolbenspeichers in der einen Verfahrrichtung durch Volumenverkleinerung in einem Druckbetätigungsraum ein erhöhter Innendruck, der im Sinne des Entspannens abnimmt, sobald sich die Kolben in der anderen Verfahrrichtung mit einer Vergrößerung des Volumens des Druckspeicherraumes bewegen. Die im Druckspeicherraum eingeschlossene Fluidmenge bildet eine Art Kraftspeicher, vergleichbar einer mechanischen Feder, aus, und die durch die Verfahrbewegung in den Speicherraum eingebrachte Bewegungsenergie der Arbeitsgerätschaft lässt sich wieder abrufen.
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Bei diesen bekannten Lösungen ist der in Form eines Doppelkolbenspeichers ausgebildete Kolbenspeicher als zentraler Teil der Energieeinspar- und -rückgewinnungsvorrichtung permanent an die Arbeitsgerätschaft angeschlossen, so dass fortlaufend in Abhängigkeit von der Arbeitsbewegung der Arbeitsgerätschaft Energie in den Kolbenspeicher eingespeichert und von dort wieder abgerufen wird. Bei den Arbeitsgerätschaften kann es sich insbesondere um Arbeitsmaschinen, wie Bagger oder dergleichen, handeln, bei denen Ausleger zu heben und zu senken sind, gegebenenfalls können solche Vorrichtungen jedoch auch in anderen hydraulischen Anlagen benutzt werden, etwa in hydraulischen Bremsanlagen, in Fahrstühlen sowie bei Hydromotoren oder dergleichen.
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Mit besonderem Vorteil lassen sich derartige Vorrichtungen bei Arbeitsgerätschaften, wie Bagger oder dergleichen, als Lastkompensationssystem einsetzen, wobei einer Kolben- oder Auslegerstellung der hydraulisch betätigbaren Arbeitsgerätschaft ein entsprechender Innendruck im Druckspeicherraum zugeordnet ist, der sich, wenn der Ausleger unter Last anzuheben ist, unter nutzbarer Energieabgabe entspannt.
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Um eine Überkompensation zu vermeiden, kann das System mit Vorteil so ausgelegt sein, dass der die Kompensationskraft erzeugende Druck des Gaspolsters geringer ist als der durch die Lastkraft am Doppelkolben erzeugte Lastdruck.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der betrachteten Art zur Verfügung zu stellen, die sich, insbesondere bei einem Einsatz für Lastkompensationssysteme, durch ein besonders günstiges Betriebsverhalten auszeichnet.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
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Nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass eine hohle Kolbenstange in Form eines Rohres vorgesehen ist, das an seinem dem Kolben zugeordneten Ende geschlossen und am freien Ende, das sich in dem durch die Trennwand vom Kolben getrennten Zylinderraum befindet, offen ist. Dadurch ist ein Kolbenspeicher gebildet, der mit nur einem Kolben funktionsmäßig einem Doppelkolbenspeicher entspricht, weil das Rohr zusammen mit der Kolbenteilfläche, die am geschlossenen Ende des Rohres von diesem umgeben ist, in dem Zylinderraum, in dem sich das Rohrende befindet, als zweiter Kolben fungiert. Dadurch dass nur ein Kolben umfänglich unter entsprechender Passung und Abdichtung an der Zylinderwand geführt werden muss, vereinfacht sich die Bauweise des Kolbenspeichers bei gleichzeitiger Verringerung von Reibungsverlusten.
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In besonders vorteilhafter Weise steht das Volumen des Innenraumes des Rohres als Zusatzvolumen für den dem Rohrende zugehörigen Zylinderraum zur Verfügung. Dieser am freien Ende des Rohres befindliche Zylinderraum kann als Druckspeicherraum vorgesehen sein, vorzugsweise bei Benutzung eines gasförmigen Druckmediums wie N2. In vorteilhafter Weise steht so trotz kompakter Bauweise und geringem erforderlichen Bauraum ein großes Gasvolumen für das im Druckspeicherraum zu bildende Druckpolster zur Verfügung.
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Mit besonderem Vorteil kann der Druckspeicherraum an eine Druckversorgungseinrichtung anschließbar sein, die zumindest einen Druckspeicher, beispielsweise in Form einer N2-Flasche, aufweisen kann. Ebenso kann ein mit seiner Gasseite am Druckspeicherraum angeschlossener Hydrospeicher vorgesehen sein.
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Zusätzliche, nachschaltbare Druckspeicher können vorgesehen sein.
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Mit besonderem Vorteil kann die Anordnung so getroffen sein, dass der an die vollflächige Kolbenseite des Kolbens angrenzende Zylinderraum als Druckbetätigungsraum vorgesehen ist.
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Die Drucksteuereinrichtung kann zumindest ein ansteuerbares Schaltventil aufweisen, mittels dessen die Versorgungseinheit, vorzugsweise in Form der Hydraulikpumpe mit dem die hohle Kolbenstange umgebenden Zylinderringraum verbindbar ist, der sich zwischen der Trennwand und dem Kolben befindet.
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Die Arbeitsgerätschaft kann zumindest einen hydraulisch betätigbaren Arbeitszylinder aufweisen, der, vorzugsweise mit seinem an die vollflächige Kolbenseite seines Arbeitskolbens angrenzenden Arbeitsraum, mit dem Druckbetätigungsraum des Kolbenspeichers verbindbar ist.
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Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen kann die Anordnung so getroffen sein, dass die hohle Kolbenstange im Bereich des offenen Rohrendes mittels einer Führungseinrichtung an der Zylinderwand geführt ist. Durch die entsprechende Führung des freien Endes des Rohres ist die Gefahr von Schwingungen bei Erschütterungen vermieden, so dass sich die Vorrichtung mit besonderem Vorteil bei mobilen Arbeitsmaschinen einsetzen lässt.
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Die Führungseinrichtung kann Fluiddurchlässe aufweisen, so dass sie lediglich Führungsaufgaben zu erfüllen hat und keine abdichtende Passung erforderlich ist.
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Andererseits kann die Anordnung so getroffen sein, dass die Führungseinrichtung eine Abdichtung an der Zylinderwand bildet, so dass ein zweiter, die hohle Kolbenstange umgebender Zylinderringraum gebildet ist, wobei beide Zylinderringräume wahlweise mittels des Schaltventils abwechselnd mit der Versorgungseinheit und einem Tankanschluss verbindbar sind. Dadurch ist der zweite Zylinderringraum für die Erzeugung einer aktiven Rückfahrbewegung des ausgefahrenen Arbeitskolbens nutzbar.
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Alternativ kann für die aktive Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens eines Arbeitszylinders, der auf der Stangenseite seines Arbeitskolbens geschlossen ist, der stangenseitige Arbeitsraum des Arbeitszylinders über das Schaltventil mit der Hydraulikpumpe verbindbar sein.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführüngsbeispielen im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
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1 in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung eine Schaltplandarstellung eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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2 bis 8 der 1 entsprechende Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Das in 1 in Form einer schematisch vereinfachten Schaltplandarstellung gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient der Energieeinsparung sowie -rückgewinnung bei hydraulisch betätigbaren Arbeitsgerätschaften, von denen in 1 lediglich ein Arbeitszylinder dargestellt und mit 1 bezeichnet ist. Der Arbeitszylinder 1 ist hydraulisch betätigbar, um eine Arbeits- oder Ausfahrbewegung seines Arbeitskolbens 3 zu erzeugen, die gegen eine Lastkraft oder Gegenkraft erfolgt, die in 1 mit einem Pfeil F bezeichnet ist. Dabei kann es sich um die Lastkraft eines Kranauslegers oder dergleichen handeln. Die Vorrichtung weist des weiteren einen Kolbenspeicher 5 auf, in dessen Gehäuse 7 ein längs verfahrbarer Kolben 9 angeordnet ist. Der an der Innenwand des Gehäuses 7 passend geführte Kolben 9 begrenzt zusammen mit einer Trennwand 11, die im Gehäuse 7 etwa mittig angeordnet ist und dieses in zwei Gehäuseteile trennt, innerhalb des Gehäuses 7 mehrere Zylinderräume. Von diesen ist der an die vollflächige Kolbenseite des Kolbens 9 angrenzende Zylinderraum als Druckbetätigungsraum 13 vorgesehen, der für die für Arbeitsvorgänge erforderliche Versorgung des Arbeitszylinders 1 mit einem Druckfluid über eine Leitung 15 mit dem Arbeitszylinder 1 verbunden ist.
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An der anderen Kolbenseite des Kolbens 9 befindet sich ein eine Art hohler Kolbenstange bildendes Rohr 17, das sich durch die Trennwand 11 hindurch in das vom Kolben 9 entfernte Teil des Gehäuses 7 hinein erstreckt. Das Rohr 17 ist an diesem, vom Kolben 9 entfernten, freien Ende 19 offen. Der Zylinderraum, in dem sich dieses Rohrende 19 befindet, ist als mit einem Druckmedium befüllter Druckspeicherraum 21 vorgesehen, der beim vorliegenden Beispiel mit unter einem Vorspanndruck stehenden Gas wie N2 vorgespannt ist. Für die Versorgung des. Druckspeicherraumes 21 mit unter dem Vorspanndruck stehendem Druckmedium ist bei dem Ausführungsbeispiel von 1 eine Druckversorgungseinrichtung vorgesehen, die einen ein Druckgas wie N2 enthaltenden Druckspeicher 22 aufweist.
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Dadurch steht neben dem durch den Innenraum des Rohres 17 gebildeten zusätzlichen Gasvolumen weiteres Druckgasvolumen zur Verfügung, das gegebenenfalls durch eine in 1 nicht gezeigte Ventilanordnung dem Druckspeicherraum 21 zuschaltbar ist. Mit seinem Innenraum 23 setzt das Rohr 17 das Volumen des Druckspeicherraumes 21 bis zum geschlossenen Ende des Rohres 17 am Kolben 9 fort, d. h. der im Druckspeicherraum 21 herrschende Druck wirkt am Kolben 9 auf die Kolbenteilfläche, die der Querschnittsfläche des am Kolben 9 angebrachten rohres 17 entspricht. Die an der Außenseite des Rohres 17 verbliebene Ringfläche des Kolbens 9 begrenzt zusammen mit der Trennwand 11 einen das Rohr 17 umgebenden Ringraum, der beim vorliegenden Beispiel als Pumpenraum 25 vorgesehen und über eine Leitung 27 mit der Drucksteuereinrichtung 29 verbunden ist.
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Die Drucksteuereinrichtung 29 weist ein ansteuerbares Schaltventil 31 in Form eines 2/2-Wegeventiles auf, über das der Pumpenraum 25 wahlweise mit einer Versorgungseinheit, vorzugsweise in Form einer Hydraulikpumpe 33 oder mit Tank 35 verbindbar ist. Der Druckspeicherraum 21 ist mit der Druckversorgungseinrichtung in Verbindung, die beim vorliegenden Beispiel als Druckbehälter 22 für N2 vorgesehen ist.
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Die 1 zeigt die Vorrichtung in einem Betriebszustand, der der Mittellage des Arbeitskolbens 3 und des Kolbens 9 des Kolbenspeichers 5 entspricht. In diesem Fall gleicht der Vorspanndruck, der im Druckspeicherraum 21 herrscht, den durch die Gegenkraft F im Arbeitszylinder 1 erzeugten, über die Leitung 15 im Druckbetätigungsraum 13 herrschenden Innendruck aus. Bei einem Absenken, d. h. einer Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens 3, führt die über die Druckleitung 15 im Druckbetätigungsraum 13 bewirkte Druckerhöhung zu einer Verschiebung des Kolbens 9 in der Fig. nach links zu einem Druckanstieg im Druckspeicherraum 21, d. h. zum Aufbau eines verstärkten Druckpolsters das für einen anschließenden Arbeitsvorgang, wenn für eine Ausfahrbewegung des Arbeitskolbens 3 der Pumpenraum 25 über das Schaltventil 31 mit der Hydraulikpumpe 33 verbunden ist, im Sinne der Energierückgewinnung nutzbar ist. Während der Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens 3, d. h. bei einem Absenken einer betreffenden Last, ist der Pumpenraum 25 über das Schaltventil 31 zum Tank 35 hin drucklos.
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Die Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens 3 kann passiv, d. h. durch Verschieben des Arbeitskolbens 3 mittels der einwirkenden Lastkraft F oder anderweitiger Gegenkraft F der Arbeitsgerätschaft erfolgen. Alternativ kann, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel von 2 der Fall ist, eine aktive Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens 3 bewirkt werden. Zu diesem Zweck unterschiedet sich das Beispiel von 2 vom Beispiel von 1 dadurch, dass der Arbeitszylinder 1 an der Stangenseite des Arbeitskolbens 3 einen geschlossenen, stangenseitigen Raum 37 bildet. Gleichzeitig ist das Schaltventil 31 durch ein Wegeventil gebildet, das es ermöglicht, den stangenseitigen Raum 37 über eine Rückfahrleitung 39 mit der Hydraulikpumpe 33 zu verbinden, während der Pumpenraum 25 über das Schaltventil 31 gleichzeitig mit Tank 35 verbunden ist. Im übrigen unterschiedet sich das Beispiel von 2 funktionsmäßig nicht vom Beispiel von 1.
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Das Ausführungsbeispiel von 3 unterscheidet sich vom Beispiel von 1 lediglich insofern, als anstelle eines einzigen Druckspeichers 22 zwei Druckspeicher 22 vorgesehen sind, die über jeweils zugeordnete Schaltventile 41 und 43 einzeln oder gemeinsam dem Druckspeicherraum 21 zugeschaltet werden können. Die Druckspeicher 22 können gleichartig ausgebildet sein und lediglich zur Vergrößerung des gesamten Gasvolumens beitragen, oder können zur Erzeugung unterschiedlicher Vorspanndrücke unterschiedliche Druckniveaus aufweisen, wodurch sich im Betrieb unterschiedliche Arbeitskennlinien generieren lassen, beispielsweise zur Anpassung an unterschiedliche Grundlasten, wie sie durch einen Werkzeugwechsel an der Arbeitsgerätschaft bedingt sein können.
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Das Ausführungsbeispiel von 4 entspricht wiederum dem Beispiel von 2 abgesehen davon, dass auch hier als Druckversorgungseinrichtung zwei Druckspeicher 22 vorgesehen sind, die über Schaltventile 41 und 43 dem Druckspeicherraum 21 nachschaltbar sind.
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Das Beispiel von 5 entspricht funktionsmäßig dem Beispiel von 1, abgesehen davon, dass das Rohr 17 an seinem offenen Ende 19 mittels einer Führung 45 an der Zylinderwand des Gehäuses 7 geführt ist. Diese Führung 45 weist Fluiddurchlässe 47 auf, d. h. sie hat lediglich Führungsfunktion, ohne dass eine Abdichtung am Rohrende 19 gebildet würde. Während das Rohr 17 somit gegen Schwingungen beim Betrieb gesichert ist, entspricht dieses Beispiel funktionsmäßig im übrigen dem Beispiel von 1.
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Das in 6 gezeigte Beispiel unterschiedet sich vom Beispiel von 5 lediglich insofern, als wiederum die Druckversorgungseinrichtung 2 wahlweise dem Druckspeicherraum 21 nachschaltbare Druckspeicher 22 mit zugehörigen Schaltventilen 41 und 43 aufweist.
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Im Unterschied zu 5 und 6 erfüllt bei dem Ausführungsbeispiel von 7 die Führungseinrichtung 45 am Rohrende 19 die Doppelfunktion der Führung und der Abdichtung an der Zylinderwand des Gehäuses 7. Somit ist wie bei einem üblichen Doppelkolbenspeicher, der zwei Speicherkolben aufweist, zusätzlich zu dem Zylinderringraum, welcher den Pumpenraum 25 bildet, ein zusätzlicher Ringraum 49 gebildet, der die hohle Kolbenstange, d. h. das Rohr 17, umgibt und sich zwischen Trennwand 11 und Führungseinrichtung 45 befindet. Dieser zusätzliche Ringraum 49 kann als Rückfahrraum genutzt werden, um eine aktive Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens 3 durch Druckaufbau im Ringraum 49 zu bewirken. Hierfür ist dieser Ringraum 49 über eine Rückfahrleitung 51 mittels des Schaltventils 31 mit der Hydraulikpumpe 33 verbindbar.
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Das Beispiel von 8 entspricht dem Beispiel von 7, abgesehen davon, dass die Druckversorgungseinrichtung wiederum zwei Druckspeicher 22 aufweist, die über Schaltventile 41 und 43 dem Druckspeicherraum 21 nachschaltbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0897480 B1 [0002]
- EP 1254319 B1 [0002]
