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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Hydraulikeinrichtung zur Betätigung einer Kupplung, die vorzugsweise für eine Umformmaschine ausgelegt und/oder vorgesehen ist, mit einem Hydraulikzylinder, über den die Kraft zur Betätigung der Kupplung übertragen wird, sowie eine Kupplungseinrichtung für eine Umformmaschine und eine Umformmaschine.
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Hintergrund der Erfindung
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Kupplungen bei geschalteten Umformpressen sind in der Regel kraftschlüssige Reibungskupplungen, etwa Scheibentrockenkupplungen, deren Reibkraft mittels pneumatischer oder hydraulischer Stellglieder aufgebracht wird. Die pneumatischen oder hydraulischen Systeme sind hierbei insofern als offener Kreis ausgebildet, als dass das Druckmedium nach Ende der Drehmomentübertragung durch die Kupplung in ein druckloses Umfeld, etwa in die Atmosphäre oder einen Tank, abgelassen werden. Der Druck im System fällt und die Kupplung öffnet sich, beispielsweise aufgrund einer Vorspannkraft durch eine Feder, die zuvor – beim Schließen der Kupplung – durch das pneumatische oder hydraulische Stellglied überwunden wurde.
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Eine Umformpresse mit hydraulischer Reibungskupplung geht beispielsweise aus der
DE 10 2011 015 050 A1 hervor.
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Die
DE 10 2013 226 293 A1 offenbart eine Hydraulikeinrichtung für eine Kupplung mit einem erstem Hydraulikzylinder und einem zweiten Hydraulikzylinder, die über ein Hydraulikfluid führende Verbindungsleitung miteinander verbunden sind, wobei der erste Hydraulikzylinder eine erste Zylindereinheit und einen darin verschiebbaren ersten Kolben, der zur Betätigung einer Kupplung mit dieser verbindbar und/oder verbunden ist, aufweist, der zweite Hydraulikzylinder eine zweite Zylindereinheit und einen darin verschiebbaren zweiten Kolben, der mit einem Elektromotor verbunden ist und dessen Hubposition von dem Elektromotor einstellbar ist, aufweist, und die zur Betätigung der Kupplung erforderliche Kraft durch eine Einstellung des Hydraulikdrucks mittels des Elektromotors, der auf den zweiten Kolben wirkt, bereitgestellt wird.
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Die
DE 198 57 707 A1 offenbart ein Kraftfahrzeug mit einer Kupplung, einer Kupplungsbetätigungsanordnung, Hydraulik-Steuereinrichtung zur Ansteuerung einer Hydraulikanordnung, wahlweise mit Überlastsicherung und/oder Kupplungsfunktionssicherungsstellungseinrichtung. Eine Übersetzungseinrichtung ist hierbei als Kurbeltrieb ausgestaltet.
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Die Druckerzeugung zur Betätigung der Stellglieder erfolgt bei pneumatischen Systemen über Kompressoren und bei hydraulischen Systemen über Pumpen, häufig in Kombination mit Speichereinheiten zur Reduzierung der Schaltzeiten. Die Druckbeaufschlagung erfolgt über Schaltventile.
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Die oben erwähnten Schaltventile und Speichereinheiten verkomplizieren das pneumatische bzw. hydraulische System zur Betätigung der Kupplung. Ein vergleichsweise komplizierter technischer Aufbau ist die Folge. Damit gehen nicht nur ein hoher Bauraumbedarf, sondern außerdem hohe Fertigungs- und Wartungskosten sowie eine erhöhte Fehleranfälligkeit einher.
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Darstellung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hydraulikeinrichtung für eine Kupplung, die vorzugsweise für eine Umformmaschine ausgelegt und/oder vorgesehen ist sowie eine Kupplungseinrichtung für eine Umformmaschine und eine Umformmaschine anzugeben, die wenigstens eines der oben genannten Probleme lösen, insbesondere eine hohe Zuverlässigkeit bei geringer technischer Komplexität aufweisen.
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Gelöst wird die Aufgabe mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
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Die erfindungsgemäße Hydraulikeinrichtung ist für eine Kupplung ausgelegt, die vorzugsweise Teil einer Umformpresse, oder allgemeiner Umformmaschine, ist. Solche Einrichtungen arbeiten gewöhnlich mit großen Kräften, was eine besondere Beanspruchung der Kupplung zur Folge hat. Ein zuverlässiges, wartungsarmes und technisch einfaches Ansteuern der Kupplung ist somit gerade im Bereich der Umformmaschinen von besonderer Bedeutung.
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Die Hydraulikeinrichtung weist einen ersten Hydraulikzylinder und einen zweiten Hydraulikzylinder, die über eine Verbindungsleitung fluidtechnisch miteinander verbunden sind, auf. Mit anderen Worten führt die Verbindungsleitung ein Fluid, das eine Kraftübertragung zwischen den beiden Hydraulikzylindern ermöglicht. Das Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Insofern ist die Bezeichnung ”Hydraulik” in diesem Text allgemein zu verstehen und schließt das Pneumatische mit ein. Der Verzicht auf die Bezeichnung ”Pneumatik” dient lediglich der sprachlichen Vereinfachung. Nichtsdestotrotz ist die Anwendung einer Hydraulikflüssigkeit besonders bevorzugt, da sich die für die Kupplung an Umformmaschinen erforderlichen Kräfte auf diese Weise besonders präzise und bei geringen Hubwegen erzeugen und/oder übertragen lassen. Besonders bevorzugt ist das in der Hydraulikeinrichtung verwendete Fluid eine altersbeständige Flüssigkeit.
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Der erste Hydraulikzylinder weist eine erste Zylindereinheit und einen darin verschiebbaren ersten Kolben, der zur Betätigung der Kupplung mit dieser verbindbar oder verbunden ist, auf. Analog weist der zweite Hydraulikzylinder eine zweite Zylindereinheit und einen darin verschiebbaren zweiten Kolben auf. Der zweite Kolben ist mit einem Elektromotor verbunden. Die Hubposition des zweiten Kolbens ist durch den Elektromotor einstellbar. Die Verbindung des zweiten Kolbens mit dem Elektromotor und/oder die Verbindung des ersten Kolbens mit der Kupplung ist vorzugsweise mechanisch, etwa direkt oder mittels einer Übertragungs- und/oder Übersetzungseinheit. Die zur Betätigung der Kupplung erforderliche Kraft wird durch Einstellung des Hydraulikdrucks mittels des Elektromotors, der auf den zweiten Kolben wirkt, bereitgestellt bzw. erzeugt. Die Kraft wird insofern durch eine Druckerhöhung im System von dem zweiten Hydraulikzylinder aufgebaut. In anderen Worten: der Elektromotor betätigt den zweiten Kolben und dient somit der Verdichtung des Fluids im System nach bestimmten Vorgaben, die je nach konkreter Ausführung des Systems aus Kupplung und Hydraulikeinrichtung, Arbeitsmodus usw. variieren können. Durch die Verdichtung des Fluids wird im zweiten Hydraulikzylinder eine Kraft aufgebaut, die über die Verbindungsleitung zum ersten Hydraulikzylinder übertragen wird. Eine Ventileinrichtung zum Beaufschlagen des Drucks ist nicht erforderlich und gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel auch nicht vorgesehen. Die Aufbringung der Kraft auf die Kupplung wird insofern ventillos realisiert.
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Aufgrund des elektrischen Direktantriebs, lässt sich der hydraulische Aufwand zur Ansteuerung oder Betätigung der Kupplung erheblich reduzieren. Damit geht eine Kostenreduzierung sowohl im Rahmen der Herstellung als auch beim Betrieb der Einrichtung einher. Die technische Vereinfachung wirkt sich zudem positiv auf die Langlebigkeit aus.
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Der Elektromotor ist ein Torquemotor, d. h. ein langsam laufender, vorzugsweise hochpoliger Elektromotor, der ein hohes Drehmoment bei geringer Drehzahl erzielen kann. Der Drehwinkel des Elektromotors lässt sich in diesem Falle besonders präzise einstellen. Somit kann der Hub des zweiten Kolbens zuverlässig und genau auf den Volumenbedarf des ersten Hydraulikzylinders angepasst werden. Der Hub des zweiten Kolbens wird durch den Drehwinkel des Elektromotors bestimmt. Vorzugsweise ist eine programmierbare Steuereinrichtung vorgesehen und mit dem Elektromotor verbunden, sodass eine computergestützte Ansteuerung des Elektromotors und damit eine automatisierte Einstellung des gewünschten Drehwinkels realisiert werden kann.
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Vorzugsweise ist zwischen dem Elektromotor und dem zweiten Kolben eine Übersetzungseinheit vorgesehen. Die Übersetzungseinheit kann etwa eine Spindel und/oder einen Keil und/oder ein Zahnradgetriebe und/oder einen Kurbeltrieb aufweisen. Mittels der Übersetzungseinheit werden das Drehmoment und die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors an die Anforderungen der Kupplungsansteuerung angepasst. Die elektromotorisch betriebene Hydraulikeinrichtung ist somit flexibel anpassbar.
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Vorzugsweise ist zwischen dem ersten Hydraulikzylinder und dem zweiten Hydraulikzylinder eine Spüleinheit vorgesehen. Die Spüleinheit kann etwa mit einem Fluidtank verbunden sein und eine Ventileinheit, ein Rückschlagventil und eine Pumpeinheit aufweisen. Die Schaltung der Komponenten ist derart, dass das Hydraulikfluid in der Hydraulikeinrichtung einerseits abgelassen und andererseits durch Hydraulikfluid aus dem Fluidtank frisch aufgefüllt werden kann. Die technische Funktion der Spüleinheit besteht darin, das System einerseits abzudichten, insbesondere im Zusammenspiel mit dem Rückschlagventil, und andererseits eine Möglichkeit zum Austausch des Hydraulikfluids zu realisieren. Der Austausch des Fluids erfolgt unter anderem durch die Pumpeinheit, die vorzugsweise elektromotorisch betrieben wird und mit der aus dem Fluidtank frisches Fluid ins System gefördert werden kann. Der Ablauf des Hydraulikfluids aus dem System in den Fluidtank erfolgt über die Ventileinheit, die beispielsweise als elektronisch ansteuerbares Mehrwegeventil ausgeführt sein kann. Das vorzugsweise federbelastete Rückschlagventil verhindert einen unbeabsichtigten Rückfluss des Hydraulikfluids aus dem Hydraulikkreis in den Fluidtank. Indem die Spüleinheit nicht zum Druckaufbau im System dient, dafür weder ausgelegt noch fähig ist, widerspricht sie nicht dem Konzept der ventillosen Betätigung der Kupplung. Die Kraftbeaufschlagung auf die Kupplung erfolgt auch weiterhin elektromotorisch.
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Die dargestellte Hydraulikeinrichtung findet besonders bevorzugt Anwendung in einer Kupplungseinrichtung, zur Betätigung oder Aktivierung der Kupplung, die vorzugsweise eine Reibungskupplung, noch bevorzugter eine Scheibenkupplung, ist. Die Kupplungseinrichtung ist vorzugsweise Teil einer Umformmaschine, noch bevorzugter einer Umformpresse.
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Wenngleich die vorliegende Erfindung im technischen Umfeld von Umformmaschinen zum Einsatz kommt, kann die Erfindung ggf. auch in anderen Bereichen umgesetzt werden. Darüber hinaus sind weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der, oben erwähnten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 zeigt schematisch den Aufbau einer elektromotorisch betriebenen Hydraulikeinrichtung zur Betätigung einer Kupplung, die Teil einer Umformmaschine ist.
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2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei sind gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
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1 zeigt schematisch den Aufbau einer elektromotorisch betriebenen Hydraulikeinrichtung. Insbesondere geht die hydraulische Schaltung der Hydraulikeinrichtung aus der Figur hervor. Die Hydraulikeinrichtung ist zur Betätigung einer nicht dargestellten Kupplung einer ebenfalls nicht dargestellten Umformmaschine vorgesehen.
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Ein erster Hydraulikzylinder ist mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet und weist eine erste Zylindereinheit 2 sowie einen darin verschiebbaren ersten Kolben 3 auf.
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Der erste Hydraulikzylinder 1 ist ein mittels eines Fluids betriebener Arbeitszylinder. Dieser ist über eine das Fluid transportierende Verbindungsleitung 7 mit einem zweiten Hydraulikzylinder 4 verbunden, der analog eine zweite Zylindereinheit 5 und einen zweiten Kolben 6 aufweist. Das verwendete Hydraulikfluid ist vorzugsweise eine alterungsbeständige Flüssigkeit.
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Die beiden Zylindereinheiten 2 und 5 umfassen ein zylindrisches Gehäuse, in dem sich der jeweilige Kolben 3, 6 verschiebt, sowie Fluidanschlüsse und etwaige andere technische Komponenten, welche für den Betrieb der Hydraulikzylinder erforderlich oder nützlich sind.
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Der zweite Kolben 6 ist über eine Übersetzungseinheit 9 mit einem Elektromotor 8 verbunden. Hier ist eine mechanische Verbindung gemeint, während die beiden Hydraulikzylinder 1 und 4 hydraulisch miteinander verbunden sind. Welcher Art die ”Verbindung” ist, geht für den Fachmann aus dem jeweiligen Kontext hervor. Durch Betätigung des Elektromotors 8, etwa angesteuert durch eine nicht dargestellte programmierbare Steuereinheit, verschiebt sich der zweite Kolben 6 in der zweiten Zylindereinheit 5, wodurch, je nach Hubrichtung des zweiten Kolbens 6, eine Erhöhung oder Verringerung des Drucks in der Hydraulikeinrichtung, insbesondere im ersten Hydraulikzylinder 1, stattfindet.
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Der erste Kolben 3 ist mit einer nicht dargestellten Kupplung verbunden. Somit wirkt bei Verdichtung des Fluids durch den elektromotorisch angetriebenen zweiten Hydraulikzylinder 4 eine Kraft auf den ersten Kolben 3, der diese Kraft wiederrum bei Bedarf auf die Kupplung überträgt. In anderen Worten: die zur Betätigung der Kupplung erforderliche Kraft wird über eine von dem Elektromotor 8 bewirkte Verdichtung des Hydraulikfluids bereitgestellt. Ein etwaiges Schaltventil zur Druckbeaufschlagung ist nicht vorgesehen.
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Die Hydraulikeinrichtung weist ferner eine Spüleinheit 10 auf, die strömungstechnisch zwischen dem ersten Hydraulikzylinder 1 und dem zweiten Hydraulikzylinder 4 vorgesehen ist. Die Spüleinheit 10 weist eine elektromotorisch betriebene Pumpeinheit 12 auf, die Flüssigkeit aus einem Fluidtank 11 in den Hydraulikkreis der Hydraulikeinrichtung pumpen kann. Ferner weist die Spüleinheit 10 ein federbelastetes Rückschlagventil 13 auf, das einen unbeabsichtigten Rückfluss des Hydraulikfluids aus dem Hydraulikkreis in den Fluidtank 11 verhindert. Darüber hinaus weist die Spüleinheit 10 eine Ventileinheit 14, über die der Ablauf des Hydraulikfluids in den Fluidtank 11 geregelt wird, auf.
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Die Spüleinheit 10 ist einerseits zum Austausch des Hydraulikfluids und andererseits zur Abdichtung der Hydraulikeinrichtung vorgesehen. Indem die Spüleinheit 10 nicht zum Druckaufbau im System dient, dafür weder ausgelegt noch fähig ist, widerspricht sie nicht dem Konzept der ventillosen Betätigung der Kupplung. Die Kraftbeaufschlagung auf die Kupplung erfolgt auch weiterhin elektromotorisch. Nichtsdestotrotz ist die Spüleinheit 10 optional und kann ggf. weggelassen werden.
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Der Elektromotor 8 ist ein Torquemotor, d. h. ein langsam laufender, vorzugsweise hochpoliger Elektromotor, der ein hohes Drehmoment bei geringer Drehzahl erzielen kann. Wenn sich der Drehwinkel oder Hubweg des Elektromotors 8 präzise einstellen lässt, kann der Hub des Kolbens 6 des zweiten Hydraulikzylinders 4 zuverlässig und genau auf den Volumenbedarf des ersten Hydraulikzylinders 1 angepasst werden. Vorzugsweise ist eine programmierbare Steuereinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen und mit dem Elektromotor 8 verbunden, sodass eine computergestützte Ansteuerung des Elektromotors und damit eine automatisierte Einstellung des gewünschten Drehwinkels technisch realisiert wird.
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In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist die Übersetzungseinheit 9 als Spindeltrieb oder Schneckengetriebe ausgeführt. Alternativ dazu zeigt die 2 ein Ausführungsbeispiel, in dem die Übersetzungseinheit 9 als Kurbeltrieb ausgeführt ist. Andere mechanische Realisierungen zur Über- oder Untersetzung und/oder Übertragung der Motorleistung des Elektromotors 8 zum zweiten Kolben 6 sind ebenfalls denkbar, beispielsweise ein Zahnradgetriebe oder ein Keiltrieb. In den anderen technischen Merkmalen unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel der 2 nicht von dem der 1.
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Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Hydraulikzylinder
- 2
- erste Zylindereinheit
- 3
- erster Kolben
- 4
- zweiter Hydraulikzylinder
- 5
- zweite Zylindereinheit
- 6
- zweiter Kolben
- 7
- Verbindungsleitung
- 8
- Elektromotor
- 9
- Übersetzungseinheit
- 10
- Spüleinheit
- 11
- Fluidtank
- 12
- Pumpeinheit
- 13
- Rückschlagventil
- 14
- Ventileinheit
