DE102014218886B3 - Hydraulischer Antrieb mit Eilhub und Lasthub - Google Patents

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Abstract

Hydraulischer Antrieb mit einem Differentialzylinder, der einen ersten Druckraum und einen zweiten Druckraum und einen Differentialkolben aufweist, der den ersten vom zweiten Druckraum trennt, mit einer ersten Hydraulikpumpe, die einen Pumpeneingang und einen Pumpenausgang aufweist, und mit einem Wegeventil, das zwei Schaltstellungen aufweist, wobei ein Hochdruckspeicher und ein Zusatzhydraulikzylinder vorgesehen sind, der einen den Zusatzdruckraum begrenzenden Zusatzkolben aufweist, wobei der Differentialkolben mit dem Zusatzkolben bewegungsgekoppelt ist, wobei der Zusatzdruckraum mit dem Pumpeneingang und mit Hochdruckspeicher hydraulisch verbunden ist, wobei der erste Druckraum mit dem Pumpenausgang hydraulisch verbunden ist und wobei in der ersten Schaltstellung des Wegeventils der erste mit dem zweiten Druckraum hydraulisch verbunden ist und wobei in der zweiten Schaltstellung des Wegeventils der zweite Druckraum hydraulisch nicht mit dem ersten Druckraum verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Antrieb mit einem Differentialzylinder mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein gattungsgemäßer hydraulischer Antrieb ist aus der WO 2011/079 333 A2 bekannt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Antriebs.
  • Derartige hydraulische Antriebe sind aus dem Stand der Technik vielfach bekannt. In der Praxis ist es bei hydraulischen Antrieben, insbesondere bei hydraulischen Antrieben für hydraulische Pressen wünschenswert, einen hydraulischen Antrieb bereitzustellen, der einerseits ein schnelles Verfahren eines Antriebskolbens in einem sogenannten Eilhub oder Eilgang mit geringer Kraft bereitstellt und mit dem andererseits ein langsameres Verfahren mit einer hohen Kraft in einem sogenannten Lasthub oder Lastgang ermöglicht werden kann.
  • Aus dem Stand der Technik sind hierzu verschiedene Antriebe bekannt. Bei einem Antrieb mit einer sogenannten Drosselsteuerung wird eine Pumpe von einem Motor mit konstanter Drehzahl angetrieben. Die Ansteuerung und Umschaltung zwischen Eilhub und Lasthub durch Steuerung des Volumenstroms erfolgt dabei über Strömungswiderstände, bspw. durch Ventile. Nachteilig an einem solchen Antrieb mit Drosselsteuerung ist der geringe Wirkungsgrad aufgrund der auftretenden Strömungsverluste.
  • Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Antriebe mit einer sogenannten Verdrängersteuerung bekannt. Ein solcher Antrieb kann beispielsweise einen drehzahlvariablen Motor aufweisen, der zwei Pumpen mit einander entgegengesetzten Förderrichtungen antreibt. Die beiden Pumpen sind mit einem Hydraulikzylinder derart verbunden, dass die Pumpe aus einem Kolbenraum eines Hydraulikzylinders Hydrauliköl aufnimmt, wohingegen sie in den anderen Kolbenraum Hydrauliköl fördert. Die Umschaltung vom Eilhub in den Lasthub bzw. die Geschwindigkeitssteuerung des hydraulischen Antriebs erfolgt dabei durch die Änderung des Verdrängungsvolumens der Pumpe bzw. durch die Veränderung der Drehzahl des Motors. Nachteilig an einem solchen Antrieb mit Verdrängersteuerung ist es, dass der Motor für die hohe Geschwindigkeit im Eilhub eine hohe maximale Drehzahl aufweisen muss, wohingegen für die hohe Kraft im Lasthub ein hohes maximales Drehmoment gefordert ist. Aufgrund dieser hohen sogenannten Eckleistung wird der Motor groß, schwer, träge und teuer.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen hydraulischen Antrieb bereitzustellen, der in einem Eilhub und in einem Lasthub betrieben werden kann, wobei Wirkungsgradverluste vermieden werden sollen und der Antrieb kostengünstig herstellbar sein soll.
  • Diese Aufgabe wird durch einen hydraulischen Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein solcher hydraulischer Antrieb zeichnet sich dadurch aus, dass ein Hochdruckspeicher und ein Zusatzhydraulikzylinder vorgesehen sind, der einen den Zusatzdruckraum begrenzenden Zusatzkolben aufweist, wobei der Differentialkolben mit dem Zusatzkolben bewegungsgekoppelt ist, wobei der Zusatzdruckraum mit dem Pumpeneingang und mit dem Hochdruckspeicher hydraulisch verbunden ist, wobei der erste Druckraum mit dem Pumpenausgang hydraulisch verbunden ist und wobei in der ersten Schaltstellung des Wegeventils der erste mit dem zweiten Druckraum hydraulisch verbunden ist und wobei in der zweiten Schaltstellung des Wegeventils der zweite Druckraum hydraulisch nicht mit dem ersten Druckraum verbunden ist. Vorteilhafterweise ist in der zweiten Schaltstellung der zweite Druckraum mit einem Tank oder einem Niederdruckspeicher hydraulisch verbunden. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Niederdruckspeicher einen Speicherdruck von etwa 2 bis 10 bar, vorzugsweise von etwa 5 bar aufweist.
  • Unter Pumpeneingang und Pumpenausgang werden Pumpenanschlüsse der Hydraulikpumpe verstanden. Die Hydraulikpumpe kann vorzugsweise von einem drehzahlveränderlichen Elektromotor angetrieben werden, dessen Drehrichtung umkehrbar ist. Bei einer Drehrichtung des Elektromotors kann am Pumpeneingang folglich Hydraulikflüssigkeit eingesaugt werden, wohingegen am Pumpenausgang Hydraulikflüssigkeit aus der Hydraulikpumpe heraus gefördert werden kann. Bei Umschaltung der Drehrichtung kann dann am Pumpenausgang Hydraulikflüssigkeit eingesaugt werden, wobei am Pumpeneingang Hydraulikflüssigkeit aus der Hydraulikpumpe heraus gefördert werden kann. Die Hydraulikpumpe kann hierzu als eine sogenannte Vier-Quadranten-Pumpe ausgebildet sein. Insbesondere ist denkbar, dass die Hydraulikpumpe als Kolben- oder Zahnradpumpe ausgebildet ist. Statt einer einzigen Hydraulikpumpe ist es jedoch auch denkbar, zwei gegensinnig fördernde Zwei-Quadranten-Pumpen vorzusehen, die von einem Elektromotor angetrieben werden, dessen Drehrichtung ebenfalls umkehrbar ist. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die beiden Zwei-Quadranten-Pumpen identische Fördervolumina aufweisen. Durch Veränderung der Motordrehzahl des Elektromotors kann die Verfahrgeschwindigkeit des hydraulischen Antriebs beeinflusst werden.
  • Vorteilhafterweise erfolgt die Bewegungskopplung des Differentialkolbens und des Zusatzkolbens mechanisch, wobei es besonders bevorzugt ist, wenn der Differentialkolben und der Zusatzkolben eine gemeinsame Kolbenstange aufweisen oder wenn die Kolbenstangen des Differentialzylinders und des Zusatzhydraulikzylinders bspw. axial fluchtend zueinander seriell angeordnet sind und mit einander verschweißt sind. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Kolbenstangen des Differentialzylinders und des Zusatzhydraulikzylinders parallel zueinander angeordnet sind und mittels eines Joches oder eines an den Kolbenstangen angeordneten Pressenwerkzeugs miteinander bewegungsgekoppelt sind.
  • Ein solcher hydraulischer Antrieb ist besonders vorteilhaft, da durch die Verbindung des Zusatzdruckraums mit dem Hochdruckspeicher eine Vorspannung des Antriebs bereitgestellt werden kann. Ferner kann durch die Verschaltung mittels des Wegeventils, eine Umschaltung von einem sogenannten Eilhub mit hoher Geschwindigkeit und vergleichsweise kleiner Kraft in einen sogenannten Lasthub mit niedrigerer Geschwindigkeit und vergleichsweise hoher Kraft erreicht werden. Wenn in der ersten Schaltstellung der erste Druckraum mit dem zweiten Druckraum hydraulisch verbunden ist und im Betrieb des hydraulischen Antriebs Hydraulikflüssigkeit am Pumpenausgang in den ersten Druckraum gefördert (gepumpt) wird und Hydraulikflüssigkeit am Pumpeneingang aus dem Zusatzdruckraum gefördert (gesaugt) wird, können die bewegungsgekoppelten Differentialkolben und Zusatzkolben gemeinsam in einem Eilhub verfahren werden, da die für das Befüllen des ersten Druckraums notwendige Hydraulikflüssigkeit durch die hydraulische Verbindung des ersten und des zweiten Druckraums teilweise durch die aus dem zweiten Druckraum verdrängte Hydraulikflüssigkeit bereitgestellt werden kann. Von der Hydraulikpumpe muss am Pumpenausgang folglich nur noch die die zusätzliche Hydraulikflüssigkeit bereitgestellt werden, die nicht bereits aus dem zweiten Druckraum in den ersten Druckraum überströmen kann.
  • Wenn in der zweiten Schaltstellung der erste Druckraum mit dem zweiten Druckraum nicht hydraulisch verbunden ist und im Betrieb des hydraulischen Antriebs Hydraulikflüssigkeit am Pumpenausgang in den ersten Druckraum gefördert (gepumpt) wird und Hydraulikflüssigkeit am Pumpeneingang aus dem Zusatzdruckraum gefördert (gesaugt) wird, können die bewegungsgekoppelten Differentialkolben und Zusatzkolben gemeinsam in einem sogenannten Lasthub verfahren werden, da die für das Befüllen des ersten Druckraums notwendige Hydraulikflüssigkeit vollständig von der Hydraulikpumpe bereitgestellt werden muss. Bei unverändertem von der Hydraulikpumpe bereitgestellten Druck kann nun die Hydraulikpumpe auf eine größere hydraulische Wirkfläche des ersten Druckraums wirken. Der Differentialkolben und der Zusatzkolben können mit im Vergleich zum Eilhub größerer Kraft und geringerer Geschwindigkeit verfahren werden.
  • Da der Zusatzdruckraum hydraulisch mit einem Hochdruckspeicher verbunden ist, kann im Betrieb des hydraulischen Antriebs durch die Vorspannung des Zusatzdruckraums entgegen der Wirkrichtung des Antriebs bzw. entgegen der Pumpenrichtung im Lasthub eine Schnittschlagdämpfung bereitgestellt werden. Die durch den im Zusatzdruckraum herrschenden Druck resultierende Kraft kann somit bspw. bei einem Durchriss eines Stanzstempels durch ein zu bearbeitendes Blech verhindern, dass der Stanzstempel eine unkontrollierte Bewegung ausführt. Durch die Einstellung des Drucks im Hochdruckspeicher kann dabei die Schnittschlagdämpfung eingestellt werden.
  • Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des hydraulischen Antriebs sieht vor, dass der erste Druckraum eine erste hydraulische Wirkfläche, der zweite Druckraum eine zweite hydraulische Wirkfläche und der Zusatzdruckraum eine hydraulische Zusatzwirkfläche aufweisen, wobei eine Differenzfläche der ersten und der zweiten Wirkfläche der Zusatzwirkfläche entspricht. Vorzugsweise ist dabei die erste Wirkfläche größer als die zweite Wirkfläche ausgebildet. Wenn das Wegeventil sich in der ersten Schaltstellung befindet und die Pumpe Hydraulikflüssigkeit in den ersten Druckraum fördert (pumpt) und Hydraulikflüssigkeit aus dem Zusatzdruckraum fördert (saugt) kann im Eilhub das Verhalten eines Gleichlaufzylinders nachgebildet werden, da dann die wirksame Differenzfläche der ersten und der zweiten Wirkfläche, welche sich aufgrund der hydraulischen Verbindung des ersten und zweiten Druckraums ergibt, der Zusatzwirkfläche entspricht.
  • Aufgrund der Verwendung einer Vier-Quadranten-Pumpe oder aufgrund zweier gegensinnig verschalteter Zwei-Quadranten-Pumpen mit identischen Fördervolumina kann dann ein hydraulischer Antrieb bereitgestellt werden, bei dem die Fördervolumina der Hydraulikpumpe im Eilhub an die hydraulischen Wirkflächen der Druckräume angepasst sind. Somit kann erreicht werden, dass keine oder nahezu keine zusätzliche Hydraulikflüssigkeit aus einem Tank oder Druckspeicher nachgesaugt werden muss.
  • Wenn im Lasthub das Fördervolumen der Hydraulikpumpe bzw. die Fördervolumina der Hydraulikpumpen nicht mehr an die wirksamen hydraulischen Wirkflächen des Differentialzylinders und des Zusatzhydraulikzylinders angepasst sind, d. h. wenn folglich in den ersten Druckraum mehr Hydraulikflüssigkeit gefördert (gepumpt) wird als aus dem Zusatzdruckraum gefördert (gesaugt) werden kann, kann über die hydraulische Verbindung mit dem Hochdruckspeicher eine Drehmomentunterstützung des die Hydraulikpumpe antreibenden Elektromotors erreicht werden. Der im Zusatzdruckraum herrschende Druck wirkt auf den Pumpeneingang der Pumpe, so dass die Pumpe teilweise als hydraulischer Motor betrieben werden kann und der Elektromotor, welcher die Hydraulikpumpe antreibt, entsprechend kleiner dimensioniert werden kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des hydraulischen Antriebs sieht vor, dass das Wegeventil derart ausgebildet ist, dass es bei Überschreiten eines Grenzdrucks im ersten Druckraum schaltbar ist. Vorzugsweise ist hierzu eine hydraulische Steuerleitung vorgesehen, die das Wegeventil mit dem ersten Druckraum hydraulisch verbindet. Das Wegeventil kann dann bei Überschreiten des Grenzdrucks vorzugsweise gegen die Kraft einer Feder von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung bewegt werden. Bei Unterschreiten eines Rückschaltdruckes, welcher vorzugsweise unter dem Grenzdruck liegt, kann dann das Wegeventil federbetätigt wieder in die erste Schaltstellung bewegt werden. Wenn nun beispielsweise ein von dem hydraulischen Antrieb angetriebenes Stanz- oder Pressenwerkzeug im Eilhub auf ein zu bearbeitendes Werkstück trifft, steigt der Druck im ersten Druckraum an. Wenn der Druck im ersten Druckraum den Grenzdruck überschreitet, wird dann das Wegeventil in die zweite Schaltstellung bewegt.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn ein drehzahlvariabler Elektromotor vorgesehen ist, der die erste Hydraulikpumpe antreibt. Besonders bevorzugt ist es dabei ferner, wenn die Drehrichtung des Elektromotors umkehrbar ist. Mit einem solchen Elektromotor kann dann über die Drehzahl die Verfahrgeschwindigkeit des hydraulischen Antriebs beeinflusst werden. Durch die Umkehrung der Drehrichtung des Elektromotors kann ferner eine Umkehrung der Förderrichtung der Hydraulikpumpe bzw. der Förderrichtungen der Hydraulikpumpen erreicht werden, so dass ein Rückhub des hydraulischen Antriebs realisiert werden kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des hydraulischen Antriebs sieht vor, dass der Hochdruckspeicher einen Speicherdruck von etwa 50 bis 150 bar, vorzugsweise von etwa 100 bar aufweist. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der Niederdruckspeicher dann vorzugsweise einen Speicherdruck aufweist, der geringer ist als der Speicherdruck des Hochdruckspeichers. Es ist beispielsweise denkbar, dass der Niederdruckspeicher einen Speicherdruck von etwa 5 bar aufweist.
  • Vorteilhafterweise ist ein hydraulischer Zusatzkreislauf vorgesehen, der eine Speisepumpe und ein Zusatzkreislaufwegeventil aufweist, wobei in einer ersten Schaltstellung des Zusatzkreislaufwegeventils die Speisepumpe mit dem Hochdruckspeicher hydraulisch verbunden ist.
  • Vorteilhafterweise ist dabei ein weiterer Elektromotor vorgesehen, der die Speisepumpe antreibt. Dies ist besonders vorteilhaft, da in der ersten Schaltstellung des Zusatzkreislaufwegeventils der Druckspeicher von der Speisepumpe aufgeladen werden kann. Das Zusatzkreislaufwegeventil weist vorzugsweise insgesamt drei Schaltstellungen auf, wobei in einer zweiten Schaltstellung Hydraulikflüssigkeit lediglich über Rückschlagventile und Überdruckventile in den Zusatzkreislauf abfließen kann. In einer dritten Schaltstellung des Zusatzkreislaufwegeventils kann Hydraulikflüssigkeit zum Kühlen und/oder Filtern in den Zusatzkreislauf geleitet werden. Darüber hinaus kann das System in der dritten Schaltstellung drucklos gemacht werden.
  • Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der hydraulische Zusatzkreislauf einen Kühler und einen Filter aufweist. In der dritten Schaltstellung des Zusatzkreislaufwegeventils kann Hydraulikflüssigkeit dann durch den Kühler und Filter des hydraulischen Zusatzkreislaufs geleitet und folglich gekühlt und/oder gefiltert werden.
  • Vorteilhafterweise ist ein Drucksensor vorgesehen, der mit dem ersten Druckraum hydraulisch verbunden ist. Dies ist besonders vorteilhaft, da dann der im ersten Druckraum herrschende Druck für eine Stanzkraftdiagnose verwendet werden kann. Ferner ist es denkbar, das Wegeventil nicht hydraulisch zwangsgeführt auszubilden, wobei das Wegeventil über eine hydraulische Steuerleitung, die mit dem ersten Druckraum verbunden ist, angesteuert wird. Vielmehr kann eine elektrische Ansteuerung des Wegeventils vorgesehen sein, wobei ein Überschreiten des Grenzdrucks zum Schalten des Wegeventils mit dem Drucksensor detektiert werden kann, welcher mit dem ersten Druckraum hydraulisch verbunden ist.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn ein Drucksensor vorgesehen ist, der mit dem Zusatzdruckraum hydraulisch verbunden ist. Mit einem derartigen Drucksensor kann dann der Druck im Zusatzhydraulikzylinder überwacht werden, wobei beispielsweise eine Überwachung der durch den Zusatzdruckraum ermöglichten Schnittschlagdämpfung realisiert werden kann.
  • Vorteilhafterweise ist ein Wegsensor zur Messung der Kolbenposition der beiden Kolben vorgesehen. Wenn Drucksensoren und ein Wegsensor vorgesehen sind, kann der hydraulische Antrieb druck- und lagegesteuert betrieben werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des hydraulischen Antriebs sieht vor, dass ein Überdruckventil zur Überdruckabsicherung der ersten Hydraulikpumpe vorgesehen ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn ein Überdruckventil zur Überdruckabsicherung der Speisepumpe vorgesehen ist.
  • Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs mit den Merkmalen des Anspruchs 12. In einem Eilhub wird der Zusatzdruckraum mit Hydraulikflüssigkeit aus dem Hochdruckspeicher beaufschlagt, wobei die Hydraulikpumpe Hydraulikflüssigkeit aus dem Zusatzdruckraum fördert und wobei im Eilhub der erste und der zweite Druckraum hydraulisch verbunden sind, wobei die Hydraulikpumpe Hydraulikflüssigkeit in den ersten Druckraum fördert. Durch die hydraulische Verbindung des ersten und zweiten Druckraums muss die Hydraulikpumpe nur das Differenzvolumen in den ersten Druckraum fördern, wobei Hydraulikflüssigkeit vom zweiten Druckraum in den ersten Druckraum überströmen kann. Folglich kann erreicht werden, dass die Hydraulikpumpe im Eilhub in den ersten Druckraum vergleichsweise wenig Hydraulikflüssigkeit fördern (pumpen) muss, wobei die aus dem Zusatzdruckraum geförderte (gesaugte) Hydraulikflüssigkeit volumenmäßig in etwa der in den ersten Druckraum geförderten (gepumpten) Hydraulikflüssigkeit entspricht.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass in einem Lasthub der Zusatzdruckraum mit Druck aus dem Hochdruckspeicher beaufschlagt wird, wobei die Hydraulikpumpe Hydraulikflüssigkeit aus dem Zusatzdruckraum fördert und wobei im Lasthub der erste und der zweite Druckraum nicht hydraulisch verbunden sind, wobei die Hydraulikpumpe Hydraulikflüssigkeit in den ersten Druckraum fördert. Da der erste und zweite Druckraum im Eilhub nicht hydraulisch verbunden sind, muss die Hydraulikpumpe nun den vollen Volumenstrom zum Befüllen des ersten Druckraums bereitstellen, wobei Hydraulikflüssigkeit vom zweiten Druckraum in einen Tank oder Niederdruckspeicher drucklos oder nahezu drucklos abströmen kann. Folglich kann erreicht werden, dass die Hydraulikpumpe in den ersten Druckraum bei von der Hydraulikpumpe unverändert bereitgestelltem Druck im Vergleich zum Eilhub vergleichsweise viel Hydraulikflüssigkeit fördern (pumpen) muss. Da die aus dem Zusatzdruckraum geförderte (gesaugte) Hydraulikflüssigkeit volumenmäßig geringer ist als die in den ersten Druckraum geförderte (gepumpte) Hydraulikflüssigkeit, kann aufgrund der Druckbeaufschlagung des Zusatzdruckraums mit Druck aus dem Hochdruckraum eine Drehmomentunterstützung der Hydraulikpumpe am Pumpeneingang realisiert werden. Somit kann erreicht werden, dass der die Hydraulikpumpe antreibende Elektromotor vergleichsweise klein dimensioniert werden kann.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Umschaltung vom Eilhub in einen Lasthub bei Überschreiten eines Grenzdrucks im ersten Druckraum erfolgt. Wenn ein am Kolben bzw. an einer Kolbenstange des hydraulischen Antriebs angeordnetes Pressenwerkzeug im Eilhub auf ein zu bearbeitendes Werkstück trifft, steigt der Druck im ersten Druckraum an. Wenn der Grenzdruck überschritten wird kann bspw. durch Umschalten eines Wegeventils mit zwei Schaltstellungen eine Umschaltung vom Eilhub in den Lasthub bereitgestellt werden.
  • Vorteilhafterweise wird der Zusatzdruckraum nach Beendigung des Lasthubs mit Hydraulikflüssigkeit aus dem Hochdruckspeicher beaufschlagt. Nach Beendigung des Lasthubs sinkt der Druck im ersten Druckraum wieder ab. Dann kann bspw. eine Rückschaltung eines Wegeventils von seiner zweiten in seine erste Schalstellung erfolgen. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Drehrichtung eines die Pumpen antreibenden Elektromotors umgekehrt wird, so dass Hydraulikflüssigkeit am Pumpeneingang aus der Pumpe gefördert (gepumpt) wird und am Pumpenausgang in die Pumpe gefördert (gesaugt) wird. Aufgrund der Beaufschlagung des Zusatzdruckraums mit Hydraulikflüssigkeit aus dem Hochdruckspeicher kann durch die Hydraulikpumpe bzw. durch den Elektromotor eine Bremswirkung bereitgestellt werden, so dass ein unkontrollierter Rückhub der Kolben des Differentialzylinders und des Zusatzhydraulikzylinders verhindert werden kann.
  • Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer die in der Figur dargestellte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben und erläutert ist.
  • Es zeigen:
  • 1 einen hydraulischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebs;
  • 2 ein Ersatzschaltbild des hydraulischen Antriebs gemäß 1 in einem Eilhub; und
  • 3 ein Ersatzschaltbild des hydraulischen Antriebs gemäß 1 in einem Lasthub.
  • 1 zeigt einen hydraulischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebs 10.
  • Der Antrieb 10 umfasst einen Differentialzylinder 12, der einen ersten Druckraum 14, einen zweiten Druckraum 16 und einen Differentialkolben 18 aufweist, der den ersten Druckraum 14 vom zweiten Druckraum 16 trennt. Der erste Druckraum 14 weist eine erste hydraulische Wirkfläche 20 auf, wobei der zweite Druckraum 16 eine zweite hydraulische Wirkfläche 22 aufweist. Die erste hydraulische Wirkfläche 20 ist größer ausgebildet als die zweite hydraulische Wirkfläche 22. Der Kolben 18 ist mit einer Kolbenstange 24 verbunden, an der bspw. ein in den Figuren nicht gezeigtes Pressenwerkzeug angeordnet werden kann.
  • Der Antrieb 10 umfasst ferner einen Zusatzhydraulikzylinder 26, der einen Zusatzdruckraum 28 und einen Zusatzkolben 30 aufweist, der den Zusatzdruckraum 28 begrenzt. Der Zusatzdruckraum 28 weist eine hydraulische Zusatzwirkfläche 32 auf. Die hydraulische Zusatzwirkfläche 32 ist so groß wie eine Differenzfläche der ersten hydraulischen Wirkfläche 20 und der zweiten hydraulischen Wirkfläche 22, so dass gilt: A32 = A20 – A22.
  • Der Zusatzkolben 30 ist mit dem Differentialkolben 18 mittels einer gemeinsamen Kolbenstange 34 mechanisch bewegungsgekoppelt.
  • Der Antrieb 10 umfasst weiter einen Elektromotor 36, der drehzahlveränderlich ist und dessen Drehrichtung umkehrbar ist. Der Elektromotor 36 treibt eine Hydraulikpumpe 38 an, die einen Pumpeneingang 40 und einen Pumpenausgang 42 aufweist. Die Hydraulikpumpe 38 ist vorzugsweise als Vier-Quadranten-Pumpe ausgebildet. Sie kann jedoch auch durch zwei gegensinnig fördernde Zwei-Quadranten-Pumpen mit identischen Fördervolumina ersetzt werden.
  • Der Antrieb 10 umfasst einen Hochdruckspeicher 44 und einen Niederdruckspeicher 46. Der Hochdruckspeicher 44 weist einen Speicherdruck von etwa 100 bar auf, wohingegen der Niederdruckspeicher 46 einen Speicherdruck von etwa 5 bar aufweist. Darüber hinaus weist der Antrieb 10 ein Wegeventil 48 mit zwei Schaltstellungen auf. Das Wegeventil 48 weist eine hydraulische Steuerleitung 50 auf, die mit dem ersten Druckraum 14 hydraulisch verbunden ist, und ist von einer ersten in 1 gezeigten Schaltstellung entgegen der Federkraft einer Feder 52 in eine in 1 links dargestellte zweite Schaltstellung schaltbar.
  • Am Zusatzkolben 30 bzw. im Bereich des Zusatzkolbens 30 ist ein Weg- oder Lagesensor 54 angeordnet, mit dem eine momentane Kolbenposition des Zusatzkolbens 30 bzw. des Differentialkolbens 18 detektiert werden kann. Darüber hinaus ist ein Drucksensor 56 vorgesehen, der zur Messung des Drucks im Zusatzdruckraum 28 mit dem Zusatzdruckraum 28 hydraulisch verbunden ist. Ferner ist ein Drucksensor 58 vorgesehen, der zur Messung des Drucks im ersten Druckraum 14 vorgesehen ist und mit dem ersten Druckraum 14 hydraulisch verbunden ist.
  • Zur Schaltübergangskompensation des Wegeventils 48 ist zwischen dem ersten Druckraum 14 und dem zweiten Druckraum 16 ein Rückschlagventil 60 angeordnet. Ferner ist zwischen dem zweiten Druckraum 16 und dem Niederdruckspeicher 46 zur Schaltübergangskompensation des Wegeventils 48 ein weiteres Rückschlagventil 62 angeordnet. Zur Überdruckabsicherung der Hydraulikpumpe 38 ist ferner ein Überdruckventil 64 vorgesehen.
  • Der hydraulische Antrieb 10 weist einen hydraulischen Zusatzkreislauf 66 auf, der eine Speisepumpe 68 aufweist, die wiederum von einem Elektromotor 70 angetrieben wird. Der Zusatzkreislauf 66 weist ferner einen Kühler 72, einen Filter 74, ein Rückschlagventil 76, sowie einen Tank 78 auf. Darüber hinaus weist der Zusatzkreislauf 66 ein Zusatzkreislaufwegeventil 80 mit drei Schaltstellungen auf. In einer ersten, in 1 linken Schaltstellung ist die Speisepumpe 68 mit dem Hochdruckspeicher 44 hydraulisch verbunden. In einer zweiten, in 1 mittigen Schaltstellung kann Hydraulikflüssigkeit lediglich über ein Überdruckventil 82, welches zur Überdruckabsicherung der Speisepumpe 68 vorgesehen ist, das Überdruckventil 62, sowie über ein Vorspannventil 84 in den Zusatzkreislauf 66, d. h. durch den Kühler 72 und den Filter 74 abfließen. In einer dritten, in 1 rechten Schaltstellung des Zusatzkreislaufwegeventils 80 kann Hydraulikflüssigkeit zum Kühlen und/oder Filtern in den Zusatzkreislauf 66 geleitet werden.
  • Der hydraulische Antrieb 10 weist schließlich noch ein Rückschlagventil 86 auf, welches zur Vermeidung von Kavitation im Betrieb vorgesehen ist, d. h. für den Fall dass die Fördervolumina der Pumpe 38 nicht auf die Volumina der jeweiligen Druckräume 14, 16, 28 abgestimmt ist.
  • Der Pumpeneingang 40, sowie der Hochdruckspeicher 44 sind in 1 mit dem Zusatzdruckraum 28 hydraulisch verbunden. Darüber hinaus ist der erste Druckraum 14 mit dem Pumpenausgang 42 hydraulisch verbunden. In einer in 1 rechts gezeigten ersten Schaltstellung des Wegeventils 48 ist das Wegeventil 48 durch die Federkraft der Feder 52 geschaltet. In der ersten Schaltstellung ist der erste Druckraum 14 mit dem zweiten Druckraum 16 hydraulisch verbunden. Das Wegeventil 48 ist bei Überschreiten eines Grenzdruckes, welcher durch die Federkraft der Feder 52 einstellbar ist, in eine in 1 rechts gezeigte zweite Schaltstellung schaltbar, wobei in der zweiten Schaltstellung der erste Druckraum 14 hydraulisch nicht mit dem zweiten Druckraum 16 verbunden ist. Vielmehr ist der zweite Druckraum 16 dann hydraulisch mit dem Niederdruckspeicher 46 verbunden.
  • Der hydraulische Antrieb 10 funktioniert nun wie folgt:
    Im Betrieb des hydraulischen Antriebs 10 kann in der ersten Schaltstellung des Zusatzkreislaufwegeventils 80 der Hochdruckspeicher 44 von der Speisepumpe 68 auf einen Speicherdruck von etwa 100 bar geladen werden. Aufgrund der hydraulischen Verbindung des Hochdruckspeichers 44 mit dem Zusatzdruckraum 28 wirkt dieser als hydraulische Feder, d. h. der hydraulische Antrieb 10 ist nach oben, d. h. entgegen eines in 1 gezeigten Pfeils 88 vorgespannt.
  • Bei einer Drehrichtung des Elektromotors 36 fördert (pumpt) die Hydraulikpumpe 38 am Pumpenausgang 42 Hydraulikflüssigkeit in den ersten Druckraum 14, wohingegen die Hydraulikpumpe 38 am Pumpeneingang 40 Hydraulikflüssigkeit aus dem Zusatzdruckraum 28 fördert (pumpt). Wenn das Wegeventil 48 sich in seiner ersten Schaltstellung befindet ist der erste Druckraum 14 mit dem zweiten Druckraum 16 verbunden. Wenn nun der Differentialkolben 18 und der Zusatzkolben 30, welche über die gemeinsame Kolbenstange 34 bewegungsgekoppelt sind, in Richtung des Pfeiles 88 nach unten bewegt werden, kann aufgrund der hydraulischen Verbindung des ersten und des zweiten Druckraums 14, 16 Hydraulikflüssigkeit vom zweiten Druckraum 16 über das Wegeventil 48 in den ersten Druckraum 14 strömen.
  • Folglich muss von der Hydraulikpumpe am Pumpenausgang 42 lediglich die Hydraulikflüssigkeit zur Befüllung des ersten Druckraums 14 bereitgestellt werden, die nicht bereits aus dem zweiten Druckraum 16 überströmen kann. Da die hydraulische Zusatzwirkfläche 32 so groß wie die Differenzfläche der ersten hydraulischen Wirkfläche 20 und der zweiten hydraulischen Wirkfläche 22 ist, kann so ein in 2 gezeigtes Ersatzschaltbild realisiert werden. Der hydraulische Antrieb 10 verhält sich wie ein Gleichlaufzylinder 82, der den Zusatzdruckraum 28 und einen resultierenden Druckraum 84 aufweist. Eine hydraulische Wirkfläche 86 des resultierenden Druckraums 84 entspricht der Differenzfläche der ersten hydraulischen Wirkfläche 20 und der zweiten hydraulischen Wirkfläche 22. Der in 2 gezeigte Kolben 89 kann in einem Eilgang in Richtung des Pfeils 90 verfahren werden.
  • Wichtig ist, dass 2 lediglich ein Ersatzschaltbild des Antriebs 10 gemäß 1 darstellt, wobei die Verfahrrichtung des Antriebs in 2 nicht der Verfahrrichtung des Antriebs in 1 entspricht. Wenn wie oben dargelegt Hydraulikflüssigkeit über das Wegeventil 48 vom zweiten Druckraum 16 in den ersten Druckraum 14 strömen kann, können die bewegungsgekoppelten Kolben 18, 30 in einem sogenannten Eilhub bei vergleichsweise niedriger Kraft und hoher Geschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 88 nach unten bewegt werden. Die Verfahrgeschwindigkeit ist über die Drehzahl des Elektromotors 36 einstellbar.
  • Wenn nun ein an der Kolbenstange 24 angeordnetes, in 1 nicht gezeigtes, Stanz- oder Pressenwerkzeug auf ein Hindernis wie bspw. ein zu bearbeitendes Blech trifft, steigt der Druck im ersten Druck raum 14 an. Wenn der Druck im ersten Druckraum 14 über den durch die Feder 52 voreingestellten Grenz- oder Schaltdruck des Wegeventils 48 ansteigt, der über die Steuerleitung 50 zum Wegeventil 48 rückgekoppelt wird, wird das Wegeventil 48 entgegen der Federkraft der Feder 52 von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung bewegt. Der zweite Druckraum 16 ist nunmehr mit dem Niederdruckspeicher 46 hydraulisch verbunden.
  • Das Verhalten des hydraulischen Antriebs 10 in der zweiten Schaltstellung des Wegeventils 48 kann ebenfalls durch ein Ersatzschaltbild dargelegt werden, welches in 3 gezeigt ist. Da Hydraulikflüssigkeit nicht mehr vom zweiten Druckraum 16 in den ersten Druckraum 14 strömen kann, muss die gesamte Hydraulikflüssigkeit, die zum Befüllen des ersten Druckraums 14 notwendig ist, von der Hydraulikpumpe 38 bereitgestellt werden. Bei unverändertem Pumpendruck der Hydraulikpumpe 38 fördert die Hydraulikpumpe 38 nun nicht mehr auf die Differenzfläche der ersten hydraulischen Wirkfläche 20 und der zweiten hydraulischen Wirkfläche 22 sondern vielmehr lediglich auf die erste hydraulische Wirkfläche 20. Somit verhält sich der hydraulische Antrieb 10 in der zweiten Schaltstellung des Wegeventils 48 wie ein in 3 gezeigter Differentialzylinder 92.
  • Wichtig ist, dass auch 3 lediglich ein Ersatzschaltbild des Antriebs 10 gemäß 1 darstellt, wobei die Verfahrrichtung des Antriebs in 3 nicht der Verfahrrichtung des Antriebs in 1 entspricht. Wenn wie oben dargelegt die Hydraulikpumpe 38 am Pumpenausgang 42 Hydraulikflüssigkeit in den ersten Druckraum 14 fördert (pumpt) und Hydraulikflüssigkeit am Pumpeneingang 40 aus dem Zusatzdruckraum 28 fördert (saugt) können die bewegungsgekoppelten Kolben 18, 30 in einem sogenannten Lasthub mit vergleichsweise hoher Kraft und niedriger Geschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 88 nach unten bewegt werden.
  • Da nun das Fördervolumen der Hydraulikpumpe 38 am Pumpeneingang 40 und am Pumpenausgang 42 nicht mehr an das Flächenverhältnis der hydraulischen Wirkflächen 20, 32 angepasst ist und der hydraulische Antrieb 10 sich, wie in 3 gezeigt, wie ein Differentialzylinder 92 verhält, muss zusätzliche Hydraulikflüssigkeit zur Befüllung des Zusatzdruckraums 28 vom Hochdruckspeicher 44 bereitgestellt werden. Da der Hochdruckspeicher 44 einen Speicherdruck von etwa 100 bar aufweist, wirkt im Lasthub ein Druck auf den Pumpeneingang 40, wobei die Hydraulikpumpe 38 somit teilweise als Motor betrieben werden kann. Durch den am Pumpeneingang 40 anstehenden Druck kann eine Drehmomentunterstützung erreicht werden, wodurch der Elektromotor 36 kleiner dimensioniert werden kann.
  • Da der Zusatzdruckraum 28 hydraulisch mit einem Hochdruckspeicher 44 verbunden ist, kann im Betrieb des hydraulischen Antriebs 10 durch die Vorspannung des Zusatzdruckraums 28 entgegen der Wirkrichtung des Antriebs 10 im Lasthub eine Schnittschlagdämpfung bereitgestellt werden. Die durch den im Zusatzdruckraum 28 herrschenden Druck resultierende Kraft kann somit bspw. bei einem Durchriss eines Stanzstempels durch ein zu bearbeitendes Blech verhindern, dass der Stanzstempel eine unkontrollierte Bewegung ausführt.
  • Durch die Einstellung des Drucks im Hochdruckspeicher 44 kann dabei die Schnittschlagdämpfung eingestellt werden.
  • Nach Beendigung des Lasthubs sinkt der Druck im ersten Druckraum 14 unter einen Rückschaltdruck ab, welcher unter dem Grenzdruck des Wegeventils 48 liegt. Das Wegeventil 48 kann durch die Federkraft der Feder 52 wieder in die erste Schaltstellung bewegt werden.
  • Wenn die Drehrichtung des Elektromotors 36 und somit auch die Förderrichtung der Hydraulikpumpe 38 umgekehrt wird, die Hydraulikpumpe 38 somit am Pumpeneingang Hydraulikflüssigkeit aus der Hydraulikpumpe 38 fördert (pumpt) und am Pumpenausgang 42 Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikpumpe 38 fördert (saugt), können die bewegungsgekoppelten Kolben 18, 30 in einem Rückhub entgegen der durch den Pfeil 88 dargestellten Richtung wieder nach oben bewegt werden.

Claims (15)

  1. Hydraulischer Antrieb (10) mit einem Differentialzylinder (12), der einen ersten Druckraum (14) und einen zweiten Druckraum (16) und einen Differentialkolben (18) aufweist, der den ersten vom zweiten Druckraum (14, 16) trennt, mit einer ersten Hydraulikpumpe (38), die einen Pumpeneingang (40) und einen Pumpenausgang (42) aufweist, und mit einem Wegeventil (48), das zwei Schaltstellungen aufweist, wobei ein Zusatzhydraulikzylinder (26) vorgesehen ist, der einen den Zusatzdruckraum (28) begrenzenden Zusatzkolben (30) aufweist, wobei der Differentialkolben (18) mit dem Zusatzkolben (30) bewegungsgekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochdruckspeicher (44) vorgesehen ist, wobei der Zusatzdruckraum (28) mit dem Pumpeneingang (40) und mit dem Hochdruckspeicher (44) hydraulisch verbunden ist, wobei der erste Druckraum (14) mit dem Pumpenausgang (42) hydraulisch verbunden ist und wobei in der ersten Schaltstellung des Wegeventils (48) der erste mit dem zweiten Druckraum (14, 16) hydraulisch verbunden ist und wobei in der zweiten Schaltstellung des Wegeventils (48) der zweite Druckraum (16) hydraulisch nicht mit dem ersten Druckraum (14) verbunden ist.
  2. Hydraulischer Antrieb (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckraum (14) eine erste hydraulische Wirkfläche (20), der zweite Druckraum (16) eine zweite hydraulische Wirkfläche (22) und der Zusatzdruckraum (28) eine hydraulische Zusatzwirkfläche (32) aufweisen, wobei eine Differenzfläche der ersten und der zweiten Wirkfläche (20, 22) der Zusatzwirkfläche (32) entspricht.
  3. Hydraulischer Antrieb (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegeventil (48) derart ausgebildet ist, dass es bei Überschreiten eines Grenzdrucks im ersten Druckraum (14) schaltbar ist.
  4. Hydraulischer Antrieb (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein drehzahlvariabler Elektromotor (36) vorgesehen ist, der die erste Hydraulikpumpe (38) antreibt.
  5. Hydraulischer Antrieb (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckspeicher (44) einen Speicherdruck von etwa 50 bis 150 bar, vorzugsweise von etwa 100 bar aufweist.
  6. Hydraulischer Antrieb (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein hydraulischer Zusatzkreislauf (66) vorgesehen ist, der eine Speisepumpe (68) und ein Zusatzkreislaufwegeventil (80) aufweist, wobei in einer ersten Schaltstellung des Zusatzkreislaufwegeventils (80) die Speisepumpe (68) mit Hochdruckspeicher (44) hydraulisch verbunden ist.
  7. Hydraulischer Antrieb (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Zusatzkreislauf (66) einen Kühler (72) und einen Filter (74) aufweist.
  8. Hydraulischer Antrieb (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (58) vorgesehen ist, der mit dem ersten Druckraum (14) hydraulisch verbunden ist.
  9. Hydraulischer Antrieb (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (56) vorgesehen ist, der mit dem Zusatzdruckraum (28) hydraulisch verbunden ist.
  10. Hydraulischer Antrieb (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wegsensor (54) zur Messung der Kolbenposition der beiden Kolben (18, 30) vorgesehen ist.
  11. Hydraulischer Antrieb (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überdruckventil (64) zur Überdruckabsicherung der ersten Hydraulikpumpe (38) vorgesehen ist.
  12. Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs (10) mit einem Differentialzylinder (12), der einen ersten Druckraum (14) und einen zweiten Druckraum (16) und einen Differentialkolben (18) aufweist, der den ersten vom zweiten Druckraum (14, 16) trennt, mit einer ersten Hydraulikpumpe (38), mit einem Hochdruckspeicher (44) und einem Zusatzhydraulikzylinder (26), der einen Zusatzdruckraum (28) und einem Zusatzkolben (30) aufweist, der den Zusatzdruckraum (28) begrenzt, wobei der Differentialkolben (18) mit dem Zusatzkolben (30) bewegungsgekoppelt ist, wobei in einem Eilhub der Zusatzdruckraum (28) mit Hydraulikflüssigkeit aus dem Hochdruckspeicher (44) beaufschlagt wird, wobei die Hydraulikpumpe (38) Hydraulikflüssigkeit aus dem Zusatzdruckraum (28) fördert und wobei im Eilhub der erste und der zweite Druckraum (14, 16) hydraulisch verbunden sind, wobei die Hydraulikpumpe Hydraulikflüssigkeit in den ersten Druckraum (14) fördert.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lasthub der Zusatzdruckraum (28) mit Druck aus dem Hochdruckspeicher (44) beaufschlagt wird, wobei die Hydraulikpumpe (38) Hydraulikflüssigkeit aus dem Zusatzdruckraum (28) fördert und wobei im Lasthub der erste und der zweite Druckraum (14, 16) nicht hydraulisch verbunden sind, wobei die Hydraulikpumpe (38) Hydraulikflüssigkeit in den ersten Druckraum (14) fördert.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung vom Eilhub in einen Lasthub bei Überschreiten eines Grenzdrucks im ersten Druckraum (14) erfolgt.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzdruckraum (28) nach Beendigung des Lasthubs mit Hydraulikflüssigkeit aus dem Hochdruckspeicher (44) beaufschlagt wird.
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