DE102016113882A1

DE102016113882A1 - Elektro-hydrostatisches Antriebssystem

Info

Publication number: DE102016113882A1
Application number: DE102016113882.7A
Authority: DE
Inventors: Werner Händle; Achim Helbig; Tino Kentschke; Reiner Kohlhas; Klaus Kirch
Original assignee: Moog GmbH
Current assignee: Moog GmbH
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2018-02-01
Also published as: US20190162208A1; CN109563849A; CN109563849B; US11261884B2; EP3491253A1; WO2018019622A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektro-hydrostatisches System (1), mit einer von einem Elektromotor (10) angetriebenen volumen- und/oder drehzahl-variablen Hydromaschine (11), zur Bereitstellung eines Volumenstroms eines Hydraulikfluids, einem Differentialzylinder (20) mit einer Kolbenfläche und einer Ringfläche und wenigstens einem Ausgleichsbehälter (30, 37), wobei das Antriebssystem (1) einen geschlossenen hydraulischen Kreislauf aufweist und mittels der Hydromaschine (11) und/oder einer Vorspannquelle (15, 37) im Betrieb einen Überdruck gegenüber der Umgebung aufweist und das Antriebssystem (1) eine Bewegung des Zylinders in eine erste Richtung, mittels eines Volumenstroms der Hydromaschine (11) und eines Volumenstroms aus dem Ausgleichsbehälter (30, 37), bereitstellt, und eine Bewegung in einer zweiten Richtung, mittels eines Volumenstroms der Hydromaschine (11) und eines Volumenstroms in den Ausgleichsbehälter (30, 37), bereitstellt, und mit dem Differentialzylinder (20) die Betriebsarten eines Kraftgangs oder Eilgangs bereitgestellt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektro-hydrostatisches Antriebssystem, das zur Bereitstellung verschiedener Bewegungsabläufe dient. Das System findet in einer Vielzahl von Maschinen Verwendung; insbesondere wird es für Hydraulikpressen, Tiefzieh- oder Spritzgießmaschinen eingesetzt. Derartige Maschinen weisen in der Regel mehrere Bewegungsabläufe oder Betriebsarten auf. Einer dieser Bewegungsabläufe ist ein sog. Kraftgang, bei dem auf das zu bearbeitende Werkstück genügend Kraft bei niedriger Geschwindigkeit ausgeübt wird, so dass – z. B. bei einer Presse oder einer Tiefzieheinrichtung – sich das Werkstück verformt. Ein weiterer dieser Bewegungsabläufe ist ein sog. Eilgang, mit dem weniger Kraft ausgeübt wird, der aber eine schnellere Bewegung der Maschine ermöglicht, beispielsweise zum Freigeben des verformten Werkstücks.
Elektro-hydrostatische Antriebssysteme sind im Stand der Technik bekannt. Jedoch weisen diese den Nachteil auf, dass sie nur einen der genannten Bewegungsabläufe realisieren. Andere Antriebssysteme weisen den Nachteil auf, dass sie sehr viele Komponenten benötigen oder einen hohen Energiebedarf aufweisen; dies kann zu Nachteilen bei Anschaffungs- und Wartungskosten führen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik wenigstens teilweise zu überwinden bzw. zu verbessern.
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßes elektro-hydrostatisches Antriebssystem weist eine von einem Elektromotor angetriebene volumen- und/oder drehzahl-variable Hydromaschine auf. Diese dient zur Bereitstellung eines veränderbaren Volumenstroms eines Hydraulikfluids in einem geschlossenen Hydraulikkreislauf. Vorzugsweise ist mit der Hydromaschine der Betrieb in zwei Flussrichtungen möglich. Die Hydromaschine kann ferner entweder einen drehzahl-variablen Elektromotor aufweisen und eine Konstantpumpe oder einen drehzahl-konstanten Elektromotor und eine Verstellpumpe oder einen drehzahl-variablen Elektromotor und eine Verstellpumpe. Die Auswahl der Hydromaschine wird dabei von Faktoren wie – z. B. – Systemkosten, Zuverlässigkeit oder zugelassene Geräuschemission oder Wirkungsgrad bestimmt.
Ein erfindungsgemäßes elektro-hydrostatisches System weist weiterhin einen Differentialzylinder auf. Unter einem Differentialzylinder wird ein Hydraulikzylinder verstanden, bei dem sich die Zylinderflächen auf der Vorder- und Rückseite des Kolbens unterscheiden. Dabei wird die Seite mit der kleineren Zylinderfläche als Stangenseite bezeichnet, weil auf dieser Seite eine Kolbenstange angeordnet ist. Die Zylinderfläche auf der Stangenseite wird Ringfläche genannt. Die Seite mit der größeren Zylinderfläche eines Differentialzylinders ist die sog. Kolbenseite. An der Kolbenseite ist entweder keine Kolbenstange angeordnet, oder eine Kolbenstange mit einem kleineren Durchmesser als auf der Stangenseite. Die Zylinderfläche auf der Kolbenseite wird Kolbenfläche genannt.
Ferner weist ein erfindungsgemäßes elektro-hydrostatisches System wenigstens einen Ausgleichsbehälter auf.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Ausgleichsbehälter ein Druckbehälter, der gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform neben einem vorgegebenen Druck ein veränderbares Volumen für das im Ausgleichsbehälter aufgenommenen Hydraulikfluids aufweist. Alternativ hierzu können auch mehrere Ausgleichsbehälter vorgesehen sein, wobei in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Ausgleichsbehälter als zweiter Zylinder, insbesondere als Gleichgang- oder Differientialzylinder ausgeführt ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektro-hydrostatischen Systems kann der Ausgleichsbehälter insbesondere auch als Druckspeicher und/oder als zweiter Zylinder ausgestaltet sein.
Durch eine Vorspannung des Hydraulikfluids mittels dem wenigstens einem Ausgleichsbehälter im geschlossenen Hydraulikkreislaufe werden vorteilhafterweise die zu fördernden Volumina reduziert, welche die Hydromaschine und/oder die Vorspannquelle für die Bewegungsabläufe transportieren müssen.
Das veränderbare Volumen kann darüber hinaus mit weiteren, verschiedenen Vorrichtungen realisiert sein. Beispielsweise können beliebige geometrische Formen mit elastischen Wänden Verwendung finden.
Ein erfindungsgemäßes elektro-hydrostatisches System weist einen geschlossenen hydraulischen Kreislauf auf. Ein derartiges System ist also im Normalbetrieb gegenüber seiner Umgebung abgeschlossen. Bei sicherheitskritischen Zuständen oder für die Wartung etc. ist allerdings ein Austausch des Hydraulikfluids mit der Umgebung möglich, z. B. das gezielte Ablassen von Hydraulikfluid bei Instandhaltung und Wartung.
Im Betrieb weist das System einen Überdruck gegenüber der Umgebung auf. Dieser Überdruck wird mittels der Hydromaschine und/oder mittels einer Vorspannquelle erzeugt. Diese Vorspannquelle kann z. B. als zusätzlicher Druckbehälter realisiert sein, die Vorspannquelle kann aber auch durch den oben genannten Ausgleichsbehälter – oder durch beide – realisiert sein. Grundsätzlich kann eine interne oder externe Vorspannquelle Verwendung finden.
Das Antriebssystem stellt eine Bewegung des Zylinders, d. h. des Differentialzylinders, in eine erste Richtung bereit, z. B. in Richtung auf das zu bearbeitende Werkstück. Dies wird erreicht mittels eines Volumenstroms der Hydromaschine und eines Volumenstroms aus bzw. in dem Ausgleichsbehälter. Dabei kann eine Steuerung und zusätzliche Bauteile – z. B. Ventile – den Volumenstrom entsprechend den geforderten Bewegungsabläufen koordinieren.
Weiterhin stellt das Antriebssystem eine Bewegung des Zylinders in einer zweiten Richtung bereit, z. B. in Gegenrichtung zur ersten Richtung. Auch dies wird mittels eines Volumenstroms der Hydromaschine und eines Volumenstroms in bzw. aus dem Ausgleichsbehälter erreicht.
Ein erfindungsgemäßes elektro-hydrostatisches System stellt mindestens die Betriebsarten eines Kraftgangs und eines Eilgangs bereit. Diese Betriebsarten werden mit dem Differentialzylinder des ersten Zylinders bereitgestellt. Der Differentialzylinder kann als ein Zylinder oder als eine Vielzahl von Zylindern, die parallel arbeiten, realisiert sein. Diese zusätzlichen Zylinder können ggf. einen anderen Bewegungsablauf als der Differentialzylinder (Hauptzylinder) aufweisen; sie sind jedoch Teil des erfindungsgemäßen elektro-hydrostatischen Systems und Teil des geschlossenen hydraulischen Kreislaufs.
Bei einer Ausführungsform des Systems, insbesondere wenn der Ausgleichsbehälter als Hydraulikzylinder ausgestaltet ist, kann dieser ein Differentialzylinder sein. Dabei kann dessen Ringfläche der Differenz zwischen der Kolbenfläche und der Ringfläche des ersten Zylinders entsprechen. Dies hat den Vorteil, dass bei einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf kein zusätzlicher Ausgleichsbehälter mehr erforderlich ist bzw. dieser nur mit einem reduzierten Volumen ausgestattet sein muß.
Ein erfindungsgemäßes elektro-hydrostatisches System weist zur Realisierung der Bewegungsabläufe Ventile auf. Bei einer Ausführungsform des Systems ist zwischen dem Ausgleichsbehälter und der Ringseite des ersten Zylinders ein 2/2-Wegeventil angeordnet. Dies wird mittels der genannten Steuerung – und gegebenenfalls unter Verwendung zusätzlicher Bauteile – angesteuert. Alternativ oder in Ergänzung dazu kann zwischen dem Ausgleichsbehälter und der Ringseite des ersten Zylinders ein Rückschlagventil angeordnet sein. Wenn nur ein Rückschlagventil verwendet wird, entfällt vorteilhafterweise die Steuerung für dieses Ventil.
Bei einer Ausführungsform des Systems ist die Vorspannquelle parallel zur Hydromaschine angeordnet. Dadurch wird ein Teil des für einen Bewegungsablauf erforderlichen Drucks bzw. Volumens durch diese Vorspannquelle aufgebracht und sorgt für eine höhere Dynamik des Systems und eine Vorspannung des geschlossenen Kreislaufs. Die Vorspannquelle vermeidet Kavitation der Hydromaschine bei Druckaufbau oder dynamischer Volumenstromanforderung.
Bei einer Ausführungsform des Systems sind beide Seiten der Hydromaschine mit der Vorspannquelle zur Übertragung einer Vorspannung im Hydraulikfluid des geschlossenen Kreislaufes verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Vorspannquelle sowohl die erste, als auch die zweite Bewegungsrichtung durch Bereitstellung von zusätzlichen Druck und/oder Volumen unterstützen kann. Ferner wird in vorteilhafter Weise bei Druckaufbauphasen oder nicht ideal ausgeglichenen Zylinderflächen zwischen Hauptzylinder und Zylinder-Ausgleichsbehälter Kavitation in der Hydromaschine vermieden. Kavitation führt zu erhöhtem Verschleiß oder Ausfall der Hydromaschine und muss verhindert werden.
Bei einer Ausführungsform des Systems sind die Kolbenstange des ersten Zylinders und die Kolbenstange des zweiten Zylinders mechanisch gekoppelt. Durch diese mechanische Kopplung wird ein Teil des Volumenstroms, der für einen Bewegungsablauf erforderlich ist, zwischen dem ersten Zylinder und dem zweiten Zylinder erzwungen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Systems ist die Ringfläche des ersten Zylinders kleiner oder gleich der Ringfläche des zweiten Zylinders. Damit kann in der entsprechenden Schaltstellung mittels der Ringseite des ersten Zylinders ein Eilgang bereit gestellt werden und in Kombination mit dem zweiten Zylinder und der Kombinationen der beiden Ringflächen der Ringkammern auch ein Kraftgang. Ferner wird ein System bereitgestellt, bei welchem die volle Prozesskraft im Kraftgang über Kolbenstange 24 übertragen werden kann und gleichzeitig die Knickbelastung der Kolbenstange 24 gering gehalten werden kann. Bei einer Ausführungsform des Systems ist die Kolbenstange des zweiten Zylinders mit einem Gewicht (m₂) mechanisch gekoppelt. Dabei wirkt das Gewicht so, dass es zur Erhöhung des Drucks in dem zweiten Zylinder beiträgt. Dadurch wird für eine Erhöhung der Vorspannung im geschlossenen Hydrauliksystem gesorgt und damit wird ein Teil des für einen Bewegungsablauf erforderlichen Drucks durch diese Vorspannquelle aufgebracht und sorgt für eine höhere Dynamik des Systems und vermeidet Kavitation in der Hydromaschine.
Bei einer Ausführungsform des Systems sind die Vorspannquelle und der zweite Zylinder in der Weise kombiniert, dass die Kolbenseite des zweiten Zylinders mit der Vorspannquelle (d. h. die nicht im Hydraulikkreislauf unmittelbar integrierte Kammer des Zylinders) zur Übertragung einer Vorspannung im Hydraulikfluid des geschlossenen Kreislaufs verbunden ist. Dies kann zur Medientrennung zwischen dem Öl des geschlossenen Kreises und beispielweise Stickstoff verwendet werden. Auch kann dadurch bei bestimmten Ausführungsformen auf eine mechanische Kopplung zwischen der Kolbenstange des ersten Zylinders und der Kolbenstange des zweiten Zylinders und/oder auf ein Gewicht an der Kolbenstange des zweiten Zylinders verzichtet werden. Es liegt aber auch im Sinne der vorliegenden Erfindung die einzelnen Ausführungsformen miteinander zu kombinieren, um insbesondere die individuellen Vorteile der einzelnen Komponenten in bestimmten Betriebszuständen miteinander zu kombinieren.
Bei einer Ausführungsform des Systems sind beide Seiten der Pumpe/Hydromaschine in beiden Betriebsarten eines Kraft- oder Eilgangs mit dem ersten Zylinder hydraulisch wirksam verbunden. Damit lässt sich vorteilhafterweise erreichen, dass der erste Zylinder sowohl für die erste, als auch für die zweite Bewegungsrichtung in der Lage ist, sowohl einen Kraftgang, als auch einen Eilgang zu realisieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert, wobei darauf hingewiesen wird, dass durch dieses Beispiel Abwandlungen beziehungsweise Ergänzungen, wie sie sich für den Fachmann unmittelbar ergeben, mit umfasst sind.
Dabei zeigen:
1a: Schematische Darstellung der Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems beim Ausfahren im Kraftgang;
1b: Schematische Darstellung der Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems beim Einfahren im Kraftgang;
2a: Schematische Darstellung der Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems beim Ausfahren im Eilgang;
2b: Schematische Darstellung der Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems beim Einfahren im Eilgang;
3a: Schematische Darstellung der Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems beim Ausfahren, mit einem Rückschlagventil;
3b: Schematische Darstellung der Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems beim Einfahren, mit einem Rückschlagventil;
4a: Schematische Darstellung der Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems beim Ausfahren im Kraftgang, mit getrennter Masse und einer Vorspannquelle;
4b: Schematische Darstellung der Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems beim Einfahren im Eilgang, mit getrennter Masse und einer Vorspannquelle;
5a: Schematische Darstellung der Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems beim Ausfahren im Eilgang, mit Hydrospeicher-Ausgleichsbehälter;
5b: Schematische Darstellung der Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems beim Einfahren, mit Hydrospeicher-Ausgleichsbehälter.
1a zeigt ein elektro-hydrostatisches System 1, mit einem ersten Zylinder oder Hauptzylinder 20, der als Differentialzylinder ausgestaltet ist. Der erste Zylinder weist einen Hauptzylinderkolben 23 auf, mit einer Kolbenkammer 22 und einer Ringkammer 22. Der Hauptzylinderkolben 23 weist auf der Seite der Kolbenkammer 21 eine Kolbenstange 24 auf, die mit einem Presswerkzeug 40 verbunden ist.
Die Kolbenkammer 21 ist über die Leitung 62 mit der Pumpe 11 (Hydromaschine) verbunden. Die Pumpe 11 wird von einem Elektromotor 10 angetrieben. Die Hydromaschine kann entweder einen drehzahl-variablen Elektromotor aufweisen und eine Konstantpumpe oder einen drehzahl-konstanten Elektromotor und eine Verstellpumpe oder einen drehzahl-variabien Elektromotor und eine Verstellpumpe. Die Ringkammer 22 ist über die Leitung 61 mit der Pumpe 11 verbunden.
Die Pumpe 11 ist über die Rückschlagventile 16 und 17 mit einem Druckbehälter 15 verbunden. Dabei öffnen sich die Rückschlagventile 16 bzw. 17, wenn in der Leitung 62 bzw. 61 ein geringerer Druck herrscht als im Druckbehälter 15. Dadurch wird die Dynamik des Systems verbessert und/oder Energie eingespart. In einer Abwandlung kann auf den Druckbehälter 15 und die Rückschlagventile 16 und 17 verzichtet werden, wobei dann die Vorspannung des Systems durch andere Maßnahmen, wie zum Beispiel mit einer externen Druckquelle bereitgestellt werden kann. Entsprechend den hier dargestellten Ausführungsbeispielen sind beide Anschlüsse der Hydromaschine 11 mit der Vorspannquelle 15 verbunden. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise bei Druckaufbauphasen oder nicht ideal ausgeglichenen Zylinderflächen zwischen Hauptzylinder und Zylinder-Ausgleichsbehälter Kavitation in der Hydromaschine vermieden.
Über die Leitung 71, das 2/2-Wegeventil 51 und die Leitung 72 ist die Kolbenkammer 21 des ersten Zylinders 20 mit der Ringkammer 32 des zweiten Zylinders 30 verbunden. Die Ringkammer 22 des ersten Zylinders 20 ist über die Leitung 73, das 2/2-Wegeventil 52 und die Leitung 72 mit der Ringkammer 32 des zweiten Zylinders 30 verbunden. In der Ringkammer 32, am Kolben 33 des zweiten Zylinders 30, ist eine Kolbenstange 34 angeordnet. Die Kolbenstange 34 ist mit dem gemeinsamen Presswerkzeug 40 verbunden und auf diese Weise mit der Kolbenstange 24 des ersten Zylinders 20 mechanisch gekoppelt. Gemäß der hier dargestellten Ausführungsformen ist die wirksame Ringfläche des zweiten Zylinders 30 größer als die wirksame Ringfläche des ersten Zylinders 20. Im Verständnis der vorliegenden Erfindung wirkt dabei der zweite Zylinder in erster Linie als Ausgleichsbehälter, welcher Volumenverschiebungen im System auszugleichen vermag. Darüber hinaus und aufgrund der Kopplung mit der Kolbenstange des ersten Zylinders 20 leistet dieser auch eine Beitrag zur Bewegung des Presswerkzeugs 40. Entsprechend den hier dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Kolbenstangendurchmesser 24 größer oder gleich Kolbenstangendurchmesser 34. Hiermit wird in vorteilhafter Weise ein System bereit gestellt, bei welchem die volle Prozesskraft im Kraftgang über Kolbenstange 24 übertragen werden kann und gleichzeitig die Knickbelastung der Kolbenstange 24 gering gehalten werden kann. Die Kolbenkammer 31 des zweiten Zylinders 30 ist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zur Umgebung geöffnet; sie stellt also für den Kolben 33 des zweiten Zylinders 30 keinen oder nur einen sehr geringen Widerstand dar.
Beim Ausfahren eines erfindungsgemäßen Systems 1 im Kraftgang wird der Hauptzylinderkolben 23 nach unten gefahren; siehe den gepunkteten Pfeil auf den Hauptzylinderkolben 23 und der Kolbenstange 24. Da die Kolbenstange 24 des ersten Zylinders 20 mit der Kolbenstange 34 des zweiten Zylinders 30 über das gemeinsame Presswerkzeug 40 mechanisch gekoppelt ist, bewegt sich beim Ausfahren auch der Kolben 33 des zweiten Zylinders 30 nach unten; siehe den gepunkteten Pfeil auf Kolben 33 und Kolbenstange 34. Dazu wird von der Pumpe 11 ein Volumenstrom nach oben erzeugt, d. h. in Richtung der Kolbenkammer 21; siehe den Pfeil neben der Pumpe 11. Dabei strömt das Hydraulikfluid von der Pumpe 11 über die Leitung 62 in die Kolbenkammer 21 und Hydraulikfluid aus der Ringkammer 22 in die Pumpe 11.
Weiterhin ist das Ventil 51 gesperrt und das Ventil 52 geöffnet. Durch diese Ventilstellung und durch die mechanische Kopplung über das Presswerkzeug 40 strömt Hydraulikfluid aus der Ringkammer 32 des zweiten Zylinders 30 über den unteren Teil der Leitung 72 – siehe den dort angeordneten Pfeil – über das geöffnete Ventil 52 und Leitungen 73 und 61 in die Pumpe 11. Durch diese Maßnahme werden die unterschiedlichen Volumina von Kolbenkammer 21 und Ringkammer 22 des ersten Zylinders ausgeglichen. Daher kann der hydraulische Kreislauf in dem System 1 geschlossen sein.
1b zeigt die Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems 1 entsprechend 1a beim Einfahren im Kraftgang. Dabei sind die verwendeten Elemente und die Bezugszeichen dieselben wie bei 1a.
Beim Einfahren im Kraftgang wird der Hauptzylinderkolben 23 nach oben gefahren; siehe den gepunkteten Pfeil auf Hauptzylinderkolben 23 und Kolbenstange 24. Ebenso bewegt sich, wegen des gemeinsamen Presswerkzeugs 40 – Kolben 33 des zweiten Zylinders 30 nach oben. Von der Pumpe 11 wird ein Volumenstrom nach unten erzeugt, d. h. in Richtung der Ringkammer 22; siehe den Pfeil neben der Pumpe 11. Weiterhin ist das Ventil 51 gesperrt und das Ventil 52 geöffnet. Dadurch strömt Hydraulikfluid aus der Kolbenkammer 21 in die Ringkammern 22 und 32 des ersten bzw. zweiten Zylinders. Der Kraftgang ergibt sich aus der summarischen Wirkung der beiden Ringflächen der Ringkammern 22 und 32.
2a zeigt die Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems 1 nach 1a beim Ausfahren im Eilgang. Dabei sind die verwendeten Elemente und die Bezugszeichen dieselben wie bei 1a.
Im Eilgang wird von der Pumpe 11 ein Volumenstrom nach oben erzeugt, d. h. in Richtung der Kolbenkammer 21; siehe den Pfeil neben der Pumpe 11. Dabei strömt das Hydraulikfluid von der Pumpe 11 über die Leitung 62 in die Kolbenkammer 21 und aus der Ringkammer 22 in die Pumpe 11. Im Gegensatz zum Kraftgang ist beim Eilgang das Ventil 51 geöffnet und das Ventil 52 gesperrt. Dadurch strömt Hydraulikfluid von der Ringkammer 32 des zweiten Zylinders 30 über die Leitung 72, Ventil 51 und Leitung 71 direkt in die Kolbenkammer 21.
2b zeigt die Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems 1 beim Einfahren im Eilgang. Dabei sind die verwendeten Elemente und die Bezugszeichen dieselben wie bei 1a.
Dabei wird von der Pumpe 11 ein Volumenstrom nach unten erzeugt, d. h. in Richtung der Ringkammer 22; siehe den Pfeil neben der Pumpe 11. Dabei strömt das Hydraulikfluid von der Pumpe 11 über die Leitung 61 in die Ringkammer 22. Das Ventil 51 ist geöffnet und das Ventil 52 gesperrt. Dadurch strömt auch Hydraulikfluid von der Kolbenkammer 21 des ersten Zylinders über die Leitung 71, Ventil 51 und Leitung 72 in die Ringkammer 32 des zweiten Zylinders 30.
3a zeigt die Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems 1 beim Ausfahren, hier im Kraftgang. Dabei sind die meisten verwendeten Elemente und die Bezugszeichen dieselben wie bei 1a. Eine Ausnahme bildet das Rückschlagventil 54, welches das Ventil 52 ersetzt.
Der Druckbehälter 15 kann gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform als Niederdruckbehälter ausgeführt werden. Hierdurch können u. a. Vorteile in Bezug auf eine kompaktere Bauart realisiert werden, wodurch Kosten eingespart und eine leichtere Bauart verwirklicht werden kann.
Der Bewegungsablauf ist derselbe wie bei 1a; allerdings ist das Rückschlagventil 54 ab einem bestimmten Druck immer in einer Richtung, entsprechend des Pfeils bei Leitung 72, geöffnet.
3b zeigt die Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems 1 beim Einfahren, hier im Eilgang. Dabei sind die meisten verwendeten Elemente und die Bezugszeichen dieselben wie bei 1a. Eine Ausnahme bildet wieder das Rückschlagventil 54, welches das Ventil 52 ersetzt.
Der Bewegungsablauf ist derselbe wie bei 2b; allerdings ist das Rückschlagventil 54 ab einem bestimmten Druck immer in die Richtung zur Ringkammer 32 gesperrt.
4a zeigt die Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems 1 beim Ausfahren, hier im Eilgang. Dabei sind die meisten verwendeten Elemente und die Bezugszeichen dieselben wie bei 1a. Eine Ausnahme bilden die getrennten Massen 41 und 42, statt der mechanischen Kopplung der beiden Kolbenstangen 24 und 34 durch das Presswerkzeug 40. Außerdem ist der Druckspeicher 37 vorgesehen, der an die – nunmehr geschlossene – Kolbenkammer 31 des zweiten Zylinders angeschlossen ist. Auf den Druckbehälter 15 und die Rückschlagventile 16 und 17 wurde verzichtet.
Die getrennten Massen m₁ 41 und m₂ 42 erzwingen nicht mehr – wie das bei der der gemeinsamen Masse 40 der Fall war – eine gekoppelte Bewegung der Kolbenstange 24 und 34 des ersten und des zweiten Zylinders 20 und 30. Jedoch beaufschlagt die Masse m₂ 42 die Kammer 32 mit einem Druck, d. h. hierüber wird das System wenigstens teilweise vorgespannt. Ferner ist der Bewegungsablauf der Kolbenstange des ersten Zylinders 20 vergleichbar wie in der Beschreibung zu 2a.
Der Druckspeicher 37 stellt eine weitere Erhöhung des Reservedrucks dar und bewirkt eine höhere Dynamik des Systems oder weitere Einsparungen beim Energieverbrauch. Alternativ kann für bestimmte Konfigurationen des Systems auf die zusätzliche Masse m₂ 42 verzichtet werden, wenn eine zusätzliche Masse m₂ 42 – oder eine größere gemeinsame Masse 40 – ungünstig erscheint.
Der optionale Verzicht auf den Druckbehälter 15 und die Rückschlagventile 16 und 17 kann entweder durch Maßnahmen wie eine zusätzliche Masse m₂ 42 und/oder dem Druckspeicher 37 kompensiert werden. Alternativ führt dieser Verzicht zu geringeren Kosten des Systems 1.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann ggf. auch auf den Druckspeicher 37 verzichtet werden, so dass die Vorspannung durch den zweiten Zylinder selbst bereit gestellt wird. Dies kann zum Beispiel dadurch bewirkt werden, dass durch das Eigengewicht des Zylinders und/oder der Zylinderstange die Vorspannung im Hydraulikfluid erzeugt wird.
Der Bewegungsablauf der Kolbenstange des ersten Zylinders 20 ist – mit den genannten Veränderungen – vergleichbar wie bei 2b.
4b zeigt die Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems 1 nach 1a beim Einfahren im Eilgang. Dabei sind die meisten verwendeten Elemente und die Bezugszeichen dieselben wie bei 1a. Eine Ausnahme bilden dabei auch die getrennten Massen 41 und 42, statt der mechanischen Kopplung der beiden Kolbenstangen 24 und 34 durch das Presswerkzeug 40. Außerdem ist ein Druckspeicher 37 vorgesehen, der an die – nunmehr geschlossene – Kolbenkammer 31 des zweiten Zylinders angeschlossen ist. Auch auf den Druckbehälter 15 und die Rückschlagventile 16 und 17 wurde verzichtet.
Der Bewegungsablauf der Kolbenstange des ersten Zylinders 20 ist vergleichbar wie bei 2b, aus den Gründen, wie sie in der Beschreibung zu 4a erläutert wurden.
5a zeigt die Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems 1 beim Ausfahren im Eilgang. Dabei sind die meisten verwendeten Elemente und die Bezugszeichen dieselben wie bei 1a. Eine Ausnahme bildet der Ausgleichsbehälter 37, welcher den zweiten Zylinder 30 ersetzt, wobei dieser Ausgleichsbehälter sowohl ein vorgegebenes Druckniveau als auch ein Ausgleichsvolumen bereit stellt Weiterhin wurde auf den Druckbehälter 15 und die Rückschlagventile 16 und 17 verzichtet.
Da der zweite Zylinder 30 bei einem erfindungsgemäßen System 1 als ein Ausgleichsbehälter verwendet wird, welcher – zusammen mit der Hydromaschine 11 – einen Volumenstrom bereitstellt, ist auch hier der Bewegungsablauf der Kolbenstange des ersten Zylinders 20 vergleichbar wie bei 2a.
5b zeigt die Konfiguration eines erfindungsgemäßen Systems 1 beim Einfahren im Eilgang. Dabei sind die meisten verwendeten Elemente und die Bezugszeichen dieselben wie bei 1a. Auch hier wurde der zweite Zylinder 30 durch den Druckspeicher 37 ersetzt. Weiterhin wurde auf den Druckbehälter 15 und die Rückschlagventile 16 und 17 verzichtet.
Da der zweite Zylinder 30 bei einem erfindungsgemäßen System 1 als ein Ausgleichsbehälter verwendet wird, welcher – zusammen mit der Hydromaschine 11 – einen Volumenstrom bereitstellt, ist auch hier der Bewegungsablauf der Kolbenstange des ersten Zylinders 20 vergleichbar wie bei 2b.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein Rückschlagventil 54, wie es in 3a und 3b angeordnet ist, auch in analoger Weise in die Ausführungsformen gemäß 4a, 4b, 5a, 5b übernommen werden.
Weiterhin zeigen insbesondere 3b, 5a und 5b, dass in einem erfindungsgemäßen System der zweite Zylinder 30 als Ausgleichsbehälter Verwendung findet und nicht einen zweiten operativen Zylinder darstellt.
Bezugszeichenliste

1: elektro-hydrostatisches System
10: Elektromotor
11: Pumpe
15: Druckbehälter
16, 17: Rückschlagventil
20: Hauptzylinder, erster Zylinder
21: Kolbenkammer
22: Ringkammer
23: Hauptzylinderkolben
24: Kolbenstange
30: zweiter Zylinder, Nebenzylinder
31: Kolbenkammer
32: Ringkammer
33: Nebenzylinderkolben
34: Kolbenstange
37: Ausgleichsbehälter
40: Presswerkzeug
41: Masse m₁
42: Masse m₂
51: Wegeventil
52: Wegeventil
54: Rückschlagventil
61, 62, 65: Leitung
71, 72, 73: Leitung

Claims

Elektro-hydrostatisches System (1), mit einer von einem Elektromotor (10) angetriebenen volumen- und/oder drehzahl-variablen Hydromaschine (11), zur Bereitstellung eines Volumenstroms eines Hydraulikfluids, einem Differentialzylinder (20) mit einer Kolbenfläche und einer Ringfläche und wenigstens einem Ausgleichsbehälter (30, 37), wobei das Antriebssystem (1) einen geschlossenen hydraulischen Kreislauf aufweist und mittels der Hydromaschine (11) und/oder einer Vorspannquelle (15, 37) im Betrieb einen Überdruck gegenüber der Umgebung aufweist und das Antriebssystem (1) eine Bewegung des Zylinders in eine erste Richtung, mittels eines Volumenstroms der Hydromaschine (11) und eines Volumenstroms aus dem Ausgleichsbehälter (30, 37), bereitstellt, und eine Bewegung in einer zweiten Richtung, mittels eines Volumenstroms der Hydromaschine (11) und eines Volumenstroms in den Ausgleichsbehälter (30, 37), bereitstellt, und mit dem Differentialzylinder (20) die Betriebsarten eines Kraftgangs oder Eilgangs bereitgestellt werden.
Elektro-hydrostatisches System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsbehälter (30, 37) ein veränderbares Volumen aufweist und insbesondere als Druckspeicher (37) und/oder als zweiter Zylinder (30) ausgestaltet ist.
Elektro-hydrostatisches System (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zylinder (30) ein Differentialzylinder ist und dessen Ringfläche der Differenz zwischen der Kolbenfläche und der Ringfläche des ersten Zylinders (20) entspricht.
Elektro-hydrostatisches System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Verbindungsleitung zwischen dem Ausgleichsbehälter (30, 37) und der Ringseite des ersten Zylinders (20) ein Rückschlagventil (54) und/oder ein 2/2-Wegeventil (52) angeordnet ist.
Elektro-hydrostatisches System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannquelle (15) parallel zur Hydromaschine (11) angeordnet ist.
Elektro-hydrostatisches System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Seiten der Hydromaschine mit Vorspannquelle (15) zur Übertragung einer Vorspannung im Hydraulikfluid des geschlossenen Kreislaufes verbunden sind.
Elektro-hydrostatisches System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (24) des ersten Zylinders (20) und die Kolbenstange (34) des zweiten Zylinders (30) mechanisch gekoppelt sind.
Elektro-hydrostatisches System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringfläche des ersten Zylinders (20) kleiner oder gleich der Ringfläche des zweiten Zylinders (30) ist.
Elektro-hydrostatisches System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (34) des zweiten Zylinders (30) mit einem Gewicht (m2) mechanisch gekoppelt ist.
Elektro-hydrostatisches System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenseite (31) des zweiten Zylinders (30) mit der Vorspannquelle (37) zur Übertragung einer Vorspannung im Hydraulikfluid des geschlossenen Kreislaufs verbunden ist.
Elektro-hydrostatisches System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Seiten der Pumpe in beiden Betriebsarten eines Kraftgangs oder Eilgangs mit dem ersten Zylinder (20) hydraulisch wirksam verbunden sind.