DE102018203367A1

DE102018203367A1 - Hydrostatischer Linearantrieb

Info

Publication number: DE102018203367A1
Application number: DE102018203367.6A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bonefeld
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2019-09-12

Abstract

Offenbart ist ein hydrostatischer Linearantrieb für eine Presse oder Spritzgussmaschine oder dergleichen mit wenigstens zwei hydrostatisch wirksamen Flächen oder Gruppen derartiger Flächen zur Wandlung hydrostatischer Energie in Antriebsenergie.

Description

Die Erfindung betrifft einen hydrostatischen Linearantrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Hydrostatische Linearantriebe, wie sie beispielsweise in Pressen oder Spritzgussmaschinen Verwendung finden, müssen vielfältige Anforderungen erfüllen. Zum einen müssen sie hohe Press- oder Haltekräfte beispielsweise bei null Hub bewirken können. Zum anderen besteht die Anforderung, zwischen den Arbeitsgängen - beispielsweise zum Werkstückwechsel - Verfahrhübe mit großer Geschwindigkeit durchführen zu können, um so Fertigungszeiten gering zu halten. Eine derartige Antriebsaufgabe weist somit eine ausgeprägte Zweiteilung in Arbeitspunkte „hohe Geschwindigkeit mit niedriger Last“ (Eilgang) und „niedrige Geschwindigkeit mit hoher Last“ (Kraftgang) auf. Um diese Anforderungen erfüllen zu können, bietet sich der Einsatz von Zylindersystemen mit mehreren, zuschaltbaren Wirkflächen an.
In der Druckschrift EP 2 420 681 A2 ist ein hydrostatischer Linearantrieb mit einer Hydromaschine und einem von dieser mit Druckmittel versorgtem Eilgangzylinder gezeigt. Dessen Kolben hat zwei im Kraftgang gemeinsam mit Druckmittel beaufschlagbare Kolbenflächen. Im Eilgang wird hingegen über ein Schaltventil der Druckmittelvolumenstrom der Hydromaschine nur auf die kleinere der Kolbenflächen geleitet, wodurch bei gegebenem Druckmittelvolumenstrom eine hohe Hubgeschwindigkeit, und somit der Eilgang resultiert. Im Kraftgang wird der Druckmittelvolumenstrom auf beide Kolbenflächen geleitet, wodurch bei ohnehin geringer geforderter Hubgeschwindigkeit die Kraft des Kolbens dem Flächenzuwachs entsprechend erhöht wird.
Nachteilig an derartigen Lösungen ist zum einen, dass die Bauform des Eilgangzylinders vergleichsweise aufwendig und kostspielig ist. Darüber hinaus muss eine vergleichsweise große Hydromaschine vorgehalten werden, die den großen Druckmittelvolumenstrom im Eilgang bereitstellen kann, wodurch der Linearantrieb vorrichtungstechnisch aufwendig und teuer ist.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen vorrichtungstechnisch weniger aufwendigen hydrostatischen Linearantrieb zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen hydrostatischen Linearantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Linearantriebes sind in den Patentansprüchen 2 bis 15 beschrieben.
Ein hydrostatischer Linearantrieb, beispielsweise für eine Presse oder Spritzgussmaschine oder dergleichen, hat wenigstens zwei, insbesondere in einer Antriebsrichtung oder Arbeitsrichtung des Linearantriebes hydrostatisch wirksame, Flächen oder Gruppen derartiger Flächen zur Wandlung hydrostatischer Energie in Antriebsenergie. Vorzugsweise ist die jeweilige Fläche oder Gruppe von Flächen in einem hydrostatischen Wandler, beispielsweise einem Hydrozylinder oder einer Hydromaschine vorgesehen. Erfindungsgemäß hat der Linearantrieb wenigstens zwei Druckmittelquellen zur Druckmittelbeaufschlagung der Flächen oder Gruppen von Flächen. Zudem hat der Linearantrieb eine Ventileinrichtung, über die zur Ausbildung eines Kraftganges, insbesondere mit in Antriebsrichtung vergleichsweise geringer Antriebsgeschwindigkeit und großer Antriebskraft, eine Menge der Flächen oder Gruppen von Flächen fluidisch mit den Druckmittelquellen verbindbar, insbesondere verbunden ist, deren hydrostatisch wirksamer Flächeninhalt größer ist als derjenige einer anderen Menge der Flächen oder Gruppen von Flächen, die über die Ventileinrichtung zur Ausbildung eines Eilganges des Linearantriebes, insbesondere mit in Antriebsrichtung vergleichsweise großer Antriebsgeschwindigkeit und kleiner Antriebskraft, fluidisch mit den Druckmittelquellen verbindbar, insbesondere verbunden ist.
Auf diese Weise ist ein Linearantrieb mit Eilgang durch Flächen-Reduktion und Kraftgang durch Flächen-Addition geschaffen, der anders als ein herkömmlicher Linearantrieb, wenigstens zwei Druckmittelquellen aufweist. Neben der Flächenaddition / - reduktion kann dabei über die Ventileinrichtung eine Druckmittelvolumenstromaddition und -reduktion erfolgen und die einzelne Druckmittelquelle kann kleiner ausgestaltet sein, was einen kostengünstigeren und flexibler betreibbaren Linearantrieb ermöglicht.
In einer Weiterbildung sind die wenigstens zwei Flächen oder Gruppen von Flächen auf Kolben von in Antriebsrichtung wirksamen, einzelnen Hydrozylindern verteilt angeordnet. Verglichen mit einem Eilgangzylinder zeichnen sich einfache Hydrozylinder durch einen vergleichsweise einfachen vorrichtungstechnischen Aufbau aus. Die Hydrozylinder können quer zur Antriebsrichtung versetzt nebeneinander oder in Antriebsrichtung koaxial zueinander angeordnet sein.
In einer Variante dazu sind die wenigstens zwei Flächen oder Gruppen von Flächen an einem oder mehreren Kolben eines in Antriebsrichtung wirksamen Eilgangzylinders angeordnet. Zwar ist dessen Aufbau vergleichsweise aufwendig. Gegenüber der Verwendung mehrerer einfacher Hydrozylinder ermöglicht der Eilgangzylinder aber einen besonders kompakten Aufbau des Linearantriebes.
In einer Variante dazu sind die wenigstens zwei Flächen oder Gruppen von Flächen auf Gruppen hydrostatischer Arbeitskolben rotatorisch wirksamer Hydromaschinen verteilt angeordnet.
Mischformen der Varianten sind möglich. Das heißt, dass beispielsweise wenigstens ein Hydrozylinder und eine rotatorisch wirksame Hydromaschinen zum Aufbringen der Antriebskraft zusammenwirken.
In einer Weiterbildung mit mehreren quer zur Arbeitsrichtung versetzt angeordneten Hydrozylindern sind die Flächen oder Gruppen von Flächen derart bemessen und derart angeordnet, dass Kippmomente der Kolben sowohl im Eilgang als auch im Kraftgang minimiert oder null sind, woraus eine geringe Belastung der mechanischen Führungen resultiert und insbesondere das Verkanten der Kolben im jeweiligen Zylinder verhindert ist. Auf diese Weise ist der Linearantrieb gegen Verschleiß der Kolben und Zylinder geschützt.
In einer Weiterbildung sind die Hydrozylinder, genauer gesagt ihre in Arbeitsrichtung ausgerichteten Kolbenachsen, parallel angeordnet.
In einer Weiterbildung ist jeder Druckmittelquelle eine Druckmittelsenke zugeordnet.
Prinzipiell kann die jeweilige Druckmittelquelle beispielsweise als Hydrospeicher und die Druckmittelsenke beispielsweise als Tank ausgebildet sein.
Als sehr flexibel in der Anwendung erweist sich eine Weiterbildung, in der wenigstens eine der Druckmittelquellen als Hydromaschine ausgebildet ist. Eine Saugseite dieser Hydromaschine repräsentiert dann die Druckmittelsenke, eine Hochdruckseite die Druckmittelquelle. In einer Weiterbildung sind die Druckseiten der Hydromaschine so ausgestaltet, dass sie wechselweise als Druckmittelsenke oder Druckmittelquelle betrieben werden können.
Um die Antriebsgeschwindigkeit und die Antriebskraft gut steuern zu können, ist in einer Weiterbildung die wenigstens eine Hydromaschine mit variablem Druckmittelvolumenstrom betreibbar.
Für eine einfach und schnell durchzuführende Richtungsumkehr der Antriebsbewegung erweist es sich als vorteilhaft, wenn die wenigstens eine Hydromaschine in ihrem Verdrängungsvolumen beidseitig eines Null-Verdrängungsvolumens verstellbar ist, also bezüglich ihres Verdrängungsvolumens reversierbar ist.
In einer Weiterbildung weist der Linearantrieb wenigstens eine Antriebsmaschine auf, die mit der oder den Hydromaschinen gekoppelt ist. Vorzugsweise ist die Antriebsmaschine ein Elektromotor.
Vorzugsweise ist die wenigstens eine Antriebsmaschine, und damit die wenigstens eine gekoppelte Hydromaschine, drehzahlvariabel betreibbar, wodurch eine Geschwindigkeit des Eil- und Kraftgangs und / oder eine Kraft des Antriebs noch präziser steuerbar und / oder regelbar ist.
Alternativ oder ergänzend hat die wenigstens eine Hydromaschine ein verstellbares Verdrängungsvolumen, um eine Geschwindigkeit des Eil- und Kraftgangs und/oder eine Kraft des Antriebs präzise steuern und /oder regeln zu können. Insbesondere in dieser Weiterbildung ist auch eine mit konstanter Drehzahl betreibbare Antriebsmaschine denkbar.
Um auch eine Bewegung entgegen der vorwiegenden Arbeitsrichtung, insbesondere eine Rückfahrbewegung, steuern zu können, weist der Linearantrieb in einer Weiterbildung an den Kolben jeweils eine der genannten Fläche oder Gruppe von Flächen entgegenwirkende Gegenfläche oder Gruppe von Gegenflächen, insbesondere mit gleich großem hydrostatisch wirksamem Flächeninhalt, auf.
Weisen die Fläche und ihre Gegenfläche, bzw. die Gruppe von Flächen und die Gruppen von Gegenflächen, gleich große hydrostatisch wirksame Flächeninhalte auf, so ist die Paarung aus Fläche und Gegenfläche, bzw. Gruppe von Flächen und Gruppe von Gegenflächen, von wenigstens einer der Druckmittelquellen in geschlossenem hydraulischem Kreis mit Druckmittel beaufschlagbar. Dadurch kann auf das Vorhalten eines größeren Ausgleichsvolumens, wie beispielsweise einen Hydrospeicher, verzichtet werden. Vorzugsweise ist die jeweilige Hydromaschine im geschlossenen hydraulischen Kreis mit der Fläche oder Gruppe von Flächen und der Gegenfläche oder Gruppe von Gegenflächen angeordnet.
Vorzugsweise hat der Linearantrieb einen ersten Druckmittelströmungspfad, über den alle Flächen oder Gruppen von Flächen und wenigstens ein erster Arbeitsanschluss der Druckmittelquellen oder Hydromaschinen fluidisch miteinander verbindbar, insbesondere verbunden sind.
Vorzugsweise hat der Linearantrieb einen zweiten Druckmittelströmungspfad, über den alle Gegenflächen oder Gruppen von Gegenflächen und wenigstens ein zweiter Arbeitsanschluss der Druckmittelquellen oder Hydromaschinen fluidisch miteinander verbindbar, insbesondere verbunden sind.
Um zur Ausbildung des Eilganges den kompletten Druckmittelvolumenstrom der Druckmittelquellen oder Hydromaschinen auf einen kleineren, hydrostatisch wirksamen Flächeninhalt zu leiten, hat der Linearantrieb in einer Weiterbildung eine erste Ventilanordnung, über die eine Teilmenge der Flächen oder Gruppen von Flächen und/oder deren Gegenflächen oder Gruppen von Gegenflächen fluidisch von den Druckmittelquellen oder Hydromaschinen trennbar ist. Zur Ausbildung des Kraftganges ist die Teilmenge dann über die erste Ventilanordnung wieder mit den Druckmittelquellen oder Hydromaschinen verbindbar. Vorzugsweise hat die erste Ventilanordnung hierzu ein Ventil zur Trennung/ zur Verbindung des wenigstens einen ersten Arbeitsanschlusses der Druckmittelquellen oder Hydromaschinen und ein weiteres, insbesondere baugleiches Ventil, zur Trennung/ zur Verbindung des wenigstens einen zweiten Arbeitsanschlusses der Druckmittelquellen oder Hydromaschinen. Die Ventile können vereinzelt angeordnet und / oder betätigbar sein oder sie können in einem Gehäuse zusammengefasst und /oder gemeinsam betätigbar sein.
Ein vorrichtungstechnisch einfacher Linearantrieb ist gegeben, wenn in einer Weiterbildung eine Ergänzungsmenge zur Teilmenge dauerhaft fluidisch mit den Druckmittelquellen oder den Hydromaschinen verbunden ist.
Um Schaltschläge, Druckspitzen und starke Beschleunigungen am Linearantrieb zu verhindern, erweist sich eine Weiterbildung vorteilhaft, in der die wenigstens zwei Druckmittelquellen jeweils als Hydromaschine ausgebildet sind.
Diese sind in einer bevorzugten Weiterbildung zur Ausbildung des Eilganges fluidisch von der Teilmenge trennbar und mit der Ergänzungsmenge verbindbar oder dauerhaft verbunden, wohingegen zur Ausbildung des Kraftganges eine erste der Hydromaschinen fluidisch mit der Teilmenge und eine zweite der Hydromaschinen fluidisch mit der Ergänzungsmenge verbindbar ist. Dabei erweist sich bei gleichem Nenn-Druckmittelvolumenstrom der Hydromaschinen die Verwendung zweier kleinerer Hydromaschinen gegenüber nur einer großen zudem deswegen als vorteilhaft, weil sie insbesondere bei kleineren Druckmittelvolumenströmen - zum Beispiel in bestimmten Phasen des Kraftganges - einen höheren Wirkungsgrad aufweisen.
Alternativ können im Kraftgang alle Druckmittelquellen oder Hydromaschinen mit allen Flächen oder Gruppen von Flächen verbunden sein.
Um das Umschalten weiter zu optimieren, weist in einer Weiterbildung der Linearantrieb eine zweite Ventilanordnung auf, über die Arbeitsanschlüsse der wenigstens zwei Druckmittelquellen oder Hydromaschinen fluidisch voneinander trennbar und miteinander verbindbar sind. Vorzugsweise hat die zweite Ventilanordnung hierzu ein Ventil zur Trennung / Verbindung der ersten Arbeitsanschlüsse der Druckmittelquellen oder Hydromaschinen und ein weiteres, insbesondere baugleiches Ventil, zur Trennung/ Verbindung der zweiten Arbeitsanschlüsse der Druckmittelquellen oder Hydromaschinen. Die Ventile können vereinzelt angeordnet und / oder betätigbar sein oder sie können in einem Gehäuse zusammengefasst und / oder gemeinsam betätigbar sein.
Um bei Ausbildung des Eilganges dem wenigstens einen hydrostatischen Wandler, dessen Fläche oder Gruppe von Flächen der Teilmenge zugeordnet ist, und der beim Eilgang von den Druckmittelquellen oder Hydromaschinen fluidisch getrennt ist, ein Umwälzen von Druckmittel zu ermöglichen, ist in einer Weiterbildung ein Bypassventil vorgesehen, über den der Wandler in einen Bypassvolumenstrom schaltbar ist, sodass er in der Antriebsbewegung mitgeschleppt werden kann und diese nicht hemmt. Im Falle des als Hydrozylinders ausgebildeten Wandlers verbindet das Bypassventil die Fläche mit der am selben Kolben angeordneten Gegenfläche fluidisch. Ist der Wandler eine rotatorisch arbeitende Hydromaschine, werden über das Bypassventil der Niederdruck- und der Hochdruckanschluss der Hydromaschine, genauer gesagt deren beiden Arbeitsanaschlüsse, fluidisch verbunden.
In einer Weiterbildung kann eine dritte in Arbeitsrichtung wirksame Fläche vorgesehen sein, die zur Ausbildung des Eilganges der Ergänzungsmenge zuordenbar ist.
Sind die hydrostatischen Wandler von Hydrozylindern gebildet, so sind in einer Weiterbildung deren Kolbenstangen über eine sich quer zur Antriebsrichtung erstreckende Traverse des Linearantriebes verbindbar, insbesondere verbunden.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung sind die Druckmittelquellen als Hydromaschinen ausgebildet, wenigstens eine davon weist ein verstellbares Verdrängungsvolumen auf und die Antriebsmaschine oder Antriebsmaschinen ist oder sind drehzahlvariabel betreibbar ausgebildet.
Um die Drehzahl oder Drehzahlen und das wenigstens eine verstellbare Verdrängungsvolumen zu steuern hat der Linearantrieb eine Steuereinheit.
In einer Weiterbildung ist die Steuereinheit derart ausgestaltet, dass über sie die einzelnen Druckmittelvolumenströme der Hydromaschinen, oder deren Summe, derart steuerbar sind oder ist, dass ein Wirkungsgrad und /oder eine Leistungsaufnahme der Antriebsmaschine(n) und / oder eine Geräuschentwicklung und / oder eine Komponentenbelastung / ein Komponentenverschleiß optimiert ist.
Zu diesem Zweck werden über die Steuereinheit die Drehzahl oder Drehzahlen und das wenigstens eine Verdrängungsvolumen derart gesteuert, dass sich daraus die einzelnen Druckmittelvolumenströme, oder deren Summe ergeben.
Vorzugsweise ist in der Steuereinheit ein derartiges Verfahren oder eine derartige Betriebsstrategie zur Ausführung gespeichert.
Zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Linearantriebes sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen

1 einen hydraulischen Schaltplan eines hydrostatischen Linearantriebes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 einen hydraulischen Schaltplan eines hydrostatischen Linearantriebes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3a bis 3c Prozessdiagramme für Kraft, Geschwindigkeit, Druckmittelvolumenströme und Position des Linearantriebes gemäß 1, und
4a bis 4c Prozessdiagrammen gemäß 3 zugeordnete Schaltstellungen des Linearantriebes gemäß 1.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen Linearantriebes 1 zeigt 1. Der Linearantrieb 1 hat einen Eilgangzylinder 2 und einen Kraftgangzylinder 4. Beide Hydrozylinder 2, 4 sind als doppelt wirkende Gleichgangzylinder ausgestaltet. In Arbeitsrichtung weisende Kolbenstangen 6, 8 der Hydrozylinder 2, 4 sind fest über eine Traverse 10, die sich quer zur durch einen Pfeil symbolisierten Arbeitsrichtung erstreckt, verbunden. Mit der Traverse 10 ist beispielsweise ein Pressstempel verbunden (nicht dargestellt). Der Eilgangzylinder 2 hat ein mit der Kolbenstange 6 verbundenen Kolben 12. Jenseits des Kolbens 12 erstreckt sich eine zweite Kolbenstange 6' des Eilgangzylinders 2. Vom Kolben 12 sind im Eilgangzylinder 2 ein Kolbenraum 14 und ein Gegenkolbenraum 16, die beide aufgrund der jeweiligen Kolbenstangen 6, 6' als Ringraum ausgestaltet sind, fluidisch getrennt. Dabei ist der Kolbenraum 14 von einer ringstirnflächenförmigen Kolbenfläche 18 und der Gegenkolbenraum 16 von einer ringstirnflächenförmigen Gegenkolbenfläche 20 begrenzt. Einen prinzipiell gleichen Aufbau weist der Kraftgangzylinder 4 mit dem Kolben 22, der zusätzlichen Kolbenstange 8', dem Kolbenraum 24, dem Gegenkolbenraum 26, jedoch mit jeweils größerer Kolbenfläche 28 und Gegenkolbenfläche 30 auf.
Des Weiteren hat der hydrostatische Linearantrieb 1 einen ersten Druckmittelströmungspfad 32, über den die Kolbenräume 14, 24 fluidisch miteinander verbindbar sind, und einen zweiten Druckmittelströmungspfad 34, über den die Gegenkolbenräume 16, 26 fluidisch miteinander verbindbar sind.
Zur Druckmittelversorgung sowohl der Kolbenräume 14, 24, als auch der Gegenkolbenräume 16, 26 hat der Linearantrieb 1 zwei mit verstellbarem Verdrängungsvolumen ausgestaltete Hydromaschinen36, 136, die in allen vier Betriebsquadranten betreibbar sind. Die erste Hydromaschine 36 ist mit einem ersten Arbeitsanschluss 31 und die zweite Hydromaschine 136 ist mit einem ersten Arbeitsanschluss 131 mit dem ersten Druckmittelströmungspfad 32 fluidisch verbunden. Mit einem zweiten Arbeitsanschluss 33 bzw. 133 ist die Hydromaschine 36 bzw. 136 mit dem zweiten Druckmittelströmungspfad 34 fluidisch verbunden. Die erste Hydromaschine 36 ist dabei von einer als Elektromotor ausgestalteten, drehzahlvariabel betreibbaren ersten Antriebsmaschine 38 und die zweite Hydromaschine 136 von einer ebenso als Elektromotor ausgestalteten, drehzahlvariabel betreibbaren zweiten Antriebsmaschine 138 angetrieben. Beide Hydromaschinen 36, 136 und beide Antriebsmaschinen 38, 138 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel einander baugleich ausgestaltet.
Zur Trennung des Kolbenraumes 24 und Gegenkolbenraumes 26 des Kraftgangzylinders 4 - und damit der hydrostatisch wirksamen Fläche 28 und Gegenfläche 30 - von der Druckmittelversorgung der ersten Hydromaschine 36 oder beider Hydromaschinen 36, 136 hat der Linearantrieb 1 eine erste Ventilanordnung 40. Über diese Trennung ist mittels der ersten Ventilanordnung 40 ein Eilgang E des Linearantriebes 1 schaltbar, in welchem die Fläche 18 (Anfahren Af gemäß 3) und die Gegenfläche 20 (Rückfahren Rf gemäß 3) des Eilgangzylinders 2 mit den Druckmittelvolumenströmen Q₃₆ , Q₁₃₆ beider Hydromaschinen beaufschlagbar ist. Die erste Ventilanordnung 40 hat zwei auf die Druckmittelströmungspfade 32, 34 verteilt angeordnete 2/2-Wegeschaltventile 42, 44, die jeweils eine federvorgespannte Sperrstellung a (Grundstellung) und eine elektromagnetisch betätigbare Durchflussstellung b haben. In den genannten Grundstellungen a sind der Kolbenraum 24 durch das Ventil 42 und der Gegenkolbenraum 26 durch das Ventil 44 von der Druckmittelversorgung abgesperrt.
Ohne weitere Vorkehrungen wäre damit in genannter Schaltstellung/Sperrstellung a der Ventile 42, 44 die Traverse 10, und damit der Pressenstempel, im Eilgang E nicht mehr bewegbar. Um dies dennoch zu ermöglichen, hat der Linearantrieb 1 ein ebenso als 2/2-Wegeschaltventil ausgestaltetes Bypassventil 46 in einem Bypassströmungspfad 48, der den Kolbenraum 24 bei geöffnetem Bypassventil 46 mit dem Gegenkolbenraum 26 des Kraftgangzylinders 4 fluidisch verbindet. Auch das Bypassventil 46 hat eine federvorgespannte Sperrstellung a und eine elektromagnetisch betätigbare Öffnungs- oder Durchflussstellung b.
Der Linearantrieb hat eine zweite Ventilanordnung 140 mit zwei 2/2-Wegeschaltventilen 142, 144, die jeweils baugleich mit den genannten Ventilen 42, 44 sind. Das Ventil 142 ist dabei zwischen den ersten Arbeitsanschlüssen 31 und 131 im ersten Druckmittelströmungspfad 32 angeordnet, das Ventil 144 ist zwischen den zweiten Arbeitsanschlüssen 33 und 133 im zweiten Druckmittelströmungspfad 34 angeordnet. Über die zweite Ventilanordnung 140 lassen sich somit die beiden Hydromaschinen 36 und 136 fluidisch voneinander trennen und miteinander verbinden.
Mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist ein vorrichtungstechnisch einfacher Linearantrieb 1 mit Eilgang und Kraftgang geschaffen, wobei der Eilgang durch das Wegschalten der Kolbenfläche 28, bzw. Gegenkolbenfläche 26 mittels der ersten Ventilanordnung 40 und deren Sperrstellungen a erfolgt. Dann kann in einem Eilgang E der volle Volumenstrom der beiden Hydromaschinen 36, 136 auf die - verglichen mit der Kolbenfläche 28 kleinere - Kolbenfläche 18 (Af), und bei entgegengesetzter Förderrichtung (Rf) auf die Gegenkolbenfläche 20, geleitet werden.
Eine Voraussetzung hierfür ist, dass dann das Bypassventil 46 elektromagnetisch in seine Durchflussstellung b betätigt ist. Nur dann kann der Kolben 22 des Kraftgangzylinders 4 der vom Eilgangzylinder 2 bewirkten Bewegung der Traverse 10 folgen, da je nach Bewegungsrichtung ein Bypassvolumenstrom über den Bypassströmungspfad 48 ermöglicht ist und der Kolben 22 mitgeschleppt wird.
Für den Kraftgang K (vgl. 4c) wird im gezeigten Ausführungsbeispiel der Druckmittelvolumenstrom Q₃₆ der ersten Hydromaschine 36 auf die Kolbenfläche 28 und der Druckmittelvolumenstrom Q₁₃₆ der zweiten Hydromaschine 136 auf die Kolbenfläche 18 gerichtet, indem die Ventile 42, 44 der ersten Ventilanordnung 40 in ihre Durchflussstellungen b und die Ventile 142, 144 der zweiten Ventilanordnung 140 in ihre Sperrstellung a geschaltet werden. Zudem muss das Bypassventil 46 in seine Sperrstellung a geschaltet werden. Da somit gemäß F = p * A im Kraftgang K der hydrostatisch wirksame Flächeninhalt A größer ist als im Eilgang E, ist bei gegebenem Arbeitsdruck p eine höhere Antriebskraft F von der Traverse 10 auf den Pressstempel übertragbar.
Eine derartige Flächenaddition für den Kraftgang K, und umgekehrt Flächenreduktion für den Eilgang E, wird gemäß dem Stand der Technik häufig über den beschriebenen Eilgangzylinder realisiert, der einen vergleichsweise komplizierten Aufbau aufweist. Dem gegenüber bieten die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Lösungen eine Vereinfachung, da der Eilgang E und der Kraftgang K mittels einzeln aufgelöster Hydrozylinder 2, 4; 2, 4, 202 einfacherer Bauart umgesetzt ist. Der hydrostatische Linearantrieb 1; 101 ist dadurch vorrichtungstechnisch einfacher aufgebaut und günstiger.
Setzt man für beide Ausführungsbeispiele einen gleichen Nenn-Druckmittelvolumenstrom der Hydromaschinenanordnung voraus, so können die Hydromaschinen 36, 136 kleiner ausgestaltet sein, als wenn lediglich eine Hydromaschine zur Druckmittelversorgung im Eilgang E und Kraftgang K vorgesehen wäre. Dies hat zum einen den Vorteil, dass bei geringen Druckmittelvolumenströmen, beispielsweise bei geringer Geschwindigkeit v oder im Kraftgang K, wenn kaum Hub der Kolben 12, 22 vorliegt, der Wirkungsgrad der dann betriebenen kleineren Hydromaschinen 36, 136 größer ist, als der Wirkungsgrad einer größeren Hydromaschine. Im Eilgang, in dem ein größtmöglicher Druckmittelvolumenstrom benötigt wird, wird dieser einfach durch die Addition der beiden vergleichsweise kleinen Druckmittelvolumenströme Q₃₆ , Q₁₃₆ erreicht. Ein weiterer Vorteil der gegenüber dem Stand der Technik zusätzlichen zweiten Hydromaschine 136 und zweiten Ventilanordnung 140 ist, dass beim Umschalten zwischen Eilgang E und Kraftgang K ein Risiko von Druckspitzen und Schaltschlägen und insbesondere starken Beschleunigungen der Traverse 10 eliminiert oder zumindest reduziert werden kann. Dieser Zusammenhang wird später anhand der Prozessdiagramme der 3a bis 3c und der Schaltstellungen E , U, K gemäß den 4a bis 4c näher beschrieben.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen Linearantriebes 101, der auf dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 aufbaut. Der Unterschied zu letztgenanntem ist, dass ein zweiter Eilgangzylinder 202 vorgesehen ist, der baugleich mit dem Eilgangzylinder 2 ist. Zur Druckmittelversorgung des zweiten Eilgangzylinders 202 sind Druckmittelleitungen 232 und 234 vorgesehen, über die die Kolbenräume 14 und 214 der Eilgangzylinder 2, 202 und die Gegenkolbenräume 16 und 216 der genannten Zylinder 2, 202 fluidisch verbunden sind. Die Druckmittelleitung 232 ist dabei dem ersten Druckmittelströmungspfad 32 und die Druckmittelleitung 234 dem zweiten Druckmittelströmungspfad 34 zugeordnet, so dass über den ersten Druckmittelströmungspfad 32 nach wie vor alle Kolbenräume 14, 24 und 214 und über den zweiten Druckmittelströmungspfad 34 alle Gegenkolbenräume 16, 26, 216 fluidisch verbindbar sind. Die beiden Eilgangzylinder 2, 202 sind dabei mit einem Abstand d von der Mittelachse des Kraftgangzylinders 4 angeordnet, so dass bei Druckmittelbeaufschlagung aller Kolbenräume 14, 24, 214 und/oder Gegenkolbenräume 16, 26, 216 keinerlei Kippmoment an den Kolben 12, 22, 212 resultiert.
Es folgt die Beschreibung eines Ablaufschemas eines typischen Lastspiels anhand des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1 mittels der zeitabhängigen Diagramme der 3a bis 3c und 4a bis 4c. Dabei zeigt die 3a den zeitlichen Verlauf der Antriebskraft F an der Traverse 10 oder an dem damit verbundenen Pressstempel (nicht dargestellt), die 3b zeigt den Verlauf der Geschwindigkeit v der Traverse 10 oder des Pressstempels und den jeweiligen Druckmittelvolumenstrom Q₃₆ , Q₁₃₆ der Hydromaschinen 36, 136. 3c zeigt den zurückgelegten Weg s der Traverse 10 oder des Pressstempels.
Das Ablaufschema ist dabei in die Prozessphasen Anfahren im Eilgang Af, Vorkompression Vk, Pressen Pr, Halten H, Dekompression Dk, Ausstoßen Au und Rückfahren im Eilgang Rf unterteilt. In Abhängigkeit dieser Prozessphasen werden die Betriebsgrößen v, Q₃₆ und Q₁₃₆ gemäß 3b sowie die Schaltstellungen a, b der Ventile 42, 44, 46, 142 und 144 gemäß den 4a bis 4c variiert. 4a stellt dabei die Schaltstellungen der genannten Ventile des Linearantriebes 101 im Eilgang E, 4b die Schaltstellungen während des Umschaltens U und 4c die Schaltstellungen während des Kraftganges K dar.
Zu Beginn des Anfahrens Af befindet sich die Traverse 10 mit dem Pressstempel in einer vom Ziehkissen abgehobenen Grundstellung. Die Traverse 10 soll nun mit hoher Geschwindigkeit in Richtung dem Ziehkissen bewegt werden. Hierzu werden die genannten Ventile 42, 44, 46, 142 und 144 in die Schaltstellungen des Eilganges E gemäß 4a geschaltet. Demgemäß sind die Ventile 42, 44 der ersten Ventilanordnung 40 in ihre Sperrstellung a belastet und die Ventile 142, 144 der zweiten Ventilanordnung 140 sind in ihre Durchflussstellung b elektromagnetisch betätigt. Somit summieren sich die Druckmittelvolumenströme Q₃₆ und Q₁₃₆ der beiden Hydromaschinen 36, 136 und werden allein auf die Kolbenfläche 18 des Eilgangzylinders 2 gelenkt. Dem entsprechend ist die Geschwindigkeit v gemäß 3b im Prozessabschnitt Af im Eilgang E hoch. Die beiden Hydromaschinen 36, 136 können dabei mit ihrem maximalen Verdrängungsvolumen V_gmax betrieben werden. Für den anzunehmenden Fall einer möglichst hohen Eilganggeschwindigkeit werden die Antriebsmaschinen 38, 138 dabei in ihrem oberen Drehzahlbereich betrieben, so dass sich im Wesentlichen gleich große Volumenströme Q₃₆ , Q₁₃₆ gemäß 3b ergeben. Kurz vor dem Wegpunkt S_u gemäß 3c, an dem der Pressstempel das zu pressende Bauteil erreicht, wird gemäß 3b der Druckmittelvolumenstrom Q₃₆ der ersten Hydromaschine 36 auf null verstellt und derjenige Q₁₃₆ der zweiten Hydromaschine 136 wird entsprechend der zu erzielenden Vorkompressionsgeschwindigkeit eingestellt. Dem entsprechend sinkt die Geschwindigkeit v gemäß 3b ab. Dies erfolgt in Vorbereitung auf den folgenden Umschaltvorgang U, der den Übergang vom Eilgang E in den Kraftgang K darstellt.
Beim Umschaltvorgang U bleibt das Bypassventil 46 zunächst noch in seiner Durchflussstellung b, wodurch bereits das Risiko von Druckspitzen beim Schalten der anderen Ventile 42, 44, 142, 144 verringert ist. In Folge werden die bis dahin in ihre jeweilige Durchflussstellung b geschalteten Ventile 142, 144 in ihre Sperrstellung a gebracht. Nun sind die beiden Hydromaschinen 36, 136 fluidisch voneinander getrennt und die Bewegung der Traverse 10 wird allein durch den Druckmittelvolumenstrom Q₁₃₆ der zweiten Hydromaschine 136 hin zum Kolbenraum 14 des Eilgangzylinders 2 und mit verringerter Geschwindigkeit v gemäß 3b aufrechterhalten. Auf diese Weise werden Geschwindigkeits- und Druckspitzen minimiert. Gemäß 3a geht der Ablauf nun in die Vorkompression Vk über, in der die Antriebskraft F etwas ansteigt. Dabei reicht zunächst noch die vom mit vergleichsweise kleiner Kolbenfläche 18 ausgestatteten Eilgangzylinder 2 erreichbare Presskraft F aus. Um jedoch die im Kraftgang K, insbesondere in den Prozessphasen Pressen Pr und Halten H geforderte, hohe Antriebskraft F (vgl. 3a) bereitstellen zu können, ist es notwendig, den Kraftgangzylinder 4 dem Eilgangzylinder 2 noch vor dem Beenden der Vorkompression Vk zuzuschalten und somit dessen Kolbenfläche 28 hydraulisch nutzbar zu machen. Hierzu wird zunächst der Druckmittelvolumenstrom Q₃₆ der ersten Hydromaschine 36 entsprechend der Vorkompressionsgeschwindigkeit so weit erhöht, dass der Volumenstrom über das Bypassventil 46 minimiert oder zu Null wird. Danach werden gemäß den 3a und 4c noch während der Vorkompression Vk die Ventile 42, 44 in ihre Durchflussstellung b betätigt und das Bypassventil 46 wird in seine Sperrstellung a belastet. Nun ist der Umschaltvorgang U in den Kraftgang K beendet und der hydrostatische Linearantrieb 1 befindet sich in der Konstellation K gemäß 4c. Setzt der Pressstempel auf dem Ziehkissen auf, ist also die Pressposition der Traverse 10 (des Pressstempels) erreicht, so ist die Vorkompression Vk beendet und der Prozess geht in die Prozessphase Pressen Pr des Kraftganges K gemäß den 3a bis 3c über. Der hierbei benötigte Druckmittelvolumenstrom ist klein, da die Traverse 10 nur noch einen minimalen Arbeitshub ausführen kann, was in 3c im ersten Abschnitt der Phase Kraftgang K zu erkennen ist. Die Kraft F steigt hingegen stark an. Es erfolgt das Hochfahren des Druckmittelvolumenstromes Q₃₆ gemäß 3b, bis die Maximalkraft F zum Halten H des Pressstempels erreicht ist.
Mit dem Erreichen der Haltekraft F in der Prozessphase H gemäß 3a werden beide Druckmittelvolumenströme Q₃₆ , Q₁₃₆ auf null oder nahe Null reduziert, was durch ein Zurückschwenken der Verdrängungsvolumina V_g der Hydromaschinen 36, 136 und/oder eine Reduktion der Drehzahl der Antriebsmaschinen 38, 138 erfolgt, bis nur noch ein bauartbedingter Leckagevolumenstrom der Hydromaschinen 36, 136 ausgeglichen wird. Nach Ablauf der Haltephase H erfolgt die Dekompressionsphase Dk mit einem starken Abfall der Kraft F gemäß 3a. Dabei gehen die Antriebsmaschinen 38, 138 in den Generatorbetrieb über, so dass Druckmittel aus den hochdruckführenden Kolbenräumen 14, 24 zurück über die Hydromaschinen 136, 36 entspannt wird und in die Gegenkolbenräume 16, 26 strömt. Dabei drehen sich in der Dekompressionsphase Dk gemäß 3b die Vorzeichen der Druckmittelvolumenströme Q₃₆ , Q₁₃₆ um (Richtungsumkehr der Strömung) und werden negativ.
In der Prozessphase Ausstoßen Au des gepressten oder gezogenen Bauteils muss die Traverse 10 entgegen der bis hierher beschriebenen Arbeitsrichtung nach oben bewegt werden, wobei die Geschwindigkeit v durch den Richtungswechsel, gemeinsam mit den Druckmittelvolumenströmen Q₃₆ , Q₁₃₆ , nun ein negatives Vorzeichen aufweist.
Nach dem Ausstoßen Au ist die Kraft F Null. Es erfolgt wieder die Prozessphase des Umschaltens U, in dem gemäß 3b der Druckmittelvolumenstrom Q₃₆ der ersten Hydromaschine 36 auf null reduziert und diesmal vollständig vom Druckmittelvolumenstrom Q₁₃₆ der zweiten Hydromaschine 136 kompensiert wird. Demzufolge bleibt gemäß 3b die Geschwindigkeit v in diesem Abschnitt konstant.
Im Prinzip erfolgt der Übergang von der Prozessphase des Kraftganges K über die Prozessphase des Umschaltens U hin zum Eilgang E in inverser Reihenfolge des vorbeschriebenen Ablaufs über die Phasen Af, Vk hin zu Pr gemäß 3a. In der Prozessphase Rückfahren Rf kann dieses dann durch die Addition der Druckmittelvolumenströme Q₃₆ , Q₁₃₆ am Eilgangzylinder 2 mit maximaler Geschwindigkeit v (negativ) erfolgen.
Die parallel gekoppelten hydrostatischen Wandler 2, 4; 2, 4, 202 mit ihren hydrostatisch wirksamen Flächen 18, 20, 28, 30; 18, 20, 28, 30, 218, 220, die in den gezeigten Ausführungsbeispielen als Hydrozylinder 2, 4 ausgebildet sind, können alternativ als rotatorisch arbeitende Hydromaschinen ausgebildet sein. Anders als Hydrozylinder weisen Hydromaschine in der Regel keine einzelne hydrostatisch wirksame Fläche sondern eine Gruppe derartiger Flächen auf. Die Flächen der Gruppe sind beispielsweise an einer Gruppe von Arbeitskolben der Hydromaschine ausgebildet, wobei jede Fläche einen alternierend mit Hoch- und Niederdruck beaufschlagbaren hydrostatischen Arbeitsraum begrenzt. Zur Wandlung eines Abtriebsmomentes und einer Drehzahl der jeweiligen Hydromaschine in die gewünschte Antriebskraft F und Antriebsgeschwindigkeit v ist dann beispielsweise zusätzlich ein geeignetes mechanisches Getriebe, beispielsweise ein Spindeltrieb, zwischen einer Abtriebswelle der jeweiligen Hydromaschine und der Traverse 10 vorzusehen.
Die hydrostatischen Linearantriebe 1 und 101 zeigen zwei Druckmittelquellen 36, 136, die über Ventilanordnungen 140, 142 den hydrostatischen Wandlern 2, 4; 2, 4, 202 zuordenbar sind, wobei über das Ventil 46 zumindest einer 4 der Wandler 2, 4; 2, 4, 202 hydraulisch kurzschließbar ist. Auf diese Weise ist das Umschalten vom Eilgang E zum Kraftgang K, und umgekehrt, in Bewegung und unter Last möglich, ohne dass prozessrelevante Unstetigkeiten oder Sprünge im Geschwindigkeits- und/oder Druckverlauf der Wandler 2, 4; 2, 4, 202 auftreten.
Offenbart ist ein hydrostatischer Antrieb, insbesondere Linearantrieb, insbesondere für eine Presse oder eine Spritzgussmaschine oder dergleichen. Der Antrieb hat wenigstens zwei in einer Arbeitsrichtung des Antriebes wirksame Aktoren, insbesondere Aktorflächen, und eine Hydromaschinenanordnung zu deren Druckmittelbeaufschlagung. Zur Ausbildung eines Eilganges des Antriebes ist eine Teilmenge der Aktoren oder Aktorflächen fluidisch mit der Hydromaschinenanordnung verbindbar und eine Ergänzungsmenge der Teilmenge ist fluidisch von der Hydromaschinenanordnung trennbar. Zur Ausbildung eines Kraftganges ist hingegen eine Menge der Aktoren oder Aktorflächen - vorzugsweise umfasst die Menge alle Aktoren oder Aktorflächen - mit der Hydromaschinenanordnung fluidisch verbindbar, deren resultierende Aktorkraft bei gegebener Druckmittelbeaufschlagung größer ist als diejenige der Teilmenge.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2420681 A2 [0003]

Claims

Hydrostatischer Linearantrieb für eine Presse oder Spritzgussmaschine oder dergleichen, mit wenigstens zwei hydrostatisch wirksamen Flächen (18, 28; 18, 28, 218) oder Gruppen derartiger Flächen zur Wandlung hydrostatischer Energie in Antriebsenergie, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Druckmittelquellen (36, 136) zur Druckmittelbeaufschlagung der Flächen (18, 28; 18, 28, 218) oder Gruppen von Flächen und durch eine Ventileinrichtung (40, 140), über die zur Ausbildung eines Kraftganges des Linearantriebes (1; 101) eine Menge (18, 28; 18, 28, 218) der Flächen (18, 28; 18, 28, 218) oder der Gruppen von Flächen fluidisch mit den Druckmittelquellen verbindbar ist, deren Flächeninhalt größer ist als der einer anderen Menge (18; 18, 218) der Flächen (18, 28; 18, 28, 218) oder Gruppen von Flächen, die über die Ventileinrichtung (40, 140) zur Ausbildung eines Eilganges des Linearantriebes (1; 101) fluidisch mit den Druckmittelquellen (36, 136) verbindbar ist.
Linearantrieb nach Anspruch 1, wobei die Flächen (18, 28; 18, 28, 218) oder Gruppen von Flächen an Kolben (12, 22; 12, 22, 212) von in Antriebsrichtung wirksamen Hydrozylindern (2, 4; 2, 4, 202) verteilt angeordnet oder an einem oder mehreren Kolben eines in Antriebsrichtung wirksamen Eilgangzylinders angeordnet sind.
Linearantrieb nach Anspruch 2, wobei an den Kolben (12, 22; 12, 22, 212) jeweils eine der Fläche (18, 28; 18, 28, 218) entgegenwirkende Gegenfläche (20, 30; 20, 30, 230), insbesondere mit gleich großem, hydrostatisch wirksamem Flächeninhalt, angeordnet ist.
Linearantrieb nach Anspruch 3, wobei die Fläche (18, 28; 18, 28, 218) und ihre Gegenfläche (20, 30; 20, 30, 230) in geschlossenem hydraulischem Kreis mit wenigstens einer der Druckmittelquellen und wenigstens einer Druckmittelsenke des Linearantriebes (1; 101) anordenbar, insbesondere angeordnet sind.
Linearantrieb nach eine der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Paar aus einer der Druckmittelquellen und einer Druckmittelsenke des Linearantriebes (1; 101) jeweils von einer Hydromaschine (36, 136) gebildet ist.
Linearantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem ersten Druckmittelströmungspfad (32), über den die Flächen (18, 28; 18, 28, 218) oder Gruppen von Flächen und erste Arbeitsanschlüsse (31, 131) der Druckmittelquellen (36, 136) fluidisch verbindbar sind.
Linearantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem zweiten Druckmittelströmungspfad (34), über den die Gegenflächen (20, 30; 20, 30, 230) oder Gruppen von Gegenflächen und zweite Arbeitsanschlüsse (33, 133) der Druckmittelquellen (36, 136) fluidisch verbindbar sind.
Linearantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ventileinrichtung eine erste Ventilanordnung (40) hat, über die eine Teilmenge (28) der Flächen oder der Gruppen von Flächen zur Ausbildung des Eilganges fluidisch von den Druckmittelquellen (36, 136) trennbar ist und zur Ausbildung des Kraftganges fluidisch mit wenigstens einer (36) der Druckmittelquellen (36, 136) verbindbar ist.
Linearantrieb nach Anspruch 8, wobei eine Ergänzungsmenge (18; 18, 218) der Teilmenge (28) dauerhaft und /oder unabhängig von einem Gang des Linearantriebes (1; 101) fluidisch mit wenigstens einer (136) der Druckmittelquellen (36, 136) verbunden ist.
Linearantrieb zumindest nach Anspruch 9, wobei zur Ausbildung des Kraftganges (K) wenigstens eine (36) der wenigstens zwei Druckmittelquellen (36, 136) fluidisch mit der Teilmenge (28) und wenigstens eine zweite (136) der wenigstens zwei Druckmittelquellen (36, 136) fluidisch mit der Ergänzungsmenge (18; 18, 218) verbunden ist, oder wobei zur Ausbildung des Kraftganges die wenigstens zwei Druckmittelquellen mit allen Flächen oder Gruppen von Flächen fluidisch verbunden sind.
Linearantrieb zumindest nach Anspruch 6 und 7, wobei die Ventileinrichtung (40, 140) eine zweite Ventilanordnung (140) hat, über die die ersten Arbeitsanschlüsse (31, 131) fluidisch voneinander trennbar und fluidisch miteinander verbindbar sind, und über die die zweiten Arbeitsanschlüsse (33, 133) fluidisch voneinander trennbar und fluidisch miteinander verbindbar sind.
Linearantrieb zumindest nach Anspruch 3 und 8 mit einem Bypassventil (46), über das im Eilgang eine Fläche (28) der Teilmenge mit ihrer Gegenfläche (30) zur Ausbildung eines Bypassvolumenstromes fluidisch verbindbar ist.
Linearantrieb zumindest nach Anspruch 2, wobei die Flächen (18, 28; 18, 28, 218) oder Gruppen von Flächen derart bemessen und derart quer zur Arbeitsrichtung des Linearantriebes (1; 101) versetzt angeordnet sind, dass Kippmomente der Kolben (12, 22; 12, 22, 212) minimiert oder null sind.
Linearantrieb nach Anspruch 13 mit einer dritten hydrostatisch wirksamen Fläche (218) oder Gruppe von Flächen, zur Wandlung hydrostatischer Energie in Antriebsenergie, die derart quer zur Antriebsrichtung des Linearantriebes (1; 101) versetzt angeordnet sind, dass die Kippmomente der Kolben (12, 22; 12, 22, 212) minimiert oder null sind.
Linearantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Kolbenstangen (6, 8) der Kolben (12, 22; 12, 22, 212) über eine sich quer zur Arbeitsrichtung erstreckende Traverse (10) des Linearantriebes (1; 101) verbindbar, insbesondere verbunden sind.