DE102022127671A1 - Actuator system with oscillating stroke movement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System umfassend einen Hydraulikzylinder mit einem verschiebbar gelagerten Kolben, eine Hydraulikpumpe, mittels welcher der Kolben mit Druck beaufschlagbar ist, und eine Antriebseinheit, mittels welcher die Hydraulikpumpe antreibbar ist. Erfindungsgemäß umfasst das System ein Rückstellelement, welches entgegen dem durch die Hydraulikpumpe erzeugten Druck auf den Kolben wirkt und so ausgebildet ist, dass bei einem Betrieb der Hydraulikpumpe der Kolben eine oszillierende Hubbewegung ausführt. Die Erfindung betrifft ferner einen Hydraulikzylinder eines solchen Systems sowie jeweils ein Arbeitsgerät und einen Teststand mit einem solchen System.The invention relates to a system comprising a hydraulic cylinder with a displaceably mounted piston, a hydraulic pump, by means of which the piston can be subjected to pressure, and a drive unit, by means of which the hydraulic pump can be driven. According to the invention, the system comprises a return element which acts on the piston against the pressure generated by the hydraulic pump and is designed such that when the hydraulic pump is operated, the piston executes an oscillating stroke movement. The invention further relates to a hydraulic cylinder of such a system, as well as a working device and a test bench with such a system.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a system according to the preamble of claim 1.

Aktuatoren, die oszillierende Bewegungen ausführen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sollen dabei vergleichsweise kurze Hubbewegungen von einigen Hundertstel Millimetern oder Zentimetern bei hohen Frequenzen im zwei- oder dreistelligen Hz-Bereich ausgeführt werden, lässt sich dies über hydromechanische Antriebe wie beispielsweise einen Exzenterantrieb erreichen. Diese sind jedoch nicht nur äußerst verschleißanfällig, sondern ermöglichen zudem in der Regel nur eine Variation der Frequenz der Hubbewegung. Für viele Anwendungen wäre es aber wünschenswert, neben der Frequenz auch die Amplitude der Hubbewegung des Aktuators im Betrieb variieren zu können.Actuators that perform oscillating movements are known from the state of the art. If relatively short stroke movements of a few hundredths of a millimeter or centimeter are to be carried out at high frequencies in the two or three-digit Hz range, this can be achieved using hydromechanical drives such as an eccentric drive. However, these are not only extremely susceptible to wear, but also generally only allow a variation in the frequency of the stroke movement. For many applications, however, it would be desirable to be able to vary not only the frequency but also the amplitude of the stroke movement of the actuator during operation.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verschleißarmen Aktuator mit einer oszillierenden Hubbewegung bereitzustellen, dessen Amplitude und Frequenz im Betrieb eingestellt werden kann.Against this background, the object of the present invention is to provide a low-wear actuator with an oscillating stroke movement, the amplitude and frequency of which can be adjusted during operation.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, this object is achieved by a system having the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims and the following description.

Demnach wird ein System vorgeschlagen, welches einen Hydraulikzylinder mit einem verschiebbar gelagerten Kolben, eine Hydraulikpumpe und eine Antriebseinheit umfasst. Die Antriebseinheit treibt die Hydraulikpumpe an, welche wiederum den Hydraulikzylinder antreibt bzw. dessen Kolben mit Druck beaufschlagt.Accordingly, a system is proposed which comprises a hydraulic cylinder with a displaceably mounted piston, a hydraulic pump and a drive unit. The drive unit drives the hydraulic pump, which in turn drives the hydraulic cylinder or applies pressure to its piston.

Erfindungsgemäß umfasst das System ein Rückstellelement, welches entgegen dem durch die Hydraulikpumpe erzeugten Druck auf den Kolben wirkt und so ausgebildet ist, dass der Kolben eine oszillierende Hubbewegung ausführt, wenn dieser durch die Hydraulikpumpe angetrieben wird.According to the invention, the system comprises a return element which acts on the piston counter to the pressure generated by the hydraulic pump and is designed such that the piston executes an oscillating stroke movement when it is driven by the hydraulic pump.

Die Hubbewegung des Kolbens arbeitet dabei gegen das Rückstellelement, welches die Bewegungsenergie des Kolbenhubs speichert. Durch anschließende Abgabe dieser gespeicherten Energie wird ein Rückhub des Kolbens erzeugt, welcher den Kolben wieder in seine Ausgangsstellung zurückbewegt. Eine erneute Druckbeaufschlagung des Kolbens führt wieder zu einer Auslenkung bzw. einer Hubbewegung des Kolbens und zu einer Spannung des Rückstellelements. Durch dieses Wechselspiel von Druckbeaufschlagung durch die Hydraulikpumpe und Energieabgabe durch das Rückstellelement ergibt sich eine oszillierende Hubbewegung des Kolbens des Hydraulikzylinders, d.h. des Aktuators.The piston's stroke movement works against the return element, which stores the kinetic energy of the piston stroke. The subsequent release of this stored energy creates a return stroke of the piston, which moves the piston back to its original position. Applying pressure to the piston again leads to a deflection or stroke movement of the piston and to tensioning of the return element. This interplay of pressure application by the hydraulic pump and energy release by the return element results in an oscillating stroke movement of the piston of the hydraulic cylinder, i.e. the actuator.

Durch die Verwendung eines Rückstellelements muss die oszillierende Bewegung nicht durch eine aktive hydraulische Rückführung erzeugt werden, d.h. der Rückhub wird insbesondere ohne Zufuhr von Hydrauliköl realisiert. Dadurch kann der Aktuator mit einem geringen Hydraulikölvolumen betrieben werden. Gegenüber einem Exzenterantrieb ist die Verwendung eines Hydraulikzylinders vergleichsweise verschleißarm. Ferner ermöglicht ein Hydraulikzylinder Hublängen von mehreren Hundertstel Millimetern bis Zentimetern.By using a return element, the oscillating movement does not have to be generated by an active hydraulic return, i.e. the return stroke is realized without the supply of hydraulic oil. This means that the actuator can be operated with a small volume of hydraulic oil. Compared to an eccentric drive, the use of a hydraulic cylinder is comparatively low in wear. Furthermore, a hydraulic cylinder enables stroke lengths of several hundredths of a millimeter to centimeters.

Schließlich ermöglicht die Ansteuerung des Hydraulikzylinders über die angetriebene Hydraulikpumpe eine Variation von Frequenz und Amplitude der Hubbewegung. Finally, the control of the hydraulic cylinder via the driven hydraulic pump enables a variation of the frequency and amplitude of the lifting movement.

Dazu müssen lediglich die Parameter der Hydraulikpumpe und/oder der Antriebseinheit angepasst werden, was bei entsprechender Auslegung ohne Weiteres im Betrieb möglich ist.All that is required is to adjust the parameters of the hydraulic pump and/or the drive unit, which is easily possible during operation if the design is appropriate.

In einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Hydraulikzylinder ein Zylindergehäuse umfasst und das Rückstellelement in oder an dem Zylindergehäuse angeordnet ist. Dadurch ergibt sich ein kompakter Aufbau des Aktuators, wobei die erfindungsgemäße Wirkung natürlich auch dadurch erzeugt werden könnte, dass ein externes Rückstellelement außerhalb des Hydraulikzylinders angeordnet ist und beispielsweise auf eine aus dem Zylindergehäuse ragende, mit dem Kolben verbundene Kolbenstange einwirkt.In one possible embodiment, the hydraulic cylinder comprises a cylinder housing and the return element is arranged in or on the cylinder housing. This results in a compact design of the actuator, whereby the effect according to the invention could of course also be produced by arranging an external return element outside the hydraulic cylinder and acting, for example, on a piston rod protruding from the cylinder housing and connected to the piston.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Rückstellelement ein vorgespanntes Gasvolumen umfasst. Durch Verschiebung des Kolbens wird das Gas komprimiert, wodurch Energie gespeichert wird. Durch anschließende Expansion des Gases wird diese Hubenergie wieder abgegeben, wodurch der Kolben in die umgekehrte Richtung verschoben wird.In another possible embodiment, the return element comprises a pre-stressed gas volume. By moving the piston, the gas is compressed, thereby storing energy. By subsequently expanding the gas, this stroke energy is released again, whereby the piston is moved in the opposite direction.

Das Gas kann sich innerhalb eines Zylindergehäuses des Hydraulikzylinders befinden, insbesondere in einer zweiten Zylinderkammer, die durch den Kolben von einer mit einem Hydraulikfluid gefüllten und durch die Hydraulikpumpe mit Druck beaufschlagbaren ersten Zylinderkammer abgetrennt ist. Alternativ oder zusätzlich kann sich vorgespanntes Gas in einem Gasspeicher befinden, welcher vorzugsweise mit der genannten zweiten Zylinderkammer des Zylindergehäuses in Verbindung steht.The gas can be located within a cylinder housing of the hydraulic cylinder, in particular in a second cylinder chamber which is separated by the piston from a first cylinder chamber filled with a hydraulic fluid and pressurized by the hydraulic pump. Alternatively or additionally, pre-pressurized gas can be located in a gas reservoir which is preferably connected to said second cylinder chamber of the cylinder housing.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Rückstellelement eine Feder umfasst, welche vorzugsweise auf den Kolben oder auf eine mit dem Kolben verbundene Kolbenstange wirkt. Bevorzugt umfasst der Hydraulikzylinder ein Zylindergehäuse, in welchem die Feder derart angeordnet ist, dass sie entweder direkt auf den Kolben oder auf die genannte Kolbenstange einwirkt. Die Feder kann beispielsweise als Blattfeder oder Spiraltellerfeder ausgebildet sein. Es können mehrere Federn vorgesehen sein.In a further possible embodiment, it is provided that the return element comprises a spring, which is preferably on the Piston or on a piston rod connected to the piston. The hydraulic cylinder preferably comprises a cylinder housing in which the spring is arranged such that it acts either directly on the piston or on the said piston rod. The spring can be designed, for example, as a leaf spring or spiral disc spring. Several springs can be provided.

Das Rückstellelement kann eine Kombination aus Feder(n) und vorgespanntem Gasvolumen umfassen.The return element may comprise a combination of spring(s) and pre-loaded gas volume.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Hydraulikpumpe ein verstellbares Fördervolumen aufweist, wobei durch Veränderung des Fördervolumens die Amplitude der Hubbewegung des Kolbens einstellbar ist. Dadurch lässt sich auf unkomplizierte Weise ein Aktuator mit einem während des Betriebs stufenlos verstellbaren Hub realisieren.In another possible embodiment, the hydraulic pump has an adjustable delivery volume, whereby the amplitude of the stroke movement of the piston can be adjusted by changing the delivery volume. This makes it easy to create an actuator with a stroke that can be continuously adjusted during operation.

Vorzugsweise ist die Hydraulikpumpe als Axialkolbenpumpe ausgebildet, insbesondere als Schrägachsen- oder Schrägscheibenmaschine. Eine solche Axialkolbenpumpe erzeugt zudem eine pulsierende Druckbeaufschlagung, wobei die Drehzahl der Schwenkscheibe bzw. der Pumpenwelle sowie die Anzahl der Kolben die Anzahl der Druckpulse pro Zeiteinheit bestimmt.The hydraulic pump is preferably designed as an axial piston pump, in particular as a bent axis or swash plate machine. Such an axial piston pump also generates a pulsating pressure, whereby the speed of the swash plate or the pump shaft and the number of pistons determine the number of pressure pulses per unit of time.

Die Pumpe und das Rückstellelement sind dabei bevorzugt so ausgelegt, dass der Kolben bei einem Druckpuls entgegen der Rückstellkraft bewegt wird (Hub) und zwischen zwei Pulsen der Kolben durch das Rückstellelement wieder in die Ausgangsposition zurückbewegt wird (Rückhub).The pump and the return element are preferably designed in such a way that the piston is moved against the return force during a pressure pulse (stroke) and between two pulses the piston is moved back to its starting position by the return element (return stroke).

Dadurch ergibt sich ein oszillierender Bewegungsvorgang des Kolbens ganz automatisch durch den Betrieb der Hydraulikpumpe. Es muss keine komplizierte aktive Steuerung zur Erzeugung der Hin- und Rückbewegungen vorgesehen werden.This results in an oscillating movement of the piston completely automatically through the operation of the hydraulic pump. No complicated active control is required to generate the back and forth movements.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Antriebseinheit einen Hydraulikmotor und/oder einen Elektromotor umfasst.In a further possible embodiment, the drive unit comprises a hydraulic motor and/or an electric motor.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Antriebseinheit und die Hydraulikpumpe derart ausgebildet sind, dass eine Drehzahl der Antriebseinheit die Frequenz der oszillierenden Hubbewegung des Kolbens bestimmt. Insbesondere führt eine bestimmte Drehzahl der Antriebseinheit zu einer bestimmten Anzahl von Druckpulsen durch die Hydraulikpumpe, welche pro Zeiteinheit auf den Kolben des Hydraulikzylinders wirken. Durch Veränderung der Drehzahl der Antriebseinheit lässt sich so während des Betriebs die Frequenz der Aktuatorhübe verändern, insbesondere kontinuierlich verändern.In a further possible embodiment, it is provided that the drive unit and the hydraulic pump are designed in such a way that a speed of the drive unit determines the frequency of the oscillating stroke movement of the piston. In particular, a certain speed of the drive unit leads to a certain number of pressure pulses through the hydraulic pump, which act on the piston of the hydraulic cylinder per unit of time. By changing the speed of the drive unit, the frequency of the actuator strokes can be changed during operation, in particular changed continuously.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das System ferner eine Steuereinheit umfasst, welche mit der Hydraulikpumpe, insbesondere mit einem Stellglied zum Verändern des Fördervolumens der Hydraulikpumpe, und/oder mit der Antriebseinheit verbunden ist. Die Steuereinheit ist dabei eingerichtet, das Fördervolumen der Hydraulikpumpe anhand einer gewünschten Amplitude der oszillierenden Hubbewegung des Kolbens und/oder eine Drehzahl der Antriebseinheit anhand einer gewünschten Frequenz der oszillierenden Hubbewegung des Kolbens zu variieren. Hierzu sind die Hydraulikpumpe (bzw. das genannte Stellglied) und die Antriebseinheit elektrisch durch die Steuereinheit ansteuerbar.In a further possible embodiment, the system further comprises a control unit which is connected to the hydraulic pump, in particular to an actuator for changing the delivery volume of the hydraulic pump, and/or to the drive unit. The control unit is designed to vary the delivery volume of the hydraulic pump based on a desired amplitude of the oscillating stroke movement of the piston and/or a speed of the drive unit based on a desired frequency of the oscillating stroke movement of the piston. For this purpose, the hydraulic pump (or the actuator mentioned) and the drive unit can be controlled electrically by the control unit.

Vorzugsweise ist die Steuereinheit mit einer Eingabeeinheit verbunden, über die eine gewünschte Amplitude und/oder Frequenz der oszillierenden Hubbewegung des Kolbens als Soll-Vorgabe einstellbar ist. Dadurch kann die Weglänge bzw. Frequenz der Hubbewegung des Aktuators unkompliziert während des Betriebs durch den Bediener geändert werden. Die Eingabeeinheit kann sich in einem Teststand oder in einer Arbeitsmaschine wie beispielsweise einem Bohrgerät oder einer Ramme befinden.Preferably, the control unit is connected to an input unit via which a desired amplitude and/or frequency of the oscillating stroke movement of the piston can be set as a target specification. This allows the operator to easily change the path length or frequency of the stroke movement of the actuator during operation. The input unit can be located in a test stand or in a working machine such as a drilling rig or a ram.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das System ferner mindestens einen mit der Steuereinheit verbundenen Sensor zur Erfassung einer Amplitude und/oder Frequenz der oszillierenden Hubbewegung des Kolbens umfasst. Dadurch lässt sich eine Regelung der Amplitude und/oder Frequenz der Hubbewegung realisieren, bei der die Steuereinheit den oder die gemessenen Ist-Werte der Amplitude und/oder der Frequenz mit entsprechenden Soll-Vorgaben abgleicht und die Antriebseinheit und/oder die Hydraulikpumpe entsprechend regelt.In a further possible embodiment, the system further comprises at least one sensor connected to the control unit for detecting an amplitude and/or frequency of the oscillating stroke movement of the piston. This makes it possible to control the amplitude and/or frequency of the stroke movement, in which the control unit compares the measured actual value(s) of the amplitude and/or frequency with corresponding target specifications and controls the drive unit and/or the hydraulic pump accordingly.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Hydraulikpumpe derart ausgebildet und mit dem Hydraulikzylinder verbunden ist, dass ein kontinuierlicher Antrieb durch die Antriebseinheit eine pulsierende Druckbeaufschlagung des Kolbens erzeugt. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass als Hydraulikpumpe eine Axialkolbenpumpe verwendet wird. Die Kolben der Axialkolbenpumpe erzeugen dabei die zeitlich versetzten Druckpulse, welche wiederum zu den Hüben des Kolbens des Hydraulikzylinders führen.In a further possible embodiment, the hydraulic pump is designed and connected to the hydraulic cylinder in such a way that a continuous drive by the drive unit generates a pulsating pressure load on the piston. This can be achieved, for example, by using an axial piston pump as the hydraulic pump. The pistons of the axial piston pump generate the time-shifted pressure pulses, which in turn lead to the strokes of the piston of the hydraulic cylinder.

Die Erfindung betrifft ferner einen Hydraulikzylinder für ein erfindungsgemäßes System. Dabei umfasst der Hydraulikzylinder des Systems vorzugsweise ein Zylindergehäuse, wobei das Rückstellelement in oder an dem Zylindergehäuse angeordnet ist, wie oben beschrieben. Dabei ergeben sich offensichtlich dieselben Vorteile und Eigenschaften wie für das erfindungsgemäße System, weshalb an dieser Stelle auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird. Die obigen Ausführungen hinsichtlich der möglichen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems in Bezug auf den Hydraulikzylinder gelten daher entsprechend.The invention further relates to a hydraulic cylinder for a system according to the invention. The hydraulic cylinder of the system preferably comprises a cylinder housing, wherein the return element ment is arranged in or on the cylinder housing, as described above. This obviously results in the same advantages and properties as for the system according to the invention, which is why a repeated description is omitted at this point. The above statements regarding the possible embodiments of the system according to the invention with regard to the hydraulic cylinder therefore apply accordingly.

Um den Hydraulikzylinder geregelt fahren und einstellen zu können, kann dieser ein Wegmesssystem mit mindestens einem Sensor umfassen, welcher insbesondere eine Ausschublänge des Hydraulikzylinders erfasst. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass mittels eines Sensors (bei dem es sich um den vorgenannten Sensor oder einen eigenen Sensor handeln kann) die Position und/oder Vorspannung des Rückstellelements eingestellt werden kann.In order to be able to move and adjust the hydraulic cylinder in a controlled manner, it can comprise a position measuring system with at least one sensor, which in particular detects an extension length of the hydraulic cylinder. Alternatively or additionally, it can be provided that the position and/or preload of the return element can be adjusted by means of a sensor (which can be the aforementioned sensor or a separate sensor).

Die Erfindung betrifft ferner ein Arbeitsgerät mit einem erfindungsgemäßen System. Bei dem Arbeitsgerät kann es sich um ein mobiles Bohr- oder Rammgerät handeln.The invention further relates to a working device with a system according to the invention. The working device can be a mobile drilling or piling device.

Der oszillierende Hydraulikzylinder des erfindungsgemäßen Systems kann beispielsweise als Resonator in einem Rammgerät eingesetzt werden, um gezielt Frequenzen (beispielsweise im Bereich von 20 - 200 Hz) zu erzeugen und auf das in den Boden einzubringende Rammgut zu übertragen. Im Gegensatz zu den üblichen Erregerzellen mit exzentrisch bewegten Massen kann dadurch Rammgut effektiv in den Boden eingebracht werden, ohne dass in der Umgebung potenziell schädliche oder störende Vibrationen auftreten. Durch die Möglichkeit, die Frequenz des schnell oszillierenden Hydraulikzylinders anzupassen, lässt sich der Resonator beispielsweise auf die Eigenfrequenz des Rammguts einstellen.The oscillating hydraulic cylinder of the system according to the invention can be used, for example, as a resonator in a pile driver to generate specific frequencies (for example in the range of 20 - 200 Hz) and to transmit them to the pile material to be inserted into the ground. In contrast to the usual excitation cells with eccentrically moving masses, pile material can be effectively inserted into the ground without potentially harmful or disruptive vibrations occurring in the environment. The ability to adjust the frequency of the rapidly oscillating hydraulic cylinder means that the resonator can be set to the natural frequency of the pile material, for example.

Die Erfindung betrifft ferner einen Teststand, insbesondere einen stationären Teststand, mit einem erfindungsgemäßen System. Bei dem Teststand kann es sich um einen Materialteststand bzw. einen Teststand zum Testen von Werkstoffen und/oder Bauteilen handeln. Bei dem Teststand kann es sich insbesondere um ein Resonanzprüfsystem handeln oder der Teststand kann ein solches umfassen, wobei das erfindungsgemäße System Teil des Resonanzprüfsytems ist. Hierbei kann der schnell oszillierende Hydraulikzylinder beispielsweise als Hochfrequenzpulsator zur gezielten Einleitung von axialen Belastungen, Biegebelastungen und/oder Torsionsbelastung in zu prüfende Bauteile eingesetzt werden. Durch die Möglichkeit, die Frequenz und/oder Amplitude des schnell oszillierenden Hydraulikzylinders anzupassen, lässt sich das Resonanzprüfsystem flexibel an die jeweilige Anwendung bzw. an das zu prüfende Bauteil anpassen.The invention further relates to a test bench, in particular a stationary test bench, with a system according to the invention. The test bench can be a material test bench or a test bench for testing materials and/or components. The test bench can in particular be a resonance testing system or the test bench can comprise such a system, with the system according to the invention being part of the resonance testing system. The rapidly oscillating hydraulic cylinder can be used, for example, as a high-frequency pulsator for the targeted introduction of axial loads, bending loads and/or torsional loads into components to be tested. The ability to adjust the frequency and/or amplitude of the rapidly oscillating hydraulic cylinder means that the resonance testing system can be flexibly adapted to the respective application or to the component to be tested.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Aktuators mit dem Rückstellelement bietet hierbei Vorteile hinsichtlich der Energieeffizienz und ist im Gegensatz zu aktuell verfügbaren elektrischen Prüfständen insbesondere für Prüfungen von schwereren Bauteilen (welche nun ein Gewicht von Kilogramm oder Tonnen anstelle von Gramm aufweisen können) geeignet.The use of the actuator according to the invention with the return element offers advantages in terms of energy efficiency and, in contrast to currently available electrical test benches, is particularly suitable for testing heavier components (which can now have a weight of kilograms or tons instead of grams).

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

  • 1: ein Hydraulikschema des erfindungsgemäßen Systems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
  • 2: ein Hydraulikschema des erfindungsgemäßen Systems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Further features, details and advantages of the invention emerge from the exemplary embodiments explained below with reference to the figures. They show:
  • 1 : a hydraulic diagram of the system according to the invention according to a first embodiment; and
  • 2 : a hydraulic diagram of the system according to the invention according to a second embodiment.

In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 10 anhand eines hydraulischen Schemas dargestellt. Das System 10 umfasst eine Kolben-Zylinder-Einheit bzw. einen Hydraulikzylinder 12 mit einem Zylindergehäuse 13 und einem darin verschiebbar gelagerten Kolben 14. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Hydraulikzylinder 12 als Differenzialzylinder ausgeführt, wobei der Kolben 14 auf einer Seite eine Kolbenstange 15 aufweist. Eine erste Zylinderkammer 18 befindet sich auf der Seite des Kolbens 14, die der Kolbenstange 15 gegenüberliegt. Auf der Seite der Kolbenstange 15 befindet sich eine zweite Zylinderkammer 19.In the 1 a first embodiment of the system 10 according to the invention is shown using a hydraulic diagram. The system 10 comprises a piston-cylinder unit or a hydraulic cylinder 12 with a cylinder housing 13 and a piston 14 slidably mounted therein. In the embodiment shown here, the hydraulic cylinder 12 is designed as a differential cylinder, with the piston 14 having a piston rod 15 on one side. A first cylinder chamber 18 is located on the side of the piston 14 that is opposite the piston rod 15. A second cylinder chamber 19 is located on the side of the piston rod 15.

Die erste Zylinderkammer 18 ist mit einer Hydraulikpumpe 16 verbunden, welche in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel als verstellbare Axialkolbenpumpe mit einer verschwenkbaren Schrägscheibe zur Variation des Schluck- bzw. Fördervolumens ausgebildet ist. Die Hydraulikpumpe 16 wird durch eine hier als Hydraulikmotor ausgebildete Antriebseinheit 17 angetrieben. Über die Hydraulikpumpe 16 wird ein Druck in der ersten Zylinderkammer 18 erzeugt und dadurch der Kolben 14 mit Druck beaufschlagt, sodass sich dieser im Zylindergehäuse 13 bewegt (Hub).The first cylinder chamber 18 is connected to a hydraulic pump 16, which in the embodiment shown here is designed as an adjustable axial piston pump with a pivoting swash plate for varying the absorption or delivery volume. The hydraulic pump 16 is driven by a drive unit 17, designed here as a hydraulic motor. A pressure is generated in the first cylinder chamber 18 via the hydraulic pump 16, thereby applying pressure to the piston 14 so that it moves in the cylinder housing 13 (stroke).

Zur Erzeugung einer oszillierenden Hubbewegung des Kolbens 14 umfasst der Hydraulikzylinder 12 ein Rückstellelement 20, welches in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine Feder 21 sowie ein vorgespanntes Gasvolumen 22 umfasst. Die Feder 21 ist in der zweiten Zylinderkammer 19 angeordnet und steht mit der Kolbenstange 15 in Kontakt, sodass sie eine Rückstellkraft auf den Kolben 14 ausübt, welche der durch die Hydraulikpumpe 16 erzeugten Kraft entgegenwirkt. Das Gas 22 übt bei einer Kompression aufgrund einer Hubbewegung des Kolbens 14 ebenfalls eine Rückstellkraft auf den Kolben 14 aus, welche diesen in Richtung der ersten Zylinderkammer 18 drücken möchte. Das Gas 22 befindet sich in der zweiten Zylinderkammer 19, wobei, so wie dies in der 1 dargestellt ist, zusätzlich ein Gasspeicher 23 vorgesehen sein kann, welcher mit der zweiten Zylinderkammer 19 verbunden ist. Dadurch, dass das Rückstellelement ölfrei arbeitet, wird der Energieverbrauch bzw. der Ölverbrauch auf ein Minimum reduziert.To generate an oscillating stroke movement of the piston 14, the hydraulic cylinder 12 comprises a return element 20, which in the embodiment shown here comprises a spring 21 and a pre-stressed gas volume 22. The spring 21 is arranged in the second cylinder chamber 19 and is in contact with the piston rod 15, so that it exerts a return force on the piston 14. which counteracts the force generated by the hydraulic pump 16. The gas 22 also exerts a restoring force on the piston 14 during compression due to a stroke movement of the piston 14, which tends to push it towards the first cylinder chamber 18. The gas 22 is located in the second cylinder chamber 19, whereby, as shown in the 1 is shown, a gas reservoir 23 can additionally be provided, which is connected to the second cylinder chamber 19. Because the return element works oil-free, the energy consumption or oil consumption is reduced to a minimum.

Zur Erzeugung der Rückstellkraft kann optional nur die Feder 21, nur das vorgespannte Gasvolumen 22 oder eine Kombination davon (wie dies in der 1 gezeigt ist) zum Einsatz kommen. Hierbei kann eine oder mehrere Federn 21 verwendet werden, die direkt oder indirekt auf die Kolbenstange 15 einwirken.To generate the restoring force, optionally only the spring 21, only the pre-stressed gas volume 22 or a combination thereof (as shown in the 1 shown). One or more springs 21 can be used here, which act directly or indirectly on the piston rod 15.

Bei einem Betrieb der Axialkolbenpumpe 16 erzeugen deren Kolben zeitlich versetzte Druckpulse in der ersten Zylinderkammer 18. Die Pumpe 16, der Hydraulikzylinder 12 und das Rückstellelement 20 sind nun so ausgelegt, dass diese Druckspitzen den Kolben 14 in Richtung der zweiten Zylinderkammer 19 bewegen (Hub). Zwischen den Druckspitzen sinkt der Druck in der ersten Zylinderkammer 18 ab, sodass der Kolben 14 aufgrund der Rückstellkraft des Rückstellelements 20 wieder in Richtung der ersten Zylinderkammer 18 bewegt wird (Rückhub). Beim darauffolgenden Druckpuls erfolgt wieder ein Hub des Kolbens 14 usw.When the axial piston pump 16 is operating, its pistons generate pressure pulses in the first cylinder chamber 18 at different times. The pump 16, the hydraulic cylinder 12 and the return element 20 are designed so that these pressure peaks move the piston 14 in the direction of the second cylinder chamber 19 (stroke). Between the pressure peaks, the pressure in the first cylinder chamber 18 drops, so that the piston 14 is moved back in the direction of the first cylinder chamber 18 due to the restoring force of the return element 20 (return stroke). With the subsequent pressure pulse, the piston 14 strokes again, and so on.

Dadurch ergibt sich eine oszillierende Hubbewegung des Kolbens 14 innerhalb des Zylindergehäuses 13. Die Frequenz dieser Hubbewegung hängt von der Drehzahl der Antriebseinheit 17 und von der Anzahl der Kolben der Axialkolbenpumpe 16 ab. Die Weglänge bzw. Amplitude der Hubbewegung hängt dagegen (neben der Dimensionierung und Auslegung von Hydraulikzylinder 12 und Rückstellelement 20) vom Schwenkwinkel der Axialkolbenpumpe 16 ab.This results in an oscillating stroke movement of the piston 14 within the cylinder housing 13. The frequency of this stroke movement depends on the speed of the drive unit 17 and on the number of pistons of the axial piston pump 16. The path length or amplitude of the stroke movement, however, depends (in addition to the dimensioning and design of the hydraulic cylinder 12 and the return element 20) on the swivel angle of the axial piston pump 16.

Die Kombination der baulichen Pumpenvorgabe und der verstellbaren Drehzahl der Antriebseinheit 17 bildet also die Frequenzvorgabe des Hydraulikzylinders 12, dessen Kolben 14 entsprechend mit Druck beaufschlagt wird.The combination of the structural pump specification and the adjustable speed of the drive unit 17 thus forms the frequency specification of the hydraulic cylinder 12, the piston 14 of which is pressurized accordingly.

Das erfindungsgemäße System ermöglicht eine einfache und flexible Anpassung der Hubparameter im laufenden Betrieb des Aktuators. So kann die Frequenz der oszillierenden Hubbewegung durch eine Veränderung der Drehzahl der Antriebseinheit 17 variiert werden. Die Amplitude der oszillierenden Hubbewegung (d.h. die Strecke, die der Kolben 14 bei einem Hub zurücklegt) kann über eine Verstellung der Hydraulikpumpe 16, d.h. in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel über den Schwenkwinkel der Schrägscheibe, verändert werden. Die Ansteuerung von Antriebseinheit 17 und Hydraulikpumpe 16 kann beispielsweise über eine Steuereinheit (nicht dargestellt) erfolgen.The system according to the invention enables simple and flexible adjustment of the stroke parameters during operation of the actuator. The frequency of the oscillating stroke movement can be varied by changing the speed of the drive unit 17. The amplitude of the oscillating stroke movement (i.e. the distance that the piston 14 travels during one stroke) can be changed by adjusting the hydraulic pump 16, i.e. in the embodiment shown here via the swivel angle of the swash plate. The drive unit 17 and hydraulic pump 16 can be controlled, for example, via a control unit (not shown).

Das erfindungsgemäße System kann so ausgelegt werden, dass hohe Frequenzen im zwei- oder dreistelligen Hz-Bereich erreicht werden können (beispielsweise ein Frequenzbereich von 20 - 200 Hz, wobei auch niedrigere und/oder höhere Frequenzen möglich sind). Amplituden bzw. Hübe von mehreren Hundertstel Millimetern, mehreren Millimetern oder gar Zentimetern sind mit dieser Ausgestaltung möglich. Als konkretes Zahlenbeispiel kann ein Hub von 8 mm bei einer Frequenz von 40 - 80 Hz genannt werden, wobei prinzipiell auch geringere oder längere Hübe bei anderen Frequenzen denkbar sind.The system according to the invention can be designed so that high frequencies in the two- or three-digit Hz range can be achieved (for example a frequency range of 20 - 200 Hz, although lower and/or higher frequencies are also possible). Amplitudes or strokes of several hundredths of a millimeter, several millimeters or even centimeters are possible with this design. A concrete numerical example is a stroke of 8 mm at a frequency of 40 - 80 Hz, although in principle smaller or longer strokes at other frequencies are also conceivable.

Die erste Zylinderkammer 18 ist über ein Ventil 30 mit einem Hydrauliktank 32 verbunden. Das Ventil 30 umfasst im hier gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Schaltstellungen (1. Schaltstellung: offen; 2. Schaltstellung: geschlossen über ein Rückschlagventil). Das Ventil 30 öffnet bei Überschreitung eines gewissen Grenzdrucks in der ersten Zylinderkammer 18 zum Tank 32 und entlastet die erste Zylinderkammer 18 somit bei einem Rückhub, sodass sich der Kolben 14 zurückbewegen kann und das Hydrauliköl aus der ersten Zylinderkammer 18 in den Tank 32 fließt. Bei dem gezeigten Ventil 30 handelt es sich nur um eine mögliche Ausführungsform. Hier sind selbstverständlich andere Ventile und Entlastungsvorrichtungen denkbar.The first cylinder chamber 18 is connected to a hydraulic tank 32 via a valve 30. In the embodiment shown here, the valve 30 has two switching positions (1st switching position: open; 2nd switching position: closed via a check valve). When a certain limit pressure in the first cylinder chamber 18 is exceeded, the valve 30 opens to the tank 32 and thus relieves the first cylinder chamber 18 during a return stroke so that the piston 14 can move back and the hydraulic oil flows from the first cylinder chamber 18 into the tank 32. The valve 30 shown is only one possible embodiment. Other valves and relief devices are of course conceivable here.

Optional kann das Hydrauliköl über einen Kühler 34 gekühlt werden, wie dies in der 1 angedeutet ist.Optionally, the hydraulic oil can be cooled by a cooler 34, as shown in the 1 is indicated.

Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 10. Der einzige Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist hierbei, dass die Hydraulikpumpe 12 nicht durch einen Hydraulikmotor 17, sondern durch einen Elektromotor 17 angetrieben wird. Die übrigen Komponenten entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1.The 2 shows a second embodiment of the system 10 according to the invention. The only difference from the first embodiment is that the hydraulic pump 12 is not driven by a hydraulic motor 17, but by an electric motor 17. The other components correspond to those of the first embodiment according to 1 .

Unabhängig vom konkreten Ausführungsbeispiel kann zur Erhöhung der Betriebsstunden das System aus Antriebseinheit 17, Hydraulikpumpe 16 und Hydraulikzylinder 12 auch unter Öl betrieben werden, d.h. diese Komponenten können innerhalb eines Ölbehälters bzw. Tanks montiert bzw. eingetaucht sein. Hierdurch wird der Wärmehaushalt des Systems 10 durch eine verbesserte Wärmeableitung positiv beeinflusst, da die entstehende Wärme direkt an das Öl im Behälter abgegeben werden kann.Regardless of the specific embodiment, the system comprising drive unit 17, hydraulic pump 16 and hydraulic cylinder 12 can also be operated under oil to increase the operating hours, i.e. these components can be mounted or immersed within an oil container or tank. This has a positive effect on the heat balance of the system 10 through improved heat dissipation, since the heat generated can be transferred directly to the oil in the container.

Bezugszeichenliste:List of reference symbols:

1010
Systemsystem
1212
HydraulikzylinderHydraulic cylinder
1313
ZylindergehäuseCylinder housing
1414
KolbenPistons
1515
KolbenstangePiston rod
1616
Hydraulikpumpehydraulic pump
1717
AntriebseinheitDrive unit
1818
Erste ZylinderkammerFirst cylinder chamber
1919
Zweite ZylinderkammerSecond cylinder chamber
2020
RückstellelementReset element
2121
FederFeather
2222
Vorgespanntes GasvolumenPre-stressed gas volume
2323
GasspeicherGas storage
3030
VentilValve
3232
HydrauliktankHydraulic tank
3434
Kühlercooler

Claims (13)

System (10) umfassend einen Hydraulikzylinder (12) mit einem verschiebbar gelagerten Kolben (14), eine Hydraulikpumpe (16), mittels welcher der Kolben (14) mit Druck beaufschlagbar ist, und eine Antriebseinheit (17), mittels welcher die Hydraulikpumpe (16) antreibbar ist, gekennzeichnet durch ein Rückstellelement (20), welches entgegen dem durch die Hydraulikpumpe (16) erzeugten Druck auf den Kolben (14) wirkt und so ausgebildet ist, dass bei einem Betrieb der Hydraulikpumpe (16) der Kolben (14) eine oszillierende Hubbewegung ausführt.System (10) comprising a hydraulic cylinder (12) with a displaceably mounted piston (14), a hydraulic pump (16), by means of which the piston (14) can be subjected to pressure, and a drive unit (17), by means of which the hydraulic pump (16) can be driven, characterized by a return element (20) which acts on the piston (14) counter to the pressure generated by the hydraulic pump (16) and is designed such that when the hydraulic pump (16) is operated, the piston (14) executes an oscillating stroke movement. System (10) nach Anspruch 1, wobei der Hydraulikzylinder ein Zylindergehäuse (13) umfasst und das Rückstellelement (20) in oder an dem Zylindergehäuse (13) angeordnet ist.System (10) according to Claim 1 , wherein the hydraulic cylinder comprises a cylinder housing (13) and the return element (20) is arranged in or on the cylinder housing (13). System (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Rückstellelement (20) ein vorgespanntes Gasvolumen (22) umfasst, welches sich vorzugsweise innerhalb eines Zylindergehäuses (13) des Hydraulikzylinders (12) und/oder in einem Gasspeicher (23) befindet.System (10) according to Claim 1 or 2 , wherein the return element (20) comprises a prestressed gas volume (22), which is preferably located within a cylinder housing (13) of the hydraulic cylinder (12) and/or in a gas reservoir (23). System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rückstellelement (20) eine Feder (21) umfasst, welche vorzugsweise auf den Kolben (14) oder auf eine mit dem Kolben (14) verbundene Kolbenstange (15) wirkt.System (10) according to one of the preceding claims, wherein the return element (20) comprises a spring (21) which preferably acts on the piston (14) or on a piston rod (15) connected to the piston (14). System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hydraulikpumpe (16) ein verstellbares Fördervolumen aufweist und insbesondere als Axialkolbenpumpe ausgebildet ist, wobei durch Veränderung des Fördervolumens die Amplitude der Hubbewegung des Kolbens (14) einstellbar ist.System (10) according to one of the preceding claims, wherein the hydraulic pump (16) has an adjustable delivery volume and is designed in particular as an axial piston pump, wherein the amplitude of the stroke movement of the piston (14) can be adjusted by changing the delivery volume. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebseinheit (17) einen Hydraulikmotor und/oder einen Elektromotor umfasst.System (10) according to one of the preceding claims, wherein the drive unit (17) comprises a hydraulic motor and/or an electric motor. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebseinheit (17) und die Hydraulikpumpe (16) derart ausgebildet sind, dass eine Drehzahl der Antriebseinheit (17) die Frequenz der oszillierenden Hubbewegung des Kolbens (14) bestimmt.System (10) according to one of the preceding claims, wherein the drive unit (17) and the hydraulic pump (16) are designed such that a rotational speed of the drive unit (17) determines the frequency of the oscillating stroke movement of the piston (14). System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Steuereinheit, welche mit einem Stellglied zum Verändern des Fördervolumens der Hydraulikpumpe (16) und/oder mit der Antriebseinheit (17) verbunden ist, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, das Fördervolumen der Hydraulikpumpe (16) anhand einer gewünschten Amplitude der oszillierenden Hubbewegung des Kolbens (14) und/oder eine Drehzahl der Antriebseinheit (17) anhand einer gewünschten Frequenz der oszillierenden Hubbewegung des Kolbens (14) zu variieren, wobei die Steuereinheit vorzugsweise mit einer Eingabeeinheit verbunden ist, über welche eine gewünschte Amplitude und/oder Frequenz der oszillierenden Hubbewegung des Kolbens (14) einstellbar ist.System (10) according to one of the preceding claims, further comprising a control unit which is connected to an actuator for changing the delivery volume of the hydraulic pump (16) and/or to the drive unit (17), wherein the control unit is configured to vary the delivery volume of the hydraulic pump (16) based on a desired amplitude of the oscillating stroke movement of the piston (14) and/or a rotational speed of the drive unit (17) based on a desired frequency of the oscillating stroke movement of the piston (14), wherein the control unit is preferably connected to an input unit via which a desired amplitude and/or frequency of the oscillating stroke movement of the piston (14) can be set. System (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend mindestens einen mit der Steuereinheit verbundenen Sensor zur Erfassung einer Amplitude und/oder Frequenz der oszillierenden Hubbewegung des Kolbens (14), wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die Amplitude und/oder Frequenz der oszillierenden Hubbewegung des Kolbens (14) anhand der Sensorsignale und der gewünschten Amplitude und/oder Frequenz zu regeln.System (10) according to the preceding claim, further comprising at least one sensor connected to the control unit for detecting an amplitude and/or frequency of the oscillating stroke movement of the piston (14), wherein the control unit is configured to regulate the amplitude and/or frequency of the oscillating stroke movement of the piston (14) based on the sensor signals and the desired amplitude and/or frequency. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hydraulikpumpe (16) derart ausgebildet und mit dem Hydraulikzylinder (12) verbunden ist, dass ein kontinuierlicher Antrieb durch die Antriebseinheit (17) eine pulsierende Druckbeaufschlagung des Kolbens (14) erzeugt.System (10) according to one of the preceding claims, wherein the hydraulic pump (16) is designed and connected to the hydraulic cylinder (12) such that a continuous drive by the drive unit (17) produces a pulsating pressurization of the piston (14). Hydraulikzylinder (12) für ein System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rückstellelement (20) an oder in einem Zylindergehäuse (13) des Hydraulikzylinders (12) angeordnet ist.Hydraulic cylinder (12) for a system according to one of the preceding claims, wherein the return element (20) is arranged on or in a cylinder housing (13) of the hydraulic cylinder (12). Arbeitsgerät, insbesondere mobiles Bohr- oder Rammgerät, mit einem System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.Working device, in particular mobile drilling or piling device, with a system (10) according to one of the Claims 1 until 10 . Teststand mit einem System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.Test bench with a system (10) according to one of the Claims 1 until 10 .
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