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Die
Erfindung betrifft eine Dämpfungseinrichtung
und ein Verfahren zur Dämpfung
von Unter- und/oder Überdruckstößen in Leitungen
von insbesondere hydraulischen Steuerungen für Arbeitszylinder, mit einem
mit der Leitung verbindbaren Zylinder, mit einem in dem Zylinder
verschiebbar gelagerten Kolben, wobei der Kolben den Zylinder in
einen mit der Leitung verbindbaren Hydraulikraum und in einen Gasdruckraum
unterteilt.
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Aus
dem Stand der Technik sind hydraulische Steuerungen 10 für Arbeitszylinder 12 bekannt, wie
sie in der 1 gezeigt
sind.
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Der
Arbeitszylinder 12 umfasst einen Arbeitskolben 14,
der zwischen seinen Endlagen 16 und 17 zur Führung beispielsweise
eines Stanz- oder Prägwerkzeuges
mit möglichst
hoher Frequenz bewegt wird. Zur Bewegung des Arbeitskolbens 14 werden
die Druckräume 18, 19 jeweils
abwechselnd mit Hydraulikflüssigkeit
druckbeaufschlagt.
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Die
hydraulische Steuerung 10 umfasst einen Tank 20 für Hydraulikflüssigkeit,
die über
eine Pumpe 22 und eine optionale Einrichtung zur Druckkonstanthaltung,
bestehend aus einem Membranspeicher 24, einem Rückschlagventil 26 und
einem Überdruckventil 28,
Arbeitsdruck an einer Druckleitung 30 zur Verfügung stellt. Über ein
Steuerventil 32, das als 3- oder 4-Wege-Ventil ausgebildet sein kann, werden
die beiden Hydraulikdruckräume 18, 19 wechselseitig
druckbeaufschlagt. Das Steuerventil 32 wird über ein
Steuergerät 34 angesteuert.
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Die
Steuerung 10 umfasst außerdem eine Tankleitung 36 zur
Rückführung der
verbrauchten Hydraulikflüssigkeit
in den Tank 20.
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In
der 2 ist der Weg s/Zeit
t-Verlauf des Arbeitskolbens 14 als Linie 38 gezeigt.
Zum Zeitpunkt t0 befindet sich der Arbeitskolben 14 in
seiner oberen Endlage. Im Zeitpunkt t1 ist
er in der unteren Endlage und im Zeitpunkt t2 wieder
in der oberen Endlage.
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2 zeigt außerdem den
Druckverlauf 40 in der Tankleitung 36. Während der
Abwärtsfahrt
des Arbeitskolbens 14 zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 wird die
Hydraulikflüssigkeit
aus dem Hydraulikdruckraum 19 über die Tankleitung 36 zum
Tank 20 gefördert.
Während
einer Änderung
der Geschwindigkeit des Kolbens 14 treten in der Tankleitung 36 Überdruckstöße 42 und
Unterdruckstöße 44 auf. Derartige
Druckstöße belasten
die Tankleitung sowie in der Tankleitung vorhandene Elemente, wie
beispielsweise Ölkühler, Filter
und erzeugen außerdem störende Geräusche.
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Zur
Dämpfung
derartiger Druckstöße ist es gemäß 1 bekannt, eine Dämpfungseinrichtung 46 in
der Tankleitung 36 vorzusehen. Die bekannte Dämpfungseinrichtung 46 weist
einen mit der Tankleitung 36 verbundenen Zylinder 48 auf,
in dem ein verschiebbar gelagerter Kolben 50 angeordnet
ist. Der Kolben 50 unterteilt den Zylinder 48 in
einen mit der Tankleitung 36 verbundenen Hydraulikdruckraum 52 und
einen zur Atmosphäre
hin offenen Gasdruckraum 54. Die bekannte Dämpfungseinrichtung 46 sieht
ferner zwei Federelemente 56 vor, die den Kolben in einer
mittleren Lage druckbeaufschlagt einspannen. Bei Auftreten eines Überdruckstoßes in der Tankleitung 36 füllt sich
der Hydraulikdruckraum 52 gegen die Federkraft des im Gasdruckraum 54 angeordneten
Federelements 56 und der Kolben 50 wandert nach
oben. Nach Abfallen des Überdrucks
wird aufgrund der Federkraft die Hydraulikflüssigkeit aus dem Hydraulikdruckraum 52 in
die Tankleitung 36 herausgedrückt.
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Entsprechend
wird bei einem Unterdruckstoß die
im Hydraulikdruckraum 52 gespeicherte Hydraulikflüssigkeit
in die Tankleitung 36 abgegeben und der Kolben 50 nach
unten bewegt.
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Nach
Abfallen des Unterdruckstoßes
wird der Kolben 50 aufgrund der Federkraft der Federelemente 56 wieder
in seine mittige Lage bewegt.
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Die
bekannte Dämpfungseinrichtung 46 zur Dämpfung von
Unter- und/oder Überdruckstößen hat allerdings
den Nachteil, dass sie ein sehr begrenztes Schluckvolumen aufweist.
Die beiden Federn 56 benötigen einen entsprechenden
Bauraum, wodurch die Hublänge
des Kolbens 50 sehr eingeschränkt ist. Ferner weisen die
Federelemente 56 eine nicht veränderbare Federkonstante auf,
die in der Regel auf mittlere Unter- und/oder Überdruckstöße ausgelegt ist.
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Aus
der
DE 196 08 582
A1 ist eine tankleitungsseitige Dämpfungseinrichtung bekannt
geworden, bei der zur Beaufschlagung des Kolbens der Dämpfungseinrichtung
keine Federelemente vorgesehen sind. Die der Tankleitung abgewandte
Kolbenseite ist als Gasdruckraum ausgebildet, der über ein zu
ihm hin öffnendes
Rückschlagventil
mit einem Gasreservoir verbunden ist. Der vorgespannte Gasdruckraum übernimmt
dabei die Funktion des Federelements
56 gemäß
1. Der Druckverlauf einer solchen
Dämpfungseinrichtung
entspricht im wesentlichem dem Druckverlauf gemäß
2.
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Aus
der
US 2,592,613 ist
eine adaptive Dämpfungseinrichtung
bekannt geworden, die zwei parallel geschaltete Ausgleichkolben
vorsieht. Dadurch werden auftretende Druckverhältnisse ausgemittelt.
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Die
bekannten Dämpfungseinrichtung
haben insbesondere den Nachteil, dass eine optimale Reaktion auf
unterschiedlich hohe Spannungsspitzen nicht individuell angepasst
erfolgen kann.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dämpfungseinrichtung
für insbesondere
eine hydraulische Steuerung gemäß 1 vorzuschlagen, die eine
verbesserte Dämpfung
von Unter- und/oder Überdruckstößen ermöglicht.
Die Dämpfungsvonrichtung
soll insbesondere sehr kompakt bauen und dennoch ein möglichst
großes Schluckvolumen
aufweisen. Ferner soll eine möglichst
optimale Dämpfung
auch von verschieden großen
Unter- und/oder Überdruckstößen, also
von auftretenden Spannungsspitzen, gewährleistet sein.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Dämpfungseinrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Das
Messsystem dient zur Erfassung der Position des Kolbens, zur Erfassung
der Geschwindigkeit des Kolbens und/oder zur Erfassung des Gasdrucks
im Gasdruckraum. Das Messsystem teilt dem Steuergerät mit, wann
der Gasdruckraum mit Gasüberdruck
zu beaufschlagen ist. Die Ausgangsgröße des Messsystems dient folglich
als Eingangsgröße des Steuergeräts, welches
die Ventilanordnung dann zur Erzeugung des Gegendrucks bzw. einer
Gegenkraft entsprechend ansteuert.
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Erfindungsgemäß wird vorteilhafterweise
erreicht, dass je nach Größe des auftretenden Überdruckstoßes eine
entsprechende Gegenkraft durch Aufbringung des Gasüberdrucks
im Gasdruckraum erzeugt werden kann. Überdruckstöße können dadurch folglich optimal
gedämpft
werden. Bei sehr hohen Druckstößen, die
den Kolben relativ schnell nahe seiner Endlage bringen, beziehungsweise
die einen relativ hohen Gasdruck im Gasdruckraum zur Folge haben,
wird zur Dämpfung
des Überdrucks
der Gasdruckraum mit entsprechendem Gasüberdruck druckbeaufschlagt.
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Das
Messsystem zur Erfassung der Position des Kolbens und/oder der Geschwindigkeit
der Bewegung des Kolbens weist insbesondere am und/oder im Kolben
angeordnete Signalgeber und zylinderseitig angeordnete Signalempfänger auf.
Als Signalgeber kommen insbesondere Magnete und als Signalempfänger Magnetfeldsensoren
in Betracht. Je nach Anzahl der Signalempfänger kann aus der zeitlichen
Betrachtung der Positionsänderung
des Kolbens die Kolbengeschwindigkeit bestimmt werden. Erfindungsgemäß kann allerdings
ausreichend sein, nur wenige Signalempfänger, insbesondere einen Signalempfänger an
einer oberen Grenzposition, einen Signalempfänger an einer mittleren Position und
einen Signalempfänger
an einer unteren Grenzposition des Kolbens vorzusehen. Bei Erreichen
der oberen Grenzposition wird der Gasdruckraum mit Gasüberdruck
beaufschlagt; bei Erreichen der mittleren Position wird der Gasdruckraum
verschlossen.
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Vorteilhafterweise
kann in Abhängigkeit
der Position des Kolbens und/oder in Abhängigkeit des Gasdrucks im Gasdruckraum
den Gasdruckraum drucklos geschalten oder verschlossen sein. Ein Drucklosschalten
des Gasdruckdruckraums ist dann vorteilhaft, wenn der Überdruckstoß abklingt.
Dadurch wird der Kolben wieder in seine Ausgangsposition bewegt.
Insbesondere bei Auftreten von Unterdruckstößen wird der Gasdruckraum vorteilhafterweise
verschlossen, wodurch im Gasdruckraum ein den Unterdruckstoß dämpfender
Unterdruck entsteht.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuergerät zur Einstellung
der Position des Kolbens in Abhängigkeit
von zu erwartenden Betriebszuständen
geeignet ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass
mit einem Arbeitszyklus des Arbeitskolbens charakteristische Unter-
und Überdruckstöße auftreten,
wie sie beispielsweise in der 2 gezeigt
sind.
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Bei
Durchlaufen mehrerer Arbeitszyklen treten diese ` Druckstöße wiederholt
auf. Je nach zu erwartenden Betriebszuständen beziehungsweise je nach
zu erwartenden Druckstößen kann
es vorteilhaft sein, wenn die Ausgangslage des Kolbens nicht die
Mittellage, sondern eine zur Mittellage beabstandete Ausgangslage
ist. Werden beispielsweise sehr hohe Überdruckstöße erwartet, so ist die Ausgangslage
des Kolbens vorteilhafterweise auf der der Leitung zugewandten Seite;
das heißt
das Schluckvolumen in Form des Gasdruckvolumens ist entsprechend
größer. Aufgrund
der Kenntnis der kommenden Betriebszustände ist eine vorausschauende,
adaptive Regelung möglich.
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Dabei
kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Steuergerät mit einem übergeordneten
Steuergerät
verbunden ist, von dem es Informationen über die zu erwartenden Betriebszustände erhält. Das übergeordnete
Steuergerät
kann beispielsweise das in der 1 mit 34 bezeichnete
Steuergerät
zur Ansteuerung der Ventilanordnung 32 zum Bewegen des
Arbeitskolbens 14 sein. Das übergeordnete Steuergerät 34.
versorgt folglich das Steuergerät
der Dämpfungseinrichtung
mit den kommenden Betriebszuständen;
das Steuergerät
kann dann die Position des Kolbens in Abhängigkeit von den kommenden
Betriebszuständen
einstellen.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren
zur Dämpfung
von Unter- und/oder Überdruckstößen nach
Anspruch 6 gelöst. Dabei
wird in Abhängigkeit
der Position des Kolbens und/oder in Abhängigkeit des Gasdrucks im Gasdruckraum
der Gasdruckraum mit einem Gasüberdruck
druckbeaufschlagt. Außerdem
wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit
von der Position des Kolbens und/oder in Abhängigkeit vom Gasdruck im Gasdruckraum
der Gasdruckraum drucklos geschaltet oder verschlossen. Besonders
vorteilhaft ist, wenn erfindungsgemäß der Gasdruckraum dann mit Gasüberdruck
druckbeaufschlagt wird, wenn der Kolben eine der Leitung abgewandte
Grenzposition erreicht. Aufgrund eines Überdruckstoßes füllt sich der Hydraulikraum
mit Hydraulikflüssigkeit,
weshalb der Kolben in Richtung der Grenzposition bewegt wird.
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Bei
Auftreten von Unterdruckstößen wird
der Gasdruckraum vorteilhafterweise dann verschlossen, wenn der
Kolben eine der Leitung zugewandte Grenzposition erreicht. Hierdurch
entsteht im Gasdruckraum ein Unterdruck.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn die Einstellung der Position des Kolbens in
Abhängigkeit
von zu erwartenden Betriebszuständen
erfolgt.
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Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung
anhand des in der 3 gezeigten
Ausführungsbeispiels
näher beschrieben
und erläutert
ist.
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Die 3 zeigt eine erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung 60,
die anstelle der Dämpfungseinrichtung 46 gemäß 1 in einer hydraulischen
Steuerung 10 gemäß 1 Verwendung finden kann.
Die 3 ersetzt dann den
in der 1 gestrichelt
angedeuteten, mit X bezeichneten Bereich.
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Die
Dämpfungseinrichtung 60 sieht
einen mit der Tankleitung 36 verbundenen Zylinder 62 vor,
in dem ein verschiebbar gelagerter Kolben 64 angeordnet
ist. Der Kolben 64 unterteilt den Zylinder 62 in
einen mit der Tankleitung 36 verbundenen Hydraulikdruckraum 66 und
einen Gasdruckraum 68. Der Gasdruckraum 68 ist über eine
Gasdruckleitung 70 mit einem Gasdruckspeicher P1 verbindbar, der einen Gasdruck in Höhe von cirka
6 bis 10 bar liefert. In der Gasdruckleitung ist eine erste Ventilanordnung 72 vorgesehen,
die über
ein Steuergerät 74 ansteuerbar ist.
Um den Gasdruckraum 68 drucklos (P0)
zu schalten, ist eine zweite Ventilanordnung 76 vorgesehen, die
ebenfalls von dem Steuergerät 74 ansteuerbar ist.
In der in der 3 dargestellten
Stellung der Ventilanordnung mit 72, 74 ist der
Gasdruckraum verschlossen. Anstelle von zwei Ventilanordnungen kann
auch nur eine einzige, entsprechende Ventilstellungen aufweisende
Ventilanordnung Verwendung finden.
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Die
Dämpfungseinrichtung 60 sieht
außerdem
ein Messsystem 78 zur Erfassung der Position des Kolbens 60 vor,
das mit dem Steuergerät 74 verbunden
ist. Das Messsystem 78 kann beispielsweise Magnetfeldsensoren
aufweisen, die die Signale von einem in dem Kolben 64 vorhandenen
Dauermagneten empfangen. Je nach Anzahl der vorgesehenen Magnetfeldsensoren
kann die Position des Kolbens 64 mehr oder weniger genau
bestimmt werden. Ferner ist denkbar, aus der zeitlichen Betrachtung
der Positionsänderung
die Geschwindigkeit des Kolbens 64 zu ermitteln.
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Die
Dämpfungseinrichtung 60 kann
außerdem
zusätzlich
oder alternativ ein Messsystem 80 zur Erfassung des Gasdrucks
im Gasdruckraum 68 aufweisen. Ein derartiges Messsystem 80 erfasst
den Gasdruck vorzugsweise über
einen Drucksensor. Das Messsystem 80 ist mit dem Steuergerät 74 verbunden.
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Die
Position des Kolbens 64 wird folglich über das Messsystem 78 erfasst
und an das Steuergerät 74 gemeldet.
Das Steuergerät 74 betätigt dann die
Ventilanordnungen 72, 74, um über den Gasdruck im Gasdruckraum 68 die
Position des Kolbens 64 je nach in der Tankleitung 36 auftretenden
Unterdruck- oder Überdruckstößen zu regeln.
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Bei
Auftreten eines Überdruckstoßes strömt Hydraulikflüssigkeit
in den Hydraulikdruckraum 66 und der Kolben 64 wird
nach oben bewegt. Bei Erreichen des Kolbens 64 einer Grenzposition
x1 wird die Ventilanordnung 72 kurzzeitig
geöffnet,
wodurch die Aufwärtsbewegung
des Kolbens 64 mit entsprechendem Gegendruck gedämpft wird.
Sobald der Überdruck
in der Tankleitung 36 abfällt, bewegt sich der Kolben 64 aufgrund
des vorhandenen Überdrucks
im Gasdruckraum 68 wieder nach unten; die im Hydraulikdruckraum 66 gespeicherte
Hydraulikflüssigkeit wird
an die Tankleitung 36 abgegeben. Sobald der Kolben 64 seine
Mittelposition x0 erreicht, wird über die
Ventilanordnung 74 der Überdruck
aus dem Gasdruckraum 68 an die Atmosphäre P0 abgegeben;
im Gasdruckraum herrscht dann Umgebungsdruck.
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Bei
Auftreten eines Unterdruckstoßes
wird die im Hydraulikdruckraum 66 vorhandene Hydraulikflüssigkeit
in die Tankleitung 36 gezogen, wodurch sich der Kolben 64 nach
unten bewegt. Bei Erreichen einer unteren Grenzposition x2 wird die Ventilanordnung 74 so
geschalten, dass der Gasdruckraum 68 gegen den Umgebungsdruck
verschlossen wird. Bei einer weiteren Abwärtsbewegung des Kolbens 64 entsteht
dann im Gasdruckraum 68 ein Unterdruck, der eine weitere
Abwärtsbewegung
des Kolbens 64 dämpft.
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Mit
der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung 60 kann
der in der 2 dargestellte
Druckverlauf 40 in der Tankdruckleitung 36 auf
den mit Bezugzeichen 80 gekennzeichneten Druckverlauf gedämpft werden. Überdruck-
und Unterdruckstöße werden
folglich stark gedämpft
und idealerweise vollständig
beseitigt.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass das Steuergerät 74 einen Signaleingang 82 vorsieht, über den
Signale aus dem Steuergerät 34 der
Steuerung 10 gemäß 1 eingehen. Das übergeordnete
Steuergerät 34 teilt
hierdurch dem Steuergerät 74 der
Dämpfungseinrichtung
die zu erwartenden Betriebsstände,
und damit die zu erwartenden Druckstöße, mit. Dadurch kann in Abhängigkeit
von den zu erwartenden Betriebszuständen erreicht werden, dass
die Ausgangslage des Kolbens 64 nicht der Mittellage x0 des Kolbens 64 entspricht, sondern
einer den Grenzpositionen x1 beziehungsweise
x2 entsprechend näher gelegenen Ausgangsposition.
Werden hohe Druckstöße erwartet,
so kann die Ausgangsposition des Kolbens 64 durch entsprechendes
Erhöhen
des Gasdrucks in der Gasdruckkammer 68 in den Bereich nahe
der Grenzposition x2 verschoben werden.
Werden hohe Unterdruckstöße erwartet,
so wird die Ausgangslage des Kolbens 64 vorzugsweise in
den Bereich nahe der Grenzposition x1 verschoben.
Durch Drucklosschalten des Gasdruckraums 68 bewegt sich
der Kolben 64 aufgrund des im Normalzustand in der Tankleitung
stets vorhandenen geringen Überdrucks,
der zur Förderung
der Hydraulikflüssigkeit
in den Tank 20 erforderlich ist, nach oben. Bei Erreichen
der geeigneten Ausgangsposition wird der Gasdruckraum 68 verschlossen.
Die erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung
hat den Vorteil, dass sie adaptiv an die jeweiligen Betriebszustände ist.
Auftretende Druckstöße können auch
bei sehr schnellen Stanz- und Prägehübe des Arbeitskolbens
effektiv gedämpft
werden.
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Erfindungsgemäß ist selbstverständlich denkbar,
die beiden Steuergeräte 34 und 74 in
ein gemeinsames Steuergerät
integriert ausgebildet sind.
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Vorteilhafterweisekann
bei der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung
auf das Vorsehen von Federelementen, wie sie aus dem Stand der Technik zur
mittigen Lagerung des Kolbens vorgesehen sind, verzichtet werden.
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Sämtliche
in der Beschreibung, den Ansprüchen
und der Zeichnung offenbarte Merkmale können sowohl einzeln als auch in
beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.