-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Druckverstärker, der einen Niederdruckeinlass
zum Liefern eines Mediums bei einem niedrigen Druck, einen Niederdruckkolben
mit einem ersten Arbeitsbereich und wenigstens einen Hochdruckkolben
mit einem zweiten Arbeitsbereich, wobei der zweite Bereich kleiner
ist als der erste Bereich, und wenigstens einen Hochdruckauslass
umfasst.
-
Dieser
Typ des Druckverstärkers
wird insbesondere in Hydraulikkreisen verwendet, bei denen die Hydraulikpumpe,
die in dem System integriert ist, keinen ausreichend hohen Druck
für alle
Anwendungen erzielen kann. Für
einen Teil des Hydraulikkreises ist es nicht erwünscht, dass er mit einem Hydraulikmedium,
das mit einem solchen hohen Druck beaufschlagt ist, betrieben wird,
da dadurch Anforderungen an die Konstruktion der Hydraulikleitungen, der
Verbindungen zwischen Leitungen und der Elemente, wie etwa Verbindungsstücke, Ventile,
Sicherheitsventile usw., entstehen, die nicht unbedingt für einen
hohen Druck dimensioniert sein müssen.
Daher spielt außerdem
ein Kostenfaktor eine Rolle, wenn in einem möglichst großen Teil des Hydraulikkreises
ein möglichst
geringer Druck hergestellt wird und Druckverstärker eingesetzt werden, die
dort, wo es erforderlich ist, einen hohen Druck bereitstellen.
-
In
Verbindung mit der vorliegenden Erfindung werden die Ausdrücke niedriger
Druck und hoher Druck verwendet. Da die der Erfindung zu Grunde
liegenden Prinzipien ebenso bei verschiedenen Drücken angewendet werden können, sind
niedriger bzw. hoher Druck lediglich in der Weise zu verstehen, dass
die beiden Medien unterschiedliche Drücke (oder gleichen Druck) aufweisen.
-
Auf
dem technischen Gebiet ist es ferner allgemein bekannt, wie Sicherheitsventile
funktionieren und wie Rückleitungskanäle, Medienbehälter und dergleichen
in dem erforderlichen Umfang vorzusehen sind, was für einen
Fachmann selbstverständlich ist.
In dem Umfang, wie sie in der Vorrichtung bzw. in dem System integriert
sind und nicht direkt in Verbindung mit dem grundsätzlich neuen
und erfindungsgemäßen Prinzip
der Erfindung verwendet werden, werden sie aus Gründen der
Klarheit größtenteils weggelassen.
-
Das
Medium, das antreibt oder mit Druck beaufschlagt wird und das in
Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist häufig Hydrauliköl, kann
jedoch jede weitere Art von Flüssigkeit sein,
insbesondere Wasser oder ein Gas, das für die Verwendung bei diesem
Typ von Systemen geeignet ist. Das System und der Druckverstärker können ferner
mittels Gasen verwendet werden, die insbesondere Luft enthalten,
da der Druckverstärker
und das System in seiner Struktur in der Weise konfiguriert sind,
dass die mögliche
Komprimierbarkeit der Gase keine Auswirkungen auf die Funktion des
Druckverstärkers
besitzt.
-
Druckverstärker der
oben erwähnten
Art werden insbesondere in Hydraulikkreisen verwendet, die insbesondere
in Kränen,
Grabenziehern, Baggern, Gabelstaplern oder entsprechenden Maschinen
enthalten sind, bei denen eine große Kraft aufgewendet werden
muss, um Material anzuheben oder zu bewegen. Für die Bedienkraft dieser Maschinen sollte
die Kraft an den Arbeitswerkzeugen möglichst genau dosiert werden
können.
Ein weiterer wichtiger Aspekt besteht darin, die aufgewendete Energie
am besten zu nutzen, d. h., einen Druckverstärker und ein Druckverstärkersystem
mit einem minimalen Druckverlust zu entwerfen.
-
In
einem bekannten Druckverstärker,
der z. B. in
WO 8607118 beschrieben
ist, befindet sich ein bekannter doppelwirkender Druckverstärker, bei
dem eine doppelwirkende Kolbenvorrichtung, die in dem Zylinder des
Druckverstärkers
vorgesehen ist, eine Vorwahleinrichtung verlagert, die als eine
Art Servomechanismus zum Umschalten eines Ventils wirkt, wodurch
Flüssigkeit
ständig
bei geringem Druck auf die Niederdruckkolben drücken kann, so dass die Letzteren
einen Hochdruckkolben betätigen,
der den hohen Druck über
eine Stange an eine mögliche
Betätigungseinrichtung überträgt. Die
Vorwahleinrichtung folgt gleitend der Bewegung der Niederdruckkolben,
woraufhin die Ventilöffnung
kontinuierlich geändert
wird, so dass in der Mitte des Hubs des Kolbens das Ventil vollständig geöffnet ist,
wodurch sich die Öffnung
dann, wenn der Niederdruckkolben das Ende seines Hubs erreicht,
gleichzeitig immer weiter schließt und dadurch den Einlass
des Niederdruckmediums abdrosselt. Außerdem ist eine große Anzahl
von Federn, Stutzen und Flüssigkeitsleitungskanälen in der
Zylinderummantelung und um diese herum vorgesehen, die ansonsten
mit mehreren Dichtungsringen zusammenwirken und in Wellen eingeschraubt
sind, um Niederdruckflüssigkeit
an die richtige Seite der Niederdruckkolben zu liefern, so dass diese
betätigt
werden, um den Hochdruckkolben nach vorn zu drücken, um einen höheren Druck
zu erzeugen.
-
Bei
diesem Typ von Druckverstärkern
gilt allgemein, dass das Verhältnis
aus dem wirksamen Arbeitsbereich des Niederdruckkolbens und dem
wirksamen Bereich des Hochdruckkolbens den eigentlichen Druckverstärkungsfaktor
angibt. Bei nicht komprimierbaren Medien ist der Druckverstärkungsfaktor theoretisch
zu dem Verhältnis
zwischen den beiden oben erwähnten
Bereichen direkt proportional. Bei einem Druckverstärker, der
in
WO 8607118 spezifiziert ist,
tritt tatsächlich
ein verhältnismäßig großer Energieverlust
in Verbindung mit der Zuführung
von Niederdrucköl
auf, da das Öl
zum Steuern des Umschaltventils verwendet wird, wodurch Verluste
in den Zuführungs-
und Rückführungsleitungskanälen entstehen
und das Verlagern des Ventils bewirkt einen Gegendruck und/oder
einen Verbrauch von Öl,
wodurch in der Praxis ein sehr wesentlicher Energieverlust entsteht.
-
Es
ist somit die Aufgabe der Erfindung, einen mittel Flüssigkeit
oder Gas betriebenen Druckverstärker
zu schaffen, der die gesamte zugeführte Energie als Arbeitsenergie
verwendet.
-
Es
ist außerdem
eine Aufgabe, einen Druckverstärker
zu schaffen, der keine Raum beanspruchenden Differentialflächen besitzt,
wodurch die gesamte Arbeitsfläche
auf der zu einem Zeitpunkt angesteuerten Seite zu 100% genutzt wird,
so dass die Energie von dem Antriebsmedium beim Bewegen des Hauptkolbens
als kinetische Energie eingesetzt wird. Die andere Seite des Hauptkolbens
ist gleichzeitig mit einem Vorratsbehälter verbunden, so dass kein Überdruck überwunden
werden muss.
-
Die
Erfindung hat ferner die Aufgabe, ein Umschaltventil zu schaffen,
das durch die Bewegung des Hauptkolbens in der Weise aktiviert wird,
dass ein möglicher
Strömungsverlust
und dadurch ein Druckverlust minimal gemacht werden. In diesem Zusammenhang
ist es wichtig, das Umschaltventil bei allen Bedingungen zu steuern,
so dass der Druckverstärker
sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Betriebsfrequenzen und bei
schnellen Druckänderungen
mit großer
Sicherheit funktioniert. Das ist insbesondere dann von Interesse,
wenn der Druckverstärker
mit einer hohen Schaltrate betrieben werden soll, d. h. bei vielen
Richtungsänderungen
pro Minute.
-
Es
ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, einen Druckverstärker zu
schaffen, der durch seine Konstruktion kostengünstiger und kompakter wird
als bisher bekannte Verstärker,
wobei er gleichzeitig mit einer größeren Leistung und einer größeren Zuverlässigkeit
versehen wird.
-
Die
Erfindung löst
diese Probleme mittels eines Druckverstärkers, dessen Besonderheit
darin besteht, dass ein Niederdruckbereich mit einer Arbeitskammer
in Verbindung steht, die durch einen Niederdruckkolben und einen
umgebenden Zylinder begrenzt ist; wobei wenigstens ein Hochdruckkolben vorgesehen
ist, der mit dem Niederdruckkolben zusammenwirkt, und dass der Hochdruckkolben
in einem Hochdruckzylinder relativ zu dem Niederdruckkolben koaxial
angeordnet ist; dass ein Umschaltventil in dem Zylinder koaxial
angeordnet ist, und dass in Verbindung mit dem Ventil und für eine Zusammenwirkung
mit ihm wenigstens eine Feder um eine Schubstange koaxial angeordnet
ist; dass die Feder so angeordnet ist, dass sie in der Weise zusammengedrückt wird,
dass ein federbelasteter Verriegelungsmechanismus sofort freigegeben
wird, wobei der Verriegelungsmechanismus aus einer oder mehreren
Federn aufgebaut ist, die ein Verriegelungselement gegen ein entsprechendes
Verriegelungswiderlager drückt,
das in dem Ventil ausgebildet ist, so dass das Ventil schaltet und öffnet, um
das Medium an die Arbeitskammer zu liefern, wodurch der Niederdruckkolben
infolge der Lieferung des Mediums an die Arbeitskammer über einen
Kontakt mit dem Hochdruckkolben den Letzteren zu dem Hochdruckauslass
bewegt, wodurch eine Feder, die sich in der Endposition befindet,
spannt und den Verriegelungsmechanismus freigibt, wodurch das Ventil
schaltet und das Niederdruckmedium über die Niederdruckverbindung über ein
Sicherheitsventil den Hochdruckkolben und den Niederdruckkolben
in die entgegengesetzte Richtung drückt, wodurch das verlagerte
Medium zurück
zu dem Vorratsbehälter
geleitet wird.
-
Durch
diese Konstruktion, bei der sich das Umschaltventil während nahezu
des gesamten Prozesses in einer von zwei Positionen befindet, wobei das
Niederdrucköl
mit Druck beaufschlagt wird und der Niederdruckkolben dadurch vor
bzw. zurück
bewegt wird, wodurch infolge des Verriegelungsmechanismus ein ständiges Umschalten
bewirkt wird, wird erreicht, dass der Druckmediumeinlass nicht abgedrosselt
wird. Wenn die Strömungsleitungskanäle, d. h.
die Leitungskanäle
des Druckmediums während der
gesamten Bewegung der Kolben vollständig offen gehalten werden,
jedoch mit Ausnahme der Millisekunden, während denen das federbelastete
Umschaltventil von einer Position zur anderen springt, wird erreicht,
dass der Druckverlust in dem Druckverstärker vernachlässigt werden
kann. Es wird ferner erreicht, dass durch hohe Umschaltgeschwindigkeiten,
d. h. hohe Arbeitsfrequenzen der Betrieb genauer wird, da die Funktion
des Umschaltventils mit einer Ein-Aus-Situation verglichen werden
kann, so dass es keinen Bereich gibt, in dem allmählich Medium
mit einer geringeren Druckbeaufschlagung geliefert wird, sondern
es gibt entweder Medium, das mit vollem Druck beaufschlagt ist,
oder Medium ohne Druckbeaufschlagung.
-
Die
Konstruktion ist gleichzeitig im Vergleich zum Stand der Technik
wesentlich vereinfacht, da alle beweglichen Teile um eine Mittellinie
konzentrisch angeordnet sind. Das beinhaltet eine wesentliche Verringerung
der Bearbeitungsschritte der Zylinder und Kolben und die Anzahl
der Teile kann beträchtlich
verringert werden.
-
Die
verschiedenen Kolben, Ventile, Federn und Stangen werden mittels
Verriegelungsringen, wie z. B. Seeger-Ringe, O-Ringe, eine Bajonett-Kupplung
und dergleichen an der Verwendungsstelle gehalten.
-
Indem
die Federn in der Weise ausgewählt werden,
dass die Kompression, d. h. die in der Feder gespeicherte Energie,
dem Freigabedruck des Verriegelungsmechanismus entspricht und dadurch
die Federn einen Teil der Federkonstanten des Verriegelungsmechanismus
in der Weise bilden, dass die Kraft in dem Verriegelungsmechanismus
bei der maximalen Kompression der um die Schubachse koaxial angeordneten
Feder überwunden
wird, wird das augenblickliche, sehr plötzliche Umschalten von einer
Bewegung des Niederdruckkolbens in eine Richtung in die entgegengesetzte
Richtung des Niederdruckkolbens erreicht.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Verriegelungsanordnung in wenigstens einer
Bohrung untergebracht, die in dem Niederdruckkolben radial vorgesehen
ist, wobei in der Bohrung ein Verriegelungselement vorgesehen ist,
z. B. in Form einer Kugel, wobei die Kugel mit einer Feder in der
Weise zusammenwirkt, dass die Kugel nach unten in eine von zwei
Ausnehmungen gedrückt
wird, die Abmessungen besitzen, die dem Teil der Kugel entsprechen,
der in der zylindrischen Oberfläche
des Ventils vorgesehen ist. An Stelle einer Kugel können andere
Elemente verwendet werden, z. B. ein zylindrischer Stift mit einer
gerundeten Oberseite oder ein keilförmiges Element mit einem entsprechenden
Profil, das in der Oberfläche
des Ventils vorgesehen ist.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Verriegelungsmechanismus wird durch zwei Vertiefungen einfach
hergestellt, die an der Außenseite
des, Ventilkörpers
in der Weise angeordnet sind, dass das Verriegelungselement, z.
B. die Kugel oder eines der oben beschriebenen entsprechenden Elemente
mittels der Federkraft von der Feder des Verriegelungsmechanismus
nach unten in die erste Ausnehmung gedrückt wird. Die Ausnehmungen
besitzen teilweise kreisförmige
Querschnitte, wobei der Durchmesser dem Kugeldurchmesser entspricht
oder mit einem Querschnitt entworfen ist, der der Form des Verriegelungselements
entspricht. Wenn sich anschließend der
Niederdruckkolben unter der Wirkung des Mediumdrucks nach vorn bewegt,
wird die um die Schubachse befindliche Feder bis zum Erreichen einer
Federkraft zusammengedrückt,
wobei diese Federkraft erforderlich ist, um die Aufnahme der Kugel
in dem Ventilkörper
zu überwinden,
woraufhin diese gegen die Federn in dem Verriegelungsmechanismus
nach oben gedrückt
werden, wobei das Ventil plötzlich
seine Einstellung ändert.
Dieses augenblickliche, mechanische Umschalten von einer Situation
ohne die Verwendung eines Antriebsmediums zur zweiten Situation
legt nahe, dass ein im Wesentlichen geringer Strömungsverlust in dem Druckverstärker vorhanden ist.
Bei den bekannten Druckverstärkern
wird ein Strömungsverlust
von 30–50%
erwartet, wobei Experimente mit Druckverstärkern gemäß der vorliegenden Erfindung
ergeben haben, dass der Strömungsverlust
wesentlich kleiner, und zwar etwa 8% wird.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des Druckverstärkers
ist die Verriegelungsanordnung in einer ringförmigen ebenen Nut vorgesehen,
die an der Innenseite des Niederdruckzylinders in der Weise vorgesehen
ist, dass wenigstens zwei U-förmige
Verriegelungsblöcke
in der Nut angeordnet sind, wobei die Verriegelungsblöcke an den
Enden angefast sind, wobei eine Anzahl radial ausgerichteter Bohrungen
vorgesehen ist, die der Anzahl von Verriegelungselementen entspricht,
und wobei in jeder Bohrung eine Feder angeordnet ist, die die Blöcke zur
Mittellinie des Zylinders drückt,
so dass die angefasten Enden zusammenwirken, um ein Verriegelungselement
zu halten, das in dem Ventil in einer von zwei Positionen an entsprechenden
angefasten Seiten der Blöcke
angeordnet ist, wodurch außerdem eine
funktionell zuverlässige
Verriegelungsanordnung erreicht wird.
-
Durch
eine Ausnutzung der Herstellungsprinzipien, die für die innere
Bearbeitung der Oberflächen
des Zylinders verwendet werden, kann vorteilhaft eine zusätzliche
Nut in Verbindung mit dem Verriegelungsmechanismus angeordnet werden.
Die Blöcke
besitzen dann Formen wie zwei U-förmige Verriegelungsblöcke, an
deren freien Enden angefaste Kanten vorgesehen sind. Die angefasten
Kanten werden für
ein Anstoßen
an einem Verriegelungselement verwendet, das z. B. die Form eines Stabs/Stifts
besitzt, der in dem Körper
des Umschaltventils vorgesehen ist. In der gleichen Weise wie oben
in Verbindung mit der Kugelverriegelung beschrieben wurde, wird
infolge der Verlagerung des Niederdruckkolbens eine Federspannung
in der Feder erzeugt, die um die Schubstange koaxial angeordnet
ist, wobei diese Kraft die Stange gegen die angefasten Seiten in
den Verriegelungsblöcken
drückt. Wenn
die Kraft eine bestimmte Größe erreicht,
wird die Stange über
die Fase gedrückt,
wobei die Federkraft in den Federn, die in dem Verriegelungsmechanismus
angeordnet sind, überwunden
wird. In dem Moment, wenn die Federkraft in der Schubstange diesen
Pegel erreicht, erfolgt augenblicklich das Umschalten in dem Ventil
und das Umschaltventil wird in der neuen Einstellung gehalten, bis
die Position wieder eine Größe erreicht,
durch die der Stift/Stab die beiden angefasten Kanten an entsprechenden
Verriegelungsblöcken
auseinander drücken
kann und ihre Position wieder augenblicklich ändert.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Druckverstärker
doppelwirkend, so dass die Schubstange mit zwei Hochdruckkolben
zusammenwirkt, die an gegenüberliegenden
Seiten der Arbeitskammer angeordnet sind, wobei ferner zwei Hochdruckauslässe vorgesehen
sind.
-
Da
das Umschaltventil in dem Zylinder um die Schubstange konzentrisch
angeordnet ist, ist es bei dieser Ausführungsform möglich, dass
die Schubstange weiter geradlinig durch das Umschaltventil verläuft und
dabei mit einem weiteren Hochdruckkolben in Kontakt ist. Ein weiterer
Niederdruckkolben ist parallel zu der Mittellinie in dem Niederdruckzylinder
axial vorgesehen, wodurch beim Ändern
der Zufuhrrichtung, wenn das Umschaltventil von einer Position zur
anderen Position schaltet, ein Niederdruckmedium an die gegenüberliegende
Seite des Hauptkolbens geliefert wird, wodurch bewirkt wird, dass
an dem gegenüberliegenden
Ende des Druckverstärkers
ein Hochdruck gebildet wird.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind der Hochdruckkolben bzw. die Schubstange mit
dem Niederdruckkolben lose verbunden, z. B. mittels Flanschen, die
an einem Ende des Hochdruckkolbens bzw. der Schubstange vorgesehen
sind, wobei die Flansche weitestgehend in eine entsprechende, teilweise
geschlossene Ausnehmung passen, die in den Stirnflächen des
Niederdruckkolbens in der Weise vorgesehen sind, dass die Flansche
der Schubstange mittels Verriegelungsringen lose gehalten werden.
-
In
diesem Zusammenhang ist mit lose verbunden gemeint, dass eine derartige
Verbindung zwischen dem Niederdruckkolben bzw. dem Hochdruckkolben
und der Schubstange in der Weise vorgesehen ist, dass die Elemente
sich drehen, verlagern oder auf andere Art eine Drehung/Verlagerung
einzeln ausführen
können,
ohne dass auf das damit zusammenhängende Element notwendigerweise
eine Belastung ausgeübt
wird.
-
Es
ist sehr wichtig, dass die Toleranzen, bei denen der Hochdruckzylinder
und der Hauptzylinder verbunden sind, eine geringere Bedeutung besitzen sowie
eine mögliche
Abnutzung, die mit der Zeit erfolgt, einen geringeren Einfluss auf
den Betrieb des Druckverstärkers
besitzt.
-
Wenn
es möglich
ist, die Anforderungen an die Bauelemente zu reduzieren, bewirkt
das eine Einsparung von Herstellungsschritten, jedoch außerdem eine
größere erwartete
Lebensdauer, da die Abnutzung durch die beweglichen Teile infolge
ihrer Fähigkeit
verringert ist, Toleranzen aufzunehmen, die in dem System infolge
von Wärmewirkung,
Abnutzung, Ungenauigkeiten bei Montageschritten usw. entstehen können. Außerdem ermöglicht die
Baueinheit des Druckverstärkers
eine verhältnismäßig unkomplizierte
Demontage des Druckverstärkers
in Verbindung mit der Wartung oder einem Austausch einzelner Teile.
Das ist außerdem
damit verbunden, dass der Niederdruckkolben und das Umschaltventil
in der gleichen Bohrung mit einem gleichförmigen Querschnitt betrieben
werden. Die einzelnen Elemente sind z. B. mittel Verriegelungsringen
eingesetzt, so dass die Elemente (Niederdruckkolben, Schubstange,
Umschaltventil, Feder usw.) durch Entfernen der Verriegelungsringe
aus dem Zylinder genommen, überprüft und im
erforderlichen Umfang überholt
oder ersetzt werden können,
woraufhin der Druckverstärker
wieder problemlos montiert werden kann.
-
Die
oben erwähnten
Vorteile werden in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung noch deutlicher ausgedrückt, bei der Hoch- und Niederdruckkolben,
Hoch- und Niederdruckzylinder, Sicherheitsventile, Hoch- und Niederdruckverbindungen
mit zugehörigen
Federn und Verriegelungsmechanismen koaxial und symmetrisch um eine
gemeinsame Mittelachse angeordnet sind.
-
In
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Druckverstärkers enthält das Gehäuse des Druckverstärkers drei
zusammengesetzte zylindrische Teile, in denen ein Zylinder vorgesehen
ist, in welchem ein Umschaltventil, und ein Niederdruckkolben und
eine Schubstange angeordnet sind, wobei in einem zweiten Zylinder
in unmittelbarer Verbindung mit dem ersten Zylinder ein Hochdruckkolben
mit geringerem Durchmesser angeordnet ist. In dem Ende des Hochdruckkolbens
ist über
ein Sicherheitsventil ein Hochdruckanschluss installiert und in
dem Niederdruckende sind ebenso zwei Anschlüsse angeordnet, einer zum Liefern
von Niederdruckmedium und einer zum Rückführen des Mediums zum Vorratsbehälter.
-
Wenn
dieser Typ von typischen, hydraulisch betriebenen Zylindern herkömmlich hergestellt
wird, wobei sie Druckverstärker
oder andere Elemente sind, müssen
häufig
Leitungskanäle
senkrecht zu der Mittellinie des Objekts vorgesehen werden. Das
erfolgt normalerweise, indem ein Loch von der Umgebung des Zylinders
in und durch den Zylinderhohlraum des inneren Zylinders gebohrt
wird. Dann wird ein Stopfen mit dem entsprechenden Risiko von Leckverlusten
in die Oberfläche
eingesetzt. Dieses Verfahren zum Schaffen von Leitungskanälen senkrecht
zu der Mittellinie eines Zylinders besitzt mehrere Vorteile, solange
das Medium, das in dem Leitungskanal befördert wird, keinen besonders
hohen Druck besitzt. Die Stopfen sind normalerweise bis zu einem
Druck von etwa 500 bar verwendbar, wobei bei einem größeren Druck
die Gefahr eines Ausfalls, z. B. in Form von Leckverlusten, plötzlich auftritt.
In Verbindung mit der Entwicklung des gegenwärtigen Druckverstärkers, bei
dem der Betrieb bei beträchtlich
größeren Drücken erfolgen
kann, ist diese Lösung
daher nicht verwendbar. Die Verbindung zwischen zwei parallelen
Mediumleitungskanälen
in dem Zylinder ist deswegen mit einem so genannten T-Fräser oder
einem anderen geeigneten Werkzeug zum Schaffen einer radialen gefrästen Ausnehmung versehen,
der bzw. das eine Verbindung zwischen den beiden parallelen axialen
Leitungskanälen schafft.
-
Die
radiale Ausnehmung schafft somit mehrere Vorteile, wobei u. a. das
radiale Bohren mit dem anschließenden
Anbringen eines Stopfens vermieden wird, wodurch neben der Einsparung
von Arbeitsprozeduren in Verbindung mit dem Bohren und dem anschließenden Anbringen
des Stopfens außerdem
die Sicherheit für
den Druckverstärker
bei hohen Drücken
verbessert wird, da die Gefahr eines Fehlers bei einem möglicherweise
vorhandenen Stopfen nicht gegeben ist. Außerdem wird die wirksame Strömungsfläche wesentlich
größer bei
einer radial gefrästen
Ausnehmung im Vergleich zum herkömmlichen
Bohren, wodurch die Erfindung wiederum im Vergleich zu herkömmlichen
Konstruktionen einen beträchtlich
geringeren Druckverlust aufweist. Außer der Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit
und der Verringerung des Druckverlusts ermöglicht die größere Abmessung
des Leitungskanals außerdem
eine höhere
Betriebsrate und dadurch einen besseren Nutzungsgrad des gesamten
Druckverstärkers.
-
Durch
die Konstruktion des Druckverstärkers gemäß der oben
beschriebenen Erfindung werden die Anzahl von Verbindungen, Stopfen
und anderen Schwachpunkten in dem Druckzylinder selbst vermieden
bzw. minimal gemacht, wodurch die anderen Komponenten in dem System
die Dimensionen für den
Hochdruck, mit dem gearbeitet werden kann, festlegen. Der Druckverstärker ist
somit nicht auf die empfohlenen maximalen Drücke in dem System beschränkt. Normelemente,
die in hydraulischen Hochdrucksystemen verwendet werden, können typischerweise
bei einem Druck von bis zu 800–900
bar arbeiten, der Druckverstärker
gemäß der Erfindung hat
jedoch gezeigt, dass er bei wesentlich höheren Drücken zuverlässig und sicher betrieben werden kann.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist außerhalb
des Ventils eine ringförmige
Umgehung vorgesehen, die einen Durchmesser, der kleiner als der
Außendurchmesser
des Ventils ist, und eine Länge
in der Längsrichtung
des Druckverstärkers
besitzt, wobei die Länge
wesentlich kleiner als die Länge
des Ventils ist, und wobei wenigstens zwei Löcher in dem Ventil in radialer
Richtung von der Umgebung des Ventils zum Innenraum des Ventils vorgesehen
sind, wobei ein Loch übereinstimmend mit
der ringförmigen
Umgehung und das andere Loch außerhalb
der ringförmigen
Umgehung vorgesehen ist.
-
Durch
diese Konstruktion wird ein hydrodynamisches Gleichgewicht erreicht,
da es den Anschein hat, dass durch pulsierende Druckdifferenzen, die
während
des Betriebs im Druckverstärker
auftreten, die Drücke
in dem Ventil so stark ansteigen können, das es sich ausdehnt
und dadurch gegen die Zylinderwand gedrückt wird. Dadurch können die
Federn das Ventil nicht bewegen, wodurch es außerdem unmöglich wird, die sofortige Freigabe
der Verriegelungsfunktion zu erreichen. Das wird hauptsächlich durch
die Tatsache bewirkt, dass es infolge der hohen Betriebsgeschwindigkeit
nicht möglich
ist, den Druck über
die Passung zwischen Ventil und Zylinder auszugleichen. Durch das
Vorsehen einer ringförmigen
Umgehung und von wenigstens zwei Löchern gibt es dagegen eine
unmittelbare Verbindung zwischen dem zu einem beliebigen Zeitpunkt
auf der Arbeitsseite herrschenden Druck und der Umgebung/dem Zwischenraum
zwischen dem Zylinder, so dass es sofort möglich ist, den Druck außerhalb
bzw. innerhalb des Ventils auszugleichen, wodurch das Ventil nicht
an der Zylinderwand festgeklemmt wird und dauerhaft gemäß seiner
Zweckbestimmung funktionieren kann.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist zum Vereinfachen der Montage und der Demontage der Verbindung
zwischen der Schubstange, die durch das Umschaltventil verläuft, und
dem Niederdruckkolben eine Bajonettkupplung vorgesehen. Das dem
Einsetzen der Schubstange in den Niederdruckkolben wird der Stab
um 90° gedreht
und mit einem Verriegelungsbolzen gesichert. Die Montage erfolgt
mit einem ausreichenden radialen Spiel, damit die Elemente ungehindert
arbeiten können.
-
Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
genauer beschrieben, in der:
-
1 den
Aufbau eines Druckverstärkers prinzipiell
darstellt;
-
2 einen
doppelt wirkenden Druckverstärker
darstellt;
-
3 einen
doppelt wirkenden Druckverstärker
darstellt;
-
4 eine
Einzelheit von Verriegelungsblöcken
darstellt;
-
5 eine
Einzelheit eines verbindenden Leitungskanals darstellt;
-
6 eine
ringförmige
Umgehung in dem Ventilkörper
darstellt; und
-
7 einen
Verriegelungsmechanismus, eine Ventilbaueinheit und einen Federanschlag
darstellt.
-
In 1 ist
der Aufbau eines einfach wirkenden Druckverstärkers gemäß der Erfindung prinzipiell
dargestellt. Der Druckverstärker
ist um eine Arbeitskammer 29 aufgebaut, die durch einen
Zylinder 7 begrenzt wird. In der Arbeitskammer ist ein
Niederdruckkolben 26 vorgesehen, der mittels einer Schubstange 24 mit
einem Umschaltventil 19 verbunden ist. Ein Hochdruckkolben 12 ist
in Verbindung mit dem Niederdruckkolben vorgesehen. Außerdem ist
ein Niederdruckeinlass 1 an einem Ende des Druckverstärkers angeordnet,
wobei der Niederdruckeinlass, der durch das Ventil 19 gesteuert
wird, über
axiale Leitungskanäle 6 mit
der Arbeitskammer in Verbindung steht sowie eine Rückleitung 16 das
Druckmedium von der Arbeitskammer durch das Ventil gesteuert zurück zu einem
Vorratsbehälter
leitet.
-
Am
gegenüberliegenden
Ende ist ein Hochdruckauslass 15 vorgesehen, der mit dem
Hochdruckzylinder 13 über
ein Sicherheitsventil 14 in einer einseitig gerichteten
Medienverbindung steht.
-
In 1 wurde
der Niederdruckkolben 26 mittels der Zufuhr von Niederdruckmedium über den Niederdruckeinlass 1 und
die Arbeitskammer 29 in seine vorderste Position gedrückt. Dadurch
ist der Hochdruckkolben 12 ebenfalls nach vorn zum Ende des
Hochdruckzylinders 13 gedrückt. Der Niederdruckeinlass 1 wird
nun Niederdruckmedium über das
Sicherheitsventil 11 zu der Vorderseite des Hochdruckkolbens 12 befördern.
-
Solange
der geforderte Druck in dem Hochdruckauslass 15 kleiner
ist als der Niederdruck, verringert um den Öffnungsdruck in dem Sicherheitsventil 11, 14,
fließt
das Niederdruckmedium direkt zur Verbrauchsstelle, wobei das Niederdruckmedium gleichzeitig über das
Sicherheitsventil 11 den Hochdruckkolben 12 drückt sowie
das Niederdruckmedium 26 nach links drückt.
-
Das
kann bewirkt werden, da das Umschaltventil 19 in dieser
Situation die Arbeitskammer 29 über die Rückleitung 16 mit dem
Behälter
verbunden hat und das gegenüberliegende
Ende des Hauptkolbens mit dem Behälter über die Rückleitung 16 in einer
ständigen
Verbindung steht.
-
Bei
der Rückwärtsbewegung
trifft die sich axial verlagernde Scheibe 9, die in dem
Niederdruckkolben vorgesehen ist und mit dem Federkörper 10 belastet
ist, kurz vor dem Ende der Rückwärtsbewegung
auf das vorstehende Ende 23 an dem Umschaltventil 19 (wobei
diese Situation in der Figur nicht gezeigt ist).
-
Durch
ständiges
Zuführen
von Niederdruckmedium über
das Sicherheitsventil 11 an die Vorderseite des Hochdruckkolbens 12 werden
dieser und somit gleichzeitig die ständige Rückwärtsbewegung des Niederdruckkolbens
den Federkörper 10 vorbelasten,
bis eine Kraft erreicht wird, die die Verriegelungskraft überwinden
kann, die bei dem Federkörper 4 in
dem Verriegelungsmechanismus wirkt, wobei der Stift 18 an
den angefasten Kanten 17 an den Verriegelungselementen 3 vorbei
gedrückt
wird, wobei die Verriegelungselemente in einer flachen runden Nut 45 in
dem Zylinder vorgesehen sind.
-
Der
Federkörper 4 ist
in radial angeordneten Bohrungen 43 angeordnet.
-
Das
Umschaltventil 19 wird sich dadurch von der in 1 gezeigten
Position zu einer Position bewegen, bei der der Stift 18 an
der gegenüberliegenden
Seite der angefasten Enden an den Verriegelungselementen 3 festgestellt
ist.
-
In
dieser Position wird von dem Niederdruckeinlass 1 über den
Zufuhrleitungskanal 6, der in dem Zylinderkörper 7 axial
angeordnet ist, ein Zugang zu der Öffnung 20 in dem Umschaltventil 19 erzeugt. Dadurch
kann Niederdruckmedium in die Arbeitskammer 29 strömen und
den Niederdruckkolben 26 für eine Vorwärtsbewegung betätigen, wodurch
der Hochdruck 12 ebenfalls vorwärts bewegt wird. Das Niederdruckmedium
in dem Hochdruckkolben 13 wird dann mit Druck beaufschlagt,
wodurch sich das Sicherheitsventil 11 schließt, wobei
sich gleichzeitig das Sicherheitsventil 14 öffnet und
ermöglicht,
dass Hochdruckmedium durch den Hochdruckanschluss 15 ausströmt.
-
Da
der Niederdruckkolben infolge der ständigen Zufuhr von Niederdruckmedium
durch den Niederdruckanschluss 1 und die Öffnung 20 in
dem Umschaltventil 19 in die Arbeitskammer 29 vorwärts gedrückt wird,
wird der Kopf 22 an der Schubstange 24 in durch
den Kontakt mit der Ausnehmung in dem Umschaltventil 19 seiner
freien Bewegung gehindert. Bei der ständigen Vorwärtsbewegung des Niederdruckkolbens
erzeugt die Mutter 25, die an das gegenüberliegende Ende der Schubstange 24 geschraubt
ist, eine Vorbelastung der Feder 10.
-
Solange
sich die Schubstange 24 in dem Hub S frei bewegen kann,
tritt keine Vorbelastung der Feder 10 auf. Der Hub S ist
an die volle Länge
des Zylinders angepasst, so dass eine bestimmte Kompression der
Feder 10 aufgetreten ist, bevor der Niederdruckkolben seine
Endposition erreicht, wie in 1 gezeigt
ist. Durch eine geringe oder mittlere Betriebsfrequenz wird diese
Vorbelastung der Feder, die koaxial um die Schubstange 24 und
in dem gezeigten Beispiel in dem Niederdruckkolben 26 angeordnet
ist, ausreichend groß sein,
dass sie das Halten des Umschaltventils, d. h. den Haltegriff des
Verriegelungsmechanismus um den Stift 18 überwindet, wodurch
dieser sofort freigegeben wird. Bei höheren Betriebsfrequenzen wird
die Trägheit
in dem Umschaltventil 19 bewirken, dass die Federkraft
in der Feder 10 keine ausreichende Kraft besitzt, um den Verriegelungsmechanismus
des Umschaltventils zu überwinden.
Aus diesem Grund ist ein mechanischer Kontakt zwischen der Mutter 25,
der Scheibe 9 bzw. der Schulter (das vorstehende Ende) 23 an
dem Umschaltventil und in der umgekehrten Richtung zwischen dem
Kopf 22 an der Schubstange 24, dem Umschaltventil 19,
der Mutter 25, der Scheibe 9 und dem Verriegelungsring 8 gewährleistet.
-
Dieser
mechanische Kontakt bringt das Umschaltventil zu seiner Mittelposition,
woraufhin die Feder 10, die nun am stärksten unter Spannung steht,
den Rest der Bewegung gewährleistet.
-
In
den 2 und 3 sind die Prinzipien in einem
doppelt wirkenden Druckverstärker
in zwei unterschiedlichen Formen dargestellt, wobei diese Druckverstärker prinzipiell
gemäß den gleichen
Prinzipien arbeiten, die oben unter Bezugnahme auf einen einfach
wirkenden Druckverstärker
beschrieben wurden. Die Bezugszeichen sind in allen Figuren gleich.
-
Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
Der in 3 dargestellte Druckverstärker ist größtenteils gleich dem in 2 gezeigten
Druckverstärker. Durch
das Zuführen
eines flüssigen
oder gasförmigen
Antriebsmediums bei einem bestimmten Druck an den Anschluss 1 in
dem äußeren Gehäuse, wird dieses über den
axialen Leitungskanal zu den zwei ringförmigen Nuten 32, 33 an
der Innenseite des Zylinders 7 geleitet. In Abhängigkeit
von dem Umschaltventil, in dieser Ausführungsform von der Position
der inneren Zylinderbuchse 19, strömt das Antriebsmedium in eine
der ringförmigen
Nute 30, 31 an der äußeren Seite des Umschaltventils
und von dort durch mehrere Löcher
in der Unterseite davon in den Innenraum 29 des Zylinders
und betätigt
den Hauptkolben 26, damit dieser in die eine oder die andere
Richtung bewegt wird.
-
In
der gleichen Weise kann das verlagerte Medium an der gegenüberliegenden
Seite des Kolbens durch die Löcher
in der Zylinderbuchse, weiter durch die Nute 30, 31 zu
den Nuten 37, 38 und durch den axialen Leitungskanal
in dem Gehäuse 7 zu
dem Rückleitungskanal 16 ausströmen.
-
Die
innere Buchse 19, die den eigentlichen Zylinder bildet,
verlagert sich axial in dem äußeren Gehäuse 7.
Dadurch wird für
das Antriebsmedium abwechselnd eine Verbindung mit der einen oder
mit der anderen Seite des Hauptkolbens 26 und ein Weg zum
Abfließen
des Mediums an der gegenüberliegenden
Seite des Kolbens gebildet.
-
Um
einen störenden
Einfluss infolge des unterschiedlichen Drucks an den Stirnflächen der
Zylinderbuchse zu vermeiden, besteht für beide eine Druckentlastung
zu der Rückverbindung 16.
-
Um
bei dieser Ventilkonstruktion eine rasche und konstante Richtungsänderung
zu erreichen, sind an der Außenseite
der Zylinderbuchse 19 zwei kreisförmige ringförmige Nute 34 oder
eine oder mehrere axiale Nute oder zwei oder mehrere keilförmige Quernute
hergestellt worden. Mittels einer Verriegelungsvorrichtung, z. B.
in Form von einer oder mehreren Kugeln 35, Keilen oder
Stiften mit kugelförmigen Endkeilen
oder Rollen, die mit einem Federkörper belastet sind, wird eine
rasche und sichere Ventilverstellung erreicht, wenn die Verriegelungskraft
dieser Vorrichtung überwunden
wird. Die beiden Druckfedern 10, 36 besitzen eine
solche Federcharakteristik, dass sie unmittelbar vor der Endpositionen
des Hauptkolbens gerade eine geeignete Vorbelastung zum Lösen der
oben erwähnten
Verriegelungsvorrichtung 35 erreichen. Die Vorbelastung
des Federkörpers
in der Verriegelungs- und Positionierungsvorrichtung 35 und
die Druckfedern 10, 36 stellen das Umschaltventil
rasch und sicher zu der Umkehrfunktion um.
-
Zum
Erreichen einer sicheren Ventilverstellung bei einer hohen Betriebsgeschwindigkeit
gemäß der in 1 gezeigten
Beschreibung der Erfindung sind der Niederdruckkolben 26 und
das Ventil 19 über eine
Scheibe 9 und einen Verriegelungsring 8 miteinander
verbunden.
-
Dieses
System schafft eine rasche und sichere Ventilverstellung bei hohen
Betriebsfrequenzen sowie bei sehr langsamen kriechenden Bewegungen
des Hauptkolbens. Das Letztere ist z. B. dann der Fall, wenn die
Betätigungseinrichtung
in Verbindung mit Druckverstärkern
für Flüssigkeiten oder
Gasen verwendet wird.
-
Mittels
der beiden Auslasskolben 12 werden die axialen . Bewegungen
in die eigentliche Pumpfunktion umgesetzt.
-
Die
in 3 gezeigte Betätigungseinrichtung
funktioniert in entsprechender Weise, das verlagernde Ventilelement
ist jedoch nur in der Zylinderbohrung selbst vorgesehen, die durch
das äußere Gehäuse gebildet
ist.
-
In 4 sind
die Verriegelungselemente 3, die in 1 verwendet
werden, genauer gezeigt. Die angefasten Punkte 17 sind
so angeordnet, dass sie sich in dem verriegelten Zustand gerade
berühren. Ferner
sind die Blöcke 3 federbelastet,
so dass eine beträchtliche
Kraft erforderlich ist, um die Blöcke 3 über die
Kanten 17 auseinander zu drücken, wodurch die sofortige
Verschiebung der Betätigungsrichtung erzeugt
wird.
-
In 5 ist
dargestellt, wie die Erfindung außerdem ein neues und sicheres
Prinzip schafft, um verbindende Leitungskanäle senkrecht zur Mittellinie des
Elements bereitzustellen.
-
Die
Verbindungsleitungen dienen zur Verbindung der axialen Leitungskanäle, z. B.
von Leitungskanälen
zum Liefern des Druckmediums zur Arbeitskammer. Diese Verbindungsleitungen
werden typischerweise hergestellt, indem von außerhalb des Elements radial
zur Mittellinie 44 gebohrt wird. Das Loch wird dann verstopft,
indem z. B. ein Spezialstopfen eingeschraubt wird. Die Erfindung
schafft jedoch diese Verbindungsleitungen durch das Herstellen eines
Ringkanals 39 um die Ventilbohrung 40. In dem
Ringkanal 39 wird dann z. B. mit einem T-Fräser eine
radiale Ausnehmung hergestellt, wodurch eine Verbindung zu einer
Leitung 42 parallel zu der Ventilbohrung 40 gebildet
wird.
-
In 6 ist
eine weitere Ausführungsform des
Ventilkörpers 19 dargestellt,
in dem eine ringförmige
Umgehung 48 vorgesehen ist. Außerdem sind zwei Löcher 46, 47 vorgesehen,
wobei die Löcher den
Innenraum des Ventilkörpers 19 mit
der Umgebung des Ventilkörpers
verbinden. Ein Loch 46 ist der ringförmigen Umgehung gegenüberliegend
vorgesehen, wohingegen das andere Loch 47 außerhalb
der ringförmigen
Umgehung vorgesehen ist. Dadurch wird es möglich, einen impulsartigen
Druck auf der einen bzw. der anderen Seite des Ventils sofort auszugleichen,
so dass der Ventilkörper 19 durch
sehr starke oder rasche Druckänderungen
infolge der impulsartigen Arbeitsbewegung in dem Druckverstärker nicht
an dem Zylinder, der das Ventil 19 umgibt, festgeklemmt
wird. In dieser Figur ist der Zylinder nicht dargestellt. Durch
die Schaffung der ringförmigen Umgehung 48 in
dem Ventilkörper 19 wird
somit ein hydrodynamischer Ausgleich in dem Ventilkörper erreicht,
wodurch dieser selbst unter extremen Betriebsbedingungen ohne die
Gefahr des Festklemmens in dem Zylinder zuverlässig arbeitet.
-
7 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung.
-
Im
Unterschied zu den oben erwähnten
Ausführungsformen
weicht dieses Beispiel im Wesentlichen in den folgenden Punkten
ab:
- 1) Verriegelungsmechanismus
- 2) Montage des Ventils
- 3) Feste Anschläge 51 für Federn 10, 36
-
Bei
dieser Ausführungsform
ist der Verriegelungsmechanismus als ein unabhängiger Körper vorgesehen, der z. B.
in den Zylinder 7 geschraubt ist. Dadurch wird erreicht,
dass es verhältnismäßig einfach
wird, das Federelement 4 und/oder die Kugel/Keil-Verriegelungsvorrichtung 35 zu
ersetzen. Das kann in Verbindung mit der üblichen Wartung oder in Verbindung
mit einer gewünschten Änderung in
dem Druckverstärker,
z. B. durch Vergrößerung der Kraft
(stärkere
Feder), die zu überwinden
ist, bevor das Ventil schaltet, der Fall sein.
-
Bei
dieser Ausführungsform
wird die Montage des Ventils mittels einer öldichten Bajonettkupplung ausgeführt. Wenn
der Verriegelungsring 21 montiert ist, sind das Ventil,
die Schubstange und der Niederdruckkolben in dem Zylinder 7 festgestellt.
Unter Verwendung einer Bajonettkupplung wird die Schubstange eingeschoben,
um 90° gedreht
und dann mittels des Verriegelungsbolzens 50 verriegelt/festgestellt.
-
Die
festen Anschläge 51 verhindern
eine zu starke Komprimierung/Quetschung der Feder 10 und sichern
eine korrekte rasche Verstellung bei hohen Frequenzen. Eine zu starke
Kompression/Quetschung kann eine Zerstörung der Feder bewirken, wodurch
die gesamte Funktion der Vorrichtung gestört werden kann.
-
Die
Verriegelungsanordnung ist, wie oben beschrieben wurde, aus Federn 4 aufgebaut,
die Kugeln, Keile oder andere Verriegelungselemente 35 betätigen, um
an dem Umschaltventil 19 in Eingriff zu gelangen und dieses
zu halten. In den 6 und 7 sind die
Nute 30, 31 in dem Umschaltventil als geradlinige
Quernute 34 hergestellt. Die entsprechenden Verriegelungselemente 35 können vorteilhaft
als Keile entworfen sein. Bei dieser Ausführungsform wird eine beträchtlich bessere
Feststellung des Umschaltventils 19 erreicht, da die Keile 35 eine
größere Kontaktfläche an den
Nuten 34 besitzen als die Kugeln an den entsprechenden
Nuten 34 (siehe 2).
-
Zusammenfassung
-
Die
Erfindung betrifft einen Druckverstärker, der einen Niederdruckeinlass
zum Zuführen
eines Mediums bei einem geringen Druck, einen Niederdruckkolben
mit einem ersten Arbeitsbereich und wenigstens einen Hochdruckkolben
mit einem zweiten Arbeitsbereich, wobei der zweite Arbeitsbereich
kleiner ist als der erste Bereich, sowie wenigstens einen Hochdruckauslass
enthält.
(1)