-
Die
Erfindung geht aus von einem Hydrokompensator, der zur Druckstoßglättung in
der Rücklaufleitung
eines hydraulischen Systems eingesetzt wird. Außerdem betrifft die Erfindung
ein hydraulisches System, an dessen Rücklaufleitung ein Hydrokompensator
zur Druckstoßglättung angeschlossen ist.
-
Die
Erfindung ist insbesondere an CNC-Stanzmaschinen (Nibbelmaschinen)
verwendbar. Dort wie in all den Fällen, in denen in relativ kurzer
Zeit, z. B. in 20 ms viel Druckmittelmenge, z. B. 0,15 l in die
Rücklaufleitung
eines hydraulischen Systems eingeleitet werden, treten ohne zusätzliche Maßnahmen
Druckspitzen in der Rücklaufleitung
auf, die diese und darin eingebaute hydraulische Komponenten beschädigen können und
laute Geräusche verursachen.
Es ist bekannt, dem dadurch entgegenzuwirken, daß an die Rücklaufleitung ein Hydrospeicher
angeschlossen ist. Verwendet man einen Blasenspeicher, so gelingt
schon eine gewisse Reduzierung der Druckspitzen. Schneller auf Druckänderungen
reagiert ein Kolbenspeicher, der zudem kein einem Verschleiß unterworfenes
Trennelement zwischen Gas und Hydraulikmedium enthält. Wird
der Kolben des Kolbenspeichers mit dem Druck des im ersten Druckraum
eingeschlossenen Gases beaufschlagt, so macht sich Gasleckage wegen
des geringen Vorspanndruckes, der im Bereich des statischen Druckes
in der Rücklaufleitung
liegt, stark bemerkbar. Belastet man den Kolben nicht mit einem
Gasdruck, sondern mit einer Feder, so fallen zusätzliche Kosten für die Feder
an. Die Masse der Feder geht in die bei einer Druckänderung
zu beschleunigende Masse ein, so daß die Ansprechzeit größer und
die Druckstoßglättung schlechter
als bei einem mit Gasdruck beaufschlagten Kolben ist. Zudem besteht
zwischen dem Druckraum mit dem Hydraulikmedium und dem Federraum
zumindest zeitweise eine hohe Druckdifferenz, die, sofern man keine
zusätzlichen wiederum
die Ansprechzeit verschlechternde Maßnahmen zur Abdichtung trifft,
zu einem starken Übertritt
von Hydraulikmedium in den Federraum führt.
-
Die
DE 479 982 A beschreibt
einen Druckwindkessel für
Dampfspeisepumpen, mit dem Druckstöße in einer Druckleitung verhindert
werden sollen. Im Druckwindkessel ist dafür ein Kolben eingebaut. Ein
in einem durch den Kolben abgetrennten Raum befindliches Gas dient
als Puffer zur Dämpfung
von Druckschlägen.
Um durch die Undichtigkeit des Kolbens austretendes Gas zu ersetzen,
wird das vom Kolben begrenzte Gasvolumen über ein Rückschlagventil aus einem Hauptluftbehälter ergänzt.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hydrospeicher, der an
die Rücklaufleitung
eines hydraulischen Systems angeschlossen ist bzw. ein hydraulisches
System mit einer Rücklaufleitung
und mit einem daran angeschlossenen Hydrospeicher so weiterzuentwickeln,
daß bei
geringen Kosten Druckspitzen in der Rücklaufleitung gut geglättet werden.
-
Dieses
Ziel wird erfindungsgemäß mit einem Hydrospeicher
erreicht, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Das Ziel wird
auch mit einem hydraulischen System gemäß Anspruch 9 erreicht, das einen
erfindungsgemäßen Hydrospeicher
enthält.
-
Bei
einem erfindungsgemäßen an eine Rücklaufleitung
angeschlossenen Hydrospeicher ist der erste Druckraum über ein
zu ihm hin öffnendes Rückschlagventil
mit einem Gasreservoir verbunden. Das bedeutet, daß der Kolben
auf der einen Seite von einem Gasdruck und nicht von einer Feder
beaufschlagbar ist. Dabei kann über
das Rückschlagventil
jederzeit aus dem Gasreservoir Gas in den ersten Druckraum nachströmen, sofern
darin der Gasdruck aufgrund von Leckage unter einen minimalen Betriebsdruck
gefallen ist. Bei einer Bewegung des Kolbens im Sinne einer Verringerung
des Volumens des ersten Druckraums erhöht sich darin der Druck, wobei
das Rückschlagventil
ein Ausströmen
von Gas verhindert.
-
In
dem hydraulischen System, innerhalb dessen ein erfindungsgemäßer Hydrospeicher
verwendet wird, kann, vor allem wenn das System längere Zeit
außer
Betrieb ist, der Druck im System auf Atmosphärendruck absinken. In diesem
Fall kann der Kolben des Hydrospeichers von dem unter Druck stehenden
Gas im ersten Druckraum in eine Endlage verschoben werden. Damit
nun nicht Gas in das hydraulische System strömt, sind Dichtmittel vorgesehen,
die nur in der betrachteten Endlage des Kolbens wirksam sind und
den ersten Druckraum und den zweiten Druckraum gegeneinander abdichten.
Befindet sich der Kolben außerhalb
einer Endlage, so besteht keine Druckdifferenz zwischen den beiden Druckräumen, so
daß kein
Austausch von Fluid zwischen den beiden Druckräumen stattfindet. Insofern sind
auch nicht unbedingt zusätzliche
radiale Dichtungen zwischen dem Kolben und dem Zylinder des Hydrospeichers
notwendig.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Hydrospeichers kann man
den Unteransprüchen
2 bis 8 entnehmen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des hydraulischen
Systems gemäß Anspruch
9 finden sich in den Unteransprüchen
10, 11 und 12.
-
Grundsätzlich ist
es möglich,
als Gasreservoir die Atmosphäre
zu nehmen. Günstiger
erscheint es jedoch, wenn das Gasreservoir ein Druckluftnetz ist
und der minimale Betriebsdruck des Gases im ersten Druckraum höher als
Atmosphärendruck
ist. Ein Druckluftnetz ist bei den meisten Maschinen ohnehin vorhanden,
so daß kaum
zusätzlicher
Aufwand entsteht. Daß der
minimale Betriebsdruck des Gases im ersten Druckraum höher als
der Atmosphärendruck ist,
ist vor allem dann von Vorteil, wenn die Rücklaufleitung vorgespannt ist
und in ihr im Betrieb ein über den
Atmosphärendruck
liegender Druck herrscht. Bei Inbetriebnahme macht dann der Kolben
nicht erst einen großen
Weg, durch den der Druck des Gases im ersten Druckraum auf den in
der Rücklaufleitung herrschenden
Druck angehoben wird. Der Hydrospeicher kann dann recht klein bauen.
-
Bevorzugt
werden die Dichtmittel nicht durch einen Dichtring am Kolben, sondern
gemäß Anspruch
5 durch einen ortsfest angeordneten Dichtring des Zylinders gebildet,
der vorteilhafterweise in eine Eindrehung einer Endkappe eingesetzt
ist.
-
In
einem hydraulischen System mit einer vorgespannten Rücklaufleitung
wird der minimale Gasdruck im Hydrospeicher bevorzugt höher als
der Vorspanndruck der Rücklaufleitung
gewählt,
weil dann Gasverluste auch bei längerem
Betrieb sicher aus dem Gasreservoir ausgeglichen werden.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Hydrospeichers
sowie ein hydraulisches System, in dem ein solcher Hydrospeicher
eingesetzt ist, sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand dieser Zeichnungen
wird die Erfindung nun näher
erläutert.
-
Es
zeigen
-
1 das
hydraulische System,
-
2 den
Hydrospeicher mit konstruktiven Einzelheiten in einem Längsschnitt
und
-
3 eine
Draufsicht auf den Hydrospeicher nach 2.
-
Das
hydraulische System nach 1 ist z.B. an einer Nibbelmaschine
installiert und besitzt als Druckmittelquelle eine verstellbare
Hydropumpe 10, die Hydrauliköl aus einem Tank 11 ansaugt
und über ein
Rückschlagventil
in eine Druckleitung 12 abgibt. An diese ist zur Glättung von
durch die Hydropumpe 10 verursachten Druckpulsationen ein
Hydrospeicher 13 angeschlossen.
-
Als
hydraulischer Verbraucher ist ein Differentialzylinder 15 vorhanden,
dessen Kolben 16 das Innere des Zylindergehäuses 17 in
einen kolbenstangenseitigen, im Querschnitt ringförmigen Druckraum 18 und
einen kolbenstangenabseitigen, im Querschnitt kreisscheibenförmigen Druckraum 19 aufteilt. Start
und Stopp, die Richtung sowie die Geschwindigkeit des Kolbens 16 sind
mit einem Proportional-Wegeventil 25 steuerbar, das als
3-stufiges-Servoventil
mit elektrischer Lageregelung des Steuerkolbens der dritten Stufe,
also des Hauptkolbens 26 ausgebildet ist und dazu einen
elektrischen Weggeber 27 aufweist. Das Wegeventil 25 besitzt
vier Druckmittelanschlüsse,
nämlich
einen Druckanschluß P,
einen Tankanschluß T,
einen Verbraucheranschluß A
und einen Verbraucheranschluß B.
Letzterer wird in der vorliegenden Schaltung nicht gebraucht und
ist verschlossen. In der Mittelstellung des Hauptkolbens 26 sind
alle vier Anschlüsse
gegeneinander abgesperrt. Bei einer Verschiebung des Hauptkolbens
aus der Mittel stellung heraus in eine Richtung a werden der Druckanschluß P mit
dem Verbraucheranschluß A
und der Verbraucheranschluß B
mit dem Tankanschluß T
verbunden. Bei einer Verschiebung aus der Mittelstellung heraus
in die andere Richtung b werden der Druckanschluß P mit dem Verbraucheranschluß B und
der Verbraucheranschluß A
mit dem Tankanschluß T
verbunden.
-
Die
Druckleitung 12 führt
einerseits zum Druckraum 18 des Differentialzylinders 15 und
andererseits zum Druckanschluß P
des Wegeventils 25. Außerdem
sind der Verbraucheranschluß A
des Wegeventils 25 und der Druckraum 19 des Differentialzylinders 15 miteinander
verbunden. Von dem Tankanschluß des
Wegeventils 25 führt
eine Rücklauf- oder
Tankleitung 30 über
ein Rückschlagventil 31 und eine
dazu parallel geschaltete Düse 32 zum
Tank 11. Der Schließkörper 33 des
Rückschlagventils 31 wird von
einer Druckfeder 34 gegen einen Sitz gedrückt. Die
Kraft, die die Druckfeder 34 auf den Schließkörper 33 ausübt, entspricht
einem bestimmten Druck, z.B. 2 bar in dem Tankleitungsabschnitt
zwischen dem Wegeventil 25 und dem Rückschlagventil 31. Erst
wenn dieser Druck überschritten
ist, öffnet
das Rückschlagventil.
Die Düse 32 bewirkt,
daß der Druck
in dem genannten Tankleitungsabschnitt nach einer gewissen Zeit
auf Atmosphärendruck
absinkt.
-
An
den zwischen dem Rückschlagventil 31 und
dem Wegeventil 25 befindlichen Abschnitt der Tankleitung 30 ist
nahe am Wegeventil ein Hydrospeicher 40 angeschlossen,
der als Kolbenspeicher ausgebildet ist. Ein aus einem Profilstrang
abgeschnittener Zylinder 41 des Hydrospeichers 40 und zwei
Endkappen 42 und 43, die auf den Zylinder 41 aufgesetzt
sind und mit einem Zentrierbund 44 in diesen hineingreifen,
umschließen
einen Hohlraum 45 von kreiszylindrischem Querschnitt. Am
Außenumfang
sind der Zylinder 41 sowie die beiden Endkappen 42 und 43 quadratisch
gestaltet, so daß in
den Ecken genug Material vorhanden ist, um die Endkappen mit Hilfe
von Schrauben 46 am Zylinder 41 befestigen zu
können.
-
In
dem Hohlraum 45 ist ein fliegender Kolben 50 bewegbar,
der den Hohlraum in einen ersten Druckraum 51, in dem sich
ein Gas, vorzugsweise Luft, befindet, und in einen zweiten Druckraum 52 aufteilt,
der an die Tankleitung 30 angeschlossen ist. Konstruktiv
ist die Verbindung zwischen der Tankleitung 30 und dem
Druckraum 52 dadurch auf einfache Weise hergestellt, daß die Endkappe 43 zentral
eine durchgehende Axialbohrung 53 und eine senkrecht von
der Axialbohrung abgehende und nach außen führende Radialbohrung 54 aufweist.
Die Axialbohrung ist mit dem Tankanschluß T des Wegeventils 25 und
die Radialbohrung 54 mit einem zum Rückschlagventil 31 führenden
Leitungsabschnitt der Tankleitung 30 verbunden. Die Endkappe 43 wird
also zugleich als Abzweigstück
genutzt. Der Durchmesser der Axialbohrung 53 ist größer als
derjenige der Radialbohrung 54, da es darauf ankommt, daß Hydrauliköl möglichst
ungehindert in den Druckraum 52 einströmen kann.
-
An
ihrem Zentrierbund 44 besitzt die Endkappe 43 eine
axial zum Druckraum 52 und radial zum Zylinder 41 hin
offene Eindrehung 55 mit einem halben Schwalbenschwanzquerschnitt,
in die ein aus einem elastischen Material und einen entsprechenden
Querschnitt aufweisender Dichtring 56 eingesetzt ist, der
zumindest im entspannten Zustand über die Stirnseite des Zentrierbundes 44 vorsteht
und der in einer Endposition des Kolbens 50 von diesem
beaufschlagbar ist. Dadurch ist in dieser Endposition die Tankleitung 30 gegen
den Druckraum 51 hin abgedichtet. In die Endkappe 42 ist
ein Rückschlagventil 60 eingebaut,
das zum Druckraum 51 hin öffnet und über ein Druckminderventil 61 mit
einer pneumatischen Druckquelle 62, z.B. dem Preßluftnetz
einer Maschine oder einer Fabrikationshalle, verbunden ist. Das
Druckminderventil 61 ist verstellbar und auf einen über den
Atmosphärendruck
liegenden Druck eingestellt. Z.B. ist die Einstellung so getroffen,
daß unter
Berücksichtigung
eines Druckabfalls am Rückschlagventil 60 in
dem Druckraum 51 ein Druck, der über dem durch das Rückschlagventil 31 verursachten
Vorspanndruck der Tankleitung 30 liegt und z.B. 2,3 bar
beträgt,
herrscht. Dabei ist damit ähnlich
wie hinsichtlich der Kraft der Feder 34 des Rückschlag ventils 31 jeweils
nicht der absolute Druck, sondern der über Atmosphärendruck liegende Druck gemeint.
-
Der
Hydrospeicher 40 ist vornehmlich so montiert, daß seine
Längsachse
vertikal angeordnet ist und sich die Endkappe 42 oben befindet.
-
Wenn
das hydraulische System nach 1 längere Zeit
stillsteht oder wenn sich das Wegeventil 25 in einer Stellung
befindet, in der eine gewisse Zeit kein Hydrauliköl in die
Tankleitung 30 nachfließt, fällt in dieser durch Abfluß von Öl über die
Düse 32 der Druck
auf Tankdruck ab. Die unter Druck stehende Preßluft im Druckraum 51 des
Hydrospeichers 40 kann dann den Kolben 50 ganz
nach unten in eine Endposition verschieben, in der der Kolben 50 auf dem
Dichtring 56 aufliegt. Es kann somit keine Luft aus dem
Druckraum 51 in das hydraulische System übertreten.
-
Ausgehend
von einer Position des Kolbens 16 des Differentialzylinders 15,
in der der Kolben angehoben ist und der Druckraum 19 sein
minimales Volumen besitzt, sowie von der Mittelstellung des Wegeventils 25 möge nun die
Anlage in Betrieb genommen und das Wegeventil 25 in seine
Stellung b gebracht werden. Nun strömt Hydrauliköl von der
Hydropumpe 10 über
die Druckleitung 12 und das Wegeventil 25 in den
Druckraum 19 des Differentialzylinders 15. Aus
dem Druckraum 18 verdrängtes Öl gelangt
ebenfalls über
das Wegeventil 25 in den Druckraum 19. Der Differentialzylinder 15 wird
also in Differentialschaltung betrieben. In die Tankleitung 30 fließt kein
Hydrauliköl.
-
Zum
Rückhub
des Kolbens 16 wird das Wegeventil 25 in die andere
Stellung gebracht, in der sein Verbraucheranschluß A mit
dem Tankanschluß T
verbunden ist. Das während
des Rückhubs
aus dem Druckraum 19 des Differentialzylinders 15 verdrängte Öl fließt nun in
die Tankleitung 30 hinein. Die Menge ist so groß, daß der Druck
in der Tankleitung über
2,3 bar ansteigt, so daß der
Kolben 50 des Hydrospeichers 40 angehoben wird
und die Preßluft
im Druckraum 51 des Hydrospeichers komprimiert. Dadurch
wird eine hohe Druckspitze in der Tankleitung verhindert. Der Druck
in der Tankleitung baut sich durch Abfluß von Öl über das Rückschlagventil 31 und
die Düse 32 wieder
ab, so daß der
Kolben 50 des Hydrospeichers 40 zurück in Richtung
Endkappe 43 bewegt wird. Fällt dabei in jedem Zyklus der
Druck in der Tankleitung unter den, vom Druckabfall am Rückschlagventil 60 einmal
abgesehen, am Druckminderventil 61 eingestellten Druck
ab, so bewegt sich der Kolben 50 bis zum Dichtring 56.
Es ist dann sichergestellt, daß nicht
aufgrund von Luftverlusten das Volumen des Druckraums 51 immer
kleiner wird. Am einfachsten ist es, durch eine entsprechende Einstellung
des Druckminderventils 61 dafür zu sorgen, daß der minimale
Druck der Luft im Druckraum 51 höher als der durch das Rückschlagventil 31 in
der Tankleitung 30 verursachte Vorspanndruck ist.