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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.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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Aufgabenstellung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiel
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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.
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Es zeigen
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1 das hydraulische System,
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2 den Hydrospeicher mit konstruktiven Einzelheiten in einem Längsschnitt und
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3 eine Draufsicht auf den Hydrospeicher nach 2.
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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.
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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 Mittelstellung 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.
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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.
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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.
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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.
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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, da 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 Rückschlagventils 31 jeweils nicht der absolute Druck, sondern der über Atmosphärendruck liegende Druck gemeint.
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Der Hydrospeicher 40 ist vornehmlich so montiert, daß seine Längsachse vertikal angeordnet ist und sich die Endkappe 42 oben befindet.
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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.
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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.
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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.