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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Gasdruckfeder mit einem Druckraum,
der das Gas enthält
und mit einem Arbeitskolben, der axial beweglich geführt ist
und gegen den Gasdruck im Druckraum arbeitet, derart, dass beim
Einfahren des Kolbens (Absenkbewegung) der Gasdruck im Druckraum
abnimmt (negative Federkennlinie), umfassend ein regelbares Gasvolumen
außerhalb
der Gasdruckfeder, das mit dem Druckraum der Gasdruckfeder über eine Gasleitung
verbunden ist, wobei sich das regelbare Gasvolumen im Inneren eines
Regel- und Stellzylinders befindet.
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Gasdruckfedern
sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei den herkömmlichen
Gasdruckfedern ist es so, dass dadurch, dass der Arbeitskolben beim
Einfahren der Gasdruckfeder gegen den Gasdruck im Druckraum arbeitet,
der Druck beim Einfahren des Kolbens der Gasdruckfeder, also bei der
Absinkbewegung im Druckraum unterhalb des Kolbens (Gegendruck) zunimmt.
Je nachdem wie stark diese Druckzunahme ist, ergibt sich daraus
die Federkennlinie der Gasdruckfeder. Grundsätzlich kann man zwar das Volumen
des Druckraums vergrößern und
damit die Federkennlinie abflachen, aber durch die Gesetzmäßigkeiten
nimmt der Druck im Druckraum beim Einfahren des Kolbens der Gasdruckfeder
in jedem Fall immer zu bei den herkömmlichen Gasdruckfedern. Dadurch
ist auch beim Rückhub,
also bei der Aufwärtsbewegung
des Kolbens, was man auch als Ausfahren der Gasdruckfeder bezeichnen
kann, eine entsprechende Gegenkraft, die auf den Kolben wirkt. Diese
Gegenkraft kann bei stärkerer
Druckzunahme relativ hoch sein. Eine solche Gegenkraft ist bei bestimmten
Anwendungsbereichen solcher Gasdruckfedern, zum Beispiel bei der Verwendung
zur Abfederung eines Tiefziehwerkzeugs, unerwünscht.
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Die
DE 694 11 737 T2 beschreibt
eine Gasdruckfeder mit einem regelbaren Gasvolumen der eingangs
genannten Gattung. Beim Einfahren des Kolbens nimmt der Gasdruck
im Druckraum ab, so dass sich eine negative Federkennlinie ergibt.
Das regelbare Gasvolumen, das sich im Inneren eines zweiten Zylinders
befindet, nimmt beim Einfahren des Kolbens der ersten Gasdruckfeder
in dem Maße zu,
wie das Volumen im Druckraum der Gasdruckfeder abnimmt. Die beiden
Zylinder-Kolben-Einheiten, von denen eine als Arbeitsfedereinheit
und die andere als Tochterfedereinheit bezeichnet werden, stehen in
gegenseitiger Wirkverbindung dadurch, dass ein Joch vorhanden ist,
so dass bei einer auf das Joch einwirkenden Kraft beide Zylinder-Kolben-Einheiten im
gleichen Maße
komprimiert werden. Der Druckraum der ersten Gasdruckfeder ist mit
dem regelbaren Volumen der Tochterfeder verbunden, deren Druckraum
wiederum mit einem Raum oberhalb des Kolbens der Arbeitsfeder verbunden
ist. Bedingt durch die Kopplung und der Bauart der beiden Zylinder-Kolben-Einheiten sind jedoch
die Möglichkeiten der
Einflussnahme auf die Federkennlinie beschränkt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Gasdruckfeder
der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die eine vielseitigere Verwendungsweise
zulässt.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe liefert eine Gasdruckfeder der eingangs genannten
Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Erfindungsgemäß ist die
Gasdruckfeder so gestaltet, dass beim Einfahren des Kolbens (Absenkbewegung)
der Gasdruck im Druckraum abnimmt, so dass eine negative Federkennlinie
entsteht.
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Dies
wird so gelöst,
dass man ein regelbares Gasvolumen außerhalb der Gasdruckfeder vorsieht, das
mit dem Druckraum über
eine Gasleitung verbunden ist. Dieses regelbare Gasvolumen befindet sich
innerhalb eines Regelzylinders mit axial beweglichem Kolben. Das
regelbare Gasvolumen kann sich zum Beispiel auf der einen Seite
eines Kolbens befinden, wobei auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens
ein relativ großvolumiger
zylindrischer Hohlraum vorgesehen ist. Man kann den Querschnitt
des Kolbens des Regelzylinders gegebenenfalls größer wählen als den Querschnitt des
Druckraums der Gasdruckfeder.
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Die
Bewegung des Kolbens der Gasdruckfeder wird mit der Bewegung des
Kolbens des Regelzylinders koordiniert.
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Es
ist ein veränderliches
Gasvolumen vorgesehen und dieses wird auf elektronischem Wege geregelt,
wobei sich das genannte regelbare Gasvolumen im Inneren eines Regel-
und Stellzylinders befindet.
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Dieser
Regel- und Stellzylinder weist einen axial beweglichen Kolben auf,
der über
einen Antrieb eine Hubbewegung in axialer Richtung im Inneren des
Regel- und Stellzylinders ausführt,
wobei der Antrieb des Kolbens über
Getriebemittel und ein Stellglied erfolgt und dieses Stellglied
mit einer Regelelektronik in Verbindung steht.
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Es
ist außerdem
eine Wegmeßeinheit
vorgesehen, die die jeweilige Wegstellung der Gasdruckfeder misst
und ein entsprechendes Signal an die Regelelektronik weiterleitet.
Diese Regelelektronik kann dann entsprechend der Stellung der Gasdruckfeder über das
Stellglied und die Getriebemittel einen entsprechenden Hub des Kolbens
bewirken.
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Im
Rahmen der Erfindung kann das Stellglied beispielsweise ein Stellmotor
sein. Als Getriebemittel kann man beispielsweise eine Spindel oder dergleichen
verwenden.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem Druckraum
der Gasdruckfeder und dem regelbaren Gasvolumen in der entsprechenden
Verbindungsleitung ein Absperrventil vorgesehen ist.
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Außerdem kann
man bei Bedarf einen Gasspeicher vorsehen, der an eine Zweigleitung
angeschlossen ist, die mit dem Druckraum der Gasdruckfeder verbunden
ist. Die Verbindung zum Gasspeicher kann über ein Absperrventil absperrbar
sein. Vorzugsweise enthält
dieser Gasspeicher ein zum Volumen des Druckraums der Gasdruckfeder
vergleichsweise großes
Volumen. Bei der genannten Variante der Erfindung kann man beispielsweise
so vorgehen, dass man beim Einfedern der Gasfeder ein Absperrventil öffnet, so
dass die Gasdruckfeder mit dem Gasspeicher verbunden ist. Bei eingefahrener
Gasfeder kann man das Sperrventil schließen und danach das vorhandene regelbare
Gasvolumen vergrößern. Diese
Vorgehensweise führt
zu einem Druckabbau in der Gasdruckfeder, der sich beim Ausfahren
der Gasdruckfeder (Rückhub)
weiter fortsetzt. Man kann so die Druckreduzierung in dem insgesamt
geschlossenen System maximieren. Man erreicht einen relativ großen Druckabbau
sowohl in der eingefahrenen Position der Gasdruckfeder als auch beim
Ausfahren der Gasdruckfeder in die Ausgangsstellung, so daß der Gegendruck,
den die Gasdruckfeder beim Rückhub
erzeugt, minimiert wird. Dies ist bei bestimmten Verwendungsarten
solcher Gasdruckfedern, zum Beispiel beim Einsatz in Werkzeugen,
die für
Tiefziehvorgänge
verwendet werden, vorteilhaft.
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Im
folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
Dabei zeigen
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2 eine
schematisch vereinfachte Darstellung eines Systems gemäß der Erfindung
umfassend eine Gasdruckfeder mit regelbarem Gasvolumen gemäß einer
Variante der Erfindung
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3 eine
schematisch vereinfachte Darstellung eines Systems umfassend eine
erfindungsgemäße Gasdruckfeder
mit regelbarem Gasvolumen gemäß einer
weiteren Variante der Erfindung
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4 eine
schematisch vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems
umfassend eine Gasdruckfeder mit regelbarem Gasvolumen gemäß einer
Variante der Erfindung
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5 eine
schematisch vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems
umfassend eine Gasdruckfeder mit regelbarem Gasvolumen gemäß einer
weiteren Variante der Erfindung.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 2 ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher beschrieben,
bei dem die Regelung des veränderlichen
Gasvolumens elektronisch erfolgt. Es ist wiederum eine Gasdruckfeder
vorhanden, die hier mit 20 bezeichnet ist und die einen
axial beweglichen Kolben 22 und einen Druckraum 21 aufweist.
Dieser Druckraum 21 ist wiederum über eine Gasleitung 23 mit
einem regelbaren Gasvolumen 24 verbunden, das sich im Inneren
eines Regel- und Stellzylinders 25 befindet. Innerhalb
dieses Regel- und Stellzylinders 25 befindet sich ein axial
beweglicher Kolben 26, der über einen Antrieb eine Hubbewegung
in axialer Richtung im Inneren des Regel- und Stellzylinders 25 ausführt. Für den Antrieb
der Hubbewegung des Kolbens 26 kann man zum Beispiel eine
Spindel 29 verwenden, die ein Außengewinde aufweist und über einen
Stellmotor 30 angetrieben wird und um ihre Längsachse
rotiert.
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In
dem in der Zeichnung rechten Ende des Kolbens 26, das dem
regelbaren Gasvolumen 24 abgewandt ist, ist eine Spindelmutter 31 montiert
mit Innengewinde, so daß bei
Drehung der Spindel 29 der Kolben 26 eine Axialbewegung
innerhalb des Regel- und Stellzylinders 25 ausführt. Jenseits
des Kolbens 26 auf der dem regelbaren Gasvolumen 24 gegenüberliegenden
Seite befindet sich ähnlich
wie bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß 1 der entsprechende Hohlraum 28,
so daß der Kolben 26 einen
ausreichenden Hub aus der in 2 dargestellten
Stellung nach rechts ausführen
kann.
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Der
Stellmotor 30 steht über
eine Leitung 32 in Verbindung mit einer Regelelektronik 33.
Weiterhin ist eine Wegmesseinheit 34 vorgesehen, die die
jeweilige Wegstellung beziehungsweise die zurückgelegte Wegstrecke der Gasdruckfeder 20 mißt und ein entsprechendes
Signal über
eine Verbindungsleitung 35 an die Regelelektronik 33 weiterleitet.
Somit ist der Regelelektronik 33 die jeweilige Stellung
der Gadruckfeder 20 bekannt. Sie wertet diese Signale über die
Stellung der Gasdruckfeder 20 aus und gibt dann über die
Leitung 32 ein entsprechendes Signal an den Stellmotor 30,
so daß dieser
dann auf die Spindel 29 einwirkt, die dann einen Hub des
Kolbens 26 bewirkt um eine vorgegebene Wegstrecke, die
sich aus einer vorgenommenen Programmierung der Regelelektronik 33 ergeben
kann.
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Bei
dieser Variante der Erfindung ist man also recht variabel und kann
je nach Programmierung einen bestimmen Hub der Gasdruckfeder 20 einem entsprechenden
Hub des Kolbens 26 zuordnen, das heißt, das jeweilige Verhältnis zwischen
Hub der Gasdruckfeder 20 und Hub des Kolbens 26 und
somit das Verhältnis
des Volumens des Druckraums 21 der Gasdruckfeder 20 zu
dem regelbaren Gasvolumen 24 kann unterschiedlich gewählt werden.
Dadurch kann je nach diesem Verhältnis
eine unterschiedlich starke Entspannung des Gases im Druckraum 21 bei Absenken
des Kolbens 22 der Gasdruckfeder 20 aufgrund der
entsprechenden Vergrößerung des
regelbaren Gasvolumens 24 herbeigeführt werden. Man kann damit
je nach Bedarf unterschiedliche negative Federkennlinien erzeugen.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 3 eine weitere
Variante der Erfindung anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels
beschrieben. Wie der Vergleich mit der Darstellung gemäß 2 zeigt, ist
der Aufbau bei der Variante gemäß 3 im
Prinzip ähnlich.
Es sind wiederum vorhanden die Wegmesseinheit 34 und die
Gasdruckfeder 20. Weiterhin ist vorhanden die Regelelektronik 33,
die mit der Wegmesseinheit 34 über die Leitung 35 verbunden ist.
Ebenso ist vorhanden der Stellmotor 30, der über die
Leitung 32 mit der Regelelektronik 33 verbunden ist.
Der Stellmotor 30 wirkt auf die Spindel 29 ein,
die wiederum einen axialen Hub des Kolbens 26 bewirkt, wodurch
das regelbare Gasvolumen 24 in dem Regel- und Stellzylinder 25 vergrößert oder
verkleinert werden kann.
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Im
Unterschied zu der oben zu 2 beschriebenen
Ausführungsvariante
ist bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 zusätzlich noch
ein Absperrventil 36 vorhanden, das in die Leitung 23 eingebaut
ist und sich somit zwischen dem Druckraum 21 der Gasdruckfeder 20 und
dem regelbaren Gasvolumen 24 befindet. Bei dieser Variante
ist es zum Beispiel möglich,
in der unteren Stellung des Kolbens 22 der Gasdruckfeder 20,
in der sich der Kolben 26 des Regel- und Stellzylinders 25 in
seiner in der Zeichnung gemäß 3 rechten
Stellung befindet und das regelbare Gasvolumen 24 sein
maximales Volumen erreicht hat, das Absperrventil 36 zu
verschließen.
Wenn dann der Kolben 22 der Gasdruckfeder 20 sich
wieder nach oben bewegt, kann das Gas aus dem regelbaren Gasvolumen 24 nicht
zurückströmen und
dadurch nimmt der Druck im Druckraum 21 bei Aufwärtsbewegung
des Kolbens 22 sehr rasch ab. Dies bedeutet bei dem Rückhub liegt
ein wesentlich geringerer Gegendruck auf dem Kolben 22.
Es wirkt also eine wesentlich geringere Gegenkraft bei der Aufwärtsbewegung
des Kolbens 22 der Gasdruckfeder 20, was für bestimmte
Anwendungen vorteilhaft ist.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß einer
Variante der Erfindung. Bei dieser Ausführungsvariante ist zusätzlich noch
ein Gasspeicher 37 vorgesehen, der an eine Zweigleitung 38 angeschlossen
ist, die von der Leitung 23 zum regelbaren Gasvolumen 24 abzweigt.
Diese Zweigleitung 38 ist über das Absperrventil 39 verschließbar. Der
Gasspeicher 37 enthält
ein vergleichsweise großes
Volumen 37a im Verhältnis
zum Volumen des Druckraums 21 der Gasdruckfeder 20.
Dies führt
zu einem relativ gleichbleibenden Druck beim Einfedern der Gasdruckfeder 20.
Beim Einfedern der Gasdruckfeder 20 ist das Absperrventil 39 geöffnet und
die Gasdruckfeder 20 ist mit dem Gasspeicher 37 verbunden.
Bei eingefahrener Gasdruckfeder 20, das heißt, wenn
sich der Kolben 22 der Gasdruckfeder 20 in seiner
unteren Endstellung befindet, wird das Absperrventil 39 geschlossen
und daran anschließend
wird das regelbare Gasvolumen 24 auf ein Maximum vergrößert. Diese
Schaltungsweise führt
zu einem sehr hohen Druckabbau in der Gasdruckfeder 20,
der sich beim Ausfahren derselben weiter fortsetzt. Somit erreicht
man die größte Druckreduzierung
in einem geschlossenen System dieser Art. Diese Variante der Erfindung
dient also vorwiegend dazu, einen sehr großen Druckabbau in der eingefahrenen
Position der Gasdruckfeder 20 und beim Ausfahren der Gasdruckfeder 20 in
die Ausgangsstellung zu erreichen.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 5 eine weitere
Variante der Erfindung näher
beschrieben. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt wiederum
die elektronische Regelung des regelbaren Gasvolumens 24 mit
Hilfe der Regelelektronik 33, wobei die jeweilige Stellung
der Gasdruckfeder 20 von der Wegmesseinheit 34 gemessen
wird. Auch bei dieser Variante kann der Gasspeicher 37 verwendet
werden. Zusätzlich
zu dem Absperrventil 39 in der Leitung 38 zum
Gasspeicher 37 wird ein weiteres Absperrventil 40 verwendet,
das sich in der Leitung 23 zum regelbaren Gasvolumen 24 befindet.
Dadurch kann man die Leitung 23 zum regelbaren Gasvolumen 24 absperren.
Somit ist es zu Beginn oder vor Beginn der Hubbewegung des Kolbens 22 der Gasdruckfeder 20 nach
unten bereits möglich, über den
Stellmotor 30 den Kolben 26 des Regel- und Stellzylinders
nach rechts zu fahren und somit das regelbare Gasvolumen 24 zu
vergrößern. Nach
dem Einfahren der Gasdruckfeder wird das Absperrventil 39 zum
Gasspeicher 37 geschlossen und kurz darauf wird das Absperrventil 40 zum
regelbaren Gasvolumen 24 geöffnet. Das regelbare Gasvolumen 24 wurde
bereits aus Zeitersparnis beim Einfahren der Gasdruckfeder in die
Maximalstellung gefahren. Diese Schaltungsvariante ermöglicht gegenüber der
vorangegangenen eine höhere
Taktfrequenz. Durch das frühe Öffnen des
Absperrventils 40 entspannt sich das Gas in dem Druckraum 21 bereits
zu Beginn der Hubbewegung des Kolbens 22 nach unten in
das relativ große
regelbare Gasvolumen 24, so daß man eine stärker abnehmende
Federkennlinie erreichen kann.