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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrozylinder mit einer Kolben-Zylindereinheit zur Erzeugung einer Linearbewegung.
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Elektrozylinder sind elektromotorisch betriebene Verstellaggregate, die ein Schubrohr linear aus- und einfahren können. Diese Linearaktuatoren erzeugen mit Hilfe eines elektrischen Antriebs eine besonders hohe Kraft. Auch bilden diese Elektrozylinder eine konstruktive Alternative oder auch eine Ergänzung zu bekannten Pneumatikzylindern oder Hydraulikzylindern.
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Die Installation derartiger Elektrozylinder ist im Gegensatz zu bekannten Hydraulikzylindern bzw. Pneumatikzylindern recht einfach gehalten, da hier lediglich Stromleitungen zur Versorgung des elektrischen Antriebs benötigt werden. Die erforderlichen Stromleitungen für den Betrieb der Elektrozylinder führen im Vergleich zu den erforderlichen Luftschläuchen für Pneumatikzylinder und Hochdruckschläuchen für Hydraulikzylinder zu einem erheblichen Kostenvorteil.
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Im Stand der Technik sind die wesentlichen Elemente eines bekannten Elektrozylinders zusammengefaßt mit einem Motor, einem Getriebe, einer Spindel und einem Endschalter wiedergegeben. Das Motorgetriebe ist in der Regel über eine Kupplung mit der Gewindespindel verbunden, welche die Antriebskraft des Motors auf das Schubrohr des Zylinders überträgt. Über den Rechts- und Linkslauf des Motors wird das Schubrohr aus- und eingefahren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nunmehr darin, eine alternative konstruktive Lösung eines Elektrozylinders aufzuzeigen. Im wesentlichen sollen bestimmte Vorzüge der Zylindertechnik miteinander kombiniert werden und ein neuer Konstruktionsansatz für einen Elektrozylinder aufgezeigt werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen Elektrozylinder mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Demnach besteht der Elektrozylinder aus einer Kolben-Zylindereinheit zur Erzeugung einer Linearbewegung. Erfindungsgemäß weist der Elektrozylinder wenigstens eine in die Einheit integrierte, elektrisch antreibbare Pumpe zur Druckkrafterzeugung auf wenigstens eine Wirkfläche der Kolben-Zylindereinheit auf. Die Kolben-Zylindereinheit entspricht bevorzugt einer bekannten Konstruktion eines Zylinders mit mindestens einem darin linear beweglich angeordneten Kolben, der sich aus wenigstens einer Kolbenstange und wenigstens einer Kolbenfläche zusammensetzt. Mittels der wenigstens einen Pumpe lässt sich auf wenigstens eine Wirkfläche des Kolbens eine Druckkraft erzeugen, die eine Linearbewegung des Kolbens hervorruft. Da wenigstens eine Pumpe elektrisch antreibbar ist, ist das Gesamtsystem der Kolben-Zylindereinheit von außen betrachtet als rein elektrischer Zylinder zu interpretieren. Die Kolben-Zylindereinheit weist folglich wenigstens einen Anschluß zur Energieversorgung des elektrischen Antriebs wenigstens einer Pumpe auf. Durch die Pumpenkraft lässt sich vorzugsweise eine hydraulische oder auch pneumatische Druckkraft erzeugen. Die Erfindung ist allerdings nicht auf eine derartige Ausgestaltung beschränkt.
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Besonders bevorzugt ist der Elektrozylinder als doppeltwirkender Zylinder ausgeführt. Demnach besitzt der Zylinder zwei gegenüberliegende Kolbenflächen, wodurch sich zwei aktive Bewegungsrichtungen des Elektrozylinders ergeben. In diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass wenigstens eine integrierte, elektrisch antreibbare Pumpe pro Bewegungsrichtung vorgesehen ist. Dabei sind die Pumpen derart angeordnet, so dass der Pumpenbetrieb jeweils einer Pumpe eine Kraft auf die jeweils zugeordnete Kolbenfläche bewirkt. Durch die entsprechende Ansteuerung der Pumpe lässt sich folglich eine entsprechende Linearbewegung der Kolbenstange in bestimmter Richtung erzielen.
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Möglich ist eine Ausführung des Elektrozylinders nach dem Prinzip eines Differentialzylinders. Der Elektrozylinder besitzt demnach nur auf einer Seite der Kolbenfläche eine Kolbenstange, wodurch sich zwei verschieden große Wirkflächen ergeben.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist wenigstens eine elektrisch antreibbare Pumpe als Hydraulikpumpe ausgeführt. Die Hydraulikpumpe ist demnach an eine Quelle zur Versorgung mit Hydraulikmedium angeschlossen und pumpt das Hydraulikmedium in den entsprechenden Druckraum vor der Wirkfläche der Kolben-Zylindereinheit. Der erzeugte hydraulische Druck wirkt auf die jeweilige Wirkfläche der Kolben-Zylindereinheit und führt zur Linearbewegung des Zylinderkolbens. Ist der Elektrozylinder als Differentialzylinder ausgeführt, so wird eine Ausschubbewegung des Kolbens durch die Druckerhöhung des Hydraulikmediums im Druckraum vor der Kolbenfläche mittels der ersten elektrisch antreibbaren Hydraulikpumpe erzielt. Der Pumpenbetrieb der zweiten Hydraulikpumpe im Bereich der Ringfläche des Kolbens führt zur Einschubbewegung der Kolbenstange.
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Denkbar ist es, dass pro Pumpe wenigstens ein Elektromotor bzw. Elektrogenerator als Pumpenantrieb vorgesehen ist. So besteht die Möglichkeit, dass der Elektroantrieb zur Druckerzeugung im jeweiligen Druckraum als Elektromotor arbeitet, und während der Druckverminderung im Druckraum als Elektrogenerator arbeitet. Im Generatorbetrieb besteht grundsätzlich die Möglichkeit zur Energierückgewinnung, indem die während des Generatorbetriebs erzeugte elektrische Energie in wenigstens einem Speichermittel speicherbar und für den Motorbetrieb wiederverwendbar ist. Diese vorteilhafte erfindungsgemäße Ausführung erlaubt eine erhebliche Reduzierung des vorliegenden Energieverbrauchs des erfindungsgemäßen Elektrozylinders.
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Die Integration eines Hydraulikmediumtanks in den Elektrozylinder erfolgt vorteilhafterweise zwischen Außen- und Innenwand des Zylindergehäuses. Beispielsweise wird zwischen dem Zylinderaußenrohr und dem innen angeordneten Mantel ein Ringraum erzeugt. Dieser Ringraum nimmt die zum Betrieb ausreichende Menge des Hydraulikmediums auf. Beispielsweise ist der gesamte Ringraum in Längsrichtung des Zylindergehäuses mit einem Hydraulikmedium gefüllt. Als Hydraulikmedium wird beispielsweise ein Hydrauliköl verwendet, das in den Ringraum eingefüllt wird.
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Zur Versorgung der wenigstens einen Hydraulikpumpe mit Hydraulikmedium ist diese mittelbar oder unmittelbar mit dem Hydraulikmediumtank des Zylinders verbunden. Die Pumpe ist bevorzugt über eine bidirektionale Hydraulikleitung mit dem Hydraulikmediumtank verbunden, so dass zur Druckerzeugung bzw. Druckablassung das Hydraulikmedium vom Hydraulikmediumtank angesaugt bzw. in diesen zurückbefördert werden kann. Denkbar ist es, dass alle verwendeten Hydraulikpumpen Zugriff auf einen gemeinsam verwendeten Hydraulikmediumtank haben. Selbstverständlich ist auch eine Zuordnung von jeweils einem separaten Hydraulikmediumtank pro Pumpe zulässig.
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Vorteilhafterweise ist im Hydraulikmediumtank wenigstens eine Gasspeicherblase angeordnet. Die Hydraulikflüssigkeit wird gegen das Gas in der Blase in den Hydraulikmediumtank gepresst. Die Gasspeicherblase kann vorteilhafterweise als Gummiblase ausgebildet sein. Ferner sind ähnliche Materialien denkbar, die eine erforderliche Elastizität der Speicherblase zulassen. Durch die Anordnung wenigstens einer gasgefüllten Blase im Hydraulikmediumtank kann ein geschlossenes System des Hydraulikkreislaufs sichergestellt werden.
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Um die Energieeffizienz des Elektrozylinders zu steigern und gleichzeitig den erforderlichen Energieverbrauch erheblich zu reduzieren, ist es vorgesehen, dass wenigstens ein Elektromotor bzw. Elektrogenerator während der Druckbeaufschlagung als Antrieb und während der Druckentlastung als Generator zur Energierückgewinnung arbeitet. Im Ausführungsbeispiel des Elektrozylinders als Differentialzylinder arbeitet jeweils wenigstens ein Elektromotor bzw. Generator im Antriebsbetrieb und der jeweils entgegenwirkende Elektromotor bzw. Generator als Generator. Damit lässt sich bei beliebiger Linearbewegung der Kolbenstange eine Energierückgewinnung auf Grund der Kolbenbewegung erzielen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung bildet die Kolben-Zylindereinheit ein geschlossenes System, insbesondere ein geschlossenes Hydrauliksystem. Hierdurch wird der Elektrozylinder nach außen ausschließlich als elektrisch betriebener Zylinder dargestellt. Es werden demnach keine weiteren Hydraulikleitungen bzw. sonstige Hydraulikkomponenten zum Betrieb bzw. zur Verwendung des Elektrozylinders benötigt. Zum Einbau bzw. zur Verwendung des Elektrozylinders wird lediglich eine entsprechende Stromleitung verlangt. Dadurch gestaltet sich der Einsatz des Elektrozylinders im Vergleich zu Hydraulikzylindern bzw. Pneumatikzylindern wesentlich einfacher und unkomplizierter. Um die Konstruktionskomplexität innerhalb des Elektrozylinders gering zu halten, ist insbesondere der Kreislauf aus Hydraulikmediumtank und Hydraulikpumpen als geschlossener Kreislauf ausgebildet. Dies bedeutet, dass zur Versorgung aller Hydraulikpumpen ein einziger Hydraulikmediumtank zur Verfügung gestellt wird. Besonders bevorzugt entnehmen die beiden Hydraulikpumpen bei der Ausführung des Elektrozylinders als Differentialzylinder jeweils abwechselnd das Hydraulikmedium aus dem Hydraulikmediumtank oder fördern dieses entsprechend in den Hydraulikmediumtank zurück.
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Die Verwendung des erfindungsgemäßen Elektrozylinders nach einem der vorgenannten Merkmale erfolgt bevorzugt in einem Nutzfahrzeug, insbesondere in einem Müllfahrzeug. Die hohe Kraftwirkung des linearen Aktuators in Form des erfindungsgemäßen Elektrozylinders dient beispielsweise zum Betrieb einer Arbeitsvorrichtung eines Nutzfahrzeuges. Als Beispiel sei hier der Antrieb wenigstens einer Pressplatte in einem Müllfahrzeug genannt. Folglich ist die vorliegende Erfindung ferner auf ein Nutzfahrzeug, insbesondere ein Müllfahrzeug, mit einem Elektrozylinder nach einem der vorgenannten Merkmale gerichtet. Dabei weist das Nutzfahrzeug bevorzugt wenigstens eine Pressplatte auf, deren Pressbewegung durch den erfindungsgemäßen Elektrozylinder bewirkt wird. Der verwendete Elektrozylinder ist vorteilhafterweise nach einem der vorgenannten Merkmale ausgeführt, weshalb an dieser Stelle auf eine wiederholte Erläuterung verzichtet wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nun anhand des in der einzigen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch die Kolben-Zylindereinheit 10 des erfindungsgemäßen Elektrozylinders. Die Kolben-Zylindereinheit 10 weist einen im Zylinderraum längsbeweglich gelagerten Kolben 20 mit einer einseitig befestigten Kolbenstange 30 auf. Das Zylindergehäuse ist rohrförmig ausgebildet. Zwischen dem Zylinderaußenrohr 40 und dem Zylindermantel 50 ist ein Hohlraum ausgebildet, der im folgenden als Ringraum 60 bezeichnet wird und sich vollständig über den Zylindergehäuseumfang erstreckt. Dieser Ringraum 60 wird als Flüssigkeitstank zur Aufnahme eines Hydrauliköls genutzt.
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Im Druckraum der Kolbenfläche 110 ist eine erste hydraulische Pumpe 80 angeordnet, die über die Hydraulikleitung 70 mit Hydraulikflüssigkeit aus dem Tank 60 versorgt wird. Der Pumpenantrieb erfolgt über den Elektromotor 90, der optional auch als Elektrogenerator arbeiten kann.
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Im Druckraum der Ringfläche 120 des Kolbens 20 ist eine weitere Hydraulikpumpe 80' angeordnet, die mit Hydraulikflüssigkeit über ihre Hydraulikleitung 70' ebenfalls aus dem Hydrauliktank 60 versorgt wird. Zur Ansteuerung der Hydraulikpumpe 70' dient ein weiterer Elektromotor 90', der ebenfalls als Generator betrieben werden kann.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Elektrozylinders soll ebenfalls anhand der einzigen Figur beschrieben werden. Zur Ausfahrbewegung der Kolbenstange 30 arbeitet der Elektromotor 90 im Motorbetrieb und treibt die Hydraulikpumpe 80 an. Diese saugt aus dem Hydrauliktank 60 das Hydraulikmedium, insbesondere das Hydrauliköl, über die Hydraulikleitung 70 an und fördert das Medium in den Druckraum vor der Kolbenfläche 110. Damit erhöht sich der Hydraulikdruck im Druckraum vor der Kolbenfläche 110 bis die vorherrschende Druckkraft eine Linearbewegung des Kolbens 20 erwirkt, wodurch die Kolbenstange 30 aus dem Zylindergehäuse ausgefahren wird. Durch die Linearbewegung des Kolbens 20 wird das Hydraulikmedium im Druckraum der Ringfläche 120 verdrängt und über die Pumpe 80' und die Hydraulikleitung 70' zurück in den Tank 60 abgeleitet. In diesem Zustand ist der Elektromotor 90' in den Generatorbetrieb geschaltet und die Verdrängung der Hydraulikflüssigkeit im Bereich der Ringfläche 120 führt zu einer Bewegung der Pumpe 80', die den Generator 90' antreibt. Die erzeugte elektrische Energie durch den Elektromotor 90' kann optional in einem verschalteten elektrischen Energiespeicher zwischengespeichert werden.
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Da beide Hydraulikleitungen 70, 70' und die Hydraulikpumpen 80, 80' auf einen einheitlichen Hydraulikmediumtank 60 zugreifen, ist im Ringraum 60 eine Gasspeicherblase 100 angeordnet. Hierdurch wird der sich ändernde Druck im Tank 60 kompensiert und ein geschlossenes Hydrauliksystem bzw. ein geschlossener hydraulischer Kreislauf mit den hydraulischen Pumpen 80, 80' sowie dem Tank 60 ermöglicht.
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Im Umkehrbetrieb des Elektrozylinders, der ein Einfahren der Kolbenstange 30 in das Zylindergehäuse vorsieht, arbeitet der Elektromotor 90' im Antriebsmodus, so dass die Pumpe 80' angetrieben wird und Hydraulikflüssigkeit aus dem Tank 60 in den Druckraum vor der Kolbenringfläche 120 gefördert wird. Übersteigt die Druckkraft auf die Ringfläche 120 die Druckkraft auf die Kolbenfläche 110, so wird der Kolben und die Kolbenstange 30 linear in das Zylindergehäuse geschoben. In diesem Fall arbeitet der Elektromotor 90 im Generatorbetrieb. Die verdrängte Hydraulikflüssigkeit, die über die Hydraulikleitung 70 in den Hydrauliktank 60 gelangt, treibt die Hydraulikpumpe 80 an, so dass die Pumpenbewegung den Elektromotor 90 im Generatorbetrieb antreibt und eine elektrische Energie generiert. Diese kann wiederum in einem extern verschalteten Energiespeicher gespeichert werden.
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Der dargestellte erfindungsgemäße Elektrozylinder wird bevorzugt in einem Müllfahrzeug zur Erzeugung der Antriebsbewegung einer zur Müllpressung vorgesehenen Pressplatte eingesetzt. Die vorausgesetzte Kraftwirkung zum Betrieb der Pressplatte wird ohne weiteres durch den Elektrozylinder bewerkstelligt, der ausschließlich über einen elektrischen Antrieb verfügt und somit lediglich mit elektrischer Energie versorgt werden muss. Die zur Verfügung gestellte Druck- oder Zugkraft des Linearaktuators ist ausreichend um den ordnungsgemäßen Betrieb der Pressplatte zu gewährleisten. Ferner ergibt sich durch den erfindungsgemäßen Elektrozylinder die Möglichkeit, während des Betriebs der Pressplatte eine Energierückgewinnung zu erzielen und diese gegebenenfalls für den weiteren Betrieb des Elektrozylinders zu verwenden. Denkbar ist selbstverständlich auch, dass die zurückgewonnene Energie für weitere Komponenten des Müllfahrzeugs einsetzbar ist.
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Generell lässt sich der erfindungsgemäße Elektrozylinder gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel überall dort einsetzen, wo ein doppelwirkender Zylinder erforderlich ist und insbesondere Linearbewegungen in entgegengesetzten Richtungen erwünscht sind.
