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Hydropneumatischer Druckübersetzer
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In hydropneumatischen Systemen werden Druckübersetzer mit Differentialkolben
zur Verbindung nneumatischer Steuerkreise mit hydraulischen Arbeitskreisen verwendet.
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Bei derartigen Druckübersetzern ist der Differentialkolben auf der
einen Seite mit Druckluft und auf der anderen Seite mit einem hydraulicheh Druckmittel,
in der Regel mit Hydrauliköl,beaufschlagbar und in einem beidseitig mit Deckeln
verschlossenen Zylinder verschiebbar angeordnet. Ein solcher Druckübersetzer ist
z.B. aus der DE-PS 1 148 451 bekannt, nach welcher der Differentialkolben aus zwei
starr über eine Stange miteinander verbundenen Einzelkolben unterschiedlicher Durchmesser
besteht, die jedweils in einem von zwei koaxial angeordneten Druckzylindern axial
verschiebbar angeordnet sind.
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Da die Hydrokreise dieser hydropneumatischen Systeme, beispielsweise
bestehend aus dem Druckübersetzer und einem Arbeitszylinder, stets in sich geschlossen
sind, werden
an Druckübersetzer sehr hohe Anforderungen bezüglich
ihrer Dichtheit gestellt. Schon kleinste Leckverluste, die sich im Laufe der Zeit
erheblich summieren können, führen zu Steuerfehlern. Da aber gerade hydropneumatische
Systeme vielfach für Vorschubbewegungen mit fein einstellbarem Vorschub und fein
einstellbart Geschwindigkeit an Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, stellt sich
dem Konstrukteur die Aufgabe, diese Leckverluste zu vermeiden oder zumindest auszugleichen.
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Gleich wichtig ist bei derartigen Systemen die Entlüftungseinrichtung,
damit der erzeugte öIstrbm schwingungsarm übertragen werden kann.
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Aus der DE-PS 12 59 711 ist ein Druckübersetzer bekannt, bei welchem
Leckverluste selbsttätig ausgeglichen werden sollen. Zu diesen Zweck ist eine automatisch
arbeitende Leckölpumpe vorgesehen, welche die Leckölverluste, die insbesondere an
Arbeitszylindern durch den ölfilm auf den Zylinderwänden entstehen, ausgleichen
sollen. Der mechanische Aufwand bei diesem Gerät ist noch relativ groß u. führt
nicht nur zu einer Kostenerhöhung sondern auch zu einem größeren Platzbedarf. Auch
ist die automatische Entlüftung bei einer derartigen Anordnung nicht mit Sicherheit
gewährleistet.
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Druckübersetzer mit zweckmäßigen, manuell zu bedienenden Entlüftungsmöglichkeiten
sind vielfach, z.B. aus der DE-PS 1 204 o73, bekannt. Das Befüllen dieser Geräte
mit Drucköl ist jedoch umständlich und in relativ kurzen Zeitintervallen erforderlich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydropneumatischen
Druckübersetzer der im Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten Art zu schaffen,
bei welchem mit einfachen Mitteln Leckverluste automatisch und über lange Zeit lusgeglichen
werden, so daß der Druckübersetzer über Jahre wartungslos, ohne Nachfüllen und erneutes
Entlüften arbeiten kann.
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Nach dem Grundgedanken vorliegender Erfindung wird diese Aufgabe dadurch
gelöst, daß das Hydraulik-System bei Rückführen des Kolbens in seine.' Ausgangslage
jeweils automatisch mit einem Hydro-Druckmittelspeicher in Verbindung gelangt, wobei
der Kolben mit einer Kraft, welche in der gleichen Richtung wirksam ist wie der
der Rückführung dienende Hydro-Druckmitteldruck, in seine Ausgangsposition zurückgeführt
wird. Diese ganz wesentliche Maßnahme ist notwendig, da andernfalls der Kolben gerade
bedingt durch die im System entstandenen Leckverluste des Hydro-Druckmittels nicht
mehr in seine Ausgangslage zurückkehren kann.
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Diese Zusatzkraft kann in einfacher Weise von einem Dauermagneten
erzeugt werden, mit welchem der Kolben kurz vor Erreichen seiner Endposition in
diese gezogen wird. Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, daß die magnetische Kraft
nur in diesem Endbereich wirksam wird und folglich den übrigen Bewegungsablauf überhaunt
nicht beeinflußt, da die magnetischen Anziehungskräfte mit dem Quadrat der Entfernung
abnehmen. Hierbei ist es dem Konstrukteur überlassen, ob er den Zylinderdeckel oder
die druckluftseitige Fläche des Kolbens mit einem Permanentmagneten oder einem weichmagnetischen
Element versieht. Auch kann es zweckmäßig sein, beide Teile zur Erhöhung der Anziehungskraft
permanentmagnetisch auszubilden.
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Anstelle magnetischer Kräfte zur Rückführung des Kolbens können auch
andere Kräfte ausgenutzt werden. Beispielsweise kann der Hydro-Druckmittelspeicher
selbst unter einem gewissen Überdruck stehen, so daß das die Leckverluste ausgleichende
öl selbst für die Rückführana des Kolbens sorgt. Da die Verbindung zwischen Druckmittelspeicher
und dem Druckmittelzylinderraum über den größten Teil des Kolbenweges unterbrochen
ist, beeinflußt dieser-Überdruck den Bewegungs- und Steuerungsablauf gleichfalls
nicht merklich.
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In besonders zweckmäßiger Weise lassen sich die erfindungsgemäßen
Vorschläge bei einem Druckübersetzer realisieren, bei welchem der Differentialkolben
druckflüssigkeitsseitig mit einem Plunger-Zylinder verbunden ist, wobei der diesemzugeordnete
Plunger mit einer axialen Druckmittel zuführung feststehend am Zylinderdeckel vorgesehen
und zentral in einem Zylinderraum angeordnet ist, der gleichzeitig als Hydro-Druckmittelspeicher
dient. Plunger und Plunger-Zylinder sind hierbei derart dimensioniert und angeordnet,
daß bei Anlage des Kolbens am druckluftseitigen Zylinderdeckel eine Verbindung,
vorzugsweise ein Ringspalt, zwischen Plunger-Zylinder und dem Zylinderraum freigegeben
wird. Diese Ausbildung eignet sich für eine stehende Montage des Druckübersetzers,
bei welcher der Plunger und damit der diesen umgebende Hydro-Druckmittelspeicher
oberhalb des Plunger-Zylinders gelegen ist, so daß bei ausgefahrenem Kolben das
Druckmittel aus dem Speicherraum auf Grund seiner eigenen Schwerkraft in den Plunger-Zylinderraum
gelangt.
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Eine liegende Anordnung ist jedoch gleichfalls möglich, nämlich dann,
wenn der Speicherraum zumindest bis oberhalb der Verbindung zum Plunger-Zylinderraum
mit Hydro-Druckmittel gefüllt ist und selbst mit einem höher gelegenenen externen
Druckmitteltank in Verbindung steht.
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In beiden Fällen kann der Hydro-Druckmittelspeicher so groß dimensioniert
werden, daß mit einer Druckmittelreserve von bis zu 300 % des aktiven Hubvolumens
gearbeitet werden kann. Die Druckmittelreserve bei bisher bekanntgewordenen Druckübersetzernliegt
dagegen in der Größenordnung von 20 %. Das bedeutet aber, daß die erfindungsgemäß
ausgebildeten Druckübersetzer über eine wesentlich längere Zeit ohne Wartung im
Einsatz sein können. Auch ein zusätzliches Entlüften ist nicht notwendig, weil luftarmes
Hydraulikmittel aus einem weitgehend drucklosen Raum in den Druckraum nachströmen
kann.
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Auch die Herstellungskosten eines derart ausgebildeten Druckübersetzers
vergleichbarer Qualität sind insbesondere bei Verwendung der Plunger-Zylinderanordnung
wesentlich geringer. Bei der Plunger-Zyiinderanordnung kommt es für die Dichtheit
auf die Genauigkeit u.die saubere Bearbeitung der Mantelfläche des Plunger-Kolbens
an. Seine Bearbeitung ist einfacher und damit weniger kostspielig als die Bearbeitung
von Bohrungen bei Hochdruckzylinderrohren, welche bei den bisher üblichen Druckübersetzern
eingesetzt werden.
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Eine besondere Fertigungsvereinfachung und damit Kostensenkung wird
bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch erzielt, daß der Zylinder
aus zwei einfachen, koaxial zwischen den Zvlinderdeckeln unter Zwischenschaltung
eines Zwischenflansches,vorzugsweise mittels Zugstangen eingespannten Zylinderrohren
bestehen. Hierbei können Deckel und die Rohre Teile aus genormten Baureihen von
Druckluftzylindern sein. Zur Veränderung des Druckübersetzungsverhältnisses brauchen
lediglich der Kolben mit Plunger-Zylinder, der Plunger und der Zwischenflansch ausgewechselt
zu werden, was für den Hersteller zu einer;weseAtlfichen Vereinfachung der Fertigung
und Lagerhaltung führt.
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Weitere konstruktive Einzelheiten sind nachstehend anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispieles, das in den Zeichnungen schematisch dargestellt ist, erläutert
und mit Unteransprüchen gekennzeichnet.
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In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 Axialschnitt eines erfidungsgemäßen
Druckübersetzers in schematischer Darstellung ohne die 'Zylinderdeckel verbindende
Zugstangen, Fig. 2 prinzipieller Aufbau eines hydropneumatischen Systems mit Arbeitszylinder
und einem stehend angeordneten erfindungsgemäßen Druckübersetzer und Fig. 3 prinzinieller
Aufbau eines hydropneumatischen Systems mit Arbeitszylinder und einem liegend angeordneten
Druckübersetzer mit Druckmitteltank nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Druckübersetzer nach vorliegender
Erfindung sind zwischen den beiden Zylinderdeckeln 1 und 2 Zylinderrohre 4 und 5
eingespannt, welche über einen gemeinsamen Zwischenflansch 3 miteinander verbunden
und zentriert sind. Nicht dargestellte Zugstangen halten die Anordnung zusammen,
wie dies bei derartigen Druckübersetzern bekannt ist. In Ringnuten der Deckel 1
und 2 bzw. des Zwischenflansches 3 eingelegte O-Ringe 1a, 2a und 3a sorgen für die
Abdichtung der derart gebildeten Zylinderräume.
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Im unteren Zylinderraum A bzw. A' axial verschiebbar gelagert ist
ein Kolben 6, der mit seiner Dichtung 6a und seinem Führungsring 6b an der inneren
Mantel fläche des Zylinderrohres 5 anliegt. Auf seiner dem Hydro-System zugewandten
Seite ist der Kolben 6 mit einem Plunger-Zylinder 7 verbunden, welchem der mittels
einer Mutter 9 mit dem Zylinderdeckel 1 verbundene Plunger-Kolben 8 zugeordnet ist.
Der Plunger-Kolben 8 weist eine Axialbohrung 8a auf, über welche das Hydraulikmittel
des nicht dargestellten hydraulischen Systems dem Zylinderraum B des Plunger-Zylinders
7 zugeführt wird.
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Der Plunger-Kolben 8 ist zentral und mit Abstand innerhalb des oberen
Zylinderrohres 4 angeordnet und bildet mit diesem einen Speicherraum C. Dieser Speicherraum
C wird über die Einfüllöffnung 1b am oberen Zylinderdeckel 1 mit Druckmittel aufgefüllt.
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Befindet sich der Kolben 6 in der gezeigten unteren Position, so wird
zwischen dem verjüngten Ende 8b des Plunger-Kolbens 8 und dem kragenförmig ausgebildeten
freien Ende 7a des Plunger-Zylinders ein Ringspalt D frei, welcher eine Verbindung
zwischen dem Speicherraum C und dem Plungerzylinderraum B herstellt. Uber diesen
Ringspalt kann weitgehend drucklos Hydro-Druckmittel in den Zylinderraum B nachströmen.
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In den unteren Zylinderdeckel 2 ist ein Dauermagnet 2c eingelassen,
welchem eine großflächige Eisenschraube 6c zugeordnet ist, die in das Zylinderrohr
7 des Plunger-Zylinder unter Einlegen eines Dichtringes 6d eingeschraubt ist. Magnetische
Kräfte zwischen dem Dauermagneten 2c und der Schraube 6c führen den Plunger-
Zylinder
7 stets in seine Ausgangslage zurück, so daß Leckverluste des Systems nicht Hubwegverluste
des Kolbens zur Folge haben.
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Der ölstand innerhalb des Speicherraumes C kann über ein nicht dargestelltes
ölstandsauge oder eine elektrische ölstandsüberwachungseinrichtung kontrolliert
werden. Auch ist es möglich, das gesamte Rohr 3 aus durchsichtigem Kunststoff herzustellen.
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Zur Erzeugung eines Arbeitshubes wird dem Druckübersetzer über den
Anschluß 2b Druckluft z.B. mit einem Überdruck von 6bar zugeführt. Der Kolben 6
bewegt sich hierauf zusammen mit dem Plunger-Zylinder Rohr 7 nach oben, wobei sich
die Dichtmanchette 7b an die Oberfläche des Plunger-Kolbens 8 dichtend anlegt und
damit der Ringspalt D geschlossen wird. Beim weiteren Vorschub dringt der Zylinder
7 in den Speicherraum C ein.Eine in eine Ringnutdes Zwischenflansches 3 eingelegte
Nutringmanschette 3c, die dichtend auf der Außenfläche des Plunger-Zylinders 7 aufliegt,
verhindert das Eindringen von öl aus dem Speicher raum C in den Luftraum A'. Aus
letzterem gelangt die Luft über die Luftaustritte 3b in den freien Raum. Der Vorschub
ist beendet, wenn der Kolben 6 am Zwischenflansch 3 bzw.
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die Stirnseite des Plunger-Zylinders 7 am Deckel 1 anliegen. Hierbei
wird das Hydro-Druckmittel durch die Axialbohrung 8a in den hydraulischen Kreislauf
verdrängt. Der um das Flächenverhältnis des Kolbens 6 und Plunger-Kolbens 8, das
z.B. 1:4 betragen kann, erhöhte Druck im Hydro-Druckmittel führt zu der erzielten
Druckübersetzung des hydropneumatischen Systems.
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Nach Abschalten und Entlüften der am Anschluß 2b anstehenden Druckluft
z.B. durch Betätigen des in Fig. 2 mit 13 bezeichneten 3/2-Wegeventils wird das
Hydro-Druckmittel unter der Wirkung des auf der Druckluft seite des Arbeitszylinders
11 anstehenden Luftdruckes verdrängt und damit die Kolbenzylinderkombination 6-7
in ihre untere Ausgangslage zurückgeführt. Das Rückschlagventil in der Drosselrückschlagventilkombination
12 sorgt hierbei für eine schnellere Rückführbewegung als die Vorschubbewegung,
die durch verstellbare Drosselung gesteuert werden Während des Arbeitshubes können
im hydraulischen Systems geringfügige Leckverluste auftreten. Die Dichtung 7b passierenderLeckstrom
gelangt in den Speicherraum C und wird bei öffnen des Ringspaltes D dem hydraulischen
System wieder zurückgeführt. Außenleckströme gehen dagegen verloren. Das hätte zur
Folge, daß der Rückhub der Kolbenzylinderkombination 6-7 nicht mehr bis zum unteren
Anschlag erfolgt, so daß die Kolbenzylindekombination spätestens beim Öffnen des
Ringspaltes D anhalten würde. Um dies zu verhindern, ist in dem Zylinderdeckel 2
ein Dauermagnet 2c eingelassen, welcher auf die in den Kolben 6 eingeschraubte Eisenschraube
6c eine Anzugskraft ausübt. Hierdurch ist sichergestellt, daß die Kolbenzylinderkombination
6-7 auch bei Auftreten von Leckströmen in die Ausgangsstellung zurückkehrt, wobei
die Leckströme aus der im Speicherraum C befindlichen Druckmittelreserve ausgeglichen
werden.
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Da dieses Reserve-Hydromittel luftarm ist und weitgehend drucklos
nachströmt, erübrigt sich auch ein zusätzliches Entlüften.
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Während die Anordnung in Fig. 1 vor allem für stehenden Betrieb geeignet
ist, wie dies mit dem Schaltplan in Fig. 2 veranschaulicht ist, lassen sich die
erfindungsgemäßen Vorschläge auch bei einem liegenden System realisieren, wie dies
mit dem Schaltplan nach Fig. 3 symbolisch veranschaulicht ist.
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Bei dieser Anordnung ist ein zusätzlicher externer Hydro-Druckmitteltank
15 vorgesehen, welcher über eine Leitung mit dem Druckmittelanschluß 1b und damit
dem Speicherraum C des erfindungsgemäßen Druckübersetzers verbunden ist. Diese Tank
muß deshalb ständig höher gelegen sein als der Druckübersetzer 10'.
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Bei dieser Anordnung ist der Speicherraum C' anders als bei der stehenden
Anordnung gem. Fig. 1 bzw. 2 vollständig mit Hydro-Druckmittel gefüllt. Im übrigen
entspricht aber die Wirkungsweise der oben beschriebenen.
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Durch einfache Abwandlung der Abmessungen von Plunger-Zylinder 7 und
Plunger-Kolben 8 lassen sich andere Übersetzungsverhältnisse erzielen. Der Konstruktions-
und Montageaufwand ist gering, was sich insbesondere für Produktion und Lagerhaltung
kostensenkend auswirkt.
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FIGURENLEGENDE 1 Oberer Zylinderdeckel 1a O-Dichtring 1b öleinlaß
2 Unterer Zylinderdeckel 2a O-Dichtring 2b Druckluftanschluß 2c Dauermagnet 3 Zwischenflansch
3a O-Dichtring 3b Luftauslae 3c Nutringmanschette 3d kreisförmiger Durchlaß 4,5
Zylinderrohre 6 Kolben 6a Nutringmanschette 6b Führungsring 6c Eisenschraube 6d
O-Dichtring 7 Plunqer-Zylinderrohr 7a Kragen 7b Dichtmanschette 8 Plunger-Kolben
8a Druckmittelzuführung 8b freies Ende des Plungers
9 Befestigungsmutter
10 Druckübersetzer (10') 11 Arbeitszylinder 12 Drosselrückschlagventil. mit verstellbarer
Drosselung 13 3/2 Wegeventil 14 Pneumatische Druckquelle 15 Tank A(A') Druckluftzylinderraum
B Hydro-Druckmittelzylinderraum C(C') Druckmittelspeicherraum D Ringspalt