DE3037380A1

DE3037380A1 - Hydraulischer druckerzeuger und/oder druckmittelversorgungsanordnung

Info

Publication number: DE3037380A1
Application number: DE19803037380
Authority: DE
Inventors: Andreas Ing.(grad.) 6102 Pfungstadt Pohl
Original assignee: Carl Schenck AG
Current assignee: Carl Schenck AG
Priority date: 1980-10-03
Filing date: 1980-10-03
Publication date: 1982-05-13
Also published as: GB2087659A; JPS5762980A; FR2491559A1; DE3037380C2; FR2491559B1; JPS6246722B2; GB2087659B

Description

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Hydraulischer Druckerzeuger und/oder Druckmittelversorgungsanordnung

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Druckerzeuger und/ oder eine Druckmittelversorgungsanordnung, insbesondere für Belastungseinrichtungen an Prüfmaschinen, mit Druckerzeugungsmitteln sowie einem Gehäuse, in dem sich ein Druckmittel befindet.

Zur Druckerzeugung und Druckmittelversorgung bei Belastungseinrichtungen, insbesondere an Prüfmaschinen, wurden bisher ausschließlich Hydraulikstationen mit Pumpen oder Druckspeichern verwendet« Solche Anordnungen bedingen einen erheblichen technischen Aufwand und benötigen viel Platz. Erforderlich sind z.B. Antriebs- und Pumpaggregate, Versorgungsleitungen, Steuerventile, Schalt- und Regeleinrichtungen usw.. Darüberhinaus sind druckmittelbetriebene Einrichtungen, insbesondere Belastungseinrichtungen, die mit servohydraulischen Steuer- oder Regeleinrichtungen arbeiten, in ihrem Frequenzbereich begrenzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vereinfachte Anordnung zur Druckerzeugung und Druckmittelversorgung, insbesondere bei Belastungseinrichtungen an PiüFmaschinan zu schaffen, die ohne die herkömmlichen Pumpstationen arbeitet und die hohen regelungstechnischen Ansprüchen genügt. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Die Ansprüche erfassen auch Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Erfindung beruht auf der bekannten Eigenschaft von piezoelektrischen Elementen, sich bei elektrischer Ansteuerung zu verformen und die Abmessungen in mindestens einer Achsrichtung zu ändern bzw. den Verformungen entsprechende Kräfte zu er-

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zougen. Durch Hintersinanderschaltung (Stapeln) von Einzelelementen können hierbei technisch ausnutzbare Längen- bzw. Volumenänderungen erzielt werden.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Vorschlag zur direkten Druckerzeugung bzw. zur direkten Druckmittelversorgung von Verbrauchern unter Vermeidung herkömmlicher Anordnungen gemacht. Die Erfindung ermöglicht es, die Druckenergie unmittelbar dort zu erzeugen, wo sie benötigt wird, z;B. in hydraulischen Belastungszylindern. Besondere Antriebs- und Pumpaggregate, Versorgungsleitungen, Steuerventile usw. sind hierbei nicht erforderlich. Das Regelverhalten der erfindungsgemäßen Anordnung ist besonders günstig, weil piezoelektrische Elemente mit Frequenzen betrieben werden können, die z.B. bei Anordnungen mit Servoventilen nicht erreichbar sind. Vorgegebene Sollwerte können mit hoher Genauigkeit nachgefahren werden, da piezoelektrische Elemente besonders feinfühlig ansteuerbar sind.

Anordnungen, bei denen piezoelektrische Elemente auf ein Druckmittel einwirken, sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Sie dienen z.B. zur Erzeugung von kleinen, nicht pulsierenden Druckmittelströmen (DE-OS 27 o7 713) oder zur Steuerung von Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren. Diese bekannten Anordnungen sind jedoch bei Anlagen^wie sie z.B. für die Druckmittelversorgung bzw. Druckerzeugung bei hydraulischen Belastungseinrichtungen für Prüfmaschinen erforderlich

und
sind mit denen beispielsweise erhebliche Kräfte erzeugt werden müssen, nicht verwendbar.

Die Erfindung wird nachstehend mit Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Hydraulischer Belastungszylinder mit piezoelektrischen Elementen (Längsschnitt)

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Fig. 2 Wellrohrzylinder mit eingebauten piezoelektrischen Elementen (Längsschnitt)

Fig. 3 Hohlzylinder mit piezoelektrischen Elementen, ausgebildet als Druckmittelversorgungseinheit (Längsschnitt]

Fig. 4 Hydraulischer Belastungszylinder mit piezoelektrischen Elementen in den Zylinderwänden (Längsschnitt)

Fig. 1 zeigt einen hydraulischen Belastungszylinder 1 mit einem Kolben 2 und einer einseitig nach außen geführten Kolbenstange 3. Der Kolben kann auch auf beiden Seiten eine Kolbenstange aufweisen. An der Kolbenstange 3 kann z.B. ein Prüfling angeschlossen werden, der einer statischen oder dynamischen Belastung ausgesetzt werden soll. Im Zylinderraum 4 des Belastungszylinders 1 befindet sich ein Druckmittel, das über nicht dargestellte Anschlüsse bzw. Leitungen zugeführt wird.

Auf beiden Seiten des Kolbens 2 sind innerhalb des Zylinderraums 4 piezoelektrische Elemente 5 angeordnet. Die piezoelektrischen Elemente bestehen aus Elementensätzen, die wiederum aus aufeinandergestapelten Einzelelementen zusammengesetzt sind. Oeder Stapel besteht z.B. aus einer Anzahl von scheibenförmigen, hintereinander geschalteten Elementen. Die einzelnen Stapel bzw. Elementensätze sind, wie dargestellt, parallel geschaltet.

Bei elektrischer Ansteuerung, d.h. bei Anlegen einer Spannung U, ändern die einzelnen Sätze von Elementen im dargestellten Ausführungsbeispiel ihre Länge (wie gestrichelt gezeichnet). Dabei werden jeweils nur die auf einer Seite des Kolbens 2 befindlichen piezoelektrischen Elemente 5 gleichzeitig angesteuert. Sie erzeugen dadurch im Zylinder 1 eine Druckmittelverdrängung bzw. einen Druck in dem im Zylinderraum 4 befind-

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lichen Druckmittel. Dadurch wird auf den Kolben 2 eine Kraft ausgeübt, die über die Kolbenstange 3 als Zug- oder Druckkraft nach außen übertragen werden kann. Durch wechselweise Ansteuerung der zu beiden Seiten des Kolbens 2 angeordneten piezoelektrischen Elemente 5 kann eine hin- und hergehende bzw. oszillierende Bewegung des Kolbens 2 und der Kolbenstange 3 erzeugt werden. Auf diese Weise können sowohl statische als auch dynamische Kräfte in beiden Bewegungsrichtungen von Kolben und Kolbenstange erzeugt werden. Bei dynamischen Vorgängen ist es hierbei möglich, mit Frequenzen im Kilohertzbereich zu arbeiten, d.h. sehr schnelle oszillierende Bewegungen zu erzeugen (z.B. Erregung.bei Resonanzbetrieb).

Die Wirkungsfläche bzw. die Druckmittelverdrängung der zu beiden Seiten des Kolbens 2 angeordneten piezoelektrischen Elemente 5 wird im allgemeinen gleich groß vorgesehen. Dadurch können mit der dargestellten Zylindereinheit in beiden Bewegungsrichtungen des Kolbens bzw. der Kolbenstange Cs. Doppelpfeil) gleich große Kräfte bzw. Wege erzeugt werden. Die Größe der Wirkungsflächen der piezoelektrischen Elemente 5 kann jedoch auch unterschiedlich sein und auf den jeweiligen Einsatzfall abgestimmt werden. Der Kolben 2 kann sich bei Betrieb in einer Einstellung, wie in Fig. 1 dargestellt, oder in einer beliebigen Mittelstellung innerhalb des Zylinders 1 befinden. Das Druckmittel wird wie bereits erwähnt, durch nicht dargestellte Anschlüsse in die Zylinderräume zugeführt und zwar jeweils in der Weise, daß die gewünschte Kolbenstellung innerhalb des Zylinders erreicht wird.

Fig. 2 zeigt einen Wellrohrzylinder 1o, in dem in geeigneter Weise Sätze von parallel geschalteten piezoelektrischen Elementen 5 angeordnet sind. Der freie .Raum innerhalb des Zylinders wird durch ein Druckmittel ausgefüllt, das durch nicht dargestellte Anschlüsse in cen Zylinder eingebracht wird. Bei elektrischer Ansteuerung vergrößern die piezoelektrischen Elemente ihre Länge (gestrichelte Darstellung) bzw. ihre Volumen, wo-

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durch Druckmittel verdrängt wird. Die Druckmittelverdrängung bewirkt, daß an der Abschlußplatte 11 des Wellrohrzylinders 1o eine Kraft entsteht bzw. daß sich die Platte in Pfeilrichtung bewegt.

Die Rückführung der Anordnung in die Ausgangsstellung kann z.B. durch Federkraft erfolgen, wobei z.B. auch die Federkraft des Wellrohrzylinders 1o ausgenutzt werden kann. Die dargestellte Anordnung kann beispielsweise als unabhängiges Krafterzeugungsglied oder als Belastungseinheit verwendet werden. Auch die gemeinsame Anordnung mehrerer Einheiten ist möglich.

Die Anordnung nach Fig. 3 dient als Druckmittelversorgungseinrichtung (Pumpe) oder als Druckerzeuger. In einem Gehäuse 2o sind in zweckmäßiger Weise piezoelektrische Elemente 5 angeordnet. Diese Elemente füllen den Innenraum des Gehäuses fast .vollständig aus. Im verbleibenden freien Raum innerhalb des Gehäuses befindet sich ein Druckmittel. Das Druckmittel kann über eine Zuführungsleitung 21 und ein Rückschlagventil 22 von einem Vorratsbehälter 23 entnommen werden. Über ein weiteres, umgekehrt angeordnetes Rückschlagventil 25 und eine Anschlußleitung 26 kann das Druckmittel einem Verbraucher CP, Qv) zugeleitet werden.

Die einzelnen Sätze von piezoelektrischen Elementen 5 sind, wie in der Zeichnung angedeutet, parallel geschaltet. Die Elementensätze werden nun so angesteuert, daß sie sich intermittierend ausdehnen und zusammenziehen. Die Anordnung wirkt daher in diesem Ausführungsbeispiel als Pumpe, die Druckmittel aus einem Vorratsbehälter 23 entnimmt und es mit dem gewünschten Druck zu einem Verbraucher weiterleitet. Durch Zusammenschalten von mehreren Pumpelementen der beschriebenen Art können auch größere Förderströme erzielt werden.

In Fig. 4 ist ähnlich wie in Fig. 1 ein hydraulischer Belastungszylinder 1 mit einem Kolben 2 und einer nach beiden Seiten aus dem Z/linder herausgeführten Kolbenstange 3 dargestellt. Die piezoelektrischen Elemente 5 sind einander gegenüberliegend in den Zylinderwänden 6 des Zylinders 1 auf beiden

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'.iiiil.an duü Ku Ibuns 2 angeordnet. Die einzelnen Sätze der piezoelektrischen Elemente 5 können auch in sternförmiger Anordnung über den gesamten Umfang der Zylinderwand 6 verteilt sein. Es können auch mehrere Reihen von sternförmigen Anordnungen hintereinander Cin Achsrichtung gesehen) vorhanden sein. Außerdem können auch auf den Stirnseiten des Zylinders (ähnlich wie in Fig. 1) piezoelektrische Elemente vorgesehen worden. Die Innenfläche, insbesondere die Zylinderbohrung des Belastungszylinders 1 kann auf diese Weise zum größten Teil von solchen Elementen bzw. Sätzen von Elementen eingenommen werden. Die piezoelektrischen Elemente können auch von der Außenseite des Belastungszylinders in die Zylinderwand B eingebracht und dort in geeigneter Weise befestigt werden. Außerdem können Sie, im Gegensatz zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel, so angeordnet werden, daß sie bei elektrischer Ansteuerung nicht in die Zylinderbohrung hineinragen. Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung arbeitet im wesentlichen wie die Anordnung nach Fig. 1.

Qei den in den Figuren 1, 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen können zur"Druckmittelzuführung und Druckmittelsteuerung zusätzlich servohydraulische Steuer- und Regeleinrichtungen mit Servoventilen an den Gehäusen bzw. Belastungszylindern angeordnet werden (nicht dargestellt). Diese Anordnungen können beispielsweise für den statischen oder niederfrequenten Betrieb der Belastungszylinder verwendet werden.

Die erfindungsgemäßen Anordnungen von piezoelektrischen Elementen können ähnlich wie in den in Fig. 1 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen mit Längszylindern (für Längsbewegungen) auch in den Druckmittelräumen von Drehzylindern (Flügelzellenzylindern) für drehende Bewegungen bzw. Schwenkbewegungen vorgesehen werden.

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In den dargestellten Ausführungsbeispielen können als piezoelektrische Elemente auch solche Elemente verwendet werden, die in zwei oder drei Achsen polarisiert sind d.h., die sich bei elektrischer Ansteuerung in zwei oder drei Achsrichtungen verformen. Die Anzahl der Elementensätze wird bei den erfindungsgemäßen Anordnungen so gewählt, daß die gewünschten Kräfte bzw. Wege erzeugt werden. Bei einer entsprechend großen Anzahl von Elementensätzen können hierbei hohe Leistungen übertragen werden.

ORIGINAL INSPECTED

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Leerseite

Claims

5.1o7 D

CARL SCHENCK AG
1. Oktober 198ο

Hydraulischer Druckerzeuger und/oder Druckmittelversorgungsanordnung

Patentansprüche:

C1 .) Hydraulischer Druckerzsuger und/oder Druckmittelversorgungsanordnung, insbesondere für Belastungseinrichtungen an Prüfmaschinen, mit Druckerzeugungsmitteln sowie einem Gehäuse, in dem sich ein Druckmittel befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerzeugungsmittel aus einer Anzahl von Sätzen von piezoelektrischen Elementen (5) bestehen, die im Gehäuse (1, 1o, 2o) angeordnet sind und die bei elektrischer Ansteuerung so auf das Druckmittel einwirken, daß Druckmittel verdrängt und/

oder Druck erzeugt wird.

2. Hydraulische? Druckerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse als hydraulischer Zylinder [1 ausgebildet ist, in dem ein vom Druckmittel beaufschlagter Kolben (2) mit mindestens einer nach außen führenden Kolben stange (3) angeordnet ist.

3. Hydraulischer Druckerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sätze von piezoelektrischen Elementen C5) zu beiden Seiten des Kolbens (2) im Zylinder (1) angeordnet sind.

4. Hydraulischer Druckerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse als an beiden Stirnseiten ge schlossener Wellrohrzylinder C1o) ausgebildet ist.

5. Hydraulischer Druckerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2o) selbsttätig arbeitende Zu- und Abflußventile (22, 25) aufweist.

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B. Hydraulischer Druckerzeuger nach Anspruch/5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gehäuse (1o, 2o) zu einer Einheit zusammengeschaltet sind.

7. Hydraulischer Druckerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (5) in den Gehäuse- oder Zylinderwänden CB) angeordnet sind.

8. Hydraulischer Druckerzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeddinet, daß die piezoelektrischen Elemente sternförmig in den Gehäuse- oder Zylinderwänden CB) angeordnet sind.

9. Hydraulischer Druckerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (5) eindimensional und/oder mehrdimensional polarisiert sind.

10. Hydraulischer Druckerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude und/oder Frequenz der elektrischen Ansteuerung und damit der Verformungsweg und/ oder die Verfarmungsgeschwindigkeit der piezoelektrischen Elemente (5) steuerbar oder regelbar ist.

11. Hydraulischer Druckerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 6, 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse oder Zylinder C1) zusätzliche hydraulische Steuer- und/oder Regeleinrichtungen mit einem Servoventil angeordnet sind.

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