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Krafteinheit als Arbeitsorgan, z.B. für Pressen zum Form-
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geben und Verdichten, für Rammen usw.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Krafteinheit nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Aus der DE - OS 28 18 008 ist eine derartige Krafteinheit bekannt,
bei der es, insbesondere bei doppelter Anordnung der ersten und der zweiten Hilfskolben,
immer erforderlich ist, daß die ersten Hilfskolben zur Montage immer innen, also
hinter den zweiten Hilfskolben angeordnet sind. Zur Aufnahme jedes ersten und jedes
zweiten Hi lfskolbens werden hier bei einer anzustrebenden Druckgleichheit immer
zwei im Durchmesser unterschiedlich große Zylinderräume benötigt.
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Dies bedingt eine verhältnismäßig große Baulänge des die Hilfskolben
aufnehmenden Gehäuses bzw. der Hilfskolben- bzw.
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Entspannungseinheit. Ferner muß bei dieser bekannten Krafteinheit
beim Entspannungshub das aus einer Ausnehmung des ersten Hilfskolbens verdrängte
Druckmittel unter Energieverlust wieder zum Primärzylinderraum zurückgeführt werden,
was die Intensität der Entspannung beeinträchtigt.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Krafteinheit
der im Oberbegriff des Anspruches 1 beschriebenen Gattung so auszubilden, daß, insbesondere
bei doppelter Anordnung der ersten Hilfskolben, keine besonderen Zylinderräume für
den oder die zweiten Hilfskolben erforderlich sind, so daß eine kurze Baulänge der
Hilfskolben- bzw.
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Entspannungseinheit erzielbar ist, daß beim Entspannungshub der erste
Hilfskolben kein Druckmittel zu verdrängen
hat, so daß kein Energieverlust
mehr auftritt und der erste Hilfskolben nach der Entspannung des Aufsteuerraumes
dennoch sicher auf seiner stirnseitigen Dichtfläche gehalten wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einer Krafteinheit die im Kennzeichen
des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmal e vorgeschlagen.
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Diese Ausbildung ermöglicht es, daß der erste Hilfskolben und der
diesem zugeordnete zweite Hilfskolben vom gleichen Zylinderraum aufgenommen werden
können und eine kurze Baulänge der Hilfskolben- bzw. Entspannungseinheit erzielbar
ist.
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Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Krafteinheit sind in den Ansprüchen
2 - 5 offenbart, wobei durch die vorteilhafte Ausbildung nach Anspruch 4 gewährleistet
ist, daß der Aufsteuerraum schneller entlastet wird als der über Hauptsteuerventil
entlastbare Arbeitsraum.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutern.
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In dieser Zeichnung ist eine beispielsweise als Ramme wirkende Krafteinheit
geziegt, die aus der eigentlichen, im Gegensatz zur Darstellung in der Zeichnung
senkrecht wirkenden Arbeitseinheit 1, einer Hilfskolben- bzw. Entspannungseinheit
2, einem Hauptsteuerventil 3 sowie einem Vorsteuerventil 4 mit Vorsteuerstufe 5
besteht. Aus optischen Gründen ist die Hilfskolben- bzw. Entspannungseinheit 2 mit
Abstand von der Arbeitseinheit 1 angeordnet und kann dort eine gegenüber der Zeichnung
um 900 verdrehte Lage einnehmen. Auch das Hauptsteuerventil 3 ist im Gegensatz zur
Zeichnung stets nahe an der Hilfskolben-
bzw. Entspannungseinheit
2 angeschlossen, während die Vorsteuerstufe 5 unmittelbar mit dem Vorsteuersentil
4 verbunden ist. Das bedeutet, daß der größte Teil der in der Zeichnung dargestellten
Druckmittelleitungen'in der Praxis nur sehr kurze Kanäle sind.
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Die gegenüber der Hilfskolben- bzw. Entspannungseinheit 2, dem Hauptsteuerventil
3 und dem Vorsteuerventil 4 verkleinert dargestellte Arbeitseinheit 1 weist ein
einstückig gezeichnetes, jedoch aus mehreren Teilen zusammengesetztes Gehäuse 6
mit einem abgestuften zylindrischen Innenraum 7 auf. Dieser Innenraum 7 wird durch
einen dichtend im Innenraum 7 verschiebbar geführten Arbeitskolben 8 in einen Primärzylinderraum
7a und einen Sekundärzylinderraum 7b unterteilt. Zusätzlich ist der Arbeitskolben
8 dichtend verschiebbar auf einer Kolbenstange 9 gehalten, die mit beiden Enden
aus dem Gehäuse 6 herausragt. Zur Kraftübertragung vom Arbeitskolben 8 auf die Kolbenstange
9 ist letztere mit einem umlaufenden Bund 10 versehen. Beiderseits dieses Bundes
10 weist die Kolbenstange 9 unterschiedlich große Durchmesser auf, wobei der den
Arbeitskolben 8 aufnehmende Teil der Kolbenstange 9 um ein vor bestimmtes Maß im
Durchmesser größer ausgebildet ist als der andere Teil der Kolbenstange 9. Der im
Durchmesser kleinere Teil der Kolbenstange 9 ist an seinem aus dem Gehäuse 6 herausragenden
Ende mit einer Kupplung 11 versehen, die im vorliegenden Fall mit einer nur angedeutenden
Spundbohle 12 verbindbar ist. Das andere Ende der Kolben stange 9 trägt eine Platte
13, die mit Dampfungskolben 14 zusammenwirkt, wobei die die Dämpfungskotben 14 aufnehmenden
Druckmittel räume 15 mit dem Primärzylinderraum 7a verbunden sind.
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Der Primärzylinderraum 7a ist über einen Kanal 16 mit
verhältnismäßig
großem Querschnitt, in den eine an eine nicht gezeichnete Druckmittelquelle angeschlossene
Druckmittel-Zufuhrleitung 17 mündet, mit einem hier als Kolbenspeicher ausgebildeten
und mit vorgespanntem Druckgas gefüllten Energiespeicher 18 verbunden. Ferner führt
vom Primärzylinderraum 7a eine Druckmittelleitung 19 zum Haupt steuerventil 3 mit
einem Abzweig zur Vorsteuerstufe 5.
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Der Sekundärzylinderraum 7b ist in diesem Ausführungsbeispiel über
zwei Kanäle 20,21 mit nicht nennenswerter Querschnittsverringerung und damit ohne
eine die Strömung beeinträchtigende Drosselung mit der Hilfskolben- bzw. Entspannungseinheit
2 verbunden. Diese Hilfskolben- bzw. Entspannungseinheit 2 besteht aus einem aus
mehreren Teilen zusammengesetzten Gehäuse 22 mit in diesem Ausführungsbeispiel zwei
spiegelbildlich zueinander angeordneten und ausgebildeten, abgestuften zylindrischen
Innenräumen 23, die jeweils in einen Arbeits- und Rückstellraum 23a und in einen
im Querschnitt größeren Nebenraum 23b unterteilt werden. Die beiden Arbeits- und
Rückstellräume 23a sind innenliegend, also einander zugewandt, durch Kanäle 25,26
sowohl untereinander als auch mit dem Hauptsteuerventil 3 verbunden und dienen jeweils
der Führung eines nachfolgend stets als zweiter Hilfskolben 24 bezeichneten Kolbens.
An die nach außen gerichtete Kolbenfläche jedes zweiten Hilfskolbens 24 schließen
sich zwei abgestufte, aneinander ansc£ließende zylindrische Ansätze 27,28 an, die
erheblich kleinere Durchmesser als der zweite Hilfskolben 24 aufweisen. Ober den
zylindrischen Ansatz 28 ist der zweite Hilfskolben 24 noch zusätzlich im Gehäuse
22 geführt. Das freie Ende jedes Ansatzes 28 mündet in im Gehäuse 22 eingearbeiteten
Hohlräumen 29, die über miteinander verbundene Kanäle 30 mit dem Hauptsteuerventil
3 in Verbindung stehen.
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Von der freien Stirnfläche des Ansatzes 28 aus ist eine Bohrung 31
mit einem Rückschlagventil 32 eingearbeitet, die
im Bereich des
zylindrischen Ansatzes 27 radial nach außen verläuft.
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In jedem Nebenraum 23b des Gehäuses 22 ist ein nachfolgend stets als
erster Hilfskolben 33 bezeichneter Kolben angeordnet, der den zylindrischen Ansatz
27 unter Bildung eines Ringraumes 34 vollständig umschließt und der einerseits dichtend
im Arbeits- und Rückstellraum 23a und andererseits auf dem zylindrischen Ansatz
28 axial verschiebbar geführt ist.
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Dabei weist das den Ansatz 28 umschließende Ende des ersten Hilfskolbens
33 einen Bund 35 auf, dessen Durchmesser größer als das in dem Arbeitsraum 23a geführte
Ende des ersten Hilfskolbens 33 ist. Die dem Bund 35 benachbarte, freie Stirnfläche
des ersten Hilfskolbens 33 trägt einen umlaufenden Randwulst 26, mit dem der erste
Hilfskolben 33.ein der gezeichneten Stellung dichtend an der Stirnfläche 37 des
Nebenraumes 23b anliegt und dadurch einen Aufsteuer-( raum 38 vom Nebenraum 23b
abtrennt. Die beiden Aufsteuerräume 38 sind über miteinander verbundene Kanäle 39
an das Vorsteuerventil 4 angeschlossen, während die beiden Nebenräume 23b über getrennte
Kanäle 40,41 mit dem Hauptsteuerventi 3 in Verbindung stehen. Die bereits erwähnten
Kanäle 20,21 der Sekundärzylinderräume 7b münden in die beiden Neben-.
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räume 23b.
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Das Hauptsteuerventil 3 besitzt ein ebenfalls aus mehreren Teilen
zusammengesetztes Gehäuse 42 mit einem zylindrischen Innenraum 43 zur Aufnahme eines
Steuerschiebers 44, derSzur Bildung von Ringräumen 43a - 43e ausgespart ist und
somit vier Steuervorsprünge 45 besitzt. Die Aussparungen und damit die Steuervorsprünge
45 sind so angeordnet, daß die in der Zeichnung auf einer Seite des Gehäuses 42
mündenden Kanäle 46 - 49 entweder über die entsprechenden Ringräume 43a - 43e
mit
den auf der anderen Seite des Gehäuses 42 vorgesehenen Kanälen 50 - 53 teils wechselbar
in Strömungsverbindung bringbar und/oder absperrbar sind.
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Dabei ist der Kanal 46 des Hauptsteuerventiles 3 an den Kanal 40 der
Hilfskolben- bzw. Entspannungseinheit 2, der Kanal 47 des Hauptsteuerventiles 3
an die Kanäle 30 der Hilfskolben- bzw. Entspannungseinheit 2, der Kanal 48 des Hauptsteuerventiles
3 an den Kanal 25,26 der Hilfskolben-bzw. Entspannungseinheit 2 und der Kanal 49
des Hauptsteuerventiles 3 an den Kanal 41 der Hilfskolben- bzw.
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Entspannungseinheit 2 angeschlossen. Der Kanal 50 und eine Abzweigleitung
54 des Kanales 49 des Hauptsteuerventiles 3 sind mit dem Vorsteuerventil 4 verbunden,
der Kanal 51 ist über die Druckmittelleitung 19 an den Primärzylinderraum 7a der
Arbeitseinheit 1 angeschlossen und die Kanäle 52,53 stehen über eine Leitung 55
mit einem nicht ge-zeichneten Tank in Verbindung.
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Ferner ist in dem Steuerschieber 44 eine Bohrung 56 vorgesehen, die
den Ringraum 43d mit einem Raum 57 verbindet, in den ein freies Ende mit reduzierter
Fläche des Steuerschiebers 44 ragt.
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Das Vorsteuerventil 4 ist als an sich bekanntes 4/2-Wegeventil ausgebildet,
welches über die elektrisch betätigbare Vorsteuerstufe 5 hydraulisch in jeweils
eine von zwei Schaltstellungen bewegt wird. Ober dieses Vorsteuerventil 4 sind die
in die Aufsteuerräume 38 mündenden Kanäle 39 der Hilfskolben- bzw. Entspannungseinheit
2 und der Kanal 50 des Hauptsteuerventiles 3 wechselweise mit der Abzweigleitung
54 bzw. mit der zum Tank führenden Leitung 55 in Strömungsverbindung bringbar.
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Für die nun folgende Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen
Krafteinheit wird davon ausgegangen, daß mit Ausnahme der beiden Ringräume 34 alle
freien Räume einschließlich Kanäle in der Arbeitseinheit 1, der Hilfskolben-bzw.
Entspannungseinheit 2, dem Hauptsteuerventil 3 und dem Vorsteuerventil 4 sowie alle
Druckmittelleitungen vollständig mit flüssigem Druckmittel, beispielsweise mit Hydrauliköl,
und der Energiespeicher 18 mit einem unter einem vorbestimmten Druck stehenden Gas
gefüllt sind. Dabei nehmen alle beweglichen Teile der Krafteinheit vorerst eine
nicht genau definierte Stellung ein, wobei der Arbeitskolben 8 durch eine nicht
gezeichnete, im Primärzylinderraum 7a zwischen Gehäuse 6 und Arbeitskolben 8 eingespannte
Feder am Bund 10 der Kolbenstange 9 anliegt. Auch zwischen der Kupplung 11 und der
Außenwand des Gehäuses 6 ist bei--spielsweise ein nicht dargestellter elastischer
Anschlag angeordnet.
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Beim Anschalten einer nicht gezeichneten Pumpe baut sich in der gezeichneten
Stellung des Steuerschiebers 44 in der Druckmittel-Zufuhrleitung 17, im Kanal 16,
im Primärzylinderraum 7a und in den Räumen 15 der Arbeitseinheit 1 ein Druck auf,
der zwischen 160 und 300 bar betragen kann. Ober die aus dem Primärzylinderraum
7a herausführende Druckmittel leitung 19 findet dieser Druckaufbau auch im Kanal
51, im Ringraum 43b und im Kanal 46 des Hauptsteuerventiles 3 statt. Von dem Kanal
46 geht dieser Druckaufbau in dem Kanal 40 und dem diesem nachgeordneten Nebenraum
23b der Hilfskolben- bzw. Entspannungseinheit 2 weiter, wobei von hier aus sich
über den Kanal 20 auch im Sekundärzylinderraum 7b der gleiche Druck aufbaut. Dieser
Druckaufbau im Sekundärzylinderraum 7b hat durch die unterschiedlichen Querschnitte
beiderseits des Bundes 10 der Kolbenstange 9 zur Folge, daß eine Relativbewegung
zwischen der Kolbenstange 9 und dem Gehäuse 6 der Arbeitseinheit 1 stattfindet.
Dementsprechend wird der nicht gezeichnete äußere elastische Anschlag belastet.
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Wenn, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei der Verwendung
der Krafteinheit als Ramme die Kolbenstange 9 eine senkrechte Lage einnimmt, und
die Kupplung 11 auf der Spundbohle 12 aufliegt, verschiebt sich das Gehäuse 6 gegenüber
der Kolbenstange 9, d.h., das Gehäuse 6 senkt sich ab.
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Die am Ende dieser Absenkung von dem Gehäuse 6 einzunehmende Stellung
wird durch den nicht dargestellten äußeren elastischen Anschlag begrenzt.
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Vom Sekundärzylinderraum 7b erfolgt über den Kanal 21 auch ein Druckaufbau
in dem dem Kanal 21 nachgeordneten Nebenraum 23b und von hier aus über die. Kanäle
41 und 49 im Ringraum 43d des Hauptsteuerventiles 3. Der Druckaufbau im Ringraum
43d bewirkt über die Kanäle 48,25,26 auch einen Druckaufbau in den beiden Arbeits-
und Rückstellräumen 23a sowie über die Bohrung 56 im Raum 57 des Hauptsteuerventiles
3. Letzteres stellt dabei sicher, daß der Steuerschieber 44 in der gezeichneten
Lage des Vorsteuerventiles 4 beim Druckaufbau seine in der Zeichnung gezeigte Stellung
beibehält, da der Ringraum 43a gleichzeitig über den Kanal 50, das Vorsteuerventil
4 und die Leitung 55 mit dem Tank verbunden, also drucklos ist.
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Ober die Kanäle 30,47, den Ringraum 43c, den Kanal 52 und die Leitung
55 sind in der gezeichneten Stellung des Steuerschiebers 44 auch die Hohlräume 29,
die Bohrungen 31 und die Ringräume 34 druckentlastet, während über die Abzweigleitung
54, das Vorsteuerventil 4 und die Kanäle 39 auch in den beiden Aufsteuerräumen 38
ein Druckaufbau stattfindet.
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Zur Vorbereitung eines Schlages wird nun das Vorsteuerventil 4 durch
die Vorsteuerstufe 5 umgeschaltet. Damit werden die Aufsteuerräume 38 über die Kanäle
39, das Vorsteuerventil 4 und die Leitung 55 mit dem Tank verbunden
und
somit drucklos. In dem Ringraum 43a baut sich sofort ein Druck auf. Durch entsprechende
Wahl der vom Druckmitteldruck beaufschlagbaren wirksamen Flächen des Steuerschiebers
44 in dem Ringraum 43a und dem Raum 57 ist sichergestellt, daß sich der Steuerschieber
44 aus der gezeichneten Grundstellung zeitlich verzögert zur Entlastung der Aufsteuerräume
38 in seine andere Endstellung verschiebt. Dies hat zur Folge, daß der Kanal 46
des Hauptsteuerventiles 3 und damit die Strömungsverbindung zwischen dem Primärzylinderraum
7a und dem Sekundärzylinderraum 7b abgesperrt wird. Durch den auf den Arbeitskolben
8 im Primärzylinderraum 7a anstehenden Druck wird jedoch auch der Druck sowohl im
Sekundärzylinderraum 7b im Verhältnis der äußeren Kräfte und der wirksamen Flächen
als auch in den Nebenräumen 23b aufrecht erhalten. Ober den Kanal 51, den Ringraum
43b, den Kanal 47 und die Kanäle 30 baut sich nun der Druck in den Hohlräumen 29
auf. Da gleichzeitig die beiden Arbeits- und Rückstellräume 23a über die Kanäle
25,26,48, den Ringraum 43c, den Kanal 52 und die Leitung 55 mit dem Tank verbunden,
also drucklos werden, bewirkt der Druckaufbau in den Hohlräumen 29, daß die beiden
zweiten Hilfskolben 24 gegeneinander in ihre innere Endlage verschoben werden. Durch
entsprechende Wahl der in den beiden Nebenräumen23b bei noch abgetrennten Aufsteuerräumen
38 vom Druckmitteldruck, der vom Sekundärzylinderraum 7b wirkt, beaufschlagten,
wirksamen Flächen der ersten Hilfskolben 33 bleiben dieselben auch bei umgeschaltetem
Hauptsteuerventil 3 noch in ihrer gezeichneten Stellung.
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Für die eigentliche Durchführung des Schlages wird das Vorsteuerventil
4 durch die Vorsteuerstufe 5 in seine Ausgangsstellung zurückgeschaltet. Mit dieser
Schaltung des Vorsteuerventiles 4 werden gleichzeitig die beiden Aufsteuerräume
38 der Hilfskolben- und Entspannungseinheit 2 mit Druck beaufschlagt und der Ringraum
43a entlastet.
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Durch den Druck in den Aufsteuerräumen 38 werden die beiden ersten
Hilfskolben 33 von den Stirnflächen 37 der Nebenräume 23b abgehoben, so daß sich
die beiden ersten Hilfskolben 33 durch den im Sekundärzylinderraum 7b und den mit
diesem über die Kanäle 20,21 ohne nennenswerten Drosselwiderstand verbundenen Nebenräumen
23b herrschenden Druck gegeneinander in Richtung auf die in ihrer inneren Endlage
befindlichen zweiten Hilfskolben 24 bewegen. Die damit verbundene Druckentlastung
im Sekundärzylinderraum 7b hat eine schlagartige Belastung des Arbeitskolbens 8
und damit der Kolbenstange 9 zur Folge. Dabei findet eine Relativbewegung zwischen
der Kolbenstange 9 und dem Gehäuse 6 statt. Das Gehäuse 6 und gegebenenfalls eine
damit verbundene Zusatzmasse wirken als Reaktion und heben sich gegenüber der Kolbenstange
9. Das bei dem Schlag aus dem Sekundärzylinderraum 7b verdrängte Entspannungsvolumen
wird in den Nebenräumen 23b von den von den beiden ersten Hilfskolben 33 freigegebenen
Räumen vollständig aufgenommen. Nach der Entspannung baut sich infolge dieser Relativbewegung
der Druck im Sekundärzylinderraum 7b wieder auf. Ober die Dlatte 13 und die beiden
Kolben 14 ist sichergestellt, daß der Bund 10 des Kolbens 9 - der Kolben 9 ist in
Schlagrichtung frei gegenüber dem Arbeitskolben 8 bewegbar -nicht hart an dem Gehäuse
6 aufschlägt.
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Mit der vorerwähnten Druckentlastung des Ringraumes 43a wird der im
Raum 57 des Hauptsteuerventiles 3 herrschende Druck des Sekundärzylinderraumes 7b
wirksam, durch den eine Verschiebung des Steuerschiebers 44 zurück in die gezeichnete
Grundstellung erfolgt. Dabei wird zunächst die Strömungsverbindung zwischen dem
Kanal 47 und dem Ringraum 43c freigegeben. Kurz vor Erreichen der gezeichneten Grundstellung
des Steuerschiebers 44 wird auch wieder der Kanal 46 freigegeben, so daß auch über
die Druckmittelleitung 19, den Kanal 51, den Ringraum 43b, den Kanal 46,
den
Kanal 40, den Nebenraum 23b und den Kanal 20 der Sekundärzylinderraum wieder mit
Druckmittel aufgefüllt wird. Dies gilt auch für den Kanal 21, den Nebenraum 23b,
den Kanal 41, den Kanal 49, den Ringraum 43d, den Kanal 48, die Kanäle 25,26 und
die Arbeits- und Rückstellräume 23a sowie für die Bohrung 56 im Raum 57.
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Diese Druckmittelzufuhr hat einerseits zur Folge, daß durch die unterschiedlichen
Querschnitte beiderseits des Bundes 10 der Kolbenstange 9 wieder eine Relativbewegung
zwischen Kolbenstange 9 und Gehäuse 6 stattfindet, d.h., das Gehäuse 6 senkt sich
gegenüber der Kolbenstange 9. Andererseits werden durch diese Druckmittel zufuhr
und die gleichzeitige Druckentlastung der Hohlräume 29 die zweiten Hilfskolben 24
und damit aber auch die ersten HilfSkolben 23 in ihre gezeichnete Grundstellung
zurückbewegt. Nunmehr kann die Vorbereitung für den nächsten Schlag erfolgen und
der Schlag durchgeführt werden.
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In-Abänderung des erläuterten Ausführungsbeispieles kann die Krafteinheit
auch zum Ziehen von Spundbohlen, zum Verformen von Werkstücken, zum Pressen oder
dgl. verwendet werden. Die Reihenfolge der Druckbe- und -entlastung der Kanäle und
Räume im Hauptsteuerventil 3 und Vorsteuerventil 4 ist durch die Anordnung der Kanäle
zu den damit verbundenen Abdeckungen der Steuervorsprünge weitgehend frei wählbar.