DE3226468A1

DE3226468A1 - Vorrichtung zum erzeugen einer arbeitskraft, insbesondere fuer rammen, pressen und dgl.

Info

Publication number: DE3226468A1
Application number: DE19823226468
Authority: DE
Inventors: Horst Ing.(grad.) 4005 Meerbusch Knäbel
Original assignee: Individual
Current assignee: Joseph Voegele AG
Priority date: 1982-07-15
Filing date: 1982-07-15
Publication date: 1984-01-19
Also published as: EP0099097A3; EP0099097A2; DE3226468C2

Description

151 Ing. (grad.) Horst Knäbel, Friedenstr. 10a, 4005 Meerbusch

Vorrichtung zum Erzeugen einer Arbeitskraft, insbesondere für Rammen, Pressen und dgl.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Arbeitskraft nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der DE - OS 29 16 191 ist eine Vorrichtung zum Er-" zeugen einer Arbeitskraft, z.B. zum Umformen, Verformen, Verdichten, Schlagen und Antreiben bekannt, bei der in einem Zylinderraum eines Gehäuses ein verschiebbarer Arbeitskolben angeordnet ist. Dieser Arbeitskolben wird von einer getrennten, die Arbeitskraft übertragenden Kolbenstange aufgenommen, die beidendig aus dem Gehäuse ' herausgeführt ist und- eine als Mitnehme-r^ausgebildete Koppeleinrichtung besitzt, über die einerseits die Arbeitskraft von dem Arbeitskolben auf die Kolbenstange übertragen und andererseits der Arbeitskolben nach dem Arbeitshub in seine Ausgangsstellung zurückgestellt wird.

Diese Koppeleinrichtung gestattet darüberhinaus am Ende des Arbeitshubes des Arbeitskolbens ein Voreilen der Kolbenstange in Arbeitsrichtung. Der an die Arbeitsfläche des Arbeitskolbens angrenzende Teil des Zylinderraumes, der Primärzylinderraum,liefert die Arbeitskraft und steht dauernd unter dem Druck eines Energiespeichers.

Der auf der anderen Seite des Arbeitskolbens befindliche Teil des Zylinderraumes, der Sekundärzylinderraum, ist vor Arbeitsbeginn mit einem Druckmittel zum Kraftausgleich des Arbeitskolbens gefüllt und sowohl mit dem Primärzylinderraum

verbindbar als auch ohne nennenswerten Druckverlust an eine Entspannungseinheit angeschlossen. Bei der Rückstellung des Arbeitskolbens und der Kolbenstange in die Ausgangsstellung, was durch das Druckmittel im Sekundärzylinderraum erfolgt, schlägt der Arbeitskolben normalerweise an die Wandung des Gehäuses an, was zu einer Zerstörung desselben führen würde. Um dies zu vermeiden, muß beispielsweise außerhalb des Gehäuses im Bereich der Kolbenstange ein Gummipuffer vorgesehen werden. Hier wird ein Teil der vorhandenen Energie über innere Reibung in Wärme umgesetzt, die ungenutzt verlorengeht. Der Gummipuffer wird dabei allmählich zerstört und muß ausgewechselt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Arbeitskraft gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszubilden, daß die bei der Rückstellung des Arbeitskolbens und der Kolbenstange noch vorhandene Energie gespeichert und weitgehend beim nachfolgenden Arbeitshub ausgenutzt werden kann, d.h., daß der Wirkungsgrad verbessert wird. , ■

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Arbeitskraft gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1 ausgebildet.

Diese Ausbildung bewirkt, daß die Hülse bei der Rückstellung des Arbeitskolbens und der Kolbenstange nach dem ersten Arbeitshub von ihrem Anschlag am Gehäuse abgehoben wird, so daß sowohl der Arbeitskolben als auch die Kolbenstange, vor dem nächsten Arbeitshub eine andere Ausgangslage einnehmen. Die dabei durch eine Art Vorspannung der Hülse gespeicherte Energie wird von derselben beim nachfolgenden Arbeitshub an den Arbeitskolben abgegeben, so daß bei dieser Vorrichtung ohne zusätzlichen Energieaufwand bei jedem zweiten und folgenden Arbeitshub eine größere Ar-

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beitskraft als beim ersten Arbeitshub an der Kolbenstange zur Verfügung steht. Diese Verbesserung des Wirkungsgrades ergibt eine beachtliche Leistungssteigerung und ermöglicht bei vorgegebenen Arbeitskräften eine kleinere und damit preiswertere Ausbildung bzw. Herstellung der Vorrichtung.

Weitere Merkmale der Krafteinheit nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2-9 offenbart.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einex. Zeichnung in vereinfachter Weise dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Vorrichtung gemäß der !Erfindung und

Fig. 2-4 Ausschnitte der Fig. 1 mit den unterschiedlichen Stellungen von Kolbenstange, Arbeitskolben und Hülse.

In der Fig. 1 der Zeichnung ist eine Vorrichtung 1 zum Erzeugen einer Arbeitskraft dargestellt, die beispielsweise als Ramme eingesetzt wird und senkrecht wirkt. Diese Vorrichtung 1 besteht aus einem einstückig gezeichneten, jedoch aus mehreren Teilen zusammengesetzten Gehäuse 2 mit einem abgestuften Zylinderraum 3, der durch einen dichtend im Zylinderraum 3 verschiebbaren Arbeitskolben 4 in einen Primärzylinderraum 3a und einen Sekundärzylinderraum 3b unterteilt ist. Zusätzlich ist der Arbeitskolben■4 dichtend auf einer Kolbenstange 5 gehalten, die mit ihren beiden Enden abgedichtet aus dem Gehäuse 2 herausgeführt ist. Zur Kraftübertragung von dem Arbeitskolben 4 auf die Kolbenstange 5 ist dieselbe mit einem umlaufenden Vorsprung 6 versehen. Beiderseits dieses Vorsprunges 6 weist die Kolbenstange 5 unterschiedlich große Durchmesser auf.

Der den Arbeitskolben 4 aufnehmende Teil 5a der Kolbenstange 5 ist um ein vorbestimmtes Maß im Durchmesser größer ausgebildet als der durch den Sekundärzylinderraum 3b ragende Teil 5b der Kolbenstange 5, wobei weiter unten noch der· Zweck dieser Durchmesser-Unterschiede erläutert wird. Der Teil 5b der Kolbenstange 5 trägt an seinem aus dem Gehäuse 2 herausragenden Ende eine Kupplung 7, an die im vorliegenden Beispiel eine nur angedeutete Spundbohle anschließbar ist.

Im Primärzylinderraum 3a ist eine Hülse 9 verschiebbar gelagert, die mit Abstand den Teil 5a der Kolbenstange 5 umschließt und in ihrer in den Fig. 1 und 2 gezeichneten Grundstellung mit einem äußeren, umlaufenden Bund 10 an einem im Gehäuse 2 vorgesehenen Anschlag 11 anliegt. Der Anschlag 11 ist im gezeichneten Ausführungsbeispiel ortsfest und einstückig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet. Dabei ist es auch möglich, den Anschlag 11 getrenntvcni Gehäuse herzustellen und ortsfest oder verschiebbar im Gehäuse 2 anzuordnen. Bei einer verschiebbaren Anordnung eines Anschlages 11 muß im Gehäuse 2 eine Schulter oder dgl. vorgesehen werden, die die Grundstellung des Anschlages 11 und damit die gezeichnete Ausgangsstellung der Hülse 9 bestimmt.

In der gezeichneten Ausgangsstellung der Hülse 9 liegt der Arbeitskolben 4 an der ihm zugewandten Stirnfläche 12 der Hülse 9 an, so daß also die Hülse 9 die gezeichnete Grund- bzw. Ausgangsstellung des Arbeitskolbens 4 bestimmt.

In die Stirnfläche 12 der Hülse 9 sind mehrere radiale Nuten 13 eingearbeitet, die- sicherstellen, daß in der gezeichneten Stellung von Arbeitskolben 4 und Hülse 9 der eigentliche Primärzylinderraum 3a mit einem durch den Arbeitskolben' 4 und die Hülse 9 vom Primärzylinderraum 3a abgetrennten Raum 14 in Verbindung ist.

Die Hülse 9 ist sowohl im Bereich des Vorsprunges des Gehäuses 2, der den Anschlag 11 bildet, als auch im Bereich des äußeren, umlaufenden Bundes IO dichtend im Gehäuse 2 geführt. Im Übergangsbereich zwischen dem Bund 10, der Hülse 9 und dem im Durchmesser verringerten Teil der Hülse 9 mündet ein Kanal 15 in den Zylinderraum 3 bzw. Primärzylinderraum 3b. Dieser Kanal 15 ist beispielsweise mit einem nicht gezeichneten Vorratsbehälter für flüssiges Druckmittel verbunden und stellt sicher, daß der von der Hülse 9 mit dem Bund IO und dem Gehäuse 2 mit Anschlag 11 begrenzte Spalt bzw. Raum 16 (Fig. 4) ständig drucklos ist.

Der Primärzylinderraum 3a ist über einen Kanal 17 mit verhältnismäßig großem Querschnitt mit einem in diesem Ausführungsbeispiel als Kolbenspeicher ausgebildeten und mit vorgespanntem Druckgas gefüllten Energiespeicher 18 verbunden, wobei in den Kanal 17 eine Druckmittel-Zufuhrleitung 19 mündet, die an eine nicht gezeichnete Druckmittelquelle, beispielsweise Pumpe, angeschlossen ist. Von dem Primärzylinderraum 3b führt ein Druckmittelkanal 20, an den eine nicht gezeichnete Leitung mit einem Steuerventil und/oder einem Rückschlagventil angeschlossen ist, zu'einem Kanal 21 des Sekundärzylinderraumes 3b. Dieser Kanal 21 ist zusätzlich ohne nennenswerten Drosselwiderstand an eine nicht dargestellte Entspannungseinheit bekannter Bauart angeschlossen, die das Entspannungsvolumen des Sekundärzylinderraumes aufnehmen kann.

Für die Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird nun davon ausgegangen, daß mit Ausnahme des Kanales 15 alle freien Räume einschließlich Kanäle des Gehäuses 2 sowie alle Druckmittelleitungen vollständig mit flüssigem Druckmittel, beispielsweise Hydrauliköl, und der Energiespeicher 18 mit einem unter einem vorbestimmten

Druck stehenden Gas gefüllt sind. Dabei nehmen alle beweglichen Teile der Vorrichtung 1 vorerst eine nicht genau definierte Stellung ein.

Beim Anschalten der Pumpe baut sich in der Druckmittel-Zufuhrleitung 19, im Kanal 17 sowie im Primärzylinderraum 3a und im Raum 14 ein Druck auf, der zwischen 160 imd 300 bar betragen kann. Dieser Druckaufbau bewirkt, daß der Kolben des Energiespeichers 18 beispielsweise die in Fig. 1 gezeichnete Lage einnimmt. Dadurch, daß der Spalt bzw. Raum drucklos ist, wird die Hülse 9 durch den im Primärzylinderraum 3a herrschenden Druck mit ihrem Bund 10 zum Anliegen an den Anschlag 11 gebracht, d.h., die Hülse 9 nimmt infolge ihrer unterschiedlichen druckwirksamen Flächen die in den Fig. 1 u.2 dargestellte Lage ein und überwindet damit die sich aus der Differenzfläche der Kolbenstange 5 und dem Druck ergebende Kraft. Über den Druckmittelkanal 20 und den Kanal 21, die über ein Steuerventil und/oder ein Rückschlagventil miteinander in Strömungsverbindung stehen, stellt sich auch im Sekundärzylinderraum 3b der gleiche Druck wie im Primärzylinderraum 3a ein. Dadurch, daß der Querschnitt der-Kolbenstange 5 im Sekundärzylinderraum 3b kleiner als im Primärzylinderraum 3a ist, wird die Kolbenstange 5 durch den auf diese Differenzfläche wirkenden Druck aus ihren vorerst nicht genau definierbaren Stellung gegen den Arbeitskolben 4 bewegt, den sie dann an der Stirnfläche 12 der Hülse 9 zum Anliegen bringt (Fig. 1 und 2). Bei gleich großen Querschnitten der Kolbenstange 5 beiderseits des umlaufenden Vorsprunges 6 kann diese gezeichnete Ausgangsstellung auch durch eine äußere Kraft, eine Feder oder dgl. erreicht werden.

Um sicherzustellen, daß dabei nicht die Hülse 9 mit ihrem Bund 10 von dem Anschlag 11 abhebt, muß die von dem Druckmitteldruck beaufschlagte Differenzfläche der Hülse 9 größer als die vom gleichen Druckmitteldruck beaufschlagte Differenzfläche der Kolbenstange 5 bzw. die äußere Kraft oder die Federkraft sein.

Für die Durchführung des ersten Schlages wird nun die Verbindung zwischen Primärzylinderraum 3a und Sekundärzylinderraum 3b gesperrt und der Sekundärzylinderraum 3b mit der Entspannungseinheit verbunden und druckentlastet. Dies hat eine schlagartige Belastung des Arbeitskolbens 4 und damit der Kolbenstange 5 zur Folge. Dabei findet eine Relativbewegung zwischen der Kolbenstange 5 mit Arbeitskolben 4 und dem Gehäuse 2 statt, wobei in bezug auf den Rammvorgang das Gehäuse 2 und eine gegebenenfalls damit verbundene Zusatzmasse als Reaktion wirken und sich gegenüber der mittels der Kupplung 7 an der Spundbohle 8 anliegenden Kolbenstange 5 mit Arbeitskolben 4 heben (Fig. 3). Das bei diesem Schlag aus dem Sekundärzylinderraum 3b verdrängte Entspannungsvolumen, das kleiner ist als das Gesamtvolumen des Sekundärzylinderraumes 3b, wird von der Entspannungseinheit vollständig aufgenommen.

Sobald dieses Entspannungsvolumen vollständig aufgebraucht ist, baut sich durch die noch nicht vollständig vom Schlag beendete Relativbewegung im .Sekundärzylinderraum 3b ein geringfügig höherer Druck auf als im Primärzylinderraum 3a. Dies bewirkt, daß sich der Arbeitskolben 4 von dem umlaufenden Vorsprung 6 abhebt und mit dem Gehäuse 2 nach oben relativ auf die Hülse 9 zubewegt. Diese Bewegung hält so lange an, bis die noch vorhandene kinetische Restenergie durch äußere Widerstände oder durch die hydraulische Abstützung im Sekundärzylinderraum 3b aufgebraucht ist.

Anschließend bewegen sich das Gehäuse 9 sowie die am Anschlag· 11 des Gehäuses 2 anliegende Hülse 9 und der noch im Abstand zwischen der Hülse 9 und dem Vorsprung 6 befindliche Arbeitskolben 4 nach unten. Beim Auftreffen der an dem Anschlag 11 anliegenden Hülse 9 auf den Arbeitskolben 4 und damit des Arbeitskolbens 4 auf den Vorsprung 6 der Kolbenstange 5 wird die noch vorhandene kinetische Energie des

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Gehäuses 2 und einer evtl. mit dem Gehäuse 2 verbundenen· Zusatzmasse über den Vorsprung 6 auf die Kolbenstange 5 übertragen, indem der soeben noch vorhandene Druckausgleich zwischen dem Primärzylinderraum 3a und dem Sekundärzylinderraum 3b durch den Kraftschluß zwischen dem Arbeitskolben 4 und dem Vorsprung 6 unterbrochen wird. Der Druck im Sekundärzylinderraum 3b wird abgebaut. Der Druck im Primärzylinderraum 3a steigt aufgrund des an ihn angeschlossenen Energiespeichers 18 nur geringfügig an. Dadurch hebt sich die Hülse 9 mit ihrem Bund 10 von dem Anschlag des Gehäuses 2 ab (Fig. 4), was einer Vergrößerung des Sekundärzylinderraumes 3b gleichkommt. Durch die jetzt im Sekundärzylinderraum 3b befindliche Druckmittelmenge, die größer ist als vor dem ersten Schlag, und die beispielsweise infolge des Ruckschlagventiles nicht abströmen kann, werden die Hülse 9, der Arbeitskolben 4 und die Kolbenstange 5 bis zur Einleitung des nächsten Schlages, der meistens sofort nach dem ersten Schlag erfolgt, in ihrer Stellung gemäß Fig. 4 gehalten.

Bei der Entspannung des Sekundärzylinderraumes 3b für den nächsten Schlag bewirkt der im Primärzylinderraum 3a herrschende Druck des Druckmittels infolge der druckbelasteten Differenzfläche der Hülse 9 eine Verschiebung der Hülse 9 relativ zum Gehäuse 2 in Richtung auf den Anschlag 11, wobei diese zusätzliche Kraft über den Arbeitskolben 4, die Kolbenstange 5 und die Kupplung 7 auf die Spundbohle übertragen wird. Dies bedeutet, daß ab dem zweiten Schlag die von der Kolbenstange 5 abzugebende Kraft größer ist als beim ersten Schlag. 'Beim dritten Schlag ist die abzugebende Kraft als Folge einer etwas größeren Rückstellenergie noch geringfügig größer als beim zweiten Schlag, wobei etwa ab dem vierten Schlag keine Krafterhöhung gegenüber dem. vorhergehenden Schlag auftritt. Diese Krafterhöhung wird ohne zusätzliche Energieaufnahme erreicht

und verbessert somit den Wirkungsgrad der Vorrichtung 1.

In Abänderung des erläuterten Ausführungsbeispieles ist es möglich, den Anschlag 11 verschiebbar im Gehäuse 2 anzuordnen. Dies stellt sicher, daß die Hülse 9 mit ihrem Bund 10 nicht hart auf den Anschlag 11 aufUillL. In diesem Fall muß der Anschlag 11 jedoch so ausgebildet sein, daß er durch den Druck im Primärzylinderraum 3a bzw. im Raum 14 in seine Grundstellung, beispielsweise gegen eine Schulter des Gehäuses 2, bewegbar ist. Ferner ist es möglich, daß die Hülse 9 zumindest teilweise aus dem Primärzylinderraum 3a herausragt. Neben der für die Krafterhöhung erforderlichen Beaufschlagung durch den Druck im Primärzylinderraum muß sich die Hülse 9 durch einen ge- . sonderten Druck in ihrer Grundstellung einstellen.

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Claims

-χ-

151 Ing. (grad.) Horst Knäbel, Friedenstr. 10a, 4005 Meerbusch

Patentansprüche

/ 1.^Vorrichtung zum Erzeugen einer Arbeitskraft, insbesondere ^-"'rür Rammen, Pressen und dgl., bestehend aus einem in einem Zylinderraum eines Gehäuses verschiebbaren Arbeitskolben, einer von dem Arbeitskolben getrennten, die Arbeitskraft übertragenden Kolbenstange und einer den Arbeitskolben mit der Kolbenstange verbindenden, ein Voreilen der Kolbenstange in Arbeitsrichtung zulassende Koppeleinrichtung sowie aus einem an die Arbeitsfläche des Arbeitskolbens angrenzenden, die Arbeitskraft liefernden und dauernd unter dem Druck eines Energiespeichers stehenden Primärzylinderraum und einem von der Kolbenstange durchdrungenen, vor Arbeitsbeginn mit einem Druckmittel zum Kraftausgleich des Arbeitskolbens gefüllten Sekundärzylinderraum, der einerseits mit dem Primärzylinderraum verbindbar und andererseits an eine Entspannungseinheit angeschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß im Primärzylinderraum (3a) eine axial verschiebbare, mit dem Arbeitskolben (4) zusammenwirkende und mit einem umlaufenden Bund (10) an einem Anschlag (11) zum Anliegen bringbare Hülse (9) mit unterschiedlichen druckwirksamen Flächen angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Hülse (9) vollständig im Primärzylinderraum (3a) angeordnet und ihre druckwirksamen Flächen vom Druck im Primärzylinderraum (3a) beaufschlagt sind.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Hülse (9) zumindest teilweise außerhalb des Primärzylinderraumes (3a) .angeordnet und ihre druckwirksamen Flächen zumindest teilweise vom Druck im Primärzylinderraum (3a) und einem gesonderten Druck, beispielsweise Gasdruck, beaufschlagt sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,

daß der Anschlag (11) fest angeordnet und/oder einstückig mit dem Gehäuse (2) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,

daß der Anschlag (11) verschiebbar im Gehäuse (2) angeordnet und durch den Druck im Primärzylinderraum (3a) gegen eine Schulter des Gehäuses (2) zum Anliegen bringbar ist.
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6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Querschnitte der Kolbenstange (5) beiderseits des Arbeitskolbens (4) bzw. der Koppeleinrichtung (6) gleich groß ausgebildet sind und auf die Kolbenstange (5) oder das Gehäuse (2) eine äußere Kraft einwirkt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet,

daß der Querschnitt der Kolbenstange (5) im Sekundärzylinderraum (3b) kleiner als im Primärzylinderraum (3a) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Differenzfläche der Kolbentange (5) unter Berücksichtigung der äußeren Kräfte kleiner als die - Differenzfläche der Hülse (9) ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet,

daß in dem Verbindungskanal zwischen Primärzylinderraum (3a) und Sekundärzylinderraum (3b) ein schaltbares Ventil und/oder ein nur eine Strömung vom Primärzylinderraum (3a) zum Sekundärzylinderraum (3b). zulassendes Rückschlagventil angeordnet ist.