EP1279837A1 - Hydraulischer und/oder pneumatischer Druckspeicher - Google Patents

Hydraulischer und/oder pneumatischer Druckspeicher Download PDF

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EP1279837A1 EP02012171A EP02012171A EP1279837A1 EP 1279837 A1 EP1279837 A1 EP 1279837A1 EP 02012171 A EP02012171 A EP 02012171A EP 02012171 A EP02012171 A EP 02012171A EP 1279837 A1 EP1279837 A1 EP 1279837A1
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Definitions

  • the invention relates to a hydraulic and / or pneumatic pressure accumulator in the bladder accumulator type, i. H. a rigid container with an internal bottle-shaped separating element made of elastomeric material, both the container and the bottle-shaped separating element having an external connection.
  • a pressure accumulator known from German patent DE 28 01 224 C2 consists of a pressure-resistant cylindrical container made of metal, which is closed at its upper end with a lid-shaped cap and at its lower end with a bottom. Inside the container is a sack-like separating element (bladder) made of natural or synthetic rubber. The sack-like separating element is open at the bottom. The edge of the opening forms a tight connection to the bottom edge of the cylindrical container. In this way, two separate volumes are formed, namely a first volume inside the sack-like separating element and a second volume outside the sack-like separating element but inside the cylindrical container. The first volume is accessible through an opening in the bottom cap. The second volume can be pressurized via a valve located in the upper cover of the container.
  • the aim is not an additional volume of constant size that can be used for an air or hydraulic spring, but a variable additional volume.
  • a storage function up to atmospheric pressure a gradual p / V characteristic should be avoided.
  • this can be achieved with the aid of a bladder integrated in a pressure vessel.
  • the membrane-like wall of the bladder consists of an elastomer material.
  • the new membrane cannot be stretched and deformed as desired, but rather the wall thickness and the other material properties of the bladder are selected so that a certain elastic restoring force comes into effect when the volume is increased by internal overpressure.
  • the greater the volume increase the greater this elastic restoring force.
  • H the more the volume deviates from the initial volume given without excess pressure. Due to the elastic restoring force of the wall, which is stretched and / or sheared under pressure, a steppedness of the p / V characteristic is avoided (FIG. 4).
  • the bladder is provided with a reinforcing insert.
  • This reinforcement insert consists of practically inextensible cords or cords with an elasticity which is significantly less than the elasticity of the elastomeric material of the bladder wall, the cords being diagonal in the wall of the Bladder can be vulcanized or vulcanized. Due to the diagonality, there is a gradual increase in volume due to shear effects in the case of internal bubble overpressure. This means that the stretch of the bladder depends on the angle of the fabric and the stretch (extensibility) of the reinforcement. Both factors influence the change in volume with even small pressure differences.
  • the interesting area of this application lies in the response behavior of the bubble volume at low to atmospheric pressure. Conventional accumulators, in which the bladder lies against the container wall, only respond when the previously set pre-pressure is reached (see FIG. 4).
  • the reinforcing cords which are diagonally vulcanized or vulcanized in, can preferably be arranged crosswise. If a bladder reinforced in this way is exposed to an internal overpressure, then shear forces also come into play. The shear forces cancel each other out symmetrically to the left / right, which, depending on the arrangement of the cords (crossed flat or crossed steeply), results in an untwisted elongation or an untwisted widening of the bladder.
  • a fabric reinforcement can also be used.
  • the p / V diagram can be influenced in the desired manner by suitable selection of the elastomer mixture, the wall thickness and the reinforcement.
  • An untwisted widening in a basic state with steeply crossed cords can be stabilized in the longitudinal direction by an inextensible, axially arranged tie rod.
  • the membrane internal pressure can also be controlled.
  • the design of the overall height can be influenced in an advantageous manner.
  • the pressure accumulator according to the invention is not only suitable as an additional accumulator for air and hydraulic springs. Other hydraulic inserts are also conceivable.
  • the pressure accumulator enables a constant pressure / volume curve from atmospheric pressure to maximum pressure.
  • the pressure accumulator 2 consists of a pressure-stable container 4 with a cylindrical wall 6, with an integrated base 8 and with a cover 12 flanged on by means of screw bolts 10.
  • the cover 12 is provided with a pressure connection 14.
  • the container 4 is made of metal or a suitable plastic.
  • a bottle-shaped bladder 16 with a membrane-like wall 18 is introduced within the pressure-stable container 4.
  • This bottle-shaped bladder 16 is open at the bottom. The edge of the opening is attached to the bottom 8 of the container 4 in a pressure-tight manner.
  • the bottle-shaped bladder 16 can be pressurized via a pressure connection opening 20 at the bottom 8 of the container 4.
  • the membrane-like wall 18 of the bladder 16 is made of elastomer material and is reinforced with strength members 22 in the form of cords or fabric.
  • the threads of the cords or of the fabric are arranged diagonally crosswise, so that a diamond-shaped Pattern 24 results.
  • the diamonds 24 are on the top with acute angles above and below and obtuse angles on both sides.
  • a tie rod 26 is axially fixed within the bottle-shaped bladder 16.

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Abstract

1. Hydraulischer und/oder pneumatischer Druckspeicher. 2.1 Ein hydraulischer und/oder pneumatischer Druckspeicher (2) in Blasenspeicherbauart besteht aus einem drucksteifen zylindrischen Behälter (4) mit einer darin angeordneten flaschenförmigen Blase (16), deren membranartige Wandung (18) aus elastomerem Material besteht. Sowohl das Volumen (28) des drucksteifen Behälters (4) als auch der Innenraum (30) der elastischen Blase (16) sind jeweils separat über externe Anschlüsse (14, 20) mit Druck beaufschlagbar. 2.2 Die Elastomermischung und die Wandstärke der Blase (16) sind so ausgewählt, dass in etwa Proportionalität zwischen einer zwischen den beiden Volumen (28 und 30) bestehenden Druckdifferenz und einer Dehnung der Blase (16) besteht. Vorzugsweise ist die membranartige Wandung (18) der Blase (16) mit kreuzweise diagonal angeordneten Festigkeitsträgern (22) aus Cord oder Gewebe versehen. Zur Verhinderung einer druckabhängigen Längenausdehnung kann ein Zuganker (26) zwischen einem oberen und einem unteren Befestigungspunkt auf der Längsachse der Blase (16) angebracht sein. 2.3 Nicht nur als Zusatzspeicher für Luft- und Hydraulik-Federn; auch andere hydraulische Einsätze sind denkbar. <IMAGE>

Description

  • Laut Oberbegriff des Patentanspruchs 1 betrifft die Erfindung einen hydraulischen und/oder pneumatischen Druckspeicher in Blasenspeicherbauart, d. h. einen starren Behälter mit einem innenliegenden flaschenförmigen Trennelement aus elastomerem Material, wobei sowohl der Behälter als auch das flaschenförmige Trennelement einen externen Anschluss aufweisen.
  • Ein aus der deutschen Patentschrift DE 28 01 224 C2 bekannter Druckspeicher besteht aus einem drucksteifen zylindrischen Behälter aus Metall, der an seinem oberen Ende mit einer deckelförmigen Kappe und an seinem unteren Ende mit einem Boden abgeschlossen ist. Im Innern des Behälters befindet sich ein sackartiges Trennelement (Blase) aus Natur- oder Synthetikgummi. Das sackartige Trennelement ist nach unten offen. Der Rand der Öffnung bildet eine dichte Verbindung zu dem Bodenrand des zylindrischen Behälters. Auf diese Weise werden zwei voneinander getrennte Volumen gebildet, und zwar ein erstes Volumen innerhalb des sackartigen Trennelements und ein zweites Volumen außerhalb des sackartigen Trennelements aber innerhalb des zylindrischen Behälters. Das erste Volumen ist über eine in der Bodenkappe befindliche Öffnung zugänglich. Das zweite Volumen ist über ein im oberen Deckel des Behälters befindliches Ventil mit Druck beaufschlagbar. Ist dieser auf das Ventil am oberen Deckel des Behälters wirkende Druck größer als der an der Bodenöffnung wirkende Druck, so schrumpft das erste, in dem sackartigen Trennelement befindliche Volumen auf Null, während das sackartige Trennelement bei einem internen Überdruck den Innenraum des Behälters praktisch gänzlich ausfüllt. D. h.: Bei der Ausbildung des jeweiligen Volumens kommen ausschließlich die Kräfte aus Blasen-Innendruck und Blasen-Außendruck (=Behälter-Innendruck) zur Wirkung.
  • Die elastischen Rückstellkräfte der sackartigen Blase sind vernachlässigbar gering. Dies hat zur Folge, dass die Blase bei einem Blasen-internen Überdruck an der BehälterInnenwand anliegt und damit praktisch den gesamten Behälter ausfüllt. Ist hingegen der Blasenaußendruck größer als der Blasen-Innendruck, so schrumpft das Volumen der Blase auf Null zusammen. D. h.: Die Blase kennt praktisch nur zwei Zustände: V(Blase) = Null und V(Blase) = V(Behälter). Die Wirkung ist vergleichbar einem mittels Ventil zuschaltbaren festen Zusatzvolumen.
  • Angestrebt wird aber nicht ein für eine Luft- oder Hydraulikfeder verwendbares Zusatzvolumen konstanter Größe sondern ein variables Zusatzvolumen. Bei Speicherfunktion bis zum Atmosphärendruck soll eine Stufigkeit der p/V-Kennlinie vermieden werden.
  • Gemäß Anspruch 1 ist dies realisierbar mit Hilfe einer in einen Druckbehälter integrierten Blase. Vergleichbar dem Trennelement des vorbekannten Druckspeichers besteht die membranartige Wandung der Blase aus einem Elastomermaterial. Erfindungsgemäß ist die neue Membran aber nicht beliebig dehn- und beliebig verformbar sondern die Wandstärke und die sonstigen Materialeigenschaften der Blase sind so gewählt, dass eine gewisse elastische Rückstellkraft bei einer Volumenvergrößerung durch inneren Überdruck zur Wirkung gelangt. Diese elastische Rückstellkraft ist umso größer, je stärker die Volumenvergrößerung ist, d. h. je stärker das Volumen von dem ohne Drucküberschuss gegebenen Ausgangsvolumen abweicht. Aufgrund der elastischen Rückstellkraft der unter Druck gedehnten und/oder gescherten Wandung wird eine Stufigkeit der p/V-Kennlinie vermieden (Fig. 4).
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Blase mit einer Verstärkungseinlage versehen. Diese Verstärkungseinlage besteht aus praktisch undehnbaren Corden oder aus Corden mit einer Dehnfähigkeit, die deutlich geringer ist als die Dehnfähigkeit des elastomeren Materials der Blasen-Wandung, wobei die Corde diagonal in der Wandung der Blase auf- oder einvulkanisiert sein können. Aufgrund der Diagonalität ergibt sich bei einem Blasen-internen Überdruck eine graduelle Volumenvergrößerung durch Scherwirkung. D. h.: Die Dehnung der Blase ist abhängig vom Gewebewinkel und der Dehnung (Dehnbarkeit) des Festigkeitsträgers. Beide Faktoren beeinflussen die Volumenänderung bei schon kleinen Druckdifferenzen. Der interessante Bereich dieser Anwendung liegt im Ansprechverhalten des Blasenvolumens bei geringen bis zum Atmosphärenruck. Herkömmliche Speicher, bei denen die Blase an der Behälterwand anliegt, sprechen erst an, wenn der vorher eingestellte Vordruck erreicht wird (siehe Fig. 4).
  • Um eine schraubenförmige Verwerfung der Blase zu vermeiden, können die diagonal anoder einvulkanisierten Verstärkungscorde vorzugsweise kreuzweise angeordnet sein. Wird eine so verstärkte Blase einem inneren Überdruck ausgesetzt, so kommen ebenfalls Scherkräfte zur Geltung. Die Scherkräfte heben sich aber links/rechts-symmetrisch auf, woraus je nach Anordnung der Corde (flach gekreuzt oder steil gekreuzt) eine unverdrillte Längung oder eine unverdrillte Verbreiterung der Blase resultiert. Anstelle von diagonal oder kreuzweise angeordneten Corden kann auch eine Gewebe-Verstärkung zur Anwendung gelangen.
  • Durch geeignete Auswahl der Elastomermischung, der Wandstärke und der Festigkeitsträger kann das p/V-Diagramm in gewünschter Weise beeinflusst werden.
  • Eine unverdrillte Verbreiterung bei einem Grundzustand mit steil gekreuzten Corden kann in Längsrichtung durch einen undehnbaren, axial angeordneten Zuganker stabilisiert werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckspeichers kann auch eine Steuerung des Membraninnendruckes vorgenommen werden. Bei Verwendung einer Membrane mit Rollfalte kann die Gestaltung der Bauhöhe in vorteilhafter Weise beeinflusst werden.
  • Der erfindungsgemäße Druckspeicher ist nicht nur als Zusatzspeicher für Luft- und Hydraulik-Federn geeignet. Auch andere hydraulische Einsätze sind denkbar. Dabei ermöglicht der Druckspeicher einen stetigen Druck/Volumen-Verlauf von Atmosphärendruck bis zu maximalem Druck.
  • Im folgenden wird der erfindungsgemäße Druckspeicher anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1 einen Druckspeicher, teilweise im Längsschnitt, in perspektivischer Ansicht;
    • Fig. 2 denselben Druckspeicher, ebenfalls teilweise im Längsschnitt;
    • Fig. 3 denselben Druckspeicher im Längsschnitt; und
    • Fig. 4 ein p/V-Diagramm bei herkömmlichem Speicher und bei einem erfindungsgemäß gewebeverstärktem Druckspeicher.
  • Wie aus den Abbildungen ersichtlich, besteht der erfindungsgemäße Druckspeicher 2 aus einem druckstabilen Behälter 4 mit zylindrischer Wandung 6, mit einem integrierten Boden 8 und mit einem mittels Schraubbolzen 10 angeflanschten Deckel 12. Der Deckel 12 ist mit einem Druckanschluss 14 versehen. Zur Erzielung einer hinreichenden Druckstabilität ist der Behälter 4 aus Metall oder einem entsprechend geeigneten Kunststoff hergestellt.
  • Innerhalb des druckstabilen Behälters 4 ist eine flaschenförmige Blase 16 mit membranartiger Wandung 18 eingebracht. Diese flaschenförmige Blase 16 ist nach unten offen. Der Rand der Öffnung ist am Boden 8 des Behälters 4 druckdicht befestigt. Über eine Druckanschlussöffnung 20 am Boden 8 des Behälters 4 ist die flaschenförmige Blase 16 mit Druck beaufschlagbar.
  • Die membranartige Wandung 18 der Blase 16 besteht aus Elastomer-Material und ist mit Festigkeitsträgern 22 in Form von Corden oder Gewebe verstärkt. Die Fäden der Corde bzw. des Gewebes sind kreuzweise diagonal angeordnet, so dass sich ein rautenförmiges Muster 24 ergibt. Im drucklosen Zustand der Blase 16 stehen die Rauten 24 auf der Spitze mit spitzen Winkeln oben und unten und stumpfen Winkeln an beiden Seiten. Innerhalb der flaschenförmigen Blase 16 ist axial ein Zuganker 26 befestigt.
  • Bei vorgespannter Membrane 18 (Innendruck größer Atmosphärendruck) und Atmosphärendruck im Gehäuse 4 liegt die Membrane 18 nicht an der Innenfläche der Gehäusewand 6 an. Die Festigkeitsträger 22 der Balgwand 18 verhindern ein weiteres Ausdehnen der Membrane 18. Bei Druckbeaufschlagung des Gehäuseinnenraumes 28 des Druckspeichers 2 erfolgt schon bei geringem Druck eine Deformation (Volumenverkleinerung) des Membrankörpers 16. Die sich verringernde Differenz zwischen Gehäuseinnendruck und Membraninnendruck bewirkt eine Abnahme der Scherung der Festigkeitsträger 22 und eine Abnahme der Dehnung der Balgwand 18. Bei weiterem Anstieg des Gehäuseinnendruckes werden die Festigkeitsträger 22 weiter entlastet, bis der Membraninnendruck und der Gehäuseinnendruck gleich sind.
  • Bei weiterer Volumenzunahme (Druckerhöhung) im Gehäuse 4 wirkt nur noch der Innendruck der Blase 16 als federndes Element.
    • Bezugszeichenliste (ist Teil der Beschreibung)
    • 2
    Druckspeicher
    4
    druckstabiler Behälter, Gehäuse
    6
    zylindrische Wandung
    8
    Boden
    10
    Schraubbolzen
    12
    Deckel
    14
    Druckanschluss
    16
    Blase, Membrankörper
    18
    membranartige Wandung, Membrane, Balgwand
    20
    Druckanschlussöffnung
    22
    Festigkeitsträger
    24
    rautenförmiges Muster, Rauten
    26
    Zuganker
    28
    Gehäuseinnenraum, Behälter-Volumen
    30
    Innenraum der Blase

Claims (11)

  1. Hydraulischer und/oder pneumatischer Druckspeicher (2) in Blasenspeicherbauart,
    - mit einem drucksteifen zylindrischen Behälter (4), und
    - mit einer darin angeordneten, flaschenförmigen, aus elastomerem Material bestehenden Blase (16),
    wobei sowohl das Volumen (28) des drucksteifen Behälters (4) als auch der Innenraum (30) der elastischen Blase (16) über jeweils einen externen Anschluss (14, 20) mit Druck beaufschlagbar sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Elastomermischung und die Wandstärke der Blase (16) so ausgewählt sind, dass in etwa Proportionalität zwischen einer zwischen den beiden Volumen (28 und 30) bestehenden Druckdifferenz und einer Dehnung der Blase (16) besteht.
  2. Druckspeicher nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wandung (18) der Blase (16) an ihrer Oberfläche oder innerhalb des elastomeren Materials mit Festigkeitsträgern (22) aus Corden oder Gewebe verstärkt ist.
  3. Druckspeicher nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Corde in diagonaler Richtung auf oder innerhalb der Wandung (18) der Blase (16) ausgerichtet sind.
  4. Druckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Fäden der Festigkeitsträger (22) (Corde oder Gewebe) kreuzweise diagonal, d. h. rautenförmig (Rauten, 24), auf oder innerhalb der Wandung (18) der Blase (16) angeordnet sind.
  5. Druckspeicher nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Rauten (24) der Festigkeitsträger (22) bei druckloser Blase (16) auf der Spitze stehen.
  6. Druckspeicher nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Festigkeitsträger (22) dehnbar sind,
    wobei die Dehnbarkeit der Festigkeitsträger (22) deutlich geringer ist als die Dehnbarkeit des elastomeren Materials der Blasenwandung (18).
  7. Druckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Verhinderung einer druckabhängigen Längenausdehnung ein Zuganker (26) zwischen einem oberen und einem unteren Befestigungspunkt auf der Längsachse der Blase (16) angebracht ist.
  8. Druckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Zuganker (26) elastisch und bei Druckbeaufschlagung des Druckspeichers (2) dehnbar ist.
  9. Druckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    gekennzeichnet durch
    eine Steuerung des Blasen-Innendrucks.
  10. Druckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Blase (16) in Form einer Rollfalte ausgebildet ist.
  11. Druckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 10
    zur Verwendung als Zusatzvolumen in einer Luft- oder Hydrofeder.
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