EP2401141A1

EP2401141A1 - Hydraulikantrieb

Info

Publication number: EP2401141A1
Application number: EP10706597A
Authority: EP
Inventors: Werner Kuttruf
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2012-01-04
Also published as: DE102009011441B4; DE102009011441A1; WO2010097399A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hydraulikantrieb (1) umfassend einen in einem Gehäuse (5) längs einer Arbeitsrichtung (7) geführten Arbeitskolben (2), wobei der Arbeitskolben (2) einen Arbeitsdruckraum (17) begrenzt, der zur Bewegung des Arbeitskolbens (2) in Arbeitsrichtung (7) mit einem Druckfluid befüllbar ist, und außerdem einen Steuerraum (19) begrenzt, dessen Volumen sich bei Bewegung des Arbeitskolbens (2) in Arbeitsrichtung (7) vergrößert, umfassend außerdem einen in einem Steuerzylinder (25) geführten Steuerkolben (27), der zwischen einer Neutralstellung, einer die Zufuhr von Druckfluid in den Arbeitsdruckraum ermöglichenden Zuflussstellung und einer die Abfuhr von Druckfluid aus dem Arbeitsdruckraum (17) ermöglichenden Abflussstellung längs einer Steuerachse (29) verschiebbar ist, wobei der Steuerkolben einen Kolbenraum (33) begrenzt, der zur Bewegung des Steuerkolbens (27) aus der Neutralstellung in die Zuflussstellung oder aus der Abflussstellung in die Neutral Stellung mit Steuerfluid befüllt wird, und der mit dem Steuerraum (19) derart druckverbunden ist, dass durch die Volumenänderung des Steuerraumes (19) der Steuerkolben (27) in die Neutral Stellung zurückgeführt wird.

Description

Beschreibung

Titel: Hydraulikantrieb

[0001] Die Erfindung betrifft einen Hydraulikantrieb mit einem in einem Gehäuse geführten Arbeitskolben.

[0002] Hydraulische Antriebsvorrichtungen sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Diese weisen meist einen hydraulischen Regelkreis auf, mit dem die Regelgröße (Verfahrweg des Arbeitskolbens) durch die Vorgabe einer Führungsgröße eingestellt wird. In der EP 0 296 104 B1 ist beispielsweise ein hydraulischer Linear-Servo-Verstärker beschrieben. Hierbei wird die Bewegung des Kolbens durch mechanisches Verschieben eines Steuerschiebers mittels einer Betätigungsstange gesteuert. Aus der DE 42 27 563 ist ferner ein geregelter hydraulischer Vorschubantrieb bekannt. Die Bewegung des Kolbens wird dabei über ein elektrisch gesteuertes Regelventil kontrolliert, wobei der hydraulische Regelkreis durch ein Wegmesssystem an einem Pilotzylinder hergestellt wird.

[0003] Derartige Hydraulikantriebe kommen insbesondere als Press- und

Stanzantriebe in Tiefziehpressen, Stufen pressen, Schneidpressen und anderen Werkzeugmaschinen zum Einsatz. Üblicherweise sind dabei große Hublasten zwischen 5 t und 800 t zu überwinden. Die belasteten Bauteile sind daher entsprechend robust auszulegen. Gleichzeitig müssen bei den beispielhaft genannten, vorbekannten hydraulischen Antriebssystemen eine Vielzahl mechanischer und/oder elektrischer Bauteile präzise aufeinander abgestimmt angeordnet werden.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen robusten, einfach aufgebauten Hydraulikantrieb mit großer Flexibilität bei der Anordnung der Bauteile bereitzustellen.

[0005] Diese Aufgabe wird durch einen Hydraulikantrieb gemäß Anspruch 1 gelöst. Dieser umfasst einen in einem Gehäuse längs einer Arbeitsrichtung geführten Arbeitskolben, wobei der Arbeitskolben einen Arbeitsdruckraum begrenzt, der zur Bewegung des Arbeitskolbens in Arbeitsrichtung mit einem Druckfluid befüllbar ist. Der Arbeitskolben begrenzt außerdem einen Steuerraum, dessen Volumen sich bei Bewegung des Arbeitskolbens in die Arbeitsrichtung vergrößert. Ferner ist ein in einem Steuerzylinder geführter Steuerkolben vorgesehen, der zwischen einer Neutralstellung, einer die Zufuhr von Druckfluid in den Arbeitsdruckraum ermöglichenden Zuflussstellung und einer die Abfuhr von Druckfluid aus dem Arbeitsdruckraum ermöglichenden Abflussstellung längs einer Steuerachse verschiebbar ist. Ferner ist ein Kolbenraum vorgesehen, der zur Bewegung des Steuerkolbens aus der Neutralstellung in die Zuflussstellung oder aus der Abflussstellung in die Neutralstellung mit einem Steuerfluid befüllt wird, und dem zur Bewegung des Steuerkolbens aus der Neutralstellung in die Abflussstellung Steuerfluid entnommen wird. Der Kolbenraum ist außerdem derart mit dem Steuerraum druckverbunden, dass der Steuerkolben durch die Volumenänderung des Steuerraums in die Neutralstellung zurückgeführt wird.

[0006] Die Bewegung des Steuerkolbens erfolgt somit über das Steuerfluid, wogegen die Bewegung des Arbeitskolbens mittels des Druckfluids erfolgt. Druckfluid und Steuerfluid können insbesondere von verschiedenen Medien gebildet werden und mit stark unterschiedlichen Drucken bereitgestellt werden. So kann beispielsweise das Steuerfluid in energiesparender Weise von einer Niederdruckversorgung und das Druckfluid als das eigentliche Arbeitsmedium von einer Hochdruckversorgung bereitgestellt werden.

[0007] Beim erfindungsgemäßen Hydraulikantrieb erfolgt die Sollwertvorgabe also durch die Zufuhr/Abfuhr von Steuerfluid in den/aus dem mit dem Steuerkolben zusammenwirkenden Kolbenraum. Da der Kolbenraum mit dem Steuerraum druckverbunden ist, kann die Zufuhr/Abfuhr vom Steuerfluid auch in den/aus dem Steuerraum erfolgen. Das Volumen an Steuerfluid stellt die Führungsgröße des hydraulischen Regelkreises dar. Die Regelgröße ist der Verfahrweg des Arbeitskolbens. Eine Rückkopplung der Regelgröße (Verfahrweg) zur Führungsgröße (Steuerfluidvolumen) erfolgt hydraulisch über die mit der Kolbenbewegung verbundene Änderung des Volumens des Steuerraumes. Ein zusätzliches Wegmesssystem am bewegten Arbeitskolben ist zur Realisierung des hydraulischen Regelkreises beim erfindungsgemäßen Hydraulikantrieb grundsätzlich nicht erforderlich, was den Aufbau des Hydraulikantriebs insofern vereinfacht. Vorzugsweise ist neben dem eigentlichen Arbeitskolben lediglich der Steuerkolben als bewegtes Bauteil ausgeführt. Der Steuerzylinder kann ortsfest, insbesondere mit dem Gehäuse verbunden oder in dieses integriert verbaut sein. Im Betrieb der Vorrichtung sind dann nur geringe Massen während der Steuervorgänge zu bewegen. Gleichzeitig wird die Anzahl der mechanischen Übergänge zwischen verschiedenen Bauteilen reduziert und daher Reibungskräfte beim Steuervorgang minimiert. Dadurch wird eine Steuerung mit hochdynamischem Bewegungsprofil ermöglicht. Der Hydraulikantrieb weist daher eine hohe Folgetreue und hohe Ansprechgeschwindigkeit auf. Eine Verringerung der Anzahl bewegter Teile vereinfacht außerdem den Aufbau dadurch, dass aufwändige Maßnahmen zum Abdichten nur noch an wenigen Stellen erforderlich sind. Darüber hinaus werden Funktionsstörungen durch ein Verkanten beweglicher Bauteile gegeneinander weitgehend vermieden, wie sie beispielsweise bei hydraulischen Linearantrieben mit mechanischer Steuerung über Steuerschieber auftreten können. Der erfindungsgemäße Hydraulikantrieb kann daher mit hoher Zuverlässigkeit und robust gegen Störungen betrieben werden.

[0008] Dadurch, dass die Anordnung von Steuerzylinder und Steuerkolben weitgehend unabhängig vom Arbeitskolben erfolgen kann, kann der Aufbau des erfindungsgemäßen Hydraulikantriebs flexibel an dem zur Verfügung stehenden Bauraum angepasst werden. Beispielsweise kann bei begrenzten axialen Platzverhältnissen der Steuerzylinder parallel zum Arbeitskolben angeordnet werden. Entscheidend ist lediglich, dass der Kolbenraum mit dem Steuerraum druckverbunden ist, was beispielsweise durch starre oder auch flexible Druckleitungen realisiert werden kann. Eine solche Gestaltungsfreiheit ist beispielsweise bei mechanisch gesteuerten hydraulischen Linearantrieben aus Prinzip nicht möglich.

[0009] Vorzugsweise kann der Steuerkolben den Kolbenraum unmittelbar begrenzen. Denkbar ist allerdings auch, dass zwischen dem Steuerkolben und dem Kolbenraum ein auf den Steuerkolben wirkender Ausgleichskolben vorgesehen ist. Über den Ausgleichskolben kann das gewünschte Übersetzungsverhältnis von Arbeitskolben und Steuerkolben vorgegeben werden, wobei insbesondere der in verschiedene Stellungen bringbare Steuerkolben als Standardbauteil ausgeführt werden kann.

[0010] Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich dadurch, dass die den

Steuerraum begrenzende hydraulische Wirkfläche des Arbeitskolbens gleich groß wie, kleiner als oder größer als die den Kolbenraum begrenzende hydraulische Wirkfläche des Steuerkolbens oder des zwischengeschalteten Ausgleichskolbens ist. Dadurch kann eine hydraulische 1 :1-Übersetzung, eine Untersetzung oder eine willkürliche Übersetzung zwischen dem Volumen an Steuerfluid und dem Volumen an Druckfluid bereitgestellt werden. Es können damit verschiedene Übersetzungen zwischen Arbeits- und Steuerkolben realisiert werden.

[0011] Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dadurch, dass der Arbeitskolben einen Arbeitsabschnitt aufweist, welcher den Arbeitsdruckraum begrenzt und ferner einen dem Arbeitsabschnitt ferngelegenen, als Führungskolben ausgebildeten, Bereich aufweist, weicher den Steuerraum begrenzt. Der Arbeitsdruckraum ist folglich vom Steuerraum räumlich getrennt und nicht hydraulisch druckverbunden. Der Führungskolben kann insbesondere von einer Führungsstange gebildet werden, die zur axialen Ausrichtung des Arbeitskolbens im Gehäuse geführt wird und deren Stirnseite kolbenartig ausgebildet ist.

[0012] Als weitere Ausgestaltung können Steuerkolben und Steuerzylinder gemeinsam mit dem Arbeitskolben im Gehäuse des Hydraulikantriebs angeordnet sein.

[0013] Die Steuerachse des Steuerkolbens und die Arbeitsrichtung des Arbeitskolbens verlaufen vorzugsweise parallel. Alternativ ist auch möglich, dass die Steuerachse in einem Winkel zur Arbeitsrichtung verläuft. Dadurch ist eine flexible, an die Platzanforderungen der Einbausituation angepasste Anordnung möglich.

[0014] Besonders bevorzugt ist, dass der Steuerkolben parallel zum

Führungskolben im Gehäuse angeordnet ist und dass die Stirnseite des Gehäuses den Steuerraum und den Kolbenraum des Steuerkolbens gemeinsam begrenzt. Der Führungskolben und der Steuerkolben weisen also derart ähnliche axiale Abmessungen auf, dass eine gemeinsame Anordnung im Gehäuse mit einem gemeinsamen Deckel möglich ist. Ein derartiger Hydraulikantrieb ist damit außerordentlich kompakt und robust aufgebaut.

[0015] Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich auch dadurch, dass der

Steuerzylinder mit Druckleitungen verbunden vom Gehäuse beabstandet angeordnet ist. Die Steuerachse kann dabei in beliebigem Winkel zur Arbeitsrichtung angeordnet sein. Dies ermöglicht einen besonders flexiblen Aufbau des Hydraulikantriebs. Außerdem können Anordnungen realisiert werden, bei denen für die eigentliche Arbeitseinheit (Arbeitskolben und Gehäuse) nur sehr wenig Platz benötigt wird. Alle Steuerelemente können von der Arbeitseinheit getrennt angeordnet werden. Eine präzise Steuerung ist dabei nach wie vor möglich.

[0016] Besonders bevorzugt ist, wenn der Steuerkolben Steuerkanten aufweist, die mit Steuerkanten am Steuerzylinder zur Steuerung des Flusses von Druckfluid derart zusammenwirken, dass der Fluss durch die Auslenkung des Steuerkolbens aus der Neutralstellung längs der Steuerachse stufenlos einstellbar ist. Da der Arbeitskolben durch Befüllen des Arbeitsdruckraums mit Druckfluid bewegt wird, ist durch die beschriebene Anordnung eine proportionale Steuerung der Geschwindigkeit der Kolbenbewegung möglich. Im Betrieb der Vorrichtung kann daher der Arbeitskolben je nach Anforderung unterschiedlich schnell verfahren werden.

[0017] Vorteilhafterweise ist ein Federmittel vorgesehen, das den Steuerkolben federnd gegen den in den im Kolbenraum herrschenden Druck so beaufschlagt, dass der Steuerkolben in der Neutralstellung gehalten wird. Das Federmittel kann insbesondere als hydraulische Feder oder auch als Schraubenfeder ausgebildet sein. Bei Druckentlastung des Steuerfluids (zum Beispiel durch entsprechende Volumensänderung des Steuerraums) kehrt der Steuerkolben damit automatisch in die Neutralstellung zurück. Dadurch kann die Ansprechgeschwindigkeit der Steuerung erhöht werden.

[0018] Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuerfluidversorgung derart vorgesehen, dass ein definiertes Volumen an Steuerfluid in den Kolbenraum zugeführt oder aus dem Kolbenraum abgeführt werden kann. Die Steuerfluidversorgung kann dabei fern vom Arbeitskolben bzw. dessen Gehäuse sowie fern von Steuerkolben bzw. dessen Zylinder angeordnet sein. Die Zuführung von Steuerfluid in den Kolben- oder Steuerraum kann dabei über starre oder auch flexible Druckleitungen erfolgen.

[0019] Beim erfindungsgemäßen Hydraulikantrieb sind verschiedenartige Wege der Ansteuerung möglich. Insbesondere kann die Steuerfluidversorgung als elektrofluidischer Wandler mit einem Kolben zur Ausgabe eines definierten Volumens an Steuerfluid aus einem Steuerfluidtank ausgebildet sein. Ein solcher Wandler arbeitet nach dem Prinzip einer „Infusionsspritze". Das ausgegebene Volumen kann beispielsweise für eine bestimmte Bewegung des Kolbens einmal geeicht werden, wodurch eine eine präzise Steuerung des Arbeitskolbens ermöglicht werden kann.

[0020] Eine weitere Ausführungsform ergibt sich daraus, dass die Steuerfluidversorgung eine Niederdruckpumpe bzw. einen Niederdruckspeicher für Steuerfluid und ein elektrisches Wegeventil zur Steuerung des von der Niederdruckpumpe bzw. des Niederdruckspeichers zum Steuerraum zugeführten Volumens an Steuerfluid umfasst. Als Wegeventil kann dabei beispielsweise ein kontinuierliches Servoventil zum Einsatz kommen.

[0021] Ferner kann die Steuerfluidversorgung eine über einen Motor antreibbare Pumpe umfasst, über die ein vorgebbares Volumen in den oder aus dem Kolbenraum zu- oder abgeführt wird. Dankbar ist auch, dass die Steuerfluidversorgung eine motorisch antreibbaren Exzenterkolben umfasst, über den ein vorgebbares Volumen in den oder aus dem Kolbenraum zu- oder abgeführt werden kann.

[0022] Als vorteilhafte Weiterbildung ist eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Volumens des in den Steuerraum zugeführten oder aus dem Steuerraum abgeführten Steuerfluids vorgesehen. Die gemessenen Volumenwerte können beispielsweise zur Einrichtung der hydraulischen Rückkopplung oder zur Erhöhung der Präzision der Steuerung eingesetzt werden. [0023] Es ist außerdem denkbar, eine Messeinrichtung zur Bestimmung des

Verfahrwegs des Arbeitskolbens längs der Arbeitsrichtung vorzusehen. Da die Bewegung des Arbeitskolbens das Volumen des Steuerraums ändert, ist auch auf diesem Wege eine Überwachung und/oder Verfeinerung der hydraulischen Rückkopplung möglich.

[0024] Als besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist im Betrieb der Vorrichtung der Druck des Steuerfluids niedriger als der Druck des Druckfluids. Die Bewegung des Steuerkolbens kann daher mit geringem Energie- und Kraftaufwand erfolgen. Der Hydraulikantrieb wirkt in diesem Sinne als hydraulischer Verstärker.

[0025] Vorteilhafterweise wird das Druckfluid und das Steuerfluid von einem Hydrauliköl gebildet, wobei zur Bereitstellung von Druckfluid eine Hochdruckversorgung und zur Bereitstellung von Steuerfluid eine Niederdruckversorgung für Hydrauliköl vorgesehen sein kann. Die Steuerung des Hydraulikantriebs erfolgt also durch Bereitstellung definierter Volumina von Hydrauliköl bei niedrigem Druck und ist nur mit einem geringen Energieaufwand verbunden.

[0026] Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben und erläutert sind.

[0027] Es zeigen:

[0028] Figur 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen

Hydraulikantrieb mit skizziertem elektrofluidischem Wandler als Steuerfluidversorgung;

[0029] Figur 2 eine skizzierte weitere Ausführungsform für die Steuerfluidversorgung in Zusammenwirkung mit einer Volumenmesseinrichtung;

[0030] Figur 3 eine skizzierte weitere Ausführungsform der Steuerfluidversorgung; und

[0031] Figur 4 eine skizzierte weitere Ausführungsform der Steuerfluidversorgung.

[0032] Der in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Hydraulikantrieb 1 weist einen Arbeitskolben 2 mit einem Arbeitsabschnitt 3 auf, der in einem Gehäuse 5 längs einer Arbeitsrichtung 7 dichtend geführt wird. Der Arbeitskolben 2 umfasst eine in Arbeitsrichtung 7 verlaufend ausgebildete Kolbenstange 9. Der dem Arbeitsabschnitt 3 entgegen der Arbeitsrichtung 7 abgewandte Bereich des Arbeitskolbens 2 ist als Führungskolben 11 ausgebildet. Der Durchmesser 15 des Führungskolbens 11 ist dabei kleiner als der Durchmesser 13 des Arbeitsabschnitts 3. Der Führungskolben 11 wird im Führungsbereich 6 des Gehäuses 5 dichtend geführt.

[0033] Der Arbeitskolben 2 begrenzt mit seinem Arbeitsabschnitt 3 einen

Arbeitsdruckraum 17. Auf der dem Arbeitsdruckraum 17 abgewandten Seite ist ein Ringraum 4 vorhanden, im welchem vorzugsweise ein Dauerdruck herrscht. Der als Führungskolben 11 ausgebildete Bereich des Arbeitskolbens 2 begrenzt einen Steuerraum 19. Der den Arbeitsdruckraum 17 begrenzende Arbeitsabschnitt 3 hat eine hydraulische Wirkfläche 14 zur Bewegung des Arbeitskolbens 2. Der den Steuerraum begrenzende Führungskolben 11 weist eine hydraulische Wirkfläche 16 auf.

[0034] Zur Versorgung des Arbeitsdruckraums 17 mit einem Druckfluid, das hier von einem Hydrauliköl gebildet wird, ist eine Hochdruckversorgung 21 vorgesehen. Zur Aufnahme von aus dem Arbeitsdruckraum 17 abfließendem Hydrauliköl ist ein Tank 23 vorgesehen.

[0035] Im Gehäuse 5 ist ferner ein Steuerzylinder 25 angeordnet, in dem ein Steuerkolben 27 längs einer Steuerachse 29 dichtend verschieblich geführt ist. Die Steuerachse 29 verläuft bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform parallel zur Arbeitsrichtung 7. Grundsätzlich kann die Arbeitsrichtung 7 und die Steuerachse 29 einen beliebigen Winkel einschließen. Der Führungsbereich 6 des Gehäuses 5, der Führungskolben 11 , der Steuerzylinder 25 und der Steuerkolben 27 haben ähnliche axiale Abmessungen und sind im Gehäuse 5 parallel zueinander angeordnet. Die Stirnseite 31 des Gehäuses 5 bildet dabei einen gemeinsamen Abschluss des Führungsbereichs 6 und des Steuerzylinders 25. Auf der dem Arbeitsabschnitt 3 abgewandten Seite des Steuerkolbens 27 ist ein vom Steuerkolben 27 vorzugsweise separat ausgebildeter, am Steuerkolben 27 anliegender, Ausgleichskolben 37 vorgesehen.

[0036] Der Steuerkolben 27 weist zwei ringbundartige axiale Erweiterungen 39, 41 auf. Die Erweiterung 39 wirkt gegen den Ausgleichskolben 37, welcher mit dem Steuerzylinder 25 einen Kolbenraum 33 begrenzt. Zwischen den beiden Erweiterungen 39, 41 liegt ein Durchflussraum 35. Die dem Steuerkolben 27 abgewandte Stirnseite 52 des Ausgleichskolbens 37 bildet eine hydraulische Wirkfläche 53 zur Bewegung des Ausgleichskolbens 37 und des Steuerkolbens 27.

[0037] Über den Durchmesser des Ausgleichskolbens 37 kann das gewünschte Übersetzungsverhältnis des Steuerkolbens 27 und des Führungskolbens 11 vorgebeben werden, ohne die Größenverhältnisse von Führungskolben 11 und Steuerkolben 27 verändern zu müssen. Bei geeigneten Größenverhältnissen von Führungskolben 11 und Steuerkolben 27 kann der Ausgleichskolben 37 auch entfallen.

[0038] Der Durchflussraum 35 ist über einen Druckkanal 45 mit dem

Arbeitsdruckraum 17 verbunden. Der Kolbenraum 33 ist über den Durchgang 47 mit dem Steuerraum 19 verbunden. Die Stirnseite 31 des Gehäuses 5 bildet folglich einen gemeinsamen Deckel für den Kolbenraum 33 und den Steuerraum 19.

[0039] Im Steuerzylinder 25 werden durch ringförmige Aussparungen eine

Zulaufkammer 49 und eine Rücklaufkammer 51 mit dem Steuerkolben 27 begrenzt. Dabei ist die Zulaufkammer 49 mit der Hochdruckversorgung 21 verbunden, die Rücklaufkammer 51 mit dem Tank 23.

[0040] Die ringbundartige Erweiterung 41 des Steuerkolbens 27 weist eine

Steuerkante 60 auf, welche mit einer Steuerkante 62 der Zulaufkammer 49 zusammenwirkt. In ähnlicher Weise ist an der ringbundartigen Erweiterung 39 eine Steuerkante 64 zur Zusammenwirkung mit einer Steuerkante 66 am Steuerkolben 27 vorgesehen.

[0041] In der Figur 1 ist die Neutralstellung des Steuerkolbens 27 dargestellt.

Hierbei fluchten die Steuerkanten 60 und 62 beziehungsweise 64 und 66 miteinander. Der Durchflussraum 35 ist in der Neutralstellung also weder mit der Zuflusskammer 49 noch mit der Rücklaufkammer 51 druckverbunden. Wird der Steuerkolben 27 aus seiner in Figur 1 dargestellten Lage nach unten bewegt, so gelangt er in die Zuflussstellung. Dabei öffnet sich ein Spalt zwischen den korrespondierenden Steuerkanten 60 und 62, wodurch die Zulaufkammer 49 mit dem Durchflussraum 35 druckverbunden wird. Wird hingegen der Steuerkolben 27 aus seiner Neutralstellung in Figur 1 nach oben bewegt, so wird in analoger Weise die Rücklaufkammer 51 mit dem Durchflussraum 35 druckverbunden, indem sich ein Spalt zwischen den Steuerkanten 64 und 66 öffnet. In dieser Situation befindet sich der Steuerkolben 27 in seiner Abflussstellung.

[0042] Im Bereich der ringbundartigen Erweiterung 41 hat der Steuerkolben 27 eine Bodenseite 54, an welcher sich ein zwischen dem Gehäuse 5 und dem Steuerkolben 27 angeordnetes Federmittel 55, das hier als Schraubenfeder 56 ausgebildet ist, abstützt. In der Darstellung der Figur 1 wird dadurch der Steuerkolben 27 mit einer Kraft nach oben gegen den in im Kolbenraum 33 herrschenden Druck beaufschlagt.

[0043] Um dem Kolbenraum 33 beziehungsweise dem Steuerraum 19 ein definiertes Volumen an Steuerfluid zuzuführen, ist eine Steuerfluidversorgung 80 vorgesehen. Diese ist über eine Verbindungsleitung 108 mit dem Durchgang 47 verbunden, welcher den Kolbenraum 33 und den Steuerraum 19 verbindet. Die Steuerfluidversorgung 80 ist in Figur 1 als elektrofluidischer Wandler 81 ausgebildet. Hierbei ist ein Steuerfluidraum 87 vorgesehen, der von einem Kolben 83 begrenzt wird. Der Kolben 83 wird durch einen elektrischen Linearmotor 89 angetrieben. Wird der Kolben 83 durch den elektrischen Linearmotor 89 um ein definiertes Wegstück bewegt, so wird ein definiertes Volumen an Steuerfluid aus dem Steuerfluidraum 87 ausgepresst und dem Kolbenraum 33 zugeführt. Insofern arbeitet der elektrofluidische Wandler 81 ähnlich einer Infusionsspritze.

[0044] Da der Kolbenraum 33 und der Steuerraum 19 über den Durchgang 47 druckverbunden sind, spielt es keine Rolle, ob das Steuerfluid dem Steuerraum 19 direkt, dem Kolbenraum 33 oder einem die beiden Räume verbindenden Leitungsabschnitt beziehungsweise dem Durchgang 47 zugeführt wird. Im Betrieb des Hydraulikantriebs 1 erfolgt die hydraulische Steuerung in der nachfolgend geschilderten Art und Weise. In Figur 1 befindet sich der Steuerkolben 27 in seiner Neutralstellung, der Arbeitskolben 2 in seiner Ausgangslage. Der Kolbenraum 33 und der Steuerraum 19 sind mit einem Ausgangsvolumen an Steuerfluid befüllt. Auf die hydraulische Wirkfläche 53 des Steuerkolbens 27 wirkt in Figur 1 eine Kraft nach unten. Diese wird genau kompensiert durch die auf den Steuerkolben 27 wirkende Kraft nach oben, welche durch das Federmittel 55 bereitgestellt wird. Der Steuerkolben 27 befindet sich daher in seiner Neutralstellung im Kräftegleichgewicht. Um den Arbeitskolben 2 um einen definierten Verfahrweg in Arbeitsrichtung 7 zu bewegen, wird dem Kolbenraum 33 von der Steuerfluidversorgung 80 ein definiertes Volumen an Steuerfluid zugeführt. Das Volumen an Steuerfluid stellt insofern die Führungsgröße des hydraulischen Regelkreises dar. Mit der Zufuhr von Steuerfluid erhöht sich der Druck auf die hydraulische Wirkfläche 53 des Ausgleichskolbens 37 und damit auf den Steuerkolben 27. Dieser weicht daraufhin aus seiner Neutralstellung in Richtung der Zuflussstellung nach unten aus. Die Steuerfluidversorgung 80 muss dabei lediglich die Gegenkraft des Federmittels 55 überwinden und kann daher als energiesparende Niederdruckversorgung ausgebildet sein. In der Zuflussstellung des Steuerkolbens 27 öffnet sich wie oben beschrieben ein Spalt zwischen der Zulaufkammer 49 und dem Durchflussraum 35. Daraufhin strömt Druckfluid von der Hochdruckversorgung 21 durch die Zulaufkammer 49, durch den Durchflussraum 35, über den Druckkanal 45 und in den Arbeitsdruckraum 17. Dadurch wird der Arbeitskolben 2 aus seiner Ausgangslage in Arbeitsrichtung 7 bewegt. Dieser Bewegung folgt der als Führungskolben 11 ausgebildete Bereich des Arbeitskolbens 2 im Führungsbereich 6. Der Verfahrweg des Arbeitskolbens 2 längs der Arbeitsrichtung 7 ist dabei gerade so groß, dass die mit der Bewegung verbundene Vergrößerung des Volumens des Steuerraums 19 gerade dem zugeführten Volumen an Steuerfluid entspricht. Da der Steuerraum 19 mit dem Kolbenraum 33 über den Durchgang 47 verbunden ist, kompensiert die Volumenvergrößerung des Steuerraums 19 das dem Kolbenraum 33 zugeführte Volumen. Durch diesen Volumenausgleich lässt die auf die hydraulische Wirkfläche 53 des Ausgleichskolbens 37 wirkende Kraft nach, und der Steuerkolben 27 kehrt aufgrund der nach oben gerichteten Kraft des Federmittels 55 wieder in seine Neutralstellung zurück. Dadurch wird ein weiterer Zufluss von Druckfluid zum Arbeitsdruckraum 17 unterbunden, und der Hydraulikantrieb erreicht eine neue Ruhestellung, in der sich der Steuerkolben 27 erneut in seiner Neutralstellung befindet. Auf diese Weise wird über das Volumen des Steuerraumes 19 eine hydraulische Rückkopplung der Stellgröße (Verfahrweg des Arbeitskolbens 2) mit der Führungsgröße (Volumen an Steuerfluid) bereitgestellt. Eine Messeinrichtung zur Erfassung der Stellgröße, beispielsweise eine Positionsmessung am Arbeitskolben 2, ist also für den Betrieb des Hydraulikantriebs grundsätzlich nicht notwendig, kann aber dennoch zur besseren Kontrolle des Vorgangs vorgesehen sein.

[0046] Bei Verlagerung des Steuerkolbens 27 längs der Steuerachse 29 ist die Öffnungsweite des Spaltes zwischen den korrespondierenden Steuerkanten 60, 62 beziehungsweise 64, 66 kontinuierlich einstellbar. Da die Öffnungsweite der Spalten zwischen Zulaufkammer 49 beziehungsweise Rücklaufkammer 51 und dem Durchflussraum 35 die zeitliche Durchflussmenge an Steuerfluid regelt, ist auf diese Weise eine proportionale Regelung der Verfahrgeschwindigkeit des Arbeitskolbens möglich. Die hydraulische Über- beziehungsweise Untersetzung zwischen dem Volumen an Steuerfluid und dem Volumen an Druckfluid ist dabei durch das Verhältnis der hydraulischen Wirkfläche 16 im Steuerraum 19 und der hydraulischen Wirkfläche 14 des Arbeitskolbens 2 im Arbeitsdruckraum 17 bestimmt. Die Vorrichtung arbeitet insofern einerseits als hydraulischer Kraftverstärker, andererseits als hydraulische Übersetzung.

[0047] Wird dem Kolbenraum 33 beziehungsweise dem Steuerraum 19 ein definiertes Volumen an Steuerfluid entnommen, so bewegt sich der Steuerkolben 27 aus der Neutralstellung in die oben beschriebene Abflussstellung. Dadurch wird der Arbeitsdruckraum 17 über den Druckkanal 45, den Durchflussraum 35, mit der Rücklaufkammer 51 und mit dem Tank 23 verbunden. Dies ermöglicht einen Abfluss von Druckfluid aus dem Arbeitsdruckraum 17 und damit eine Rückbewegung des Arbeitskolbens 2 entgegen der Arbeitsrichtung 7 aufgrund eines im Ringraum 4 anstehenden Dauerdrucks.

[0048] Zur Erhöhung der Präzision der hydraulischen Rückkopplung ist eine

Messeinrichtung 75 zur Bestimmung des von der Steuerfluidversorgung 80 in den Kolbenraum 33 zugeführten bzw. aus dem Kolbenraum 33 abgeführten Volumens an Steuerfluid vorgesehen. Ferner ist eine Steuereinheit 76 vorgesehen, welche den Linearmotor 89 ansteuert, Wegmesssignale der Auslenkung des Linearmotors 89 und das ausgegebene von der Messeinrichtung 75 gemessene Volumen auswertet.

[0049] Bei Vorsehen einer Messeinrichtung zur Erfassung der Position des Arbeitskolbens 2, kann die Messeinrichtung 75 entfallen.

[0050] Die Versorgung mit Steuerfluid für einen erfindungsgemäßen

Hydraulikantrieb kann auf verschiedene Weise erfolgen. Um dem Kolbenraum 33 (vgl. Fig. 1) über die Verbindungsleitung 108 ein definiertes Volumen an Steuerfluid zuzuführen, ist in Figur 2 eine Steuerfluidversorgung 90 skizziert, welche mit einer Messeinrichtung 75 für das zu- oder abgeführte Volumen an Steuerfluid und einer Steuereinheit 76 zusammenwirkt. Die Steuerfluidversorgung 90 umfasst eine Niederdruckversorgung bzw. Niederdruckquelle 92 für Hydrauliköl, welches hier das Steuerfluid bildet. Der Durchfluss von Hydrauliköl von der Niederdruckversorgung 92 zum Kolbenraum 33 (vgl. Fig. 1) wird von einem elektrisch betätigbaren Wegeventil 96 gesteuert, welches von der Steuereinheit 76 entsprechend angesteuert wird. Ein definiertes Volumen an Steuerfluid kann dadurch bereitgestellt werden, dass die Messeinrichtung 75 das zu- bzw. abgeführte Volumen an Steuerfluid misst und die Steuereinheit 76 durch Vergleich der gemessenen Werte mit den definierten Vorgaben das Wegeventil 96 entsprechend ansteuert. [0051] Die in Figur 3 skizzierte Steuerfluidversorgung 100 weist ein Reservoir 102 für Steuerfluid und eine Pumpe 106 auf. Die Pumpe 106 wird von einem Motor 105 angetrieben. Der Motor 105 von einer elektrischen Steuereinheit 76 angesteuert, so dass dem Kolbenraum 33 (vgl. Fig. 1) bzw. dem Steuerraum 19 (vgl. Fig. 1) über die Verbindungsleitung 108 ein definiertes Volumen an Steuerfluid bereitgestellt werden kann. Über ein Messsystem 104 können die Drehzahl und damit das Fördervolumen der Pumpe 106 bestimmt werden.

[0052] In der Figur 4 ist eine weitere Steuerfluidversorgung 110 dargestellt. Diese umfasst einen von einem Motor 112 angetriebenen Exzenter 114, über welchen ein Kolben 116 auf und ab bewegt wird. Über den Kolben 116 wird ein vorgebbares Volumen in die Verbindungsleitung 108 einspeist bzw. aus der Verbindungsleitung 108 entnommen. An die Verbindungsleitung 108 kann zudem ein Volumensausgleich 118, insbesondere zur Einstellung der Ausgangslage des Arbeitskolbens 2, angeschlossen sein. Eine solche Steuerfluidversorgung 110 findet insbesondere Verwendung bei vergleichsweise schnellen, periodisch wiederkehrenden Hubbewegungen des Arbeitskolbens 2.

Claims

Ansprüche

1. Hydraulikantrieb (1) umfassend einen in einem Gehäuse (5) längs einer Arbeitsrichtung (7) geführten Arbeitskolben (2), wobei der Arbeitskolben (2) einen Arbeitsdruckraum (17) begrenzt, der zur Bewegung des Arbeitskolbens (2) in Arbeitsrichtung (7) mit einem Druckfluid befüllbar ist, und außerdem einen Steuerraum (19) begrenzt, dessen Volumen sich bei Bewegung des Arbeitskolbens (2) in Arbeitsrichtung (7) vergrößert, umfassend außerdem einen in einem Steuerzylinder (25) geführten Steuerkolben (27), der zwischen einer Neutralstellung, einer die Zufuhr von Druckfluid in den Arbeitsdruckraum (17) ermöglichenden Zuflussstellung und einer die Abfuhr von Druckfluid aus dem Arbeitsdruckraum (17) ermöglichenden Abflussstellung längs einer Steuerachse (29) verschiebbar ist, wobei ein Kolbenraum (33) vorgesehen ist, der zur Bewegung des Steuerkolbens (27) aus der Neutralstellung in die Zuflussstellung oder aus der Abflussstellung in die Neutralstellung mit einem Steuerfluid befüllt wird, und der mit dem Steuerraum (19) derart druckverbunden ist, dass durch die Volumenänderung des Steuerraumes (19) der Steuerkolben (27) in die Neutralstellung zurückgeführt wird.

2. Hydraulikantrieb (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (27) den Kolbenraum (33) unmittelbar begrenzt.

3. Hydraulikantrieb (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Steuerkolben (27) und dem Kolbenraum (33) ein Ausgleichskolben (37) zwischengeschaltet ist.

4. Hydraulikantrieb (1) nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben (2) einen Arbeitsabschnitt (3), welcher den Arbeitsdruckraum (17) begrenzt und einen als Führungskolben (11) ausgebildeten Bereich aufweist, weicher den Steuerraum (19) begrenzt.

5. Hydraulikantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (27) parallel zum Führungskolben (11) im Gehäuse (5) angeordnet ist und dass die Stirnseite (31) des Gehäuses (5) den Steuerraum (19) und den Kolbenraum (33) gemeinsam begrenzt.

6. Hydraulikantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerzylinder (25) mit Druckleitungen verbunden vom Gehäuse (5) beabstandet angeordnet ist.

7. Hydraulikantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (27) Steuerkanten (60, 64) aufweist, die mit Steuerkanten (62, 66) am Steuerzylinder (25) zur Steuerung des Flusses von Druckfluid derart zusammenwirken, dass der Fluss durch die Auslenkung des Steuerkolbens (27) aus der Neutralstellung längs der Steuerachse (29) stufenlos einstellbar ist.

8. Hydraulikantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federmittel (55) vorgesehen ist, das den Steuerkolben (27) gegen den in den im Kolbenraum (33) herrschenden Druck in die Neutralstellung beaufschlagt.

9. Hydraulikantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerfluidversorgung (80, 90, 100, 110) derart vorgesehen ist, dass ein definiertes Volumen an Steuerfluid in den Kolbenraum (33) und/oder Steuerraum (19) zugeführt oder aus dem Kolbenraum (33) und/oder Steuerraum (19) abgeführt werden kann.

10. Hydraulikantrieb (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerfluidversorgung (80) als elektrofluidischer Wandler (81) mit einem Kolben (83) zur Ausgabe eines definierten Volumens an Steuerfluid aus einem Steuerfluidtank (87) ausgebildet ist.

11. Hydraulikantrieb (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerfluidversorgung (90) eine Niederdruckpumpe und/oder einen Niederdruckspeicher (92) für Steuerfluid und ein elektrisches Wegeventil (96) zur Steuerung des von der Niederdruckpumpe und/oder des Niederdruckspeichers (92) zum Kolbenraum (33) zugeführten Volumens an Steuerfluid umfasst.

12. Hydraulikantrieb (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerfluidversorgung (100) eine über einen Motor (105) antreibbare Pumpe (106) umfasst, über die ein vorgebbares Volumen in den oder aus dem Kolbenraum (133) zu- oder abgeführt werden kann.

13. Hydraulikantrieb (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerfluidversorgung (110) eine motorisch antreibbaren Exzenterkolben (116) umfasst, über den ein vorgebbares Volumen in den oder aus dem Kolbenraum (133) zu- oder abgeführt werden kann.

14. Hydraulikantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (75) zur Bestimmung des Volumens des in den Kolbenraum (33) und/oder Steuerraum (19) zugeführten oder aus dem Kolbenraum (33) und/oder Steuerraum (19) abgeführten Steuerfluids vorgesehen ist.

15. Hydraulikantrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Verfahrweges des Arbeitskolbens (2) längs der Arbeitsrichtung (7) vorgesehen ist.