EP3837446B1

EP3837446B1 - Elektrohydrostatisches aktuatorsystem mit nachsaugbehälter

Info

Publication number: EP3837446B1
Application number: EP19753311.0A
Authority: EP
Inventors: Sascha DANY; Reiner Kohlhaas; Achim Helbig; Werner Händle
Original assignee: Moog GmbH
Current assignee: Moog GmbH
Priority date: 2018-08-16
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2022-09-28
Anticipated expiration: 2039-08-08
Also published as: CN112567139A; WO2020035398A1; US11603867B2; CN112567139B; DE102018120000A1; US20210332831A1; EP3837446A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrohydrostatisches Aktuatorsystem, und insbesondere ein elektrohydrostatisches Aktuatorsystem welches ein Nachsaugbehälter aufweist.
Elektrohydrostatische Aktuatorsysteme sind im Stand der Technik bekannt und werden hauptsächlich für Spritzgussmaschinen, Pressen und Tiefzieheinrichtungen eingesetzt. Üblicherweise weisen Aktuatorsysteme aus dem Stand der Technik mindestens einen Zylinder mit ungleichen Flächenverhältnisse auf. Diese Ungleichheit führt zu einer Volumendifferenz in der Strömung des Hydraulikfluids im System, was weder für den Bewegungsablauf noch für die Instandhaltung des Systems vorteilhaft ist.
Die üblicherweise in solchen Systemen verwendeten Druckspeicher halten den Druck im System aufrecht, jedoch ist deren Fähigkeit eine Volumendifferenz auszugleichen durch das üblicherweise kleine Speichervolumen zumindest teilweise beschränkt und führen in der Regel zu einem Druckanstieg oder Druckabfall.
Des weiteren erfolgt in herkömmliche Aktuatorsysteme die Kühlung und die Reinigung des Hydraulikfluids durch Leckagen und Spülung der Pumpe. Die Kühlung ist aufgrund des beschränkten Volumenstroms der an solchen Stellen zur Verfügung steht stark eingeschränkt, weswegen sowohl ein erhöhter Energieaufwand, als auch ein erhöhter Zeitaufwand notwendig sind, um eine Erhöhung der Kühlleistung bereitzustellen. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik wenigstens teilweise zu überwinden oder zu verbessern.
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Eine erfindungsgemäße Verwendung des erfindungsgemäßen Systems wird in Anspruch 13 spezifiziert.
Das erfindungsgemäße elektrohydrostatisches Aktuatorsystem umfasst dabei: eine von einem Elektromotor angetriebenen volumen- und/oder drehzahl-variablen Hydromaschine, zur Bereitstellung eines Volumenstroms eines Hydraulikfluids; ein Differentialzylinder mit einer Kolbenseite und einer Ringseite, sowie wenigstens eine Vorspannquelle.
Dabei weist das Aktuatorsystem einen geschlossenen hydraulischen Kreislauf auf wobei im Betrieb mittels der Hydromaschine und/oder der Vorspannquelle das Hydraulikfluid im hydraulischen Kreislauf mit Druck beaufschlagt wird. Ferner stellt der Differentialzylinder erfindungsgemäß die Betriebsarten eines Kraftgangs und eines Eilgangs bereit.
Zum Ausgleich eines Volumens des Hydraulikfluids im geschlossenen hydraulischen Kreislauf ist erfindungsgemäß ein Nachsaugbehälter mit der Kolbenseite des Differentialzylinders über ein Ventil verbunden.
Erfindungsgemäß ist ein zweites, als Proportionalventil ausgebildetes, Ventil an der Verbindung zwischen der Vorspannquelle und der Kolbenseite des Differentialzylinders oder zwischen der Kolbenseite des Differentialzylinders und dem Nachsaugbehälter angeordnet.
Das erfindungsgemäße Aktuatorsystem wird als elektrohydrostatisches Aktuatorsystem bezeichnet, da es sowohl einen Elektromotor als auch eine Hydromaschine zur Bereitstellung eines Volumenstroms eines Hydraulikfluid aufweist und der Zylinder über ein hydrostatisches Getriebe an die Hydromaschine gekoppelt ist.
Elektromotoren sind im Stand der Technik bekannt und dienen zum Antrieb der Hydromaschine.
Die Hydromaschine ist volumen- und/oder drehzahl-variabel und kann vorzugsweise im Betrieb zwei mögliche Flussrichtungen des Hydraulikfluids im geschlossenen Hydraulikkreislauf bereitstellen. Die Hydromaschine kann ferner entweder einen drehzahl-variablen Elektromotor aufweisen und eine Konstantpumpe oder einen drehzahl-konstanten Elektromotor und eine Verstellpumpe oder einen drehzahl-variablen Elektromotor und eine Verstellpumpe. Die Auswahl der Hydromaschine wird dabei von Faktoren wie - z.B. - Systemkosten, Zuverlässigkeit oder zugelassene Geräuschemission oder Wirkungsgrad bestimmt.
Der Aktuatorsystem weist weiterhin einen Differentialzyliner auf, welcher eine Ringseite und eine Kolbenseite, sowie einer Ringfläche und einer Kolbenfläche umfasst. Unter einem Differentialzylinder wird ein Hydraulikzylinder verstanden, bei dem sich die Zylinderflächen auf der Vorder- und Rückseite des Kolbens unterscheiden. Dabei wird die Seite mit der kleineren Zylinderfläche als Stangenseite bezeichnet, weil auf dieser Seite eine Kolbenstange angeordnet ist. Die Zylinderfläche auf der Stangenseite wird Ringfläche genannt. Die Seite mit der größeren Zylinderfläche eines Differentialzylinders ist die sog. Kolbenseite. An der Kolbenseite ist entweder keine Kolbenstange angeordnet, oder eine Kolbenstange mit einem kleineren Durchmesser als auf der Stangenseite. Die Zylinderfläche auf der Kolbenseite wird Kolbenfläche genannt.
Erfindungsgemäß stellt der Differentialzylinder die Betriebsarten eines Kraftgangs und Eilgangs bereit.
Das Antriebssystem stellt eine Bewegung des Zylinders, d.h. des Differentialzylinders, in eine erste Richtung bereit, z.B. in Richtung auf das zu bearbeitende Werkstück. Das wird erreicht mittels eines Volumenstroms aus der Hydromaschine bzw. in oder aus dem Nachsaugbehälter. Die Vorspannquelle sorgt für eine Vorspannung des hydrostatischen Getriebes und stellt der Hydromaschine Fluid zur Kompression der Hydraulikflüssigkeit bereit. Dabei kann eine Steuerung und zusätzliche Bauteile - z.B. Ventile - den Volumenstrom entsprechend den geforderten Bewegungsabläufen koordinieren.
Weiterhin stellt das Antriebssystem eine Bewegung des Zylinders in einer zweiten Richtung bereit, z.B. in Gegenrichtung zur ersten vorgenannten Richtung. Auch dies wird mittels eines Volumenstroms der Hydromaschine und eines Volumenstroms in bzw. aus dem Nachsaugbehälter erreicht.
Ein erfindungsgemäßes elektro-hydrostatisches System stellt mindestens die Betriebsarten eines Kraftgangs und eines Eilgangs bereit. Diese Betriebsarten werden mittels des Differentialzylinders bereitgestellt. Der Differentialzylinder kann als ein Zylinder oder als eine Vielzahl von Zylindern, die parallel arbeiten, realisiert sein. Diese zusätzlichen Zylinder können ggf. einen anderen Bewegungsablauf als der Differentialzylinder (Hauptzylinder) aufweisen; sie sind jedoch Teil des erfindungsgemäßen elektro-hydrostatischen Systems und Teil des geschlossenen hydraulischen Kreislaufs.
Im Kraftgang wirkt die große Kolbenfläche, d.h. hohe Kraft bei vergleichsweise niedriger niedrige Geschwindigkeit. Im Eilgang wirkt die Ringfläche, welche kleiner als die Kolbenfläche ist, d.h. geringe Kraft, bei hoher Geschwindigkeit.
Des weiterem weißt das erfindungsgemäße Aktuatorsystem eine Vorspannquelle auf. Diese kann zusätzlich einen Speicher zur Pufferung des Vorspanndrucks aufweisen, wobei dieser Speicher im Allgemeinen ein kleineres Volumen als der Nachsaugbehälter aufweist. Das aus der Vorspannquelle bereitgestellte Hydraulikfluid wird mit einem Druck zwischen 5 bar und 50 bar, insbesondere zwischen 10 bar und 40 bar, bevorzugt zwischen 15 bar und 35 bar, besonders bevorzugt zwischen 20 bar und 30 bar vorgespannt.
Insbesondere bei der Betriebsart Kraftgang ist ein erhöhter Druck des Hydraulikfluids notwendig; wobei die Beaufschlagung des Hydraulikfluids mittels der Hydromaschine erfolgt. Die Vorspannquelle stellt dabei, das erforderliche Fluid zur Kompression bereit. Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Hydromaschine auf beiden Pumpenanschlüssen, also auf dem Anschluss in Richtung der Kolbenseite des Differentialzylinders und auf dem Anschluss in Richtung der Ringseite des Differentialzylinders mit Druck beaufschlagbar.
In der folgenden Beschreibung wird mit dem Begriff "Druck im Druckspeicher", "Druck in der Kolbenseite/Ringseite" oder Abwandlungen davon, der Druck des Hydraulikfluids in den jeweiligen Vorrichtungen bezeichnet. Gleiches gilt für den Begriff "Volumen", so dass beispielsweise mit "niedrigem Volumen im Druckspeicher", ein niedriges Volumen an Hydraulikfluid im Druckspeicher" gemeint ist.
Die Vorspannquelle ist dabei gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung über ein Ventil, mit der Hydromaschine und der Ringseite des Differentialzylinders hydraulisch verbunden.
Insbesondere kann gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform das Ventil ein Rückschlagventil sein, welches bei einem Schwellendruck, vorgespanntes Hydraulikfluid von der Vorspannquelle in das System speist.
Durch die geeignete Auswahl eines Rückschlagventils und insbesondere durch die Wahl der Feder des Rückschlagventils, ist es möglich festzulegen ab welchem Druckunterschied, zwischen dem Ein- und Ausgang des Ventils, sich das Ventil öffnet. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektro-hydrostatischen Systems kann die Vorspannquelle insbesondere auch ein Druckspeicher und/oder eine zusätzliche Pumpe umfassen.
Da der Zylinder bei dem erfindungsgemäßen Aktuatorsystem ein Differentialzylinder ist, haben die Kolbenseite und die Ringseite verschiedenen Volumen, bzw. Flächen.
Wenn der Zylinder beispielsweise in Richtung des Werkzeugs gedrückt wird, fließt das Hydraulikfluid aus der Ringseite des Differentialzylinders über die Hydromaschine in die Kolbenseite des Differentialzylinders. Da die Ringseite ein kleineres Volumen als die Kolbenseite aufweist, ist zusätzliches Hydraulikfluidvolumen notwendig um die Kolbenseite zu füllen und einen Druckausgleich bereitzustellen. Die Vorspannquelle weist im Allgemeinen ein kleines Volumen an Hydraulikfluid auf; dieses ist üblicherweise zu klein um die Volumendifferenz zwischen der Kolbenseite und der Ringseite auszugleichen, da die Vorspannquelle hauptsächlich für die Vermeidung von Kavitationen der Hydromaschine verwendet wird und nicht für den vollständigen Volumenausgleich.
Erfindungsgemäß wird ein Nachsaugbehälter in das System integriert. Insbesondere ist der Nachsaugbehälter direkt mit der Kolbenseite des Differentialzylinders und vorzugsweise mittels eines Rückschlagventils mit dieser hydraulisch verbunden. Das Rückschlagventil öffnet z.B. sobald an der Kolbenseite des Differentialzylinders ein Unterdruck gegenüber dem Nachsaugbehälter besteht. Somit wird eine Strömung von dem Nachsaugbehälter in die Kolbenseite bereitgestellt, welche die Volumendifferenz ausgleicht.
Der Nachsaugbehälter ist mit einem geringeren Druck vorgespannt, vorzugsweise und gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einem Druck kleiner 5 bar, insbesondere kleiner 4 bar, bevorzugt kleiner 3 bar, besonders bevorzugt kleiner 2 bar, und besonders bevorzugt kleiner 1 bar. Dies ermöglicht, dass das Rückschlagventil sich nur dann öffnet, wenn der Druck in der Kolbenseite tatsächlich zu niedrig ist und die Volumendifferenz ausgeglichen werden muss.
Darüber hinaus kann so der Nachsaugehälter von Falschluft getrennt bzw. mit einem Schutzgas beaufschlagt werden, wodurch u.a. eine Oxidation des Hydraulikfluids reduziert wird.
Im Wesentlichen weißt das Hydraulikfluid im Nachsaugbehälter gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform den Umgebungsdruck auf und/oder ist oberhalb der Kolbenseite des Differentialzylinders angeordnet. Alternativ und auch erfindungsgemäß kann der Nachsaugbehälter unterhalb der Kolbenseite des Differentialzylinders angeordnet sein, wobei dann ein Volumenstrom vom Nachsaugbehälter in die Kolbenseite des Differentialzylinders aktiv, wie beispielsweise durch Nachsaugen, bereitgestellt werden muss und nicht durch Gravitation automatisch gewährleistet ist.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist der Nachsaugbehälter ein Volumen auf, das gleich oder größer ist als die Volumendifferenz des geschlossenen Systems in einer Kraftendlage und oberen Endlage des Differentialzylinders.
Der Nachsaugbchälter ist über ein Ventil mit der Kolbenseite des Differentialzylinders hydraulisch verbunden. Dabei kann erfindungsgemäß das Ventil ein gesteuertes Rückschlagventil, und insbesondere ein entsperrbares Rückschlagventil sein.
Ferner, kann gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform das Ventil ein entsperrbares Rückschlagventil sein, welches mittels eines Steuerkreises und einem Wegeventil entsperrt werden kann.
Es ist auch im Sinne einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, dass das Ventil ein gesteuertes 2-Wegeventil mit einer Durchflussstellung und Rückschlagfunktion oder ein elektrisch gesteuerten 3-Wegeventil, mit einer Durchflussstellung, einer Sperrstellung und Rückschlagfunktion, ist.
Die Verwendung von einem gesteuerten Rückschlagventil zwischen dem Nachsaugbehälter und der Kolbenseite des Differentialzylinders ist besonders beim Eilgang vorteilhaft, um das Ventil aktiv offen zu halten, oder auch bei der Dekompression.
Die Dekompression des Systems findet zwischen der Betriebsart Kraftgang und der Betriebsart Eilgang statt. Nach der Bearbeitung des Werkstücks mit erhöhten Druck, muss dieser erstmals entspannt werden, bevor der Zylinder im Eilgang bewegt werden kann; dies erfolgt durch Dekompression des Hydraulikfluids im System.
Ist das Rückschlagventil zwischen dem Nachsaugbehälter und der Kolbenseite des Zylinders steuerbar, bzw. ist das Rückschlagventil in einem 2-Wegeventil eingebettet der eine Durchflussstellung aufweist, kann dieser bei der Dekompression geöffnet werden, so dass sich der Druck im System entspannt und ein Volumenstrom von der Kolbenseite des Differentialzylinders zurück in dem Nachsaugbehälter erfolgen kann.
Das Druckniveau des Nachsaugbehälters ist unabhängig von der Vorspannung der Pumpe. Durch den Nachsaugbehälter wird das fehlende Ölvolumen im System ausgeglichen, welches bei schwankenden Temperaturen im System und/oder bei Kompression der kleineren Zylinderfläche und allgemein während dem Verfahren, benötigt wird. Weiterhin wird somit auch die Bildung von Kavitationen zumindest teilweise verhindert.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Systems ist in der Leitung zwischen der Ringseite des Differentialzylinders und einem Anschluss der Hydromaschine ein weiteres Ventil angeordnet, welches eine Durchflussstellung und eine Sperrstellung aufweist.
Dieses ist vorzugsweise als Sicherheitsventil zu verstehen. Falls ein Problem im System auftritt und es nötig ist den Zylinder zu stoppen ohne ein Abfallen des Zylinders zu bewirken, kann dieses Ventil auf Sperrstellung gesetzt werden. In allen anderen Situationen ist dieses Ventil auf Durchfluss gestellt.
Falls die Vorspannquelle als Pumpe ausgestaltet ist, ist gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform, deren Pumpeneingang über eine Leitung mit dem Nachsaugbehälter verbunden, während der Pumpenausgang über eine weitere Leitung mit einem Ventil, bzw. Rückschlagventil in den Kreislauf integriert ist.
In dieser Ausführungsform ist der Nachsaugbehälter mit zwei Leitungen hydraulisch verbunden. Die eine Leitung verbindet den Nachsaugbehälter mit der Kolbenseite des Differentialzylinders, während die andere Leitung den Nachsaugbehälter mit einem Abschnitt zwischen der Hydromaschine und der Ringseite des Differentialzylinders hydraulisch verbindet.
In dieser zusätzlichen Leitung ist gemäß dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform eine weitere Pumpe angeordnet, welche gleichzeitig die Funktion der Vorspannquelle übernimmt, d.h. die Pumpe beaufschlagt das Hydraulikfluid mit ausreichenden Druck um die Vorspannung der Hydromaschine. Das Hydraulikfluid wird in dieser Ausführungsform direkt von dem Nachsaugbehälter entnommen.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist das geschlossene System eine Vorrichtung zur Reinigung des Hydraulikfluids auf. Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform des Systems die Vorrichtung vorzugsweise zwischen dem Nachsaugbehälter und einem Pumpeneingang der Pumpe oder zwischen einem Pumpenausgang der Pumpe und einem Rückschlagventil angeordnet.
Zusätzlich oder alternativ kann gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Nachsaugbehälter eine Vorrichtung zum Entlüften des Hydraulikfluids und/oder eine Vorrichtung zum Kühlen des Hydraulikfluids aufweisen
Durch die zusätzliche Pumpe wird somit eine Volumenströmung von Hydraulikfluid von dem Nachsaugbehälter durch die zusätzliche Leitung und gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform durch eine Reinigungsvorrichtung bereitgestellt.
Die Anordnung von Zusatzaggregate in dem Behälter, wie beispielsweise Filterungsvorrichtungen, Kühlvorrichtungen und Entlüftungsvorrichtungen zum Filtern, Kühlen bzw. Entlüften des im Behälter enthaltenem Hydraulikfluid ist weiter vorteilhaft.
Um Hydraulikfluid zu reinigen muss das Hydraulikfluid in Bewegung sein. Die Strömung kann beispielsweise im Nachsaugbehälter durch einen weiteren Kreislauf bereitgestellt werden. Vorteilhaft bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist dabei, dass durch eine weitere Leitung sowohl Reinigung, als auch Druckbeaufschlagung stattfindet, wodurch Energie-, Material- und Kostenersparnisse auftreten.
Das verunreinigte Hydraulikfluid wird dabei, beispielsweise während der Dekompression in den Nachsaugbehälter geleitet, von wo es, durch diese zusätzliche Leitung gereinigt und wieder in den Kreislauf eingespeist werden kann.
Des weiterem wird im Gegensatz zu den Systemen in denen die Reinigung oder die Entlüftung durch Leckagen und Spülöl stattfindet, in diesem Fall ein größeres Volumenstrom behandelt.
Das Ventil, welches zwischen der Kolbenseite und dem Nachsaugbehälter angeordnet ist, kann gemäß weiterer erfindungsgemäßen Ausführungsformen geöffnet werden. Bei der Dekompression strömt somit beispielsweise Hydraulikflüssigkeit von der Kolbenseite des Differentialzylinders in dem Nachsaugbehälter. Diese Hydrauliklüssigkeit enthält Verschmutzungen und ist üblicherweise durch die Reibung sehr warm, weswegen eine Filtrierung und Kühlung dieses Fluid auch für die Instandhaltung des gesamten Systems von Vorteil ist.
Das erfindungsgemäße System ist nicht auf einen einzelnen Differentialzylinder beschränkt, und kann in weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen auch mehrere Differentialzylinder aufweisen, welche miteinander oder unabhängig voneinander arbeiten, aber im gleichen System angeordnet sind.
Das erfindungsgemäße System in einer seiner beliebigen Ausführungsformen kann insbesondere in einem erfindungsgemäßen Verfahren eingebettet werden, in welchem beim Ausfahren des Aktuatorsystems im Eilgang, der Nachsaugbehälter zum Ausgleich eines Volumens des Hydraulikfluids im geschlossenen System, Hydraulikfluid in die Kolbenseite des Differentialzylinders fördert.
Das gesamte erfindungsgemäße System, sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Systems werden erfindungsgemäß für die Verwendung in einer Hydraulikpresse, einer Tiefzieheinrichtung, einer Spritzgusseinrichtung oder dergleichen, bereitgestellt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert, wobei darauf hingewiesen wird, dass durch diese Beispiele Abwandlungen beziehungsweise Ergänzungen, wie sie sich für den Fachmann unmittelbar ergeben, mit umfasst sind.
Dabei zeigen:

Fig. 1a:eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems, die nicht durch die beanspruchte Erfindung abgedeckt ist;
Fig. 2a :eine schematische Darstellung der Konfiguration der nicht durch die beanspruchte Erfindung abgedeckten Ausführungsform eines Systems aus Figur 1 beim Ausfahren im Eilgang;
Fig. 2b : eine schematische Darstellung der Konfiguration der nicht durch die beanspruchte Erfindung abgedeckten Ausführungsform eines Systems aus Figur 1 beim Ausfahren im Kraftgang;
Fig. 2c :eine schematische Darstellung der Konfiguration der nicht durch die beanspruchte Erfindung abgedeckten Ausführungsform eines Systems aus Figur 1 bei der Dekompression;
Fig. 2d : eine schematische Darstellung der Konfiguration einer weiteren Ausführungsform eines Systems, die nicht durch die beanspruchte Erfindung abgedeckt ist, bei einer alternativen Art von Dekompression;
Fig. 2e :eine schematische Darstellung der Konfiguration der nicht durch die beanspruchte Erfindung abgedeckten Ausführungsform eines Systems aus Figur 1 beim Einfahren im Eilgang;
Fig. 3 : eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems, die nicht durch die beanspruchte Erfindung abgedeckt ist;
Fig. 4 : eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Systems, die nicht durch die beanspruchte Erfindung abgedeckt ist, mit einer Reinigungsvorrichtung;
Fig. 5 : eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Systems.

Figur 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Aktuatorsystems 1, die nicht durch die beanspruchte Erfindung abgedeckt ist. Das System umfasst dabei einen Differentialzylinder 20, welcher eine Kolbenseite 22a und eine Ringseite 22b aufweist.
Die Kolbenseite 22a ist mittels einer Leitung 71 und einer Leitung 72 mit der Ringseite 22b des Differentialzylinders 20 hydraulisch verbunden. Zwischen den Leitungen 71 und 72 ist eine von einem Elektromotor 10 angetriebenen volumen- und/oder drehzahl-variablen Hydromaschine 11 angeordnet, wobei in dieser beispielhaften Ausführungsform die Hydromaschine eine Pumpe 11 ist.
Die Leitung 71 verbindet somit den Kolbenraum 22a des Differentialzylinders 20 mit einem Anschluss der Pumpe 11 und die Leitung 72 verbindet die Ringseite 22b des Differentialzylinders mit dem anderen Anschluss der Pumpe 11. In der Leitung 72 ist weiterhin ein 2-Wegeventil 80 angeschlossen welches eine Durchflussstellung und eine Sperrstellung aufweist. Dieses Ventil 80 dient als Sicherheitsventil und verhindern u.a. das Abfallen des Kolbens im Falle eines Defekts im Aktuatorsystem 1 oder im Betriebsablauf. Außer in solchen Notfallsituationen ist das Ventil 80 auf Durchfluss geschaltet.
Die Pumpe 11 kann in beiden Drehrichtungen gemäß dem dargestellten Pfeil drehen und somit entweder einen Volumenstrom an Hydraulikfluid in Richtung der Kolbenseite 22a oder in Richtung der Ringseite 22b des Differentialzylinders 20 bereitstellen. Ferner ist eine Vorspannquelle 60, welche ein Druckspeicher 30 und eine Quelle 65umfassen kann, über ein Rückschlagventil 70 an der Leitung 72 angeschlossen. Das Hydraulikfluid im Druckspeicher 30 weist einen Druck auf, der Vorzugsweise höher ist als der Umgebungsdruck. Im Falle eines Druckverlusts im System 1, wird der nötige Druck von dem Druckspeicher 30 bzw. von der Vorspannquelle 60 über das Rückschlagventil 70 in das Aktuatorsystem 1 gespeist.
Die Quelle 65 stellt den tatsächlichen Druck im Druckspeicher 30 bereit, während der Druckspeicher im Allgemeinen die Funktion eines Speicher für den Ausgleich des Volumen aufweist..
Wesentlich bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist die Anordnung des Nachsaugbehälter 50. Dieser ist oberhalb des Differentialzylinders 20 hydraulisch durch die Leitung 42 mit der Kolbenseite 22a des Differentialzylinders 20 verbunden. An der Leitung 42 ist ein gesteuertes Wegenventil 48 angeschlossen, welches eine Durchflussstellung aufweist und eine Stellung mit einem Rückschlagventil 40. Das Ventil ist dabei elektrisch steuerbar.
Die Stellung der Ventile in der Beschreibung von Figur 1 ist dabei nur beispielhaft zu verstehen, da diese Figur dazu dient die einzelnen Vorrichtungen und deren Verbindung zu beschreiben, und nicht um Betriebsarten bzw. die Stellung der Ventile in unterschiedlichen Betriebssituation zu bestimmen; dies erfolgt in den folgenden Figuren 2.
Figur 2a zeigt die beispielhafte Ausführungsform des Systems aus Figur 1, welche nicht durch die beanspruchte Erfindung abgedeckt ist, im der Betriebszustand Eilgang "abwärts". Dabei sind die meisten verwendeten Elemente und die Bezugszeichen dieselben wie bei Fig. 1 Dieser Betriebszustand wird hervorgerufen, wenn der Kolben des Differentialzylinders schnell nach unten in Richtung des Werkzeuges gebracht werden soll. Die Pumpe 11 arbeitet so, dass eine Strömung von Hydraulikfluid von der Ringseite 22a des Differentialzylinders 20 in Richtung der Kolbenseite 22a des Differentialzylinders bereitgestellt wird.
Das Sicherheitsventil 80 ist wie in jedem Betriebszustand auf Durchfluss gestellt. Das Volumen der Ringseite 22a des Differentialzylinders 20 ist kleiner als das Volumen der Kolbenseite 22a des Differentialzylinders 20.
Durch den Strom des Hydraulikfluids von der Ringseite 22b in die Kolbenseite 22a des Differentialzylinders 20 ist somit weiteres Hydraulikfluid nötig, um die Kolbenseite 22a zu füllen und einen Druckausgleich zu erreichen. Die Differenz an Volumen wird durch den Nachsaugbehälter 50 ausgeglichen. Dafür ist das Wegeventil 48 so eingestellt, dass das Rückschlagventil 40 zwischen Nachsaugbehälter 50 und Kolbenseite 22a geöffnet wird und Hydraulikfluid von den Nachsaugbehälter in die Kolbenseite strömt.
Durch das vergrößerte Volumen in der Kolbenseite 22a, verringert sich der Druck soweit, dass der Druck des Hydraulikfluids im Nachsaugbehälter 50 höher ist und sich das Rückschlagventil 40 öffnet. Somit fließt Hydraulikfluid von dem Nachsaugbehälter 50 in dem Kolbenraum 22a des Differentialzylinders, wodurch die Volumendifferenz ausgeglichen wird.
Der Differentialzylinder 20 wird entsprechend der Richtung des gestrichelten Pfeiles bewegt.
Figur 2b zeigt die beispielhafte Ausführungsform des Systems aus Figur 1, welche nicht durch die beanspruchte Erfindung abgedeckt ist, im Betriebszustand Kraftgang "abwärts". Dabei sind die meisten verwendeten Elemente und die Bezugszeichen dieselben wie bei Fig. 1 .
Für die Betriebsart Kraftgang abwärts wird üblicherweise weniger Geschwindigkeit benötigt dabei aber einen erhöhten Druck oder Kraft, um das Werkstück tatsächlich zu bearbeiten. Im Kraftgang (auch Pressgang bezeichnet) wird das Werkzeug gegen das zu verformende Werkstück gepresst, wodurch eine erhöhte Kraft erforderlich ist und somit ein erhöhter Druck des Hydraulikfluids bereitgestellt werden muss.
Wie aus der beispielhaften Ausführungsform aus Figur 2b ersichtlich, wird der benötigte erhöhte Druck im Hydraulikfluid durch die Hydromaschine bereitgestellt. Dabei arbeitet die Pumpe 11, wie bei der Figur 2a, in dem sie eine Hydraulikfluidströmung von der Ringseite 22b des Differentialzylinders 20 in die Kolbenseite 22a des Differentialzylinders 20 bereitstellt. Der fehlende Volumenstrom wird aus den Druckspeicher 30 oder Vorspannquelle 60 ergänzt.
Da der Druck des Hydraulikfluids im Aktuatorsystem 1 hoch ist, in diesem Beispiel bis zu 400 bar, bleibt das Rückschlagventil 48 geschlossen und es entsteht keine Strömung von oder in den Nachsaugbehälter 50.
Bei dieser Betriebsart bewegt sich der Kolben des Differentialzylinders 20, entsprechend des gestrichelten Pfeiles nach unten.
Ist der Pressvorgang beendet, herrscht im System 1 ein sehr großer Überdruck, welcher zum Pressen benötigt wurde, jedoch nach dem Pressen überflüssig ist. Um den Druck zu verringern muss dementsprechend eine Dekompression stattfinden, bei dem das System 1 entlastet wird, ohne jedoch eine Bewegung des Kolbens herbeizuführen. Die Dekompression kann u.a. gemäß zwei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen stattfinden.
Figur 2c zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Systems, welche nicht durch die beanspruchte Erfindung abgedeckt ist, während der Dekompression. Das Wegeventil 48 wird von der Stellung des Rückschlagventils auf die Durchflussstellung geschaltet; somit wird ein Volumenstrom in den Nachsaugbehälter 50, entsprechend der dargestellten Pfeile, ermöglicht.
Der Druck des Hydraulikfluids in der Ringseite 22b und der Kolbenkammer 22a entspannt sich, wodurch sich der Nachsaugbehälter füllt.
Eine alternative Art der Dekompression wird in Figur 2d dargestellt. Das System aus Figur 2b hat, anstatt eines einzelnen Rückschlagventil 70, ein gesteuertes 2-Wegeventil 75, welches zwischen dem Druckspeicher 30 und der Leitung 72 angeordnet ist.
In den vorher beschriebenen Betriebszuständen wird das 2-Wegeventil 75 als Rückschlagventil geschaltet; bei der Dekompression wird es - wie in Figur 2d ersichtlich - auf Durchfluss geschaltet. Da der Druck des Hydraulikfluids in den Zylinderräumen und den Leitungen 71 und 72 höher ist als in dem Druckspeicher 30, finden beim Umschalten des Ventils 75 auf Durchfluss zwei Ereignisse statt.
Erstens entspannt sich der Druck in dem gesamten System 1, so dass eine Dekompression stattfindet; zweitens erfolgt ein Volumenstrom von der Leitung 71, durch die Pumpe 11 in den Druckspeicher 30, wodurch das Volumen des Druckspeicher 30 wieder aufgefüllt wird, und der Druck des Hydraulikfluids im Druckspeicher 30 wieder erhöht wird.
Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da eine Energicrückgcwinnung in den Druckspeicher erfolgt. Weiterhin wird mittels der Volumenströmung von der Kolbenkammer 22a durch die Pumpe 11 in den Druckspeicher 30 eine Bewegung der Pumpe 11 hervorgerufen. Somit arbeitet die Antriebsmaschine 10 als Energiegenerator und verbessert weiterhin die Energierückgewinnung, bzw. verringert den Energieverlust.
Die zurückgewonnene Energie kann entsprechend den Bedürfnisse des Systems 1 beispielsweise für die Hydromaschine wiederverwendet werden.
Wenn der Pressgang und die Dekompression beendet sind muss der Kolben des Differentialzylinders wieder aufwärts verfahren werden. Die Stellung der Ventile und der Volumenstrom an Hydraulikfluid wird detaillierter in Figur 2e dargestellt. Dabei sind die meisten verwendeten Elemente und die Bezugszeichen dieselben wie bei den vorherigen Figuren.
Wie in der Figur 2e ersichtlich arbeitet die Pumpe 11 in umgekehrter Richtung als beim Eilgang abwärts, so dass ein Volumenstrom von der Kolbenseite 22a des Differentialzylinders in die Ringseite 22b des Differentialzylinders 20 bereitgestellt wird.
Da das Volumen der Kolbenseite des Differentialzylinders größer ist als das Volumen der Ringseite, muss eine Möglichkeit bereitgestellt werden, um den überflüssigen Hydraulikfluid aus dem Kreislauf zu entfernen. Dafür wird das Wegeventil 48 auf Durchfluss geschaltet, wodurch die Volumendifferenz des Hydraulikfluids in Richtung des Pfeiles von der Kolbenseite 22a des Differentialzylinders 20 in den Nachsaugbehälter 50 strömt. Der Kolben des Differentialzylinders wird durch den erhöhten Druck in der Ringseite 22b und den niedrigen Druck in der Kolbenseite 22a nach oben gedrückt.
In Figur 3 wird eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Systems 1, die nicht durch die beanspruchte Erfindung abgedeckt ist, dargestellt. Dabei sind die meisten verwendeten Elemente und die Bezugszeichen dieselben wie bei Fig. 1.
Die Anordnung und Steuerung des Rückschlagventils 40 zwischen dem Nachsaugbehälter 50 und der Kolbenseite 22a des Differentialzylinders 20 ist im Gegensatz zu der Figur 1 unterschiedlich.
Wie aus der Figur 3 ersichtlich, wird das Rückschlagventil 40 mittels eines Steuerkreislaufs - umfassend ein 2-Wegeventil 45 - gesteuert. Eine Leitung 44 verbindet dabei die Kolbenseite 22a des Differentialzylinders 20 über das 2-Wegeventil mit dem Rückschlagventil 40.
Das Wegeventil 45 hat dabei eine Durchflussstellung und eine Stellung in dem der Überdruck aus dem oberen Teil der Leitung 44 dekomprimiert wird und in einen Behälter ausweicht. Das Rückschlagventil 40 wird somit in Abhängigkeit des Druckes in der Kolbenseite 22a geöffnet. Ist also der Druck in der Kolbenseite 22a des Differentialzylinder 20 hoch genug, und ist das Ventil 45 auf Durchfluss geschalten, so öffnet sich das Rückschlagventil 40 durch den Druck der Kolbenseite 22a. Da das Ventil 40 offen ist, kann das übrigbleibende Hydraulikfluid wieder zurück in den Nachsaugbehälter strömen.
Figur 4 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Systems, welche nicht durch die beanspruchte Erfindung abgedeckt ist, aus Figur 3. Wie in Figur 3 wird das Rückschlagventil 40 mittels des Steuerkreislaufs bzw. des 2-Wegeventils 45 gesteuert.
In der Vorspannquelle 60, wurde der Druckspeicher 30 aus den vorherigen Figuren in dieser beispielhaften Ausführungsform durch eine Pumpe 65 ersetzt. Die Pumpe 65 arbeitet nur in einer Richtung, und hat dementsprechend einen Pumpeneingang und einen Pumpenausgang. Der Pumpeneingang wird mittels einer Leitung 62 mit dem Nachsaugbehälter 50 verbunden, während der Pumpenausgang mittels einer Leitung 63 über dem Rückschlagventil 70 mit der Leitung 72 verbunden ist.
Auf der Seite der Leitung 63 arbeitet die Pumpe 65 wie der Druckspeicher 30 aus den vorherigen Figuren, in dem es ein Überdruck generiert, welcher zur Vorspannung des Systems genutzt wird.
Das Verwendete Hydraulikfluid der Pumpe 65 wird in dieser beispielhaften
Ausführungsform aus dem Nachsaugbehälter über die Leitung 62 entnommen.
Wie in Figur 4 dargestellt ist in dieser beispielhaften Ausführungsform des Systems 1 eine Reinigungsvorrichtung 90 zum Reingingen des Hydraulikfluids, zwischen Nachsaugbehälter 50 und Pumpe 65 angeordnet. Somit wird das Hydraulikfluid der durch die Pumpe 60 angesaugt wird und entsprechend in die Leitung 72 eingespeist, zuvor gereinigt und vorzugsweise auch entlüftet.
Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da ein geschlossener Kreislauf bereitgestellt wird in dem der Nachsaugbehälter 50 als statische Einrichtung beispielswiese für die Kühlung des Hydraulikfluids verwendet wird und das Hydraulikfluid durch die Reinigungsvorrichtung 90 gereinigt und wieder in das System eingespeist werden kann, anstatt einen weiteren Kreislauf bereitzustellen, welcher das Fluid im Nachsaugbehälter fördert und reinigt, jedoch nicht sofort wiederverwendet werden kann.
Die Figur 5 , zeigt ein zu dem oben beschriebenen System entsprechendes System 1, aber mit einer unterschiedlichen erfindungsgemäßen Anordnung.
Wie aus der Figur 5 ersichtlich, ist die Verbindung zwischen dem Nachsaugbehälter 50 und der Kolbenseite 22a des Differentialzylinders 20 mittels eines durch ein Steuerungsventil 45 gesteuerten Rückschlagventils 40 gewährleistet.
Weiterhin verbindet eine Leitung 72, über ein Rückschlagventil 73 den Nachsaugbehälter 50 mit dem Knotenpunkt 100, durch welcher das Hydraulikfluid sowohl in die Ringseite 22b des Differentialzylinders 20, als auch durch die Pumpe 11 in die Leitung 71 geleitet werden kann. Weiterhin wird mittels der Leitung 72 und der Leitung 62 der Nachsaugbehälter 50 mit der Vorspannquelle 60 und insbesondere mit dem Eingang der Pumpe 65 hydraulisch verbunden.
Die Pumpe 11 ist sowohl mit der Leitung 71 als auch mit der Leitung 72 verbunden. Die Vorspannung des Hydraulikfluids erfolgt mittels der Vorspannquelle 60, wobei die Pumpe 65 die Vorspannung des Hydraulikfluids bereitstellt, ähnlich wie in der Ausführungsform der Figur 4. Dies ist eine Pumpe welche nur einseitig arbeiten kann. In der vorliegenden erfindungsgemäßen beispielhaften Ausführungsform ist ein zuzügliches gesteuertes Proportionalventil, insbesondere ein gesteuertes Proportionaldruckbegrenzungsventil 85 an der Leitung 71, zwischen der Vorspannquelle 60 bzw. der Pumpe 65 und der Kolbenseite 22a angeordnet. Das Proportionalventil 85 dient vorzugsweise der Dekompression des Systems 1, wie sie in vorherigen
Ausführungsformen erläutert wurde.

Des weiterem ist ein Vorspannventil 68 mit der Leitung 71 hydraulisch verbunden und über die Leitung 75 und ein Rückschlagventil 69 mit der Leitung 63 sowie auch mit einem Anschluss der Hydromaschine 11, hydraulisch verbunden.

1	Elektrohydrostatisches Aktuatorsystem	60	Vorspannquelle
1	Elektrohydrostatisches Aktuatorsystem	62	Leitung
10	Elektromotor	63	Leitung
11	Hydromaschine	65	Pumpe
20	Differentialzylinder	66	Rückschlagventil
22a	Kolbenseite	68	Vorspannventil
22b	Ringseite	69	Rückschlagventil
30	Druckspeicher	70	Rückschlagventil
40	Rückschlagventil	72	Leitung
41, 42	Leitung	75	Leitung
45	2-Wegeventil	80	Ventil
48	gesteuertes 2-Wegeventil	85	Proportionalventil
50	Nachsaugbehälter	90	Reinigungsvorrichtung

Claims

Elektrohydrostatisches Aktuatorsystem (1) umfassend:
eine von einem Elektromotor (10) angetriebene volumen- und/oder drehzahlvariable Hydromaschine (11), zur Bereitstellung eines Volumenstroms eines Hydraulikfluids;

einen Differentialzylinder (20) mit einer Kolbenseite (22a) und einer Ringseite (22b);

wenigstens eine Vorspannquelle (60);

wobei das Aktuatorsystem (1) einen geschlossenen hydraulischen Kreislauf aufweist und mittels der Hydromaschine (11) und/oder der Vorspannquelle (60) im Betrieb das Hydraulikfluid im hydraulischen Kreislauf mit Druck beaufschlagt wird; und

wobei der Differentialzylinder (20) die Betriebsarten eines Kraftgangs und Eilgangs bereitstellt, und

wobei ein Nachsaugbehälter (50) mit der Kolbenseite (22a) des Differentialzylinders (20) über ein erstes Ventil (40) zum Ausgleich eines Volumens des Hydraulikfluids im geschlossenen hydraulischen Kreislauf (1) verbunden ist, wobei ein zweites Ventil (85) die Kolbenseite (22a) mit der Vorspannquelle (60) oder mit dem Nachsaugbehälter (50) verbindet,

dadurch gekennzeichnet, dass

das zweite Ventil als Proportionalventil (85) ausgebildet ist.
Elektrohydrostatisches Aktuatorsystem (1) nach Anspruch 1, wobei das Hydraulikfluid im Nachsaugbehälter (50) mit einem Druck kleiner 5 bar, bevorzugt kleiner 4 bar, bevorzugt kleiner 3 bar, besonders bevorzugt kleiner 2 bar, und besonders bevorzugt kleiner 1 bar, vorgespannt ist.
Elektrohydrostatisches Aktuatorsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Nachsaugbehälter (50) ein Volumen aufweist, das gleich oder größer ist als die Volumendifferenz des geschlossenen Systems (1) in einer Kraftendlage und oberen Endlage des Differentialzylinders (20).
Elektrohydrostatisches Aktuatorsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Ventil (40) ein gesteuertes Rückschlagventil (40), insbesondere ein entsperrbares Rückschlagventil ist.
Elektrohydrostatisches Aktuatorsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Hydraulikfluid der Vorspannquelle (60) einen Druck zwischen 5 bar und 50 bar, bevorzugt zwischen 10 bar und 40 bar, besonders bevorzugt zwischen 15 bar und 35 bar, besonders bevorzugt zwischen 20 bar und 30 bar, aufweist.
Elektrohydrostatisches Aktuatorsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorspannquelle (60) über ein drittes Ventil (70) mit der Leitung (72) zwischen dem Anschluss der Hydromaschine (11) zur Ringseite (22b) und der Ringseite (22b) des Differentialzylinders (20) hydraulisch verbunden ist.
Elektrohydrostatisches Aktuatorsystem (1) nach Anspruch 6 wobei das dritte Ventil (70) ein Rückschlagventil ist.
Elektrohydrostatisches Aktuatorsystem (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Vorspannquelle (60) eine Pumpe (65) umfasst, deren Pumpeneingang über eine Leitung (62) mit dem Nachsaugbehälter (50) und ein Pumpenausgang der Pumpe (65) über eine Leitung (63) mit dem dritten Ventil (70) verbunden ist.
Elektrohydrostatisches Aktuatorsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens ein viertes Ventil (80) mit einer Durchflussstellung und einer Sperrstellung, welches in einer Leitung (72) zwischen der Ringseite (22b) des Differentialzylinders (20) und einem Anschluss der Hydromaschine (11) angeordnet ist;
Elektrohydrostatisches Aktuatorsystems (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hydromaschine (11) auf beide Pumpenanschlüssen mit Druck beaufschlagbar ist.
Elektrohydrostatisches Aktuatorsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Nachsaugbehälter (50) eine Vorrichtung zum Entlüften des Hydraulikfluids und/oder eine Vorrichtung zum Kühlen des Hydraulikfluids aufweist.
Elektrohydrostatisches Aktuatorsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das System (1) mehrere Differentialzylinder aufweist.
Verwendung des elektrohydrostatischen Aktuatorsystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, in einer Hydraulikpresse, einer Tiefzieheinrichtung oder einer Spritzgusseinrichtung.