-
" Drucksteuereinrichtung " Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur Steuerung des Druckes in einem mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zylinder,
dessen Kolben zur Erzeugung eines hohen Druckes - vorzugsweise Uber eine Schwungmasse
- mit einem Antrieb gekoppelt ist.
-
Hauptsächlich im Pressenbau werden dynamische Kräfte, beispielsweise
bei Friktionspressen oder Falihämmern, genutzt, um kurzzeitig fur Verformungsarbeiten
hohe Krafte zu erzeugenO Die kinetische Energie der Schwungmasse an F.riktionspressen
und des Hammerbdrs an Fallhd.mmern vermögen infolge des relativ kleinen Verformungsweges
am Werkstück hohe Krdfte zu erzeugen. Beide Prinzipien erfordern jedoch einen hohen
Konstruktions- und Materialaufwand. Friktionspressen benötigen zur Aufnahme von
Reibrad und Schwungmassen sperrige Ausleger, die sehr stabil ausgelegt sein müssen,
da hiervon die für-die Reibkräfte erforderlichen Normalkräfte aufgenommen werden
mUssen; die Reibbeläge sind außerdem sehr verschleißanfällig. Die Verformungsarbeit
von.Fallhammern kann hauptsd.chlich nur durch das Gewicht des Hammerbars beeinflußt
werden,
da die Fallhöhe beschrdnkt ist. Hierdurch ergeben sich hierfUr unförmige Abmessungen,
die keine optimale Konstruktion erlauben, Um diese Nachteile zu eliminieren, werden
hydraulische Pressen gebaut, die jedoch mit relativ hohen Drücken arbeiten müssen,
um nicht ebenfalls wieder mit diesem Mangel behaftet zu sein. Die Größe der zu leistenden
Arbeit ist direkt abhängig von der zur Verfugung stehenden Druck-Energie. Entweder
müssen die komplizierten Druckerzeuger (Pumpen) fUr hohe DrUcke bis an die technisch
mögliche Grenze ausgelegt werden, wodurch sie sehr teuer werden, oder es muß mit
Druckspeichern gearbeitet werden, deren Herstellung für hohe DrUcke auch nicht problemlos
ist. Druckspeicher fUr Normaldrücke erfordern an der Presse eine Druck-Ubersetzung
mit zwei Zylindern, was wiederum aus geometrischen bzw.
-
konstruktiven Gründen unvorteilhaft ist.
-
Zylinder können einwandfrei mit sehr hohen Drücken arbeiten. Die Erzeugung
eines hohen Druckes kann durch eine Schwungmasse am Kraft-Zylinder erzeugt werden0
Problematisch ist lediglich die exakte Steuerung und Begrenzung dieses Druckes,
insbesondere dann, wenn mit dem Kolben des Arbeitszylinders nicht nur eine kontinuierliche
Arbeitsweise, sondern auch die Durchführung von Einzelhüben möglich sein soll.
-
Es sind Druckbegrenzungsventile bekannt, mit denen solche Steuerfunktion
grundsätzlich durchgeführt werden können. Zur Druckbegrenzung werden in der Regel,
wenn es auf ein gutes Ansprechverhalten ankommt, direkt gesteuerte Druckbegrenzungsventile
verwendet. Das sind Ventile, deren Ventilkegel direkt durch eine Feder auf den Sitz
gepreßt wird.
-
Solche Ventile sind jedoch wegen der erforderlich großen Federkräfte
bei hohen Drücken nicht mehr anwendbar und können auch nicht auf einfache Weise
entlastet werden.
-
Weiterhin existieren vorgesteuerte Druckbegrenzungsventile, die entlastet
werden können, bei denen der Ventilkegel jedoch durch einen hydraulischen Kaskadendruck
mittels eines Kolbens auf seinen Sitz gedrückt wird. Der Kaskadendruck auf diesen
Kolben entsteht bei Ansprechen des Ventiles durch Durchströmen des Vorsteueröls
durch eine Drosselbohrung und einesfederbelasteten Vorsteuerventiles. Dieses Verfahren
ist jedoch nur durch Drosselung möglich und daher mit einer Trägheit behaftet, die
das geforderte schnelle Ansprechen verhindert.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hydraulische Drücke, wie
sie beispielsweise bei der genannten Zylinderkombination an Pressen auftreten, exakt
zu steuern und zu begrenzen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einerEinrichtung zur Steuerung
des Druckes in einem mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zylinder, dessen Kolben
zur Erzeugung eines hohen Druckes - vorzugsweise Uber eine Schwungmasse - mit einem
Antrieb gekoppelt ist, dadurch gelöst, daß der Zylinder Uber eine DruckLeitung mit
einem Steuerzylinder in Verbindung steht, dessen Kolben mit einem die MUndung der
Druckleitung verschließenden Ventilkörper versehen ist, daß der der Druckleitung
zugewandte Raum des Steuerzylinders mit einem Vorratsbehälter fur die Hydraulikflüssigkeit
in Verbindung steht und daß der auf der anderen Seite des Kolbens liegende Raum
des Steuerzylinders mit Mitteln zur Erzeugung eines Druckanstieges verbunden ist.
-
Diese erfindungsgemäße Einrichtung erlaubt es, den Druck - beispielsweise
bei der oben beschriebenen Zylinderkombination - in einfacher Weise-exakt zu steuern
und zu begrenzen. Im Leerlaufbetrieb ist die in den Steuerzylinder mundende Druckleitung
geöffnet, so daß die im Kraftzylinder befindliche Hydraulikflüssigkeit in den Vorratsbehälter
gedrückt bzw. herausgesaugt wird. Bei kontinuierlicher Arbeitsweise wird die Mündung
durch Erzeugung des notwendigen Druckes im Steuerzylinder verschlossen, so daß die
im Kraftzylinder befindliche HydraulikflUssigkeit nur in den Arbeitszylinder gedrUckt
werden kann. Dabei stellt der im Steuerzylinder befindliche Ventilkörper ein exakt
reagierendes Sicherheitsventil dar. Sobald der Druck im Kraft- bzw. Arbeitszylinder
zu hoch wird, weil zum Beispiel die Maschine nicht richtig eingestellt wurde (zuviel
Hydraulikflüssigkeit im System) oder weil der Arbeitswiderstand zu hoch ist, hebt
sich der Ventilkörper von der MUndung der Druckleitung im Steuerzylinder ab und
gibt den Weg fUr die HydraulikflUssigkeit in den Vorratsbehälter frei.
-
Schließlich erlaubt die erfindungsgemäße Einrichtung auch in einfacher
Weise die Durchführung von EinzelhUben des Kolbens des Arbeitszylinders.
-
Dazu wird durch eine entsprechende kurzzeitige Druckerhöhung im Steuerzylinder
der Ventilkörper nur solange gegen die Mündung der Druckleitung im Steuerzylinder
gedrückt, wie es zur Durchführung eines Einzelhubes des Kolbens des Arbeitszylinders
notwendig ist. Auch bei dieser Arbeitsweise wirkt der Kolben des Steuerzylinders
gleichzeitig als Druckbegrenzungs- bzw. Sicherheitsventil.
-
Um einen möglichst widerstandslosen Leerlaufbetrieb sicherzustellen,
ist an die Druckleitung ein mit dem Vorratsbehälter für die Hydraulikflüssigkeit
in Verbindung stehendes Nachsaugeventil angeschlossen0
Dieses Nachsaugeventil
erleichtert das Zurücksaugen der Hydraulikflüssigkeit in den Kraftzylinder. Zum
gleichen Zweck kann auch im Steuerzylinder eine Feder untergebracht sein, die den
Ventilkörper in seiner Offenstellung hält. Diese Feder unterstützt gleichzeitig
noch die Öffnungsbewegung des Ventilkörpers, wenn der zulässige Druck im Kraftzylinder
Uberschritten wird.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Durchmesser des Kolbens des
Steuerzylinders wesentlich größer ist als der Durchmesser der Druckleitung. Deese
Maßnahme erlaubt est daß die Mittel zur Erzeugung eines Druckanstieges für erheblich
niedrigere DrUcke ausgelegt zu sein brauchen als der Kraft und der Årbeitszylinder.
Es können deshalb dafUr handels-Ubliche Elemente verwendet werden.
-
Vorzugsweise bestehen die Mittel zur Erzeugung eines Druckanstieges
im Steuerzylinder aus einer Pumpe und einem Druckbegrenzungsventi1 die Uber ein
vorzugsweise elektromagnetisch betatigbares Wegeventil mit dem zugehörigen Raum
des Steuerzylinders in Verbindung stehen Dabei kann der Pumpe ein an sich bekannter
Druckspeicher zugeordnet sein, wodurch auch die Abmessungen und die Leistung der
Pumpe klein gehalten werden können.
-
ZweckmäBig ist außerdem, zwischen dem Druckspreicher und dem Steuerzylinder
eine weitere Druckleitung mit relativ großem Querschnitt vorzusehen, in der din
RUckschlagventil angeordnet ist. In diesem Falle braucht die im Steuerzylinder befindliche
Hydraulikflüssigkeit nicht durch das Wegeventil zurückgedrückt werden, sondern direkt
durch die zusätzliche Druckleitung in den Druckspeicher. Auch diese Maßnahme dient
also dazu, ein schneiles Ansprechen des Ventilkörpers im Steuerzylinder bei zu hohen
Drücken im Kraftzylinder zu gewährleisten
Weitere Vorteile und Einzelheiten
der Erfindung sollen anhand eines in der Figur dargestellten busfuhrungsbeispieles
erldutert werden.
-
Das System, in dem der Druck mit Hilfe der erfindungsgemdßen Einrichtung
gesteuert und begrenzt werden soll, besteht aus dem Arbeitszylinder 1, dem Kraftzylinder
2, der Schwungmasse 3 und einem nicht dargestellten Antrieb für die Schwungmasse
3. Der Kolben 4 des Kraftzylinders 2 ist Uber die Kolbenstange 5 und die Schubstange
6 mit der Schwungmasse 3 gekoppelt. Uber die Mydraulikleitung 7 besteht eine direkte'Verbindung
zwischen dem Kraftzylinder 2 und dem Arbeitszylinder 1. Am Kolben 8 des Arbeitszylinders
1 ist mittels einer Kolbenstange 9 beispielsweise ein Pressenstempel 10 gehaltert.
Dieser Pressenstempel 10 wird mit Hilfe der Federn 11 in den Arbeitszylinder 1 zurückgezogen.
-
An den Kraftzylinder 2 ist eine Druckleitung 12 angeschlossen, die
mit dem Steuerzylinder 13 in Verbindung steht. An die Druckleitung 12 ist außerdem
noch eine Leitung 14 angeschlossen, die in den Vorratsbehälter 15 für die Hydraulikflüssigkeit
mündet und in der ein oder mehrere Nachsaugeventile 16 vorgesehen sind.
-
Im Steuerzylinder 13 befindet sich der Kolben 17, der auf der der
Mündung der Druckleitung 12 zugewandten Seite einen kegelförmigen Ventilkörper 18
träge, Die MUndung der Druckleitung 12 in dem Steuerzylinder 13 ist als Ventilsitzt
19 ausgebildet, so daß ein Verschlienut der Mündungsöffnung mit Hilfe des Ventilkegels
18 möglich ist.
-
Der der Druckleitung 12 zugewandte Raum 20 des Steuerzylinders 13
steht Uber die Leitung 21 mit dem Vorratsbehälter 15 in Verbindung,
und
der auf der anderen Seite des Kolbens 17 liegende Raum 22 des Steuerzylinders'13
ist mit im folgenden naher beschriebenen Mitteln zur Erzeugung eines schnellen Druckanstieges
verbunden. Der Kolben 17 steht unter der Wirkung der Feder 23, die versucht, den
Ventilkegel 18 in seiner Offenstellung zu halten.
-
An den Raum 22 des Steuerzylinders 13 sind die Leitungen 24und 25
angeschlossen. In der Leitung 24 ist ein elektromagnetisch betdtigbares Wegeventil
26 angeordnet, das den Raum 22 des Steuerzylinders 13 entweder mit dem Vorratsbeholter
15 fUr die Hydraulikflüssigkeit verbindet, oder mit der Pumpe 27 und dem Druckbegrenzungsventil
28, die ebenfalls mit dem Vorratsbehälter 15 in Verbindung stehen Die Leitung 25
besitzteimn relotit großen Querschnitt, und in ihr ist das Rückschlagventil 29 angeordnet.
Sie verbindet den Steuerzylinder 13 mit einem Druckspeicher 30, der außerdem über
die Leitung 31 mit der Pumpe 27 und dem Druckbegrenzungsventil 28 verbunden ist.
-
Die Funktionsweise der dargestellten Drucksteuereinrichtung ist wie
folgt: Der Steuerzylinder 13 kann bei laufender hydraulikpumpe 27 Uber das Magnetventil
26 im Raum 22 druckbeaufschlagt werden. Hierdurch wird gleichzeitig Uber die Verbindung
25 das Rückschlagventil 29 und der Druckspeicher 30 unter Druck gesetzt. Die Tröge
des in diesem System auftretenden Druckes wird durch die Einstellung des Druckbegrenzungsventiles
28 bestimmt. Bis zum Erreichen dieses Druckes wird der Kolben des Druckspeichers
30 zur Gasseite hin bewègt-und komprimiert das Gas N2 (hier wird vorzugsweise Stickstoff
verwendet).
-
Nach dem Umschalten des Magnetventiles 26 wird der Raum 22 des Steuerzylinders
13 mit dem Behälter 15 verbunden und ist somit druckentlastet. Das RUckschlagventil
29 verhindert ein Absinken der Speicheraufladung, da auch das Magnetventil 26 auf
der Pumpenseite gesperrt is-t. Das von der Hydraulikpumpe 27 geförderte U1 wird
gegen den Einstelldruck des Uberdruckventiles 28 zurück in den Behälter 15 gefördert.
-
Wenn in diesem Zustand die Schwungscheibe 3 in der eingezeichneten
Pfeilrichtung rotiert, wird eine oszillierende Bewegung Uber die Schubstange 6 auf
die Kolbenstange 5 bzw0 den Kolben 4 des Kraftzylinders 2 erzeugt, Das im Zylinder
2 befindliche Hydrauliköl oszilliert in der Leitung 12, da die Federn 11 den Kolben
8 des Arbeitszylinders 1 in der rückwdrtigen Stellung halten. Aus dem Zylinder 2
austretendes U1 kann Uber Leitung 12 am Ventilsitz 19 und am Ventilkegel 18 vorbei
durch die Leitung 21 in den Behulter 15 auslaufen. Dies wird erreicht, da der Zylinderraum
22 des Steuerzylinders 13 drucklos istt und durch das ausströmende Ö1 aus der Leitung
12 sowie der Federkraft der Druckfeder 23 eine öffnende Kraft auf den Ventilkegel
18 erzeugt wird.
-
Bei der rückldufigen Bewegung des Kolbens 4 wird ein Nachströmen von
Hydrauliköl in den Kraftzylinder 2 gefordert. Dieses Nachströmen geschieht Uber
das Nachsaugeventil 16 direkt aus dem Behalter 15, sowie zusätzlich Uber die ebenfalls
mit dem Behälter 15 verbundene Leitung 21 an dem Ventilsitz 19 vorbei. Zwischen
dem Ventilsitz 19 und dem Ventilkegel 18 bleibt eine Uffnung bestehen, da die relativ
schwache Druckfeder 23 trotz Saugwirkung den Kolben 17 in seiner nicht dargestellten
unteren Lage halt.
-
Soll nun der Stempel 10 am Kolben 8 des Arbeitszylinders 1 zur Arbeitsleistung
in Bewegung gebracht werden, so wird, nachdem die Schubstange 6 den Punkt A durchlaufen
hat, ein elektrischer Impuls auf das Magnetventil 26 gegeben, welches danach in
die andere Stellung umschaltet.
-
Hierdurch wird schlagartig der Vorsteuerraum 22 von der Pumpe 27 bzw.
vom Speicher 30 mit Druck beaufschlagt. Der Kolben 17 preßt dann den Ventilkegel
18 fest und dicht auf seinen Sitz 19, wie es in der Figur gezeigt ist.
-
Beim Durchlaufen der Schubstange von A nach B hat der Kolben 4 des
Kraftzylinders 2 eine rucklaufige Bewegung. Dadurch wird Hydrauliköl Uber das Nachsaugeventil
16 in-den Zylinder 2 gesaugt0 Nachdem die Schubstange 6 den Punkt B durchlaufen
hat, verdrängt der Kolben 4 das aus dem Zylinder 2. Dieses di kann jetzt weder Uber
das Nachsaugeventil 16 noch Uber den Steuerzylinder 13 ablaufen. Es wird durch die
Leitung 7 in den Arbeitszylrer 1 gepreßt. Hierdurch wird eine Kraft auf den Arbeitskolben
8 erzeugt1 d,ie wesentlich gEßer als die RUckholkrafte der Federn 11 sind. Mit dem
Stempel 10 konn dann die gewUnschte Arbeit verrichtet werden.
-
Bei einem zu großen Widerstand am Stempel 10 können die dabei auftretenden
hydraulischen Drücke in Zylinder 2 plötzlich sehr stark ansteigen. Ein Ansteigen
Uber das zulässige Naß hinaus wird durch Abheben des Ventilkegeis 18 von seinem
Sitz 19 verhindert. Bei Erreichen dieses Druckes wird die Kraft auf den Ventilkegel
le größer als die Kraft durch den hydraulischen Vorsteuerdruck im Raum 22 auf die
Kolbenfldche des Kolbens 17. Der hydraulische Vorsteuerdruck hat durch das Druckbegrenzungsventil
28 eine klar definierte Größe.
-
Sollte der Druckanstieg im Zylinder 2 schlagartig erfolgen, wie es
bei einer im Interesse der Erfindung liegenden schnell rotierenden Schwungscheibe
3 der Fall sein kann, muß der 'Ventilkegel 18 von seinem Sitz 19 trdgheitslos abheben.
Dies geschieht, indem das dl aus dem Raum 22 über die Leitung 25 und das Rückschlagventil
29 in den Druckspeicher 30 gefördert wird. Die Leitung 25 sowie das Rückschlagventil
29 haben relativ großen Nennquerschnitt. Hierdurch geschieht das Abheben des Ventilkegels
18 von seinem Sitz 19 praktisch ohne Widerstand.
-
Infolge des relativ großen Gasvolumens des Druckspeichers 30 bewirkt
die Verdrängung des d'les aus dem Raum 22 in den Druckspeicher keinen nennenswerten
Druckanstieg. Das bedeutet, daß die,Druckabsicherung durch den Steuerzylinder 13
relativ strömungsunabhöngig ist.
-
Das geringe vom Druckspeicher 30 aufgenommene blvolumen strömt unmittelbar
nach dem Ansprechvorgang der Drucksteuereinheit zurück zum Druckbegrenzungsventil
28, so daß auch bei mehrmaligem Ansprechen der Druckabsicherung hintereinander kein
unzulässig hohes Aufladen des Druckspeichers 30 eintritt.