DE19510071A1 - Vorrichtung zum Treiben eines Kolbens - Google Patents

Vorrichtung zum Treiben eines Kolbens

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Treiben eines Kolbens und insbesondere zum hydraulischen Treiben eines Kolbens mittels eines Fluids.
Im Stand der Technik sind bereits hydraulische Schaltungen zum Treiben von Kolben bekannt.
In Fig. 2 ist eine solche bekannte Anordnung dargestellt. Bei einer solchen bekannten Anordnung wird ein Kolben 200, der in einem Zylinder 202 beweglich angeordnet ist, mittels eines Fluids, das durch eine Pumpe 204 gepumpt wird, bewegt. Die Pumpe ist über einen sogenannten 4/3-Wegeschieber 206, ein Doppelrückschlagventil 208 und ein Lasthalteventil 210 mit einem Pleuelabschnitt 212 des Zylinders 200 fluidmäßig verbunden.
Ein Kolbenabschnitt 214 des Zylinders 200 ist über das Last­ halteventil 210, das Doppelrückschlagventil 208 und den 4/3-Wegeschieber 206 mit einem Überlaufbehälter 216 fluid­ mäßig in Verbindung. Über den 4/3-Wegeschieber 206 wird, wenn sich dieser in einer ersten Stellung 206a befindet, das von der Pumpe geförderte Fluid, in diesem Fall handelt es sich hierbei um Öl, über das Doppelrückschlagventil 208 und über das Lasthalteventil 210 in den Pleuelabschnitt 212 des Zylinders gefördert.
Aus dem Kolbenabschnitt 214 wird entsprechend der Überset­ zung eine höhere Ölmenge über das Lasthalteventil 210, das Doppelrückschlagventil 208 und den 4/3-Wegeschieber in den Auffangbehälter 216 befördert. Dies geschieht ohne Last.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Bezeichnung Übersetzung im Zusammenhang mit einem Zylinder das Verhältnis der mit Druck beaufschlagten Fläche des Kolbenabschnitts zu der mit Druck beaufschlagten Fläche des Pleuelabschnitts darstellt.
Das Lasthalteventil 210 stellt sicher, daß unabhängig von der Fördermenge und Lastrichtung der Kolben 200 immer mit der der Fördermenge der Pumpe 204 entsprechenden Geschwin­ digkeit bewegt wird.
Das Doppelrückschlagventil 208 dient dazu, ein Auslaufen von Öl zu verhindern, wenn sich der 4/3-Wegeschieber in seiner Null-Stellung 206b befindet. Ferner dient das Doppelrück­ schlagventil 201 dazu, den Kolben 200 in dieser Stellung des 4/3-Wegeschiebers 206 bewegungsunfähig zu machen.
Die Funktionsweise des beschriebenen 4/3-Wegeschiebers des Doppelrückschlagventils und des Lasthalteventils sind an sich bekannt und werden deshalb nicht näher beschrieben.
Mittels eines Überdruckventils 218, das mit der Pumpe 204 verbunden ist, wird ein maximal zulässiger Druck in der An­ ordnung eingestellt. Für den Fall, daß dieser Druck über­ schritten wird, öffnet das Überdruckventil 218 und das Fluid wird in einen weiteren Überlaufbehälter 220 geleitet.
Wie bereits der Fig. 2 zu entnehmen ist, verwendet diese Anordnung aufwendige Komponenten (z. B. 206, 210), deren Her­ stellung sehr kostenintensiv ist.
Folglich besteht ein Nachteil dieser bekannten Anordnung darin, daß deren Herstellung bzw. Verwendung mit erheblichen Kosten einhergeht.
Anhand der Fig. 3 ist eine weitere bekannte Anordnung darge­ stellt. Diese Anordnung umfaßt einen Kolben 300, der in einem Zylinder 302 beweglich angeordnet ist.
Eine Pumpe 304 ist über ein erstes Ventil 306, ein zweites Ventil 308 und eine erste Blende 310 mit einem Pleuelab­ schnitt 312 des Zylinders 302 fluidmäßig verbunden.
Ein Kolbenabschnitt 314 des Zylinders 302 ist über eine zweite Blende 316, ein drittes Ventil 318 und über das erste Ventil 306 mit einem Überlaufbehälter 320 fluidmäßig verbun­ den.
An die Pumpe 304 ist ferner ein Überdruckventil 322 ange­ schlossen, über dies ein maximaler Druck in der Anordnung einstellbar ist. Wird dieser maximal eingestellte Druck überschritten, so wird das Überdruckventil 322 geöffnet, und das Fluid fließt in einen weiteren Überlaufbehälter 324.
Die Blenden 310 und 316 sind einfache Blenden, die derart eingestellt sind, daß ohne Last die Geschwindigkeit des Kol­ bens 300 nicht höher wird als diese festgelegt ist. Daher arbeitet die Pumpe 304 grundsätzlich gegen den Maximaldruck, der am Überdruckventil 322 eingestellt ist.
Wirkt eine Last gegen die Bewegungsrichtung, verringert sich die Geschwindigkeit des Kolbens 300 entsprechend und kann bei hoher Last sogar auf Null zurückgehen, da die Blenden 310, 316 druckabhängig sind.
Die Nachteile dieser Anordnung bestehen in der lastabhän­ gigen Geschwindigkeit, sowie in der Tatsache, daß die Pumpe stets gegen den Maximaldruck arbeiten muß, was zu einem schnelleren Verschleiß dieser Pumpe führt. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß diese zwar preiswerter als die oben beschriebene Anordnung, aber dennoch vergleichsweise teuer ist.
Ausgehend von dem oben beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine ko­ stengünstige Vorrichtung zum Treiben eines Kolbens zu schaf­ fen, bei der eine Pumpe nur gegen den der Last entsprechen­ den Druck arbeiten muß, und die Geschwindigkeit des Kolbens in beide Richtungen annähernd konstant ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Trei­ ben eines Kolbens, insbesondere zum hydraulischen Treiben eines Kolbens mittels eines Fluids, mit
einem Zylinder, in dem der Kolben beweglich angeordnet ist, wobei der Zylinder einen Kolbenabschnitt und einen Pleuelabschnitt aufweist, wobei das Verhältnis der mit Druck beaufschlagten Fläche des Kolbenabschnitts zu der mit Druck beaufschlagten Fläche des Pleuelabschnitts größer als Eins ist;
einer Pumpe, die das Fluid pumpt;
einer ersten Ventileinrichtung, die zwischen der Pumpe und dem Kolbenabschnitt des Zylinders angeordnet ist, wobei in einer offenen Stellung der ersten Ventileinrichtung eine erste Bewegung des Kolbens in eine erste Richtung erfolgt, und wobei in einer geschlossenen Stellung der ersten Ven­ tileinrichtung eine zweite Bewegung des Kolbens in eine zweite Richtung erfolgt;
einer ersten Flußregeleinrichtung, die die Pumpe und den Pleuelabschnitt des Zylinders fluidmäßig verbindet; und
einem Fluidreservoir, das über eine zweite Ventileinrich­ tung mit dem Kolbenabschnitt des Zylinders fluidmäßig ver­ bunden ist, wobei in einer ersten Stellung der zweiten Ventileinrichtung während der ersten Bewegung des Kolbens Fluid aus dem Fluidreservoir in den Kolbenabschnitt an­ saugbar ist, und wobei in einer zweiten Stellung der zwei­ ten Ventileinrichtung während der zweiten Bewegung über­ schüssiges Fluid aus dem Kolbenabschnitt in das Fluidre­ servoir fließt.
Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen erfolgt nun eine detail­ lierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Treiben eines Kolbens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung;
Fig. 2 eine erste Anordnung zum Treiben eines Kolbens nach dem Stand der Technik; und
Fig. 3 eine zweite Anordnung zum Treiben eines Kolbens nach dem Stand der Technik.
Nachfolgend wird anhand der Fig. 1 ein bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zum Treiben eines Kolbens 100 dargestellt. Der Kolben 100 ist beweglich in einem Zylinder 102 angeordnet.
Eine Pumpe 104 ist über ein erstes Rückschlagventil 106 und eine erste Ventileinrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 108 versehen ist, mit einem Kolbenab­ schnitt 110 des Zylinders 102 verbunden. Die Pumpe 104 ist ferner über das erste Rückschlagventil 106 und eine erste Flußregeleinrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Be­ zugszeichen 112 versehen ist, mit einem Pleuelabschnitt 114 des Zylinders 102 verbunden.
Der Kolbenabschnitt 110 des Zylinders 102 ist über eine zweite Ventileinrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 116 versehen ist, mit einem Fluidreservoir 118 verbunden.
Ein Überdruckventil 120, mittels dem ein maximaler Druck in der erfindungsgemäßen Vorrichtung einstellbar ist, ist mit der Pumpe 104 verbunden. Beim Überschreiten des eingestell­ ten maximalen Drucks fließt das zu pumpende Fluid über das Überdruckventil in ein Überlaufreservoir 122.
Bewegen des Kolbens in eine erste Richtung A
Um den Kolben 100 in dem Zylinder in eine erste Richtung A zu bewegen, wird das Ventil 108 derart betätigt, daß es sich in seiner ersten Stellung 108a befindet, und gleichzeitig wird die Pumpe 104 eingeschaltet.
Nun wird eine vorbestimmte Menge eines Fluids, das vor­ zugsweise Öl ist, von der Pumpe 104 in den Kolbenabschnitt 110 gefördert.
Der bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Zylinder weist ein Übersetzungsverhältnis von 2 : 1 auf. Das Übersetzungsver­ hältnis ist durch das Verhältnis der mit Druck beaufschlag­ ten Fläche des Kolbenabschnitts 110 zu der mit Druck beauf­ schlagten Fläche des Pleuelabschnitts 114 bestimmt.
Aufgrund dieses Übersetzungsverhältnis wird durch das Pumpen des Öls in den Kolbenabschnitt 110 gleichzeitig aus dem Pleuelabschnitt 114 eine bestimmte Menge Öl verdrängt, die im Kolbenabschnitt 110 mitverwendet wird. Eine solche Schal­ tung wird Differentialschaltung genannt. Bei einer solchen Differentialschaltung bewegt sich der Kolben 100 in beiden Richtungen A, B mit derselben Geschwindigkeit, sofern die Fördermenge der Pumpe 104 konstant ist und das Übersetzungs­ verhältnis 2 : 1 beträgt. Allerdings wirkt hierbei in die Be­ wegungsrichtung A lediglich die halbe Kraft, die ohne die beschriebene Differentialschaltung möglich wäre.
Ohne eine Last bewegt sich der Kolben 100 nahezu drucklos.
Anhand eines Beispiels wird diese Funktionsweise nun ver­ deutlicht.
Es sei eine Fördermenge der Pumpe von 1 l/min angenommen. In den Kolbenabschnitt 110 werden nun 2 l/min eingelassen, und im Pleuelabschnitt 114 wird 1 l/min verdrängt. Somit ergibt sich aus der aus dem Pleuelabschnitt 114 verdrängten Menge von 1 l/min zusammen mit der Fördermenge der Pumpe 104 von 1 l/min diese 2 l/min im Kolbenabschnitt 110.
Es ist vorteilhaft, die Geschwindigkeit des Kolbens 100 immer vom Pleuelabschnitt 114 aus zu betrachten, da es an­ sonsten schwierig ist, die richtige Menge im Kolbenabschnitt 110 zu berechnen. In dem obigen Beispiel entspricht die Ge­ schwindigkeit des Kolbens 100 also der Menge 1 l/min die aus den Pleuelabschnitt 114 verdrängt wird.
Bei der Bewegung des Kolbens 100 ist darauf zu achten, ob eine sogenannte drückende Last F₁ oder eine sogenannte zie­ hende Last F₂ auf den Kolben 100 wirkt. Die drückende Last F₁ ist hierbei als eine Last definiert, die vom Pleuelab­ schnitt 114 in Richtung des Kolbenabschnitts 110 gerichtet ist. Eine ziehende Last F₂ ist als eine Last definiert, die vom Kolbenabschnitt 110 in Richtung des Pleuelabschnitts 114 gerichtet ist.
Ohne eine Last würde sich der Kolben drucklos bewegen. Beim Anlegen der Last F₁ bewegt sich der Kolben 100 mit dem der Last entsprechenden Druck. Bei der in diesem Ausführungsbei­ spiel verwendeten Differentialschaltung ist dies der doppel­ te Druck, der angetroffen würde, wenn keine Differential­ schaltung verwendet würde.
Die erste Flußregeleinrichtung 112 ist durch eine Blende 112a und ein Rückschlagventil 112b gebildet. Es handelt sich hierbei um einen sogenannten 2-Wegeregler. Dieser ist so eingestellt, daß er erst bei einer Menge wirksam ist, die geringfügig höher ist als die Menge, die in dem Pleuelab­ schnitt 114 verdrängt wird. Bezugnehmend auf das obere Bei­ spiel wäre der 2-Wegeregler beispielsweise auf etwa 1,1 l/min eingestellt.
Für den Fall, daß an dem Kolben 100 eine drückende Last F₁ anliegt, bleibt der 2-Wegeregler ohne Funktion.
Im Falle einer am Kolben 100 anliegenden ziehenden Last F₂ würde die Pumpe 104 ohne den 2-Wegeregler 112 drucklos in den Kolbenabschnitt 110 fördern und in diesem würde ein Vakuum entstehen, da der Kolben 100 durch die Last F₂ da­ voneilen könnte.
Der 2-Wegeregler 112 sperrt jedoch und läßt lediglich eine vorbestimmte Menge durch. Auch jetzt entsteht in dem Kolben­ abschnitt 110 ein Vakuum. Dies wird jedoch durch die zweite Ventileinrichtung 116 verhindert. Die zweite Ventileinrich­ tung 116 besteht aus einem Ventil 116a, einer Blende 116b und einem Rückschlagventil 116c. Für die Bewegung in die Richtung A ist das Ventil 116a in seiner ersten Stellung 116d, in der es bei Anliegen eines vorbestimmten Druckab­ falls zwischen dem Kolbenabschnitt 110 und dem Fluidreser­ voir 118 ein Ansaugen eines Fluids aus dem Fluidreservoir ermöglicht. Für das oben beschriebene Beispiel gilt, daß die sogenannte Fehlmenge die dort 0,2 l/min beträgt, über das Ventil 116a aus dem Fluidreservoir 118 angesaugt wird. Bei diesem Beispiel ist das Ventil 116a eingestellt, so daß sich in dessen erster Stellung 116d dieses bereits bei einem Druck öffnet, der kleiner als etwa 0,5 bar ist.
Aufgrund dieser angesaugten Menge entsteht im Kolbenab­ schnitt 110 also kein Vakuum.
Bewegung des Kolbens in Richtung B
Das Ventil 108 wird nicht aktiviert und bleibt folglich in seiner zweiten Stellung 108b, in der ein Fluß von der Pumpe 104 zum Kolbenabschnitt 110 nicht möglich ist.
Das Ventil 116a wird aktiviert und befindet sich in seiner zweiten Stellung 116e.
Die Pumpe 104 fördert nun Öl in den Pleuelabschnitt 114 (ge­ mäß dem oben beschriebenen Beispiel 1 l/min.)
Der Kolben 100 bewegt sich folglich mit derselben Geschwin­ digkeit wie in Gegenrichtung A. Nun muß aber die doppelte Menge über die zweite Ventileinrichtung 116 abfließen. Die Blende 116b ist in dem obigen Beispiel auf ca. 2,1 l/min eingestellt, so daß der Kolben 100 im Falle, daß keine Last anliegt, nahezu drucklos bewegt wird.
Liegt nun eine drückende Kraft F₁ an, so entsteht im Kolben­ abschnitt 110 ein der Last entsprechender Druck, der über das Ventil 108 in dessen zweiter Stellung 108b an den Pleu­ elabschnitt 114 übertragen wird. Das heißt, daß die Pumpe 104 nun gegen diesen Druck arbeiten muß, obwohl die Last ei­ gentlich in Bewegungsrichtung B wirkt. In dem obigen Bei­ spiel ist die Blende 116b auf ca. 2,1 l/min eingestellt. Da­ her wird in dem Pleuelabschnitt 114 eine größere Menge als der nur 1 l/min von der Pumpe 104 benötigt. Da aber entspre­ chend der Last ein Druck vorhanden ist, wird die Fehlmenge aus dem Kolbenabschnitt 110 verwendet und in den Pleuelab­ schnitt 114 geleitet. Daraus ergibt sich für das obige Bei­ spiel, daß sich der Kolben 100 entsprechend der Menge von 1,1 l/min im Pleuelabschnitt 114 bewegt. Dies ergibt näm­ lich im Kolbenabschnitt eine Menge von 2,2 l/min, wobei 2,1 l/min über die erste Ventileinrichtung 116 abgeleitet wer­ den, und somit stehen für den Pleuelabschnitt 114 0,1 l/min zur Verfügung.
Würde es sich bei der Ventileinrichtung 108 um ein in beiden Richtungen dichtes Ventil handeln, könnte die Pumpe 104 in diesem Fall drucklos 1 l/min fördern. Es entstünde jedoch dann wieder ein Vakuum in dem Pleuelabschnitt 114, das unbe­ dingt zu vermeiden ist. Man müßte dann eine zusätzliche An­ saugleitung zwischen dem Rückschlagventil 106 und der Ven­ tileinrichtung 108 anordnen, die ein Rückschlagventil auf­ weist. Die Pumpe müßte dann nicht mehr gegen Druck arbeiten.
Liegt nun eine ziehende Kraft F₂ an, so entsteht im Pleuel­ abschnitt 114 ein der Last F₂ entsprechender Druck, gegen den die Pumpe arbeiten muß. Für das obige Beispiel ergibt sich im Pleuelabschnitt also eine Fördermenge von 1 l/min und im Kolbenabschnitt 110 eine Fördermenge von 2 l/min, die ungehindert über die zweite Ventileinrichtung 116 abgeleitet wird.
Wird das Ausführungsbeispiel, das anhand der Fig. 1 be­ schrieben wurde, als sogenannter Nebenkreislauf benutzt, der eine niedrigere Menge benötigt als der Hauptkreislauf, so muß zwischen dem Haupt- und Nebenkreis ein 3-Wegeregler zwi­ schengeschaltet sein, so daß nur der tatsächlich notwendige Druck aufgebaut wird. Die von der Pumpe dann zu viel geför­ derte Menge wird in ein Überlaufreservoir geleitet.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Treiben eines Kolbens, insbesondere zum hydraulischen Treiben eines Kolbens mittels eines
Fluids, mit
einem Zylinder (102), in dem der Kolben (100) beweglich angeordnet ist, wobei der Zylinder einen Kolbenab­ schnitt (110) und einen Pleuelabschnitt (114) aufweist, wobei das Verhältnis der mit Druck beaufschlagten Flä­ che des Kolbenabschnitts (110) zu der mit Druck beauf­ schlagten Fläche des Pleuelabschnitts (114) größer als Eins ist; und
einer Pumpe (104), die das Fluid pumpt,
gekennzeichnet durch
eine erste Ventileinrichtung (108), die zwischen der Pum­ pe (104) und dem Kolbenabschnitt (110) des Zylinders (102) angeordnet ist, wobei in einer offenen Stellung (108a) der ersten Ventileinrichtung (108) eine erste Bewegung des Kolbens (100) in eine erste Richtung (A) erfolgt, und wobei in einer geschlossenen Stellung (108b) der ersten Ventileinrichtung (108) eine zweite Bewegung des Kolbens (100) in eine zweite Richtung (B) erfolgt;
eine erste Flußregeleinrichtung (112), die die Pumpe (104) und den Pleuelabschnitt (114) des Zylinders fluidmäßig verbindet; und
ein Fluidreservoir (118), das über eine zweite Ventil­ einrichtung (116) mit dem Kolbenabschnitt (110) des Zylinders fluidmäßig verbunden ist, wobei in einer ersten Stellung der zweiten Ventileinrichtung während der ersten Bewegung (A) des Kolbens (100) Fluid aus dem Fluidreservoir (118) in den Kolbenabschnitt (110) an­ saugbar ist, und wobei in einer zweiten Stellung der zweiten Ventileinrichtung während der zweiten Bewegung (B) überschüssiges Fluid aus dem Kolbenabschnitt (110) in das Fluidreservoir (118) fließt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Druckbegrenzungseinrichtung (120), die zwischen der Pumpe (104) und einem Überlaufreservoir (122) an­ geordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein erstes Rückschlagventil (106), das zwischen der Pumpe (104) und der ersten Ventileinrichtung (108) und der ersten Flußregeleinrichtung (112) angeordnet ist, das einen Fluidfluß in die Pumpe (104) verhindert.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ventileinrichtung (108) in der geschlos­ senen Stellung (108b) als zweites Rückschlagventil aus­ gebildet ist, daß einen Fluidfluß von der Pumpe (104) zu dem Kolbenabschnitt (110) des Zylinders verhindert.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Flußregeleinrichtung (112) eine erste Blende (112a) und ein drittes Rückschlagventil (112b) umfaßt, wobei die erste Blende (112a) derart einge­ stellt ist, daß eine vorbestimmte Fluidmenge druckun­ abhängig aus dem Pleuelabschnitt (114) fließt, und wobei das dritte Rückschlagventil (112b) den Fluidfluß aus dem Pleuelabschnitt (114) verhindert.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Ventileinrichtung (116) ein Ventil (116a) und eine zweite Blende (116b), zu der parallel ein viertes Rückschlagventil (116c) geschaltet ist, einschließt,
wobei das Ansaugen des Fluids aus dem Fluidreservoir 118 erfolgt, wenn sich ein vorbestimmter Druckabfall zwischen dem Kolbenabschnitt (110) und dem Fluidreser­ voir (118) einstellt,
wobei die zweite Blende (116b) derart eingestellt ist, daß eine vorbestimmte Menge von dem Kolbenabschnitt (110) zu dem Fluidreservoir (118) fließt, und
wobei das vierte Rückschlagventil (116c) einen Fluid­ fluß von dem Kolbenabschnitt (110) zu dem Fluidreser­ voir (118) verhindert.
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