DE3934124A1 - Druckluftgetriebene pumpenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung, die mittels Druck­ luft angetrieben wird und einen Druckluftmotor aufweist mit ei­ nem Zylinder und einem Niederdruckkolben, der zwischen einer er­ sten und einer zweiten Stirnwand beweglich ist, einer hydraulischen Kolbenpumpe in der zweiten Stirnwand, wobei eine Seite des Nie­ derdruckkolbens und die erste Stirnwand eine Arbeitskammer im Kolbenmotor begrenzen und die andere Seite des Kolbens gegen den hydraulischen Kolben der Hydraulikpumpe anstößt und diesen an­ treibt, wobei ferner ein Pilotkolben vorgesehen ist, der von dem Niederdruckkolben gesteuert wird und dazu dient, die Zufuhr an Druckluft zu der Arbeitskammer zu steuern, ferner mit einer Fe­ dereinrichtung zum Rückführen des Niederdruckkolbens und des Hydraulikkolbens.

Druckluftbetätigte hydraulische Pumpenanordnungen dieser Art wer­ den vielfach verwendet, um verfügbare Druckluftenergie in Energie mit wesentlich höherem hydraulischen Druck umzuwandeln. Eine Stei­ gerung des Druckes von z.B. 6 bis 600 kp/cm² kann leicht erreicht werden, um beispielsweise pneumatisch Preßwerkzeuge, Zylinder u. dgl. anzutreiben.

Obwohl solche Pumpenanordnungen im wesentlichen zufriedenstellend arbeiten, haben sie doch Nachteile, wenn höhere Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit und an ihre Wirtschaftlichkeit gestellt wer­ den.

Beispielsweise ist die Leistungsfähigkeit oder der Wirkungsgrad solcher Pumpenanordnungen nicht besonders hoch, wobei eine relativ ungenaue Führung des Luftkolbens dazu führt, daß die Umkehrpunkte des Kolbens am Ende eines Arbeitshubes in unerwünschter Weise variie­ ren. Diese Veränderung der Umkehrpositionen des Kolbens kann zu ern­ sten Schädigungen der Hydraulikpumpe führen, insbesondere, wenn die­ se eine zweistufige Pumpe ist, die mit hohem Druck arbeitet.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine druckluftbetätigte hydraulische Pumpenanordnung zu schaffen, die eine größere Leistungs­ fähigkeit hat als bekannte Pumpenanordnungen dieser Art und bei der die Bewegung des Luftkolbens genauer steuerbar ist als es bisher der Fall war.

Eine weitere Aufgabe liegt darin, eine Pumpenanordnung einfacher in der Konstruktion und mit niedrigeren Kosten zu erstellen, als dies bisher möglich war.

Ferner soll eine solche Pumpenanordnung einfach an verschiedene ge­ wünschte Pumpenkapazitäten angepaßt werden können.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung , wobei diese mit einer Pumpenanordnung erreichbarer sind, welche die in den Ansprüchen aufgeführten kenn­ zeichnenden Merkmale besitzt.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine größere Präzision und Leistungsfähigkeit nur erreichbar ist, wenn der Niederdruckkolben in dem Luftmotor sehr genau und zuverlässig gesteuert werden kann.

Dies wird nach der Erfindung erreicht, indem der Pilotkolben in einem Stirnwandabschnitt des Zylindergehäuses angeordnet und mit Hilfe eines Steuerkolbens oder einer Steuerstange gesteuert wird, der fest mit dem Niederdruckkolben verbunden und axial in Flucht mit dem Niederdruckkolben, dem Pilotkolben und dem Kolben der Hydraulikpumpe angeordnet ist.

Die Ausbildung aller Bohrungen oder Hohlräume zur Bildung der Steuerkanäle kann dann in der vorgenannten Stirnwand konzentriert werden, so daß der Luftmotorkolben und der Zylinder ohne Bohrungen oder Kanäle in diesen Teilen selbst hergestellt werden können, wo­ durch die Herstellung dieser Teile stark vereinfacht wird. Der Pilotkolben ist so aufgebaut, daß die Luftzufuhr zu ihm unter­ brochen wird, wenn der Luftmotorkolben seinen Rückhub beginnt. Hierdurch wird der Luftverbrauch stark reduziert in Vergleich mit bisher bekannten Pumpen dieser Art, bei denen normalerweise die Luft während des Rückhubs des Kolbens in die Atmosphäre austritt.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben, in der

Fig. 1 eine Seitenansicht einer druckluftbetriebenen Hy­ draulik-Pumpenanordnung nach der Erfindung zeigt.

Fig. 2-5 zeigen im Schnitt die Pumpenanordnung nach Fig. 1 in unterschiedlichen Betriebsstufen.

Die dargestellte Pumpenanordnung umfaßt einen pneumatischen Kolben­ motor 11 mit einem Zylindergehäuse 12 und einem ersten und einem zweiten Stirnwandabschnitt 13, 14, eine Kolbenpumpe 15, die im zweiten Stirnwandteil 14 angeordnet ist und einen Hydrauliköl- Tank 16.

Die Pumpenanordnung wird von einer externen Druckluftquelle (nicht gezeigt) über ein Verbindungsgerät angetrieben, das an einen Einlaß 17 angekoppelt ist. Die Pumpenanordnung wird betätigt mit Hilfe eines Fußpedales 18, durch das ein Hauptventil 19 geöffnet und geschlossen wird. Das Hauptventil ist in einer Einlaßleitung 20 montiert, die in dem ersten Stirnwandabschnitt 13 angeordnet ist in einer Position zwischen dem Einlaß 17 und der Arbeitskammer 21 des Kolbenmotors 11.

Die Arbeitskammer 21 ist begrenzt durch einen Niederdruckkolben 22, der zwischen ersten und zweiten Endstellungen beweglich ist, die in den Fig. 2 und 3 entsprechend dargestellt ist.

Zwischen dem Kolben 22 und dem Stirnwandteil 14 ist eine Federein­ richtung 23 eingebaut, die bei der dargestellten Ausführungsform die Form einer Schraubenfeder hat und dazu dient, den Kolben in sei­ ne erste Endposition zu bewegen.

Die Kolbenpumpe 15 umfaßt einen Hydraulikkolben 24, der an den Nie­ derdruckkolben 22 anliegen kann und sich zusammen mit diesem hin und her bewegt. Diese Bewegung wird gesteuert mit Hilfe eines Pilotkolbens 25, der im ersten Stirnwandabschnitt 13 eingebaut ist sowie einem Steuerkolben oder einer Steuerstange 26, die zwischen dem Pilotkol­ ben und dem Niederdruckkolben liegt.

Der Pilotkolben hat im wesentlichen kegelige Gestalt und einen Basis­ abschnitt 27 in Form eines geraden offenen Zylinders, einen Halsab­ schnitt 28, der sich axial vom zylindrischen Teil 27 aus erstreckt und einen Kopfabschnitt 29, der sich in die Arbeitskammer 21 hinein­ erstreckt und eine Auslaßöffnung 31 schließt, die zwischen der Arbeits­ kammer 21 und dem Auslaß 32 des Motors liegt, mit Hilfe einer Dichtung 30.

Der Basisabschnitt 27 ist mit einer Einlaßöffnung 33 (Fig. 3) ver­ sehen, die abwechselnd eine Verbindungsleitung 48 zwischen dem Ein­ laß 17 und der Einlaßleitung 20 öffnet und schließt. Diese Umschal­ tung zwischen geöffneter und geschlossener Position der Verbindungs­ leitung 48 wird dadurch erreicht, daß der Basisabschnitt 27 axial in einem rohrförmigen Raum 34 im Stirnwandabschnitt 13 beweglich ist.

Dieser Raum öffnet sich in einen Pilotzylinder 35, der auf einer Sei­ te des Pilotkolbens in Verbindung mit der Auslaßöffnung 31 steht und auf der anderen Seite des Kolbens eine Pilot-Arbeitskammer 36 bildet. Der Steuerkolben 26 ist in einer langgestreckten Bohrung 37 unter­ gebracht, die sich durch den Halsabschnitt und den Kopfabschnitt des Pilotkolbens 25 erstreckt.

Der Steuerkolben hat einen oberen und einen unteren zylindrischen Teil 38, 39, die die Bohrung 37 ausfüllen und diese abdichten, ferner mit einem Zwischenabschnitt 40 mit kleinerem Durchmesser als der obere und der untere Abschnitt. Der obere Abschnitt 38 ist fest mit dem Niederdruckkolben in geeigneter Weise verbunden und demzufolge begleitet der Steuerkolben die Hin- und Herbewegung des Niederdruckkolbens.

Der Steuerkolben dient dazu, die Bewegung des Pilotkolbens 25 zu steuern, erstens durch Öffnen und Schließen einer Druckverbindung 41 zwischen der Pilot-Arbeitskammer 36 und dem Einlaß 17, sowie zweitens durch Öffnen und Schließen einer Auslaßverbindung 42, die zwischen der Pilot-Arbeitskammer und dem Auslaß 32 liegt. Das freie Ende 43 des Steuerkolbens liegt hier nicht an einem ela­ stischen Hals oder Bund 44 an, der an einem Verbindungsteil 45 benachbart zum Einlaß 17 und der Auslaßverbindung 42 angeordnet ist, so daß der verengte Abschnitt 40 in Flucht oder Übereinstimmung mit einer Bohrung 46 im Halsabschnitt 28 des Pilotkolbens gebracht wird und eine Luftverbindung 41 erzeugt wird.

Die Pumpe 15 ist eine zweistufige Pumpe und umfaßt eine erste Ar­ beitskammer 50 mit relativ großem Querschnitt und eine zweite Ar­ beitskammer 51, deren Querschnitt kleiner ist als derjenige der er­ sten Kammer. Entsprechend hat der Pumpenkolben 24 einen inneren Kol­ ben 52 mit relativ großem Durchmesser, von welchem aus sich ein äußerer Kolben 53 mit kleinerem Durchmesser erstreckt. Ein Hydrau­ likfluid wird durch die Hydraulikpumpe 15 aus dem Tank 16 zu einem äußeren Pumpenanschluß (nicht gezeigt) gepumpt, der mit einer Ver­ bindungspassage 54 gekoppelt ist. Die Aktivierung der Arbeitskammer wird bewirkt mit Hilfe eines federbelasteten Servo-Kolbens 55 unter dem Einfluß des Druckes in dem Verbindungskanal 54.

Fig. 2 zeigt den Servo-Kolben 55 in seiner Niederdruckposition, in der Hydraulikfluid vom Tank 16 abgezogen und zu der ersten und der zweiten Arbeiskammer 50, 51 geführt wird durch einen Kanal 56 und Rückschlagventile 57 und 59. Während dieses Arbeitshubes wird das Hydraulikfluid aus den beiden Arbeitskammern abgeführt, wobei der Fluß von der ersten Arbeitskammer 50 durch einen Kanal 58, das zweite Rückschlagventil 59 und die zweite Arbeitskammer 51 erfolgt. Der äußere Kolben 53 ist so geformt, daß er einen gegebenen Raum oder Zwischenraum in der Arbeitskammer 51 schafft, so daß das Fluid durch die Kammer und heraus durch ein drittes Rückschlag­ ventil 60 und von dort zu dem Verbindungskanal 54 strömen kann, unabhängig von der Position des Kolbens. Der Verbindungskanal 54 steht in Verbindung mit dem Servo-Kolben 55 über einen Kanal 61. Wenn der Druck einen gegebenen Wert erreicht hat, wird der Servo- Kolben nach unten in die Fig. 4 gezeigte Position gedrückt. In diesem Zustand des Systems wälzt der innere Kolben 52 nur Hydrau­ likfluid vom Tank 16 in bekannter Weise um, während eine nutz­ bare Pumpenarbeit durch den äußeren Kolben 53 bewirkt wird, über die Rückschlagventile 59 und 60. Das Pumpensystem umfaßt ferner ein Druckausgleichventil 62, das dazu dient, den Druck über eine Rückführleitung 63 zum Tank 16 auszugleichen.

Die Art und Weise, in der die Pumpenanordnung arbeitet, wird nachfolgend an Hand der Fig. 2 bis 5 beschrieben.

Fig. 2 zeigt die Anordnung in ihrem unwirksamen Zustand vor dem Einschalten, wobei der Niederdruckkolben 22 in seiner ersten Endposition ist und Luft aus der Arbeitskammer und heraus durch die Einlaßleitung 20 strömen kann, von wo aus sie zur Atmosphäre über das Drei-Wegeventil 19 abgegeben wird.

Fig. 3 zeigt eine Arbeitsposition des Pumpensystems, in welcher das Drei-Wegeventil 19 geöffnet ist. In diesem Zustand oder dieser Position wird der Niederdruckkolben 22 in seine zweite Endposition gedrückt, während die Feder 23 zusammengedrückt wird und gleichzeitig der Hydraulikpumpenkolben veranlaßt wird, seinen Arbeitshub auszuführen. Der Servo-Kolben nimmt nun seine Niederdruckpo­ sition ein und demzufolge pumpen sowohl der Niederdruck- und der Hochdruckkolben 52 und 53 Hydraulikfluid in den Auslaßkanal 54. Da der Steuerkolben 26 fest am Niederdruckkolben mon­ tiert ist, wird der Steuerkolben verschoben, während der Pilotkolben in der dargestellten Po­ sition gehalten wird durch den Druck in der Ar­ beitskammer 21. Wenn der Niederdruckkolben 22 seine zweite Endposition erreicht hat, gibt der Steuerkolben 26 die Druckluftverbindung 41 be­ nachbart zu dem elastischen Kragen 44 im Verbin­ dungsabschnitt 45 frei, so daß die Pilot-Arbeits­ kammer 36 unter Druck gesetzt werden kann. Da die unter Druck stehende Oberfläche des Basisabschnittes 27 größer ist als der Haltedruck auf dem Kopfab­ schnitt 29, wird der Pilotkolben in seine zweite Endposition, die in Fig. 4 gezeigt ist, verschoben. Der Pilotkolben öffnet dadurch die Auslaßöffnung 31 und bringt die Arbeitskammer 21 in Verbindung mit dem Auslaß 32. Die Verbindung zur Einlaßleitung 20 wird zur selben Zeit geschlossen, so daß die Zufuhr von Druckluft unterbrochen werden kann während des Rückhubes des Niederdruckkolbens 22. Wenn nun ein höherer Hydraulikdruck in der Druckleitung 54 er­ reicht ist, wird der Servokolben 55 in eine Hoch­ druckstellung rückgestellt, in welchem Fall nur der Hochdruckkolben 53 eine nutzbare Pumpenarbeit aus­ führt, während der Niederdruckkolben Hydraulikflüs­ sigkeit nur drucklos umwälzt. Der Rückhub des Nie­ derdruckkolbens 22 wird mit Hilfe einer Schrauben­ feder 23 bewirkt, welche den Niederdruckkolben und den Hydraulikpumpenkolben 24 in die erste Endposition drückt, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Hierdurch wird der verengte Abschnitt 40 des Steuer­ kolbens 24 veranlaßt, sich in die dargestellte Position zu bewegen vor der Bohrung 46 im Halsabschnitt des Pilotkolbens, womit die Auslaßverbindung 42 zwi­ schen der Pilot-Arbeitskammer 36 und dem Auslaß 32 geöffnet wird.

Dies befähigt den Niederdruckkolben 22, in die Start­ position zurückzukehren, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, indem er auf den Kopf 29 des Pilotkolbens aufliegt. Die Pumpenanordnung hat damit einen komplet­ ten Arbeitszyklus durchgeführt und vorausgesetzt, daß das Hauptventil 19 offengehalten wird, setzen die Kol­ ben ihre Arbeitstätigkeit in der vorbeschriebenen Wei­ se fort.

Die vorbeschriebene hochpräzise mechanische Kopplung zwischen dem Niederdruckkolben 22 und dem Steuerkolben sowie dem Pilotkolben führt zu einer sehr genauen Steuerung der beiden Endpositionen des Niederdruck­ kolbens. Eine solche Steuerung ist sehr vorteilhaft bezüglich der hydraulischen Kolbenpumpe 15, da genaue Kolben-Umkehrpositionen eine Voraussetzung für eine optimale Pumpentätigkeit und Leistungsfähigkeit sind. Die Pumpenteile sind ferner relativ einfach herzustellen und zu bearbeiten.

Beispielsweise kann der Pilotkolben aus einem geeigneten Kunststoffmaterial hergestellt werden und das zylindri­ sche Gehäuse 12 kann eine einfache Rohrform haben, ohne daß das Gehäuse in besonderer Weise maschinell bearbeitet oder mit Kanälen oder Bohrungen versehen werden muß. All diese maschinelle Bearbeitung wird auf die erste Stirn­ wand 13 konzentriert, wodurch die Arbeit bei der Herstellung stark vereinfacht wird und diese Stirnwand mit Pumpenanord­ nungen verschiedener Kapazität verwendet werden kann. Beispielsweise können Pumpen unterschiedlicher Kapazitäten hergestellt werden einfach durch Verwendung zylindrischer Rohre 12 unterschiedlicher Längen, wobei die Längen des Steuerkolbens 26 und des Pumpenkolbens 24 an die Länge des Rohres 12 angepaßt werden.

Claims (8)

1. Druckluftbetriebene Pumpenanordnung mit einem Druckluft- Kolbenmotor (11) mit einem Zylindergehäuse (12) und einem Niederdruckkolben (22), der zwischen einem ersten und einem zweiten Stirnwandabschnitt (13, 14) bewegbar ist, einer hydraulischen Kolbenpumpe (15), die im zweiten Stirnwand­ abschnitt (14) angeordnet ist, wobei eine Seite des Nieder­ druckkolbens und der erste Stirnwandabschnitt eine Arbeits­ kammer (21) im Kolbenmotor begrenzen, und die andere Seite des Kolbens an einem Hydraulikkolben (24) in der Hydraulik­ pumpe anliegt und diesen antreibt, wobei ferner ein Pilot­ kolben (25) vorgesehen ist, der durch den Niederdruckkolben gesteuert wird und der die Zufuhr von Druckluft zur Arbeits­ kammer (21) steuert, ferner mit einer Federeinrichtung (23) zur Rückführung des Niederdruckkolbens und des Hydraulik­ kolbens, dadurch gekennzeichnet, daß der Pilotkolben (25) in einem Pilotzylinder (35) angeordnet ist, der in dem ersten Stirnwandabschnitt (13) eingebaut ist und der in diesem Zylinder bewegbar ist zwischen einer ersten Position, in der Druckluft von einem Einlaß (17) in diesem Stirn­ wandabschnitt in die Arbeitskammer führbar ist und einer zwei­ ten Position, in der die Zufuhr von Druckluft unterbrochen ist und die Rückluft aus der Arbeitskammer (21) an einen Aus­ laß (32) führbar ist, und daß ein Steuerkolben (26), der mit dem Niederdruckkolben verbunden ist, in den Pilotkolben einge­ baut ist und diesen Kolben steuert und damit diese Bewegung von der ersten in die zweite Position bewirkt durch Öffnen einer Druckluftverbindung (41), die zu einer Pilot-Arbeitskammer (36) zwischen dem Einlaß und dem Pilotkolben führt.

2. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuerkolben (26) bewirkt, daß der Pilotkolben (25) sich von der zweiten Position in die erste Position bewegt durch Schließen dieser Druckluftverbindung (41) und Öffnen einer Auslaßverbindung (42) zwischen der Pilot-Arbeitskammer (36) und dem Auslaß (32).

3. Pumpenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuerkolben (26) durch eine lang­ gestreckte Bohrung (37) im Pilotkolben (25) bewegbar ist und einen verjüngten Abschnitt (40) mit kleinerem Durchmesser hat, durch den die Auslaßverbindung (42) schließbar ist, wenn er axial in dieser Bohrung verschoben wird.

4. Pumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pilot­ kolben (25) eine langgestreckte Wand (27) hat, in welcher eine Öffnung (33) ausgebildet ist, durch welche eine Inlaß­ leitung (20), die zu der Arbeitskammer führt, mittels axialer Verschiebung des Pilotkolbens (25) zu öffnen und zu schließen ist.

5. Pumpenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Pilotkolben eine kegelige Form hat und einen Basisabschnitt in Form eines geraden offenen Zylin­ ders (27) aufweist, der diese langgestreckte Wand bildet, ferner mit einem Kopfabschnitt (29), der eine Auslaßdichtung zwischen der Arbeitskammer (21) und seinem Auslaß (31) bildet, und daß die Bohrung (37), die den Steuerkolben auf­ nimmt, sich durch den Kopfteil (29) des Pilotkolbens er­ streckt zwischen dem Niederdruckkolben (22) und dem Innern des Zylinders (27).

6. Pumpenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Basisabschnitt (27) des Pilotkolbens in einem rohrförmigen Raum (34) im ersten Stirnwandabschnitt (13) axial so bewegbar ist, daß der Einlaß (30) der Arbeits­ kammer (21) geöffnet und geschlossen wird.

7. Pumpenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die innere Begrenzungswand des rohr­ förmigen Raumes (34) die Form eines zylindrischen Teiles (47) hat, und daß dieser eine Öffnung (44) an einem Ende hat und daß sein anderes Ende den Einlaß (17) einer Verbindung zu einer äußeren Druckluftquelle bildet, daß ferner der Steuer­ kolben so geformt ist, daß er sich durch die Öffnung (44) erstreckt und diese abdichtet während der Bewegung des Niederdruckkolbens zu und von einem vollen Arbeitshub, daß er jedoch diese Öffnung (44), die im Boden des zylindri­ schen Teils (47) liegt, in der Umkehrposition des Kolbens öffnet, um diese Druckluftverbindung (41) mit der Pilot-Ar­ beitskammer (36) zu bilden.

8. Pumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydrau­ likpumpe (15) eine zweistufige Pumpe ist und eine erste Arbeitskammer (50) aufweist mit relativ großem Querschnitt sowie eine zweite Arbeitskammer (51), deren Querschnitt kleiner ist als der der ersten Arbeitskammer, daß diese Arbeitskammern in Flucht miteinander liegen, daß die Pumpe ferner einen Pumpenkolben (24) aufweist, der zwei Abschnitte mit entsprechend unterschiedlichen Querschnitten aufweist, und daß beide Arbeitskammern bis zu einem gegebenen hydraulischen Ausgangsdruck aktiv sind, und daß nur die zwei­ te Arbeitskammer aktiv ist bei einem Druck oberhalb dieses gegebenen Druckes.