DE3934124A1 - Druckluftgetriebene pumpenanordnung - Google Patents
Druckluftgetriebene pumpenanordnungInfo
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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.
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