DE112005002804B4

DE112005002804B4 - Hydraulikaggregat sowie Verfahren zur Bereitstellung einer unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit

Info

Publication number: DE112005002804B4
Application number: DE112005002804.6T
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Dehlke Klaus; Dipl.-Ing. Böhner Christian; Gerd Hartrampf
Original assignee: Richard Bergner Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: WO2006056256A3; DE112005002804A5; WO2006056256A2; US20070286740A1; WO2006056256A8

Abstract

Hydraulikaggregat (2) zur Bereitstellung einer unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit an einem Ausgang (36, 36A, 36B) mit einem Elektromotor (14) und mit zumindest einer über den Elektromotor (14) betriebenen Pumpe (16) zur Druckerzeugung, wobei für die von der Pumpe (16) angesaugte Hydraulikflüssigkeit ein Speicherraum (5) mit einem variierbaren Ausgleichsvolumen vorgesehen ist, in dem die Hydraulikflüssigkeit gasfrei eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Pumpen (16) angeordnet sind, wobei die eine zur Bereitstellung eines Niederdruck-Teilstroms (56) und die andere zur Bereitstellung eines Hockdruck-Teilstroms (54) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hydraulikaggregat mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bereitstellung einer unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit mit einem solchen Hydraulikaggregat.
Ein derartiges Hydraulikaggregat ist beispielsweise zu entnehmen aus der DE 196 27 711 A1 . Bei diesem ist ein Druckmittelbehälter mit einem flexiblen Wandteil vorgesehen, um das Volumen an unterschiedliche Druckmittelmengen anpassen zu können. Aus der DE 100 10 776 A1 ist ein weiteres Hydraulikaggregat mit einem Druckmittelbehälter zu entnehmen, dessen Volumen variierbar ist.
Aus der DE 199 21 436 ist eine Hydraulikanlage als vormontierte Montageeinheit zu entnehmen, bei der ein Motormodul sowie ein Pumpmodul innerhalb eines Drucktanks angeordnet sind.
In der DE 103 06 006 A1 ist ein Hydraulikmodul beschrieben, bei dem Strömungswege für ein Hydrauliköl durch Bohrungen im Gehäuse ausgebildet sind.
Hydraulikaggregate werden in den verschiedensten technischen Bereichen eingesetzt. Insbesondere wird das Hydraulikaggregat auch bei einem Bearbeitungswerkzeug eingesetzt, welches eine axiale Bewegung mit hoher Kraft bei einem Bearbeitungsvorgang ausführen muss. Ein solches Bearbeitungswerkzeug ist beispielsweise eine Presse oder Stanze, bei der mit Hilfe eines axial verschieblichen Stempels ein Loch ausgestanzt oder ein Stanzelement eingestanzt wird.
Das Hydraulikaggregat dient insbesondere auch im Bereich der Niettechnologie zum Anschluss an ein Setzgerät zum Setzen eines Niets, insbesondere eines Blindniets. Bei einem Blindniet wird dieser in eine Bohrung von zwei zu verbindenden Bauteilen mit seiner Niethülse voraus von einer Seite eingeführt, bis sein Setzkopf auf dem oberen Bauteil zum Aufliegen kommt. In der Niethülse ist ein Nietdorn angeordnet, welcher in Axialrichtung mit Hilfe des Setzgeräts gezogen wird. Dabei verformt sich die Niethülse und bildet einen Schließkopf aus, so dass die zu verbindenden Bauteile zwischen Schließkopf und Setzkopf geklemmt sind. Bei Überschreiten einer bestimmten Zugkraft reißt der Dorn ab und der Setzvorgang des Blindniets ist abgeschlossen. Beim Setzvorgang erfolgt ein kontinuierlicher Druckaufbau. Zunächst werden hierbei bei geringen Drücken vergleichsweise lange Axialhübe zurückgelegt. Zum Ende des Setzvorgangs bis zum Abreißen des Nietdorns müssen hohe Verformungskräfte und damit hohe Drücke bereitgestellt werden bei vergleichsweise geringen Axialhüben. Um möglichst kurze Taktraten zu erzielen, muss daher das Hydraulikaggregat in der Lage sein, sowohl sehr schnell weite Axialwege auszuführen, also auch sehr hohe Kräfte aufzubringen.
Im Zuge einer Prozessautomatisierung, insbesondere beispielsweise in der Automobilindustrie, gehen die Bestrebungen zu einem vollautomatisierten und überwachten Blindniet-Setzvorgang mit Hilfe eines Industrieroboters. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass Hydraulikleitungen vom ortsfesten Hydraulikaggregat zum Roboter und an dessen Roboterarmen entlang zu einem an der Roboterhand befestigten Niet-Setzgerät geführt werden müssen. Die Führung der Hydraulikleitungen gestaltet sich hierbei schwierig. Insbesondere in beengten Arbeitsraum-Situationen, beispielsweise in Karosseriebauteilen eines Kraftfahrzeugs, besteht zusätzlich das Problem, dass dem Roboter nur sehr wenig Raum zur Verfügung steht und die Gefahr des Scheuerns der Hydraulikleitungen an scharfkantigen Bauteilen besteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes Hydraulikaggregat anzugeben, das sich insbesondere in Kombination mit einem Industrieroboter einsetzen lässt. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bereitstellung einer unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1, 18 und 19 gelöst.
Die auf das Hydraulikaggregat bezogene Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist ein Hydraulikaggregat zur Bereitstellung einer unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit an einem Ausgang des Aggregats vorgesehen, welches einen Elektromotor sowie zumindest eine über den Elektromotor betriebene und insbesondere als Kolbenpumpe ausgebildete Pumpe zur Druckerzeugung aufweist. Für die von der Pumpe angesaugte Hydraulikflüssigkeit ist hierbei ein Speicherraum mit einem variierbaren Ausgleichsvolumen vorgesehen, in dem die Hydraulikflüssigkeit gasfrei bevorratet ist.
Die Erfindung geht hierbei von der Überlegung aus, dass aufgrund der Problematik der Führung der Hydraulikleitungen am Roboter entlang eine unmittelbare Anordnung des Hydraulikaggregats am Roboter, insbesondere an der Roboterhand, so dass keine Hydraulikleitungen über eine bewegliche Roboterachse geführt wird, von Vorteil ist. Dies wirft allerdings das Problem auf, dass bei einem herkömmlichen Hydraulikaggregat aufgrund der Beschleunigung Luft oder Gas in die Hydraulikflüssigkeit gelangen würde, so dass eine sichere und definierte hydraulische Betätigung eines Bearbeitungswerkzeugs, beispielsweise eines Blindniet-Setzkopfes, nicht möglich wäre. Durch die Anordnung des Speicherraums mit dem variierbaren Ausgleichsvolumen, in dem die Hydraulikflüssigkeit gasfrei angeordnet ist, wird das Eindringen von Luft in die Hydraulikflüssigkeit und das Aufschäumen derselben vermieden. Die beim Arbeitsvorgang des Bearbeitungswerkzeugs auftretende Änderung eines Hydraulikvolumens des Bearbeitungswerkzeugs führt zu einer Veränderung des Ausgleichsvolumens des Speicherraums. Im Unterschied zu herkömmlichen Hydraulikaggregaten wird hier also zum Volumenausgleich im Ausgleichsvolumen keine Luft verwendet. Bei dem hier vorgeschlagenen Hydraulikaggregat führen daher schnelle Bewegungen und insbesondere abrupte Beschleunigungen, beispielsweise Richtungsänderungen, nicht zu einem Aufschäumen der Hydraulikflüssigkeit.
Das hier vorgeschlagene Hydraulikaggregat wird daher insbesondere an Maschinenteilen angeordnet, die beim Betrieb beschleunigt werden. Dies sind insbesondere die Roboterhand eines Industrieroboters, Kran- oder Greifereinrichtungen, Kraftfahrzeuge, insbesondere Lastkraftfahrzeuge sowie beispielsweise Schausteller-Fahrgeräte für Vergnügungsparks. Bei einem Industrieroboter können hierbei Beschleunigungen von beispielsweise dem 20-fachen der Erdbeschleunigung und mehr auftreten. Das mobile Hydraulikaggregat ist in der Lage, derart hohe Beschleunigungen auszuführen, ohne dass seine Funktionsfähigkeit beeinträchtigt ist.
Bei dem Hydraulikaggregat sind weiterhin zumindest zwei Pumpen einerseits zur Bereitstellung eines Niederdruck-Teilstroms sowie andererseits eines Hochdruck-Teilstroms der Hydraulikflüssigkeit vorgesehen. Es ist also ein zweistufiges Hydraulikaggregat vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass in Abhängigkeit des jeweiligen Anwendungsfalls unterschiedliche Druckstufen mit geringem Energieaufwand bereitgestellt werden. Somit werden unterschiedliche Druckanforderungen in einfacher Weise energiesparend bedient. Insbesondere bei einem Blindnietsetzvorgang braucht zu Beginn des Setzvorgangs kein hoher Druck bereitgestellt zu werden.
Zweckdienlicherweise weist hierbei die Hydraulikflüssigkeit im Speicherraum einen Überdruck gegenüber einem Umgebungsdruck auf. Hierdurch wird ein Aufschäumen sicher vermieden. Vorzugsweise liegt dieser Überdruck im Bereich von einigen 10⁵ Pa, insbesondere zwischen 3 und 50 × 10⁵ Pa.
Zur Ausbildung des variierbaren Ausgleichsvolumens ist gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung eine Ausgleichswand des Speicherraums nach Art eines Kolbens verschieblich und abgedichtet zu einer feststehenden Gehäusewand des Speicherraums angeordnet. Durch diese Ausbildung mit der mechanisch insbesondere steifen Ausgleichswand ist ein sehr robuster Aufbau erreicht. Die bevorzugte Ausgestaltung als ein Kolben hat zudem den Vorteil eines einfachen Aufbaus. Die Druckerzeugungseinheit ist daher nach Art eines Kolbenspeicherraums ausgebildet. Alternativ zur mechanisch steifen Ausgestaltung ist die Ausgleichswand beispielsweise als elastische Membran ausgebildet.
Zur Erzeugung des Überdrucks im Speicherraum ist hierbei die Ausgleichswand zweckdienlicherweise mit einer Gegenkraft oder einem Gegendruck beaufschlagbar. Vorteilhafterweise ist hierzu an der dem Speicherraum abgewandten Außenseite ein Druckraum vorgesehen, an den eine Druckleitung anschließbar ist. Die Erzeugung der Gegenkraft erfolgt daher insbesondere auf pneumatische oder auch auf hydraulische Art. Prinzipiell ist auch eine mechanische Aufbringung des Gegendrucks beispielsweise mittels eines Federelements möglich. Der Vorteil einer pneumatischen oder hydraulischen Druckbeaufschlagung liegt demgegenüber in der einfachen Steuerbarkeit der Höhe des Gegendrucks. Die Druckeinheit zur Erzeugung des Gegendrucks ist im Falle einer pneumatischen Druckerzeugung daher nach Art eines Medienwandlers ausgebildet, wandelt also Pneumatikdruck in Hydraulikdruck um. Bevorzugt ist hierbei die Druckeinheit derart ausgebildet, dass eine Druckverstärkung erreicht ist.
Um insbesondere einen sicheren Betrieb insbesondere beispielsweise bei einer Unterbrechung der Pneumatikleitung zur Erzeugung des Gegendrucks zu gewährleisten, ist in einer bevorzugten Ausführung zur Erzeugung des Gegendrucks zusätzlich eine Sicherungsfeder vorgesehen. Unter Sicherungsfeder wird hierbei allgemein ein elastisches Element verstanden, welches eine feste elastische Rückstellkraft ausübt. Vorzugsweise wird hierbei ein Federelement im eigentlichen Sinne, beispielsweise eine Druckfeder eingesetzt. Alternativ zu der zusätzlichen Anordnung des Federelements wird dieses an Stelle des Druckraums vorgesehen.
Um einen möglichst kompakten Aufbau des Hydraulikaggregats zu erzielen sind in einem Gehäuse des Aggregats der Elektromotor sowie die Pumpe angeordnet und der vom Gehäuse umgebene Innenraum bildet den Speicherraum, ist also mit Hydraulikflüssigkeit angefüllt. Der Elektromotor und die Pumpe sind daher in der Hydraulikflüssigkeit, insbesondere Hydrauliköl, angeordnet. Das Gehäuse ist insgesamt hermetisch nach außen abgedichtet. Durch diese Ausgestaltung ist ein separater Ausgleichsbehälter nicht erforderlich. Weiterhin sind keine Zuleitungen von Ausgleichsbehälter zu einer Ansaugseite der Pumpe erforderlich. Im Hinblick auf einen möglichst kompakten Aufbau ist weiterhin das Gehäuse vorzugsweise von einem insbesondere stirnseitigen Funktionsblock verschlossen, in dem mehrere Hydraulikkomponenten integriert sind. Derartige Hydraulikkomponenten sind beispielsweise Hydraulikleitungen und Ventile. Der Funktionsblock bildet daher einen Deckel des Gehäuses und damit des Aggregats. Durch die Integration der Hydraulikkomponenten in den Deckel ist kein separater Platzbedarf für diese Komponenten erforderlich und das Aggregat insgesamt kann sehr kompakt aufgebaut werden.
Zweckdienlicherweise ist der Funktionsblock zur Steuerung und zur Führung der am Ausgang bereitgestellten Hydraulikflüssigkeit ausgebildet. Hierzu sind im Funktionsblock eine Vielzahl von Leitungen und auch hydraulischen Steuerelementen, wie Ventilen, angeordnet. Der Funktionsblock dient daher beispielsweise zum Sperren oder Freigeben der von der Pumpe erzeugten und unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit.
Vorzugsweise ist die Druckseite der Pumpe über eine Leitung mit dem Funktionsblock verbunden. Alle weiteren der Pumpe druckseitig nachgeschalteten Hydraulikkomponenten sind im Funktionsblock integriert. Durch die Anordnung sämtlicher hydraulischer Funktionselemente innerhalb des Funktionsblocks ist der Aufbau des restlichen Aggregats vergleichsweise einfach und robust gehalten.
Zweckdienlicherweise werden die zumindest zwei unterschiedlichen Pumpen gemeinsam vom Elektromotor betätigt. Es werden daher mehrere Hydraulik-Teilströme unterschiedlicher Drücke und/oder unterschiedlicher Fördermengen über ein- und denselben Elektromotor erzeugt, so dass mit nur einem Elektromotor und damit sehr Platz sparend die unterschiedlichsten Druckanforderungen erfüllt werden können. Insbesondere bei zwei- oder mehrstufigen Bearbeitungsvorgängen, bei denen innerhalb eines Arbeitsvorgangs unterschiedliche Druckanforderungen gestellt werden, ist diese Ausgestaltung von besonderem Vorteil. Beispielsweise müssen lange axiale Hübe bei nur geringem Druck sowie kurze Axialhübe bei hohem Druck ausgeführt werden, wie beispielsweise bei einem Blindniet-Setzvorgang.
Zweckdienlicherweise sind hierbei die Pumpen gemeinsam über eine Exzenterwelle des Elektromotors betätigt und daher in etwa ringförmig um die Exzenterwelle angeordnet. Die Pumpen werden daher unmittelbar ohne Zwischenschaltung eines Getriebes vom Elektromotor betätigt. Bei der Bereitstellung von zwei Hydraulik-Teilströmen sind hierbei zweckdienlicherweise mehrere Pumpen für die Erzeugung des Niederdruck- sowie mehrere Pumpen zur Erzeugung des Hochdruck-Teilstroms vorgesehen, wobei bevorzugt abwechselnd eine Pumpe für den Hochdruck-Teilstrom und eine für den Niederdruck-Teilstrom einander benachbart sind.
Vorzugsweise ist weiterhin eine Ventilanordnung zur Steuerung der zumindest zwei Teilströme vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass jeweils nur ein Teilstrom am Ausgang des Hydraulikaggregats bereitgestellt ist. Hierdurch sind keine externen Steuerventile außerhalb des Aggregats zum Umschalten von dem einen Teilstrom auf den anderen Teilstrom notwendig, so dass insgesamt ein kompakter Aufbau erreicht wird. Die Ventilanordnung ist hierbei insbesondere derart ausgebildet, dass in Abhängigkeit der aktuellen Druckanforderung eine automatische Umschaltung zwischen den Teilströmen erfolgt.
Diese Ventilanordnung ist hierbei insbesondere im Funktionsblock integriert. Bevorzugt weist die Ventilanordnung ein Druckschaltventil auf, das bei Überschreiten eines vorgebbaren Drucks der am Ausgangs bereitgestellten Hydraulikflüssigkeit den Niederdruck-Teilstrom automatisch abschaltet.
Um notwendige Energie zur Erzeugung des Drucks möglichst gering zu halten ist die Ventilanordnung weiterhin bevorzugt derart ausgebildet, dass jeweils einer der Teilströme drucklos schaltbar ist. Es ist daher insbesondere vorgesehen, dass im Betrieb jeweils einer der Teilströme drucklos ist. Der Elektromotor braucht daher nur in einem Teilstrom Druck aufzubauen und kann daher leistungsschwächer und kompakt ausgebildet sein.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist der Elektromotor steuerbar und insbesondere regelbar. Der Elektromotor wird hierbei nur im Bedarfsfall, wenn also eine Druckanforderung vorliegt, gestartet. Der Druck wird daher energiesparend ohne einen Druckspeicher nur im Bedarfsfall erzeugt.
Bevorzugt wird der Elektromotor hierbei auf eine konstante Drehzahl geregelt. Hierdurch wird ein konstanter Strom an Hydraulikflüssigkeit bereitgestellt. Insbesondere ergänzend hierzu wird der Elektromotor auf ein konstantes Drehmoment geregelt, so dass ein bestimmter Druck, beispielsweise ein begrenzter Maximaldruck erzeugt und gehalten wird. Die Drehmomentregelung ist insbesondere bei einem 0-Weg-Hub von Vorteil, wenn also beispielsweise beim Setzvorgang eines Blindniets eine Setz- oder Umformkraft ohne oder nahezu ohne Bewegung des Blindniets aufrechterhalten werden muss.
Der Vorteil der Steuerung des Drucks über den Elektromotors ist insbesondere darin zu sehen, dass keine unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit bevorratet werden muss. Zwischen der Pumpe zur Erzeugung des Drucks in der Hydraulikflüssigkeit und dem Ausgang ist daher kein Druck-Speichervolumen vorgesehen. Die Erzeugung des Drucks erfolgt daher durch das Anfahren und die Steuerung des Elektromotors instantan, also ohne Puffer oder dergleichen. Über die Regelung des Elektromotors ist sehr schnell am Ausgang der Druck bereitgestellt.
Zweckdienlicherweise ist der Elektromotor insbesondere als ein Servomotor ausgebildet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Bereitstellung einer unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit gemäß Patentanspruch 20. Die im Hinblick auf das Hydraulikaggregat angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren anzuwenden.
Das hier beschriebene Hydraulikaggregat zeichnet sich zum einen durch seine Mobilität aus, das heißt, das Hydraulikaggregat kann ohne Beeinträchtigung seiner Funktionsfähigkeit sehr schnell bewegt und beschleunigt werden und ist daher insbesondere auch lageunabhängig funktionsfähig. Durch diese Eigenschaft eignet sich das Hydraulikaggregat insbesondere zur Anordnung an einem Industrieroboter und ist dort insbesondere ein Teil einer austauschbaren Roboterhand. Durch die Anordnung unmittelbar an der Roboterhand sind die Hydraulikleitungen zu dem Bearbeitungswerkzeug, beispielsweise ein Setzwerkzeug, auf das notwendige Mindestmaß reduziert, so dass eine Beschädigung derselben aufgrund der Bewegungen der Roboterarme nicht zu befürchten ist. Durch die kompakte Ausgestaltung sind darüber hinaus auch beengte Arbeitsräume zugänglich.
Das hier beschriebene Hydraulikaggregat zeichnet sich zum anderen durch seinen sehr kompakten Aufbau bei gleichzeitiger Erzeugung von sehr hohen Drücken aus. Zweckdienlicherweise weist das Hydraulikaggregat ein in etwa zylinderförmiges Gehäuse auf, welches eine Länge von lediglich etwa 30–40 cm bei einem Durchmesser von etwa 12 cm aufweist. Gleichzeitig ist das Hydraulikaggregat zur Bereitstellung insbesondere der zwei Druck-Teilströme vorgesehen, wobei der Niederdruck-Teilstrom beispielsweise für etwa 200 × 10⁵ Pa und der Hochdruck-Teilstrom vorzugsweise für 500 × 10⁵ Pa vorgesehen ist. Bereits mit einem gesamten Bauraum von 3.000 bis 10.000 ccm ist daher ein mobiles Hydraulikaggregat geschaffen, welches zwei Hydraulik-Teilströme mit 100 bis 300 bar und 300 bis 700 bar Druck ermöglicht. Das gesamte Volumen der Hydraulikflüssigkeit innerhalb des Hydraulikaggregats beträgt hierbei vorzugsweise lediglich etwa 500 ml. Das Hydraulikaggregat zeichnet sich daher durch eine hohe Leistungsdichte bei geringem Energieeinsatz aus. Da keinerlei Druckbegrenzungsventile vorgesehen sind und das Hydraulikaggregat im Abschaltbetrieb betrieben wird, also nur dann wenn tatsächlich eine Druckanforderung besteht, treten nur geringe Energieverluste auf und der notwendige Energieeinsatz ist gering. Dies erlaubt die Verwendung eines vergleichsweise leistungsschwachen und kompakten Elektromotors.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen Darstellungen:
1 einen Längsschnitt durch ein Hydraulikaggregat,
2 eine Ansicht auf die als Funktionsblock ausgebildete vordere Stirnseite des Hydraulikaggregats,
3 eine Ansicht auf die rückseitige Stirnseite des Hydraulikaggregats und
4 einen Hydraulikplan des Hydraulikaggregats.
In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das in den 1 bis 3 dargestellte Hydraulikaggregat 2 weist insgesamt ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 4 auf, dessen Innenraum einen Speicherraum 5 für die Hydraulikflüssigkeit bildet und hermetisch abgedichtet ist. Das Gehäuse 4 ist an seiner linken Stirnseite durch einen nach Art eines Gehäusedeckels ausgebildeten Steuer- oder Funktionsblock 6 verschlossen. An seiner dem Funktionsblock 6 gegenüberliegenden rechten Stirnseite weist das Hydraulikaggregat 2 einen Ausgleichsblock 8 auf, welcher das Gehäuse 4 an der hinteren Stirnseite verschließt. Zwischen diesen beiden Blöcken 6, 8 ist ein Druckerzeugungsblock 10 angeordnet. Die einzelnen Gehäuse-Bauteile des Hydraulikaggregats 2 sind – wie aus der Figur ersichtlich – durch Schraubverbindungen miteinander befestigt. An den Trennebenen oder Trennstellen zweier Bauteile, die jeweils als metallische Bauteile ausgebildet sind, sind jeweils Dichtelemente 12 vorgesehen, so dass eine hermetische Abdichtung des gesamten Innenraums 5 gegenüber der Umgebung erzielt ist.
Der Druckerzeugungsblock 10 ist im Wesentlichen gebildet durch einen als Wechselstrom-Servomotor ausgebildeten Unteröl-Elektromotor 14 sowie mehreren, als Kolbenpumpen ausgebildete Pumpen 16. Der Elektromotor 14 weist einen Stator 14A mit Statorwicklung sowie einen Rotor 14B mit Permanentmagnet auf. Am Rotor 14B ist endseitig eine Exzenterwelle 18 vorgesehen, deren Achse zu der Rotorachse 20 radial versetzt angeordnet ist. Über die Exzenterwelle 18 werden die ringförmig um die Exzenterwelle 18 angeordneten Pumpen 16 abwechselnd betätigt. Der Kolben der jeweiligen Kolbenpumpe 16 wird zum Ansaugen und Ausstoßen des Hydrauliköls über die Exzenterwelle 18 betätigt. Zwischen der im Betrieb rotierenden Exzenterwelle 18 und den feststehenden Pumpen 16 ist ein Lager 22 angeordnet.
An jede der Pumpen 16 schließt sich druckseitig eine Druckleitung 24 an, die zum Funktionsblock 6 führt. Die Druckleitung 24 ist hierbei durch einen in die Gehäusewand eingearbeiteten Kanal gebildet. Die Saugseite der Pumpen 16 ist jeweils mit dem Innenraum 5 verbunden, in dem sich das Hydrauliköl befindet.
Um die Exzenterwelle 18 herum sind im Ausführungsbeispiel insgesamt sechs Pumpen 16 ringförmig angeordnet, wobei abwechselnd benachbarte Pumpen 16 für die Erzeugung zweier unterschiedlicher Drücke vorgesehen sind, nämlich eines Niederdrucks in Höhe von etwa 200 × 10^–5 Pa sowie eines Hochdrucks in Höhe von etwa 500 × 10^–5 Pa.
Der als massiver Metalldeckel ausgebildete Funktionsblock 6 weist eine Dicke d auf, die beispielsweise etwa 10% der Gesamtlänge l des Hydraulikaggregats 2 beträgt. In dem Funktionsblock 6 sind eine Vielzahl von Kanälen zur Ausbildung von Hydraulikleitungen 28 sowie Bohrungen 30 für die Anordnung von Hydraulikventilen eingebracht, so dass der Funktionsblock einen Ventilblock bildet.
Die Anordnung der einzelnen Hydraulikleitungen 28 sowie der Bohrungen 30 bzw. der Ventile ergibt sich insbesondere auch aus der Stirnansicht gemäß 2, aus der die Hydraulikleitungen 28 sowie die Bohrungen 30 durch gestrichelte Linien dargestellt sind. Wie hieraus zu erkennen ist, sind eine Vielzahl von Bohrungen 30 und damit Hydraulikventile vorgesehen. Von denen sind in der 1 ein Wegesitzventil 32A sowie ein Druckschaltventil 32B zu erkennen. An der Oberseite ist weiterhin ein Ein- oder Nachfüllventil 32C vorgesehen, über das der Speicherraum 5 befüllt werden kann. Stirnseitig ist weiterhin ein Entlüftungsventil 32D angeordnet. Eine weitere Öffnung 34, welche lediglich beim Befüllen mit der Hydraulikflüssigkeit offen ist, dient zum Druckausgleich beim Befüllen.
Sämtlich hydraulischen Steuerelemente sind daher im Funktionsblock 6 integriert. Über den Funktionsblock 6 wird das an einem Ausgang 36A, B (vgl. 4) bereitgestellte Hydrauliköl gesteuert, das heißt, über den Funktionsblock 6 wird der Hydraulikdruck am Ausgang 36A, B gesteuert. Es sind nachfolgend keine hydraulischen Steuerelemente mehr erforderlich. Vielmehr lässt sich direkt am Ausgang 36 eine Hydraulikleitung anschließen und mit einem entsprechenden Hydraulikeingang an einem Bearbeitungswerkzeug, beispielsweise einem Blindniet-Setzwerkzeug 38 (vgl. 4), verbinden. Die Funktionsweise des Funktionsblocks 6 sowie die Bedeutung der einzelnen Ventile ergibt sich insbesondere auch aus der Beschreibung des Hydraulikplans gemäß 4.
Der Ausgleichsblock 8 umfasst eine durch das Gehäuse 4 gebildete, ringförmige oder zylindrische Gehäusewand, die einen zum Innenraum offenen Zylinder 40 ausbildet. In diesem Zylinder 40 ist ein eine Ausgleichswand bildender Kolben 42 passgenau angeordnet. Der Kolben 42 ist zu der Innenwandung des Zylinders 40 durch Dichtelemente 12 abgedichtet und in Längsrichtung relativ zum Zylinder 40 verschieblich angeordnet. Der Kolben 42 ist als Hohlkolben ausgebildet, der sich ebenso wie der Zylinder 40 im Querschnitt gesehen stufenförmig erweitert. Der Hohlraum des Kolbens 42 bildet einen Druckraum 44, der über einen Pneumatikanschluss 46 (vgl. 3) mit einem vorgebbaren Druck beaufschlagbar ist. Der Druckraum 54 ist rückseitig durch eine ortsfeste Stirnwand 48 des Gehäuses begrenzt. An der Stirnwand 48 stützt sich eine als Druckfeder ausgebildete Sicherungsfeder 50 ab, die eine Druckkraft auf den Kolben 42 ausübt. Durch die dargestellte Ausgestaltung ist ein Druckverstärker und Medienwandler geschaffen.
Zum Betrieb des Hydraulikaggregats 2 wird der Innenraum 5 komplett mit einer Hydraulikflüssigkeit angefüllt, insbesondere Hydrauliköl, so dass der Elektromotor 14 und mit ihm die Pumpen 16 im Hydrauliköl gelagert sind. Über das Entlüftungsventil 32D erfolgt eine vollständig Entlüftung, so dass der gesamte Innenraum 5 gas- und luftfrei ist. Um dies sicher aufrechtzuerhalten, wird über den Druckausgleichsblock 10 durch Anlegen eines entsprechenden Pneumatikdrucks im Druckraum 44 ein Gegendruck von etwa 5–15 × 10^–5 Pa erzeugt. Der gesamte Gehäuseinnenraum 5 steht daher unter einem Überdruck. Weiterhin ist eine hier nicht näher beschriebene Füllstandsüberwachung vorgesehen, so dass eine automatische Kontrolle der Hydraulikölmenge vorgenommen wird.
Zur Bereitstellung der Hydraulikflüssigkeit an den Ausgängen 36A, B unter hohem Druck wird der Elektromotor 14 bedarfsweise gestartet. Das heißt, der Hydraulikdruck wird nur dann erzeugt, wenn tatsächlich Bedarf da ist, wenn also der Blindniet bereits in das Blindnietloch eingeführt ist und der Setzvorgang durch Ziehen am Nietdorn beginnt. Es ist kein Druckbehälter vorgesehen. Über den Elektromotor 14 wird die Exzenterwelle 18 in Drehbewegung versetzt, so dass abwechselnd und umlaufend die einzelnen Pumpen 16 betätigt werden, die jeweils eine vordefinierte Menge an Hydraulikflüssigkeit in die Druckleitung 24 und damit zum Funktionsblock 6 fördern.
Da während des Betriebs die Hydraulikmengen im Innenraum 5 variiert, ist zur Vermeidung der Entstehung von Gasbläschen in der Hydraulikflüssigkeit das Volumen des Innenraums 5 variierbar. Das Volumen des Innenraums 5 bildet daher ein Ausgleichsvolumen und der Innenraum 5 bildet einen Speicherraum. Zur Variation des Volumens verfährt der Kolben 42 innerhalb des Zylinders 40 entsprechend den jeweiligen aktuellen Anforderungen automatisch.
Der Betrieb des Setzwerkzeugs 38 über das Hydraulikaggregat 2 geht aus dem Hydraulikplan gemäß 4 hervor. In dieser Darstellung ist auf der rechten Bildhälfte der Ausgleichsblock 8, daran anschließend der Druckerzeugungsblock 10 sowie wiederum daran anschließend der Funktionsblock 6 dargestellt. Über zwei Ausgänge 36A, B und Versorgungsleitungen 52A, B wird das Setzwerkzeug 38 mit dem druckbehafteten Hydrauliköl beaufschlagt.
Im Druckerzeugungsblock 10 sind die Pumpen 16 angeordnet, wobei hierbei drei der Pumpen 16 zur Ausbildung eines Hochdruck-Teilstroms 54 und drei weiteren Pumpen 16 zur Ausbildung eines Niederdruck-Teilstroms 56 zusammengefasst sind. Aus dem Hydraulikplan sind mehrere Rückschlagventile 58 zu entnehmen, die den Durchfluss des Hydrauliköls jeweils nur in Pfeilrichtung erlauben. Weiterhin sind das zur 1 bereits erwähnte Druckschaltventil 32B, zwei steuerbare Wegesitzventile 33A, B sowie zwei Sicherheitsventile 60A, B angeordnet.
Zum Starten des Nietvorgangs wird der Elektromotor 14 angeschaltet, so dass sowohl im Hochdruck-Teilstrom 54 als auch im Niederdruck-Teilstrom 56 ein Hydraulikdruck bereit gestellt wird. Der Hochdruck-Teilstrom 54 ist über das Sicherheitsventile 60A sowie über das Wegesitzventile 33A geführt, die auf der rechten Bildhälfte dargestellt sind. Das Wegesitzventil 33A ist hierbei derart angesteuert, dass der Durchfluss für den Hochdruck-Teilstrom 54 geöffnet ist, solange an den Ausgängen 36A, B ein vorgebbarer Druck nicht überschritten wird. Bei geöffnetem Wegesitzventil 33A mündet der Hochdruck-Teilstrom 54 sofort in den Gehäuseinnenraum 5, so dass hochdruckseitig kein Druckaufbau erfolgen kann und der Teilstrom 54 drucklos geschalten ist. Der Niederdruck-Teilstrom 56 wird über das Rückschlagventil 58 und über die Versorgungsleitung 52A dem Setzwerkzeug 38 zugeführt. Dieses weist ein axial verschiebliches Kolbenelement 62 auf, welches durch die Beaufschlagung mit dem Niederdruck-Teilstrom 54 zu Beginn des Setzvorgangs nach rechts verfährt. In dieser ersten Phase des Setzvorgangs werden vergleichsweise lange Wege bei nur geringen Drücken zurückgelegt. In dieser Phase erfolgt ein Ausrichten des Blindniets im Blindnietloch und ein erstes Umformen.
Zu Beginn des eigentlichen Umformvorgangs des Blindniets beim Setzvorgang wird das Wegesitzventil 33A angesteuert und geschlossen, so dass sich im ms-Bereich der Hochdruck am Ausgang 36A zu der Versorgungsleitung 52A sukzessive aufbaut. Das Druckschaltventil 32B ist nunmehr derart ausgebildet, dass dieses automatisch bei einem vorgegebenen Druck, beispielsweise bei einem Druck von 80 bar schaltet, so dass der Niederdruck-Teilstrom 54 zum Innenraum 5 freigeschaltet und damit drucklos geschaltet wird. Die Druckversorgung erfolgt nunmehr über den Hochdruck-Teilstrom 54. Über das Rückschlagventil 58 im Hochdruckteilstrom 54 wird dieser am Ausgang 36 zur Versorgungsleitung 52A bereitgestellt.
Während des Setzvorgangs befindet sich das weitere Wegesitzventil 33B, welches über den zweiten Ausgang 36B mit der zweiten Versorgungsleitung 52B verbunden ist, in dem in der 4 gezeigten Zustand. Das heißt die Versorgungsleitung 52B ist über das Wegesitzventil 33B mit dem Innenraum 5 nach Art einer Rücklaufleitung verbunden. Nach Beendigung des Setzvorgangs, also nach Abreißen des Nietdorns, wird der Hochdruck-Teilstrom 54 durch Schalten des Wegesitzventils 33A wieder drucklos geschalten. Durch den hierdurch bedingten Druckabfall schaltet das Druckschaltventil 32B automatisch wieder den Niederdruck-Teilstrom 56 zu.
Für die nach dem Setzvorgang erforderliche Rückstellbewegung, wird das Wegesitzventil 33B geschalten, so dass – wie dargestellt – die von den Pumpen 16 bereitgestellten Teilsströme 54, 56, insbesondere der Niederdruck-Teilstrom 54 nunmehr sowohl an der rechten Seite des Kolbenelements 62 genauso wie an der linken Seite anliegt. Aufgrund der gewählten größeren Querschnittsfläche auf der rechten Seite des Kolbenelements 62 wird dieses nach links wieder in die Ausgangsposition zurückgeschoben.
Zu Zwecken der Absicherung ist der Hochdruck-Teilstrom 54 zudem über das Sicherheitsventile 60A mit dem Gehäuseinnenraum 5 verbunden. Dieses Sicherheitsventil 60A schaltet beispielsweise bei Überschreiten eines Drucks von 400 × 10^–5 Pa. Das links dargestellte Sicherheitsventil 60B ist zur Absicherung des im Innenraum 5 herrschenden Drucks vorgesehen. Dieses Sicherheitsventil 60B schaltet beispielsweise bei Überschreiten eines Drucks von 25 × 10⁵ Pa.
Bezugszeichenliste

2: Hydraulikaggregat
4: Gehäuse
5: Innenraum
6: Funktionsblock
8: Ausgleichsblock
10: Druckerzeugungsblock
12: Dichtelement
14: Elektromotor
14A: Stator
14B: Rotor
16: Pumpe
18: Exzenterwelle
20: Rotorachse
22: Kugellager
24: Druckleitung
26: Saugleitung
28: Hydraulikleitung
30: Bohrung
33A, B: Wegesitzventil
32B: Druckschaltventil
32C: Nachfüllventil
32D: Entlüftungsventil
34: Öffnung
36, 36A, B: Ausgang
38: Setzwerkzeug
40: Zylinder
42: Kolben
44: Druckraum
46: Pneumatikanschluss
48: Stirnwand
50: Sicherungsfeder
52A: Versorgungsleitung
52B: Versorgungsleitung
54: Hochdruck-Teilstrom
56: Niederdruck-Teilstrom
58: Rückschlagventil
60A, B: Sicherheitsventil
62: Kolbenelement
d: Dicke
l: Gesamtlänge

Claims

Hydraulikaggregat (2) zur Bereitstellung einer unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit an einem Ausgang (36, 36A, 36B) mit einem Elektromotor (14) und mit zumindest einer über den Elektromotor (14) betriebenen Pumpe (16) zur Druckerzeugung, wobei für die von der Pumpe (16) angesaugte Hydraulikflüssigkeit ein Speicherraum (5) mit einem variierbaren Ausgleichsvolumen vorgesehen ist, in dem die Hydraulikflüssigkeit gasfrei eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Pumpen (16) angeordnet sind, wobei die eine zur Bereitstellung eines Niederdruck-Teilstroms (56) und die andere zur Bereitstellung eines Hockdruck-Teilstroms (54) vorgesehen ist.
Hydraulikaggregat (2) nach Anspruch 1, bei dem die Hydraulikflüssigkeit im Speicherraum (5) einen Überdruck aufweist.
Hydraulikaggregat (2) nach Anspruch 2, bei dem der Überdruck etwa im Bereich von einigen 10⁵ Pa, insbesondere zwischen 3 und 50·10⁵ Pa liegt.
Hydraulikaggregat (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Ausgleichswand (42) des Speicherraums (5) nach Art eines Kolbens verschieblich und abgedichtet zu einer feststehenden Gehäusewand (40) des Speicherraums (5) angeordnet ist.
Hydraulikaggregat (2) nach Anspruch 4, bei der die Ausgleichswand (42) mit einer Gegenkraft beaufschlagbar ist.
Hydraulikaggregat (2) nach Anspruch 5, bei dem an der dem Speicherraum (5) abgewandten Außenseite der Ausgleichswand ein Druckraum (44) mit einem Anschluss (46) für ein Druckmedium vorgesehen ist.
Hydraulikaggregat (2) nach Anspruch 5 oder 6, bei dem zur Erzeugung der Gegenkraft ein Federelement, insbesondere eine Sicherungsfeder (50) vorgesehen ist.
Hydraulikaggregat (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein Gehäuse (4) aufweist, in dessen Innenraum (5) der Elektromotor (14) und die Pumpe (16) angeordnet sind und der Innenraum den mit der Hydraulikflüssigkeit angefüllten Speicherraum (5) bildet.
Hydraulikaggregat (2) nach Anspruch 8, bei dem das Gehäuse (4) von einem den Ausgang (36A, 36B) aufweisenden Funktionsblock (6) verschlossen ist, in dem mehrere Hydraulikkomponenten (28, 30) integriert sind.
Hydraulikaggregat (2) nach Anspruch 9, bei dem der Funktionsblock (6) zur Steuerung und zur Führung der am Ausgang (36A, 36B) bereitgestellten Hydraulikflüssigkeit ausgebildet ist.
Hydraulikaggregat (2) nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Pumpe (16) mit dem Funktionsblock (6) über eine Leitung (24) verbunden ist und alle weiteren der Pumpe (16) nachgeschalteten Hydraulikkomponenten (28, 30) im Funktionsblock (6) integriert sind.
Hydraulikaggregat (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Pumpen (16), gemeinsam vom Elektromotor (14) betätigt sind.
Hydraulikaggregat (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Ventilanordnung (33A, B, 58, 60A, B) vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass jeweils nur ein Teilstrom (54, 56) am Ausgang (36, 36A, 36B) bereitgestellt ist.
Hydraulikaggregat (2) nach Anspruch 13, bei dem die Ventilanordnung (33A, B, 58, 60A, B) derart ausgebildet ist, dass jeweils einer der Teilströme (54, 56) drucklos schaltbar ist.
Hydraulikaggregat (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Elektromotor (14) steuerbar ist, derart, dass ein vorgegebener Verlauf des Drucks der Hydraulikflüssigkeit am Ausgang (36, 36A, 36B) einstellbar ist.
Hydraulikaggregat (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Elektromotor (14) ein Servomotor ist.
Hydraulikaggregat (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mit einem Bearbeitungswerkzeug, insbesondere ein Nietsetzgerät (38), verbunden ist.
Anordnung eines Hydraulikaggregats (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche an einem Maschinenteil, das im Betrieb Beschleunigungen ausgesetzt ist.
Verfahren zur Bereitstellung einer unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit mit Hilfe eines Hydraulikaggregats (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest zwei Pumpen (16) angeordnet sind, wobei eine einen Niederdruck-Teilstrom (56) und die andere einen Hochdruck-Teilstrom (54) bereitstellt.