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Die
Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein bewegbares Bauteil, insbesondere
für ein Oberwerkzeug
einer Abkantpresse, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Antriebsvorrichtungen
für Pressen,
Stanzmaschinen und Tafelscheren sowie Schließeinheiten für Spritzgussformen
sind häufig
mit einer hydraulischen Kraftübersetzungsvorrichtung
ausgestattet, um auch mit einem vergleichsweise schwach dimensionierten
Antriebsmotor eine hohe Kraft auszuüben. Ein hohes Übersetzungsverhältnis bedingt
jedoch eine langsame Stellbewegung des angetriebenen Bauteils und
einen großen
Weg, den ein Eingangselement der Kraftübersetzungsvorrichtung – z.B. ein Hydraulikkolben – dafür zurücklegen
muss. Daher sind Kraftübersetzungsvorrichtungen
häufig
mit einem so genannten Eilgang ausgestattet, der eine schnelle Ausführung von
Stellbewegungen, bei denen nur kleine Kräfte aufzubringen sind, erlaubt.
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Die
EP 1 307 330 B1 beschreibt
z.B. eine Schließeinheit
für eine
Spritzgießmaschine.
Eine elektromotorische Antriebseinheit umfasst einen Elektromotor
und einen Gewindetrieb. Der Gewindetrieb ist unter Zwischenschaltung
einer hydraulischen Kraftübersetzung
an ein verschiebbares Formteil der Spritzgussform gekoppelt. Die
Kraftübersetzung
besteht im wesentlichen aus einem Arbeitshydrozylinder, an dessen
Hydraulikkolben das Formteil angebracht ist, und zwei – aus Sicht
der Kraftübersetzung – antriebsseitig
angeordneten Hydrozylindern, deren Kolben an den Gewindetrieb gekoppelt
sind. Ein erster Kolben mit kleiner Wirkfläche ist dabei starr mit dem
Gewindetrieb verbunden. Der zweite Kolben mit einer größeren Wirkfläche ist
in Zugrichtung des Gewindetriebs durch einen Anschlag formschlüssig von dem
ersten Kolben mitnehmbar und in Schubrich tung durch eine Federkupplung
oder eine lösbare
Magnetkupplung nur bis zu einem bestimmten Gegendruck mitnehmbar.
Der Druckraum, aus dem der erste Kolben in Schubrichtung Druckflüssigkeit
verdrängt,
ist direkt mit einem Zylinderraum des Arbeitshydrozylinders verbunden.
Der entsprechende Druckraum des zweiten Kolbens ist mit diesem Zylinderraum
des Arbeitshydrozylinders über
ein Schaltventil verbunden. Eine schnelle Stellbewegung in Schließrichtung
der Spritzgussform, d.h. ein Eilgang, wird erzielt, wenn das Schaltventil
geöffnet
ist. Dabei strömt
Druckmittel aus den in Schubrichtung des Gewindetriebs kleiner werdenden
Druckräumen
beider antriebsseitig angeordneten Hydrozylindern in den Zylinderraum
des Arbeitshydrozylinders. Wird das Schaltventil geschlossen, ist
der Druckraum des zweiten Kolbens gegen eine weitere Verkleinerung
gesperrt. Die antriebsseitig über
die Federkupplung oder die Magnetkupplung auf den zweiten Kolben
einwirkende Kraft wird durch den im gesperrten Druckraum aufgebauten
Druck abgestützt,
so dass der zweite Kolben stehen bleibt. Der erste Kolben kann nach
Lösen der
Magnetkupplung bzw. im Rahmen der Nachgiebigkeit der Federkupplung
weiter in Schubrichtung bewegt werden und mit seiner vergleichsweise
kleinen Wirkfläche Druckflüssigkeit
aus dem an ihn angrenzenden Druckraum verdrängen. Dadurch ist im Zylinderraum des
Arbeitshydrozylinders ein hoher Druck und somit eine hohe Kraftübersetzung
erzielbar.
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Bei
dieser herkömmlichen
Kraftübersetzung, bei
der ein Hydrozylinder stillgesetzt wird, indem eine antriebsseitig
auf ihn einwirkende Kraft durch einen gesperrten Druckraum abgestützt wird,
ergibt sich zwangsläufig
eine Trennung der Druckräume,
die durch verschiedene Kolben mit der antriebsseitig aufgebrachten
Kraft in Richtung einer Verdrängung
von Druckflüssigkeit
beaufschlagt sind. Dies steht den Bestrebungen nach einer weiteren
Vereinfachung der Kraftübersetzungsvorrichtung
bzw. der Antriebsvorrichtung im Wege.
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Daher
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Antriebsvorrichtung
mit einer alternativen Bauform einer Kraftübersetzungsvorrichtung anzugeben,
die insbesondere einfacher und effizienter konstruierte Antriebsvorrichtungen
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung ist
mit einer elektromotorischen Antriebsvorrichtung, die ein geradlinig
bewegbares Ausgangselement aufweist ausgestattet. Eine hydraulische
Kraftübersetzungsvorrichtung überträgt die durch
das Ausgangselement aufgebrachte Kraft an ein bewegbares Bauteil.
Die Kraftübersetzungsvorrichtung
umfasst drei Hydraulikkolben. Der erste Hydraulikkolben begrenzt mit
einer ersten Wirkfläche
einen ersten Druckraum, der zweite Hydraulikkolben begrenzt mit
einer zweiten Wirkfläche
einen zweiten Druckraum und der dritte Hydraulikkolben begrenzt
mit einer dritten Wirkfläche
einen dritten Druckraum und mit einer vierten Wirkfläche einen
vierten Druckraum. Die zweite Wirkfläche ist wesentliche kleiner
als die erste und als die dritte Wirkfläche. Der zweite Hydraulikkolben
ist starr mit dem Ausgangselement gekoppelt. Der erste und zweite
Druckraum sind dauernd fluidisch verbunden. Durch einen einseitigen
mechanischen Anschlag ist der dritte Hydraulikkolben vom zweiten
Hydraulikkolben in Richtung einer Vergrößerung des dritten Druckraums
mitnehmbar. In dieser Richtung ist also die Bewegung der beiden
Kolben formschlüssig
gekoppelt. In der anderen Richtung folgt der dritte Hydraulikkolben
dem zweiten Hydraulikkolben bis zu einem bestimmten Druck im dritten
Druckraum. Mit einem Schaltventil ist einer der an den dritten Hydraulikkolben
angrenzenden Druckräume
absperrbar.
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Die
Besonderheit der vorliegenden Erfindung ist es, dass auch der dritte
Druckraum dauernd mit dem ersten Druckraum verbunden ist und dass durch
das Schaltventil der vierte Druckraum sperrbar ist.
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Im
Gegensatz zu der herkömmlichen
Lösung wird
eine Verdrängung
von Druckflüssigkeit
aus dem dritten Druckraum in den ersten Druckraum nicht durch das
Schaltventil unterbunden. Der dritte Hydraulikkolben wird auch nicht
gegen eine antriebsseitig auf ihn einwirkende Kraft abgestützt. Erfindungsgemäß wird stattdessen
durch die Absperrung des vierten Druckraums der dritte Hydraulikkolben
gegen einen vom dritten Druckraum auf ihn einwirkenden Druck abgestützt. Somit
lässt sich
im ersten, zweiten und dritten Druckraum ein hoher Druck aufbauen, wenn
der im Vergleich zu dem dritten und ersten Hydraulikkolben kleine
zweite Hydraulikkolben im Sinne einer Volumenverkleinerung des zweiten
Druckraums bewegt wird.
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Diese
verblüffend
einfache Lösung
erlaubt es, nicht nur den zweiten und den dritten Druckraum dauerhaft
fluidisch zu verbinden, sondern auch den dritten Druckraum, aus
dem der erste Hydraulikkolben im Eilgang Druckflüssigkeit erhält, direkt
an den ersten Druckraum fluidisch anzubinden. Dies eröffnet neue
Möglichkeiten
für eine
Vereinfachung der Antriebsvorrichtung.
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Die
Ansteuerung des Schaltventils kann übrigens auf die gleiche Weise
wie bei der herkömmlichen
Kraftübersetzung
erfolgen – im
Eilgang geöffnet,
zur Übertragung
hoher Kräfte
geschlossen – so dass
eine eventuell schon verfügbare
Steuervorrichtung verwendet werden kann.
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Unter
den Begriffen „erster
Druckraum", „zweiter
Druckraum" und „dritter
Druckraum" sollen nicht
nur einzelne, deutlich voneinander abgegrenzte Druckkammern verstanden
werden. Die Zählung
soll lediglich das Verständnis
des Patentanspruchs erleichtern. Insbesondere Ausführungen,
wie sie in den 1 und 2 gezeigt
sind, bei denen zwei oder drei dieser Druckräume zu einer einzigen Druckkammer
zusammengefasst sind, sollen vom Wortlaut diese Anspruchs umfasst
sein.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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So
lassen sich gemäß Anspruch
2 wenigstens zwei der drei dauernd fluidisch verbundenen Druckräume, dies
sind der erste, der zweite und der dritte Druckraum, zu einem einzigen
Druckraum zusammenfassen. Dadurch kann insbesondere auch der dritte
Druckraum in ein gemeinsames Gehäuse mit
dem ersten oder zweiten Druckraum integriert werden. Aufwendige
Verbindungsleitungen werden eingespart. Die Zahl der Dichtstellen
kann gering gehalten werden und die Leckagewahrscheinlichkeit verringert
sich.
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Eine
besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der zweite und
der dritte Hydraulikkolben in einem gemeinsamen Zylindergehäuse angeordnet
sind. Dadurch lässt
sich eine kompakte Bauform der beiden mit der elektromotorischen
Antriebseinheit direkt bzw. über
den mechanischen Anschlag gekoppelten Hydraulikkolben erreichen.
Die oft zweckmäßige Aufteilung
in eine antriebsseitige Zylinder-Kolben-Einheit mit dem zweiten
und dritten Hydraulikkolben und eine werkzeugseitige Zylinder-Kolben-Einheit
mit dem ersten Hydraulikkolben wird vereinfacht.
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Zusätzliche
Vorteile werden erzielt, wenn der zweite Hydraulikkolben als Plungerkolben
ausgebildet ist und der dritte Hydraulikkolben ringförmig geformt,
auf den zweiten Hydraulikkolben aufgeschoben und auf diesem axial
beweglich geführt
ist. Dies ergibt eine besonders einfache und kostengünstige Bauweise
einer den zweiten und den dritten Hydraulikkolben beinhaltende Zylinder-Kolben-Einheit, die insbesondere
nur eine geringe Zahl an Dichtstellen aufweist.
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Vorzugsweise
ist der mechanische Anschlag durch eine Schulter an einem in das
Zylindergehäuse ragenden
Ende des zweiten Hydraulikkolbens gebildet. Ein solcher Anschlag
ist einfach und kostengünstig
herstellbar. Die Zahl der Dichtstellen wird weiter verringert, da
der dritte Hydraulikkolben keinerlei Durchführung an die Außenseite
des Zylindergehäuses
benötigt.
Somit vereinfacht sich der Aufbau der Antriebsvorrichtung weiter.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausbildung sieht vor, dass ein Hydrospeicher
vorhanden ist und dass das Schaltventil eine Verbindung zwischen
dem vierten Druckraum und dem Hydrospeicher steuert. Der Hydrospeicher
kann die Funktion einer hydro-mechanischen Spannvorrichtung übernehmen,
die bewirkt, dass der dritte Hydraulikkolben dem zweiten Hydraulikkolben
unter Anlage am Anschlag folgt. Der Hydrospeicher kann zusätzlich die
Druckflüssigkeitsbilanz in
der hydraulischen Kraftübersetzungsvorrichtung ausgleichen,
so dass diese als geschlossenes System ausführbar ist.
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Vorzugsweise
begrenzt der erste Hydraulikkolben mit einer zur ersten Wirkfläche entgegengesetzt
ausgerichteten fünften
Wirkfläche
einen fünften Druckraum,
so dass auch eine Rückzugsbewegung des
Bauteils ausführbar
ist.
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Eine
sehr kostengünstige
Kraftübersetzungsvorrichtung
mit einer Eilgangbetriebsart, einem geschlossenen Hydrauliksystem
und einer Rückzugsbewegungsfunktion
erhält
man, wenn eine fluidische Verbindung zwischen dem fünften Druckraum und
dem vierten Druckraum durch das Schaltventil gesteuert ist.
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Vorzugsweise
ist der fünfte
Druckraum mit einem zweiten Speicher verbunden. Dadurch kann eine
Verbindungsleitung zwischen dem fünften und dem vierten Druckraum
eingespart werden.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Weiterbildung ist das Schaltventil als Sitzventil
ausgeführt
ist. Dadurch ist die hydraulische Kraftübersetzungsvorrichtung im Wesentlichen
leckagefrei.
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Nachfolgend
werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile unter Bezugnahme
auf das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel und seine Abwandlungen
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Schaltbild einer Antriebsvorrichtung mit einer hydraulischen Kraftübersetzungsvorrichtung,
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2 ein
Schaltbild der in 1 dargestellten hydraulischen
Kraftübersetzungsvorrichtung
in leicht abgewandelter Form, bei der unter anderem drei Druckräume ein
einem einzigen Zylindergehäuse
zusammengefasst sind,
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3 ein
Schaltbild, das eine weitere Abwandlung einer Kraftübersetzungsvorrichtung
mit vollständig
separat ausgeführten
Druckräumen
darstellt, und
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4 ein
Schaltbild, das eine Abwandlung einer Kraftübersetzungsvorrichtung darstellt,
bei der unter anderem eine Rückleitung
durch einen Hydrospeicher ersetzt ist.
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Zur
Veranschaulichung eines konkreten Beispiels bezieht sich die folgende
Beschreibung auf eine Antriebsvorrichtung für ein Oberwerkzeug einer Abkantpresse.
Die beschriebene Antriebsvorrichtung ist jedoch uneingeschränkt für viele
andere Einsatzbereiche geeignet, seien es Stanzmaschinen, Tafelscheren
oder Schließeinrichtungen
für Spritzgussmaschinen,
etc.
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Nach 1 ist
eine Antriebseinheit 1 einer Abkantpresse mit einem Elektromotor 10,
einem Gewindetrieb 12, z.B. ein Kugel- oder ein Rollengewindetrieb,
und einer hydraulischen Kraftübersetzungsvorrichtung 20 ausgestattet.
Ein Werkzeughalter 16 mit dem darauf angebrachten Oberwerkzeug
ist vereinfacht ein Form eines Masseblocks dargestellt.
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Die
hydraulische Kraftübersetzungsvorrichtung 20 wird
durch drei verschiedene Hydraulikkolben 24, 28 und 36 gebildet.
In ein Zylindergehäuse 22 ragt
der als Plungerkolben ausgebildete Hydraulikkolben 24 hinein.
Der Hydraulikkolben 24 ist mechanisch starr mit einer Gewindestange 14 des
Gewindetriebs 12 verbunden. An dem in das Zylindergehäuse 22 hineinragenden
Ende des Hydraulikkolbens 24 ist eine Schulter 26 gebildet.
Auf dem Hydraulikkolben 24 ist der als Ringkolben ausgebildete Hydraulikkolben 28 beweglich
geführt.
Dieser unterteilt das Zylindergehäuse 22 in einen Zylinderraum 30 und
einen Ringraum 31.
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In
einem weiteren Zylindergehäuse 34 ist
der Hydraulikkolben 36 angeordnet. Der Hydraulikkolben 36 unterteilt
das Zylindergehäuse 34 in
einen Zylinderraum 38 und einen Ringraum 39. Er
bildet somit zusammen mit dem Zylindergehäuse 34 einen doppeltwirkenden
Differentialhydrozylinder. An der Kolbenstange 37 des Hydraulikkolbens 36 ist
der Werkzeughalter 16 angebracht.
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Es
sei noch erwähnt,
dass eine Abkantpresse oft mit mehreren Presszylindern ausgestattet
ist. Die Antriebsvorrichtung 1 wird in diesem Fall um weitere
Differentialzylinder ergänzt,
die zu dem aus dem Kolben 36 und dem Gehäuse 34 gebildeten
Differentialzylinder parallel geschalten sind.
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Eine
Fluidleitung 40 verbindet den Zylinderraum 30 dauernd
mit dem Zylinderraum 38. Eine weitere Fluidleitung 41, 42 führt von
dem durch den Ringkolben 28 begrenzten Ringraum 31 über ein Schaltventil 44 zu
dem vom Hydraulikkolben 36 begrenzten Ringraum 39.
An dem Leitungsabschnitt 41 ist zudem ein Hydrospeicher 46 angeschlossen.
Das Schaltventil 44 ist als Sitzventil ausgeführt. Es
steuert eine fluidische Verbindung zwischen dem Ringraum 31 und
dem Speicher 46 bzw. dem Ringraum 39.
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Die
Wirkfläche,
mit der der Kolben 36 den Zylinderraum 38 begrenzt,
entspricht bei dieser Ausführung
der Fläche,
mit der der Ringkolben 28 an den Zylinderraum 30 angrenzt,
zuzüglich
der Stangenquerschnittsfläche
des Plungerkolbens 24. Die Fläche, mit der der Kolben 36 den
Ringraum 39 begrenzt ist etwas kleiner als die den Ringraum 31 begrenzende
Fläche
des Kolbens 28. Dies ergibt sich daraus, dass die Kolbenstange 37 zur
Aufnahme von im Pressenbetrieb üblichen
hohen Druckbelastungen ausgelegt ist, während der Kolben 24 und
die Gewindestange 14 schwächer dimensioniert sind. Die
Stangenquerschnittsfläche
des Plungerkolbens 24 beträgt 1/5 der Kreisfläche des
Kolbens 36, so dass eine Kraftübersetzung um etwa den Faktor
5 erzielt werden kann.
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Nachfolgend
wird die Arbeitsweise der in 1 dargestellten
Antriebsvorrichtung erläutert.
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Um
den Antrieb in einer oberen Halteposition des Werkzeughalters 16 in
einen Ruhezustand zu versetzen, wird das Schaltventil 44 in
eine geschlossene Ventilstellung gebracht, wie in 1 gezeigt. Der
Hydrospeicher 46 ist auf einen bestimmten Druck vorgespannt,
z.B. 20 bar. Dieser Druck erzeugt an der Ringfläche des Kolbens 36 eine
Kraft in Aufwärtsrichtung,
die etwa der doppelten Gewichtskraft des Werkzeughalters 16 mit
dem Oberwerkzeug entspricht. Der Kraftüberschuss wird durch einen
Druck, der sich in den Druckräumen 38 und 30 einstellt,
ausgeglichen. Dieser Druck ist geringer als der Vorspanndruck des
Hydrospeichers 46. Der Druck in den Druckräumen 38, 30 stützt sich
an der dem Druckraum 30 zugewandten Ringfläche des
Ringkolbens 28 ab. Im Ringraum 31 herrscht ein
Druck der mindestens dem Druck in den Räumen 30 und 38 entspricht.
Dieser Druck stützt
sich am geschlossenen Schaltventil 44 ab. Der Ringkolben 28 soll
sich dabei in Anlage an dem durch die Schulter 26 gebildeten Anschlag
befinden, oder höchstens
im Rahmen der Kompressibilität
der Druckflüssigkeit
im Ringraum 31 in Richtung einer Verkleinerung desselben
verschoben sein. Eine durch den Druck im Zylinderraum 30 auf
den Hydraulikkolben 24 ausgeübte Kraft lässt sich ohne Weiteres durch
den Antriebsmotor 10 halten oder ggf. an einem Endanschlag
(nicht dargestellt) der Gewindestange 14 abstützen.
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Um
den Ruhezustand zu beenden, wird das Schaltventil 44 in
die geöffnete
Ventilsstellung geschalten. Nun steht der Vorspanndruck des Hydrospeichers 46 auch
im Druckraum 31 an. Der Druck in den Räumen 38 und 30 ist
niedriger als der Vorspanndruck des Hydrospeichers 46,
denn er ist nach wie vor durch den Kraftüberschuss am Kolben 36 in Aufwärtsrichtung
bestimmt. Am Ringkolben 28 besteht ein Kraftüberschuss
in Richtung der Schulter 26, an der er nun anliegt. An
der Gewindestange 14 wirkt also eine Zugkraft. Die zum
Halten der Gewindestange erforderliche Kraft setzt sich aus der
Gewichtskraft des Werkzeughalters 16, des Werkzeuges und
des Kolbens 36 zusammen und aus einer Zusatzkraft. Diese
Zusatzkraft beruht auf der Differenz der Kräfte, die der Vorspanndruck
des Speichers 46 einerseits an der Ringfläche des
Kolbens 36 und andererseits an der Ringfläche des
Kolbens 28 bewirkt. Je größer die Ringfläche des
Kolbens 28 gegenüber
der Ringfläche
des Kolbens 36 ist, desto größer ist die an der Gewindestange
aufzubringende Zusatzkraft.
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Steuert
man den Elektromotor 10 nun so an, dass der an der Gewindestange 14 befestigte
Kolben 24 in den Zylinder 22 eingeschoben wird,
folgt der Ringkolben 28 diesem aufgrund der an ihm angreifenden
Drücke.
Die aus dem Raum 30 verdrängte Druckflüssigkeit
fließt
in den Zylinderraum 38 und der Zylinder 36 senkt
sich ab. Die aus dem Ringraum 39 verdrängte Druckflüssigkeit
wird über
die Leitung 41 und 42 und über das geöffnete Schaltventil 44 dem Ringraum 31 zugeführt. Zusätzlich fließt aus dem Speicher 46 eine
Ausgleichsmenge an Druckflüssigkeit
in den Ringraum 31.
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Die
dem Zylinderraum 38 zugewandte Fläche des Kolbens 36 entspricht
der Summe der auf den Zylinderraum 30 einwirkenden Flächen der
Kolben 28 und 24. Daher ist der vom Kolben 36 zurückgelegte
Weg genauso groß wie
der von der Gewindestange 14 gefahrene Weg. Die Wegübersetzung
beträgt
1/1, wenn die geringe Kompressibilität der Druckflüssigkeit
einmal außer
Acht gelassen wird. Eine solche, lange Übersetzung wird auch als Eilgang
bezeichnet und erlaubt ein schnelles Absenken des Hydraulikkolbens 36.
Da entsprechend der Wegübersetzung
die Kraftübersetzung
1/1 beträgt,
und da der Ringkolben 28 dem Plungerkolben 24 ohnehin nur
solange folgt, wie der Druck in den Zylinderräumen 38 und 30 den
Speicherdruck nicht übersteigt, eignet
sich diese Betriebsart insbesondere für schnelle Stellbewegungen,
bei denen keine großen Kräfte aufzubringen
sind.
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Um
eine kürzere
Wegübersetzung
zu erhalten, die ein Ausüben
hoher Presskräfte
durch den Hydraulikkolben 36 erlaubt, wird das Schaltventil 44 in
die geschlossene Stellung gebracht. Der Ringraum 31 ist
dadurch abgesperrt. Ein in ihm anstehender Druck stützt sich
am geschlossenen Schaltventil 46 ab. Bei fortgesetzter
Einschubbewegung des Kolbens 24 folgt der Ringkolben 28 diesem
zunächst noch,
bis der Druck im Zylinderraum 30 den Druck im Ringraum 31 übersteigt.
Dann bleibt der Ringkolben 28 stehen und es bewegt sich
nur noch der Kolben 24 im Sinne einer Verkleinerung des
Volumens der Zylinderraums 30. Die daraus verdrängte Druckflüssigkeit
wird in den Raum 38 geschoben und bewirkt eine weitere
Abwärtsbewegung
des Kolbens 36. Die aus dem Ringraum 39 verdrängte Druckflüssigkeit
wird vom Speicher 46 aufgenommen. Die Weg- bzw. Kraftübersetzung
bemisst sich nach dem Verhältnis der
an den Druckraum 38 angrenzenden Kreisfläche des
Kolbens 36 und der Stangenquerschnittsfläche des
Kolbens 24. In diesem Beispiel liegt ein Flächenverhältnis von
5/1 vor. Daraus ergibt sich eine Wegübersetzung von 1/5, d.h. der
Kolben 24 legt einen fünfmal
längeren
Weg zurück
als der Kolben 36, und eine Kraftübersetzung von 5/1. Dies bedeutet,
dass am Kolben 36 eine fünfmal größere Presskraft aufgebracht
werden kann, als eine an der Gewindestange 14 durch den
elektromotorischen Antrieb aufgewendete Kraft.
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Um
den Kolben 36 nach erfolgter Abwärtsbewegung wieder anzuheben,
d.h. um eine Rückzugsbewegung
auszuführen,
muss zunächst
bei geschlossenen Ventil 44 der Plungerkolben 24 aus
dem Zylinder 22 herausgefahren werden, bis dessen Schulter 26 wieder
am Ringkolben 28 anliegt. Geht man davon aus, das keine
Leckage vorliegt, so ist der Weg, den der Kolben 24 bei
geschlossenen Ventil 44 eingefahren wurde, der gleiche
Weg, den der Kolben 24 bei geschlossenen Ventil 44 wieder
herausgefahren werden muss. Sobald infolge der Ausfahrbewegung des
Kolbens 24 ein in den Druckräumen 38, 30 und 31 durch
die zuvor erfolgte Einfahrbewegung aufgebauter Druck wieder auf
einen Druck gefallen ist, der am Kolben 36 den Speichervorspanndruck und
die Gewichtskraft des Werkzeugshalters 16, des Oberwerkzeugs
und Kolbens 36 ausgleicht, so bewegt sich bei fortgesetzter
Ausfahrbewegung des Kolbens 24 der Kolben 36 unter
dem Einfluss des im Ringraum 39 anstehenden Vorspanndrucks
des Speichers 46 nach oben. Die zuvor aufgenommene Flüssigkeitsmenge
wird nun wieder aus dem Speicher 46 in den Ringraum 39 abgegeben.
Die Wegübersetzung
beträgt
1/5. Es wird allerdings in Aufwärtsrichtung
keine große
Kraft am Kolben 36 aufgebaut, da diese auf das Druckäquivalent
des Speichervorspanndrucks begrenzt ist.
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Würde man
das Ventil 44 öffnen,
während
in den Druckräumen 38, 30 und 31 noch
ein höherer Druck
als der Speichervorspanndruck herrscht, würde der Kolben 28 zurückweichen,
bis der Druck auf den Speichervorspanndruck abgesunken ist. Ist
der Kolben 36 dagegen in Ausfahrrichtung der Kolbenstange 37 belastet,
würde der
Ringkolben 28 an den Anschlag 26 gleiten und der
Kolben 36 und der Werkzeughalter 16 entsprechend
absacken.
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Sobald
der Plungerkolben 24 soweit aus dem Zylinder 22 herausgefahren
ist, dass seine Schulter 26 am Ringkolben 28 anliegt,
kann das Ventil 44 geöffnet
werden. Bei der weiteren Ausfahrbewegung nimmt der Kolben 24 den
Ringkolben 28 formschlüssig
durch die Anlage an der Schulter 26 mit. Die aus dem Ringraum 31 verdrängte Druckflüssigkeit
wird dem Ringraum 39 und dem Speicher 46 zugeführt. Unter
der Einwirkung des Vorspanndrucks des Speichers 46 bewegt
sich der Kolben 36 nach oben. Das im Zylinderraum 30 entstehende
Volumen wird durch Druckflüssigkeit
aus dem Raum 38 gefüllt. Die
Wegübersetzung
beträgt
1/1. Die durch den Kolben 36 aufbringbaren Kraft ist wiederum
durch den Speichervorspanndruck bzw. dessen zulässigen Betriebsdruck begrenzt.
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Somit
besteht der beschriebene Arbeitszyklus des Kolbens 36 aus
einer lang übersetzten
ersten Abwärtsbewegung,
die als schnelle Stellbewegung ausführbar ist, einer kurz übersetzten
zweiten Abwärtsbewegung,
bei der eine große
Presskraft zur Verfügung
steht, einer kurz übersetzten
ersten Rückzugsbewegung
und einer lang übersetzten
und somit schneller ausführbaren
zweiten Rückzugsbewegung. Dementsprechend
führt der
Elektromotor 10 über den
Gewindetrieb 12 hintereinander zwei Einfahrbewegungen des
Kolbens 24 und anschließend zwei Ausfahrbewegungen
des Kolbens 24 aus. Ein Stoppen des Elektromotors zwischen
den zwei Einfahr- oder den Ausfahrbewegungsvorgängen ist nicht erforderlich.
Die Bewegungsvorgänge
sind vielmehr durch das Umschalten des Ventils 44 unterscheidbar.
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Die 2 zeigt
eine hydraulische Kraftübersetzungsvorrichtung 50,
die gegenüber
der in 1 dargestellten Kraftübersetzungsvorrichtung 20 leicht abgewandelt
ist. Die Bezugszeichen für
Bestandteile der Kraftübersetzungsvorrichtung 50,
die denen der Kraftübersetzungsvorrichtung 20 entsprechen,
wurden beibehalten. Der Unterschied zwischen der Kraftübersetzungsvorrichtung 50 und
der Kraftübersetzungsvorrichtung 20 besteht
darin, dass bei der Kraftübersetzungsvorrichtung 50 die
Druckräume 30 und 38 zu
einem gemeinsamen Druckraum 54 zusammengefasst sind. Dementsprechend
lassen sich die Hydraulikkolben 24, 28 und 36 alle
in einem einzigen Zylindergehäuse 52 anordnen.
Die Verbindungsleitung 40 entfällt. Auf diese Weise lässt sich ein
kompakterer, einfacherer Aufbau der Kraftübersetzungsvorrichtung erzielen.
Der Aufwand für
Verrohrung und Abdichtung ist gegenüber der Kraftübersetzungsvorrichtung 20 reduziert.
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Abgesehen
von dem genannten Unterschied entspricht der übrige Aufbau und die Funktionsweise der
Kraftübersetzungsvorrichtung 50 der
Kraftübersetzungsvorrichtung 20.
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In
der 3 ist eine weitere Kraftübersetzungsvorrichtung 60,
die ebenfalls eine Abwandlung der Kraftübersetzungsvorrichtung 20 ist,
dargestellt. Es sind drei Hydraulikkolben 64, 72 und 36 vorhanden.
Der Hydraulikkolben 36 mit dem Zylindergehäuse 34 und
der Kolbenstange 37 entsprechen den jeweiligen Bestandteilen
der Kraftübersetzungsvorrichtung 20.
Der Hydraulikkolben 64 bildet zusammen mit dem Zylindergehäuse 62 und
der Kolbenstange 67 einen doppeltwirkenden Differentialhydrozylinder. Der
Innenraum des Zylindergehäuses 62 ist
durch den Kolben 64 in einen Ringraum 66 und einen
Zylinderraum 65 unterteilt. Die Kolbenstange 67 ist
starr mit der Gewindestange des elektromotorischen Antriebs gekoppelt.
Der Hydraulikkolben 72 bildet ebenfalls mit seinem Zylindergehäuse 70 und
der Kolbenstange 75 einen Differentialhydrozy linder. Im
Innenraum des Zylindergehäuses 70 sind
ein Zylinderraum 73 und ein Ringraum 74 gebildet.
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Die
Zylinderräume 65 und 73 sind über Fluidleitungen 80 und 81 ständig mit
dem Zylinderraum 38 verbunden. Vom Ringraum 39 führt eine
Fluidleitung 82 zum Ringraum 66. Eine weitere
Fluidleitung 83 führt
unter Zwischenschaltung des Schaltventils 44 zum Ringraum 74.
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Zwischen
der Kolbenstange 67 und der Kolbenstange 75 ist
ein Kopplungselement vorgesehen, dass in Ausfahrrichtung der Kolbenstange 67 eine formschlüssige Mitnahme
der Kolbenstange 75 erlaubt. Das Kopplungselement ist hier
durch einen Kopplungsbalken 77 gebildet, der an der Kolbenstange 67 befestigt
ist. Die Kolbenstange 75 ist durch eine Aufnahmebohrung
im Kopplungsbalken 77 geführt. Ein an der Kolbenstange 75 ausgebildeter
Anschlag 78 erzwingt eine Mitnahme der Kolbenstange 75 in
Ausfahrrichtung. Davon abgesehen ist der Kopplungsbalken 77 auf
der Kolbenstange 75 verschiebbar geführt.
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Die
Kolben 64 und 72 sind so dimensioniert, dass das
Verhältnis
der Kreisfläche,
die den jeweiligen Zylinderraum 65 bzw. 73 begrenzt,
zu der Ringfläche,
die den jeweiligen Ringraum 66 bzw. 74 begrenzt,
dem Flächenverhältnis der
dem Zylinderraum 38 zugewandten Kreisfläche und der dem Ringraum 39 zugewandten
Ringfläche
am Kolben 36 entspricht. Dies trifft außerdem für die Summe der die Zylinderräume 65 und 73 begrenzenden
Kreisflächen der
Kolben 64 und 72 im Verhältnis zu der Summe der die
Ringräume 66 und 74 begrenzenden
Ringflächen
zu.
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Die
Summe der die Zylinderräume 65 und 73 begrenzenden
Kreisflächen
der Kolben 64 und 72 entspricht der Kreisfläche des
Kolbens 36, die den Zylinderraum 38 begrenzt.
Die dem Zylinderraum 65 zugewandte Kreisfläche des
Kolbens 64 beträgt
1/5 der Fläche,
mit der der Kolben 36 den Raum 38 begrenzt. Aufgrund
dieser Flächenverhältnisse
ergibt sich eine Wegübersetzung
von 1/1 wenn die Bewegung der Kolben 64 und 72 gekoppelt
ist. Wird nur der Kolben 64 verschoben, während der
Kolben 72 fest steht, so wird eine Wegübersetzung von 1/5 und somit
eine Kraftübersetzung
von 5/1 erzielt.
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Ist
das Schaltventil 44 geöffnet,
folgt der Kolben 72 dem Kolben 64 bei einer Bewegung
in Richtung einer Verkleinerung der Zylinderräume 65 und 73 aufgrund
einer am Kolben 36 angreifenden in Richtung des Ringraums 39 gerichteten
Gewichtskraft des Werkzeughalters 16, des Werkzeugs, etc. Der
durch die Gewichtskraft erzeugte Druck im Ringraum 39 setzt
sich in den Ringraum 66 und über das offene Schaltventil 44 auch
in den Ringraum 74 fort und sorgt somit dafür, dass
der Kolben 72 dem Kolben 64 unter Anlage am Anschlag 78 folgt.
Dies ermöglicht
ein Absenken des Kolbens 36 mit einer langen Wegübersetzung
von 1/1. Bei einer Ausfahrbewegung der Kolbenstange 67 nimmt
der Kolben 64 den Kolben 72 über den Anschlag 78 mit.
Die aus den Ringräumen 66 und 74 verdrängte Druckflüssigkeit
wird dem Ringraum 39 zugeführt. Dies führt zu einer Aufwärtsbewegung
des Kolbens 36.
-
Bei
geschlossenen Schaltventil 44 ist der Ringraum 74 abgesperrt.
Ein vom Zylinderraum 73 her auf ihn einwirkender Druck
wird über
den gesperrten Zylinderraum 74 abgestützt. Bei einer Einfahrbewegung
der Kolbenstange 67 und des Kolbens 64 bleibt
der Kolben 72 stehen. Der Kopplungsbalken 77 hebt
vom Anschlag 78 ab. Aus dem Zylinderraum 65 verdrängte Druckflüssigkeit
wird in den Zylinderraum 38 geleitet. Dementsprechend wird
Druckflüssigkeit
aus dem Ringraum 39 in den Ringraum 66 verdrängt. Der
Kolben 36 senkt sich ab. Durch das Verhältnis der wirksamen Flächen des
Kolbens 64 und des Kolbens 36 wird die Kraftübersetzung
wie oben angegeben bestimmt. Um den Kolben 36 wieder anzuheben
wird zunächst
der Kolben 64 soweit in Richtung des Ringraums 66 gefahren,
bis der Kopplungsbalken am Anschlag 78 anliegt. Dann kann
das Ventil 44 geöffnet
werden und unter Verdrängung
von Druckflüssigkeit
aus beiden Räumen 66 und 74 ein weiteres
Anheben des Kolbens 36 erfolgen.
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Die
beschriebene Wirkungsweise der Kraftübersetzungsvorrichtung 60 unterscheidet
sich nur unwesentlich von der Wirkungsweise der Kraftübersetzungsvorrichtung 20.
Dadurch, dass der Kolben 64 in einem Differentialhydrozylinder
angeordnet ist, lässt sich
auch eine Aufwärtsbewegung
des Kolbens 36 unter Ausübung hoher Kräfte durchführen. Die
erzielte Kraftübersetzung
entspricht bei geschlossenen Ventil 44 dem Flächenverhältnis der
Kolben 36 und 64.
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Aufgrund
der Wahl des gleichen Verhältnisses
der Kreisflächen
und der Ringflächen
an den Kolben 36, 64 und 72 kann ein
Speicher entfallen. Ist es jedoch zweckmäßig, das Verhältnis der
Kreis- und Ringflächen
der Kolben 64 oder 72 unterschiedlich zum Flächenverhältnis der
Kreis- und Ringfläche
des Kolbens 36 zu wählen,
so kann ein über
die Fluidleitung 83 mit dem Ringraum 39 verbundener
Speicher die Differenzmengen ausgleichen. Wie in Verbindung mit
der Kraftübersetzungsvorrichtung 20 schon
beschrieben, kann ein solcher Speicher zusätzlich eine Vorspannkraft des
Kolbens 72 in Richtung einer Verkleinerung des Zylinderraums 73 bewirken,
so dass der Kolben 72 dem Kolben 64 auch bei Abwesenheit einer
auf die Kolbenstange 37 einwirkenden Zugkraft zuverlässig folgt.
Zusätzlich
wird wie auch bei der Kraftübersetzungsvorrichtung 20 durch
einen solchen Speicher der Kolbens 36 in Aufwärtsrichtung mit
einer Vorspannkraft beaufschlagt. Somit ist der Werkzeugshalter 16 bei
geschlossenen Ventil 44 gegen ein Absacken gestützt, ohne
dass die Kolbenstange 67 mit einer Zugkraft beaufschlagt
werden muss. Eine Schubkraft an der Kolbenstange 67 könnte ggf.
durch einen Endanschlag abgestützt
werden.
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Eine
Abwandlung der in 3 dargestellten Kraftübersetzungsvorrichtung 60 ist
in 4 gezeigt. Die Bestandteile der Kraftübersetzungsvorrichtung 90,
die den Bestandteilen der Kraftübersetzungsvorrichtung 60 entsprechen,
sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht mehr gesondert erläutert. Die
nachfolgende Beschreibung verdeutlicht die Unterschiede zwischen
der Kraftübersetzungsvorrichtung 90 und
der Kraftübersetzungsvorrichtung 60.
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Der
Kolben 64 mit dem Gehäuse 62 und
der Kolbenstange 67 ist durch den Plungerkolben 93 ersetzt,
der im Gehäuse 92 geführt ist.
An dem Plungerkolben 93 ist eine Kolbenstange 94 befestigt.
An dieser Kolbenstange 94 ist der Kopplungsbalken 77 befestigt.
Der vom Hydraulikkolben 93 begrenzte Raum 91 ist über die
Fluidleitung 80 mit dem Zylinderraum 38 verbunden.
Der Zylinderraum 73 ist ständig mit dem Zylinderraum 91 und
somit auch dem Zylinderraum 38 verbunden. Der vom Hydraulikkolben 36 begrenzte
Ringraum 39 ist mit einem Hydrospeicher 96 verbunden.
Der vom Hydraulikkolben 72 begrenzte Ringraum 74 ist über das
Schaltventil mit einem weiteren Hydrospeicher 98 verbindbar.
Eine Rückleitung
zwischen dem Ringraum 39 und dem Ringraum 74 entfällt.
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Die
Funktionsweise der Kraftübersetzungsvorrichtung 90 entspricht
im Wesentlichen der in 1 dargestellten Kraftübersetzungsvorrichtung 20.
Aus den Zylinderräumen 91 und 73 ist
Druckflüssigkeit
in den Zylinderraum 38 verdrängbar. Wenn das Schaltventil 44 geöffnet ist,
folgt der Zylinder 72 dem Zylinder 93 ihn Richtung
einer Verkleinerung der Druckräume 91 und 73 unter
Einwirkung des Vorspanndrucks, der im Speicher 98 herrscht.
In der anderen Richtung wird der Kolben 72 durch den Anschlag 78 mitgenommen.
Der Speicher 98 gibt dabei je nach Bewegungsrichtung die
benötigte
Menge an Druckflüssigkeit
ab oder nimmt sie auf.
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Wird
das Ventil 44 geschlossen, so ist der Ringraum 74 abgesperrt
und der Zylinder 92 gegen eine Verkleinerung des Ringraums 74 blockiert.
Der Kolben 93 lässt
sich nun in Richtung einer Verkleinerung des Raums 91 verschieben
ohne den Kolben 72 mitzunehmen. Durch die an den Druckraum 91 angrenzende
kleine Fläche
des Kolbens 93 lässt
sich mit einem geringen Kraftaufwand an der Kolbenstange 94 ein
hoher Druck in den Druckräumen 91 und 38 erzeugen.
So ist eine Abwärtsbewegung
des Kolbens 36 unter Erzeugung einer hohen Presskraft an der
Kolbenstange 37 durchführbar.
Um den Kolben 36 wieder anzuheben, wird bei geschossenen
Ventil 44 der Kolben 93 zunächst aus dem Gehäuse 92 zurückgefahren,
bis der Kopplungsbalken 77 am Anschlag 78 anliegt.
Dann wird das Ventil 44 geöffnet und eine weitere Rückzugsbewegung
unter Beteiligung beider Kolben 93 und 72 durchgeführt.
-
Aus
dem Ringraum 39 bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 36 verdrängte Druckflüssigkeit wird
vom Hydrospeicher 96 aufgenommen. Bei einer Ausfahrbewegung
der Kolben 93 und 72 erniedrigt sich der Druck
im Druckraum 38. Durch den Vorspanndruck im Hydrospeicher 96 wird
der Kolben 36 daraufhin angehoben. Die zuvor verdrängte Druckflüssigkeit
wird aus dem Hydrospeicher 96 in den Ringraum 39 zurückgespeist.
-
Der
Vorspanndruck des Hydrospeichers 96 muss im Vergleich zum
Vorspanndruck des Hydrospeichers 98 und unter Berücksichtigung
der Ringflächen
der Kolben 36 und 72 so gewählt werden, dass bei offenem
Schaltventil 44 gewährleistet
ist, dass der Kolben 72 einer Einfahrbewegung der Kolbenstange 94 folgt.
Sind z.B. die Ringflächen
der Kolben 36 und 72 gleich, muss der Vorspanndruck
des Speichers 96 unter dem Vorspanndruck des Speichers 98 liegen.
-
Bei
dem beschriebenen Ausführungsbeispiel und
seinen Abwandlungen wurde das Kraftübersetzungsverhältnis für die Abwärtsbewegung
des Kolbens 36 bei geschlossenen Schalter 44 mit
5/1 angegeben. Der Fachmann kann jedoch auch ohne weiteres ein anderes Übersetzungsverhältnis wählen, das ihm
zweckmäßig erscheint.
Dazu brauchen nur die Fläche
des Kolbens 36, die an den Zylinderraum 38 angrenzt,
und die gegenüber
diesem Druckraum wirksame Fläche
des Kolbens 24, 64 oder 93, der direkt
an die Gewindestange gekoppelt ist, entsprechend dem gewünschten
Verhältnis
dimensioniert werden.
-
- 1
- Antriebsvorrichtung
- 10
- Elektromotor
- 12
- Gewindetrieb
- 14
- Gewindestange
- 16
- Werkzeughalter
- 20
- Hydraulische
Kraftübersetzungsvorrichtung
- 22
- Zylindergehäuse
- 24
- Hydraulikkolben
- 26
- Schulter
- 28
- Hydraulikkolben
- 30
- Zylinderraum
- 31
- Ringraum
- 34
- Zylindergehäuse
- 36
- Hydraulikkolben
- 37
- Kolbenstange
- 38
- Zylinderraum
- 39
- Ringraum
- 40
- Fluidleitung
- 41
- Fluidleitung
- 42
- Fluidleitung
- 44
- Schaltventil
- 46
- Hydrospeicher
- 50
- Hydraulische
Kraftübersetzungsvorrichtung
- 52
- Zylindergehäuse
- 54
- Zylinderraum
- 60
- Hydraulische
Kraftübersetzungsvorrichtung
- 62
- Zylindergehäuse
- 64
- Hydraulikkolben
- 65
- Zylinderraum
- 66
- Ringraum
- 67
- Kolbenstange
- 70
- Zylindergehäuse
- 72
- Hydraulikkolben
- 73
- Zylinderraum
- 74
- Ringraum
- 75
- Kolbenstange
- 77
- Kopplungsbalken
- 78
- Anschlag
- 80
- Fluidleitung
- 81
- Fluidleitung
- 82
- Fluidleitung
- 83
- Fluidleitung
- 90
- Hydraulische
Kraftübersetzungsvorrichtung
- 91
- Zylinderraum
- 92
- Zylindergehäuse
- 93
- Plungerkolben
- 94
- Kolbenstange
- 96
- Hydrospeicher
- 98
- Hydrospeicher