Die Erfindung betrifft ein gasbetriebenes Antriebssystem, umfassend einen Antrieb mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer, die durch ein bewegliches Arbeitselement des Antriebs, insbesondere durch einen Kolben voneinander getrennt sind, wobei eine Kammer der beiden Kammern zur Bildung einer das Arbeitselement antreibenden Kammer mit einer Gasquelle verbindbar ist und die andere Kammer der beiden Kammern zur Bildung einer der Bewegung des Arbeitselementes entgegenwirkenden Kammer gleichzeitig über eine Abluftdrossel mit einer Gassenke verbindbar ist, insbesondere mittels eines Umschaltventils.

Vorzugsweise strömt dabei das durch die Abluftdrossel entweichende Gas auch durch ein in Richtung zur Gassenke öffnendes Rückschlagventil. Dies hat den Vorteil, dass für einen Rückhub des Arbeitselementes das Gas nicht durch die Abluftdrossel strömen kann / muss, sondern insbesondere unter Umgehung der Abluftdrossel parallel an dieser vorbeigeführt werden kann, ggfs. durch andere Systembauteile hindurch.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines gasbetriebenen Antriebssystems, umfassend einen Antrieb mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer, die durch ein bewegliches Arbeitselement des Antriebs, insbesondere durch einen Kolben voneinander getrennt sind, wobei eine Kammer der beiden Kammern zur Bildung einer das Arbeitselement antreibenden Kammer mit einer Gasquelle verbunden wird und die andere Kammer der beiden Kammern zur Bildung einer der Bewegung des Arbeitselementes entgegenwirkenden Kammer gleichzeitig über eine Abluftdrossel mit einer Gassenke verbunden wird, insbesondere mittels eines Umschaltventils. Antriebssysteme und Verfahren dieser Art sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Beispielsweise beschreibt die DE 102009 001 150 A1 allgemein die Drosselung von Pneumatikzylindern.

Typische Antriebe eines solchen Systems sind z.B. Zylinder-Kolbenaggregate, bei denen der Kolben als Arbeitselement zwischen den Kammern angeordnet ist und beidseits aus der Richtung jeder der beiden Kammern mit einem Gasdruck beaufschlagt sein kann.

Als Gas kann beispielsweise übliche Luft eingesetzt werden, die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.

Die übliche Arbeitsweise ist es, dass unter Druck stehendes Gas von einer Druckquelle, die Gas mit einem Druck größer als der umgebende Atmosphärendruck bereitstellt, z.B. einem Kompressor, in eine der Kammern geleitet wird, wodurch auf das Arbeitselement eine das Arbeitselement bewegende Kraft ausgeübt wird. Diese Kammer bildet somit eine antreibende Kammer. Durch die Bewegung wird Gas aus der anderen Kammer verdrängt. Der dort herrschende Gasdruck übt eine der Bewegung entgegenwirkende Kraft auf das Arbeitselement aus. Diese Kammer, aus der Gas bei der Bewegung des Arbeitselementes verdrängt wird, bildet die entgegenwirkende Kammer. Die Größe der entgegenwirkenden Kraft kann dadurch beeinflusst werden, dass der Gasstrom aus der entgegenwirkenden Kammer in Richtung zu einer Gassenke, z.B. einfacherweise der Umwelt, mittels einer Abluftdrossel gedrosselt wird. Im Sinne der Erfindung wird die Abluftdrossel als solche bezeichnet, auch wenn als Gas nicht Luft eingesetzt wird, da sich dieser Begriff in der einschlägigen Terminologie durchgesetzt hat.

Vorzugsweise wird im Stand der Technik und auch bei der Erfindung die Abluftdrossel so eingestellt, insbesondere hinsichtlich des über der Abluftdrossel abfallenden Druckes, dass sich eine sogenannte überkritische Strömung des Gases durch die Abluftdrossel ergibt. Z.B. kann dies üblicherweise erzielt werden, wenn der eingangsseitige Druck vor der Abluftdrossel mindestens 2 - mal größer ist als der ausgangsseitige Druck nach der Abluftdrossel. Die hier und im Folgenden genannten Drücke verstehen sich als Absolutdrücke.

Bei der überkritischen Strömung erreicht die Strömungsgeschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit, woraus der Vorteil erzielt wird, dass die Geschwindigkeit des Arbeitselementes, z.B. des Kolbens in einem Pneumatikzylinder, im quasistationären Zustand lastunabhängig ist. Die Erfindung kann ebenso eine unterkritische Strömung vorsehen, in welcher die Schallgeschwindigkeit nicht erreicht wird.

Problematisch bei dieser Betriebsweise ist es, dass diese energetisch ungünstig ist, weil die antreibende Kammer immer unter maximalen Gasdruck gesetzt wird.

Grundsätzlich ist es auch bekannt, den Zustrom von Gas in die antreibende Kammer zu drosseln als Alternative zur Abluftdrosselung. Zwar ist diese als Zuluftdrosselung bekannte Verschaltung energetisch günstiger, jedoch ist die Geschwindigkeit des Arbeitselementes im Antrieb in einem solchen Fall nicht lastunabhängig, da selbst bei einer überkritischen Durchströmung der Zuluftdrossel zwar der zufließende Gasmassenstrom bei konstantem Versorgungsdruck lastunabhängig ist, jedoch aufgrund der lastabhängigen Gasdichte in der Antriebskammer der konstante Massenstrom zu einer lastabhängigen Geschwindigkeit des Arbeitselements im Antrieb führt.

Aufgabe der Erfindung ist es ein System und ein Verfahren der eingangs genannten Art, so weiterzubilden, dass eine energetisch günstigere Betriebsweise eines abluftgedrosselten Systems erzielt werden kann, vorzugsweise unter weiterer Erzielung einer überkritischen Strömung in der Abluftdrossel, um eine bevorzugte lastunabhängige Bewegung des Arbeitselementes zu erhalten.

Diese Aufgabe wird im System dadurch gelöst, dass der antreibenden Kammer ein Steuerventil zugeordnet ist, durch welches hindurch die antreibende Kammer mit Gas von der Gasquelle befüllbar ist, wobei der Öffnungsquerschnitt des Steuerventils in Abhängigkeit eines in Strömungsrichtung vor der Abluftdrossel herrschenden oder über der Abluftdrossel abfallenden Steuerdrucks einstellbar ist, insbesondere wobei mit dem Steuerventil der Öffnungsquerschnitt vergrößerbar ist, wenn mit fallendem Steuerdruck ein erster Grenzdruck unterschritten ist und der Öffnungsquerschnitt verkleinerbar ist, insbesondere das Steuerventil schließbar ist, wenn mit weiter fallendem Steuerdruck ein zweiter Grenzdruck unterschritten ist.

Im Verfahren wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der antreibenden Kammer ein Steuerventil zugeordnet wird/ist, durch welches hindurch die antreibende Kammer mit Gas von der Gasquelle befüllt wird, wobei der Öffnungsquerschnitt des Steuerventils in Abhängigkeit eines in Strömungsrichtung vor der Abluftdrossel herrschenden oder über der Abluftdrossel abfallenden Steuerdrucks eingestellt wird, insbesondere so, dass mit dem Steuerventil der Öffnungsquerschnitt vergrößert wird, wenn der fallende Steuerdruck einen ersten Grenzdruck unterschreitet und der Öffnungsquerschnitt verkleinert wird, insbesondere das Steuerventil geschlossen wird, wenn der weiter fallende Steuerdruck einen zweiten Grenzdruck unterschreitet.

Die Erfindung kann dabei vorzugsweise vorsehen, dass bei Vorliegen eines Steuerdruckes, der größer ist als der erste Grenzdruck, das Steuerventil zunächst geschlossen ist, also erst mit Unterschreitung des ersten Grenzdruckes öffnet und mit weiter fallendem Steuerdruck den Öffnungsquerschnitt vergrößert.

Ebenso kann es dabei vorzugsweise vorgesehen sein, dass mit weiter fallendem Steuerdruck der maximale Öffnungsquerschnitt zwischen den beiden Grenzdrücken erreicht wird, spätestens jedoch beim Erreichen des zweiten Grenzdrucks. Mit weiter fallendem Steuerdruck, wird der Öffnungsquerschnitt des Steuerventils ab der Unterschreitung des zweiten Grenzdrucks verkleinert, insbesondere bis zum Schließen des Steuerventils bei einem dritten Grenzdruck.

Ebenso kann es vorgesehen sein, dass bei Vorliegen des ersten Grenzdruckes das Steuerventil bereits zum Teil geöffnet ist und auch bei weiterer Erhöhung des Steuerdrucks nicht vollständig schließt.

Bei allen Ausführungen kann es vorzugsweise vorgesehen sein, dass im Bereich zwischen dem ersten und zweiten Grenzdruck das Steuerventil mit fallendem Steuerdruck den Öffnungsquerschnitt vergrößert und mit steigendem Steuerdruck verringert. Ebenso kann es bei allen Ausführungen vorzugsweise vorgesehen sein, dass im Bereich zwischen dem zweiten und dritten Grenzdruck das Steuerventil mit fallendem Steuerdruck den Öffnungsquerschnitt verkleinert und mit steigendem Steuerdruck vergrößert.

Die jeweilige Änderung des Öffnungsquerschnitts ist dabei von der Änderung des Steuerdruckes, und insbesondere auch von dessen Vorzeichen abhängig. Diese Abhängigkeit kann linear sein, muss es aber nicht. Es kann auch eine nichtlineare Abhängigkeit zwischen der Steuerdruckänderung und der Öffnungsquerschnittänderung vorgesehen sein.

Vorzugsweise liegt im Strömungsweg des Gases in Serie zum Steuerventil ein in Richtung zur antreibenden Kammer öffnendes Rückschlagventil. Alternativ liegt parallel zum Steuerventil ein in Richtung zur antreibenden Kammer sperrendes Rückschlagventil. So erfolgt der Zustrom des Gases in die Kammer durch das Steuerventil, ein Rückstrom hingegen, z.B. bei einem Rückhub des

Arbeitselementes erfolgt am Steuerventil vorbei, insbesondere wenn dieses durch seine Schaltposition im Rückhub geschlossen ist.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ein erster Grenzdruck gewählt werden kann, der sicherstellt, dass die Abluftdrossel mit einem gewünschten Differenzdruckniveau über der Abluftdrossel betrieben wird. Wird der Grenzdruck unterschritten, so öffnet das Steuerventil und mehr Gas kann in die antreibende Kammer zuströmen um die gewünschte Druckbedingung zu erhalten. Es kann so eine Regelung auf das gewünschte Druckniveau erfolgen.

Durch die weitere Berücksichtigung eines zweiten Grenzdruckes, der unter dem ersten Grenzdruck liegt, kann berücksichtigt werden, dass am Ende des möglichen Hubweges eines Arbeitselementes der Druck in der entgegenwirkenden Kammer weiter fällt, insbesondere auch durch weitere Öffnung des Steuerventils nicht erhöht werden könnte, so dass die Erfindung vorsieht, den Öffnungsquerschnitt zu verringern, vorzugsweise das Steuerventil ganz zu schließen. Insbesondere kann somit der Stillstand des Arbeitselementes am Hubende das auslösende Ereignis für das Schließen des Steuerventils sein. Das Arbeitselement wird so von der Druckquelle getrennt.

Arbeitet der Antrieb, insbesondere der Zylinder gegen eine verhältnismäßig geringe äußere Last und reicht folglich eine geringe Druckdifferenz am Arbeitselement zur Verrichtung der Aufgabe, wird die antreibende Kammer im Gegensatz zu konventionellen abluftgedrosselten Systemen nicht vollständig auf den Versorgungsdruck des Systems gebracht, sondern nur mit der Luftmenge befüllt, die zu einem Druck führt, der etwas höher ist, als der zur Verrichtung der Aufgabe unter Wahrung einer überkritischen Durchströmung an der Abluftdrossel notwendige Druck.

Ein Rückhub des Arbeitselementes wird z.B. ermöglicht, insbesondere nach Umschaltung mittels eines Umschaltventils, durch Zuführung von Gas, vorzugsweise unter Umgehung der Abluftdrossel, in die zuvor entgegenwirkende und nun antreibend wirkende Kammer, wobei im Rückhub aus der zuvor antreibenden und nun entgegenwirkenden Kammer das Gas am geschlossenen Steuerventil vorbei, z.B. durch ein im Rückhub öffnendes Rückschlagventil, geführt wird. Der Gaszustrom kann im Rückhub z.B. durch ein Druckregelventil, insbesondere einen Druckminderer erfolgen, der strömungstechnisch zur Abluftdrossel parallel liegt, z.B. dabei weiterhin in Serie liegt zu einem in Richtung zur Kammer öffnenden Rückschlagventil.

Dabei wird mit Überschreiten des dritten Grenzdruckes in der aktuell zu füllenden Kammer das Steuerventil in eine wiederum zumindest teilweise geöffnete Position zurückgeführt, so dass ein erneuter Arbeitshub des Arbeitselementes durchgeführt werden kann, insbesondere unter Einregelung des gewünschten Steuerdruckes im Bereich des ersten Grenzdruckes oder im Bereich zwischen dem ersten und zweiten Grenzdruck.

Vorzugsweise sieht es die Erfindung vor, dass der erste Grenzdruck größer ist und der zweite Grenzdruck kleiner ist als ein Druck, der vor der Abluftdrossel herrscht oder über der Abluftdrossel abfällt, der benötigt ist für eine überkritische Gasströmung in der Abluftdrossel. Dieser nötige Druck kann z.B. 2 bar Absolutdruck betragen. So kann nämlich sichergestellt werden, dass während der Regelung des Öffnungsquerschnittes des Steuerventils anhand des Steuerdrucks in der Umgebung des ersten Grenzdruckes oder im Bereich zwischen erstem und zweitem Grenzdruck immer ein solcher Druck vor oder abfallend über der Abluftdrossel vorliegt, dass diese in überkritischer Strömung betrieben wird, insbesondere nämlich solange, bis dass das Hubende erzielt ist und das Steuerventil schließt, vorzugsweise während der Steuerdruck den zweiten Grenzdruck unterschreitet und den dritten Grenzdruck erreicht.

Vorzugsweise ist der erste Grenzdruck 1 % bis 25% größer als der für die überkritische Strömung nötige Druck, z.B. wobei der nötige Druck üblicherweise 2 bar betragen kann. Aufgrund der erforderlichen Regelspanne unterhalb des ersten Grenzdrucks ist ein Wert von 2,3 bar für den ersten Grenzdruck bevorzugt. Weiter bevorzugt ist der zweite Grenzdruck wenigstens 5% bis 50% kleiner als der für überkritische Strömung nötige Druck und liegt vorzugsweise bei 1 ,5 bar. Der dritte Grenzdruck liegt vorzugsweise nur geringfügig unterhalb des zweiten Grenzdrucks. Reale Ventilkonstruktionen weisen aber zumeist größere Regelspannen auf, sodass mit den zuvor genannten Werten ein dritter Grenzdruck von beispielsweise 1 ,3 bar realistisch und fluid-mechanisch einfach erzielbar ist. Vorzugsweise sind alle genannten Druckangaben für die Grenzwerte und den für die überkritische Strömung nötigen Druck mit einer möglichen Variation von plus/minus 10% des genannten Wertes zu verstehen.

Eine Möglichkeit das Steuerventil bzw. das darin befindliche Ventilstellglied hinsichtlich des Öffnungsquerschnittes zu steuern kann darin liegen, dass das System eine elektronische / elektrische Steuerung aufweist, mit welcher der Steuerdruck messbar ist, z.B. mit einem Drucksensor in einem Gasleitungsabschnitt zwischen entgegenwirkender Kammer und der Abluftdrossel, und mit der in Abhängigkeit des Messwertes des Steuerdrucks ein elektrischer Ventilantrieb zur Verstellung des Ventilstellglieds im Steuerventil ansteuerbar ist. So kann der Ventilantrieb angetrieben sein, um das Ventilstellglied zur Vergrößerung des Öffnungsquerschnittes zu bewegen, insbesondere mit fallendem Steuerdruck dafür in eine erste Richtung zu bewegen, wenn der Steuerdruck den ersten Grenzwert unterschreitet und das Ventilstellglied zur Verkleinerung des Öffnungsquerschnittes zu bewegen, insbesondere in eine zur ersten entgegengesetzte zweite Richtung zu bewegen, wenn der weiter fallende Steuerdruck den zweiten Grenzwert unterschreitet, insbesondere am Hubende des Arbeitselementes.

Eine solche Art der Steuerung setzt jedoch eine aktive Komponente, hier die elektronische Steuerung voraus.

Eine demgegenüber bevorzugte Ausführung kann es hingegen vorsehen, dass die Bewegung des Ventilstellgliedes rein gasgetrieben erfolgt, so dass eine zusätzliche elektronische Steuerung entfallen kann.

Vorzugsweise kann dafür eine Gasleitung vorgesehen sein, mit der das Steuerventil fluidisch mit der entgegenwirkenden Kammer verbunden ist, wobei der in der Gasleitung wirkende Steuerdruck auf das Ventilstellglied des Steuerventils wirkt. So wird direkt durch den Steuerdruck eine das Ventilstellglied positionierende Kraft ausgeübt.

Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass das Ventilstellglied mit einer Stellkraft vorbelastet ist, z.B. mittels einer am Ventilstellglied angreifenden Feder, durch die das Ventilstellglied mit fallendem Steuerdruck verschiebbar ist.

Grundsätzlich wird in dieser rein fluidischen Steuerung bewirkt, dass in einem Druckbereich zwischen dem ersten und zweiten Grenzdruck mit fallendem Steuerdruck durch die Bewegung des Ventilstellgliedes der Öffnungsquerschnitt des Steuerventils vergrößert wird und in einem Druckbereich unter dem zweiten Grenzdruck mit weiter fallendem Steuerdruck durch die Bewegung des Ventilstellgliedes der Öffnungsquerschnitt des Steuerventils verkleinert wird, bis dieser bei Erreichen des dritten Grenzdruckes vorzugsweise ganz geschlossen wird.

Es kann dabei vorgesehen sein, dass das Ventilstellglied im Druckbereich zwischen dem ersten und zweiten Grenzdruck und im Druckbereich unter dem zweiten Grenzdruck, insbesondere also sowohl bei der zunächst bewirkten Vergrößerung des Öffnungsquerschnittes als auch bei der nachfolgend bewirkten Verkleinerung des Öffnungsquerschnittes, in derselben Richtung bewegt wird.

Dies ist besonders vorteilhaft, weil die aufeinander folgenden Wirkungen beide mit fallendem Steuerdruck kausal verbunden sind.

Vorzugsweise kann dies erzielt werden, wenn das Steuerventil eine die Abhängigkeit von Öffnungsquerschnitt und Verstellweg beschreibende Kennlinie aufweist, die an einer Verstellwegposition zwischen den beiden extremal möglichen Verstellwegpositionen, eine sich umkehrende Steigung aufweist. Beispielsweise kann eine Steigungsumkehr in der Kennlinie am Ort des Erreichens des zweiten Grenzdruckes vorliegen.

Es kann auch vorgesehen sein, dass zwischen zwei Bereichen der Kennlinie mit umgekehrtem Vorzeichen der Steigung ein Bereich liegt, in welchem die Steigung den Wert „Null“ aufweist.

Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass das Steuerventil zwei mit dem Ventilstellglied zusammenwirkende Steuerkanten im Ventilkörper oder zwei jeweils auf getrennten in Serie geschalteten Ventilstellgliedern angeordnete Steuerkanten aufweist, insbesondere wobei in einer durch fallenden Steuerdruck definierten Bewegungsrichtung des Ventilstellgliedes in einem ersten Bewegungsabschnitt durch Zusammenwirkung mit der ersten Steuerkante der Öffnungsquerschnitt vergrößerbar ist und in einem folgenden zweiten Bewegungsabschnitt in derselben Bewegungsrichtung durch Zusammenwirkung mit der zweiten Steuerkante der Öffnungsquerschnitt verkleinerbar ist, insbesondere bis zum vollständigen Verschluss des Öffnungsquerschnittes.

Wie zuvor bereits erwähnt, kann zur Abluftdrossel, die der entgegenwirkenden Kammer zugeordnet ist, ein Druckregulierventil, insbesondere ein Druckminderer mit Rückschlagventil parallelgeschaltet sein, durch den, insbesondere unter Absperrung der Abluftdrossel, die entgegenwirkende Kammer mit Gas füllbar ist.

In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann die Erfindung vorsehen, dass im Leitungsbereich zwischen dem Steuerventil und dem Antrieb, sowie der Abluftdrossel und dem Antrieb ein Umschaltventil vorgesehen ist, mit dem in einer ersten Schaltstufe die erste Kammer mit dem Steuerventil und gleichzeitig die zweite Kammer mit der Abluftdrossel verbindbar ist und in einer zweiten Schaltstufe die zweite Kammer mit dem Steuerventil und gleichzeitig die erste Kammer mit der Abluftdrossel verbindbar ist.

In dieser Ausführung kann es weiterhin vorgesehen sein, dass das System nur eine Abluftdrossel und nur ein Steuerventil ausweist, diese aber durch Umschaltung sowohl im Arbeitshub als auch im Rückhub mit einer jeweiligen Kammer Zusammenwirken.

Vorzugsweise ist die Abluftdrossel in dieser möglichen Ausgestaltung immer stromabwärts mit der Drucksenke verbunden und das Steuerventil eingangsseitig immer mit Gas von der Druckquelle beaufschlagt.

Weiter bevorzugt liegt zum Steuerventil ein Druckregulierventil, vorzugsweise ein Druckminderventil, parallel, mit dem unter Umgehung des am Ende eines Arbeitshubes in Schließstellung befindlichen Steuerventils ein Mindestdruck der antreibenden Kammer stets gewährleistet ist. Wird die Umkehr der Bewegungsrichtung des Antriebs durch Umschaltung des Umschaltventils eingeleitet, steht somit stets ein ausreichender Druck in der zuvor antreibenden Kammer zur Verfügung, so dass durch Dekompression der nun der Bewegung entgegenwirkenden Kammer ein Druckaufbau vor der Abluftdrossel erfolgt, der über die Steuerleitung und die so erfolgte Kraftausübung auf das Ventilstellglied im Steuerventil eine Öffnung des Steuerventils bewirkt, wodurch ein nächster druckgeregelter Arbeitshub in entgegengesetzter Richtung ermöglicht ist. Insbesondere ist dieses Druckregulierventil vorgesehen für das Hochfahren des Antriebssystems aus einem vollständig drucklosen Zustand.

Eine andere Ausführung kann auch vorsehen, dass jeder der beiden Kammern jeweils eine Anordnung aus einer Abluftdrossel und einem Steuerventil mit einer mit der anderen Kammer verbundenen Steuerleitung zugeordnet ist, wobei jede der beiden Kammern in einer Prozessphase, in welcher die jeweilige Kammer als antreibende Kammer wirkt, durch das zugeordnete Steuerventil mit Gas befüllbar ist und jede der beiden Kammern in einer Prozessphase, in welcher die jeweilige Kammer als entgegenwirkende Kammer wirkt, durch die zugeordnete Abluftdrossel entleerbar ist, insbesondere wobei in beiden Prozessphasen der jeweilige Hub vom Arbeitselement mit der beschriebenen Druckregelung über das aktuell aktive Steuerventil erfolgt.

In dieser Ausführung kann jeweils eine der Anordnungen mittels eines Umschaltventils mit der Druckquelle verbunden werden, wobei gleichzeitig die andere Anordnung mit der Drucksenke verbunden wird.

Vorzugsweise kann durch Rückschlagventile in jeder der beiden Anordnungen erzielt werden, dass bei einer Anschaltung einer jeweiligen Anordnung an die Druckquelle der Gasstrom über das Steuerventil in Richtung zur zu füllenden Kammer erfolgt und ein Gasstrom über die Abluftdrossel verhindert ist, wobei umgekehrt bei einer Anschaltung an die Drucksenke ein Gasstrom über die Abluftdrossel zur Drucksenke erfolgt und ein Gasstrom über das Steuerventil verhindert ist.

In einer Weiterbildung kann es vorgesehen sein, dass zu wenigstens einer der Anordnungen, vorzugsweise zu beiden Anordnungen ein Druckregelventil, insbesondere ein Druckminderer parallelgeschaltet ist, mit dem das System aus einem in beiden Kammern druckentlasteten Zustand in einen Betriebszustand versetzbar ist, insbesondere durch Gasbefüllung einer der beiden Kammern durch das Druckregelventil und gleichzeitiger Druckbeaufschlagung und Öffnung des der anderen Kammer zugeordneten Steuerventils.

Die Erfindung kann auch vorsehen, eine Anordnung zur Mindestdruckbeaufschlagung für die Inbetriebnahme des Systems aus einem in beiden Kammern drucklosen Zustand direkt in das Steuerventil zu integrieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben.

Figur 1 zeigt eine erste Ausführung der Erfindung mit einem Zylinder- Kolbenaggregat A als Arbeitselement, dessen Kolben 3 zwei Kammern 1 und 2 trennt. Es wird hier angenommen, dass das Arbeitselement A bei ausfahrender Kolbenstange des Kolbens 3 einen Arbeitshub ausführt. Mittels eines Umschaltventils 7 kann wahlweise eine Druckquelle 4 an eine Leitung L1 und gleichzeitig eine Drucksenke 6 an eine Leitung L2 angeschaltet werden oder umgekehrt. Es ist in dieser Ausführung vorgesehen, nur im Arbeitshub die erfindungsgemäße Druckregelung vorzunehmen, insbesondere zu bewirken, dass die im Arbeitshub antreibende Kammer 1 nur soweit mit Gas über das Steuerventil 8 befüllt wird, dass an der Abluftdrossel 5 eine überkritische Strömung vorliegt.

Dafür ist es hier vorgesehen, dass in der Leitung L1 , die zur im Arbeitshub antreibenden Kammer 1 führt, das Steuerventil 8 liegt, über welches die Befüllung der Kammer 1 erfolgt. Parallel zum Steuerventil ist ein Rückschlagventil R1 angeordnet, dass einen Zustrom in die Kammer unter Umgehung des Steuerventils 8 verhindert, aber einen Abstrom von Gas aus der Kammer 1 im Rückhub zulässt, insbesondere wenn das Steuerventil 5 dann (wie hier gezeigt) geschlossen ist.

Im Arbeitshub wird Gas aus der Kammer 2, die im Arbeitshub der Bewegung des Kolbens 3 entgegenwirkt, über die Abluftdrossel 5 und das in Serie zu dieser liegende Rückschlagventil R2, welches in Richtung zur Drucksenke 6 öffnet, zur Drucksenke 6 verdrängt.

Als wesentlicher erfindungsgemäßer Aspekt sieht die Erfindung hier vor, dass eine Gasleitung 9 als Steuerleitung 9 das Steuerventil 8 mit einem Leitungsabschnitt verbindet, der in der Leitung L2 zwischen der entgegenwirkenden Kammer 2 und der Abluftdrossel 5 liegt.

Der in diesem Leitungsabschnitt wirkende Steuerdruck, insbesondere faktisch der über der Abluftdrossel 5 abfallende Druck, wirkt über die Steuerleitung 9 auf das Ventilstellglied im Steuerventil 8 und kann die Position des Ventilstellgliedes und somit den Öffnungsquerschnitt des Steuerventils 8 beeinflussen, erfindungsgemäß nämlich so, dass mit fallendem Steuerdruck, wenn der Steuerdruck einen ersten Grenzdruck unterschreitet, der Öffnungsquerschnitt vergrößert wird, so dass mehr Gas in die antreibende Kammer nachströmt und bei weiterem Unterschreiten eines zweiten Grenzdruckes, der kleiner ist als der erste Grenzdruck, der Öffnungsquerschnitt verkleinert, vorzugsweise ganz geschlossen wird, insbesondere bei Erreichen eines dritten Grenzdrucks, vorzugsweise der kleiner ist als der zweite Grenzdruck.

So wird bis zum Unterschreiten des zweiten Grenzdruckes der Steuerdruck im Regelbereich um den ersten Grenzdruck gehalten. Dieser kann vorzugsweise so gewählt sein, dass eine überkritische Strömung in der Abluftdrossel erzielt ist, der erste Grenzdruck ist somit größer als der Mindestdruck der für die überkritische Strömung nötig ist. Der zweite Grenzdruck ist vorzugsweise kleiner als dieser Mindestdruck.

Am Hubende des Kolbens 3 kann dieser kein Gas mehr aus der Kammer 2 verdrängen, so dass durch den Abfall des Steuerdruckes unter den zweiten Grenzdruck das Steuerventil 8 seine Öffnung verringert bis dieses schließt, vorzugsweise bei Erreichen oder Unterschreiten des dritten Grenzdrucks.

Ein Rückhub kann durch Umschaltung des Umschaltventils 7 eingeleitet werden. In diesem dargestellten Fall wird durch Anschaltung der Druckquelle 4 an die Leitung L2 ein Schließen des Rückschlagventils R2 und Öffnen des Rückschlagventils R3 bewirkt, welches in Serie zu einem Druckregelventil 12 liegt, durch welches die Befüllung der Kammer 2 für den Rückhub erfolgt. Das dann aus der Kammer 1 verdrängte Gas kann ungehindert zur Drucksenke 6, z.B. zur Umwelt über das offene Rückschlagventil R1 entweichen. Der Druckaufbau in der Kammer 2 sorgt zugleich für eine Kraftbeaufschlagung des Ventilstellgliedes in dem Steuerventil 8 über die Steuerleitung 9, so dass dieses wieder öffnet, insbesondere ab Erreichen oder Überschreiten des dritten Grenzdruckes, und einen nächsten Arbeitshub einleitet. Die für zyklische Arbeitshübe nötigen Druckbedingungen werden somit aufrechterhalten. Ein Start des Systems aus einer Ruhelage kann durch Druckbeaufschlagung der Kammer 2 erfolgen.

Figur 2 zeigt eine Ausführung, bei der sowohl im Arbeitshub als auch im Rückhub eine druckgeregelte Bewegung des Kolbens 3 erfolgt anhand des Steuerdruckes in der Steuerleitung 9. Auch hier ist das Steuerventil 8 in der Leitung L1 vorgesehen, die in dieser Ausführung konstant mit der Druckquelle 4 verbunden ist. Die Drucksenke 6 ist an der Leitung L2 mit der Abluftdrossel 5 konstant angeschlossen.

Der wesentliche Unterschied zur Figur 1 ist der, dass über das Umschaltventil nun wahlweise die Kammer 1 an das Steuerventil und die Kammer 2 an die Abluftdrossel angeschlossen wird oder umgekehrt. Die zuvor beschriebene Druckregelung mit dem Steuerventil 8 erfolgt somit immer bzgl. der aktuell antreibenden Kammer von beiden Kammern 1 , 2 und die Abluftdrosselung immer im Gas, das aus der aktuell entgegenwirkenden Kammer ausströmt.

Das Druckregelventil 12 kann vorgesehen sein, um in einem initialen drucklosen Zustand beider Kammern in der hier gezeigten Schaltstellung bei geschlossenem Steuerventil (am Ende des Arbeitshubes), eine Mindestbefüllung der vormals antreibenden Kammer, eine Druckbeaufschlagung der Steuerleitung 9 und ein Öffnen des Steuerventils 8 zu erzielen. Das System wird somit wieder in seinen regulären Betriebszustand versetzt und kann durch Umschaltung des Umschaltventils eine Bewegung ausführen.

Die Figur 3 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform, bei der jeder der beiden Kammern 1 und 2 jeweils eine Anordnung AN1 bzw. AN2 aus einem Steuerventil 8 und einer Abluftdrossel 5 zugeordnet ist. Die Steuerleitung 9 eines Steuerventils 8, dass einer bestimmten Kammer zugeordnet ist, hat eine Fluidverbindung zur jeweils anderen Kammer.

Durch die Rückschlagventile R1 , R2 in jeder der Anordnungen AN1 , AN2 wird die jeweils nötige Flussrichtung definiert. So ermöglicht R1 einen Fluss durch das Steuerventil 8 zur Kammer, wobei gleichzeitig R2 einen Fluss durch die Abluftdrossel sperrt, wenn die Druckquelle 4 an die Anordnung AN1 bzw. AN2 angeschaltet ist, und es ermöglicht R2 einen Fluss aus der Kammer durch die Abluftdrossel 5, wobei gleichzeitig R1 einen Fluss durch das Steuerventil 8 sperrt, wenn die Drucksenke 6 an die Anordnung AN1 bzw. AN2 angeschaltet ist.

Durch das Umschaltventil 7 kann eine alternierende Anschaltung der Druckquelle 4 und der Drucksenke 6 an eine Anordnung AN1 , AN2 erfolgen. Mit derselben zuvor beschriebenen Wirkung wird erzielt, dass im Arbeitshub und im Rückhub, bzw. bei reversierenden Arbeitshüben eine Druckregelung erfolgt die in der Abluftdrosselung das gewünschte Druckkriterium erfüllt, vorzugsweise eine überkritische Strömung.

Die Erfindung kann hier vorsehen, dass parallel zur Anordnung AN2 ein Druckregelventil 11 mit Rückschlagventil liegt, durch welches eine initiale Inbetriebnahme des Systems erfolgen kann, wenn beide Kammern drucklos sind, so wie es auch zuvor beschrieben ist. Es kann weiterhin auch ein Druckregelventil parallel zur Anordnung AN1 liegen, was nicht gezeigt ist.

Die Figuren 4a und 4b zeigen eine mögliche Ausführungsform eines Steuerventils 8 mit einem Ventilstellglied 8a, welches zwei durch einen verjüngten Bereich verbundene Stellkörper 8b und 8c aufweist. Eine solche Ausbildung des Ventilstellglieds 8a kann bei allen möglichen Ausführungen des Ventils 8 vorgesehen sein. Das Ventilstellglied 8a ist hier linksseitig durch den Steuerdruck aus der Steuerleitung 9 druckbeaufschlagt und hier rechts durch eine Feder 13, die in einem druckentlasteten Raum angeordnet ist, kraftbelastet. Mit fallendem Steuerdruck in der Leitung 9 wird also das Ventilstellglied 8a bezogen auf diese Darstellung nach links verschoben. Dabei wird in der Wirkung zwischen dem Ventilstellglied 8a (dessen Stellkörper 8b) und der Steuerkante SK1 der Öffnungsquerschnitt vergrößert und in der Wirkung zwischen dem Ventilstellglied 8a (dessen Stellkörper 8c) und der Steuerkante SK2 der Öffnungsquerschnitt verkleinert. Der Öffnungsquerschnitt zwischen den Anschlüssen 4 (zur Druckquelle) und 1 (zur Kammer/ zum gesteuerten Volumen) ist so steuerdruckabhängig einstellbar.

Mittels der Feder 13, deren Kraft einstellbar sein kann, kann eine Definition der genannten Grenzdrücke erfolgen. Rechtsseitig ist das Steuerventil 8 am Anschluß 23 gasdruckentlastet. Dabei können in allen möglichen Ausführungen eines Steuerventils der zweite und dritte Grenzdruck vom ersten abhängig sein und durch die Feder, sowie die Konstruktion des Steuerventils in der Geometrie der Steuerkanten bestimmt sein. Die Darstellung der Figur 4a zeigt eine Position mit maximalem Öffnungsquerschnitt, was bei einem Steuerdruck zwischen dem ersten und zweiten Grenzdruck oder bevorzugt bei dem zweiten Grenzdruck vorliegen kann. Vorzugsweise kann mit steigendem Steuerdruck beim Überschreiten des ersten Grenzdrucks das Steuerventil schließen, oder zunächst mit steigendem Steuerdruck den Öffnungsquerschnitt verringern und dann schließen, insbesondere sofern keine Restöffnung, z.B. durch einen mechanischen Anschlag, bzw. kein paralleler Strömungspfad vorgesehen ist, und bei Überschreitung des ersten Grenzdruckes erfindungsgemäß mit fallendem Steuerdruck den Öffnungsquerschnitt vergrößern bis zur gezeigten maximalen Öffnungsposition. Bei weiterem Abfall des Steuerdrucks wird der Öffnungsquerschnitt verringert bis zum Schließen an der Steuerkante SK2.

Die Figur 4b zeigt eine Ausführung desselben Steuerventils der Figur 4a, in einer Position, in welcher der erste Grenzdruck in der Steuerleitung 9 vorliegen kann. In diesem Fall ist das Steuerventil an der Steuerkante SK1 geschlossen und würde mit fallendem Steuerdruck ausgehend von dieser Position den Öffnungsquerschnitt aus der geschlossenen Stellung vergrößern. Mit steigendem Steuerdruck würde ausgehend von dieser Position das Steuerventil 8 geschlossen bleiben.

Figur 5 zeigt eine Ausführung, bei der gegenüber den Figuren 4a und 4b zwei Federn 13a, 13b koaxial ineinander angeordnet sind. Die Feder 13b wirkt direkt auf das Ventilstellglied 8a, die Feder 13a indirekt über das bis in den Anschlag 15 verschiebliche Lagerelement 14. Es ist so ein erster Verschiebebereich des Ventilstellgliedes 8a definiert, in dem beide Federn Zusammenwirken und ein zweiter - wenn das Lagerelement 14 im Anschlag liegt - in dem nur die Feder 13b wirkt. Die Grenzdrücke und die Steigungen der Öffnungscharakteristiken der beiden Steuerkanten in Abhängigkeit des Steuerdrucks können so voneinander entkoppelt werden. Der Raum, in dem die Federn 13a und 1 b angeordnet sind, ist druckentlastet über den Anschluß 23. Figur 6 zeigt eine Ausführung, bei welcher die Ausführung in den Figuren 4a und 4b um eine integrierte Mindestdruckbeaufschlagung für das Anfahren aus einem drucklosen Zustand erweitert wurde. Hierdurch können die in den vorherigen Figuren 2 und 3 gezeigten und zu diesem Zweck vorgesehenen Druckminderer 11 bzw. 12 entfallen.

Der rechts dargestellte Kolben 20 dient der Rückführung des Nachdrucks des Steuerventils 8 für die Mindestdruckbeaufschlagung. Eine Feder 21 wirkt auf den Kolben 20, der durch die Bohrung 22 mit dem durch das Steuerventil geregelten Druck beaufschlagt wird, insbesondere also dem Druck in der antreibenden Kammer 1 . Anschluß 1 und 22 sind somit vorzugsweise direkt verbunden. Die Feder 21 weist eine Vorspannung auf, sodass der Kolben 20 erst bei einem ausreichenden Nachdruck des Steuerventils 8 nach links fährt, also wenn der Druck in der antreibenden Kammer 1 einen durch die Feder 21 vorbestimmten Mindestdruck aufweist. Der Raum, in dem die Federn 13b und 21 angeordnet sind, ist druckentlastet über den Anschluß 23.

Die Lage des Kolbens definiert die Federvorspannung der Federn 13b und 13c. Diese definieren die Lage des Ventilstellglieds 8a sowohl in Abhängigkeit des Steuerdrucks in Leitung 9 als auch in Funktion ihrer Vorspannung und folglich der Position des Kolbens 20.

Die Federraten und -Vorspannungen der Federn 13b und 13c entsprechen bei einer Stellung des Kolbens 20 in der linken Extremlage dem nominell erforderlichen Wert für die bekannte Funktion des Ventils, insbesondere wie sie zuvor beschrieben wurde. Eine Verlagerung des Kolbens 20 nach rechts führt durch teilweise Entspannung der beiden Federn 13b und 13c zu einer Verlagerung des Ventilstellglieds 8a nach rechts.

Bei einem gänzlich drucklosen Zustand des Systems liegt weder ein Druck in der Steuerleitung 9 noch stromab des Steuerventils, also in Bohrung 22, an. Der Kolben 20 steht belastet durch die Federn 21 und 13b in seiner rechten Extrem läge. Es wird aufgrund der Verschiebung des Ventilstellglieds 8a nach rechts folglich das Steuerventil über die Steuerkante SK2 und den Stellkörper 8c geöffnet. Wird an der Zuleitung des Steuerventils ein Druck angelegt, beaufschlagt die zuvor beschriebene Ventilstellung das gesteuerte Volumen mit einem zunehmenden Druck, der über Bohrung 22 auf den Kolben 20 zurückwirkt.

Erreicht dieser Druck den Sollwert, verfährt der Kolben 20 nach links, verschiebt das Ventilstellglied 8a durch Erhöhung der Verspannung der Federn 13b und 13c nach links und schließt das Steuerventil über Steuerkante SK2 und Stellkörper 8c.

Ab diesem Zeitpunkt verharrt der Kolben 20 während eines normalen Betriebs des Systems in seiner linken Extremlage und die Funktion des Ventils entspricht der Variante in den Figuren 4a und 4b. Zur Verbesserung des Betriebsverhaltens kann zur Belastung des Kolbens 20 insbesondere ein Federsystem 21 , das aus Tellerfedern besteht, Verwendung finden.

Die Figur 7 zeigt eine Abwandlung der Ausführungen von Figur 5 und Figur 6. Soweit die dort und in den Figuren 4 beschriebenen Funktionen nicht durch nachfolgend beschriebene Funktionen ersetzt sind, gelten diese auch für die Ausführung der Figur 7.

In Abwandlung der Figur 6 wirkt der Kolben 20 in dieser Ausführung nicht mehr über eine nachgiebige Feder 13b, sondern hier starr über die Kolbenstange 20a auf das Ventilstellglied. Die Zusammenwirkung von Kolben 20 und Feder 21 ist hier in der Richtung umgekehrt. Wiederum ist der Raum, in dem die Feder 21 angeordnet ist, druckentlastet durch den Anschluß 23. Hier ist der Kolben 20 demnach aus der Richtung des Ventilinneren druckbeaufschlagt mit dem Druck des Anschlusses 1 , z.B. über die Leitung 22, die den Raum links von Kolben 20 mit den Anschluß 1 vorzugsweise ventilintern verbindet.

Wie bei der Figur 5 können die Grenzdrücke und die Steigungen der Öffnungscharakteristiken der beiden Steuerkanten in Abhängigkeit des Steuerdrucks voneinander entkoppelt werden. Dies erfolgt hier jedoch nicht durch die ineinanderliegenden Federn 13b und 21 , sondern abweichend hiervon durch die Realisierung von positionsabhängig unterschiedlichen Öffnungsquerschnitten in der Wirkung zwischen einer Steuerkante, hier der Steuerkante SK1 und dem Ventilstellglied 8a, insbesondere bei einem Stellkörper, hier dem Stellkörper 8b des Ventilstellgliedes 8a. Diese Art, über positionsabhängig unterschiedliche Öffnungsquerschnitte die Charakteristik zu beeinflussen, kann erfindungsgemäß unabhängig von den weiteren konkreten gezeigten Konstruktionen in dem Ventil 8 vorgenommen sein.

Um diese positionsabhängigen Öffnungsquerschnitte zu realisieren kann ein Stellkörper, z.B. hier der Stellkörper 8b z.B. axial verlaufende Steuernuten 8d in seiner Oberfläche aufweisen, die in axialer Richtung nur bereichsweise, also nicht vollständig über die Oberfläche verlaufen. In diesem Beispiel enden die Steuernuten 8d vor dem rechten axialen Ende des Stellkörpers 8b.

Abweichend zu den Figuren 5 und 6 erfolgt die Steuerdruckbeaufschlagung hier vorzugsweise über den Anschluß 9, auf die axiale Stirnfläche des rechten Stellkörpers 8b, auf welche auch die Kolbenstange 20a wirkt. Die Wirkung erfolgt gegen die Feder 13c auf der anderen Seite des Ventilstellgliedes 8a, welche in einem über den Anschluß 23 druckentlasteten Raum angeordnet ist. Die Bewegung des Ventilstellgliedes 8a ist bei der Ausführung der Figur 7 im Vergleich zu den Figuren 5 und 6 andersherum.