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Elektrohydraulisches Stellgerät
Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Stellgerät, bei dem das den-Stellmotor beaufschlagende hydraulische Mittel von wenigstens zwei parallel arbeitenden hydrostatischen Pumpen geliefert wird, von denen eine unabhängig von der andern abschaltbar ist.
Es sind Einrichtungen mit hydraulisch betätigten Kolben bekannt, bei denen von einem Motor zwei Pumpen unterschiedlicher Grösse angetrieben werden und die parallel auf einem Stellkolben arbeiten.
Wenigstens eine dieser Pumpen kann dabei mit Hilfe eines vom Druck des hydraulischen Mittels beaufschlagten Steuerschiebers kurzgeschlossen werden. In der Druckmittelleitung von den Pumpen zu dem den Stellkolben enthaltenden Zylinder ist ausserdem ein willkürlich zu betätigender Steuerschieber angeordnet, durch den das hydraulische Mittel auf die eine oder die andere Seite des Stellkolbens geleitet werden kann. Es kann dadurch der Stellkolben in zwei Endlagen gebracht werden, wobei der Antriebsmotor der Pumpen konstant weiterläuft. Mit Hilfe des vom Druck des hydraulischen Mittels beaufschlagten Steuerschiebers wird erreicht, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Stellkolbens während des Arbeitshubes herabgesetzt wird, während ein Leerhub mit grösstmöglicher Geschwindigkeit durchlaufen wird.
Bei einer ähnlichen Einrichtung wird mit Hilfe von zwei vom Druck des hydraulischen Mittels beaufschlagten Steuerschiebern erreicht, dass der Kolben zunächst mit grosser Geschwindigkeit bis in die Arbeitsstellung heranfährt, dass dann aber der Druck des den Stellkolben beaufschlagenden hydraulischen Mittels durch Kurzschluss beider Pumpen stark herabgesetzt wird, wodurch der Arbeitshub mit geringer Kraft und infolgedessen mit geringer Geschwindigkeit durchfahren wird.
Nach der Erfindung ist nun in der Leitung zwischen der abschaltbaren Pumpe und dem Stellmotor ein vom Förderdruck der ständig eingeschalteten (kontinuierlich arbeitenden) Pumpe beaufschlagter federbelasteter Steuerschieber mit drei verschiedenen Schaltstellungen angeordnet, wobei in der ersten Schaltstellung des Steuerschiebers (Rückgang des Stellmotors) bei abgeschalteten Pumpen der Arbeitsraum des Stellmotors mit dem Rücklauf und in der zweiten Schaltstellung (Arbeitshub des Stellmotors) beide Pumpen mit dem Arbeitsraum des Stellmotors und in der dritten Schaltstellung (Kolben des Stellmotors in der Arbeitsendstellung) die abschaltbare Pumpe mit dem Rücklauf verbunden ist. Dadurch wird der Stellkolben während des Arbeitshubes mit grosser Geschwindigkeit bewegt.
Nach dessen Durchlaufen wird eine der parallel arbeitenden Pumpen abgeschaltet, so dass die erforderliche Antriebsleistung stark herabgesetzt wird, obgleich die auf den Stellkolben wirkende Kraft praktisch gleich gross bleibt. Es werden dadurch kleine Abmessungen des Stellkolbens, der Kanalquerschnitte und auch der Pumpen eines elektrohydraulischen Stellgerätes erzielt und gleichzeitig ein günstiger Leistungsbedarf erreicht.
Vorzugsweise werden die einzelnen Pumpen unterschiedlich ausgelegt, wobei die grössere Pumpe abschaltbar ist, so dass nach der Abschaltung nur noch eine geringe Antriebsleistung benötigt wird.
Die Pumpen werden vorzugsweise alle von einem gemeinsamen Motor angetrieben. Dabei kann der Antriebsmotor mit den Pumpen und dem Stellmotor z. B. gleichachsig in einem gemeinsamen Gehäuse eingebaut sein, wobei vorzugsweise alle Einbauteile am Deckel des gemeinsamen, als Behälter für das hydraulische Mittel dienenden Gehäuses befestigt sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, den parallel arbeitenden Pumpen in an sich bekannter Weise ein gemeinsames Steuerglied nachzuschalten, das den von den Pumpen erzeugten
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Druckflüssigkeitsstrom wechselweise auf die eine oder andere Seite des Stellmotors schaltet. Hiedurch wi : d für den Stellmotor eine Rückstellungsfeder entbehrlich und damit die nach aussen abgebbare Kraft des Stellmotors erheblich vergrössert.
Als Steuerglied kann z. B. ein an sich bekannter elektromagnetisch betätigter Umsteuerschieber dienen, wobei für jede Stellrichtung dieses Umsteuerschiebers vorzugsweise je ein besonderer Elektromagnet vorgesehen ist in Verbindung mit einer Mittelstellungsfeder, die bei Entregung beider Elektromagnete den Umsteuerschieber in einer mittleren Schliessstellung hält. Das Steuerglied kann auch z. B. durch Rastungen in den Endstellungen gehalten werden. Es wird vorzugsweise in die Baueinheit von Antriebsmotor, Pumpen, Stellmotor und Flüssigkeitsbehälter einbezogen und kann z. B. am Deckel des gemeinsamen Gehäuses angeordnet sein.
In der Zeichnung sind als Beispiele Stellgeräte nach der Erfindung dargestellt, bei denen zwei von einem gemeinsamen Elektromotor angetriebene Zahnradpumpen verwendet werden, wobei die eine durch einen Steuerschieber kurzgeschlossen werden kann. Als hydraulisches Mittel wird in diesem Falle Öl verwendet.
Es zeigen Fig. l einen Längsschnitt durch das Stellgerät, Fig. 2 eine Anordnung, bei der Motor, Pumpe und Stellkolben gleichachsig zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse vereinigt sind, Fig. 3 einen Schieber, der von einem Doppelmagneten gesteuert wird und Fig. 4 einen Längsschnitt durcn ein Stellgerät mit einem den Pumpen nachgeschalteten, gemeinsamen Steuerglied.
In Fig. 1 ist mit 10 eine Zahnradpumpe bezeichnet, deren Fördermenge ein Mehrfaches, beispielsweise das Vierfache der kleineren Zahnradpumpe 11 beträgt. Beide Zahnradpumpen 10,11 sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet und werden, von einem Motor 12 angetrieben. Die grosse Zahnradpumpe 10 fördert in den Kanal 13, die kleinere in den Kanal 14. In die beiden vorgenannten Kanäle ist nun ein druckabhängiges Steuerschiebersystem 15 mit seinem Schieber 16 eingeschaltet, das ab einer bestimmten Druckhöhe den Kanal 13 mit dem frei in den Ölsumpf mündenden Rücklaufkanal 17 verbindet. Damit fördert die grosse Pumpe ihre Ölmenge drucklos in den Rücklauf und erfordert, abgesehen von ihrer Leerlaufreibung, keine Antriebsleistung mehr, so dass die gesamte Antriebsleistung um 80% absinkt.
Das Steuerventil 15 wird mit dem Steuerschieber 16 von der kleinen Pumpe an seiner in Fig. 1 rechts dargestellten Fläche 18 beaufschlagt. In der Zeichnung ist der Schieber in der mittleren Stellung b gekennzeichnet, in der er sich befindet, wenn der Kolben 19 in Bewegung ist. Dann hält die hydraulisch erzeugte Kraft an der Schieberfläche 18 der durch die Feder 20 hervorgerufenen Kraft das Gleichgewicht.
Beide Pumpen fördern dabei ihre Ölmengen durch die Kanäle 13 bzw. 14 und 21 unter den Kolben 19.
Der Schieber 16 hat in seiner Mitte eine Durchlassöffnung 22, so dass der Kanal 13 voll geöffnet ist.
Ebenfalls ist auch das Rückschlagventil 23 in der Leitung 14 offen.
Wenn der Kolben 19 in seiner Endstellung, die auch durch einen äusseren Anschlag bestimmt sein kann, angekommen ist, wird keine Fördermenge mehr benötigt. Der Druck in den Leitungen 13 und 14 steigt an. Die an der Schieber fläche 18 wirksame Kraft steigt dabei ebenfalls an und drückt den Schieber 16 in seine linke Endstellung c, wodurch infolge der Aussparung 24 an der Unterseite des Schiebers der Druckkanal 13 mit der Rücklaufleitung 17 verbunden wird. Damit strömt das von der grossen Pumpe 10 geförderte Öl drucklos in den Ölsumpf ab, und die Pumpe 10 benötigt dann-bis auf einen geringen Restwert-keine Antriebsleistung mehr. Der Druck unter dem Kolben 19 wird nur Åallein von der kleinen Pumpe 11 aufrechterhalten.
Der unterhalb des Kanals 25 befindliche Abschnitt des Kanals 21 wird durch den Schieber 16 - bei dessen Verschiebung nach links in die Stellung c-geschlossen, u. zw. bevor die Verbindung des Druckkanals 13 mit der Rücklaufleitung 17 erfolgt. Der Kanal 25 ist ebenfalls geschlossen, so dass das gesamte oberhalb des Schiebers 16 befindliche System unter dem Druck der Pumpe 11 steht.
Damit auch der Druckanstieg der Pumpe 11 bei Stillstand des Kolbens 19 nicht unzulässig hoch ist, kann längs durch den Steuerschieber 16 noch eine Abflussbohrung 26 vorgenommen werden, die das über- schüssige Öl durch die weitere Bohrung 27 abführt. In dem linken unteren Teil des Steuerschiebers ist dazu noch eine Aussparung 28 vorgesehen, die in der Stellung c des Steuerschiebers die Bohrung 27 freilässt. Statt der Anordnung 26,27, 28 kann auch an geeigneter Stelle des Kanals 14 eine einstellbare Drosselbohrung vorgesehen werden.
Wird der Antriebsmotor 12 der beiden Pumpen 10,11 abgeschaltet, so geht augenblicklich mit dem Absinken der Motordrehzahl der Druck auf Null zurück. Damit kehrt der Schieber 16 infolge der Feder 20 in seine rechte Stellung a zurück. In dieser Stellung ist der Kanal 25 mit dem Rücklauf 17 verbunden, so dass das unter dem Kolben 19 befindliche Öl abströmen kann. Der Kolben 19 wird dabei durch der Druck der Feder in seine Ausgangsstellung zurückgedrückt.
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Soll das Gerät erneut arbeiten, d. h. der Kolben 19 seinen Hubweg durchlaufen, so muss der Motor 12 wieder eingeschaltet werden. Durch den in der Leitung 14 mit dem Hochlaufen der Pumpen ansteigenden Druck wird der Schieber 16 wieder in die Stellung b verschoben. Dabei muss die Feder des Rückschlagventils 23 so bemessen sein, dass der anfängliche Druck genügt, den Schieber 16 in die Stellung b zu bringen, wonach erst anschliessend das Überdruckventil 23 geöffnet wird. Es ist auch zweckmässig, statt der einen gezeichneten Feder 20 zwei konzentrisch zueinanderliegende Federn zu verwenden, wobei die schwächere Feder die Rückstellkraft für den Verschiebeweg von a nach b bzw. b nach a liefert. Erst für das Durchlaufen des Verschiebeweges von b nach c bzw. von c nach b addiert sich die stärkere zweite Feder.
Von der Oberseite des Kolbens 19 führt noch ein-in der. Fig. l aber nicht gezeichneterKanal in den Ölsumpf zurück, damit das sich oberhalb des Kolbens sammelnde Lecköl nach dem Ölsumpf zurückfliessen kann.
Fig. 1 stellt lediglich eine Prinzipskizze dar und ist nicht als massstäbliche Zeichnung zu bewerten.
Insbesondere wurde das Steuerschiebersystem 15 gegenüber den Pumpen 10,11 und dem Antriebsmotor 12 vergrössert dargestellt, um das Verständnis zu erleichtern.
Die gesamte vorbeschriebene Anordnung kann in ein gemeinsames Gehäuse eingebaut werden, wobei vorzugsweise Motor 12, Pumpen 10,11 und Stellkolben 19 mit seinem zugehörigen Zylinder gleichachsig zueinander angeordnet sein können, wie es in der Fig. 2 prinzipmässig dargestellt ist. Damit das Gerät leistungsmässig voll ausgenutzt werden kann, ist es weiterhin zweckmässig, das Gehäuse mit Kühlrippen 29 auszurüsten. Schliesslich kann es noch für die Montage und Wartung des Gerätes vorteilhaft sein, das Gehäuse so zu teilen, dass es aus einem kleineren Oberteil besteht, an den die gesamten vorbeschriebenen Funktionsteile montiert sind, und aus einem grösseren unteren Teil, das lediglich als Ölsammelbehälter dient.
Es kann anderseits für bestimmte Aufgaben zweckmässig sein, den Stellkolben 19 mit seinem Zylinder als besonderes getrenntes Teil umzubilden, wobei dann dieser Zylinder mit dem Pumpenteil, in den auch das Steuerschiebersystem eingebaut ist, durch zwei Schläuche verbunden wird.
Der eine Schlauch führt das Drucköl zu bzw. leitet das Rücklauföl ab ; er dient also als Verlängerung des Kanals 21. Der andere führt das sich oberhalb des Kolbens 19 sammelnde Lecköl in das Pumpengehäuse zurück. Da Anordnungen mit getrenntem Pumpengerät und Zylinder bereits seit langem bekannt und üblich sind, sind die vorstehenden Ausführungen nur der Vollständigkeit halber gemacht worden und gehören nicht mehr zum Erfindungsgedanken.
Das vorgeschlagene Gerät arbeitet nun bei einer Drehrichtung des Motors 12 ordnungsgemäss. Soll es in beiden Drehrichtungen arbeiten, so muss noch in die Kanäle 13 und 14 zwischen den Pumpen und dem Steuerschieber je ein Umschaltventil eingesetzt werden. Derartige Ventile sind bereits bekannt und sollen deshalb an dieser Stelle auch nicht näher erläutert werden.
Das vorgeschlagene Gerät nach Fig. l bietet über die vorstehende Ausführung hinaus die Möglichkeit, sehr schnelle Verstellvorgänge zu verwirklichen. Man kann, wie es als Beispiel in Fig. 3 dargestellt ist, die Feder 20 durch ein Kolbenmagnetsystem ersetzen, so dass man die Stellungen a, b und c mit elektrischen Steuerströmen einsteuem kann. Die Druckbeaufschlagung der Fläche 18 durch die kleinere Pumpe 11 entfällt dabei. Man kann nun den Antriebsmotor mit den angekuppelten Pumpen durchlaufen lassen. Der Steuerschieber muss in etwas abgewandelter Form gebaut werden, damit auch in der Stellung a die von den Pumpen geförderte Ölmenge drucklos in den Ölsumpf zurückfliessen kann.
Der Steuervorgang ist dabei wie folgt :
Die beiden in Fig. 3 gekennzeichneten Magnete 30 und 31 sind gleichachsig zum Steuerschieber 32 angeordnet und haben einen gemeinsamen Anker 33, der, wie die Kerne selbst, lamelliert ist. Durch die Lamellierung werden weitgehend Wirbelströme unterdrückt, so dass kürzeste Steuerzeiten erreicht werden ; ausserdem ist die Speisung mit Wechselstrom möglich. Anker 33 und Steuerschieber 32 sind in der Stellung b gezeichnet worden, so dass beide Pumpen 10 und 11 durch die Kanäle 13 bzw. 14 ihre volle Ölmenge in den Zylinder fördern. Der Kolben 19 durchläuft also seinen Hubweg. Ist der letztere in seiner Endstellung angekommen, so kann entweder von Hand oder automatisch durch einen0 kurz vor Endstellung der Kolbenstange angeordneten Kontakt der linke Magnet 31 mit seiner Spule 34 eingeschaltet werden.
Der Anker 33 wird nach links angezogen und verschiebt den Steuerschieber 32 in die linke Endstellung c.
Hiebei ist der Kanal 13 mit 17 verbunden worden, so dass die grosse Ölpumpe 10 drucklos in den Rücklaufkanal 17 fördern kann. Der Kolben wird wieder lediglich von der kleinen Pumpe 10 durch den Kanal 14, Rückschlagventil 23 und oberen Teil des Kanals 13 beaufschlagt. Wenn nun umgekehrt der Kolben 19 in seine Ausgangsstellung zurückkehren soll, wird die linke Magnetwicklung 34 aus-und die rechte Magnetwicklung 35 eingeschaltet. Dadurch wird der Anker 33 in seine rechte Endstellung und auch der Steuerschieber 16 in die Stellung a gezogen. Jetzt sind sowohl Kanal 13 als auch der Kanal 14,
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letzterer über das Rückschlagventil 23 und den Kanal 25, mit dem Rücklauf 17 verbunden.
Beide Pumpen fördern also in den Rücklauf, ausserdem drückt auch die oberhalb des Kolbens 19 befindliche Feder die unter dem Kolben befindliche Ölmenge durch den Kanal 25 in den Rücklauf 17 zurück. Wird jetzt die Wicklung 35 ausgeschaltet, so kehrt der Anker durch die Federanordnung 36 in die Mittelstellung und damit der Steuerschieber in die Stellung b zurück, und der Kolben 19 beginnt wiederum seinen Hubweg zu durchlaufen.
Bei der vorbeschriebenen Anordnung entfallen also die Anlauf- und Auslaufzeiten des Motors, so dass der Hubweg in jeder Richtung in der kürzest möglichen Zeit durchlaufen wird.
Der Vollständigkeit halber wird noch erwähnt, dass statt des axialen Steuerschiebers 16 und der ebenfalls axialen hlagnetanordnung 30,31, 33 auch ein Drehschieber mit einem Doppeldrehmagneten verwendet werden kann.
In Fig. 4 bezeichnen wiederum 10 die grosse Zahnradpumpe, 11 die kleine Zahnradpumpe, 12 den Motor, 13 und 14 die beiden Druckkanäle, 15 das druckabhängige Steuerschiebersystem, 16 den Schieber und 17 den Rücklaufkanal.
Beiden Pumpen 10 und 11 ist ein gemeinsamer Umsteuerschieber 37 nachgeschaltet, der von dem Doppelmagneten 38,39, 40 gesteuert wird. Der Umsteuerschieber 37 ist einerseits an den vom Steuerschiebersystem 15 kommenden Druckkanal 41 angeschlossen, und anderseits führen die Kanäle 42 und 43 an die Unter- bzw. Oberseite des Stellzylinders mit dem Stellkolben 44. Die Bohrungen 45 und 46 lassen das vom Stellzylinder zurückströmende Öl frei in den Ölsumpf abfliessen.
Wird nun der Magnet 39 mit seiner Wicklung 47 eingeschaltet, so wird der Umsteuerschieber 37 in die linke Endstellung gezogen. Damit kann das Drucköl durch den Kanal 42 in den Oberteil des Stellzylinders strömen, und der Kolben 44 wird mit der vollen Stellkraft nach unten gedrückt. Wird dagegen der rechte Magnet 38 mit seiner Wicklung 48 eingeschaltet, so wird der Schieber 37 in die rechte Endstellung gedrückt, und das Drucköl gelangt durch den Kanal 43 unter den Stellkolben 44 und drückt diesen nach oben. Das vom Stellzylinder während der Bewegung des Kolbens 44 zurückströmende Öl kann durch eine der Bohrungen 45 oder 46 abfliessen, wie ohne weiteres aus der Zeichnung zu entnehmen ist. Ist keine der Magnetwicklungen 47 bzw. 48 eingeschaltet, so steht der Schieber 37 infolge der Federanordnung 49 in der Mittelstellung.
Dabei sind die Rückströmöffnungen 45 und 46 geschlossen, d. h. der Kolben 44 wird in der Stellung, in der er sich gerade befindet, festgehalten.
In jeder Stillstandslage des Kolbens 44 ist durch den Steuerschieber 15 die grosse Pumpe 10 kurzgeschlossen, und nur die kleine Pumpe 11 hält den Öldruck aufrecht. Der Motor 12 kann also auch hier in allen Stellungen des Umsteuerschiebers 18 durchlaufen ; die Bewegung des Kolbens 44 setzt unverzögert nach Betätigung des Umsteuerschiebers 37 in der gewünschten Richtung ein.
Durch die vorgeschlagene Einrichtung wird also ein elektrohydraulisches Zug-Druck-Stellgerät verwirklicht, das bei geringst möglicher Dimensionierung des Motors und des gesamten Gehäuses kürzeste Verstellzeiten bei gleichzeitiger voller Arbeitsabgabe und bei Dauereinschaltung ermöglicht. Die Federanordnung49 kann auch fortgelassen werden. Dann bleibt der Umsteuerschieber 37 in der Stellung liegen, die durch ein kurzzeitiges Einschalten eines der beiden Magnetwicklungen 47 oder 48 gewählt worden ist.
Es brauchen also nur impulsartige Stromstösse gegeben zu werden, was für die Fernsteuerung des Gerätes gewisse Vorteile bieten kann. Man kann auch durch eisen kurzzeitigen überhöhten Stromstoss die Umsteuerzeit herabsetzen. Die jeweils gewählte Endstellung kann durch eine geringe Rasterung noch gesichert werden.
Statt des gezeichneten axialen Umsteuerschiebers 37 kann schliesslich auch ein Drehschieber Verwendung finden, wobei die Umsteuerung naturgemäss dann durch einen Drehmagneten erfolgen muss.
Der Umsteuerschieber 37 ist mit dem Antriebsmotor 12, den Pumpen 10,11, dem Steuerschiebersystem 15 und dem Stellzylinder mit Stellkolben 44 zu einer Baueinheit zusammengefasst, wobei das gemeinsame Gehäuse 50 als Ölbehälter dient. Vorzugsweise sind alle der Wartung bedürftigen Teile an dem Deckel 51 des Gehäuses 50 befestigt.
In der Zeichnung sind als Pumpen für das hydraulische Mittel Zahnradpumpen dargestellt. Selbstverständlich kann auch jede andere Art von hohen Druck erzeugenden Pumpen verwendet werden, z. B.
Kapselpumpen.
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