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Elektrohydraulisches Kraftelement zur Betätigung von elektrischen Kontakten
Die sogenannte Ausflusssteuerung von Hydrauliksystemen beruht bekanntlich auf dem Prinzip, einen gewünschten Druckanstieg zwecks Arbeitsleistung dadurch zu erzielen, dass der Ausfluss des Hydrauliksystemes, der beispielsweise zunächst geöffnet war, so dass die Ölpumpe "leer" lief, geschlossen wird, so dass danach die von der Ölpumpe geförderte Ölmenge nicht mehr abfliessen kann und der Druck innerhalb des Systems ansteigt, wodurch beispielsweise ein Arbeitskolben beaufschlagt werden kann.
Zur Verringerung der während des geöffneten Ausflusses durch diesen strömenden Ölmenge (Leckölverlust) und damit der "Leerlaufleistung" des Pumpenaggregates hat man in derartigen Systemen mit Ausflusssteuerung bereits Drosseln und auch eine Vorsteuerung verwendet.
Gegenstand der Erfindung ist ein. elektrohydraulisches Kraftelement zur Betätigung von elektrischen Kontakten, das mit einer Ausflusssteuerung und mit Vorsteuerung betrieben wird. Erfindungsgemäss ist ausser einer Vordrossel konstanten Querschnitts eine weitere Vordrossel veränderlichen Querschnitts vorhanden. Der Querschnitt dieser zweiten Vordrossel ist erfindungsgemäss bei geöffnetem Ausfluss am kleinsten, so dass die Ausflussmenge in dieser Stellung sehr gering ist. Sofort nach dem Schliessen des Ausflus ses wird jedoch, wie in der Folge noch näher erläutert wird, der Querschnitt der Vordrossel sehr schnell vergrössert und ist während des überwiegenden Teiles der Bewegung des Vorsteuerschiebers voll geöffnet.
Eine sehr bedeutsame konstruktive Vereinfachung ergibt sich aus der erfindungsgemässen Ausbildung von Vorsteuerschieber und Hauptsteuerschieber dadurch, dass beide starr miteinander verbunden sind und praktisch als ein einziger Bauteil zu gelten haben.
Weitere Vorteile der erfindungsgemässen Anordnung, insbesondere derjenige des verringerten Leckölverlustes trotz hoher Schaltgeschwindigkeit, werden bei der Schilderung des Aufbaues eines elektrohydraulischen Kraftelementes mit erfindungsgemäss eingebauter Vordrossel veränderlichen Querschnitts an Hand einiger, in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert.
Fig. 1 gibt den Querschnitt durch ein erfindungsgemäss aufgebautes Kraftelement, Fig. 2 die Änderung der wirksamen Durchflussquerschnitte in Abhängigkeit vom Hub des Hauptsteuerkolbens und die Fig. 3 eine Variante der eigentlichen Ausflusssteuerung wieder.
Der Hub des Arbeitskolbens l des in Fig. l insgesamt dargestellten elektrohydraulischen Kraftelementes soll in Abhängigkeit von der Lage des Hauptsteuerkolbens 2 erfolgen. In der gezeichneten Stellung ist der Arbeitskolben 1 nicht vom Drucköl beaufschlagt, da der Hauptsteuerkolben 2 die Eintrittsbohrungen 3 für das aus der Bohrung 4 kommende Drucköl abdeckt. Dieses Drucköl fliesst vielmehr, da die Öffnung 5 des Ausflussventiles 6 geöffnet ist, aus der Bohrung 4 in die Bohrungen 7 und von dort in den Ringkanal 8, der in der Mantelfläche des-Vorsteuerkolbens 9 angeordnet ist. Von dem Ringkanal 8 aus gelangt das Drucköl über Bohrungen 10 in den zentralen Kanal 11, dessen Austritt durch die auswechselbare Vordrossel 12 verschlossen ist" und verlässt durch die Bohrung 13 sowie die Öffnung 5 das Steuersystem.
Die Öffnung 5 kann, wie dargestellt, mittels der Ventilnadel 14 wahlweise geschlossen oder geöffnet werden. Bei Erregung des Elektromagneten 15 wird der Klappanker 16 angezogen und damit die Öffnung 5 geschlossen, während bei nichterregtemElektromagneten 15 die Ventilnadel 14 mitsamt dem Klappanker 16 durch das die Öffnung 5 verlassende Drucköl abgehoben wird.
Wird die Öffnung 5 in der erwähnten Weise geschlossen, so baut sich in dem Ringkanal 8 sowie dem
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zentralen Kanal 11 vor der Stirnfläche 17 des Vorsteuerkolbens 9 und in dem Ringkanal 18, in den das Drucköl durch die Eintrittsbohrung 19 gelangt ist, der volle betriebsmässige Öldruck auf. Infolgedessen wird der Hauptsteuerkolben 2 nach links verschoben, bis seine Mantelfläche die Eintrittsbohrungen 3 freigibt, nachdem die Austrittsbohrungen 20 abgedeckt worden sind. Jetzt wird der Arbeitskolben 1 vom vollen Öldruck beaufschlagt und führt den Aufwärtshub aus. Während der eben geschilderten Verschiebung des Hauptsteuerkolbens 2 und des Vorsteuerkolbens 9, die beide, wie dargestellt, auf einer gemeinsamen Kolbenstange 21 angeordnet sind (sie werden zweckmässig aus dem vollen Stangenmaterial gedreht), wird die Druckfeder 22 gespannt.
Soll der Arbeitskolben 1 wieder abfallen, so wird die Erregung des Elektromagneten 15 unterbrochen, so dass die Ventilnadel 14 unter dem Einfluss des Öldruckes abgehoben wird und der Öldruck vor der Stirnfläche 17 des Vorsteuerkolbens 9 absinkt, bis die Spannung der Druckfeder 22 überwiegt und der Hauptsteuerkolben 2 sowie der Vorsteuerkolben 9 wieder nach rechts in die dargestellte Lage geschoben werden, in der die Eintrittsbohrungen 3 vollständig geschlossen, die Austrittsbohrungen 20 vollständig geöffnet und die Bohrungen 7 teilweise von dem Vorsteuerkolben 9 abgedeckt sind. Die ausserdem vorhandene Eintrittsbohrung 19 bleibt ständig geöffnet. Das durch dieselbe in den Ringkanal 18 eintretende Drucköl kann jedoch zur Verschiebung des Hauptsteuerkolbens 2 sowie des Vorsteuerkolbens 9 nicht beitragen, da die Durchmesser derselben gleich gross sind.
Insbesondere ist der Ringkanal 18 mittels des Überströmkanals 23 mit dem Ringkanal 8 und dadurch mit dem Ausflussventil 6 verbunden, so dass bei abgehobener Ventilnadel 14 (gezeichnete Stellung) der Öldruck im Ringkanal 18 sehr gering ist. Insgesamt werden die beschriebenen Elemente so bemessen, dass bei geöffnetem Ausflussventil 6 der Vorsteuerkolben 9 die Bohrungen 7 nahezu bedeckt (gezeichnete Lage), wodurch eine wirksame Drosselung des Ölstromes gegeben ist. Sofort nach dem Schliessen des Ausflussventiles 6 bewirkt, wie geschildert, der ansteigende Öldruck eine Linksverschiebung der Vor- und Hauptsteuerkolben 9 und 2, so dass der Ringkanal 8 die Bohrungen 7 überdeckt und deren gesamter Querschnitt für den Öldurchtritt freigegeben ist.
Gegen Ende dieser Linksverschiebung, der Arbeitskolben 1 wurde, wie bereits früher geschildert, inzwischen beaufschlagt, schiebt sich der Vorsteuerkolben 9 mit dem rechten Teil seiner Mantelfläche über die Bohrung 7 und bewirkt so wieder eine Verringerung des Durchtrittsquerschnittes derselben und damit eine wirksame Drosselung des Ölstromes.
Damit ist folgender Vorteil verbunden : Der den Vorsteuerkolben 9 beaufschlagende Öldruck wird stark verringert, und es ist gegen Ende des Hubes praktisch nur noch die diese Bewegung verzögernde Druckfeder 22 wirksam. Die Hubgeschwindigkeit der Haupt- und Vorsteuerkolben 2 und 9 wird also noch vor Erreichen der Endstellung so weit verringert, dass ein Anschlagen der Kolbenstange 21 an den Anschlag 24 und damit Überbeanspruchungen des Materials vermieden werden.
An Hand des Diagrammes nach Fig. 2 seien diese Zusammenhänge noch einmal qualitativ erläutert.
Dieses Diagramm gibt näherungsweise die Änderungen der wirksamen Durchtrittsquerschnitte der Eintrittsbohrungen 3, der Austrittsbohrungen 20 sowie der Bohrungen 7 in Abhängigkeit vom Hub der Vorund Hauptsteuerkolben 9 und 2 wieder.
Der Punkt 26 der Abszisse entspreche der in Fig. 1 dargestellten Ruhelage des Hauptsteuerkolbens 2 sowie des Vorsteuerkolbens 9 bei nichtbeaufschlagtem Arbeitskolben 1. Nach dem Schliessender Öff- nung 5 des Ausflussventiles 6 durch die Ventilnadel 14 wird die Kolbenstange 21 mitsamt den Haupt- und Vorsteuerkolben 2 und 9 durch den Öldruck beschleunigt, und mit wachsendem Hub wächst der wirksame Durchflussquerschnitt der Bohrungen 7 gemäss der Kennlinie 27, da, wie bereits früher beschrieben, der diese Bohrungen 7 bis dahin teilweise abdeckende Teil des Vorsteuerkolbens 9 im Verlaufe des Hubes des Vorsteuerkolbens 9 die Bohrungen 7 fortschreitend freigibt.
Gleichzeitig wird der wirksame Durchflussquerschnitt der Austrittsbohrungen 20 gemäss der Kennlinie 28 verkleinert, da diese zunehmend von dem Hauptsteuerkolben 2 abgedeckt werden. Nachdem die Bohrungen 7 völlig geöffnet sind (Punkt 29 der Abszisse), werden die Austrittsbohrungen 20 vollständig geschlossen (Abszissenpunkt 30), und anschliessend beginnt die Öffnung der Eintrittsbohrungen 3 gemäss der Kennlinie 31. Von der dem Abszissenpunkt 32 entsprechenden Stellung des Vorsteuerkolbens 9 ab werden die Bohrungen 7 bereits wieder von dem bei Betrachtung des Schnittes nach Fig. l auf der rechten Seite des Ringkanals 8 liegenden Teil des Vorsteuerkolbens 9 in zunehmendem Masse abgedeckt.
Dagegen werden die Eintrittsbohrungen 3, durch die das Drucköl in den Raum 33 vor dem Arbeitskolben 1 strömt, mit fortschreitender Bewegung des Hauptsteuerkolbens 2 weiter geöffnet. Nachdem die volle Öffnung der Eintrittsbohrung 4 am Abszissenpunkt 34 erreicht ist, wird im Abszissenpunkt 35 der Hub von Vor-und Hauptsteuerkolben 9 und 2 beendet. Man erkennt, dass in der Endstellung des Vorsteuerkolbens 9 die Bohrungen 7 noch nicht vollständig geschlossen sind, so dass, wie in der ersten Endlage vor Beginn der geschilderten Steuerbewegung durch diese Bohrun-
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gen 7, eine gewisse Leckölmenge auch in dieser Endlage der Vor- und Hauptsteuerkolben 9 und 2 fliessen kann. Auf jeden Fall werden die Leckölverluste mit Hilfe der erfindungsgemässen variablen Vordrosselung besonders gering gehalten.
Während in dem Ausführungsbeispiel eines elektrohydraulischen Kraftelementes nach Fig. 1 die das
Ausflussventil 6 bedarfsweise verschliessende oder freigebende Ventilnadel 14 noch in einer mehrfach ab- gesetzten Bohrung geführt ist und auch selbst Abschnitte verschiedenen Durchmessers aufweist, um eine gute Führung zu ermöglichen, ist das Ausflussventil 36 nach Fig. 3 so gestaltet worden, dass bei geringst- möglichem Fertigungsaufwand dennoch eine gute Führung der Ventilnadel 37 gewährleistet ist. Die Ven- tilnadel 37 ist dabei als glatter, durchgehend zylindrischer Stift ausgebildet, und die Ventilbohrung 38 hat ebenfalls durchwegs einen konstanten Durchmesser entsprechender Passungs-Toleranz. Das aus der
Ventilbohrung 38 strömende Öl fliesst schliesslich durch die senkrecht zur Zeichenebene stehende Boh- rung 39 ab.
In der dargestellten Lage der Ventilnadel 37 ist die Ventilbohrung 38 geöffnet. Wird der Elektro- magnet 15 erregt, so schwenkt der Klappanker 16, wie bereits früher erläutert, nach links und drückt da- bei die Ventilnadel 37 um einen gewissen Betrag in den links der Bohrung 39 sichtbaren Teil der Ventil- bohrung 38, wodurch das gewünschte Absperren des Ölflusses des Systems erzielt ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrohydraulisches Kraftelement zur Betätigung von elektrischen Kontakten, das mit einer Aus- flusssteuerung und mit Vorsteuerung betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass ausser einer Vordrossel konstanten Querschnitts eine weitere Vordrossel veränderlichen Querschnitts vorhanden ist.
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Electro-hydraulic power element for actuating electrical contacts
The so-called outflow control of hydraulic systems is known to be based on the principle of achieving a desired increase in pressure for the purpose of work performance by closing the outflow of the hydraulic system, which was initially open, so that the oil pump ran "empty", so that then the Oil pump delivered amount of oil can no longer flow off and the pressure rises within the system, whereby, for example, a working piston can be acted upon.
To reduce the amount of oil flowing through it while the outflow is open (leakage oil loss) and thus the "idle power" of the pump unit, throttles and a pilot control have already been used in such systems with outflow control.
The invention is a. Electro-hydraulic power element for actuating electrical contacts, which is operated with a discharge control and with pilot control. According to the invention, in addition to a choke with a constant cross section, a further choke with a variable cross section is present. According to the invention, the cross section of this second choke is smallest when the outlet is open, so that the outflow quantity is very small in this position. Immediately after the outflow is closed, however, as will be explained in more detail below, the cross-section of the choke is enlarged very quickly and is fully open during the majority of the movement of the pilot valve.
A very significant structural simplification results from the design according to the invention of the pilot valve and main control valve in that both are rigidly connected to one another and practically have to be regarded as a single component.
Further advantages of the arrangement according to the invention, in particular those of the reduced leakage oil loss despite high switching speed, are explained in the description of the structure of an electrohydraulic power element with a variable cross-section built-in throttle according to the invention on the basis of some exemplary embodiments shown in the drawing.
1 shows the cross-section through a force element constructed according to the invention, FIG. 2 shows the change in the effective flow cross-sections as a function of the stroke of the main control piston, and FIG. 3 shows a variant of the actual outflow control.
The stroke of the working piston 1 of the electrohydraulic power element shown as a whole in FIG. 1 is to take place as a function of the position of the main control piston 2. In the position shown, the working piston 1 is not acted upon by the pressurized oil, since the main control piston 2 covers the inlet bores 3 for the pressurized oil coming from the bore 4. Rather, since the opening 5 of the outflow valve 6 is open, this pressure oil flows out of the bore 4 into the bores 7 and from there into the annular channel 8, which is arranged in the lateral surface of the pilot piston 9. From the ring channel 8, the pressurized oil reaches the central channel 11 via bores 10, the outlet of which is closed by the exchangeable choke 12 and leaves the control system through the bore 13 and the opening 5.
The opening 5 can, as shown, be optionally closed or opened by means of the valve needle 14. When the electromagnet 15 is excited, the hinged armature 16 is attracted and thus the opening 5 is closed, while when the electromagnet 15 is not energized, the valve needle 14 together with the hinged armature 16 is lifted by the pressurized oil leaving the opening 5.
If the opening 5 is closed in the aforementioned manner, it builds up in the annular channel 8 and the
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central channel 11 in front of the end face 17 of the pilot piston 9 and in the annular channel 18 into which the pressure oil has passed through the inlet bore 19, the full operational oil pressure. As a result, the main control piston 2 is shifted to the left until its outer surface exposes the inlet bores 3 after the outlet bores 20 have been covered. Now the working piston 1 is acted upon by full oil pressure and executes the upward stroke. During the just described displacement of the main control piston 2 and the pilot piston 9, both of which, as shown, are arranged on a common piston rod 21 (they are expediently rotated from the full rod material), the compression spring 22 is tensioned.
If the working piston 1 should drop again, the excitation of the electromagnet 15 is interrupted, so that the valve needle 14 is lifted under the influence of the oil pressure and the oil pressure in front of the end face 17 of the pilot piston 9 drops until the tension of the compression spring 22 prevails and the main control piston 2 and the pilot piston 9 are pushed back to the right into the position shown, in which the inlet bores 3 are completely closed, the outlet bores 20 are completely opened and the bores 7 are partially covered by the pilot piston 9. The inlet bore 19 also present remains open at all times. The pressure oil entering the annular channel 18 through the same cannot, however, contribute to the displacement of the main control piston 2 and the pilot piston 9, since the diameters of the same are the same.
In particular, the ring channel 18 is connected to the ring channel 8 and thereby to the outflow valve 6 by means of the overflow channel 23, so that when the valve needle 14 is lifted (position shown) the oil pressure in the ring channel 18 is very low. Overall, the elements described are dimensioned in such a way that, when the outflow valve 6 is open, the pilot piston 9 almost covers the bores 7 (position shown), whereby an effective throttling of the oil flow is provided. Immediately after closing the outflow valve 6, as described, the increasing oil pressure causes the pilot and main control pistons 9 and 2 to shift to the left, so that the annular channel 8 covers the bores 7 and the entire cross-section is cleared for oil passage.
Towards the end of this left shift, the working piston 1 was, as already described earlier, loaded in the meantime, the right part of its lateral surface of the pilot piston 9 slides over the bore 7 and thus again causes a reduction in the passage cross section of the same and thus an effective throttling of the oil flow.
This has the following advantage: the oil pressure acting on the pilot piston 9 is greatly reduced, and towards the end of the stroke only the compression spring 22 which retards this movement is practically effective. The stroke speed of the main and pilot pistons 2 and 9 is thus reduced to such an extent before the end position is reached that the piston rod 21 does not strike the stop 24 and thus excessive stresses on the material are avoided.
These relationships are explained again qualitatively using the diagram according to FIG.
This diagram approximately shows the changes in the effective passage cross-sections of the inlet bores 3, the outlet bores 20 and the bores 7 as a function of the stroke of the pilot and main control pistons 9 and 2.
The point 26 of the abscissa corresponds to the rest position of the main control piston 2 and the pilot piston 9 shown in FIG. 1 when the working piston 1 is not pressurized and 9 accelerated by the oil pressure, and as the stroke increases, the effective flow cross section of the bores 7 increases according to the characteristic curve 27, since, as already described earlier, the part of the pilot piston 9 that has partially covered these bores 7 in the course of the stroke of the pilot piston 9 Bores 7 releases progressively.
At the same time, the effective flow cross section of the outlet bores 20 is reduced in accordance with the characteristic curve 28, since these are increasingly covered by the main control piston 2. After the bores 7 are completely open (point 29 of the abscissa), the outlet bores 20 are completely closed (abscissa point 30), and then the opening of the inlet bores 3 begins according to the characteristic curve 31. From the position of the pilot piston 9 corresponding to the abscissa point 32 the bores 7 are already covered again to an increasing extent by the part of the pilot piston 9 lying on the right-hand side of the annular channel 8 when looking at the section according to FIG.
In contrast, the inlet bores 3 through which the pressure oil flows into the space 33 in front of the working piston 1 are opened further as the main control piston 2 moves. After the inlet bore 4 is fully open at the abscissa point 34, the stroke of the pilot and main control pistons 9 and 2 is ended at the abscissa point 35. It can be seen that in the end position of the pilot piston 9 the bores 7 are not yet completely closed, so that, as in the first end position before the start of the described control movement, this bore
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gen 7, a certain amount of leakage oil can flow in this end position of the pilot and main control piston 9 and 2. In any case, the leakage oil losses are kept particularly low with the aid of the variable throttling according to the invention.
While in the embodiment of an electrohydraulic power element according to FIG
Outflow valve 6, if necessary, closing or releasing valve needle 14 is still guided in a repeatedly offset bore and also has sections of different diameters itself, in order to enable good guidance, the outflow valve 36 according to FIG. 3 has been designed so that with the least possible Manufacturing effort good guidance of the valve needle 37 is nevertheless guaranteed. The valve needle 37 is designed as a smooth, continuously cylindrical pin, and the valve bore 38 likewise has a constant diameter throughout with a corresponding fit tolerance. That from the
Oil flowing through the valve bore 38 finally flows off through the bore 39 which is perpendicular to the plane of the drawing.
In the position of the valve needle 37 shown, the valve bore 38 is open. If the solenoid 15 is excited, the hinged armature 16 pivots to the left, as already explained earlier, and in doing so presses the valve needle 37 by a certain amount into the part of the valve bore 38 visible to the left of the bore 39, whereby the desired Shutting off the oil flow of the system is achieved.
PATENT CLAIMS:
1. Electrohydraulic power element for actuating electrical contacts, which is operated with a discharge control and with pilot control, characterized in that, in addition to a choke of constant cross section, there is another choke of variable cross section.