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Die Erfindung betrifft einen Kraftverstärker mit Folgekolbensteuerung und einem Kraftkolben, der in zwei von einem Druckmedium beaufschlagbaren Druckräumen gleich grosse Wirkflächen auf- weist und der einen koaxial verschiebbaren Steuerschieber besitzt, welcher bei Verschiebung aus seiner neutralen Lage jeweils einen der beiden Druckräume über im Kraftkolben angeordnete Steuer- räume und Kanäle mit einem Ablauf verbindet und zwei Paare von axial im Abstand voneinander angeordnete Steuerkanten aufweist, zwischen denen sich ein über einen Kanal im Kraftkolben mit der Druckquelle in ständiger Verbindung stehender mittlerer Steuerraum und anschliessend an die beiden äusseren Steuerkanten der Steuerkantenpaare jeweils ein weiterer, äusserer, mit dem Ablauf in ständiger Verbindung stehender Steuerraum befindet,
so dass sowohl der Zulauf als auch der Ablauf des Druckmediums zu bzw. von den Druckräumen durch den Steuerschieber getrennt steuer- bar ist.
Kraftverstärker mit Folgekolbensteuerung sind in verschiedenen Ausführungsformen aus vielen Gebieten des Maschinenbaues, vor allem aus dem Werkzeugmaschinenbau bekannt. Bei einer bekannten Ausführung sind die beiden durch den Kraftkolben getrennten Druckräume ständig mit dem Druckmedium, das in diesem Falle ein Hydrauliköl ist, beaufschlagt. Der Steuerschieber weist einen einzelnen, ringförmigen Steuerraum auf, über den die im Kraftkolben angeordneten Kanäle mit einem ebenfalls im Kraftkolben angeordneten Ablaufkanal verbindbar sind. Wird einer der Kanäle im Kraftkolben aufgesteuert, so wird gleichzeitig der zum gegenüberliegenden Druckraum gehörige Kanal durch den Steuerschieber verschlossen.
Die Bildung einer Druckdifferenz zwischen den beiden Druckräumen und in weiterer Folge die Bewegung des Kraftkolbens wird demnach durch die Steuerung des Ablaufes des Druckmediums erreicht. Da der Zulauf zu den beiden Druckräumen aus einer gemeinsamen Versorgungsleitung erfolgt, ist der Zulaufkanal zu jedem Druckraum mit einer Drossel versehen, um einen unerwünschten, raschen Druckausgleich zwischen beiden Druckräumen zu verhindern. Auf Grund dieser Drosselung in den Zulaufkanälen ist der bekannte Kraftverstärker mit den wesentlichen Nachteilen niedriger Verstellgeschwindigkeit und grosser Hysterese sowie mit der Gefahr von Störungen infolge Verstopfens der Drosseln behaftet, so dass er für viele Anwendungsfälle, z. B. dort, wo der Weg des Steuersignales sehr klein ist, nicht einsetzbar ist.
Diese beschriebene Ausführung eines Kraftverstärkers ist in Fig. l der Zeichnungen dargestellt.
Gemäss einer anderen bekannten, in Fig. 2 dargestellten Ausführung eines Kraftverstärkers mit Folgekolbensteuerung ist einer der beiden Druckräume ständig vom Druckmedium beaufschlagt und der zweite Druckraum ist mittels des Steuerschiebers und einem in diesem angeordneten ringförmigen Steuerraum mit dem Druckmedium beaufschlagbar. Der zweite Druckraum ist wieder mittels des Steuerschiebers über einen im Kraftkolben angeordneten Kanal mit dem ebenfalls im Kraftkolben vorgesehenen Ablauf verbindbar. Die Bewegung des Arbeitskolbens erfolgt auf Grund der unterschiedlichen Wirkflächen des Kraftkolbens. Soll in beiden Bewegungsrichtungen des Kraftkolbens die Verstellkraft gleich gross sein, so muss die Wirkfläche auf der Seite des ständig vom Druckmedium beaufschlagten Druckraumes die Hälfte der Wirkfläche auf der gegenüberliegenden Kolbenseite betragen.
Bei festliegenden Aussenabmessungen eines derartigen Kraftverstärkers kann daher nur die halbe Wirkfläche des Kraftkolbens ausgenutzt werden bzw. ist es erforderlich, bei einer geforderten Verstellkraft einen Kraftverstärker mit bedeutend grösseren Abmessungen zu verwenden, was in vielen Fällen aus Platz- und Gewichtsgründen nicht möglich ist.
Aus der DE-OS 2166771 ist ein Kraftverstärker der eingangs genannten Art bekannt, mit welchem die genannten Nachteile zumindest teilweise vermieden sind. In beiden Bewegungsrichtungen ist dadurch fast die volle Kolbenfläche wirksam und es ergeben sich hohe Druckdifferenzen zwischen den beiden Druckräumen und damit hohe Stellkräfte. Die Ausführung ist wenig störanfällig, weil keine Drosseln, die sich verstopfen können und keine aussenliegenden Druckleitungen vorhanden sind. Nachteilig ist jedoch, dass die Zuführung des Steuermittels zum mittleren Steuerraum des Steuerschiebers über die axial gleitend gelagerte Kolbenstange des Kraftkolbens erfolgt, was auf Grund der damit erforderlichen dicken Kolbenstange die Wirkfläche des Kraftkolbens verringert und auch die Reibungsverluste an der Kolbenstangendichtung erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftverstärker mit Folgekolbensteuerung so zu verbessern, dass unter voller Beibehaltung der platzsparenden, wenig störanfälligen und wirkungsvollen Bauweise die genannten Nachteile der bekannten Ausführung vermieden und weiters
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die Fertigungskosten möglichst niedrig gehalten werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäss der Erfindung bei einem Kraftverstärker der eingangs genannten Art vorgesehen, dass der Kraftkolben mindestens eine vorzugsweise zu seiner Achse senkrechte Bohrung und eine am äusseren Umfang des Kraftkolbens vorgesehene, sich vorzugsweise über den gesamten Umfang erstreckende Ausnehmung zur Verbindung des mittleren Steuerraumes des Steuerschiebers mit der Druckquelle aufweist, wobei die axiale Breite der Ausnehmung mindestens gleich dem Verstellweg des Kraftkolbens ist und die Ausnehmung ständig mit der Druckquelle verbunden ist.
Diese Ausbildung ist insoferne sehr vorteilhaft, als sie konstruktiv wesentlich einfacher ist und auf Grund der gegenüber der bekannten Ausführung wesentlich kleiner dimensionierbaren Kolbenstange bei gegebenem Aussendurchmesser des Kraftkolbens eine grössere Wirkfläche am Kraftkolben und damit ein grösseres Arbeitsvermögen des Kraftverstärkers insgesamt resultiert. Da der Durchmesser der Kolbenstange bei dieser Ausbildung sehr klein gehalten werden kann, wird die an der Kolbenstangendichtung auftretende Reibung herabgesetzt, was sich ebenfalls sehr günstig auf die Effektivität des Kraftverstärkers auswirkt.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer Gegenüberstellung von zwei bekannten Lösungen und der erfindungsgemässen Lösung eines Kraftverstärkers näher erläutert. Es zeigen : Fig. l einen nach dem Drosselprinzip arbeitenden Kraftverstärker gemäss dem Stand der Technik im Schnitt, Fig. 2 eine bekannte Ausführungsform nach dem Differenzflächenprinzip, Fig. 3 einen Kraftverstärker gemäss der Erfindung mit dem Steuerschieber in der neutralen Lage und Fig. 4 den gleichen Kraftverstärker mit dem Steuerschieber in einer ausgelenkten Lage.
Bei dem in Fig. l dargestellten bekannten Kraftverstärker mit Folgekolbensteuerung ist das Gehäuse mit --1--, der Kraftkolben mit --2-- und der Steuerschieber mit --3-- bezeichnet. Durch den Kraftkolben --2-- wird der innerhalb des Gehäuses-l-liegende Raum in zwei Druckräume
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4- mit dem Druckmedium beaufschlagbar sind. In der eingezeichneten neutralen Lage des Steuerschiebers --3-- herrscht daher in bei den Druckräumen --4 und 5-- gleicher Druck und der Kraft- kolben --2- steht daher still.
Der koaxial in einer Bohrung des Kraftkolbens --2- angeordnete Steuerschieber --3-- weist etwa in seiner Mitte einen Steuerraum --8--, gebildet durch eine ringförmige Eindrehung auf, der von Steuerkanten-9 und 10-- gegen den Kraftkolben --2-- abgeschlossen ist. Im Kraftkolben - sind ausgehend von den Druckräumen --4, 5-- Kanäle --13, 14-- vorgesehen, die in die Bohrung -3'-- für den Steuerschieber --3-- münden und der Mündung diametral gegenüberliegend stichkanalartig als Steuerräume --11 und 12-- Kraftkolben --2-- enden. Innerhalb des Kraftkolbens - besteht eine Verbindungsbohrung-15-, die die beiden Steuerräume --11 und 12-- miteinander verbindet.
Im Kraftkolben --2-- ist weiters ein Ablaufkanal --16-- parallel zur Achse des Kraftkolbens vorgesehen, der in den Steuerraum --11-- mündet.
Der Kraftkolben --2- weist zwei gleich grosse Wirkflächen --17 und 18-- auf, von denen sich zylindrische Kolbenstangen --19, 20-- beidseits durch das Gehäuse --1-- hindurch nach aussen erstrecken, wobei die Durchtrittsstelle durch das Gehäuse mittels Dichtringen --21-- abgedichtet ist. An der rechten Kolbenstange --19-- ist eine Anschlussgabei --22-- eingeschraubt. gegen die der Steuerschieber --3-- mittels einer Feder --23-- abgestützt ist. Ober die Anschlussgabel - kann die Verstellkraft des Kraftverstärkers in gewünschter Weise übertragen werden.
In der gezeichneten neutralen Lage des Steuerschiebers --3-- herrscht in beiden Druckräumen - 4 und 5-- der gleiche Druck, der Kraftkolben --2-- steht daher still. Bei einer Auslenkung des Steuerschiebers -3-- durch ein symbolisch durch den Pfeil --24-- angedeutetes Steuersignal wird je nach Bewegungsrichtung entweder der Kanal-13 oder 14-über den Steuerraum --8-- des Steuerschiebers --3-- mit dem Ablaufkanal --16-- verbunden, so dass im zugehörigen Druckraum - 4 oder 5-- der Druck abfällt und der Kraftkolben --2-- sich in Bewegung setzt.
Um in diesem Zustand einen zu raschen Druckausgleich zwischen den beiden Druckräumen --4 und 5-- über den gemeinsamen Zulaufkanal ¯-6'¯- zu verhindern, sind in den Zulaufkanälen --6 und 7-- zu den Druckräumen --4 und 5-- Drosseln --25, 26-- eingesetzt. Daraus ergibt sich, dass die Bewegung des Kraftkolbens --2-- relativ langsam und mit einer grossen Hysterese der Verstellkraft erfolgt.
Der in Fig. 2 dargestellte, nach dem Differenzflächenprinzip arbeitende bekannte Kraftver-
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--25-- verschieblichKraftkolben --40-- von aussen radial angebohrt, und diese Bohrungen sind mittels Stopfen - wieder fest verschlossen. An seinem äusseren Umfang weist der Kraftkolben --40-- eine Aus- nehmung --68-- auf, die sich in Form einer ringförmigen Eindrehung über den ganzen Umfang des Kraftkolbens --40-- erstreckt und deren axiale Breite mindestens dem Verstellweg des Kraft- kolbens gleich ist.
Die Ausnehmung --68-- steht einerseits über im Kraftkolben rechtwinkelig zu dessen Achse --69-- vorgesehene Kanäle --70-- mit dem mittleren Steuerraum --48-- des Steuer- schiebers --41-- und anderseits mit dem im Gehäuse --42-- vorgesehenen Zulaufkanal --43-- für das Druckmedium in ständiger Verbindung.
In der in Fig. 3 dargestellten neutralen Lage des Steuerschiebers herrscht in den beiden Druckräumen --54 und 55-- gleicher Druck und der Kraftkolben --40-- steht still. Über die Kan le --70- steht der volle Druck des Druckmediums im mittleren Steuerraum --48-- des Steuer- schiebers --41-- an. Bei der in Fig. 4 dargestellten Auslenkung des Steuerschiebers --41-- durch ein Stellsignal, angedeutet durch Pfeil --71--, stellt die Steuerkante --46-- die Verbindung zwischen dem mittleren Steuerraum --48-- im Steuerschieber --41-- und dem Steuerraum --64-- im Kraftkolben --40- und in weiterer Folge über den Kanal --65-- mit dem Druckraum --54-- her, der dadurch vom Druckmedium voll beaufschlagt wird.
Gleichzeitig öffnet die Steuerkante - des Steuerschiebers --41-- die Verbindung zwischen dem Steuerraum --63-- des Kraftkolbens - und dem äusseren Steuerraum --49-- des Steuerschiebers --41--, so dass über den Kanal - das Druckmedium aus dem Druckraum wie durch Pfeil --72-- angedeutet, ver- drängt wird. Es gelangt über die Verbindungsbohrungen --52-- zwischen dem äusseren Steuerraum - und dem als Ablaufkanal dienenden, im Inneren des Steuerschiebers angeordneten axialen
Hohlraum --51-- sowie über die radialen Öffnungen --53-- im Steuerschieber --41-- nach aussen, wie durch die Pfeile --73-- angedeutet.
Das geschilderte Zu- und Abströmen von Druckmedium be- wirkt eine Bewegung des Kraftkolbens in Richtung der vorausgegangenen Auslenkung des Steuer- schiebers --41--, die so lange anhält, bis die Steuerräume --63 und 64-- durch den Steuerschieber - wieder verschlossen sind. Die Stellung von Steuerschieber --41-- und Kraftkolben - entspricht somit wieder jener in Fig. 3.
Durch die Anordnung von zwei Steuerkantenpaaren im Steuerschieber und jeweils einem, jedem
Steuerkantenpaar zugeordneten Steuerraum im Kraftkolben sowie die voneinander unabhängige Ver- bindung jedes dieser Steuerräume mit jeweils einem der beiden Druckräume ist es möglich, den
Zulauf und den Ablauf des Druckmediums zu bzw. von den Druckräumen getrennt zu steuern. Vor allem wenn, wie im dargestellten Beispiel, die Steuerräume im Steuerschieber und im Kraftkolben als ringförmige zylindrische Hinterdrehungen ausgeführt sind, steht bereits bei einer sehr kleinen
Bewegung des Steuerschiebers eine sehr grosse Querschnittsfläche für den Zu- oder Ablauf des Druck- mediums zur Verfügung, wodurch der Kraftverstärker bereits bei sehr geringen Bewegungen des
Steuerschiebers grosse Verstellkräfte ohne wesentliche Hysterese zur Verfügung stellt.
Infolge des symmetrischen Aufbaus dieses Kraftverstärkers gilt dies für beide Bewegungsrichtungen des Steuer- . schiebers bzw. des Kraftkolbens.
Die Steuerräume vor allem im Kraftkolben müssen nicht, wie in Fig. 3 und 4 beschrieben, als ringförmige Hinterdrehungen ausgeführt sein. Es ist auch möglich, einzelne radiale Bohrungen, die in den bzw. die Kanäle-66 bzw-65-- einmünden, vorzusehen, wodurch erreicht wird, dass bei kleinen Bewegungen des Steuerschiebers zunächst nur eine kleine Querschnittsfläche freigegeben wird. Dies kamm sich als vorteilhaft erweisen, wenn der Kraftverstärker starken Erschütterungen ausgesetzt ist oder wenn Schwingungen des Eingangssignales gedämpft werden sollen.
Der erfindungsgemässe Kraftverstärker ist für viele Anwendungsfälle geeignet, bei denen hohe
Genauigkeit und grosse Stellkräfte bei bereits geringer Auslenkung des Steuerschiebers gefordert werden. Eine derartige Anwendung liegt z. B. in der Verstellung des Einspritzzeitpunktes von Diesel- motoren, die mit sogenannten Einspritzpumpe-Düse-Elementen ausgerüstet sind und bei denen eine
Verstellung des Einspritzzeitpunktes durch Verdrehen einer die Kipphebel zur Betätigung der Einspritzpumpe-Düse-Elemente tragenden Exenterwelle erfolgt. Diese Verdrehung der Exzenterwelle erfordert einerseits grosse Stellkräfte und anderseits ist das Stellsignal bzw. der Stellweg des Steuerschiebers häufig sehr klein.
Da die exakte Einstellung des Einspritzzeitpunktes sehr wesentlich ist und bereits eine Abweichung von 1 bis 20 Kurbelwinkel vom hinsichtlich der Schadstoff-
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emission des Motors optimalen Einspritzzeitpunkt für die Emissionswerte nachteilig ist, kann für diesen Einsatzbereich nur ein sehr präzise, rasch und ohne Hysterese arbeitender Kraftverstärker, wie ihn eben die Erfindung vorsieht, verwendet werden.