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Die
Erfindung betrifft eine elektrohydraulische, proportional ansteuerbare,
Verstelleinheit gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Es
sind verschiedene Verstelleinheiten bekannt die zumeist zur proportionalen
Verstellung von z.B. Steuerschiebern in Hydraulikwegeventilen dienen.
Diese Verstelleinheiten arbeiten häufig nach dem Kraftvergleichsprinzip,
d.h. die proportional einstellbare Kraft eines Proportionalmagneten
wird mit der von der Schieberposition abhängigen Kraft einer Kraft-Rückführfeder
verglichen und daraus, bei Abweichung, ein Stellsignal bis zur Kraftgleichheit
gebildet. Üblicherweise
handelt es sich dabei um Hubmagnete die mit ihrem Ankerstößel eine
Druckkraft ausüben
und Druckfedern die gegensinnig zur Magnetkraft wirken. Solche bekannten
Verstelleinheiten sind für
kleinere Stellhübe
entsprechend den Wegeventilhüben
(ca. 10...15 mm) konzipiert und arbeiten überwegend mit niederen Stelldrücken.
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Stelleinheiten
nach dem Kraftvergleichprinzip haben zunehmende Anwendung gefunden
da eine zusätzliche
Regelelektronik mit elektrischer Wegmessung zur Regelung der Wegeventil-Schieberposition
dabei nicht benötigt
wird.
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Mit
zunehmenden Verstellhublängen
kann jedoch die als Druckfeder ausgeführte Kraft-Rückführfeder
bekanntermaßen
in den Bereich der Instabilität
gelangen und knickt seitlich aus. Um dieser Gefahr entgegenzuwirken
werden Führungshülsen zur Außenführung oder
Führungsbolzen
zur Innenführung
angewandt. Dadurch entsteht aber eine zusätzliche Reibkraft zur Federkraft
was den Kraftvergleich stört
und, um beim vorstehend genannten Beispiel zu bleiben, somit die
Hysterese bzw. die Regelabweichung der eigentlich gewollten Schieberposition
vergrößert.
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Eine
andere Maßnahme
zur Vermeidung der Federknickung wäre die Vergrößerung des
Federdurchmessers bis keine Knickgefahr mehr besteht, dies dürfte aber
in den meisten Fällen
aus baulichen Gründen
nicht möglich
sein da allein nur durch die Kraft-Rückführfeder die Verstelleinheit
erheblich größer bauen
würde.
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Sind über den
Bereich der Wegeventile hinaus, z.B. zur Verstellung von Maschinenteilen,
größere Hübe und/oder
höhere
Drücke
notwendig so werden für
proportionale Verstellungen üblicherweise Baugruppen-Kombinationen
aus Hydraulikzylinder mit elektrischer Wegmessung + Proportionalventil
+ Elektronikbaugruppe zum Ausregeln der SOLL-Position eingesetzt.
Es ist leicht erkennbar, dass die zuletzt genannte Version wesentlich
aufwendiger bezüglich
Bauraum und Kosten ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist , unter Vermeidung der genannten Nachteile, eine
sehr kompakte und kostengünstige,
proportional ansteuerbare Verstelleinrichtung nach dem Kraftvergleichsprinzip
für größere Hübe und/oder
höhere
Drücke
mit geringst möglichen
Reibungseinflüssen,
einfacher Inbetriebnahme und sicherer Funktion in jedem Betriebszustand
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Kraft-Rückführfeder
innerhalb der hohlen Kolbenstange angeordnet und als Zugfeder ausgeführt ist
und über Übertragungsmittel
sowohl mit einer zweiten gleichsinnig wirkenden Feder, als Druckfeder
mit geringem Hub ausgeführt,
als auch mit dem Regelschieber eines 3/2-Ventiles in Wirkverbindung
steht.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Druckfeder
von außen
einstellbar.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
dass zwischen der Regelventilschieberstirnseite und der entgegengesetzt
wirkenden Fläche
am Kraftübertragungshebel
nur Kraftkontakt besteht und die Wirkflächen so gestaltet sind, dass
beim Ausregeln nur Abwälzbewegungen
an der Kraftübertragungsstelle
zwischen den genannten Teilen stattfinden.
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Weiterhin
vorteilhaft ist, dass die Lagerstellen des Kraftübertragungshebels mit reibungsarmen Gleitlager
und/oder mit Nadellager ausgeführt
sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Proportionalmagnet als Zugmagnet ausgeführt und die Kraftübertragungsmittel
sind axial kraftschlüssig
miteinander verbunden.
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In
weiteren Unteransprüchen
sind weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung aufgeführt.
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Mit
dieser Erfindung wird eine proportional ansteuerbare Verstelleinrichtung
nach dem Kraftvergleichsprinzip geschaffen, ohne Regelelektronik,
mit geringsten Einbaumaßen
und geringstem Aufwand.
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Gegenüber einer
knickgefährdeten
Druckfeder findet hierbei eine Zugfeder zur Erzeugung des IST-Wertes
der dem Weg proportionalen Kraft zum Vergleich mit der Magnetkraft
als SOLL-Wert Verwendung, was zu einer reibungsfreien Federkrafterzeugung
führt.
Die restlichen Reibkraftanteile werden durch abwälzende Messkraftübertragung
minimiert oder bei axial verspannter Anordnung nahezu vermieden.
Die Federkrafttoleranzen sind auf einfachste Art, auch während des
Betriebes, durch die von außen
einstellbare Krafttoleranz-Ausgleichsfeder ausgleichbar. Die sehr
kompakte Bauweise ergibt sich aus der Anordnung der über den
gesamten Verstellhub aktiven Zugfeder innerhalb der hohlen Kolbenstange,
was ebenfalls zu einer äußerst kostengünstigen
Lösung
führt.
Eine zusätzliche
Rückstellfeder
ist nicht erforderlich da der Zylinderringraum immer mit dem Arbeitsdruck
beaufschlagt ist und Verstellkräfte von
der Kolbenstange in Ein- wie Ausfahrrichtung übertragen werden können.
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Durch
den geschützten
Einbau und der kompakten und geschlossenen Anordnung der übrigen Bauteile
sowie der vergleichsweise geringen Anzahl von Teilen wird eine hohe
Betriebssicherheit erreicht und Korrosion sowie Verschmutzung der
Funktionsteile, auch beim Einbau in bzw. an mobile Arbeitsmaschinen,
ist ausgeschlossen.
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Weitere
Vorteile und Ausführungen
der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen.
Ebenso können
die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils
einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden.
Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als
abschließende
Aufzählung
zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung
der Erfindung.
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Es
zeigen:
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1 Längsschnitt
durch ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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2 Längsschnitt
durch ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Aus 1 ist
erkennbar, dass die Verstelleinheit 1 aus zwei wesentlichen
Baugruppen besteht, dem Zylinder 2 und dem Ventilteil 3.
Der Zylinder 2 besteht aus dem Zylindermantel 4 und
der Kolbenstange 5. An ihrem äußeren Ende kann die Kolbenstange 5,
z.B. wie dargestellt, mittels eines Gewindes 6 kraftschlüssig an
ein zu betätigendes
Maschinenteil oder Vorrichtung angeschlossen werden. Nicht dargestellt
aber selbstverständlich
kann der Zylindermantel 4 an der Basis von der aus das
Maschinenteil o.ä.
verstellt werden soll befestigt werden. Ebenso selbstverständlich ist,
ebenfalls nicht dargestellt, dass der Zylinder 2 und das
Ventilteil 3 z.B. durch Schrauben fest und dicht miteinander
verbunden sind. Am anderen Ende der Kolbenstange 5 befindet
sich der im Durchmesser größere Kolben 7, Kolbenstange 5 und
Kolben 7 sind in diesem Beispiel einstückig ausgeführt. Die Kolbenstange 5 hat
die Bohrung 8, die zum Kolben 7 hin geöffnet ist
und am Bohrungsgrund mit einer Federaufnahme 9 versehen ist.
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Der
Zylindermantel 4 hat eine kleine Bohrung 10 und
die große
und längere
Bohrung 11. Diese Bohrungsabmessungen entsprechen der Kolbenstange 5 bzw.
dem Kolben 7. Die Innendurchmesser der Bohrungen 10 bzw. 11 sind
gegenüber
dem Außendurchmesser
der Kolbenstange 5 bzw. dem Außendurchmesser des Kolbens 7 mit
sogen. dynamischen Dichtungen 12 bzw. 13 abgedichtet.
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Die
beschriebene Anordnung zeigt einen sogen. Differentialzylinder dessen
Wirkungsweise als allgemein bekannt vorausgesetzt werden kann. Die Funktion
des sogen. Zylinderdeckels, als druckdichten Abschluss der Zylinderbodenseite 37 wird
hierbei vom Ventilteil 3 mit übernommen. Das Ventilteil 3 besteht
aus einem 3/2 – Regelventil 14 mit
seinem Regelschieber 15 der in Kraftkontakt steht zur gekrümmten Wirkfläche 16 am
Kraftübertragungshebel 17.
Auch der Regelschieber 15 hat an seiner der Wirkfläche 16 zugewandten
rechten Stirnseite eine gekrümmte
Kuppe 18. Im Zusammenwirken der Wirkfläche 16 mit der Kuppe 18 findet
eine Abwälzbewegung
statt. Der Kraftübertragungshebel 17 ist
in der Achse 19 schwenkbar gelagert. Die Achse 19 ist im
Gehäuse 20 des
Ventilteils 3 befestigt. Zwischen der Achse 19 und
dem Kraftübertragungshebel 17 ist entweder
ein reibungsarmes Gleitlager 21 oder Nadellager 21 eingebaut.
Am anderen, linken Ende des Regelschiebers 15 steht der
Ankerstößel 22 des
Proportionalmagneten 23 in Wirkverbindung mit dem Regelschieber 15.
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Die
Zugfeder 24 als Kraft-Rückführfeder
ist einerseits mit der Kolbenstange 5 an der Federaufnahme 9 befestigt
und andererseits mit der zweiten Federaufnahme 25 form-
und kraftschlüssig
verbunden. Die Federaufnahme 25 wiederum ist gelenkig über ein
Gleitlager 21 oder Nadellager 21 mit dem Kraftübertragungshebel 17 in
Wirkverbindung.
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Am
Kraftübertragungshebel 17 greift
außerdem
noch die Druckfeder 26 an. Diese Feder 26 ist über die
Schraube 27 von außen
einstellbar. Die Abstände
der drei Kraftangriffspunkte zur gemeinsamen Drehachse 19 sind
in Abstimmung der jeweils wirkenden Kräfte nach dem Hebelgesetz ausgelegt.
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Die
Druckversorgung ist symbolisch mit der Pumpe P dargestellt und ist über die
erste Leitung 28 mit der Verstelleinheit 1 verbunden.
Diese Leitung 28 teilt sich innerhalb der Verstelleinheit 1 auf
in die Leitung 29 und verbindet damit die Druckversorgung
P ständig
mit dem Ringkolbenraum 30 des Differentialzylinders 2.
Ein zweiter Leitungsabschnitt 31 führt von der Druckversorgung
P zum Druckanschluss 32 des 3/2-Regelventiles 14.
Ein zweiter Anschluss 33 verbindet das 3/2-Regelventil 14 mit
der Tankanschlussleitung 34. Ein dritter Anschluss 35 des 3/2-Ventiles 14 führt über die
Leitung 36 in den Kolbenbodenraum 37 des Differentialzylinders 2.
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In 2 sind
gleiche Teile weitestgehend ohne Bezugszeichen und brauchen, bei
gleicher Funktion, nicht nochmals erklärt werden. Neue oder abgewandelte
Teile erhalten neue Bezugszeichen. Der Differentialzylinder 2 ist
gleich aufgebaut und enthält
ebenfalls in der Kolbenstangenbohrung 8 die Zugfeder 24.
Die zweite Federaufnahme 25.1 ist ebenfalls kraft- und
formschlüssig
mit der Zugfeder 24 verbunden und hat eine Bohrung 25.2.
Der Regelschieber 15.1 hat einerseits den Anschlagbund 15.2 und
andererseits den Anschlagbund 15.3. Der Regelschieber 15.1 taucht
in die Bohrung 25.2 ein und hat über den Anschlagbund 15.2 eine
nur Zugkräfte übertragende,
axial kraftschlüssige
Verbindung mit der Federaufnahme 25.1. Mit dem zweiten
Anschlagbund 15.3 besteht eine ebenfalls nur Zugkräfte übertragende,
axial kraftschlüssige
Verbindung mit dem Kupplungsstück 40.
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Der
Proportionalmagnet 23.1 ist als Zugmagnet ausgeführt und
hat einen durchgehenden Ankerstößel 22.1 mit
einerseits einem Anschlagbund 22.2 und andererseits mit
der Druckfederaufnahme 22.3.
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Der
Anschlagbund 22.2 ist über
das Kupplungsstück 40 mit
dem Regelschieber 15.1 so verbunden, dass über die
axial kraftschlüssige
Verbindung nur Zugkräfte übertragen
werden können.
Der Proportionalmagnet 23.1 ist dabei als Zugmagnet, auf
den Anschlagbund 22.2 bezogen, ausgeführt. In die Federaufnahme 22.3 greift
die Feder 26.1 ein und ist über die Schraube 27 einstellbar.
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Die
hydraulischen Anschlüsse
und Leitungsführungen
sind prinzipiell gleich, lediglich das Symbol des 3/2-Regelventiles 14.1 ist
in der entgegengesetzten Grundstellung dargestellt.
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Anhand
der 1 ergibt sich folgende Wirkungsweise der neuen
elektrohydraulischen Verstelleinheit:
Die Verstelleinheit 1 ist
in ihrer Grundstellung dargestellt, wenn kein Stellsignal bzw. Steuerstrom
am Proportionalmagneten 23 anliegt. Durch die Restkraft der
Zugfeder 24 wird über
den Kraftübertragungshebel 17 der
Regelschieber 15 nach links gedrückt und dadurch, entspr. dem
hydraulischen Symbol des 3/2-Regelventiles 14 der Kolbenbodenraum 37 des Differentialzylinders 2 entlastet
und die Kolbenstange 5 wird durch den immer im Ringkolbenraum 30 wirkenden
Druck von P bis zum Endanschlag nach links gedrückt, die mögliche Zugkraft der Kolbenstange 5 nach
außen
beträgt
dabei Ringkolbenfläche 30.1 x Druck.
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Soll
die Kolbenstange 5 ausfahren, so muss an den Proportionalmagneten 23 ein
Strom angelegt werden, je höher
der Strom umso höher
ist die vom Magneten 23 über den Ankerstößel 22 auf
den Regelschieber 15 ausgeübte Kraft. Dieser Magnetkraft entgegengesetzt
wirken, über
den Kraftübertragungshebel 17,
zum einen die wirksame Kraft der Zugfeder 24 und die im
gleichen Drehsinn auf den Drehpunkt der Achse 19 bezogen
wirkende Kraft der Druckfeder 26. Bei Kraftüberschuss
des Magneten 23 wird im ersten Moment der Regelschieber 15 nach rechts
verschoben, bis zum internen Magnetanschlag und gemäß dem Hydrauliksymbol
von 14 der Druck von P in den Kolbenbodenraum 37 geleitet.
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Aufgrund
der Flächendifferenz
Kolbenbodenfläche > Ringkolbenfläche wird
die Kolbenstange 5 nach rechts verschoben, die dabei nach
außen
wirkende Kraft ist (Kolbenbodenfläche – Ringkolbenfläche) x Druck.
Mit der Bewegung der Kolbenstange 5 nach rechts wird die
Zugfeder 24 weiter vorgespannt, d.h. die Kraft nimmt solange
zu bis sie in der Lage ist den Regelschieber 15 gegen die
Magnetkraft wieder nach links zu schieben, solange bis Kraftgleichgewicht
herrscht und der Regelschieber 15 eine mittlere Regelposition
einnimmt, zwischen den beiden Endstellungen des Regelventiles 14 bzw.
des Magneten 23. In dieser Position bleibt die Kolbenstange 5 stehen,
solange bis das Sollwertsignal am Magneten 23 verändert wird.
Bei Stromverminderung besteht im ersten Moment ein Kraftüberschuss
der Zugfeder 24 und der Kolbenbodenraum 37 wird
im umgekehrten Funktionsablauf entlastet, solange bis wieder Kraftgleichgewicht
herrscht. Durch den Kraftvergleich zwischen Zugfederkraft und Magnetkraft
besteht also ein proportionaler Zusammenhang zwischen Magnetstrom
und Kolbenstangenweg. Die Kraft der Druckfeder 26 ist unabhängig vom
Kolbenstangenweg und ist in der Ausrege-I stellung des Regelschiebers 15 immer
gleich, sie dient lediglich dazu die bei der Federherstellung unvermeidliche
Toleranz der Zugfederkraft in der fertiggestellten Verstelleinheit 1 ausgleichen
zu können,
so dass z.B. der SOLLWERT-Startstrom für verschiedene Verstelleinheiten immer
gleich ist. Besonders vorteilhaft und praxisgerecht dabei ist, dass
die Einstellung der Ausgleichskraft von außen, auch während des Betriebes, möglich ist
und damit bei Inbetriebnahme oder vor Ort noch Anpassungen an die
individuellen Bedingungen der Maschine und Ansteuerung möglich ist.
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Die
Schilderung der Wirkungsweise und Beschreibung der Bauart zeigen,
dass mit dieser neuen Verstelleinheit, durch Ausschaltung der Federknickung,
wesentlich größere Hübe, ein
Mehrfaches von Wegeventilhüben,
möglich
ist. Eine bestmögliche
Regelgenauigkeit kann erreicht werden durch die Minimierung der
gleitenden Reibung durch reibungsarme Lagerung der Drehpunkte bzw.
Vermeidung gleitender Reibung innerhalb der Kraft-Übertragungsmittel durch
Anwendung von Abwälzbewegungen
an den Lagern- und Kontaktstellen. Die Anwendung der Zugfeder in
der Kolbenstangenbohrung 8, mit ihrem wesentlich kleineren
Außendurchmesser
gegenüber
einer knicksicheren Druckfeder, führt zu einer unerreichten Kompaktheit
und erlaubt ausreichend große Wandstärken der
hohlen Kobenstange, so dass sehr hohe Drücke > 315 bar als Betriebsdrücke zulässig sind.
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Die
Wirkungsweise der zweiten Ausführungsform
nach 2 ist im Grundsatz gleich. Lediglich die Anordnung
der Kraftübertragungsmittel weicht
von der zuerst beschriebenen Ausführungsform ab. Alle Kraftübertragungsmittel 15.2+15.3+40+ 22.2+22.3 liegen
auf einer Achse und sind durch die wirkenden Federkräfte axial
spielfrei. Es ist ebenfalls die gleiche Grundstellung dargestellt
bei stromlosem Magnet 23.1. Wird der Magnet 23.1 mit
einem SOLLWERT-Strom erregt, so hat er im ersten Moment Kraftüberschuss
und zieht über
das Kupplungsstück 40 den
Regelschieber 15.1 nach links bis zum internen Magnetanschlag.
In der Folge nimmt das Regelventil 14.1 die andere Endstellung
ein und verbindet den Druck von P mit dem Kolbenbodenraum 37,
so dass sich die Kolbenstange daraufhin solange nach rechts bewegt
bis die dadurch zunehmende Kraft der Zugfeder 24 über den
Anschlagbund 15.2 des Regelschiebers 15.1 bei
Kraftgleichheit mit der Magnetkraft das Regelventil 14.1 in
die mittlere Regelposition bringt und die Kolbenstange 5 in
der gewünschten ISTWERT-Position
stehen bleibt. Sinngemäß bewegt sich
die Kolbenstange 5 nach links bei Stromverminderung am
Proportionalmagneten 23.1, wobei im ersten Moment durch
den nun herrschenden Kraftüberschuss
der Zugfeder 24 der Magnetanker bis zum rechten, internen
Magnetanschlag gezogen wird. Die Druckfeder 26.1 dient
ebenfalls nur dem Ausgleich der Krafttoleranzen der Zugfeder 24 und
ihre eingestellte Kraft ist unabhängig vom Hub des Kolbens 5 und
ist in der Ausregelstellung des Regelschiebers 15.1 immer
gleich.
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Zusätzliche
Vorteile ergeben sich durch die reibungsfreie Übertragung der Federkräfte, was
sich in einer noch höheren
Regelgenauigkeit auswirkt. Lediglich die Einbaulänge der gesamten Verstelleinheit 1.1 ist
etwas länger,
so dass je nach Einbaubedingungen beide Ausführungsformen zum Einsatz kommen
werden. Ansonsten gelten alle Vorteile der ersten Ausführungsform
nach 1 auch hier.
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Neben
der proportionalen Verstellung von Maschinenteilen mit den beschriebenen
Verstelleinheiten ist eine teilweise oder komplette Integration der
Funktionsbaugruppen, unter Beibehaltung desselben neuen Prinzips,
in hydraulische Verstellpumpen oder Verstellmotoren mit denselben
Vorteilen möglich.