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Die
Erfindung betrifft eine kompakte Hydraulikzylinder/Magnetventilkombination,
geeignet zur Verblockung von Stellbewegungen von beispielsweise
Stellgeräten, Reibungsbremsen, Hubeinrichtungen o. ä.,
die bei zufälligem Ausfall der Stromversorgung oder gewollter
Auslösung eine Stellbewegung ausführen müssen.
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Stand der Technik
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Bekannt
sind elektromechanische Gesperre mit Klinkensystem oder Kugel bzw.
Rollenrastung, hydraulische Kolben/Zylindersperrsysteme mit extern
angeordnetem Magnetventil.
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Nachteilig
bei genannten Systemen ist das Bauvolumen und die insbesondere bei
Klinkengesperren notwendige hohe Auslösekraftreserve um
sichere Funktion auch bei Alterung, Verschleiß und Verschmutzung
sicherzustellen.
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Zweck der Erfindung
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Zweck
der Erfindung ist die Schaffung eines elektrohydraulischen Kolben/Zylindersperrsystems, welches
platzsparend sowie preisgünstig zu fertigen ist und zuverlässig
auslöst. Das Hydraulikfluidvolumen soll möglichst
klein und der Energieverbrauch gering sein. Zylinder und Magnet
sollen so kompakt bauen, daß bei Bedarf eine koaxial zum
Zylinder angeordnete Rückstellfeder, vorzugsweise Schraubenfeder,
vorgesehen werden kann.
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Die
Stellbewegung soll wahlweise mit starker Dämpfung oder
bis nahezu ungedämpft erfolgen.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der elektrischen Abschaltung
der Magnetspule die hydraulische Verblockung des Kolben/Zylindersystems
aufzuheben und damit eine leichtgängige bei Bedarf geschwindigkeitsabhängig
gedämpfte Bewegung der Kolbenstange zuzulassen. Bei elektrisch bestromter
Spule sollen Kolbenstange und der auf der Kolbenstange axial unverschiebbar
angeordnete Kolben in einer Arbeitsstellung zur Verhinderung einer
Hubbewegung vorgenannter Teile blockiert werden. Außerdem
sollen durch Temperaturschwankungen bedingte Volumenänderungen
des Hydraulikfluids ohne zusätzlichen Ausgleichbehälter
kompensiert werden.
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Bei übermäßigem
Zylinderinnendruck, hervorgerufen durch z. B. unzulässig
hohe auf die Kolbenstange wirkende Stellkräfte, sollen
Teile des Magnetventils als Sicherheitsdruckbegrenzungseinrichtung
fungieren.
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Durch
im Laufe der Betriebszeit eventuell auftretende interne oder externe
Flüssigkeitsverluste verursachte unerwünschte
Stellbewegungen ist ein Sensor zu aktivieren, welcher die Bewegungsauslösung
an eine elektronische Steuerung zur Weiterverarbeitung meldet.
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Erfindungsgemäße
Lösung
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Eine
Blockiereinrichtung, die o. g. Eigenschaften aufweist, wird durch
einen Hydraulikzylinder (1) realisiert, der mit seinem
Kolben (2) und einem im Zylinder (1) befindlichen
Anker (5) sowie einem koaxial außen um den Zylinder
(1) angeordneten Eisenrückschluß (8)
und einer darin um den Zylinder (1) angeordneten Spule
(7), mit einem Wicklungsanfang A und einem Wicklungsende
E, im Bereich einer seiner Enden einen Elektromagneten bildet. Der
Arbeitsluftspalt (AL) des Elektromagneten befindet sich zwischen
den sich gegenüberliegenden Stirnflächen von Kolben
(2) und Anker (5). Der Kolben (2) ist
damit ein Polschuh des Elektromagneten. Zylinder (1), Kolben
(2), Anker (5) und Eisenrückschluß (8)
bestehen aus ferromagnetischen Werkstoffen, z. B. niedrig gekohltem
Stahl im weichgeglühten Zustand.
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Der
Zylinder (1) kann auch aus nichtmagnetischen Werkstoffen,
wie z. B. austenitischem Stahl, Messing, Aluminium o. ä.
bestehen. Im Bereich der Magnetspule (7) sind dann jedoch
Schalen (17) aus ferromagnetischem Werkstoff vorzusehen.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel mit ferromagnetischem Zylinder
(1). In 2 ist ein Ausführungsbeispiel
mit Zylinder (1) aus nichtmagnetischem Werkstoff und eingelegten
ferromagnetischen Schalen (17) dargestellt. Um den magnetischen
Fluß im wesentlichen über Kolben (2),
Anker (5) und Arbeitsluftspalt (AL) zu leiten, ist die
Zylinderwand im Bereich des Arbeitsluftspaltes mit einer Einschnürung
(9) geringer Wandstärke ausgeführt, d.
h. der magnetische Widerstand bei offenem Arbeitsluftspalt (AL)
ist in diesem Bereich groß. In dem Ausführungsbeispiel
nach 4 wird die Tragfähigkeit des Zylinders
erhöht, indem in die Einschnürung (9) Schalen oder
Stege (20) aus nichtmagnetischen Werkstoffen eingeschweißt,
gelötet, geklebt oder anderweitig gefügt werden.
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Wird
in der in 1 u. 2 dargestellten Kolbenposition
die Magnetspule (7) von elektr. Strom durchflossen, so
hat der Anker (5) das Bestreben den magnetischen Widerstand
im Arbeitsluftspalt (AL) zu verringern. Der Anker (5) bewegt
sich unter Kraftwirkung in Richtung Kolben (2).
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Im
Kolben (2) befindet sich u. a. eine axial angeordnete Durchgangsbohrung
(B) mit einer Düsenbohrung (12), die einen Strömungskanal
zwischen dem oberhalb des durch Kolben (2), Zylinder (1)
und oberen Zylinderdeckel (3) gebildeten Hohlraum und dem
aus Kolben (2), Zylinder (1) und unterem Zylinderdeckel
(4) gebildeten Hohlraum herstellt. Diese Bohrung (B) nimmt
ein aus Ventilsitz (18), Ventilstößel
(10), Düsenbohrung (12) und Ventilnadel bzw.
Ventilabdichtung (11) bestehendes Schaltventil auf. Je
nach Hubstellung der Ventilnadel bzw. der Ventilabdichtung (11)
sind nun oberer und unterer Zylinderraum voneinader strömungsmäßig
getrennt oder verbunden. Die beiden Zylinderräume sind
vollständig mit Hydraulikfluid gefüllt.
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Drückt
nun der Anker (5) infolge der magnetischen Anziehungskraft
zwischen selbigem und Kolben (2) in der in 1, 2, 4, 5, 7, 8 u. 10 dargestellten
Kolbenposition direkt oder indirekt über Hebel (14)
auf den Stößel (10) der Ventilnadel bzw.
des Ventilkolbens, so werden oberer und unterer Zylinderraum strömungsmäßig
voneinander getrennt. Die Fluidvolumina in oberem und unterem Zylinderraum
sind eingeschlossen. Infolge der Inkompressibilität des
Fluides ist die Bewegung des Kolbens (2) in der dargestellten
Arbeitsposition blockiert. Wird der Stromfluß in der Spule
(7) unterbrochen, so fällt der Anker (5),
unterstützt vom im oberen Zylinderaum gegenüber
dem unteren Zylinderaum, bei Vorhandensein einer auf die Kolbenstange
(13) wirkenden Zugkraft (F) sowie einer entsprechenden Reaktionskraft
am Zylinderfuß (6), herrschenden Überdruck
vom Kolben (2) ab. Die im Kolben (2) befindliche
Düsenbohrung (12) des Schaltventils wird somit
geöffnet. Oberer und unterer Zylinderraum sind nun strömungsmäßig
verbunden und eine Fluidströmung zwischen beiden Räumen
ist möglich. Der Kolben (2) ist nicht mehr blockiert
und läßt damit eine Hubbewegung der mit ihm fest
verbundenen Kolbenstange (13) in Richtung oberer Zylinderdeckel
(3) zu.
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Die
Wahl der Größe des Düsenquerschnittes (12)
bestimmt dabei den Grad der Dämpfung der Hubbewegung. Eine
zweite axial im Kolben (2) angeordnete Bohrung nimmt ein
aus Ventilfeder, Ventilsitz und Ventilabschlußkörper
(15) gebildetes Rückschlagventil auf. Dieses Rückschlagventil
gewährleistet, daß die Bewegung des Kolbens aus
Richtung des oberen Zylinderdeckels (3) in Richtung des
unteren Zylinderdeckels (4) mit sehr geringem Kraftaufwand
erfolgen kann.
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Wird
der Stößel (10) des Schaltventiles gefedert
ausgeführt, so wird damit eine wirksame Absicherung des
oberen Zylinderraumes gegen Überschreitung des zulässigen
Druckes gewährleistet.
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Drucküberschreitung
kann durch übermäßige Zugkräfte
auf die Kolbenstange (13) und/oder thermische Fluidausdehnung
bei Erwärmung der Zylinderfüllung auftreten.
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10 zeigt
die oben beschriebene Blockiereinrichtung, jedoch ohne Hebel (14),
mit direkter Betätigung des Ventilstößels
(10) durch den Anker (5).
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3 zeigt
die Blockiereinrichtung gemäß 1,
jedoch in Ruhestellung. Der Anker (5) liegt lose auf einem
Bund der Kolbenstange auf und der Arbeitsluftspalt (AL) und damit
die Düsenbohrung (12) sind voll geöffnet.
Die Zylinderräme beidseits des Kolbens sind somit strömungsmäßig
verbunden, d. h. ein Überströmen des Hydraulikfluides
zwischen den beiden genannten Zylinderräumen ist möglich.
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Um
Wärmedehnung oder geringfügigen Leckverlust des
Fluides auszugleichen, ist der untere Zylinderdeckel (4)
axial verschiebbar im Zylinder (1) angeordnet, somit schwimmend
gelagert. Er wird durch ein im Neuzustand etwa auf die Hälfte
seines Arbeitsweges vorgespanntes elastisches Element mit definierter
Kraft vorgespannt. Das elastische Element stützt sich dabei
auf dem Zylinderfuß (6) ab. Bevorzugt kommen Tellerfedern
(16) als elastisches Element zum Einsatz.
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Nimmt
das Fluidvolumen infolge Erwärmung zu, so weicht der untere
Zylinderdeckel (4) in Richtung Zylinderfuß (6)
aus. Nimmt das Fluidvolumen infolge Leckverlust oder Abkühlung
dagegen ab, so verschiebt das elastische Element (16) den
unteren Zylinderdeckel (4) in Richtung des Kolbens (2).
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Die
in 1 gezeigte Kraftwirkung F der zu hemmenden Hubbewegung
wird an der Kolbenstange (13) und die Reaktionskraft -F
am Zylinder (1) bzw. dem Zylinderfuß (6)
eingeleitet.
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Der
in 1 bis 8 u. 10 dargestellte Sensor
(19) registriert ob sich der Kolben (2) in Arbeitsposition
(Blockierstellung) befindet oder nicht.
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Dadurch
sind Fehler des Systems in Form von unerwünschtem Verlassen
der Arbeitssposition erkennbar und können geeignet behandelt
werden.
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Im
einfachsten Fall ist der Sensor (19) ein elektrischer Kontakt,
welcher öffnet, sobald der Kolben (2) bzw. die
Kolbenstange (13) die Arbeitsposition verlassen hat.
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Eine
Schaltung, wie in 9a u. 9b beispielhaft
dargestellt, wertet das Signal des Sensors (19) aus und
bewirkt z. B. die erneute Bewgung des Kolbens (2) in die
Arbeitsposition durch z. B. Einschalten eines Servomotors zum neuerlichen
Spannen der Blockiereinrichtung, ausgelöst durch eine Zustandsänderung
eines I/O Anschlusses des Mikrocontrollers (Mc).
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In 5 ist
eine erweitertes Ausführungsbeispiel der Blockiereinrichtung
mit einer koaxial zum Zylinder angeordneten Arbeitsfeder (22)
dargestellt. Die Arbeitsfeder (22) dient als Energiespeicher
und führt bei Unterbrechung der Spulenstromzufuhr einen
Arbeitshub aus. Im gespannten Zustand wird sie bei stromdurch flossener
Spule (7) durch die Blockiereinrichtung gehalten. Das Spannen
der Feder (22) kann durch eine beliebige Stelleinrichtung
erfolgen. 6 zeigt die Blockiereinrichtung
gemäß (5), jedoch
in Ruhestellung mit teilentspannter Arbeitsfeder (22).
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Die
Abstützung der Blockiereinrichtung seitens der Kolbenstange
(13) erfolgt dabei an der Kupplung zum Servomotor (24).
Die Arbeitsfeder (22) stützt sich an ihrem einen
Ende am mit der Kolbenstange (13) fest verbundenen Joch
(25) und an ihrem anderen Ende am gegen axiale Verschiebung auf
dem Zylinder gesichertem Teil des Eisenrückschlusses (8)
ab.
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Die
Blockiereinrichtung mit Arbeitsfeder (22) dient bei dieser
beispielhaft dargestellten Anwendung als in den Kraftfluß der
Betätigungsspindel zwischengeschaltete hilfsenergiefreie
Netzausfall-Sicherheitsstelleinrichtung einer Außenbackenbremse mit
elektrischem Antrieb der Bremsspindel.
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Um
den elektrischen Leistungsbedarf und die Erwärmung der
Blockiereinrichtung möglichst gering zu halten erfolgt
die Magnetspulenansteuerung bevorzugt durch eine gepulste Stromversorgung,
wie sie in OS
DE 10038619A1 angegeben
ist. Diese mikrocontroller gesteuerte Schaltung hat zugleich den Vorteil,
daß sie die Überwachung des Sensorsignals der
Blockiereinrichtung und ggf. weitere Steueraufgaben kostengünstig übernimmt.
Eine analoge Ansteuerung wie in
DD 217070A1 beschrieben ist ebenfalls einsetzbar.
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Eine
entsprechende extrem kostengünstig zu fertigende mikrocontroller
gesteuerte Schaltung ist in 9a mit
Transistor T für Gleichspannungsbetrieb und in 9b für
den Betrieb an Wechselspannungsnetzen mit Thyristor (Th) dargestellt.
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Signalisiert
der Sensor (19), daß die Blockiereinrichtung sich
nicht in der Arbeitsposition befindet, so bleibt die Magnetspule
(7) stromlos. Ist die Arbeitsposition erreicht, so signalisiert
der Sensor (19) dieses.
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Der
Mikrocontroller (Mc) steuert den Leistungstransitor T bzw. Thyristor
Th durch und die Magnetspule (7) erhält den maximal
möglichen Versorgungsstrom. Die Trägheit der Ankerbewegung
wird im Steuerprogramm des Mikrocontrollers (Mc) durch die Zeitsanne
ti berücksichtigt. Nach Verstreichen der Zeitspanne ti,
in der der Anker seine gesamte Arbeitsbewegung sicher ausgeführt
hat, beginnt der Mikroprozessor (Mc) den Leistungsschalter T bzw.
Th im Takt auf- und zuzusteuern. Die Magnetspule (7) erhält
damit nur einen Bruchteil der möglichen elektrischen Maximalleistung.
Bei gesperrtem Transistor T hält die Freilaufdiode D den
Stromfluß durch die Magnetspule (7) aufrecht.
Da bei geschlossenem Arbeitsluftspalt (A1) die Haltekraft des Magnetankers (5)
auch bei geringem Stomfluß sehr hoch ist, ist ein sicheres
Halten des Ankers (5) in Arbeitsposition gewährleistet.
Die gleiche Aufgabe wie Transistor (T) erfüllt bei Wechselspannungsbetrieb
der Thyristor (Th), der hier in jeder positiven Halbwelle mehr oder weniger
verzögert nach dem Nulldurchgang (beim Wechsel von negativ
(vierter Quadrant) nach positiv (erster Quadrant) gezündet
wird. Die erforderliche Verzögerungszeit ist im Steuerprogramm
des Mikrocontrollers (Mc) als Variable oder Konstante hinterlegt.
Der Nulldurchgang der Sinusförmigen Netzspannung bei der
Wechselspannungsvariante gemäß 9b wird
mittels des hochohmigen Widerstandes R direkt von einem digitalen
I/O Pin des Mikrocontrollers (Mc) erfaßt.
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Sollte
aus Gründen von Überlastung, kurzzeitigem Netzausfall
oder Fluidverlust im oberen Zylinderraum die Arbeitsstellung ungewollt
verlassen werden, wird durch die Signalisierung des Sensors (19)
an den Mikroprozessor (Mc) eine geignete Reaktion durch letzteren
erfolgen. Eine geeignete Reaktion kann z. B. die Ansteuerung des
Servomotors (24) gemäß 5 u. 6 zwecks
erneuter Spannung der Arbeitsfeder (22) sein.
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Eine
besonders energiesparende Variante läßt sich dadurch
realisieren, wenn im Eisenkreis des Elektromagneten ein hartmagnetischer
Werkstoffanteil enthalten ist. So kann z. B. der Eisenrückschluß (8)
teilweise aus hartmagnetischem Werkstoff hergestellt werden. Der
hartmagnetische Anteil kann durch nur einen magnetischen Impuls
der Magnetspule (7) aufmagnetisiert werden und durch einen
entgegengesetzten Impuls entmagnetisiert werden.
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Im
aufmagnetisierten Zustand ist der Eisenkreis geschlossen und die
Arbeitsposition wird ohne weitere äußere Energiezufuhr
gehalten. Im entmagnetisierten Zustand befindet sich der Anker (5)
in abgefallener Position und der Arbeitsluftspalt ist geöffnet.
Die Vorrichtung ist somit im unblockierten Ruhezustand. Es bietet
sich bei dieser Variante, die im mechanischen Aufbau völlig
den in 1; 2; ... gezeigten Varianten entspricht,
an, den Anker aus hartmagnetischem Werkstoff zu fertigen bzw. eine
hartmagnetische Lochscheibe (26) auf der dem Kolben zugewandte
Seite des Ankers (2) aufzubringen. Der Aufbau mit einer
hartmagnetischen Lochscheibe (26) ist in 7 dargestellt.
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Die
Ansteuerung der Magnetspule, die Überwachung des Netzes
und ggf. von Temperatur und Position kann sowohl durch analoge Schaltungen oder
auch mikrokontrollergesteuert erfolgen.
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Die
in den Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 7 dargestellten
Blockiereinrichtungen arbeiten nach dem Prinzip des Gleichlaufzylinders mit
beiderseits des Kolbens (2) gleichen Verdrängervolumina.
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In 8 ist
die oben beschriebene Blockiereinrichtung mit einem Differentialkolben
(27) ausgerüstet. Die Kompensation der Verdrängungsvolumendifferenz
des Kolbens (2) übernimmt der schwimmend gelagerte
untere Zylinderdeckel (4). Der Hub des unteren Zylinderdeckels
(4) ist dabei mindestens für die maximal mögliche
Verdrägervolumendifferenz zwischen den Zylinderräumen
unterhalb und oberhalb des Kolbens (2) auszulegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10038619
A1 [0030]
- - DD 217070 A1 [0030]