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Die
Erfindung geht aus von einer Regelanordnung nach der Gattung des
Hauptanspruchs.
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Proportionale
Winkelverstellungen sind in verschiedenen Anwendungen in der Technik
eingeführt und bekannt. Es gibt elektromechanische und elektrohydraulische
Ausführungen mit demselben Grundprinzip einer linear antreibenden
Motoranordnung deren Linearbewegung mittels entsprechender mechanischer
Getriebe- oder Hebelanordnungen in eine Winkel- oder Schwenkbewegung
der eigentlich zu verstellenden Einheit umgeformt werden. Zum Beispiel
dienen solche Einrichtungen bei Axialkolbenmaschinen wie Hydraulikpumpen
oder -motoren dazu, das Förder- oder Schluckvolumen dieser
Maschinen bedarfsbezogen zu verändern. Diese Verstelleinrichtungen
werden zunehmend über ein elektrisches Sollwertsignal in
einer damit verbundenen elektro-hydraulischen Proportionalverstellung
angesteuert. Verschiedene Verstelleinrichtungen für die Bauarten „Schrägscheibe” oder „Schrägachse” sind bekannt,
wobei immer eine lineare, proportionale Stellbewegung über
mechanische Wirkmechanismen in eine analoge Winkelbewegung einer
Zylindertrommel umgesetzt werden und damit der Förderhub der
Axialkolben in der Zylindertrommel innerhalb der Axialkolbenmaschine
verändert wird.
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Der
Stand der Technik wird beispielhaft aus dem Bereich der Axialkolbenmaschinen
an zwei unterschiedlichen Ausführungen beschrieben. Das
erste Ausführungsbeispiel, nach der Patentschrift
DE 196 53 165 C2 ,
beschreibt eine Verstellvorrichtung zur proportionalen Verstellung
des Fördervolumens einer Axialkolbenpumpe nach dem Schrägachsenprinzip.
Ein Stellkolben mit zwei wirksamen Steuerflächen, nach
dem Differenzflächenprinzip, ist an seiner Mitte über
ein im Steuerspiegelkörper gleitenden Stellzapfen kraftschlüssig
mit dem Steuerspiegelkörper gekuppelt, an dieser Stelle
wird der Linearhub des Stellkolbens in eine Schwenkbewegung des Steuerspiegelkörpers
und damit einer Winkelverstellung der Zylindertrommel umgesetzt.
Die kleinere Steuerfläche des Stellkolbens wird ständig
mit dem Druck der Hochdruckleitung, d. h. dem herrschenden Förderdruck,
beaufschlagt, während die größere Stellfläche
des Stellkolbens über ein Steuerventil, ebenfalls aus der
Hochdruckleitung gespeist, mit einem veränderlichen Druck
beaufschlagt werden kann.
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Die
Sollwerteingabe erfolgt durch Kraftbeaufschlagung des Ventilkolbens
auf einer Seite des Steuerventils durch einen Proportionalmagneten. Dieser
Sollwert-Magnetkraft entgegengerichtet ist die Kraft einer Rückkopplungsfeder,
innerhalb des Stellkolbens angeordnet, die auf die andere Seite
des Ventilkolbens des Steuerventils wirkt und in Abhängigkeit
des Stellkolbenhubs somit den Istwert als Federkraft bildet. Die
Rückkopplungsfeder ist dabei als Druckfeder ausgeführt.
Wie die 1 und 2 der zitierten
Patentschrift zeigen, muss die als Druckfeder ausgeführte
Rückkopplungsfeder teilweise außen geführt
werden, um einer Knickgefahr vorzubeugen. Stromlos befindet sich
die Zylindertrommel in der maximalen Winkelstellung, das bedeutet,
bei drehender Antriebswelle ist maximale Fördermenge der Axialkolbenpumpe
eingestellt bzw. bei maximalem Sollwertstrom am Proportionalmagneten
ist die minimale Winkelstellung und somit Null-Fördermenge eingestellt.
Eine Förderstromumkehr ist nicht möglich. Der
Einsatzbereich ist dadurch eingeschränkt. Es gibt zunehmend
Anwendungen die ein Durchschwenken der Zylindertrommel von einer
positiven Maximalfördermenge zu einer entgegengesetzten Förderrichtung,
der sogenannten negativen Förderrichtung, im Normalfall
bis zu derselben Maximalfördermenge erfordern, wobei die
Mittelstellung, bei 0° Schwenkwinkel, bei Sollwert = 0
sich selbständig einstellen soll. Weiterhin nachteilig
ist der Reibkontakt der Rückkopplungsfeder in der Führungsbohrung des
Stellkolbens wodurch die Regelgenauigkeit negativ beeinflusst wird,
sowie der verschleißbehaftete Gleit-Reibkontakt zwischen
dem Kupplungsstück des Stellkolbens mit der Schwenkscheibe.
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Beim
zweiten Ausführungsbeispiel zum Stand der Technik handelt
es sich um eine Proportionalverstellung für eine Schrägachsenpumpe
nach der Patentschrift
DE
100 43 451 B4 . Hierbei ist die Zylindertrommel innerhalb
eines Schwenkelementes (Schwenkjoch) gelagert das innerhalb der
Verdrängereinheit um einen Winkel von +/– Maximalstellung schwenkbar
ist und dadurch die Fördermenge der Axialkolbenpumpe, oder
auch Axialkolbenmotor, von Nullfördermenge bis Maximalfördermenge
mit möglicher Umkehr der Förderrichtung einstellbar
ist.
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Die
Stellbewegung erfolgt dabei über zwei getrennte Stellkolben
(Servokolben) die in ihrer Stellkraftrichtung gegeneinander gerichtet
sind und jeweils mittels Kugel/Lagerpfannen-Gelenke kraftschlüssig
mit dem Stellelement über je eine Betätigungselementstange
verbunden sind. Die Stellkolben sind einfachwirkend und können
nur Druckkräfte übertragen. Erzeugt werden die
Druckkräfte zur Verstellung des Schwenkelementes durch
hydraulische Druckbeaufschlagung der jeweiligen Kolbenräume (Servobohrungen) über
ein in die Verstelleinheit integriertes Regelventil, wobei dann
ein Stellkolben für die eine Schwenkrichtung, z. B. + (positiv)
und der andere Stellkoben für die entgegengesetzte Schwenkrichtung,
bei dieser Definition, dann – (negativ) angesteuert wird.
Der Sollwert wird in Form eines proportional veränderlichen
Steuerdruckes, erzeugt durch ein computergesteuertes Proportional-Magnetfluidventil,
wirkend auf das eine Ende des Regelkolbens des integrierten Regelventiles,
womit letztendlich eine Sollwert-Kraft, erzeugt wird. Dieser Sollwert-Kraft
entgegengerichtet wirkt die Kraft einer Druckfeder, die sich innerhalb
einer Verdrängungsrückkopplungshülse
befindet, auf der Gegenseite des Regelkolbens. Die Verdrängungsrückkopplungshülse
selber steht in gleitendem Kontakt zu einem Jochnockenelement (Exzenter),
das seinerseits mit dem Schwenkelement fest verbunden ist und dieselben
Drehbewegungen bei Schwenkwinkelveränderungen ausführt
und somit ein geometrisches Maß zur Istwertbildung darstellt.
Der Exzenterhub des Jochnockenelementes verändert die Position
der Verdrängungsrückkopplungshülse wodurch
die Federkraft der Druckfeder in Abhängigkeit der Winkelbewegung
des Schwenkjoches verändert wird und somit die Istwert-Kraft
darstellt. Auch bei dieser Proportionalverstellung ist bei Null-Sollwertsignal
eine max. Winkelstellung, also max. Fördermenge, je nach
Definition positiv oder negativ, eingestellt, mit denselben Nachteilen
wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Ebenfalls nachteilig
ist die Istwertmessung über eine Druckfeder da auch in
diesem Fall Reibkräfte der Federführung den Kraft-Istwert
verfälschen können. Ungünstig wirkt sich
dabei zusätzlich auch noch die große Weguntersetzung
zwischen Servokolbenhub bzw. Joch-Schwenkwinkel und Mess-Federweg
aus, da über das damit gekoppelte Exzenterelement ein wesentlich
kleinerer Differenzweg auf die Messfeder wirkt und nochmals durch
die +/– Maximalstellungen, bezogen auf die Nullstellung
in der Mitte, halbiert wird wodurch die Regelgenauigkeit insgesamt
negativ beeinträchtigt wird. Durch den gleitenden Kontakt
zwischen Verdrängungsrückkopplungshülse
und dem Jochnockenelement wird die Istwertmessung, bedingt durch
Verschleißabrieb, ebenfalls über eine längere
Betriebszeit zusätzlich negativ verändert. Eine
Korrekturmöglichkeit der Federkraft- und Maßtoleranzen
ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nicht vorhanden.
Durch die Integration des Regelventils in die Verstelleinheit ist
eine konsequente Baukastenlösung nicht möglich.
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Aufgabe
der Erfindung ist, unter Vermeidung der genannten Nachteile, eine
elektrohydraulische, proportionale Winkelverstellung, vorzugsweise
mit einer Mittelstellung der Verstelleinheit bei stromlosem Sollwertsignal
und möglichst reibungsarmer Generierung der Istwert-Messfederkraft,
mit großer Bandbreite, für beide Stellrichtungen
zu schaffen, bei gleichzeitiger Berücksichtigung einer
Anwendung der Grundkonzeption auf unterschiedliche Ausführungsarten
und Baugrößen von Winkelverstellungen in der Form
eines Baukastensystems.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 3 gelöst. Erfindungsgemäß wird
die Istwert-Federkraft über eine Zugfeder oder zwei in
Reihe geschaltete Zugfedern generiert deren äußere
Enden jeweils direkt mit dem zugeordneten hubausführenden
Bauteil des hydraulischen Linearmotors kraft- und/oder formschlüssig
verbunden ist. Durch die vorgeschlagene Anordnung der Zugfederenden,
z. B. direkt an den Stellkolben, wird der gesamte Stellhub zur reibungsfreien
Istwertgenerierung (im Gegensatz zu geführten Druckfedern)
herangezogen, was die Genauigkeit der Istwertmessung erhöht.
Darüber hinaus erlauben die Zugfedern auch eine Pendelbewegung der
Stellkolben – wenn konstruktiv erforderlich – ohne Beeinträchtigung
der Messgenauigkeit und ermöglichen damit die Umwandlung
der Linearbewegung in eine Winkelbewegung über eine nahezu
verschleißfreie Gelenkverbindung zwischen Stellkolben und Stellhebel
des in seinem Schwenkbereich in einem beliebigen Stellwinkel zu
verstellenden Schwenkelementes.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Istwert-Kraftabgriff über
ein Kupplungsstück, formschlüssig mit der Zugfeder
verbunden, in der Mitte der Zugfeder oder bei zwei in Reihe geschalteten
Zugfedern am mittigen Verbindungs-Kupplungsstück, zwischen
den Zugfedern. Dieser Mittenabgriff der Istwert-Messfederkraft erlaubt
eine einfache und quasi automatisch wirkende Mittenzentrierung des
hydraulischen Linearmotors bei Kraftgleichheit der halben Zugfederstränge,
bzw. der zwei Zugfedern. Ebenfalls sehr vorteilhaft ist die Spielfreiheit
der erfindungsgemäßen Mess-Anordnung da in jedem
Betriebszustand, innerhalb der Messfederanordnung immer Zugkräfte
wirksam sind, d. h. die Federkraft, links oder rechts vom Kupplungsstück,
ist immer größer 0 N.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen
beschrieben.
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Mit
dieser Erfindung wird eine Regelanordnung für proportionale
Winkelverstellungen vorgeschlagen die in ihrem Aufbau sehr einfach
ist und dadurch weniger Teile als bisher bekannte Lösungen nach
dem Stand der Technik aufweisen, bei zusätzlicher Erfüllung
der Forderung nach einer sich automatisch einstellender Mittelstellung
bei Null-Sollwertsignal. Ebenfalls erreicht ist eine nahezu reibungslose Generierung
der Istwert-Federkraft, durch direkte Kraftabnahme, über
den gesamten Stellbereich des hydraulische Linearmotors, z. B. am
Stellkolben, wodurch ein sehr genaues Regelverhalten bei geringst möglicher
Hysterese erreicht wird. Ein Ausgleich der Feder- oder Maßtoleranzen
ist durch wenige und einfachste Korrektureinstellungen, vorzugsweise
bei der Schlussprüfung auf dem Abnahmeprüfstand
beim Hersteller, aber auch nachträglich im Feldeinsatz, möglich.
Insgesamt werden durch die Merkmale der Erfindung auch die Gestehungs-
und Inbetriebnahmekosten reduziert und die vergleichsweise geringe Anzahl
von Teilen erhöht die Betriebssicherheit und damit die
Lebensdauer der gesamten Einheit. Sehr einfach ist die Variantenbildung
bei anderen Stellhüben oder notwendigen Abstandsänderungen
zwischen der Stell- und Regelachse durch die Anpassung nur weniger
Teile, z. B. der Messfedern oder Übertragungshebel, so
dass ein Baukastensystem für die unterschiedlichsten Anwendungen
erreicht ist.
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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.
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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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Die
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Regelanordnung für proportionale Winkelverstellung sind
in den Zeichnungen, mit Hilfe allgemein bekannter Symbole, vereinfacht
dargestellt und in den nachfolgenden Beschreibungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 Eine
Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der
Erfindung.
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2 Ausführungsbeispiel
nach 1 in der Ausschwenkstellung –α.
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3 Alternative
Anordnung der Kraft-Istwert-Messfedern mit zwei Zugfedern.
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4 Ausführungsbeispiel
nach 3 in der Ausschwenkstellung +α.
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5 Weitere
Alternative zu 3.
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6 Ausführungsbeispiel
mit einstückigem hydraulischen Linearmotor
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7 Erste
Alternative zu 6
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8 Weitere
Alternative zu 6
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9 Ein
Diagramm der Federkennlinien.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel nach 1 zeigt
eine erfindungsgemäße proportionalen Winkelverstellung,
in einer vorzugsweisen symmetrischen Anordnung und gliedert sich
in drei wesentliche Baugruppen: Die proportional in dem Winkelbereich
von –α ... +α zu verstellende Schwenkanordnung 1,
z. B. bei Axialkolbenmaschinen die Schwenktrommel, die Stellanordnung 2,
als mehrstückigen hydraulischen Linearmotor einschließlich
der Kraft-Istwertgenerierung, sowie der Sollwerteingabe- und Regelbaugruppe 3.
Die zu verschwenkende Einheit 11 ist in der Schwenkachse 12 gelagert
und ist drehmomentfest mit einem Stellhebel 13 verbunden
und kann durch diesen um dieselbe Schwenkachse 12 verschwenkt werden.
Der Einheit 11 entgegengesetzt ist der Stellhebel 13 mit
einer Lagerachse 14 (s. 2) versehen
zur Aufnahme einer Gelenkanordnung 15. Dies ist eine gemeinsame
Gelenkanordnung 15 für den Stellhebel 13 und
die darauf einwirkenden Kolbenstangenenden, zum einen das Kolbenstangenende 23.1 des
Stellkolbens 22.1 und zum anderen das Kolbenstangenende 23.2 des
Stellkolbens 22.2. Der Stellkolben 22.1 läuft
in einer Zylinderbohrung 21.1 und der Stellkolben 22.2 läuft
in der zylinderbohrung 21.2. Beide Stellkolben 22.1 und 22.2 sind
in üblicher und bekannter Weise mit dynamischen Dichtungen gegenüber
den Laufflächen der Zylinderbohrungen 21.1 und 21.2 abgedichtet,
so dass bei Beaufschlagung der Zylinderräume 25.1 oder/und 25.2 mit
Steuer- oder Stelldruck eine hydraulische Kraft auf den jeweils
beaufschlagten Stellkolben 22.1 bzw. 22.2 ausgeübt
wird. Die Zylinderbohrungen 21.1 und 21.2, sowie
das Festlager der Schwenkachse 12 sind üblicherweise
innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet, so dass
beim Stellvorgang entstehende Reaktionskräfte dieser Bauteile
keine Auswirkung auf die eigentliche Winkelverstellung haben.
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Mit
dem Stellkolben 22.1 fest verbunden ist eine Federaufnahme 26.1 ebenso
am Stellkoben 22.2 eine Federaufnahme 26.2. Eine
Kraft-Istwert-Messfeder 27, als Zugfeder ausgeführt,
ist mit Vorspannung zwischen den Stellkolben 22.1 und 22.2,
mithilfe der Federaufnahmen 26.1 und 26.2, eingebaut.
In der geometrischen Mitte der Zugfederlänge wird die Kraft-Istwert-Messfeder 27 von
dem Klemmstück 28 kraft- und formschlüssig
umfasst. Das Klemmstück 28 ist das eine Ende eines
zweiarmigen Hebels 29 der mit dem Drehlager 30 ebenfalls am
gemeinsamen Gehäuse reibungsarm, vorzugsweise mit Wälzlager,
gelagert ist. Das zweite Ende des Hebels 29 ist als Kupplungsstück 31 ausgebildet und
greift damit in ein entsprechendes Gegenstück 32 des
Regelschiebers 33 ein. Die Regelbaugruppe 3 ist
in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls symmetrisch aufgebaut,
je nach Einbausituation sind aber auch unsymmetrische Anordnungen
möglich. Das hydraulische Funktionsteil der Regelbaugruppe 3 besteht
aus zwei, mechanisch miteinander fest verbundenen, 3/3-Regelventilen 34.1 und 34.2 die über den
gemeinsamen Regelschieber 33 zwangsweise verbunden sind
und somit in ihrer hydraulischen Funktion einem 4/3-Regelventil
entsprechen, was z. B. bei einer unsymmetrischen Anordnung der Regelbaugruppe 3 zur
Anwendung kommen könnte. Der hydraulische Arbeitsanschluss
des Regelventils 34.1 ist über die Stelldruckleitung 35.1 mit
dem Zylinderraum 25.1 und der Arbeitsanschluss des Regelventils 34.2 ist über
die Stelldruckleitung 35.2 mit dem Zylinderraum 25.2 hydraulisch
verbunden. Beide Regelventile haben vorzugsweise einen gemeinsamen Tankanschluss 50 und
eine gemeinsame Steuerdruckquelle 60.
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Der
Regelschieber 33 ist über die einstellbaren Federn 36.1 bzw. 36.2 im
stromlosen Zustand zentriert. Das elektrische Sollwertsignal wird,
je nach gewünschter Schwenkrichtung, über den
Proportionalmagnet 37.1 oder den Proportionalmagnet 37.2 eingegeben,
dabei wirkt die jeweilige, dem Strom entsprechende, Magnetkraft
direkt auf den Regelschieber 33. Die Zentrierfedern 36.1 bzw. 36.2 können über
die Stellschrauben 42.1 bzw. 42.2 in ihren Vorspannkräften
individuell eingestellt werden und dienen in einer weiteren Funktion
zum Toleranzausgleich der Federkrafttoleranz der Kraft- Istwert-Messfeder 27.
Der Verstellmechanismus 38.1 bzw. 38.2 erlaubt
die Einstellung der Zentrierfedern 36.1 bzw. 36.2 von
außen, während des Betriebs der Winkelverstellung,
ohne Beeinflussung anderer Regelfunktionen, dies wird dadurch erreicht,
dass der Verstellmechanismus 38.1 bzw. 38.2 mit
jeweils einer eigenen Zwangsführung 40.1 bzw. 40.2,
parallel zum Regelschieber 33 mit jeweils einem Übertragungsstück 41.1 bzw. 41.2 ausgeführt
ist. Die im Normalbetrieb passiven Federn 39.1 bzw. 39.2 dienen
nur der sicheren Rückstellung der Übertragungsstücke 41.1 bzw. 41.2,
unabhängig von der aktiven, aktuell eingestellten Federkraft
der Federn 36.1 bzw. 36.2. Eine Schnittdarstellung
des Klemmstücks 28 in 2 zeigt
die der Kraft-Istwert-Feder 27 entsprechende Profilierung
innerhalb des Klemmstücks 28, wobei die Steigung
der Profilierung auch nach der Steigung der Federwindungen in einem
gespannten Federzustand angeglichen sein kann. Außerdem
ist die Schwenkstellung bei –α sichtbar.
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In 3 ist
eine Alternative zur Baugruppe 2 bei der Kraft-Istwertgenerierung
dargestellt. Hierbei sind zwei Kraft-Istwert-Messfedern und zwar 27.1 und 27.2,
wieder als Zugfedern ausgeführt, in gleicher Weise wie
bei 1 zwischen den Stellkolben 22.1 und 22.2 mit
Vorspannung eingebaut. Die Federaufnahmen 26.1 und 26.2 an
den Stellkolben 22.1 und 22.2 sind vorzugsweise
gleich ausgeführt. Die Verbindung der beiden Kraft-Istwert-Messfedern 27.1 und 27.2 in
der Mitte erfolgt über ein Kupplungsstück 24.
Das Kupplungsstück 24 ist über eine Gelenkverbindung 42 mit
dem federseitigen Ende des Hebels 29 in Wirkverbindung.
Das Kupplungsstück 24 kann auch aus zwei Kupplungsstücken
bestehen mit einer gemeinsamen Gelenkverbindung 42 mit
dem Hebel 29. Alle anderen Baugruppen und Funktionsteile
können dem Vorschlag nach 1 entsprechen.
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4 zeigt
die Ausschwenkstellung +α der Alternative nach 3.
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Aus
den bildlichen Darstellungen der 1 bis 4 ist
erkennbar, dass die Wirkungsweise der Kraft-Istwertgenerierung über
eine Kraft-Istwertfeder 27 bzw. über zwei Kraft-Istwert-Federn 27.1 und 27.2,
bezogen auf die wirksamen Federlängen, grundsätzlich
gleich ist. In beiden Fällen ist zwischen inneren Federkräften
und nach außen wirkenden, resultierenden Federkräften
zu unterscheiden. Die resultierende Federkraft der Kraft-Istwert-Federn 27, 27.1 und 27.2 wird über
das Klemmstück 28 bzw. die Gelenkverbindung 42 auf
das federseitige Ende des Hebels 29 übertragen.
Der Hebel 29 selbst schwenkt um den Drehpunkt 30,
so dass eine federseitig wirkende Federkraft am anderen Hebelende,
dem Kupplungsstück 31, als Reaktionskraft auf
den Regelschieber 33 wirkt. Das Verhältnis der
wirksamen Hebellängen zwischen Drehpunkt 30 und
den beiden Hebelenden haben keine grundsätzliche Auswirkung auf
die erfindungsgemäße Funktion der proportionalen
Winkelverstellung, muss aber bei der Dimensionierung und Abstimmung
der Federkräfte mit der Strom-Kraft-Kennlinie der Proportionalmagnete 37.1 bzw. 37.2 berücksichtigt
werden. Das Hebelverhältnis kann sich demnach nach den
baulichen Erfordernissen der mit der Winkelverstellung ausgestatteten Einrichtung
ergeben.
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Das
Ausführungsbeispiel nach 5 zeigt eine
Regelanordnung für eine proportionale Winkelverstellung
mit derselben Wirkungsweise der Erfindung, wie die vorstehend beschriebenen
Versionen, jedoch bei paralleler oder nahezu paralleler Anordnung
der Stellkolben 22.1 und 22.2 des mehrstückigen
hydraulischen Linearmotors. Die Lagerachse 12 für
die zu verschwenkende Einheit 11 ist in dieser Darstellung
nicht sichtbar, entspricht aber der Darstellung in den vorhergehenden 1 bis 4.
Der Stellhebel 13.1 ist zweiarmig ausgeführt,
so dass die Stellkräfte der Stellkolben 22.1 bzw. 22.2 über
die jeweiligen Gelenke 14.1 bzw. 14.2 auf den
Stellhebel 13.1 und somit auf die zu verstellende Einheit 11 wirken
können. Die direkte Verbindung der Kraft-Istwert-Messfedern 27.1 bzw. 27.2 mit
den Stellkolben 22.1 bzw. 22.2 erfolgt ebenfalls über
Federaufnahmen 26.1 bzw. 26.2 die mit den Stellkolben 22.1 bzw. 22.2 fest
verbunden sind. Die zweiten Enden der Kraft-Istwert-Messfedern 27.1 bzw. 27.2 sind über Kupplungsstücke 24.1 bzw. 24.2 und
den Gelenken 42.1 bzw. 42.2 mit dem Hebel 29.1 verbunden.
Aus der räumlichen Anordnung der Stellkolben 22.1 bzw. 22.2 folgt
vorzugsweise eine dreiarmige Ausführung des Hebels 29.1 zur Übertragung
des resultierenden Kraft-Istwertes aus der Messfederanordnung der Kraft-Istwert-Messfedern 27.1 und 27.2.
Auch bei dieser Anordnung ergibt sich, bezogen auf die auf den Hebel 29.1 federseitig
wirkende bzw. gemessene Istwert-Kraft, die Wirkungsweise einer Reihenschaltung
der Kraft-Istwert-Messfedern 27.1 und 27.2. Die
Sollwerteingabe- und Regelbaugruppe 3 kann unverändert übernommen
werden, was eine weitere Beschreibung erübrigt und ein
Teil der Aufgabenstellung, das Baukastensystem, erfüllt.
Das Prinzip der Regelung einer Winkelstellung durch Kraftvergleich
zwischen Magnet-Sollwertkraft und Feder-Istwertkraft wird bei diesem
Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass die Steuerdruckleitung 35.1 mit
dem Stellzylinderraum 25.2 und die Steuerdruckleitung 35.2 mit
dem Stellzylinderraum 35.1 hydraulisch verbunden sind.
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Die 6 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem einstückigen
hydraulischen Linearmotor innerhalb der Stellanordnung 2.
Die Stellkolben 22.1 und 22.2 sind über
eine gemeinsame Kolbenstange 70 starr miteinander verbunden.
Die Übertragung der Stellkraft auf die zu verstellende Einheit 11 erfolgt
ebenfalls über einen Schwenkhebel 13.2 in dessen
Langloch 71 ein mit der Kolbenstange 70 fest verbundener
Kupplungsstift 72 gleitet. Die Kraft-Istwertgenerierung
innerhalb der Stellanordnung 2 in Verbindung mit der Sollwerteingabe-
und Regelbaugruppe 3 entspricht den bisherigen Beschreibungen
und ist funktionell gleich, eine weitere Beschreibung erübrigt
sich deshalb.
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Auch
die in der 7 dargestellte Ausführung
einer erfindungsgemäßen Regelanordnung einer proportionalen
Winkelverstellung unterscheidet sich lediglich in der Ausführung
der Stellanordnung 2, wiederum als ein einstückiger
hydraulischer Linearmotor, mit einem beidseitig druckbeaufschlagbaren Stellkolben 22.3 und
beidseitig herausgeführter Kolbenstange 75. Diese
Anordnung ermöglicht wieder eine Übertragung der
Stellkräfte über eine Hebel- und Gelenkanordnung 76 + 77 + 78 und
einem Schwenkhebel 13.3, ebenfalls mit einem Übertragungsgelenk 14.1.
Die Prinzipielle Anordnung und Funktion der Kraft-Istwertgenerierung
und der Baugruppe 3 sind unverändert gegenüber
den bisherigen Ausführungen.
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Die
Ausführung nach 8 stellt eine Variante zu 7 dar,
hierbei ist die Kolben-Kolbenstangeneinheit 80 ortsfest
gelagert und der Zylindermantel 81 beweglich, d. h. der
Zylindermantel 81 führt die linearen Stellbewegungen
aus und dient auch zur Kraft-Istwertgenerierung in gleicher Weise
wie bereits beschrieben.
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Das
Diagramm der Federkennlinien in 9 zeigt
die Federkräfte in Abhängigkeit der Federwege für
ein beispielhaft gewähltes Hebelverhältnis in
normierter Darstellung. Die Bezeichnung der Kraft-Istwert-Messfedern
mit 27.1 bzw. 27.2 entspricht dabei den Darstellungen
in den 3 bis 8, wobei die Wirkungsweise bei
dem Vorschlag nach 1 genau gleich ist wenn bei
der Feder 27 die rechte Federlänge zwischen Klemmstück 28 und
Aufnahmestück 26.1 analog mit 27.1 und
die linke Federlängen zwischen Klemmstück 28 und
Aufnahmestück 26.2 analog mit 27.2 bezeichnet
würde. In allen Fällen handelt es sich damit um
das Wirkungs-Prinzip zweier hintereinander bzw. in Reihe geschalteter
Federn mit Kraftabgriff in der Mitte zwischen den Federn, in diesen
Vorschlägen um entspr. angeordnete Zugfedern. Besonders
vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Anordnung
ist die reibungsfreie Generierung der durch die Zugfedern erzeugten
Kraft-Istwerte. Jeweils für sich betrachtet hat die Kraft-Istwert-Messfeder 27.1 bzw.
der entspr. Federabschnitt der Kraft-Istwert-Messfeder 27 die
durchgehende, von links nach rechts fallende Federkennlinie 90.2 und
die Kraft-Istwert-Messfeder 27.2 bzw. der entspr. Abschnitt
der Kraft-Istwert-Messfeder 27 die durchgehende, von links
nach rechts steigende Federkennlinie 90.1.
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Beide
Kraft-Istwert-Messfedern 27.1 bzw. 27.2 bzw. die
entspr. Abschnitte der Kraft-Istwert-Messfeder 27 sind
gleich stark vorgespannt, so dass sich die Kennlinien 90.1 und 90.2 in
der Mitte bei Federweg = 0 kreuzen, dies ist der Idealfall bei Null
Toleranzabweichungen. Die Kennlinien 90.1 und 90.2 stellen
die inneren Kräfte der Kraft-Istwert-Messfedern 27.1 bzw. 27.2 bzw.
der analogen Abschnitte 27.1, 27.2 der Kraft-Istwert-Messfeder 27 dar.
Durch den Istwert-Kraftabgriff am Klemmstück 28 bzw.
am Kupplungsstück 24 oder analog am Hebel 29.1 wird
eine erste resultierende Federkennline 91 gemäß der
Gesetzmäßigkeit der Feder-Reihenschaltung wirksam,
die bei Kraftabgriff in der Mitte von zwei in Reihe geschalteten
Federn entsteht. Es ist erkennbar, dass die erste resultierende
Istwertkraft in der Mittelstellung, also bei Federweg = 0 – was
gleichzeitig einer Winkelstellung α = 0° der Schwenkanordnung 1 entspricht – =
0 N ist. Das ist natürlich der Idealfall bei Null Toleranzen
der Federkennlinien und der Bauteil-Maßtoleranzen, was
in der Realität nicht vorhanden ist. Zum Ausgleich der
real vorhandenen Toleranzen sind die Zentrierfedern 36.1 und 36.2 in
ihrer Vorspannkraft individuell verstellbar, so dass die wirksame,
resultierende Kraft-Istwertkennlinie 92 ein eindeutiges
Minimum bei Federweg = 0 hat und gleichzeitig immer eine festgelegte
Startkraft für den Schwenkbeginn toleranzunabhängig eingestellt
werden kann. Dabei ist Bedingung, dass die Toleranzabweichungen
der Vorspannkräfte in Mittelstellung der Kraft-Istwert-Messfeder 27.1 bzw. 27.2 bzw.
der entspr. wirksamen Abschnitte der Kraft-Istwert-Messfeder 27 kleiner
sind als der einstellbare Vorspannwert der Federn 36.1 bzw. 36.2 und
die resultierende Mindestkraft der Zentrierfedern 36.1 bzw. 36.2 für eine
sichere Mittelstellung des Regelschiebers 33 bemessen ist.
Durch die individuelle Einstellung der Zentrierfedern 36.1 bzw. 36.2 wird
erreicht, dass die wirksame, resultierende Kraft-Istwert-Kennlinie 92 der
Diagrammdarstellung entspricht und die konstruktiv festgelegte Startkraft
der Proportionalmagnete 37.1 bzw. 37.2 immer gleich eingestellt
werden kann, unabhängig von Bauteiltoleranzen. Je nach
Hebelverhältnis am mehrarmigen Hebel 29 bzw. 29.1 kann
die Steigung der resultierenden Kraft-Istwertkennlinie 92 von
der Steigung der direkt auf den Kraftabgriff (Klemmstück 28 bzw.
Kupplungsstück 24 bzw. Hebel 29.1) wirkenden,
inneren Kraft-Istwert-Kennlinie 91 abweichen, wie beispielhaft
dargestellt. Die Magnetkraft bzw. die Kennlinie der Proportionalmagnete 37.1 bzw. 37.2 sind
auf die resultierende Kraft-Istwertkennlinie 92 auszulegen.
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Im
stromlosen Zustand, wie z. B. in 1 bzw. 3 gezeigt,
wird die Winkelverstellung in die Ausgangs- bzw. Grundstellung bei α =
0°, gleich aus welcher zuvor eingestellten Winkelstellung,
durch die zur Mitte hin abnehmenden Istwertkräfte gemäß der Kennlinie 92 zurückgeführt
und durch die Zentrierfedern 36.1 bzw. 36.2 sicher
gehalten. Bei einer gewollten Verstellung nach –α wird
der Proportionalmagnet 37.2 mit einem, dem gewünschten
Stellwinkel entsprechenden, Sollwertstrom bestromt. Gemäß der bekannten
Strom-Kraft-Kennlinie des Proportionalmagneten 37.2 entspricht
dieser eingestellte Stromwert der entspr. Sollwertkraft des Proportionalmagneten 37.2.
Im ersten Moment der Magneterregung ist die Sollwertkraft höher
als die Gegenkraft der Kraft-Istwert-Kennlinie 92, d. h.
der Regelschieber 33 wird nach rechts verschoben und in
der Folge, gemäß dem Schaltbild des 3/3-Regelventils 34.2,
der Zylinderraum 25.2 mit dem Steuerdruck der Steuerdruckquelle 60 beaufschlagt
und gleichzeitig über das 3/3-Regelventil 34.1 der
Zylinderraum 25.1 zum Tankanschluss 50 hin entlastet.
Durch die hydraulische Kraft auf den Stellkolben 22.2 wird
dieser nach rechts verschoben und damit auch die Gelenkanordnung 15 wodurch über
den Stellhebel 13 die Schwenkbewegung der Einheit 11 um
die Schwenkachse 12 beginnt. Gleichzeitig wird der Stellkolben 22.1 mit
demselben Stellweg des Stellkolbens 22.2 nach rechts verschoben.
Durch das Klemmstück 28 bzw. Kupplungsstück 24 wird
die Kraft-Istwert-Feder 27 bzw. die Federnkombination aus 27.1 und 27.2 in ihrer
Bewegung nach rechts gehemmt, so dass sich der linke Federabschnitt 27.2 entspannt
und der rechte Federabschnitt 27.1 stärker gespannt
wird. Der Federweg ist für jeden Feder-Abschnitt gleich und
ist gleich dem Stellweg der Stellkolben 22.2 bzw. 22.1,
so dass am Klemmstück 28 bzw. Kupplungsstück 24 eine
dem Stellkolbenweg entsprechende Differenzkraft, die Istwert-Kraft,
gemäß der Kennlinie 92 wirkt. Über
den Hebel 29 wirkt die Istwert-Kraft auf den Regelschieber 33 der
Sollwertkraft des Proportionalmagneten 37.2 entgegen. Mit
zunehmendem Stellweg wird die Istwert-Kraft größer
bis sie dem Wert der Sollwert-Kraft gleich ist. In diesem Moment wird
der Regelschieber 33 kontinuierlich in seine Mittelstellung
zurückbewegt und dadurch die hydraulischen Verbindungen
zwischen den Zylinderräumen 25.2 bzw. 25.1 zur
Druckquelle 60 bzw. zum Tankanschluss 50 unterbrochen
und die Stellbewegung kommt zum Stillstand und die Einheit 11 wird
in der gewünschten Winkelstellung gehalten. Sollten von außen
einwirkende Störkräfte auf die Einheit 11 eine Abweichung
vom gewollten Sollwert der Winkelverstellung 1 verursachen,
so würde dadurch der resultierende Kraft-Istwert der Messfederanordnung 27 bzw. 27.1 und 27.2 verändert
und somit vom unveränderten Kraft-Sollwert des Proportionalmagneten 37.2 abweichen
wodurch eine entsprechende Korrekturbewegung über das Gesamt-Regelventil 34.2 + 34.1 initiiert
wird und dadurch eine Rückstellung wieder auf den gewollten
Sollwert stattfindet. Die vorgeschlagene proportionale Winkelverstellung
gemäß der Erfindung stellt somit eine Regelanordnung
nach dem Prinzip des mechanisch-hydraulischen Kraftabgleichs im
geschlossenen Regelkreis, mit elektrischer Sollwerteingabe, dar.
Die Funktionsweise der proportionalen Winkelverstellung beim Verschwenken
der Schwenkanordnung 1 in die Richtung +α gemäß der 4 ist
für den Fachmann aus den vorstehenden Beschreibungen einfach
ableitbar und muss deshalb nicht weiter beschrieben werden. Ebenso
ist die Funktionsweise der proportionalen Winkelverstellungen nach
den 5–8 aus den
vorstehenden Beschreibungen für den Fachmann problemlos
ableit- bzw. erkennbar und muss deshalb ebenfalls nicht weiter ausgeführt
werden.
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Aufgrund
der Baukastensystematik und der Einfachheit der erfindungsgemäßen
Regelanordnung einer proportionalen Winkelverstellung ist eine bauliche
Integration dieser Erfindung z. B. in eine Maschine mit der Erfordernis
einer proportionalen Winkelverstellung, wie z. B. auch Lenkungen
in mobilen Maschinen, sinnvoll, woraus sich noch weitere Vorteile
bezüglich geringerer Gestehungskosten und erhöhter
Dauerbetriebssicherheit ergeben. Sehr vorteilhaft wirkt sich hierbei
aus, dass auch ohne Regelelektronik innerhalb der Baugruppen der
erfindungsgemäßen Regelanordnung der proportionalen
Winkelverstellung eine hohe und ausreichende Regelgenauigkeit erreicht
wird bei höherer Zuverlässigkeit wegen der geringeren
Anzahl der Teile und der verschleißfreien Kraft-Istwerterfassung.
Die Probleme der elektromechanischen Verträglichkeit existieren dabei
für diese erfindungsgemäßen Baugruppen ebenfalls
nicht, wodurch die Betriebsicherheit, auch im Sinne der sicherheitstechnischen
Anforderungen wie z. B. nach EN ISO 13849, wesentlich
erhöht ist.
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Aus
der Vielfalt der möglichen Stellanordnungen, wie beispielhaft
in den 1 bis 8 gezeigt, die mit der erfindungsgemäßen
Regelanordnung für eine proportionale Winkelverstellung
auf einfache Art kombiniert werden können zeigt das damit
erreichte, konsequente Baukastensystem. Es sind darüber
hinaus weitere Anordnungen, wie z. B. eine Übertragung
der Schwenkbewegung über Ritzel am proportional zu schwenkenden
Bauteil mittels darin eingreifender Zahnstange als hubausführendes Bauteil
des hydraulischen Linearmotors möglich, bei wiederum gleicher
Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Regelanordnung.
Die vorzugsweise symmetrische Darstellung der einzelnen Baugruppen
ist nur beispielhaft gewählt, der Erfindungsgedanke ist
auch bei unsymmetrischer Anordnung einzelner oder aller Baugruppen
anwendbar, was den Anwendungsbereich dieser Erfindung ausweitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19653165
C2 [0003]
- - DE 10043451 B4 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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