DE102012004921A1

DE102012004921A1 - Hydraulische Verstellvorrichtung mit Notschließfunktion und Zylinder dafür

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Publication number: DE102012004921A1
Application number: DE201210004921
Authority: DE
Inventors: Johannes Schwacke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-03-10
Filing date: 2012-03-10
Publication date: 2013-09-12

Abstract

Offenbart ist eine Zylinder-Kolben-Vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Verstell-Druckraum, die in gegensätzliche Verstellrichtungen eines ersten Kolbens wirken und damit eine Positionsregelung des ersten Kolbens und daran gekoppelter Teile ermöglichen. Weiterhin sind ein erster und ein zweiter Halte-Druckraum vorgesehen, über die in einem Regel- bzw. Normalbetrieb der erste und ein zweiter Kolben hydraulisch aneinander gekoppelt sind. Insbesondere ist damit ein an dem zweiten Kolben befestigter Ventilkörper eines sicherheitsrelevanten Ventils an den ersten Kolben gekoppelt. Dabei werden im Normalbetrieb die Kolben aneinander in Anlage und ein elastisches Element unter Vorspannung gehalten. In einer Notfunktion bzw. in einem Notbetrieb können die beiden Kolben über das elastische Element in entgegen gesetzte Richtungen auseinander bewegt werden. Insbesondere wird damit der zweite Kolben vom ersten Kolben weg bewegt und das sicherheitsrelevante Ventil geschlossen. In der erfindungsgemäß kompakt bauenden Zylinder-Kolben-Vorrichtung sind der erste Verstell-Druckraum und die beiden Halte-Druckräume gemeinsam in einem Zylinder angeordnet. Zwischen den beiden Kolben ist im Zylinder weiterhin ein Zwischen-Druckraum vorgesehen, dessen Größe im Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Zylinder-Kolben-Vorrichtung durch die Anlage der beiden Kolben sehr gering (oder gleich null) ist. Während des Notbetriebs wird die Größe des Zwischen-Druckraums vergrößert. Dabei wird der Zwischen-Druckraum passiv mit Druckmittel befüllt, wobei die Befüllung durch eine Teilkraft des elastischen Elements erfolgt. Weiterhin ist eine hydraulische Verstellvorrichtung mit einer derartigen Zylinder-Kolben-Vorrichtung offenbart, wobei deren Verstell-Druckräume von einer hydrostatischen Verdrängermaschine – insbesondere von einer drehzahlvariablen Pumpe – versorgbar sind. Weiterhin können die beiden Halte-Druckräume über eine Koppelleitung miteinander verbunden und von der Verdrängermaschine mit Haltedruck beaufschlagt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Verstellvorrichtung mit Notschließfunktion und einen dafür geeigneten Zylinder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In der Druckschrift DE 101 52 414 A1 und in der Druckschrift DE 197 23 624 A1 sind hydraulische Verstellvorrichtungen zur Einstellung von Ventilkörpern mit einer festen mechanischen Kopplung zwischen einem Zylinder und dem Ventilkörper gezeigt. Der Ventilkörper ist durch eine Notfeder in Schließrichtung des Ventils vorgespannt, über die das Ventil in einem Notbetrieb geschlossen werden kann.
Nachteilig an derartigen hydraulischen Verstellvorrichtungen ist, dass bei jeder Einstellbewegung des Ventilkörpers durch den Verstellvorrichtung die Notfeder ent- oder gespannt wird.
Die Druckschrift DE 103 08 017 B4 zeigt eine hydraulischen Verstellvorrichtung mit einer mechanischen Kopplungsvorrichtung und mit einer Notfeder, wobei in einem Regel- oder Normalbetrieb die Notfeder in gespanntem Zustand mit der Kopplungsvorrichtung mitbewegt wird. Beim Auslösen der Notschließfunktion wird eine Kniehebelvorrichtung ausgelöst, so dass sich die Notfeder entspannt und dabei die mechanische Kopplungsvorrichtung aufspreizt bzw. verlängert. Dadurch wird das Ventil geschlossen.
Nachteilig an letztgenannten Verstellvorrichtungen ist der vorrichtungstechnische Aufwand für die mechanische Auslösefunktion, die im Normalbetrieb mit der Notfeder mitbewegt werden muss.
Die DE 10 2010 011 516 A1 zeigt eine hydraulische Verstellvorrichtung mit einer mechanischen Kopplungsvorrichtung, wobei im Normalbetrieb die Notfeder in gespanntem Zustand mit der Kopplungsvorrichtung mitbewegt wird. Im Notbetrieb wird eine Sperrvorrichtung, die die Notfeder gespannt hält, ausgelöst, so dass sich die Notfeder entspannt und dabei die Kopplungsvorrichtung aufspreizt bzw. verlängert. Dadurch wird das Ventil geschlossen. Dazu wird eine hydraulische Sperrvorrichtung mit zwei Kolben vorgeschlagen, die im Normalbetrieb über Druckmittel gegeneinander gepresst werden, wobei im Notbetrieb das Druckmittel entlastet wird und die Pressung aufgehoben wird.
Nachteilig an derartigen hydraulischen Verstellvorrichtungen ist der vorrichtungstechnische Aufwand einerseits für die zur Positionsregelung nötige Hydraulik und andererseits für die Sperrvorrichtung nötige Hydraulik, der z. B. an zwei getrennten Zylindern erkennbar ist.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine vorrichtungstechnisch einfache hydraulische Verstellvorrichtung mit Notschließfunktion und einen dafür geeignete Zylinder-Kolben-Vorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Zylinder-Kolben-Vorrichtung zur Positionsregelung mit Notbetrieb bzw. Notfunktion mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine hydraulische Verstellvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13.
Die erfindungsgemäße Zylinder-Kolben-Vorrichtung hat einen ersten und einen zweiten Verstell-Druckraum, die in gegensätzliche Verstellrichtungen eines ersten Kolbens wirken und damit eine Positionsregelung des ersten Kolbens und daran gekoppelter Teile ermöglichen. Weiterhin sind ein erster und ein zweiter Halte-Druckraum vorgesehen, über die in einem Regel- bzw. Normalbetrieb der erste und ein zweiter Kolben hydraulisch aneinander gekoppelt sind. Insbesondere ist damit ein an dem zweiten Kolben befestigter Ventilkörper eines sicherheitsrelevanten Ventils an den ersten Kolben gekoppelt. Dabei werden im Normalbetrieb die Kolben aneinander in Anlage und ein elastisches Element unter Vorspannung gehalten. In einer Notfunktion bzw. in einem Notbetrieb können die beiden Kolben über das elastische Element in entgegen gesetzte Richtungen auseinander bewegt werden. Insbesondere wird damit der zweite Kolben vom ersten Kolben weg bewegt und das sicherheitsrelevante Ventil geschlossen. In der erfindungsgemäß kompakt bauenden Zylinder-Kolben-Vorrichtung sind der erste Verstell-Druckraum und die beiden Halte-Druckräume gemeinsam in einem Zylinder angeordnet. Zwischen den beiden Kolben ist im Zylinder weiterhin ein Zwischen-Druckraum vorgesehen, dessen Größe im Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Zylinder-Kolben-Vorrichtung durch die Anlage der beiden Kolben sehr gering (oder gleich null) ist. Während des Notbetriebs wird die Größe des Zwischen-Druckraums vergrößert. Dabei wird der Zwischen-Druckraum passiv mit Druckmittel befüllt, wobei die Befüllung durch eine Teilkraft des elastischen Elements erfolgt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Zylinder-Kolben-Vorrichtung ist der Zylinder ein 5-Kammer-Zylinder, und an dem ersten Kolben ist eine hohlzylindrische erste Kolbenstange befestigt, die je nach Verstellposition des ersten Kolbens abschnittsweise aus dem Zylinder herausragt. Die erste Kolbenstange kann auch einstückig mit dem ersten Kolben gebildet sein. Wenn der erste Verstell-Druckraum im Innern der ersten Kolbenstange angeordnet ist und wenn der zweite Verstell-Druckraum im Innern der ersten Kolbenstange und außerhalb des Zylinders angeordnet ist, ergeben sich vorteilhafte Symmetrien der beiden Verstell-Druckräume.
Wenn der erste Halte-Druckraum am Außenumfang der ersten Kolbenstange angeordnet ist, und wenn an dem zweiten Kolben eine zweite Kolbenstange befestigt ist oder einstückig damit gebildet ist, die je nach Verstellposition des zweiten Kolbens abschnittsweise aus dem Zylinder herausragt, und wenn der zweite Halte-Druckraum am Außenumfang der zweiten Kolbenstange angeordnet ist, ergeben sich vorteilhafte Symmetrien der beiden Halte-Druckräume.
Wenn die beiden Verstell-Druckräume durch gleich große Verstell-Druckflächen begrenzt sind, ergeben sich in beiden Verstellrichtungen gleichmäßige Verstellkräfte, wenn ein (gemeinsamer) Antrieb, z. B. eine drehzahlvariable Pumpe, zur Versorgung beider Verstell-Druckräume der Zylinder-Kolben-Vorrichtung vorgesehen ist.
Wenn die beiden Halte-Druckräume durch gleich große Halte-Druckflächen begrenzt sind, ergeben sich hydraulische Koppelkräfte bzw. auf die beiden Kolben Anpresskräfte in entgegen gesetzten Richtungen, die sich gegenseitig aufheben. Wenn darüber hinaus die Halte-Druckflächen größer als die Verstell-Druckflächen sind, können vergleichsweise große Haltekräfte auf die beiden Kolben aufgebracht werden, so dass kann auch ein vergleichsweise starkes elastisches Element dauerhaft und sicher gespannt gehalten werden, bis es in einem Notfall den Notbetrieb sicher stellt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist auch die zweite Kolbenstange hohlzylindrisch. Dabei ist konzentrisch im Zylinder ein mittlerer Abschnitt befestigt. Dann sind die beiden Kolben und die Druckräume und die Druckflächen ringförmig, wobei die beiden Kolben am Außenumfang des mittleren Abschnitts und am Innenumfang des Zylinders geführt sind.
Bei einer bevorzugten kompakt bauenden Weiterbildung ist das elastische Element eine als Druckfeder gebildete Notfeder, die den Zylinder umfasst. An der ersten Kolbenstange ist eine erste Federanlage und an der zweiten Kolbenstange eine zweite Federanlage befestigt, zwischen denen die Druckfeder eingespannt ist. Damit ist einerseits eine starre Verbindung zwischen der ersten Federanlage über die erste Kolbenstange mit dem ersten Kolben und andererseits eine starre Verbindung zwischen der zweiten Federanlage über die zweite Kolbenstange mit dem zweiten Kolben geschaffen, so dass die Druckfeder die Kolben im Notbetrieb voneinander weg bewegen und den Zwischen-Druckraum aufschieben kann.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Zylinder-Kolben-Anordnung ist im ersten Kolben ein erster Kanal mit einem Rückschlagventil ausgebildet, das vom Zwischen-Druckraum zum ersten Verstell-Druckraum öffnet. Dann kann zur Inbetriebnahme der Anordnung der erste Kolben – bei gleichzeitiger Spannung des elastischen Elements – zum zweiten Kolben bewegt werden, und der Zwischen-Druckraum kann dabei zum ersten Verstell-Druckraum entleert werden.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Zylinder-Kolben-Anordnung ist im zweiten Kolben ein zweiter Kanal ausgebildet, über den der Zwischen-Druckraum mit dem zweiten Halte-Druckraum verbunden ist. Dann können die beiden Kolben – bei gleichzeitiger Spannung des elastischen Elements – aufeinander zu bewegt werden, und der Zwischen-Druckraum kann dabei über den zweiten Halte-Druckraum entleert werden.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Zylinder-Kolben-Anordnung sind eine den Zwischen-Druckraum begrenzende Druckfläche des ersten Kolbens und eine den Zwischen-Druckraum begrenzende Druckfläche des zweiten Kolbens gleich groß und jeweils zueinander gestuft, wobei die Stufen bei der Inbetriebnahmen der Anordnung zur Kopplung der beiden Kolben dichtend ineinander geschoben werden. Durch die Stufen ergeben sich jeweils eine kleinere Druckfläche und eine größere Druckfläche, wobei der erste Kanal in der größeren Druckfläche des ersten Kolbens und der zweite Kanal in der kleineren Druckfläche des zweiten Kolbens münden. Da die kleinere Druckfläche viel kleiner als die Halte-Druckflächen ist, bleiben die beiden Kolben im Normalbetrieb in Anlage zueinander, obwohl über die kleinere Druckfläche in eine voneinander weg gerichtete Kraft auf die Kolben ausgeübt wird.
Dabei ist vorzugsweise die größere Druckfläche des ersten Kolbens in einer axialen Rückstufung des ersten Kolbens gebildet, in die ein elastischer Ring eingesetzt ist, in dem eine Mündung für den ersten Kanal gebildet ist. Damit ist im Notbetrieb ein Auseinanderschieben der Kolben auch über eine erste Teilstrecke möglich, obwohl das Rückschlagventils des ersten Kanals eine Befüllung des durch die größere Druckfläche begrenzten Teilraumes des Zwischen-Druckraums mit Druckmittel aus den ersten Verstell-Druckraum verhindert.
Ein vorteilhafter fluidischer Endlagendämpfer für den zweiten Kolben ist geschaffen, wenn die Halte-Druckfläche des zweiten Kolbens und eine den zweiten Halte-Druckraum begrenzende Zylinderwand jeweils eine Stufung haben, wobei die Stufen ineinander geschoben werden können, und wobei der zweite Kolben einen Dämpfungskanal mit einer Düse hat, der die Halte-Druckfläche direkt oder indirekt mit seiner kleineren Druckfläche verbindet.
Die erfindungsgemäße hydraulische Verstellvorrichtung hat eine vorbeschriebene Zylinder-Kolben-Vorrichtung, wobei deren Verstell-Druckräume von einer hydrostatischen Verdrängermaschine – insbesondere von einer drehzahlvariablen Pumpe – versorgbar sind. Weiterhin können die beiden Halte-Druckräume über eine Koppelleitung miteinander verbunden und von der Verdrängermaschine mit Haltedruck beaufschlagt werden.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung ist in einer die Verdrängermaschine mit dem zweiten Verstell-Druckraum verbindenden Arbeitsleitung ein Absperrventil angeordnet, über das nach einer Inbetriebnahme (Absperrventil geschlossen) zum Normalbetrieb (Absperrventil offen) umgeschaltet werden kann. Die Koppelleitung ist über ein Rückschlagventil an die Arbeitsleitung zwischen dem Absperrventil und der Verdrängermaschine angeschlossen, wobei Rückschlagventil von der Koppelleitung zur Arbeitsleitung schließt. Während der Inbetriebnahme kann über das Rückschlagventil das Druckmittel von der Verdrängermaschine in die Halte-Druckräume strömen, und im Normalbetrieb verhindert das Rückschlagventil eine Entspannung in den Halte-Druckräumen.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung ist in der Koppelleitung ein 3/2-Wegeventil vorgesehen, über dessen Schaltstellung im Normalbetrieb die beiden Halte-Druckräume miteinander verbunden sind. Über eine durch eine Feder vorgespannte Grundstellung des Wegeventils wird der Notbetrieb ausgelöst, in dem der erste Halte-Druckraum abgesperrt und damit der erste Kolben festgelegt wird, während der zweite Halte-Druckraum mit einem Speicher verbunden wird. Damit kann im Notbetrieb der zweite Kolben durch das elastische Element – insbesondere in Schließstellung des daran gekoppelten Ventilkörpers – verschoben werden.
Im Folgenden wird anhand der Figuren die Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Antriebs mit einer erfindungsgemäßen Zylinder-Kolben-Anordnung in einer schematischen Darstellung; und
2 einen Ausschnitt der Zylinder-Kolben-Anordnung gemäß 1.
1 zeigt einen Schaltplan des hydraulischen Antriebs in Verbindung mit einer geschnittenen Darstellung des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Zylinder-Kolben-Anordnung. Die Zylinder-Kolben-Anordnung hat einen 5-Kammer-Zylinder 7, der zusammen mit einem konzentrischen mittleren Abschnitt 6 ortsfest ist. Zwischen dem mittleren Abschnitt 6 und dem Zylinder 7 sind ein erster Kolben K₁ und ein zweiter Kolben K₂ verschiebbar aufgenommen, die beide als Ringkolben ausgebildet sind. Weitere Details zu den beiden Kolben K₁, K₂ werden mit Bezug zu 2 erläutert.
An einer vom zweiten Kolben K₂ abgewandten Seite ist am ersten Kolben K₁ eine hohlzylindrische Kolbenstange 8 befestigt, während an einer vom ersten Kolben K₁ abgewandten Seite des zweiten Kolbens K₂ eine zweite hohlzylindrische Kolbenstange 10 befestigt ist. Die beiden Kolbenstangen 8, 10 ragen aus dem Zylinder 7 heraus. An einem jeweiligen äußeren Endabschnitt der beiden Kolbenstangen 8, 10 ist jeweils eine kreisscheibenförmige Federanlage 12, 14 befestigt. Zwischen den beiden Federanlagen 12, 14 ist eine als Druckfeder 16 ausgebildete Notfeder eingespannt.
Zwischen dem mittleren Abschnitt 6 und der ersten Kolbenstange 8 sind zwei miteinander in Wechselwirkung stehende Verstell-Druckräume 1, 2 angeordnet. Dabei ist der zweite Verstell-Druckraum 1 einerseits von der ersten Federanlage 12 und andererseits von einem ortsfesten Radialbund 18 des mittleren Abschnitts 6 begrenzt, während der erste Verstell-Druckraum 2 einerseits vom ersten Kolben K₁ und andererseits vom Radialbund 18 begrenzt ist.
In 2 ist dargestellt, dass die jeweilige zur Verstellung des ersten Kolbens K₁ mit dem ersten Kolbenstange 8 und mit der ersten Federanlage 12 wirksame ringförmige Verstell-Druckfläche der beiden Verstell-Druckräume 1, 2 gleich groß sind, wobei die Größe jeweils mit A_R gekennzeichnet ist.
1 zeigt weiterhin, dass über eine jeweilige im mittleren Abschnitt 6 ausgebildete Mündung 20 und über eine jeweilige Arbeitsleitung 22 die beiden Verstell-Druckräume 1, 2 an eine gemeinsame hydrostatische Verdrängermaschine 24 angeschlossen sind. Diese ist von einer über einen Motor M angetriebenen drehzahlvariablen Pumpe gebildet.
Zwischen dem Außenumfang der ersten Kolbenstange 8 und dem Zylinder 7 ist ein erster Halte-Druckraum 3 gebildet, während auf prinzipiell vergleichbare Weise zwischen der zweiten Kolbenstange 10 und dem Zylinder 7 ein zweiter Halte-Druckraum 4 gebildet ist. Über eine Druckbeaufschlagung des ersten Halte-Druckraums 3 lässt sich der erste Kolben K₁ in Richtung zum zweiten Kolben K₂ verschieben. Auf prinzipiell vergleichbare Weise lässt sich über eine Druckbeaufschlagung des zweiten Halte-Druckraums 4 der zweite Kolben K₂ in Richtung zum ersten Kolben K₁ verschieben.
In 2 ist dargestellt, dass die jeweilige zur Aneinanderpressen der beiden Kolben K₁, K₂ wirksamen ringförmigen Halte-Druckflächen der beiden Halte-Druckräume 3, 4 gleich groß sind, wobei die Größe jeweils mit A_N gekennzeichnet ist.
1 zeigt weiterhin, dass die beiden Halte-Druckräume 3, 4 über eine Koppelleitung 26 miteinander verbunden sind, wobei jeweilige Mündungen 28 der Koppelleitung 26 in die Halte-Druckräume 3, 4 am ortsfesten Zylinder 7 ausgebildet sind. Benachbart zur Mündung 28 in den ersten Halte-Druckraum 3 ist an die Koppelleitung 26 eine Verbindungsleitung 30 angeschlossen. Benachbart zur Mündung 28 in den zweiten Halte-Druckraum 4 ist in der Koppelleitung 26 ein 3/2-Wegeventil 32 in der Koppelleitung 26 angeordnet. In einer durch eine Feder vorgespannten (in 1 gezeigten) Grundstellung eines Ventilkörpers des 3/2-Wegeventils 32 sind die beiden Halte-Druckräume 2, 4 voneinander getrennt. Dabei ist ein Speicher 34 über das 3/2-Wegeventil 32 an den zweiten Halte-Druckraum 4 angeschlossen. In einer Schaltstellung des Ventilkörpers des 3/2-Wegeventils 32 erfolgt eine Verbindung der beiden Halte-Druckräume 3, 4 über die Koppelleitung 26, während der Speicher 34 abgesperrt ist.
Benachbart zur Mündung 20 der Arbeitsleitung 22 in den zweiten Verstelldruckraum 1 ist ein Absperrventil 36 in der Arbeitsleitung 22 vorgesehen. In einer durch eine Feder vorgespannten (in 1 gezeigten) Grundstellung des Absperrventils 36 ist der zweite Verstell-Druckraum 1 über die Arbeitsleitung 22 mit der Verdrängermaschine 24 verbunden, während in einer Schaltstellung des Ventilkörpers des Absperrventils 36 diese Verbindung getrennt ist.
Zwischen dem Absperrventil 36 und der Verdrängermaschine 24 ist die Verbindungsleitung 30 an die Arbeitsleitung 22 angeschlossen. In der Verbindungsleitung 30 ist ein Rückschlagventil 38 vorgesehen, dessen Öffnungsrichtung von der Arbeitsleitung 22 bzw. von der Verdrängermaschine 24 zur Koppelleitung 26 gerichtet ist. An die Arbeitsleitung 22 ist beidseitig der Verdrängermaschine 24 über ein jeweiliges Rückschlagventil 40 ein Speicher 42 angeschlossen. Dieser dient zur Temperatur- und Leckagekompensation der beiden Verstell-Druckräume 1, 2 im Normalbetrieb.
2 zeigt einen Ausschnitt der Zylinder-Kolben-Anordnung gemäß 1. Dabei sind der 5-Kammer-Zylinder 7, sein mittlerer Abschnitt 6, die beiden Kolbenstangen 8, 10, der zweite Verstell-Druckraum 1 und der zweite Halte-Druckraum 4 nur abschnittsweise gezeigt.
2 zeigt insbesondere die erfindungsgemäße Ausgestaltung der beiden Kolben K₁, K₂. Ein Zwischen-Druckraum 5 wird durch jeweilige ringförmige Gesamt-Druckflächen A_T der beiden Kolben K₁, K₂ begrenzt. Die Gesamt-Druckflächen A_T sind jeweils in eine innere kleinere Druckfläche A_Z und eine (verbleibende) äußere größere Druckfläche A_T – A_Z unterteilt. Dabei ist die kleinere Druckfläche A_Z am ersten Kolben K₁ an einem Vorsprung bzw. Zapfen gebildet, während die kleinere Druckfläche A_Z am zweiten Kolben K₂ an einer Ausnehmung entsprechender Größe gebildet ist. Somit weist die Gesamt-Druckfläche A_T des ersten Kolbens K₁ eine äußere axiale Rückstufung auf, in die ein elastischer Ring 44 aus Polyurethan eingesetzt ist.
Von einer Durchgangsausnehmung des elastischen Rings 44 zum ersten Verstell-Druckraum 2 andererseits erstreckt sich ein Kanal durch den ersten Kolben K₁, in dem ein Rückschlagventil 46 angeordnet ist. Das Rückschlagventil 46 ist durch eine Feder vorgespannt und öffnet vom Zwischen-Druckraum 5 zum ersten Verstell-Druckraum 2. Im zweiten Kolben K₂ ist ein Kanal 48 vorgesehen, der einerseits in der kleineren Druckfläche A_Z und andererseits im zweiten Halte-Druckraum 4 mündet.
An jeweiligen Außenumfängen und an jeweiligen Innenumfängen der beiden Kolben K₁, K₂ sind verschiedene Dichtungen 50 vorgesehen. Am Radialbund 18 des mittleren Abschnitts 6 ist eine Dichtung 52 vorgesehen, über die die beiden Verstell-Druckräume 1, 2 gegeneinander abgedichtet sind. An einem Bereich des Zylinders 7, der an der Außenwandung der ersten Kolbenstange 8 anliegt, ist eine Dichtung 52 vorgesehen, über die der erste Halte-Druckraum 3 gegenüber der Umgebung abgedichtet ist.
Im Folgenden wird die Funktion der Verstellvorrichtung gemäß 1 mit der Zylinder-Kolben-Anordnung gemäß 1 und 2 erläutert. Zur Inbetriebnahme sind zunächst die beiden Ventile 32, 36 unbestromt, so dass ihre Ventilkörper sich in der (in 1 gezeigten) Grundstellung befinden. Die beiden Kolben K₁, K₂ sind auseinander gefahren, so dass die beiden Haltedruckräume 3, 4 vergleichsweise klein sind, während der Zwischen-Druckraum 5 vergleichsweise groß ist. Dabei ist die Druckfeder 16 entspannt. Die Verdrängermaschine 24 fördert nun und Druckmittel aus dem ersten Verstell-Druckraum 2 insbesondere über das Rückschlagventil 38 in den ersten Halte-Druckraum 3 und weiterhin in den zweiten Verstell-Druckraum 1. Da A_N größer A_R ist, wird der erste Kolben K₁ (in 1) nach rechts zum zweiten Kolben K₂ bewegt und dabei die Druckfeder 16 gespannt. Das dabei aus dem Zwischen-Druckraum 5 verdrängte Druckmittel wird teilweise über das Rückschlagventil 46 des ersten Kolbens K₁ in den ersten Verstell-Druckraum 2 verdrängt und teilweise über den Kanal 48 des zweiten Kolbens K₂ und weiter über den zweiten Halte-Druckraum 4 in den Speicher 34 verdrängt.
Wenn der elastische Ring 44 zusammengedrückt ist und die beiden Kolben K₁, K₂ aneinander anliegen, wird das 3/2-Wegeventil 32 geschaltet und damit die beiden Halte-Druckräume 3, 4 über die Koppelleitung 26 hydraulisch zusammengeschaltet. Die Verbindung zum Speicher 34 wird dabei abgesperrt. Der Zwischen-Druckraum 5 ist wegen des Kontakts der beiden Kolben K₁, K₂ leer.
In einem darauffolgenden Schritt werden die beiden Halte-Druckräume 3, 4 mit Koppeldruck beaufschlagt, damit die beiden Kolben K₁, K₂ aufeinander bleiben. Dazu wird das Absperrventil 36 geschaltet und damit abgesperrt. Die Verdrängermaschine 24 fördert daraufhin über das Rückschlagventil 38 eine geringe Menge Druckmittel in die beiden Halte-Druckräume 3, 4. Anschließend wird das Absperrventil 36 wieder in die (in 1 gezeigte) Grundstellung geschaltet.
Nach der beschriebenen Inbetriebnahme kann nun der Regel- bzw. Normalbetrieb erfolgen. Je nach Drehrichtung und Drehzahl der Verdrängermaschine 24 wird Druckmittel entweder aus dem ersten Verstelldruckraum 2 in den zweiten Verstelldruckraum 1 oder umgekehrt gefordert. Dabei wird auch Druckmittel zwischen den beiden Halte-Druckräumen 3, 4 über die Koppelleitung 26 verschoben. Da A_Z << A_N ist, bleiben die beiden Kolben K₁, K₂ dabei in Anlage miteinander.
Für die Sicherheitsfunktion wird das 3/2-Wegeventil 32 stromlos geschaltet, so dass sein Ventilkörper die (in 1 gezeigte) Grundstellung einnimmt. Dadurch wird der erste Halte-Druckraum 3 abgesperrt und der erste Kolben K₁ bleibt auf der aktuellen Position. Der zweite Haltedruckraum 4 wird über das 3/2-Wegeventil 32 mit dem Speicher 34 verbunden, so dass sich der Druck des zweiten Haltedruckraums 4 abbauen kann und sich der zweite Kolben K₂ durch die Kraft der Druckfeder 16 (in 1) nach rechts vom ersten Kolben K₁ weg bewegen kann. Über den Kanal 48 des zweiten Kolbens K₂ strömt dabei Druckmittel aus dem zweiten Halte-Druckraum 4 in den sich vergrößernden Zwischen-Druckraum 5. Das dabei zusätzlich benötigte Differenzvolumen (A_T – A_N) strömt aus dem Speicher 34 über den zweiten Halte-Druckraum 4 in den Zwischen-Druckraum 5.
Beim Auseinanderschieben der Kolben K₁, K₂ ist eine erste Teilstrecke bis zu der Stelle definiert, an der sich die beiden Stufen der Kolben K₁, K₂ voneinander lösen und die Verbindung zwischen dem zweiten Halte-Druckraum 4 und dem Zwischen-Druckraum 5 vollständig geöffnet ist. Während dieser Teilstrecke wird die Volumendifferenz A_T – A_Z mit der Vergrößerung des elastischen Rings ausgeglichen.
Am Ende der Bewegung des zweiten Kolbens K₂ ist ein Endlagendämpfer vorgesehen. Dazu ist in der Halte-Druckfläche A_N des zweiten Kolbens K₂ eine Stufe 54 und im Zylinder 7 eine entsprechende Stufe 54 vorgesehen (vgl. 1). Weiterhin ist im zweiten Kolben K₂ ein Dämpfungskanal 56 mit einer Düse 58 vorgesehen, wobei der Kanal 56 den zweiten Halte-Druckraum 4 mit dem Zwischen-Druckraum 5 über den Kanal 48 verbindet.
Offenbart ist eine Zylinder-Kolben-Vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Verstell-Druckraum, die in gegensätzliche Verstellrichtungen eines ersten Kolbens wirken und damit eine Positionsregelung des ersten Kolbens ermöglichen. Weiterhin sind ein erster und ein zweiter Halte-Druckraum vorgesehen, über die in einem Regel- bzw. Normalbetrieb ein zweiter Kolben hydraulisch an den ersten Kolben gekoppelt ist. Insbesondere ist damit ein an dem zweiten Kolben befestigter Ventilkörper eines sicherheitsrelevanten Ventils an den ersten Kolben gekoppelt. Dabei werden im Normalbetrieb die Kolben aneinander in Anlage und ein elastisches Element unter Vorspannung gehalten. In einer Notfunktion bzw. in einem Notbetrieb können die beiden Kolben über das elastische Element in entgegen gesetzte Richtungen auseinander bewegt werden. Insbesondere wird damit der zweite Kolben vom ersten Kolben weg bewegt und das sicherheitsrelevante Ventil geschlossen. In der erfindungsgemäß kompakt bauenden Zylinder-Kolben-Vorrichtung sind der erste Verstell-Druckraum und die beiden Halte-Druckräume gemeinsam in einem Zylinder angeordnet. Zwischen den beiden Kolben ist im Zylinder weiterhin ein Zwischen-Druckraum vorgesehen, dessen Größe im Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Zylinder-Kolben-Vorrichtung durch die Anlage der beiden Kolben sehr gering (oder gleich null) ist. Während des Notbetriebs wird die Größe des Zwischen-Druckraums vergrößert. Dabei wird der Zwischen-Druckraum passiv mit Druckmittel befüllt, wobei die Befüllung durch eine Teilkraft des elastischen Elements erfolgt.
Weiterhin ist eine hydraulische Verstellvorrichtung mit einer derartigen Zylinder-Kolben-Vorrichtung offenbart, wobei deren Verstell-Druckräume von einer hydrostatischen Verdrängermaschine – insbesondere von einer drehzahlvariablen Pumpe – versorgbar sind. Weiterhin können die beiden Halte-Druckräume über eine Koppelleitung miteinander verbunden und von der Verdrängermaschine mit Haltedruck beaufschlagt werden.
Bezugszeichenliste

1: zweiter Verstell-Druckraum
2: erster Verstell-Druckraum
3: erster Halte-Druckraum
4: zweiter Halte-Druckraum
5: Zwischen-Druckraum
6: mittlerer Abschnitt
7: 5-Kammer-Zylinder
8: erste Kolbenstange
10: zweite Kolbenstange
12: erste Federanlage
14: zweite Federanlage
16: Druckfeder
18: Radialbund
20: Mündung
22: Arbeitsleitung
24: Verdrängermaschine
26: Koppelleitung
28: Mündung
30: Verbindungsleitung
32: 3/2-Wegeventil
34: Speicher
36: Absperrventil
38: Rückschlagventil
40: Rückschlagventil
42: Speicher
44: elastischer Ring
46: Rückschlagventil
48: Kanal
50: Dichtung
52: Dichtung
54: Stufe
56: Dämpfungskanal
58: Düse
A_N: Halte-Druckfläche
A_R: Verstell-Druckfläche
A_T: Gesamt-Druckfläche
A_Z: kleinere Druckfläche
A_T – A_Z: größere Druckfläche
K₁: erster Kolben
K₂: zweiter Kolben
M: Motor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10152414 A1 [0002]
DE 19723624 A1 [0002]
DE 10308017 B4 [0004]
DE 102010011516 A1 [0006]

Claims

Zylinder-Kolben-Vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Verstell-Druckraum (1, 2), die in gegensätzliche Verstellrichtungen eines ersten Kolbens (K₁) wirken, und mit einem ersten und einem zweiten Halte-Druckraum (3, 4), über die in einem Normalbetrieb der erste und ein zweiter Kolben (K₁, K₂) aneinander in Anlage und ein elastisches Element (16) unter Vorspannung haltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verstell-Druckraum (2) und die beiden Halte-Druckräume (3, 4) in einem Zylinder (7) angeordnet sind, und wobei in einem Notbetrieb die beiden Kolben (K₁, K₂) über das elastische Element (16) in entgegen gesetzte Richtungen bewegbar sind, wodurch ein zwischen den beiden Kolben (K₁, K₂) angeordneter Zwischen-Druckraum (5) vergrößerbar ist.
Zylinder-Kolben-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei an dem ersten Kolben (K₁) eine hohlzylindrische erste Kolbenstange (8) befestigt ist, die abschnittsweise aus dem Zylinder (7) herausragt, und wobei der erste Verstell-Druckraum (2) im Innern der ersten Kolbenstange (8) angeordnet ist, wobei der zweite Verstell-Druckraum (1) im Innern der ersten Kolbenstange (8) und außerhalb des Zylinders (7) angeordnet ist.
Zylinder-Kolben-Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste Halte-Druckraum (3) am Außenumfang der ersten Kolbenstange (8) angeordnet ist, und wobei an dem zweiten Kolben (K₂) eine zweite Kolbenstange (10) befestigt ist, die abschnittsweise aus dem Zylinder (7) herausragt, wobei der zweite Halte-Druckraum (4) am Außenumfang der zweiten Kolbenstange (10) angeordnet ist.
Zylinder-Kolben-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Verstell-Druckräume (1, 2) durch gleich große Verstell-Druckflächen (A_R) begrenzt sind.
Zylinder-Kolben-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Halte-Druckräume (3, 4) durch gleich große Halte-Druckflächen (A_N) begrenzt sind, die größer als die Verstell-Druckflächen (A_R) sind.
Zylinder-Kolben-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die zweite Kolbenstange (10) hohlzylindrisch ist, und wobei konzentrisch im Zylinder (7) ein mittlerer Abschnitt (6) befestigt ist, und wobei die beiden Kolben (K₁, K₂) und die Druckräume (1, 2, 3, 4, 5) ringförmig sind, und wobei die beiden Kolben (K₁, K₂) am Außenumfang des mittleren Abschnitts (6) geführt sind.
Zylinder-Kolben-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das elastische Element eine Druckfeder (16) ist, die den Zylinder (7) umfasst, und wobei an der ersten Kolbenstange (8) eine erste Federanlage (12) und an der zweiten Kolbenstange eine zweite Federanlage (14) befestigt sind, und wobei die Druckfeder (16) zwischen den beiden Federanlagen (14, 16) eingespannt ist.
Zylinder-Kolben-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im ersten Kolben (K1) ein erster Kanal mit einem Rückschlagventil (46) ausgebildet ist, über das der Zwischen-Druckraum (5) mit dem ersten Verstell-Druckraum (2) verbunden ist.
Zylinder-Kolben-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im zweiten Kolben (K2) ein zweiter Kanal (48) ausgebildet ist, über den der Zwischen-Druckraum (5) mit dem zweiten Halte-Druckraum (4) verbunden ist.
Zylinder-Kolben-Vorrichtung zumindest nach Anspruch 8 und 9, wobei eine den Zwischen-Druckraum (5) begrenzende Gesamt-Druckfläche (A_T) des ersten Kolbens (K₁) und eine den Zwischen-Druckraum (5) begrenzende Gesamt-Druckfläche (A_T) des zweiten Kolbens (K₂) jeweils gestuft sind, wodurch sich jeweils eine kleinere Druckfläche (A_Z) und eine größere Druckfläche (A_T – A_Z) ergeben, und wobei die kleinere Druckfläche (A_Z) kleiner als die Halte-Druckflächen (A_N) ist, und wobei der erste Kanal in der größeren Druckfläche (A_T – A_Z) des ersten Kolbens (K1) und der zweite Kanal (48) in der kleineren Druckfläche (A_Z) des zweiten Kolbens (K₂) mündet.
Zylinder-Kolben-Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die größere Druckfläche (A_T – A_Z) des ersten Kolbens (K₁) in einer axialen Rückstufung gebildet ist, und wobei ein elastischer Ring (44) in die Vertiefung eingesetzt ist, in dem eine Mündung für den ersten Kanal gebildet ist.
Zylinder-Kolben-Vorrichtung zumindest nach den Ansprüchen 9 und 10, wobei eine Halte-Druckfläche (A_N) des zweiten Kolbens (K₂) und eine den zweiten Halte-Druckraum (4) begrenzende Zylinderwand jeweils eine Stufe (54) haben, und wobei der zweite Kolben (K₂) einen Dämpfungskanal (56) mit einer Düse (58) hat, der die die Halte-Druckfläche (A_N) mit dem zweiten Kanal (48) oder mit seiner kleineren Druckfläche (A_Z) verbindet.
Hydraulische Verstellvorrichtung mit einer Zylinder-Kolben-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Verstell-Druckräume (1, 2) von einer hydrostatischen Verdrängermaschine (24) versorgbar sind, und wobei die beiden Halte-Druckräume (3, 4) über eine Koppelleitung (26) miteinander verbindbar und von der Verdrängermaschine (24) mit Druckmittel befüllbar sind.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 13, wobei in einer die Verdrängermaschine (24) mit dem zweiten Verstell-Druckraum (1) verbindenden Arbeitsleitung (22) ein Absperrventil (36) angeordnet ist, und wobei die Koppelleitung (26) über ein Rückschlagventil (38) an die Arbeitsleitung (22) zwischen dem Absperrventil (36) und der Verdrängermaschine (24) angeschlossen ist, und wobei das Rückschlagventil (38) von der Koppelleitung (26) zur Arbeitsleitung (22) schließt.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei in der Koppelleitung (26) ein 3/2-Wegeventil (32) vorgesehen ist, über dessen Schaltstellung die beiden Halte-Druckräume (3, 4) miteinander verbunden sind, und über dessen durch eine Feder vorgespannte Grundstellung der erste Halte-Druckraum (3) abgesperrt und der zweite Halte-Druckraum (4) mit einem Speicher (34) verbunden ist.