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Steuerung für hydraulische Antriebe Die Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren und Vorrichtungen zum Steuern der Bewegungen von durch Druckmedien
wechselseitig beaufschlagten Kolben.
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Bisher ist es üblich, daß von einem Druckerzeuger ein Ölstrom über
einen Vorsteuerschieber zum Hauptsteuer.schieber geleitet und dort der jeweiligen
Zylinderseite zugeteilt .wird. Die Umsteuerung erfolgt dabei nicht unmittelbar durch
den Hauppsteuerschieber, sondern die Tischanschläge :schwenken einen Anschlaghebel,
der den Vorsteuerschieber verschiebt. Durch diese Schaltbewegung wird allmählich
die Zuführung zum Zylinder gedrosselt und zuletzt der Hauptsteuersehieber hydraulisch
verschoben. Dabei überwindet der Hauptsteuenschieber seine Totlage in der Haltestellung
des Tisches ohne jede zusätzliche Feder oder Schneidenbelastung.
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Weiterhin ist .bekannt, die Umsteuerung mittels eines schwenkbaren
Drehkolbenventil.es durchzuführen. Die Schwenkbewegung wird hierbei entweder durch
Anschläge und Hebel oder durch Schalter und Elektromagnete eingeleitet.
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Die gemeinsamen Nachteile dieser Steuerungsarten bestehen einmal in
der beim Umsteuern wirkenden Trägheit der Steuerelemente, die durch entsprechende
Beschleunigungskräfte nur langsam überwunden werden kann. Dadurch ist eine Beschränkung
der Hubfrequenz gegeben, die sich besonders bei kurzen Hüben als sehr nachteilig
auswirkt. Ein anderer Nachteil isst, daß die Umsteuerung durch Anschläge eingeleitet
wird. Die durch die Anschläge gegebenen Impulse werden durch längere Ilebelsysteme
oder ähnliches auf den Vorsteuerkolben geleitet. Diese Art der Übertragung ergibt
beim Umsteuern durch ihre Trägheit weitere Zeitverluste. Auch ist die durch die
Anschläge vorhandene Unfallquelle recht schwer zu beseitigen. Die angestrebte ebene
Oberfläche der Maschinen läßt sich durch die Anschläge auch nur unter großem Aufwand
erreichen.
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Eine andere Art der Umsteuerung ist die Übernullsteu.erung der Antriebspumpe.
Dabei wird das Kolbengehäuse der Pumpe für jeden Umsteuerungsvorgang gegensätzlich
ausgeschwenkt, und zwar so, daß einmal der Förderstrom zu der einen Zylinderseite
und einmal zu der anderen Zylinderseite geleitet wird. Es ist dabei besonders schwierig,
die Beschleunigung der durch das Kolbengehäuse gegebenen großen Massen durchzuführen.
Diese Beschleunigung benötigt eine :gewisse Zeit, die von der für .die Arbeitsbewegung
zur Verfügung stehenden Zeit abgezogen werden muß.
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Weiterhin ist nachteilig, daß der Arbeitskolben erst dann die volle
Geschwindigkeiterreicht, wenn die Pumpe voll ausgeschwenkt ist. Infolge der zu bew@egenden
großen Massen ist für ,das Ausschwenken eine gewisse Zeit erforderlich. Das bedeutet,
daß bei hohen Hubzahlen bzw. kleinen Hublängen der .geschwindigkeitskonstante Wegabschnitt
des Arbeitskolbens relativ klein wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und `Vorrichtungen zum
Steuern von Bewegungen von wechselseitig beaufschlagten Kolben zu schaffen, welches
ohne Anschläge oder Schalter zeitabhängig umsteuert, die Bremsenergie beim Umsteuern
nutzt und eine hohe Hubfrequenz zuläßt.
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Dieses wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch erreicht, daß
Druckströme von einem Erzeuger einmal zu einem Drehkolbenventil und zum anderen
zu einem mit dem Drehkolben verbundenen hydraulii,schen Motor geleitet werden. Die
ständige aber regelbare Rotation des Drehkolbens lenkt den Druckstrom abwechselnd
in eine der beiden zu den verschiedenen Kolbenseiten führenden Leitungen, wobei
die jeweilIge Rücklaufleitung dann mit vtinem Ölbehälter verbunden ist. Zur Sicherung
der Hublage sind eine doppelseitige Kolbenstange und ein Kolben mit einer gemeinsamen
Axialbohrung versehen, in der von jedem Kolbenstangenende aus ein Steuerkolben geführt
wird, dessen hohlgebohrte, an die Leitung vom Drehkolbenventil angeschlossene Steuerkolbenstange
durch eine zur Bohrung der Kolbenstange abdichtende Buchse umschlossen wird. Steuerkolben
und Buchse sind gegenainander und für sich axial verstellbar.
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Die Steuerkolbenstange ist nahe am Steuerkolben mit radialen Bohrungen
versehen. Der Steuerkolben hat gleichfalls eine radiale Bohrung, .in der sich mit
einer gemeinsamen Feder versehene Kugelventile befinden, welche mit der Bohrung
der Steuerkolbenstange Verbindung haben.
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Ein Zylinder ist an seinen Enden mit Anschlüssen für Druckspeicher
versehen. Durch diese wird einerseits eine starke Schwingungsdämpfung erreicht,
andererseits wird die Bremsenergie auf einfache Art
akkumuliert
und wieder zur Beschleunigung des Kolbens benutzt. So ist es möglich, eine Antriebsleistung
zu installieren, die fast ausschließlich durch die Arbeitsleistung bestimmt wird.
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Neben den üblichen Vorteilen eines hydraulischen Antriebes, wie stufenlose
Regelung unter Last, korstante Geschwindigkeit auf größtmöglicher Wegstrecke, einfache
Überlastungss=icherung, Möglichkeit des automatischen Arbeitsablaufes usw. sind
noch folgende Vorteile der vorliegenden Steuerung zu nennen: Die Möglichkeit zur
Erreichung sehr hoher Doppelhubzahlen, denn beim Umsteuern sind außer dem Arheitskolben
keine Schalt- oder Steuerelemente zu beschleunigen. Deshalb wird für den Umsteuervorgang
die kleinstmögliche Zeit benötigt, und die absolut zur Verfügung stehende Zeit kann
fast vollständig für,die Ausführung der Arbeitsbewegung benutzt werden.
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Der ständig rotierende Drehkolben wird bei der Umsteuerung nicht beschleunigt
und hat dadurch eine weit kleinere Leistungsaufnahme als ein Steuerelement, das
entsprechend der Hubzahl -beschleunigt werden muß. Dadurch ist die Steuerung-- universell
und für alle hochtourig hin- und hergehenden Bewegungen (bis zur oszillierenden
Bewegung) -anwendbar, obwohl auch kleine Hubzahlen möglich sind. Eine vorgesehene
Verbundregelung von Arbeitskreislauf und Steuerkreislauf gestattet eine Geschwindigkeitsregelung
bei konstanter Hublänge. Die Steuerung -enthält außerdem keinerlei elektrische Steuer=
und Schalteinrichtungen als die für einen Elektromotor üblichen. Dadurch wird die
Betriebssicherheit stark erhöht. Die Gestaltung der Urnsteuereinrichtung, welche
aus Drehkolbenventil und feststehender Hubbegrenzungseinrichtung besteht, schließt
Schaltverzüge und damit verbundene Hubungenauigkeiten aus.
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In der Zeichnung sind nun Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Abb. 1 ein Kolbengetriebe, dessen Zylinder feststeht, während-die Kolbenstange
den Hub ausführt, Abb. 2 ein gleiches Getriebe, wobei die Hubbegrenzungseinrichtung
außerhalb -des Getriebes liegt.
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Eine durch einen Elektromotor 1 angetriebene Radiallzolbenpumpe 2
fördert aus einem Ölbehälter 3 Drucköl zu einem Drehkolbenventil Q. In eine Leitung
5 von der Pumpe 2 zum Ventil 4 ist ein Überdruckventil 6 mit Ableitung 7 zum Ölbehälter
3 eingeschaltet. Das Drehkolbenventil 4 besteht aus einem Gehäuse 8 und einem Drehkolben
9. Der Drehkolben hat axial nacheinander zwei Ringnuten und dazwischen jeweils zwei
mal zwei gegenüberliegende Ausfräsungen 10, 11. Die gegenüberliegenden Ausfräsungen
10, 11 sind je-
weils mit den Ringnuten durch Querbohrungen 12, 13 und Innenbohrungen
14, 15 verbunden. Durch die eine Ringnut und die dazugehörigen Bohrungen erfolgt
der Zufluß und durch die andere der Abfluß vom bzw. zum Drehkolben 9. Die zwischen
den Ausfräsungen 10, 11 liegenden Stege 16 überdecken zeitweilig zwei um 90° versetzte
Steuerschlitze 17, 18 im Gehäuse B. Diese Steuerschlitze 17, 18 sind durch Teleskoprohre
19, 20 mit den beiden Enden 21, 22 einer doppelseitigen Kolbenstange 23 verbunden.
Die doppelseitige Kolbenstange 23 und ein zwischen ihr sitzender Kolben 2 sind mit
einer gemeinsamen axialen Bohrung 25 versehen. Unmittelbar neben den Kolben 24 sind
die Kolbenstangen 21, 22 mit je vier radialen Bohrungen 26 versehen.
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In der axialen Bohrung 25 des Kolbens 24 und der Kolbenstange23 ist
von jedem Ende aus ein in .axialer Richtung verstellbarer Steuerkolben27geführt,
dessen Kolbenstange 28 (Steuerkolbenstange) ebenfalls eine axiale Bohrung 29 und
nahe dem Kolben 27 vier radiale Bohrungen 30 hat. Der Steuerkolben 27 selbst ist
mit einem doppelseitigen zu seiner Mantelfläche wirkenden Kugelventil
31 ausgerüstet, welches durch einen Kanal 32 mit oder axialen Bohrung 29
der Steuerkolbenstange28 verbunden -ist. Die Steuerkolbenstange 28 ist durch eine
für sich axial verstellbare, abgesetzte Buchse 33 umschlossen, die außen zu der
Bohrung 25 der Kolbenstange 23 abdichtet.
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Der Kolben 24 und seine doppelseitige Kolbenstange 23 sind in einem
festen Zylinder 34 axial bewegbar. An beiden Stirnseiten 35,36 des Zylinders
34 ist je ein Druckspeicher 37 vorgesehen.
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Im besonderen sind für die Regelung der Geschwindigkeit des Kolbens
2 der Größe und Lage des Hubes folgende Elemente vorgesehen: Zur Beeinflussung der
Geschwindigkeit des Kolbens 24 und der Größe des Hubes ist -die den Druckstrom erzeugende
Radialkolbenpumpe 2 zweisternig ausgeführt. Der eine Zylinderstern38 fördert einen
Arbeit=-druclestrom über das Drehkolbenventil4, die Steuerkolbenstangen 28 zu den
Zylindersaiten 35, 36. (Im weiteren Arbeitskreislauf genannt.) Bei Regelung dieses
Sternes 38 wird die Geschwindigkeit des Kolbens 24 verändert. Zur Veränderung .der
Hublänge wird das von dem zweiten Zylinderstern 39 erzeugte Druckmittel einem Hy
draulikmotor 40 zugeführt, dessen Welle 41 den Drehkolben 9 des Ventils 4 antreibt.
(Im weiteren Steuerkreislauf genannt.) Die Verstellung der beiden Zylindersterne38,
39 der Radialkolibenpumpe 2 erfolgt grundsätzlich in einem entsprechenden Verhältnis
gemeinsam. Jedoch besteht auch .die Möglichkeit, den den Arbeitsdruckstrom erzeugenden
Stern 38 für sich zu regeln. Die gemeinsame Regelung aber führt zu .einer Erhöhung
der Kolbengeschwindigkeit bei gleicher Hubgröße.
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Um ,die Lage des Hubes festlegen zu können, werden beide Steuerkolbenstangen
28 mit Buchse 33 gemeinsam dorthin verschoben. Für die Nachregelung der Lage und
evtl. der Größe des Hubes werden die Regeleinrichtungen 42 .der Radialkolbenpumpe
2 mit Verstelleinrichtu.ngen 43 für die Buchse 33 und für die Steuerkolbenstange
28 gekuppelt. Dabei werden die Buchsen 33 auf beiden Steuerkolbenstangen 28 gleichzeitig
entgegengesetzt verschoben. Eine zusätzliche Einstellmöglichkeit -ist noch durch
ein auf dem Ende der Buchse 33 vorgesehenes Gewinde 44 -und eine in axialer Richtung
bestimmte Mutter 45 gegeben. Die Steuerkolben 28 sind ebenfalls durch
je eine in axialer Richtung ;bestimmte Mutter 46 und ein am Ende der Steuerkolbenstange
28 angebrachtes Gewinde 47 zusätzlich verstellbar.
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Die Wirkungsweise bzw. Arbeitsweise derartig ausgebildeter Steuerungen
ist folgende: Mit dem Einschalten des Elektromotors 1 wird die Radialkolbenpumpe
2 angetrieben. Je nach Regelstellung wird Arbeitskreislauf und Steuerkreislauf mit
einer bestimmten Menge Drucköl versorgt. Der Zylinderstern 28 des Arbeitskreislaufes
fördert seinen Druckölstrom in die Druckleitung 5. Der Druck ist jedoch durch ein
Maximaldruckventil 6 begrenzt; über dieses und eine Behälterleitung 7 kann eine
evtl. zu viel geförderte Menge in den Behälter 3 zurückfließen.
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Durch die Druckleitung 5 kommt der Ölstrom zum Gehäuse 8 des Drehkolbenventils
4, wird von einer Seite der Ringnut des Drehkolbens 9 zugeleitet und steht über
die Innenbohrung 14 und die Querbohrung 13 auf zwei gegenüberliegenden Ausfräsungen
10. Die beidenunderen Ausfräsungen 11 sind =durch .die in 90° dazu liegende Querbohrung
13 und die .andere Innenbohrurig
15 nach der anderen Seite mit
einer Rücklaufleitung 48 zum Behälter 3 verbunden.
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Der Drehkolben 9 des Ventils 4 wird durch den Hydraulikmotor 40, der
im Steuerkreislauf liegt, in stufenlos regelbare Drehungen versetzt. Somit werden
über die Leitungen 5, 19, 20 jeweils abwechselnd die eine Zylinderseite 35, 36 mit
Drucköl gefüllt, während die andere 36, 35 mit,der Rücklauf leitung 48 verbunden
ist. Das Drucköl fließt über Teleskoprohre 19-, 20 und Bohrung 29 der Steuerkolbenstange28
in den Ringkanal 49 zwischen Steuerkolben 27 und Buchse 33 und dann weiter in den
Zylinder 34. Kurz vor Beendigung eines Hubes wird an den Bohrungen 26 der als Steuerblock
wirkenden Kolbenstange 23 durch die Kante vom Steuerkolben 27 und Buchse
33 der Druckuni Rücklaufölstrom gedrosselt und somit die Kolbengeschwindigkeit
verringert. Nach vollständiger Überdeckung .der Bohrungen wird .durch die kinetische
Energie des Kolbens 24 der Druckspeicher 37 aufgeladen. Bei Beendigung des Hubes
ist der Drehkolben 9 so weit gedreht, daß die Funktionen der Zuleitungen 19, 20
vertauscht werden, also die Druckleitung 20 zur Rücklaufleitung 19 oder umgekehrt
wird.
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Der erste Impuls für die umgekehrte Hubbewegung erfolgt durch die
dm Druckspeicher 37 vorhandene Druckenergie. Dabei fließt das auf der Gegenseite
vorhandene Öl zuerst über das Kugelventil 31 und später durch Bohrungen 26 über
den Ringkanal 49, die Bohrungen 30 in der Steuerkolbenstange 28 und Leitungen 19,
20, 48 drucklos in .den Ölbehälter 3. Durch Verstellen der Steuerkolben 27 und der
Buchsen 33 nach Lage und Abstand zueinander wird die Lage des jeweiligen Arbeitshubes
eingestellt. Die Hubzahl wird durch die Drehzahl des Drehkolbens 9 geregelt. Um
aber eine größere Hubzahl bei gleichem Weg zu -erhalten, muß durch Erhöhung der
Fördermenge des Sternes 39 des Arbeitskreislaufes die Kolbengeschwindigkeit erhöht
werden. Aus,diesem Grund ist eine Verbundregelung der beiden Sterne 38, 39 möglich.
Die erhöhte Fördermenge des Sternes 38 des Steuerkreislaufes erhöht dann die Drehzahl
des Drehkolbens 9. Die Feineinstellung der Hubzahl erfolgt am Motor 40 des Steuerkreislaufes.
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Eine weitere Ausführungsform zeigt Abb. 2. Die @gesamte Huibbegrenzungseinrichtung
ist aus dem Kolben 24 und der doppelseitigen Kolbenstange 23 herausgenommen und
außerhalb angeordnet. Die Funktion ist im wesentlichen die gleiche wie vorbeschrieben.
Nur ist in der Hubbegrenzung der sich bewegende Kolben 24 mit Kolbenstange 23 durch
:eine in gleicher Weise aber umgekehrter Richtung bewegte Buchse 50 ersetzt. Die
Buchse 50 und die Kolbenstange 23 sind durch einen zweiarmigen Hebel 51 verbunden.
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Die Verbundregelung ist auch etwas geändert. Die Verstellung des Steuerkolbens
27 und der Buchse 33 erfolgt zusammen mit der Verstellung des hydraulischen Motors
40 im Steuerkreislauf. Die gemeinsame Verstellung der beiden Sterne 38, 39 der Pumpe
2 hat dadurch keinen Einfluß mehr auf die Verstellung der Hubbegrenzungseinrichtung.
Vielmehr wird, da die Sterne 38, 39 vom Steuerkreislauf und Arbeitskreislauf gemeinsam
geregelt werden, ,die Geschwindigkeit des Motors 40 im Steuerkreislauf und damit
die Drehzahl des Drehkolbens 9 verändert. Dadurch wird die Geschwindigkeit des Kolbens
24 bei konstanter Hublänge verändert. Es liegt auch nahe, die Radialkolbenpumpe
2 mit zwei Sternen 38, 39 durch zwei Radialkolbenpumpen oder andere .stufenlos regelbare
Druckerzeuger zu ersetzen.
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Weiterhin ist auch die Möglichkeit vorhanden, den Steuerkreislauf
durch mechanische stufenlose Getriebe oder ein Hydrogetriebe zu bilden.