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Hydraulischer Stellmotor mit selbsttätig gesteuerter Beschleunigung
Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Stellmotor mit einem längsbeweglichen,
in einem Zylinder geführten Vorschubkolben mit .einseitig herausgeführter Kolbenstange,
bei dem ein Druckmitteldruck auf einer Seite in einer ersten Kammer durch einen
höheren Druckmitteldruck in einer zweiten Kammer auf einer kleineren Fläche auf
der anderen Seite des Vorschubkolbens ausgeglichen wird, wobei bei Drucksteigerung
auf der kleinen Fläche der Vorschubkolben weiterbewegt und eine die Kammern verbindende
Öffnung freigelegt wird, wodurch sich sofort der höhere Druck auf der gesamten Fläche
der anderen Seite auswirkt und die sich ergebende Beschleunigung des Vorschubkolbens
in Abhängigkeit von der Zeit durch einen von dem Vorschubkolben getragenen Meßstift
gesteuert wird, der beim Freilegen der Öffnung von dieser weggezogen wird.
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Solche Stellmotore werden in der Werkstoffprüfung bei Stoßversuchen
und auch zur spanlosen Metallverformung verwandt. Hierbei kommt es darauf an, eine
Kraft zu erzeugen, deren Größe in einem vorgegebenen Verhältnis zur Zeit veränderlich
ist. Zum Beispiel soll die Kraft rasch vom Wert Null auf einen Höchstwert ansteigen,
wobei auch der Anstieg eine bestimmte Abhängigkeit von der Zeit zeigen soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen bekannten
Stellmotor im Hinblick auf seine Verwendung insbesondere zur Werkstoffprüfung weiter
zu entwickeln. Dabei soll der Stellmotor so ausgebildet sein, daß nicht nur die
Beschleunigung der Vorschubkraft vom Wert Null zum Höchstwert nach einer vorgegebenen
Funktion verläuft, sondern daß auch die Verzögerung des Vorschubkolbens bzw. der
Abfall der Kraft vom Höchstwert zurück auf Null nach einer bestimmten Funktion erfolgt.
Eine solche gesteuerte Verzögerung erweist sich als äußert nützlich bei der Werkstoffprüfung.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Kombination der folgenden
Merkmale gelöst: a) die zweite Kammer ist in an sich bekannter Weise durch einen
Freikolben in einen Flüssigkeit enthaltenden Abschnitt und einen Gas enthaltenden
Abschnitt geteilt, wobei der letztere an eine Gasdruckquelle angeschlossen ist;
b) auf dem Freikolben ist ein an sich bekannter, nadelförmiger, an seiner Spitze
konisch geformter Bremsstift vorgesehen, der sich im ersten Abschnitt befindet;
c) der Bremsstift schließt unmittelbar nach dem Abziehen des am Vorschubkolben befestigten
Meßstiftes die Öffnung und beendet damit die Druckmittelzufuhr von dem Flüssigkeit
enthaltenden Abschnitt der zweiten Kammer auf die gesamte Fläche der anderen Seite
des Vorschubkolbens; d) die Kolbenstange trägt unmittelbar am Vorschubkolben in
der ersten Kammer eine Meßhülse, die mit einer Öffnung in .einer in der Kammer befestigten
Platte zusammenwirkt, die die erste Kammer in einen Flüssigkeit enthaltenden Abschnitt
und einen Gas enthaltenden Abschnitt unterteilt.
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Das Merkmal a) stellt einen Druckumformer dar, der eine Trennung von
Druckgas und Öl ermöglicht, so daß der Stellmotor mit Druckgas angetrieben werden
kann.
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Mit dem gemäß dem Merkmal b) auf .dem Freikolben angeordneten konisch
geformten Bremsstift wird die Beschleunigung gesteuert, die dem Vorschubkolben erteilt
wird. Je nach der Konizität oder einer anderen Form des an sich bekannten Bremsstiftes
erhält die Beschleunigung des Vorschubkolbens einen bestimmten Verlauf. Zum Beispiel
fällt die Beschleunigung bei einem konisch gefortmen Bremsstift von einem Höchstwert
auf geringere Werte ab.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Stellmotors soll erreicht
werden, daß nicht nur die Beschleunigung des Vorschubkolbens nach einer bestimmten
Zeitfunktion verläuft, sondern daß auch die Verzögerung des Vorschubkolbens bis
zur Geschwindigkeit Null einen bestimmten Zeitverlauf erhält. Dies heißt, daß die
Bewegung des Vorschubkolbens in zwei Abschnitte unterteilt wird. Während des ersten
Abschnittes
wird der Vorschubkolben in gesteuertem Maß beschleunigt, während er während des
zweiten Abschnittes in gesteuertem Maß verzögert wird. Zur Lösung dieser Aufgabe
trägt das Merkmal c) bei, gemäß dem die Druckmittelzufuhr zum Vonschubkolben und
damit dessen Beschleunigung bei Verschluß der Öffnung durch den Bremsstift beendet
wird. Nach Beendigung der Beschleunigung beginnt der zweite Abschnitt der Bewegung
des Vorschubkolbens, während dessen er in gesteuertem Maß verzögert wird.
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Zur gesteuerten Verzögerung des Vorschubkolbens dient das Merkmal
d). Die auf dem Vorschubkolben befestigte Meßhülse verschließt die Öffnung je nach
der Augenblickslage des Vorschubkolbens mehr oder weniger stark, wodurch das Entweichen
des Druckmittels beeinflußt und damit die von diesem ausgeübte Bremswirkung gesteuert
wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Meßhülse eine
Umfangsfläche auf, die entlang ihrer Längsachse konturiert ist. Bei Aufsetzen von
Meßhülsen mit verschiedener Kontur auf den Vorschubkolben kann man daher die diesem
aufgezwungene Verzögerung beeinflussen und damit einen anderen Kraft/Zeitverlauf
erzielen.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist der Meßstift in einer
anderen Ausführung eine Dichtung auf, die an der Wand der Öffnung, die unmittelbar
oberhalb des Freikolbens liegt, zwischen der ersten und der zweiten Kammer anliegt.
Hiermit wird die kleinere Fläche des Vorschubkolbens, auf die der Druck zuerst ausschließlich
einwirkt, gegenüber der oben geschilderten Ausführung herabgesetzt und sichergestellt,
daß die Kolbenstange erst dann beschleunigt wird, wenn die Drucksteigerung auf der
kleineren Fläche des Vorschubkolbens einen hohen Wert erreicht hat. Damit wird ein
explosionsartiger Anstieg der Vorschubkraft erreicht.
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_ Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die beiden Kammern
durch je einen Zylinderteil gebildet, wobei beide Zylinderteile unter Einschluß
der die Öffnung enthaltenden Platte lösbar miteinander verbunden sind. Durch dieses
Merkmal wird die Montage und der Einbau von Brems- und Meßstiften verschiedener
Form erleichtert.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung wird der Stellmotor zur
Ausübung von Beschleunigungskräften in Zusammenarbeit mit einem Schlitten verwendet,
der bewegbar in Schienen gehalten und zur Aufnahme eines Werkstückes bestimmt ist.
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Die Erfindung wird nun im folgenden am Beispiel der in der Zeichnung
gezeigten Ausführungen weiter erläutert. Dabei ist F i g. 1 ein Längsschnitt durch
einen erfindungsgemäß ausgebildeten Stellmotor, F i g. 2 ein Längsschnitt durch
eine andere Ausführung des Meßstiftes@ der mit diesem zusammenarbeitenden Öffnung
und des Vorschubkolbens und F i g. 3 eine Seitenansicht einer Maschine, in der der
erfindungsgemäße Stellmotor zur Ausübung von Beschleunigungskräften verwandt wird.
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F i g. 1 zeigt den Stellmotor mit der ersten Kammer 10 und
der zweiten Kammer 12. Beide Kammern sind über eine Platte 14, die eine Öffnung
16 einschließt, miteinander verbunden. Zur Verbindung dienen die Gewindeplatten
18, die durch Bolzen 20 zusammengehalten werden. Die untere Kammer 12 wird
durch den Freikolben 22 in zwei Abschnitte unterteilt. Der obere Abschnitt 24 ist
mit einer Druckflüssigkeit gefüllt. Der untere Abschnitt 26 ist über die Leitung
28 an ein Gasdruckquelle angeschlossen. Der Freikolben 22 trägt einen Bremsstift
30, der im gezeigten Beispiel in den Freikolben 22 eingeschraubt ist und eine konisch
geformte Spitze hat. Der Durchmesser des Bremsstiftes 30 ist so auf den Durchmesser
der Öffnung 16 abgestimmt, daß er diese verschließen kann.
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In der oberen Kammer 10 gleitet der Vorschubkolben 32. An diesem ist
die Kolbenstange 34 befestigt. In einer Umfangsnute des Vorschubkolbens 32 liegt
ein Dichtring 36. Von der Unterseite des Vorschubkolbens 32 geht der Meßstift 38
aus. Am oberen Umfang des Meßstiftes 38 befindet sich ein weiterer Dichtring
40. Innerhalb des Dichtringes 40
liegt die kleinere Fläche des Vorschubkolbens
32; auf die im Ruhezustand der Druck der in dem Abschnitt 24 enthaltenen Flüssigkeit
einwirkt.
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Auf die Kolbenstange 34 ist noch die Meßhülse 42 aufgeschoben. Diese
hat eine in Längsrichtung konturierte Umfangsfläche 44. Eine Platte
46 mit einer Öffnung 48 unterteilt die Kammer 10 in einen oberen
Abschnitt 50 und einen unteren Abschnitt 52. Die Verbindung der Platte 46 mit den
beiden die Kammern 50 und 52 bildenden Zylinderteilen ist, wie dies schon im Zusammenhang
mit der Kammer 12 und der Platte 14 sowie den Befestigungselementen
18
und 20 erläutert wurde, lösbar. Der obere Abschnitt 50 ist
über eine Leitung 54 mit einer Gasdruckquelle verbunden.
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Der obere Abschnitt 24 der unteren Kammer 12 und der untere
Abschnitt 52 der oberen Kammer 10
sind mit Flüssigkeit gefüllt.
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Der eben beschriebene Stellmotor arbeitet wie folgt: Im Ruhezustand
wirken auf den Vorschubkolben 32 zwei verschieden große Drucke ein. Die obere Seite
des Vorschubkolbens 32 wird auf ihrer gesamten Fläche mit dem Druck der Flüssigkeit
beaufschlagt, die in dem Abschnitt 52 enthalten ist. Auf der Unterseite des Vorschubkolbens
32 wird nur die kleinere innerhalb des Dichtringes 40 liegende Fläche mit
dem Druck beaufschlagt, den die in dem Abschnitt 24 enthaltene Flüssigkeit
ausübt. Dieser Druck ist größer, damit trotz der kleineren von ihm erfaßten Fläche
von unten und oben die gleiche Kraft auf den Vorschubkolben 32 ausgeübt wird
und dieser damit stillsteht. Erhöht man den auf die Unterseite des Vorschubkolbens
32 ausgeübten Druck, indem man die Druckgaszufuhr über die Leitung 28 steigert,
wird der Vorschubkolben 32 angelüftet, so daß plötzlich seine gesamte Unterseite
mit Druck beaufschlagt wird. Die dem Vorschubkolben 32 und damit der Kolbenstange
34 erteilte Beschleunigung hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der die Flüssigkeit
aus dem Abschnitt 24 in den Raum unterhalb des Vorschubkolbens 32 durch die Öffnung
16 durchläuft. Die Menge der pro Zeiteinheit nachströmenden Flüssigkeit wird nicht
nur durch die Menge des über die Leitung 28 zugeführten Gases, sondern maßgeblich
auch durch die Form des Meßstiftes 38 bestimmt. Dieser bestimmt den wirksamen Querschnitt
der Öffnung 16. Nach einer bestimmten Zeit hat der Meßstift 38 die Öffnung 16 verlassen
und der Bremsstift 30, der aus einem elastischen Material besteht, schiebt sich
von unten in die Öffnung 16. Sobald er die Öffnung 16 verschlossen hat, ist
die Beschleunigungsphase beendet.
Es beginnt der zweite Abschnitt
der Bewegung der Kolbenstange 34. Während dieses Abschnittes wird die Kolbenstange
34 in gesteuertem Maß verzögert. Abhängig von der in den Abschnitt 52 eingefüllten
Flüssigkeitsmenge, die man beliebig groß oder klein halten kann, tritt diese Flüssigkeit
bei der Aufwärtsbewegung des Vorschubkolbens 32 mehr oder weniger spät durch die
Öffnung 48 durch und tritt in den Abschnitt 50 ein. Der der Flüssigkeit zum
Durchtritt zur Verfügung stehende Querschnitt wird durch die Meßhülse 42 verringert,
die sich in die Öffnung 48 einschiebt. Mit der im Beispiel gezeigten stetig ansteigenden
Umfangsfläche 44 der Meßhülse 42 wird der Durchtrittsquerschnitt der
Öffnung 48
allmählich verkleinert, so daß die Kolbenstange 34 sanft abgebremst
wird. Durch eine andere Kontur der Umfangsfläche 44 und Vergrößern oder Verkleinern
der Öffnung 48 hat man es in der Hand, der Verzögerung zahlreiche Zeitfunktionen
zu geben. Zum gleichen Ziel führt eine Erhöhung oder Herabsetzung der in den Abschnitt
52 eingefüllten Flüssigkeitsmenge.
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F i g. 2 zeigt eine Abwandlung des Vorschubkolbens 32 und des mit
diesem zusammenwirkenden Dichtringes, der die kleinere Fläche begrenzt. Bei der
Ausführung nach F i g. 1 befindet sich der Dichtring 40 zwischen dem Vorschubkolben
32 und der Platte 14. Bei der Ausführung nach F i g. 2 befindet sich ein
Dichtring 56 innerhalb der Öffnung 16 der Platte 14.
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Die Arbeitsweise dieser Ausführung ist ähnlich der Arbeitsweise, wie
sie bereits für F i g. 1 beschrieben wurde. Bei der Ausführung nach F i g. 2 bleibt
die Abdichtung zwischen dem Vorschubkolben 32 und der Platte 14 jedoch so lange
wirksam, bis der Meßstift 38 mit dem ihn umgebenden Dichtring 56 ganz aus der Öffnung
16 herausgezogen ist. Bei der Ausführung nach F i g. 1 wird die Abdichtung zwischen
dem Vorschubkolben 32 und der Platte 14 bereits bei einer Verschiebung von etwa
0,05 mm aufgehoben. Bei dieser Ausführung ist dagegen eine beträchtlich größere
Verschiebung zwischen dem Vorschubkolben 32 und der Platte 14 möglich, bevor die
größere Fläche des Kolbens auf dessen Unterseite mit Druck beaufschlagt wird und
damit die eigentliche Beschleunigung beginnt. Daraus folgt, daß mit dieser Ausführung
größere Verstärkungsfaktoren verwirklicht werden können.
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F i g. 3 zeigt den Einbau des Stellmotors in eine Schlittenführung
zur Ausübung von Beschleunigungskräften. Der Stellmotor ist allgemein mit 58 bezeichnet.
Er treibt einen Schlitten 60 an, der ein Prüfstück 62, z. B. ein zu prüfendes Materialstück,
trägt. Der Schlitten 60 wird in Schienen 64 geführt. Diese sind an
ihrem oberen Ende mit einer Querstange 66 verbunden. An den Seiten des Schlittens
60 sind Führungsschuhe 68 befestigt. Jeder Schuh 68 besitzt einen Reibbelag, der
an den Schienen 64 anliegt und die Bewegung des Schlittens 60 abbremst. Die Reibbeläge
können mechanisch eingestellt werden, um die Reibungskräfte zwischen Schienen 64
und Schlitten 60 und damit die Größe der Verzögerung zu verändern. Die Anordnung
der Reibbeläge ist nicht Gegenstand der Erfindung.
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Bei der Benutzung dieser Vorrichtung wird der Stellmotor 58 auf die
oben beschriebene Art ausgelöst und erzeugt eine Kraft, die den Schlitten
60
und das Probestück 62 beschleunigt. Darauf wird die Vorschubstange des
.Stellmotors 58 verzögert, um die auf den Schlitten 60 ausgeübte Beschleunigung
zu unterbrechen.