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Hydraulischer Stellmotor mit längsbeweglichem Vorschubkolben Die Erfindung
betrifft einen hydraulischen Stellmotor mit längsbeweglichem, in einem Zylinder
geführtem Vorschubkolben mit einseitig herausgeführter Kolbenstange, wobei der Kolben
durch eine durch ein Druckmittel erzeugte, auf seine Rückseite wirkende Vorspannkraft
gegen eine Wand des Zylinders gedrückt wird, so daß sich zwischen der Wand und einem
Teil der anliegenden Fläche des Kolbens eine Druckdichtung aufbaut, die Druckdichtung
durch ein Betätigungsdruckmittel überwunden wird, das genügend Kraft zum Ausgleich
der Vorspannkraft zur Verfügung stellt, damit sich der Kolben mit hoher Geschwindigkeit
von der Wand wegbewegt.
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Bei einem solchen Stellmotor hängt die Beschleunigung, die dem Kolben
dabei durch das Betätigungsdruckmittel erteilt wird, davon ab, in welchem Maße das
Betätigungsdruckmittel auf die Vorderseite des Kolbens einwirken kann. Bei einem
bekannten Stellmotor wird diese Forderung nicht in höchstem Ausmaß erfüllt, da das
Betätigungsdruckmittel erst über eine in der Zylinderwand vorgesehene Bohrung in
den Zylinder einströmen muß. Bei dem Durchtritt durch diese Bohrung entstehen Strömungsverluste,
und die Geschwindigkeit, mit der das Betätigungsdruckmittel auf die Vorderseite
des Kolbens aufströmen kann, wird herabgesetzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Unterschied zu dem bekannten
Stellmotor einen Stellmotor so auszubilden, daß der durch das Betätigungsdruckmittel
aufgebaute Druck sofort nach Auflösen der Druckdichtung auf der gesamten Vorderseite
des Kolbens zur Verfügung steht. Hierdurch erzielt man einmal eine hohe Beschleunigung.
Durch die Vermeidung von Strömungsverlusten ergibt sich weiter ein guter Wirkungsgrad.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Kammer für
das Betätigungsdruckmittel vorgesehen ist, die auf der gleichen Seite der Wand wie
der Kolben angeordnet und derart ausgebildet ist, daß die durch das Betätigungsdruckmittel
aufgebaute Kraft sofort auf der gesamten Kolbenfläche zur Verfügung steht, sobald
die Druckdichtung aufgehoben ist.
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In praktischer Ausbildung dieser Konstruktion sieht die Erfindung
vor, daß elastische Abdichtmittel zwischen dem Kolben und der Wand angeordnet sind,
die die Druckdichtung aufbauen. Das elastische Abdichtmittel hat einen kleineren
Durchmesser als der Kolben, wobei der außerhalb des Abdichtmittels liegende Abschnitt
des Kolbens dem Betätigungsdruck des Betätigungsdruckmittels ausgesetzt ist, um
die Vorspannkraft zu beeinflussen, und der innerhalb des Abdichtmittels liegende
Abschnitt des Kolbens mit einem Auslösedruck beaufschlagt ist, der von einer Auslösequelle
zur Überwindung der Vorspannkraft aufgebracht wird.
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Die Kammer für das Betätigungsdruckmittel enthält zwei ineinander
und auf der gleichen Seite der Wand wie der Kolben angeordnete Kammern, wobei eine
Kammer koaxial von der anderen Kammer umgeben wird und die Wand keine den Druck
durchleitende Öffnungen aufweist und ein Ende der Betätigungsvorrichtung bildet.
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Die Erfindung sieht vor, daß die Vorspannkraft in der inneren und
der Betätigungsdruck in der äußeren Kammer aufgebaut wird, wobei der Kolben in der
inneren Kammer gleitet.
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Die elastischen Abdichtmittel umfassen nach einem weiteren Gedanken
der Erfindung eine auf der Wand aufstehende Dichtkante und ein auf dem Kolben aufstehendes
elastisches Abdichtelement, wobei beide Abdichtelemente miteinander zusammenwirken.
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In einer zweiten Ausführung sieht die Erfindung vor, daß das Betätigungsdruckmittel
die Vorspannkraft auf die Rückseite des Kolbens ausübt. Zum Aufbau des Auslösedruckes
für den Kolben ist das Betätigungsdruckmittel durch einen Kanal mit dem Abschnitt
des Kolbens innerhalb der Druckdichtung verbunden. Bei dieser Ausführung sieht die
Erfindung
weiter vor, daß die Rückseite des Kolbens auf einem Kopfteil
mit vergrößertem Durchmesser am Kopf des Kolbens angeordnet ist.
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Die Erfindung wird nun weiter an den in den Zeichnungen gezeigten
Beispielen beschrieben. Dabei ist F i g. 1 eine perspektivische Darstellung einer
Ausführungsform des Stellmotors, F i g. 2 ein Schnitt entlang der Linie 2-2 in F
i g. 1 in vergrößertem Maßstab-, F i g. 3 in noch stärker vergrößertem Maßstab ein
Schnitt, der Einzelheiten der Kolbenvorderseite und der Zylinderwand zeigt, F i
g. 4 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer zweiten Ausführung des Stellmotors
und F i g. 5, 6 und 7 Teilschnitte durch bei der Ausführung nach F i g. 4 verwandte
Führungs- und Tragmittel für den Kolben und die Kolbenstange.
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Der Stellmotor enthält ein Gehäuse, das durch eine Wand 10, eine Endplatte
12, ein Außengehäuse 14 und einen Innenzylinder 16 gebildet wird. Sämtliche Teile
sind durch Bolzen 18 miteinander verbunden. Diese Bolzen treten durch Bohrungen
20 in der Endplatte 12 durch und werden in Gewindebohrungen 22 in
der Wand 10 gehalten. Das Ganze wird auf einer Befestigungsplatte 24 mit
Bolzen 26 gehalten. Durch den Innenzylinder 16 wird das Gehäuse in eine äußere Betätigungsdruckkammer
28 und eine innere dazu koaxial stehende Vorspannungsdruck= kammer 30 getrennt.
Die druckfeste Abdichtung der Kammern 28 und 30 erfolgt über elastische Dichtringe
32. Vier große- kreisförmige Durchlässe 34 sind in dem Innenzylinder 16 neben der
Wand 10 für nachstehend noch zu beschreibende Zwecke vor= gesehen.
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Ein Vorschubkolben 36 ist gleitbar in dem Innenzylinder 16 gelagert.
Ein Dichtring 38 ergibt eine druckfeste Abdichtung zwischen dem Zylinder 16 und
dem Kolben 36 (s. F i g. 2). Eine Kolbenstange 40 ist an dem Kolben 36 befestigt.
Mit einem Gewindestück 42 ist sie in den Kolben 36 eingeschraubt. Die Kolbenstange
40 tritt durch eine Bohrung 44 in der Endplatte 12 hindurch und wird gleitbar in
einem Lager 46 gehalten. Ein in eine Nut eingesetzter Ring 48 ergibt eine druckfeste
Abdichtung.
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Ein kreisförmiges elastisches Abdichtmitte150, vorzugsweise aus Kunststoff,
ist mit Schrauben 52 auf der Stirnseite des Kolbens 36 befesitgt. Ein Abdichtring
54 ergibt eine druckfeste Abdichtung zwischen dem Abdichtmittel 50 und dem Kolben
36. Wie es in den F i g. 2 und 3 gezeigt ist; ist die Wand 10 mit einer kreisförmigen
Abdichtkante 56 versehen. Das Abdichtmittel 50 und die Abdichtkante 56 ergeben über
einem Teil der Wand eine kreisförmige druckfeste Abdichtung zwischen dem Kolben
36 und der Wand 10, wenn der Kolben 36 auf die Kante 56 aufgedrückt wird. Wie F
i g. 2 zeigt, liegt eine Ringfläche 58 des Kolbens 36 außerhalb der Abdichtkante
56, und innerhalb dieser Abdichtkante 56 befindet sich eine kreisförmige Kolbenfläche
60.
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Ein Kanal 62 in der Endplatte 12 und ein Anschluß 64 verbinden die
Vorspannungsdruckkammer 30 mit einer nicht dargestellten Druckquelle. Ein Kanal
66 in der Wand 10 und ein Anschluß 68 verbinden die Betätigungsdruckkammer 28 mit
einer nicht dargestellten Betätigungsdruckquelle. Ein radialer Kanal 70 und
ein axialer Kanal 72 in der Wand 10 sowie ein Anschluß 74 verbinden die Kammer
30 und die der Wand 10 gegenüberstehende Kolbenfläche 60 mit einer nicht gezeigten
Auslösedruckquelle.
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Um den Stellmotor in Betrieb zu setzen, wird zum Aufbau einer Vorspannkraft
Druckmittel in die Kammer 30 eingeführt. Dieses Druckmittel wirkt auf die gesamte
Rückseite des Kolbens 36. Hierdurch wird eine Vorspannkraft ausgeübt, die den Kolben
36 gegen die Wand 10 drückt und das elastische Abdichtmittel 50 dichtend an die
Abdichtkante 56 preßt. Über den Anschluß 68 und den Kanal 66 wird dann in der Betätigungsdruckkammer
28 ein verhältnismäßig hoher Betätigungsdruck aufgebaut. Dieser Druck wirkt über
die Öffnungen 34 auf die radial außerhalb der Abdichtkante 56 liegende ringförmige
Kolbenfläche 58. Die durch diesen Druck auf die Fläche 58 ausgeübte Kraft stellt
sich der Vorspannkraft entgegen und kann so eingestellt werden, daß sich beide Kräfte
praktisch aufheben und der Kolben 36 im. Gleichgewicht gehalten wird. Das elastische
Abdichtmittel 50 bewirkt selbst dann eine druckfeste Abdichtung, wenn die auf den
Kolben 36 wirkenden Kräfte nahezu ausgeglichen sind.
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Als nächstes muß die Vosrpannkraft überwunden werden. Dies kann durch
Erhöhen des in der Kammer 28 herrschenden Betätigungsdruckes erfolgen, damit auf
die Kolbenfläche 58 zusätzlich eine Kraft einwirkt, die wie eine Auslösekraft wirkt.
Die Überwindung des Gleichgewichtszustandes kann aber auch durch eine besondere
Auslösekraft erfolgen, die mit der auf die Kolbenfläche 58 einwirkenden Kraft zusammenwirkt.
Die Auslösekraft kann der Kolbenstange 40 mechanisch zugeführt werden. Vorzugsweise
wird die Kraft durch Einleiten von Druckmittel über den Kanal 70 und den Kanal 72
auf die Kolbenfläche 60 ausgeübt. Dieser Auslösedruck wird so festgelegt, daß er
zusammen mit der auf die Kolbenfläche 58 wirkenden Betätigungskraft die Vorspannkraft
überwindet. Die resultierende Kraft schiebt den Kolben 36 aus seiner Lage und hebt
das Abdichtmittel 50 von der Abdichtkante 56 ab. Nach diesem Aufheben der Druckdichtung
wird der hohe Betätigungsdruck praktisch augenblicklich auch auf die Kreisfläche
60 freigegeben, die innerhalb der Abdichtkante 56 liegt und der Wand 10 gegenübersteht.
Der Vorschubkolben 36 wird mit großer Kraft plötzlich von der Wand 10 unter Erzeugung
einer hohen Stoßkraft weggeschleudert, wie es in F i g. 3 dargestellt ist.
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Aus der vorhergehenden Beschreibung ergibt sich, daß das Betätigungsdruckmittel
einen im wesentlichen ungehemmten und schnellen Zugang zu dem sich rasch bewegenden
Kolben 36 hat. Das Druckmittel tritt ungehemmt durch die Öffnungen 34 durch.
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Die Bewegung des Vorschubkolbens 36 wird verzögert durch Verdichtung
des in der Kammer 30 befindlichen Druckmittels durch den Kolben 36 selbst, wie auch
durch die auf die Kolbenstange 40 einwirkende äußere Belastung. Eine besondere Konstruktion
zur Verzögerung des Vorschubkolbens 36 ist daher nicht erforderlich.
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Um den Stellmotor auf einen neuen Arbeitsgang vorzubereiten, wird
der Vorschubkolben 36 wieder auf die Wand 10 aufgesetzt. Dies kann durch eine auf
die Kolbenstange 40 einwirkende mechanische Kraft vorgenommen werden. Ein bevorzugtes
Verfahren liegt darin, die Höhe des Druckes in der Kammer 28 unter den Druck in
der Kammer 30 zu senken, so
daß der letztere Druck den Kolben 36
gegen die Wand 10 schiebt. Das Aufsetzen des Kolbens 36 auf die Wand 10 kann auch
dadurch erfolgen, daß in die Kammer 30 Druckmittel eingeleitet wird, dessen Druck.
über dem Druck des Druckmittels in der Kammer 28 liegt. Nach dem Aufsetzen wird
der Druck in der Kammer 30 weggenommen, damit sich die Vorspannkraft auf den richtigen
Wert einstellen kann.
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Beim Wiederaufsetzen des Vorschubkolbens 36 auf die Wand 10 wird das
Einschließen von Druckmittel in dem Raum, der durch die Wand 10, den Kolben 36 und
die Abdichtkante 56 gebildet wird, durch Druckentlastung über die Kanäle 72 und
70 verhindert. In diesem Raum eingeschlossenes Druckmittel würde auf den Vorschubkolben
36 einwirken und sich der in entgegengesetzter Richtung auf den Kolben ausgeübten
Vorspannkraft widersetzen. Ein verhältnismäßig niedriger Druck in der Kammer 28
könnte dann den Kolben 36 von der Wand 10 abdrücken. Dies würde eine wirksame Auslösung
verhindern und eine frühzeitige, verhältnismäßig langsame Bewegung des Vorschubkolbens
verursachen, wodurch ein wirkungsvoller Betrieb der Stellvorrichtung verhindert
würde.
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F i g. 4 zeigt eine andere Ausführung. Der Stellmotor weist ein Gehäuse
auf, das durch eine Wand 130, eine Endplatte 131 und einen Zylinder 132 gebildet
wird. Sämtliche Teile werden durch Bolzen 133 zusammengehalten. Die Bolzen 133 treten
durch Öffnungen 134 der Endplatte 131 durch und sind in Gewindebohrungen 135 eingeschraubt.
Das Gehäuse ist mit Bolzen 137 auf einer Befestigungsplatte 136 befestigt.Der Zylinder
132 schließt eine Kammer 138 ein. Eine druckfeste Abdichtung für diese Kammer 138
ergibt sich durch elastische Dichtringe, die in Nuten in der Wand 130 und der Endplatte
131 vorgesehen sind.
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Die Kolbenstange 139 ist in einem Lager 140 gelagert, das in eine
Bohrung in der Endplatte 131 eingeschraubt ist. Ein Dichtring 141 dichtet die Kolbenstange
139 druckfest ab. Am Außenende der Kolbenstange 139 ist ein matrizenförmiges Teil
142 ausgebildet, das mit einem Matrizentei1143 zusammenwirkt, das mit Bolzen 145
an einer Wand 144 befestigt ist.
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Ein Kopfteil 146 ist am Innenende der Kolbenstange vorgesehen. Das
Kopfteil hat eine Rückseite 147 und enthält eine Abdichtplatte 148, die mit Schrauben
149 gehalten wird. Ein Dichtring 150 liegt in einer Nut der Abdichtplatte 148 und
liegt an der Wand 130 an. Der Dichtring 150 bildet zusammen mit der Wand 130 eine
Druckdichtung. Der Dichtring 150 trennt eine Ringfläche 151, die radial außerhalb
der Druckdichtung liegt, von einem kreisförmigen Abschnitt 152 auf der Stirnseite
des Kopfteiles 146 ab.
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Ein Kanal 153 und ein Anschluß 154 verbinden die Betätigungsdruckkammer
138 mit einer nicht dargestellten Betätigungsdruckquelle. Ein ähnlicher in der Wand
130 angeordneter Kanal 155 und ein Anschluß 156 verbinden den Abschnitt 152 innerhalb
des Dichtringes 150 mit einer nicht gezeigten Auslösedruckquelle, die gleich der
Betätigungsdruckquelle sein kann.
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Die F i g. 5, 6.und 7 zeigen bestimmte Bauteile und abgewandelte Ausführungen,
die bei dem Stellmotor nach F i g. 4 zum Lagern der Kolbenstange und des Vorschubkolbens
verwendet werden können. F i g. 5 zeigt für diesen Zweck eine Führungsstange 182,
die einstückig mit der Kolbenstange 157 ist. Die Führungsstange 182 tritt durch
eine Öffnung in der Wand 158 durch und wird in einem Lager 159 gehalten. Ein Abdichtring
160 sorgt für eine drückfeste Abdichtung. Ein Führungsring 161 wird in F i g. 6
gezeigt. Der Ring ist mit Speichen 162 auf der Kolbenstange 139 befestigt und in
dem Zylinder 132 gleitbar. In F i g. 7 wird ein Führungsrohr 163 gezeigt. Das Führungsrohr
163 ist in eine Bohrung 164 in der Wand 130 eingeschraubt und tritt durch
eine Öffnung 165 in dem Kopfteil 146 und durch eine Bohrung 166 einer etwas anders
ausgeführten Kolben-Stange 167 durch.
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Um den Stellmotor nach F i g. 4 auf den Betrieb vorzubereiten, wird
die Kolbenstange 139 durch eine äußere Kraft in die in F i g. 4 gezeigte Stellung
bewegt, in der das Kopfteil 146 an der Wand 130 liegt und der Abdichtring 150 auf
der Wand aufliegt. Ein verhältnismäßig hoher Betätigungsdruck wird über den Anschluß
154 und den Kanal 153 in die Betätigungsdruckkammer 138 geleitet. Der Betätigungsdruck
wirkt auf die wirksame Fläche der Rückseite 147 des Kopfteiles 146 und übt dabei
eine Vorspannkraft aus, die das Kopfteil 146 gegen die Wand 130 drückt und den Dichtring
150 an der Wand zusammendrückt. Der Dichtring 150 bewirkt dabei eine Druckdichtung
über einem Teil der Wand und über einem Teil der Stirnfläche des Kopfteiles 146.
Die Druckdichtung bleibt selbst dann wirksam, wenn praktisch keine Kraft mehr das
Kopfteil 146 in Richtung auf die Wand 130 drückt, z. B. wenn die auf das Kopfteil
146 einwirkenden Kräfte im wesentlichen ausgeglichen sind. Der Betätigungsdruck
übt auch auf die Ringfläche 151 radial außerhalb des Dichtringes 150 eine Kraft
aus. Diese Kraft ist der Vorspannkraft entgegengesetzt.
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Zum Betätigen des Stellmotors wird die Vorspannkraft durch eine Auslösekraft
überwunden, damit der Betätigungsdruck auf die gesamte Stirnseite des Kopfteiles
146 einwirken kann. Die Auslösekraft kann auf verschiedene Weise zugeführt werden,
wie z. B. durch Verwendung einer äußeren mechanischen Kraft. Vorzugsweise wird ein
Auslösedruck verwandt, der auf einen Teil der Stirnfläche des Kopfteiles 146 einwirkt.
über den Anschluß 156 und den Kanal 155 wird ein Druckmittel dem kreisförmigen Abschnitt
152 zugeführt. Der Auslösedruck maß die Vorspannkraft überwinden. Hierzu wirkt er
mit der Kraft zusammen, die auf die Ringfläche 151 einwirkt.
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Bei überwindung der Vorspannkraft wird das Kopfteil 146 aus seiner
Ruhelage entfernt. Der Dichtring 150 wird von der Wand 130 gelöst. Der Dichtring
150 hält die Druckdichtung bis zum Augenblick seines Abhebens aufrecht, worauf der
Betätigungsdruck praktisch sofort auf den Abschnitt 152 freigegeben wird. Der Kolben
139 wird dann plötzlich mit großer Kraft von der Wand 130 weggeschleudert.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß das Betätigungsdruckmittel
freien Zugang zu der Stirnfläche des Kopfteiles 146 hat, nachdem sich dieses von
der Wand 130 gelöst hat. Der Betätigungsdruck wird daher schnell und ungehemmt an
das Kopfteil 146 herangeführt.
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Das matrizenförmige Teil 142 schlägt auf ein Werkstück auf, das in
F i g. 4 in seiner Lage in dem Matrizenteil 143 gezeigt ist. Die Bewegung des Kolbens
139
wird dadurch gestoppt. Ein bereits bearbeitetes Werkstück ist in dem Matrizenteil
143 in strichpunktierten Linien dargestellt.
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Zum erneuten Betrieb des Stellmotors wird das Kopfteil 146 wieder
durch Anwendung einer äußeren Kraft auf die Wand 130 aufgesetzt.
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Nach dem Wiederaufsetzen des Kopfteiles 146 auf die Wand wird ein
Einschluß von Druck in dem Raum, der durch die Wand 130, den Dichtring 150 und den
Abschnitt 152 innerhalb der Druckdichtung 150 begrenzt wird, dadurch verhindert,
daß sich der Druck durch den Kanal 155 und den Anschluß 156 entspannen kann. Ein
Druck, wie z. B. der in diesem Raum eingesperrte Betätigungsdruck würde auf den
Abschnitt 152 einwirken und sich der Vorspannkraft entgegensetzen. Eine kleine Auslösekraft
oder ein niedriger Auslösedruck würden dann schon ein Abheben des Kolbens 139 von
der Wand 130 bewirken. Dies würde eine wirksame Auslösung verhindern und eine frühzeitige
langsame Bewegung dies Kolbens 139 hervorrufen, was einen wirkungsvollen Betrieb
des Stellmotors verhindern würde.