DE1576167A1 - Differentialkolbensteuerung - Google Patents

Differentialkolbensteuerung

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DE1576167A1
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valve
differential
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hydraulic cylinder
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TRIMA AB
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Description

Patentanwalt 1 ζ 7 fi 1 R7 Dipl. phys. Gerhord Uedl ' ° ' D ' ° '
Mönchen 22, Sleinsdorfsfr. 21-21 Eck· ZweibtCdNmir^ TtL 298462
TRIMA AB
Iggesund / Schweden
Differentialkolbensteuerung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Bifferentialkolbensteuerung, die einen gleichzeitigen Anschluss beider Kolbenkammern eines Hydraulzylinders mit doppelwirkendem Kolben an eine Druckmittelquelle durch ein zwischen letzterer und dem Hydraulzylinder eingeschaltetes Schaltventil ermöglichte Eine solche Steuerung bedeutet im Prinzip, dass die Kolbengeschwindigkeit des doppelwirkenden Kolbens, ebenso wie die Kolbenkraft die gleiche werden, wie bei einem einfachwirkenden Kolben mit gleichen Abmessungen wie die der Kolbenstanges des doppelwirkenden Kolbens..
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Diese Eigenschaft der Steuerung ist in verschiedenen Zusammenhängen von Vorteil.
Ein Einsatzgebiet besteht beispielsweise bei Erdbewegungs- und Strassenbaumasehinen, Lademaschinen» Kranen u.dgl. In Fig. 1 ist schematisch ein Frontlader bekannter Konstruktion dargestellt. Die Erdoberfläche ist mit 1 bezeichnet, die Baupen der Maschine mit 2, das Chassis mit 3» der Fahrersitz mit 4, der Motor mit 5, das Lenkrad mit 6, der Ladearm mit 7, der Werkzeughalter mit 8 und der den Werkzeughalter betätigende Hydraulzylinder mit 9. Der Ladearm ist in einem auf dem Chassis befestigten*«» Ständer 10 gelagert. Der Ladearm ist mit strichpunktierten Linien auch in. nach oben gefahrener Stellung dargestellt, in welche er mit Hilfe eines in der Figur nicht gezeigten Hydraulzylinders gebracht werden kann. Der Hydraulzylinder 9 wird über zwei mit getrichelten Linien wiedergegebene Ölleitungen 11 betätigt, wobei die ölzufuhr zu den genannten Leitungen von einer auf der Zeichnung nicht gezeigten Ölpumpe durch ein mittels eines Steuerknüppels 13 manuell betätigtes Steuerventil 12 geregelt wird.
In Fig. 2 ist schematisch angedeutet, wie diese ' Steuerung bei bekannten Maschinen ausgeführt ist« Von einer Pumpe P wird DruekÖl durch die Leitung 11 ( die durch tin Ueberstromventil Y abgesichert ist ) in einen
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Tank T gepumpt, wenn sich das Steuerventil 12 in der Mittelstellung befindet.
Wenn man den Steuerschieber durch den Steuerknüppel
13 nach rechts führt, wird öl durch die leitung 11 in die Korbenkammer S mit grosser Kolbenfläche gepumpt« Der Kolben wird dabei nach rechts bewegt und führt über die Kolbenstange Cr die vorgesehene Arbeit aus· Gleichzeitig wird öl aus der Kammer L mit der kleineren Kolbenfläche über die Rücklauf leitung zurück in den Tank T gedrückt. Wie aus Fig· 1 hervorgeht, entspricht die Kolbenbewegung eigentlich der Rückbewegung des Werkzeughalters 8 für beispielsweise eine Schaufel. Infolge der grossen wirksamen Kolbenfläche in der Kolbenkammer S wird diese Bewegung daher mit unnötig grosser Kraft aber geringerer Geschwindigkeit ausgeführt·
■■'■ Wird andererseits der Steuerschieber in Fig.^2 nach links bewegt, so ändert sich die Strömungsrichtung in der Leitung 11 und die Pumpe presst öl in die Kammer L mit der kleineren Kolbenfläche. Dabei erfolgt somit die Bewegung mit grösserer Geschwindigkeit aber geringerer Kraft, bedingt'durch die kleinere Kolbenfläche· Wie aus Fig. 1 hervorgeht, entspricht dies jedoch im vorliegenden Fall dem Arbeitshub, bei welchem jedoch grosse Kraft erwünscht ist·
Das im vorliegenden Fall zu lösende Problem ist somit, grosse Aufbrechkraft und rasches Kippen zu kombinieren. Hierzu kommt noch die wesentliche Aufgabe, eine
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geschützte Zylinder- und Kolbenstangenplacierung zu erreichen^ diese drei Forderungen können möglicherweise gemeinsam erfüllt werden, wenn man mit Hilfe einer mechanischen Uebersetzung die Kolbenfunktion invertiert. Dabei wird jedoch die Konstruktion unnötig kompliziert, aufwendig und empfindlich.
Der Erfinder isttauf den Gedanken gekommen, ein Steuerventil SV der in Fig. 3 (hier sind die gleichen Bezugszeichen wie zuvor verwendet) gezeigten Art in die Ölleitungen eines Hydraulzylinders 9 einzuschalten. Mit einer solchen Steuerung könnte man in wünschenswerter Weise erreichen, dass der Arbeitshub des doppelwirkenden Kolbens beim Einfahren des Kolbens in den Zylinder erfolgt, während die Rückbewegung stattdessen beim Ausfahren des Kolbens aus dem Zylinder erfolgen würde, wobei man eine rasche Rückbewegung erhält. Es ist ein möglichst, geringer Kolbenstangenquerschnitt wünschenswert, sodass man eine grosse arbeitende Kolbenfläche erhält. Dies führt jedoch mit sich, dass das Verhältnis zwischen der Kolbenfläche und dem Kolbenstangenquerschnitt so gross wird, dass die per Zeiteinheit von der Kolbenvorderseite zu dessen Rückseite
• ■
zu transportierende ölmange sehr gross im Verhältnis zu der von der Pumpe zugeführten ölmenge wird. Da die Förderleistung der Pumpe der Maschine im allgemeinen begrenzt ist, führt dieses Verhältnis mit sich, dass
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die in Pig. 3 dargestellte Steuerung in der Praxis . nicht angewendet werden kann. Dies geht beispielsweise aus folgendem Zahlenbeispiel hervor. Wenn/beispielsweise die Fläche des Kolbenkopfes viermal grosser als .,'; der Kolbenstangenquerschnitt ist und die aktuelle - Pumpkapacität 25 l/min beträgt, entspricht die von der einen Kolbenseite auf die andere zu befördernde ölmenge 75 l/min. .
Es wäre auch denkbar, ein Steuerventil mit besonders grossen Kanal quer schnitten zu verwenden-· Der Erfinder hat jedoch gefunden, dass die in der Praxis zur Verfügung stehenden Pumpenkapaeitäten bei den er^forderlichen Ölleitungslängen dennoch nicht ausreichend sind, um die Strö'mungsverluste im System zu überwinden.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die oben genannten Fachteile zu vermeiden und·besteht hauptsächlich darin, dass das Schaltventil des Hydraulzylinders in unmittelbarer Nähe des genannten Zylinders angeordnet ist* Zweckmässigerweise wird dabei das Schaltventil mit dem Zylinder zusammengebaut, und gemäss einer Ausführungsform der Erfindung hat das Gehäuse des Schaltventils den gleichen Querschnitt erhalten, wie der Hydraulzylinder und . iet mit der derJ Kolbenstange abgewand^e Stirnseite· des Zylinders zusammengebaut.
Gemäss einer anderen Weiterentwicklung der Erfindung ist das Schaltventil ferngesteuert und dabei zweckmässig
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als ein Differentialventil ausgeführt, welches durch das Arbeitsmedium des Zylinderkolbens betätigt wird·
Gremäss einem weiteren Erfindungsgedanken ist das Kontrollorgan des Differentialventiles als ein Schieber ausgeführt, der gegen die Kraft einer Feder durch das Arbeitsmedium mit Hilfe einer Drosselscheibe betätigbar ist· Der genannte Schieber kann dabei als eine Hülse mit seitlichen öffnungen zur gegenseitigen Verbindung von mit den entsprechenden Kolbenkammern des Hydraulzylinders verbundenen Ventilkammern ausgeführt sein.
Die Fernsteuerung des Differentialventils kann gemäss einer weiteren Entwicklung der Erfindung mittels eines manuell betätigten Vier we gstsuerven tils betätigt werden, welches in: die ölspeiseleitung zwischen der Pumpe und dem Differentialventil eingeschaltet ist,
Gremäss einem Kennzeichen der Erfindung besteht das Steuerventil aus dem Steuerorgan für die Werkzeug-Hydraul zylinder eines Frontladers.
Ein anderes zweckmässiges Einsatzgebiet für die erfindungsgemässe Differentialkolbensteuerung ist die Steuerung eines doppelwirkenden Kolbens mit gleicher Arbeitsgeschwindigkeit in beiden Richtungen· Man kann > dann den Kolbenstangenquerschnitt so bemessen, dass er der Hälfte der Kolbenfläche entspricht· Dadurch kann man unter Einsatz der erfindungsgemässen Differentialkolbensteuerung die gleiche wirksame Fläche in beiden
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Bewegungerichtungen erhalten und somit auch eine gleiche Geschwindigkeit der genannten Bewegung. Eine a öl ehe Sti^iierung ist "beispielsweise für hydraulische Antriebe iron Planschleifmaschinen^eiSgnet.
Sin weiteres Einsatzgebiet sind Pressen mit rascher Kolbenbewegung in Arbeitsrichtung, d.h. der Richtung, in welcher man die grösste Kolbenkraft hat. Die vorliegende Differentialkorbensteuerung kann dabei dazu verwendet werden, Kraft in Geschwindigkeit umzusetzen·
Die Erfindung sei nun im Anschluss an die Pig. 4-9 in beiliegenden Zeichnungen beschrieben. ·
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist der Hydraulzylinder wie zuvor mit der Zahl 9 bezeichnet, der Kolben mit K, die "Kolbenstange mit Gr, die Kolbenkammer mit der grossen Kolbenfläche mit S, die Eot.benkammer mit der kleineren Kolbenfläche mit L, Sie Pumpe ist mit P bezeichnet, die Ölleitungen mit 11, Der Öltank hat .die Bezeichnung T und das Ueber-• stromventil die Bezeichnung V. Das Schaltventil MV ist als ein Bifferentialventil ausgeführt, wobei ein entgegen dtr Kraft einer Feder F hydraulisch betätigbarer Schieber SH *w*l verschiedene Stellungen einnehmen kann. In der ' einen Stellung kann das öl aus der Kolbenkammer S zurück-ν und der Kolbenkammer L zugeführt werden. In der anderen Stellung wird öl durch die Pumpe über die Leitung 11 der
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Kolbenkammer S zugeführt, welche dabei gleichzeitig durch einen Nebenschlusskanal im Schieber mit der Kolbenkammer L verbunden ist, sodass ein ölstrom direkt von dieser Kammer zub Kolbenkammer S verläuft. Die hydraulische Steuerung des Schiebers ist schematisch durch einen Kanal 41 angedeutet und das Schaltventil d.h. das Differentialventil MV kann dabei durch ein Steuerventil SV gesteuert werden, welches aus einem Vierwegventil für manuelle Betätigung mit drei verschiedenen Schaltstellungen besteht. In der Fig. 4 entsprechenden Stellung befindet sich das Steuerventil in Null-Lage und die Pumpe fördert Öl zum Tank T. Wenn der Schieber des Steuerventils SV nach links bewegt wird, fördert die Pumpe öl durch die rechte Speiseleitung 11 hinauf zur Kolbenkammer L mit der kleineren Kolbenfläche und dabei strömt öl von £er anderen Kolbenkammer S durch die linke Ölleitung 11 hinab durch das Ventil MV zum Tank T. Wünscht man auf entgegengesetzte Bewegungsrichtung des Kolbens K im Hydraülzylinder 9 umzuschalten, wird der Schieber des Stemej^röatils SV nach rechts geführt, wobei die Pumpe öl durch die linke Speiseleitung 11 ■€**# zur Kolbenkammer S mit .der grossen Kolbenfläche fördert. Durch eine Drosselscheibe ο.dgl. SB wird eine Abzweigung von öl durch den Kanal 41 erreicht, sodass der Schieber SH aufgrund des Druckfalles an der Drosselscheibe SB hydraulisch entgegen der Kraft
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y —
der Feder F in Richtung nach rechts geführt wirde Dabei gelangt der Schieber SH nach rechts und verbindet somit die Kolbenkammern. L und S direkt mit einander, sodass eine raschere ölströmung zwischen den Kammern erfolgen kann. Das als Differentialventil ausgeführte Schaltventil MV ist dabei in unmittelbarer Nähe des ■ Hydräulzylinders 9 angeordnet, sodass der Strömungswiderstand in dem Teil der Leitung 11, der zwischen dem Hydraulzylinder 9 und dem Differentialventil MV liegt, bedeutungslos wird0
Eine Ausführüngsform eines erfindungsgemässen Differentialventiles ist in den Fig„ 5» 7f 8 und 9 wiedergegebenβ Das Schaltventil dieser Ausführungsform ist dazu abgesehen, hydraulisch gesehen zwischen einem Vierwegventil der in Fig. 4 mit SV bezeichneten Art und einem hydraulischen Zylinder mit doppelwirkendem Kolben eingeschaltet zu werden und arbeitet dann als Differentialventil MV, wie dieses im Anschluss an Fig. -4 beschrieben wurde.,Das Gehäuse 122 des DifferentiialventfXes (Fig. 5-9) ist mit dem gleichen Querschnitt wie der Hydraulzylinder 22 (Fig.7) ausgeführt und ist, wie in dieser Fig. 7 gezeigt, dazu abgesehen, an der der Kolbenstange 6 abgewandten Stirnseite des Hydraulzylinders 22 angebracht zu werden. Das Ventilgehäuse ist mit zwei Anschlussnippein 102 und 72 für die ankommenden Ölleitungen 11 versehen. Die Nippel münden in einen
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- to -
Durchflusskanal 90 resp. einen Zuflusskanal 70· Der, Durchflusskanal 90 ist mit einem abgewinkelten Kanal 91 in der Stirnseite 222 des Hydraulzylinders verbunden· ■-., Der Kanal 91 ist seinerseits über eine U-fSjoEige Roftrr^. leitung 92 mit der Hydraulzylinderkammer Ii mit der'kleineren Kolbenfläche verbunden, wie aus Fig. 6 hervorgeht«, Die Hydraulzylinderkammer S mit der grösseren Kolbenflache ist über einen Kanal 81 in der Stirnseite 222 des Zylinders mit einem Kanal 80 im Gehäuse 122 des Differentialventils verbunden. · -
Auf diese Art und Weise ist der Kanal·90 des Differentialventile s mit der Kolbenkammer I mit der kleineren Kolbenfläche verbunden, während der Kanal 80 des Ventils mit der Kammer S mit der grösseren Kolbenfläche verbunden ist.· ■-.---
Sämtliche bisher genannten Kanäle im Ventilkörper verlaufen in dessen Längsrichtung und sind so angeordnet, dass zwischen denselben Platz für eine diametral ver- laufende Ventilanordnung zur Verfügung steht. Letztere ist bei der gezeigten Ausführungsform in einer zwischen dem Kanal 90 einerseits und den Kanälen 80 raid 70 anderseits, diametral ;durch den Ventilkörper, und somit senkrecht zur Iiängsrichtung angeordneten Bohrung 121 angebracht, um welche mit bestimmtem gegenseitigen Abstand rundherum verlaufende Nuten 40, 50 und 60 angeordnet sind. Die Nute s 40 steht in Verbindung mit dem Kanal 70, die Nute 50 mit dem Kana} 80 und die Nute 60 mit dem Kanal 90·
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In der Bohrung 121 iat ein unter Einfluss einer Feder 25 stehender httlaenförmiger Schieber 30 angeordnet, der auf seinem Umgang H&t Schlitzen 31 versehen ist, die sieh in der Ausgangsstellung des Schiebers in Höhe der Nute 50 befinden· Der Schieber 30 steht an seinem, der Feder 25 abgewandten, offenen Ende über eine mit einer zentralen Durchflussöffnung versehene Drosselscheibe 35 in Verbindung mit der Nut 40 und dadurch auch mit dem Kanal 70. Sie Brosselscheibe 35 ist so ausgebildet, dass sie das öl bei Strömungsrichtung vom Kanal 70 zum Inneren des Sohiebers mehr drosselt als in igegengesetzter Strömungen, richtung· Sie Bewegung des Schiebers 30 in Richtung nach aussen zur Peripherie des Ventilgehäuses 122 ist in der einen Richtung durch den Boden 123 der Bohrung 121 und in der anderen Richtung durch einen in das Ventilgehäuse eingeschraubten Pfropfen 140 begrenzt.
Die Funktion des Differentialventils KV sei nun im Anschluss an Fig· 8 und 9 beschrieben.
Wenn öl durch Verstellen des Steuerventile SV nach links (Fig.4') dem Kanal 70 ( Fig. 8) zugeführt wird, strömt dasselbe durch die Nute 40 und die zentrale Öffnung tier Drosselscheibe 35 in durch die Pfeile PI, P2 angedeuteter Richtung. Dabei entsteht ein Druckfall im Ölstrom hinter der Drosselscheibe 35, sodass diese auf den Schieber 30 drückt und dadurch denselben in Richtung zum Boden 123 der Bohrung presst. Wenn die
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Schlitze 31 die Kante der Nute 60 erreichen, entsteht eine direkte Verbindung zwischen den Kanälen 80 und 90, d.h. zwischen den Kammern S und L beiderseits des Kolbens, sodass eine grössere Kolbengeschwindigkeit erreicht wird· Dabei ist diese Drosselventilbetätigung von der Ölmenge abhängig, die mittels der Pumpe P (Pig. 4) durch das Steuerventil SV und den Kanal 70 gepresst wird, d.h. abhängig davon, wie weit das Steuerventil SV geöffnet ist. Das Differentialventil MV folgt somit exakt der Steuerung des Ventils SV.
Wie aus Fig. 8 hervorgeht, passiert das öl (siehe Pfeil P3) von der Kammer L zur Kammer S durch den Schieber 30, wobei ein geringer Teil (Pfeil P4) zum Nippel 1Θ2 durch ein Drosselloch in einer in diesem Nippel angebrachten Drosselscheibe 103 gleichen Typs, wie die vorgenannte Scheibe 35» zurückläuft« Da die Kammer S bedeutend grosser als die Kammer L im Zylinder ist, wird der ölvolumenunterschied zwischen diesen beiden Kammern einschliesslich dem Rücklauföl durch das Drosselloch, welches durch den Nippel 102 zurück flieset, mit neuem öl aus dem Kanal 70 durch das Drosselloch in der Drosselscheibe 35 ersetzt, was eine langsame Füllung der Kammer S, d.h. eine geringere Kolbengeschwindigkeit bedingt. - " -
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Wenn die ölzufuhr abgebrochen wird, "bewegt sich der Schieber wieder in seine Ausgangsstellung zurück und die KoIb enbe we gang hört auf.
. ."' Zusammenfassend kann somit gesagt werden, dass der Widerstand gegen die Bewegung des Schiebers sich erhöht, je mehr die Peder zusammengedrückt wird, wodurch somit die Verschiehjung des Schiebers und auch der #ffnungsgrad zwischen den Hüten 50 und davon abhängig ist, wieviel Ol dem Kanal 70 zugeführt wirdο Dadurch kann somit die Kolbengeschwidigkeit auf einfache Art und Weise geregelt werden.
Wenn man stattdessen, durch Verstellen des Steuerventils SV (Pig. 4) nach rechts, dem Differentialventil MV Öl durch den Nippel 102 (Pig. 9) zuführt, erhält man einen ölstrom, wie er durch die Pfeile P5 und P6 angedeutet ist. Das öl durchläuft somit die Drosselscheibe 103 und wird durch die Kanäle 9-0 und 91 sowie das Rohr 92 (Fig· 6 und 7) der Kolbenkammer L des Zylinders zugeführt. Der Kolben wird somit in den Zylinder gedrückt und das Rücklauföl. aus der Kammer S strömt in den, Kanal 80 und durch , den Steuerschieber 30, die. zentrale öffnung der 35 und die Nute 40 zum Kanal 70, wie durch, die Pfeile P7, P8 und P9 angedeutet. . \, ■ ; . ,. ,
Dadurch, dass in diesem Fall die Drosselscheibe 103 ausser Funktion tritt, erhält man eine rasche Füllung der kleineren Zylinderkammer L, und daduroh,
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dass Rücklauf öl aus der Kammer S unbehindert durch die Drosseischeibe 35 strömen kann, stellt auch das öl in der Kammer S einer raschen Korbenbewegung keinen Widerstand entgegen. .
Zusammenfassend kann somit gesagt werden, dass "bei der beschriebenen Ausführungsform, das Ausfahren der Kolbenstange durch öl vom Kanal 70 langsam erfolgt, aufgrund der Drosselung durch die Drosselscheite 35· Gleichzeitig erhält man durch Ueberführung von Öl aus der Kammer Ii durch den Schieber 30 zum Kanal 80 eine Drucksteigerung in der Kammer S.
Das Einfahren der Kolbenstange dagegen erfolgt rasch dadurch, dass dabei beide Drosselscheiben ausser Punktion sind.
1 In Fig. 6 ist die Erfindung dahingehend eingesetzt, gedacht, eine hin- und hergehende Bewegung gleichmässiger Geschwindigkeit bei einem Tisch für Planschleif maschinen zu erreichen.
Obgleich die Erfindung im Anschluss an eine Ausführungsform derselben beschrieben wurde, kann dieselbe dennoch auf beliebige Weise im Rahmen der nachstehenden Patentansprüche abgewandelt werden. >
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Claims (1)

  1. Patentansprüche ,
    1· Einen gleichzeitigen Anschluss der Kolbenkammern eines HydraulZylinders "beider sei te dessen doppelwirkenden Kolbens an eine Druckmittelquelle ermöglichende Eifferentialkorbensteuerung mit einem zwischen der genannten Brackmittelquell® mit dem Hydraulzylinder eingeschalteten Schaltventil, d a d u r c h gekennzeichnet , dass das genannte Ventil in unmittelbarer Nähe des * Hyäraulzylinders angeordnet ist·
    2« Ufferentialkolbensteuerung nach Anspruch 1f dadurch gekennzeichnet, dass«das Schaltventil mit dem Hydraulzylinder susaimaengebaut ist·
    3· Differentialkolbensteuerung nach Anspruch 2, d a d u*r c h gekennzeichnet, dass das Gehäuse des Schaltventils den gleichen Querschnitt wie der Hydraulzylinder hat und mit der der Kolbenstange abgewandten Stirnseite des Zylinders zusammengebaut ist«
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    Jb
    4. Differentialkolbensteuerung nach Anspruch .1, 2 oder 3, d a d u r c h ge k e η η ζ e i c h η e t, dass das genannte Schaltventil ferngesteuert iste
    ο Differentialkoltiensteuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil als ein Differentialventil ausgeführt ist, welches durch das Arbeitsmedium des Zylinderkorbens betätigt ist«
    6. Differentialkolbensteuerung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollorgan des Differentialventils aus einem Schieber oder Kolben besteht, der gegen die Kraft einer Feder durch das Arbeitsmedium mit Hilfe einer Drosselscheibe betätigt wird,
    7. Differentialkolbensteuerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Schieber als eine Hülse mit seitlichen Öffnungen zur gegenseitigen Verbindung der mit den entsprechenden Kolbenkammern des Hydraulzylinders verbundenen Ventilkammern ausgeführt ist,
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    β Differentialkorbensteuerung nach Anspruch 5, 6, oder 7> d a d u r c h g e k e η η— ζ, e i c h η β t , dass das Differentialventil durch ein manuell "betätigtes Vierwegsteuerventil stauerbar ist.
    9. Differentialkorbensteuerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil aus dem Steuerorgan der Werkzeughydraulzylinder eines Frontladers besteht.
    10« Differentialkolbensteuerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil aus dem Steuerorgan für einen doppelwirkenden Hydraulantriebzylinder einer Planschleifmaschine mit hydraulisch ange triebenem Tisch besteht ο
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    Lee rs ei te
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