DE1907104A1 - Hydraulischer Kraftverstaerker - Google Patents

Description

• Gegenstand: Hydraulischer Kraftverstärker Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Kraftverstärker, welcher im wesentlichen aus einem gestuften Zylinder besteht, in dessen Bohrung grdßeren Durchmessers ein Verstärkerkolben flüssigkeits dicht und gleitbar angeordnet ist, welcher mit einem oder mehreren Betätigungselementen, s.B. Geberzylindern, in Wirkverbindung steht, und in dessen Bohrung kleineren Durchmessers ein von außen mit Hilfe eines Pedals oder dergleichen betätigbarer Steuerkolben flüssigkeitsdicht gleitet, wobei der Druckraum ftlr den Verstärkerkolben in Abhängigkeit von der relativen Stollung von Verstärkerkolben und Steuerkolben über Ringnuten Bohrungen, Kanäle, Schläuche oder dergleichen im Steuerkolben, Gehäuse und Verstärkerkolben entweder mit der Druckmittelquelle oder einem Rücklaufsystem verbindbar ist oder auch abgesperrt werden kann, Bei Kraftverstärkern besteht zuweilen der Wunsch, trotz Kraftverstärkung feinfühlig und dosiert betätigen zu können. Insbesondere soll das sogenannte "Übersteuern" vermieden werden, welches beispielsweise dann auftritt, wenn große Strömungsquerschnitte zu schnell aufgesteuert werden. Als Ursachen kommen fehlende oder mangelhafte Rttckmeldung der abgegebenen Kraft auf den Bedienenden sowie ein gewisser Klebeeffekt von Hochdruckdichtungen in Betracht. So ist z.B. dadurch die deutsche Patentschrift 1,044,623 ein Kraftverstärker bekannt geworden, der keine Reaktionskraft auf den Steuerkolben aufbringt und dem somit jegliche Rückmeldung fehlt. Bei anderen Konstruktionen wird eine Reaktionskraft durch eine den Steuerkolben oder ein mit den Steuerkolben verbundenes Gestänge belastende Feder verursacht. Die Höhe der Reaktionskraft ist dabei aber nur abhängig von der Stellung des Steuerkolbens, ohne auf die tatsächlich abgegebenen Kräfte Bezug zu nehmen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung. einen hy draulischen Kraftverstärker der eingangs erwähnten Art su schaffen, mit dem eine gefUhlvolle Dosierung der abgegebenen Kraft möglich ist, und der dem Bedienenden den jeweils im Druckraum herrschenden Druck rückmeldet, welcher der abgegebenen Kraft in wesentlichen proportional ist. Diese Rückmeldung soll zudem ohne zusätzliche Konstruktionselemente verwirklicht werden.
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Merkmale: a) Der Steuerkolben ist in an sich bekannter Weise auf einem Teil seiner Länge in einer Bohrung des Verstärkerkolbens geführt, b) Die wirksame Fläche des Steuerkolbens ist immer vom jeweiligen Druck im Druckraum beaufschlagt.
• c) Der Steuerkolben ist so ausgebildet, daß nach Abschluß des Rücklaufsystems der Steuerkolben relativ zum Verstärkerkolben vor dem Öffnen des Druckraumes zur Druckmittelquelle einen derartigen Weg zurücklegt, daß der dabei infolge der Pumpwirkung des Steuerkolbens entstehende Druckanstieg im Druckraum mindestens zum Überwinden der Reibung an den Dichtungen ausreicht, Eine besonders günstige und kompakte Ausführung ergibt sich, wenn der Steuerkolben in einer Sackbohrung des Verstärkerkolbens gleitet. in die ein Rücklaufkanal und ein mit einer der Hublänge des Verstärkerkolbens entsprechenden Ringnut in die ein Druckanschluß mUndet, verbundener Druckkanal münden, wobei der Steuerkolben mit einer von seiner freien Stirnfläche ausgehenden Bohrung versehen ist, welche rungen angeschnitten wird, von denen eine in von Druckraum mündet und mindestens eine weitere mit dem Druckkanal oder dem Rücklaufkanal in Verbindung gebracht werden kann. Es ist aber auch zur Verkürzung der Baulänge möglich, den Rücklaufkanal von dem freien Ende des Steuerkolbens susteuern zu lassen. Zum Zwecke der Rtlckstellung kann man, wie an sich bekannt, den Verstärkerkolben mit einer Rückstellfeder belasten, wenn eine Rllckstellung durch äußere Kräfte nicht gegeben ist. Wenn sich die wirksamen Flächen von Verstärkerkolben und Steuerkolben nur relativ geringfUgig, z.B. im Verhältnis 2 : 1, untersoheiden, kann es schwierig oder gar unmöglich werden, den Steuerkolben mit seinem gesamten wirksamen Querschnitt im Verstärkerkolben zu führen. In einem solchen Falle wird man den Steuerkolben als Stufenkolben ausführen, dessen Teil kleineren Durchmessers im Verstärkerkolben gleitet. Um fertigungstechnisch schwierig herzustellende Doppelzentrierungen zu vermeiden, kann der Steuerkolben auch, den Stuten entsprechend, zweiteilig ausgeführt werden, wobei beim Betätigen eine torsschlüssige Verbindung zwischen den beiden Teilen besteht, während beim RUckhub der Teil kleineren Durchmessers littels sich einer am Verstärkerkolben abstützenden, vorgespannten Rückstellfeder dem Teil größeren Durchmessers krzftschlüssig nachgeführt wird. Bei einer derartigen Anordnung ist es zuweilen möglich, den Teil größeren Durchmessers mit einer Sackbohrung zu versehen, welchen den Teil kleineren Durchmessers sowie eine den Teil kleineren Durchmessers umgebenden Rückstellfeder, die sich am Verstärkerkolben abstützt, teilweise aufnimmt. Zur Erleichterung der Montage kann es dabei zweckmäßig sein, den Teil kleineren Durchmessers mit dem Verstärkerkolben durch ein Stift-Iangloob-Sys.
• ten zu verbinden, welches zwar eine gewisse relative Verschiebung zwischen Verstärkerkolben und dem Teil kleineren Durchmessers des Steuerkolbens gestattet, ein Herausgleiten aus der Sackbohrung aber verhindert.
• D1e Erfindung wird anhand eines in der Abbildung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
• Ein stufenzylinder 1 weist eine Bohrung 2 größeren Durchmessers sowie eine Bohrung 3 kleineren Durchmessers auf .
• In der Bohrung 2 gleitet flüssigkeitsdicht ein Verstärkerkolben 4, der mit einer Stange 5 verbunden ist, die auf ein nicht dargestelltes Betätigungselement einwirkt. Die Stange 5 ist dicht durch einen die Bohrung 2 verschließenden Deckel 6 gefUhrt, an dem sich eine die Stange 5 umgebende. auf den Verstärkerkolben 4 wirkende RUckstellfeder 7 abstützt. In der Bohrung 3 gleitet dicht ein Teil 8 größeren Durchmessers eines zweiteiligen Steuerkolbens 8, 9. Der Teil kleineren Durchmessers ist auf einem Teil seiner Länge in einer Sackbohrung 10 des Verstärkerkolbens 4 geführt und weist an seinem entgegengesetzten Ende einen Bund 11 auf, der als Widerlager fUr eine sich am Verstärkerkolben 4 abstützenden Rückstellfeder 12 dient.
• Rücketeilfeder 12 und Teil 9 ragen in eine Sackbohrung 13 des Teiles 8 hinein. Der Teil 9 ist von einer Längsbohrung 14 durchdrungen, welche über eine Querbohrung 15 immer mit einem sich zwischen Verstärkerkolben 4, Bohrung 2, Teil 8 und Teil 9 bildenden Ringraum 16 verbunden ist. In einem gewissen axialen Abstand vom Grunde 17 der Sackbohrung 10 wird diese von einem Ablaufkanal 18 angeschnitten, welcher in den zwischen Bohrung 2, Deckel 6, Verstärkerkolben 4 und Stange 5 gebildeten Ringraum 19 mündet, der mit einem Tankanschluß T verbunden ist. Axial vom Ablaufkanal 18 entfernt mUndet in die Sackbohrung 10 ein Druckkanal 20, der mnit einer Ringnut 21 des Verstärkerkolbens 4 verbunden ist. Die Ringnut 21 ist gegen die Ringräume 16 und 19 durch Hochdruckdichtungen 22 abgedichtet. Ein mit einer Druckquelle 23 verbundener Druckanschluß P mündet in die Ringnut 21. In der tin der Abbildung dargestellten) Ausgangslage des Steuerkolbens 8, 9 befindet sich das freie Ende 24 im Bereich des Ablaufkanals 18, ohne diesen aber zu verschließen. Eine Ringnut 25 des Teiles 9 ist durch eine Querbohrung 26 mit der Bohrung 14 verbunden und kommt nach einem gewissen Hub des Steuerkolbens 8, 9 relativ zum Verstärkerkolben 4 in den Bereich des Druckkanals 20. Die Querbohrung 26 wird von einem Stift 27 kleineren Durchmessers durchdrungen, der am Verstärkerkolben 4 befestigt iet. Die wirksame Fläche des Stouerkolbens sei mit f und die wirksame Fläche des Verstärkerkolbens mit F bezeichnet, wobei f<F ist. Die Steuerkante sum Aufsteuern des Druckkanals 20 ist mit 28 bezeichnet.
• Die Wirkungsweise des Kraftverstärkers ist wie folgt: Eine mit Hilfe eines nicht dargestellten Gestänges oder dergleichen aufgebrachte Kraft wird auf den Steuerkolben 8, 9 geleitet, der sich dadurch in den Stufenzylinder 1 hineinbewegt. Diese Bewegung wird zunächst nur durch die Reibung des Steuerkolbens 8, 9 sowie eine geringe Gegenkraft der Rückstellfeder 12, die sich gegen den infolge von Dichtungsreibung vorerst noch unbeweglichen Verstärkerkolben 4 abstützt, gehemmt. Der Steuerkolben 6, 9 läßt sich daher ohne wesentliche Gegenkraft aus seiner Ruhelage verschieben. Das bei dieser Verschiebung aus dem sich vorkleinernden Ringraum 16 und der Sackbohrung 10 verdrängte Druckmittelvolumen gelangt nahezu drucklos über die Querbohrung 15, die Längsbohrung 14, die Sackbohrung 10, den Ablaufkanal 18 und den Ringraum 19 zum Tankanschluß T. Der freie Abfluß des Druckmittels wird unterbrochen, wenn das freie Ende 24 des Steuerkolbens 8, 9 den Ablaufkanal 18 zusteuert. Zu diesem Zeitpunkt besteht infolge einer bestimmten positiven Überdeckung noch keine Verbindung zwischen dem Druckanschluß P und dem System 16, 15, 14, 10, so daß der Vorgang zunächst ohne Servounterstützung abläuft. Der Steuerkolben 8, 9 wird weiter verschoben und erzeugt dabei einen Druckanstieg im System 16, 15, 14, 10. Dieser Druokanstieg irt abhängig von der Reibung der Hochdruckdichtungen 22 und der auf dio Stange 5 wirkenden äußeren Kräfte.
• Wird der Druck so hoch, daß die sich aus wirksamer Fläche P und Druck ergebende Kraft auf den Verstärkerkolben 4 zur Überwindung der Dichtungsreibung und der anfänglichen äußeren Kraft ausreicht, setzt sich der Verstärkerkolben 4 in Bewegung. Da der gleiche Druck auf die wirksame Fläche f des Steuerkolbens 8, 9 wirkt, ergibt sich eine Rückwirkung auf den Bedienenden. Unter Vernachlässigung der Reibungskräfte und der Kräfte der Rückstellfedern ergibt sich das Verhältnis von Ausgangskraft zu Eingangskraft wie F f. Da F>f ist, ergibt sich also auch ohne Servounterstützung eine Kraftübersetzung, die dadurch erkauft wird9 daß sich der Steuerkolben 8, 9 während der Überdeckung im Verhältnis F : f schneller bewegt als der Verstärkerkolben 4 bzw. einen größeren Hub zurücklegt. Während eine derartige Überdeckung bei vielen Servo-Steuerungen, z.B.
• für Werzeugmaschinen, unerwünscht ist, kann man damit in den der Erfindung zugrunde liegenden Anwendungsfällen eine höhere Feinfühligkeit erzielen. Infolge der verschiedenen Stellgeschwindigkeiten nähert sich die Steuerkante 28 dem Druckkanal 20, bis schließlich die Verbindung P, 21, 20, 25, 26, 14, 15, 10, 16 hergestellt wird. Von diesem Augenblick an strömt Druckmittel in die Sackbohrung 10 bzw.
• den Ringraum 16. Dieses zusätzliche Druckmittelvolumen bewirkt, daß der Verstärkerkolben 4 dem Steuerkolben 8, 9 mit gleicher Geschwindigkeit nachfolgt oder, anders ausgedrückt, Verstärkerkolben 4 und Steuerkolben 8, 9 legen trots Kraftverstärkung gleiche Wage zurück. Die Kräfte verhalten sich dabei nach wie vor wie P : f. Beim Rückhub ergibt sich der umgekehrte Vorgang, wobei der Verstärkerkolben 4 durch die Rückstellfeder 7 dem TeiT 8 nachfolgt, und Teil 9 durch die Rückstellfeder 12 dem Teil 8 kraftschlüssig nachgeführt wird. Bei diesem Vorgang bleibt selbstverständlich die Rückwirkung auf den Steuerkolben 8, 9 crhalton. Der Kraftverstärker ist so ausgelegt, daß auch bei Ausfall der Druckmittelquelle eine Betätigung möglich ist.
• In einem solchen Fall kommt nach Überwindung eines Totweges der Steuerkolben 8, 9 am Verstärkerkolben 4 sur Anlage, , so daß sich eine direkte Kraftübertragung ohne Verstärkung r gibt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel kommt spezi ell der Teil 8 sur Anlage, während die Längs der Sackbohrung 10 und der Querbohrung 26 so bemessen ist, t%'- 9 weder am Grund 17 der Sackbohrung 10 noch am Stift 27 an-Stößt.
• Die Erfindung ist keineswegs auf die beschriebene Ausführung beschränkt. Insbesondere in Bezug auf die Lage und den Verlauf der DruGk- und Ablaufkanäle sowie der zugehörigen Bohrungen, Querbohrungen und Ringnuten sind verschiedene Variationen denkbar. Bei Bedarf kann auch der Verstärkerkolben direkt ohne Änderung seines Durchmessers als Betätigungsorgan wirken. Es ist dann nur notwendig, für den Ablauf des Druckmittels eine weitere Ringnut ähnlich der Ringnut 21 vorzusehen. Die Rückstellung könnte dann durch äußere Federn erfolgen.

Claims (10)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1) Hydraulischer Kraftverstärker, welcher im-wesentliehen aus einem gestuften Zylinder besteht, in dessen Bohrung größeren Durchmessers ein Verstärkerkolben flüssigkeitsdicht und gleitbar angeordnet ist, welcher mit einem oder mehreren Betätigungselementen, z.B. Geberzylindern, in Wirkyerbindung steht, und in dessen Bohrung kleineren Durchmessers ein von außen mit Hilfe eines Pedals oder dergleichen betätigter Steuerkolben flüssigkeitsdicht gleitet, wobei der Druckraum für den Verstärkerkolben in Abhängigkeit von der relativen Stellung von Verstärkerkolben und Steuerkolben über Ringnuten Bohrungen, Kanäle, Schläuche oder dergleichen im Steuerkolben, Gehäuse und Verstärkerkolben entweder mit der Druckmittelquelle oder einem Rücklaufsystem verbindbar ist oder auch abgesperrt werden kann, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) Der Steuerkolben (8, 9) ist in an sich bekannter Weise auf einem Teil seiner Länge in einer Bohrung (10) des Verstärkerkolbens (4) geführt.

b) Die wirksame Fläche (f) des Steuerkolbens (8, 9) ist immer vom jeweiligen Druck im Druckraum (Ringraum 16, Bohrung 10) beaufschlagt.

c) Der Steuerkolben (8, 9) ist so ausgebildet, daß nach Abschluß des Rücklauf systems (18, 19, T) der Steuerkolben (8, 9) relativ zum Verstärkerkolben (4) vor dem Öffnen des Druckraums (16, 10) zur Druckmittelquelle (23) einen derartigen Weg zurücklegt, daß der dabei infolge der Pumpwirkung des Steuerkolbeng (8,9) entstehende Druckanstieg im Druckraum (16, 10) mindestens zum Überwinden der Reibung an den Dichtungen (22) ausreicht.

2) Hydraulischer Kraftverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (8, 9) in einer Sackbohrung (10) des Verstärkerkolbens (4) gleitet.

in die ein Rücklaufkanal t18) und ein mit einer Hublänge des Verstärkerkolbens (4) entsprechenden Ringnut (21), in die ein Druckanschluß (P) mündet, verbundener Druckkanal (20) münden, wobei de Steuerkolben (8, 9) mit einer von seiner freien Stirnfläche (24) ausgehenden Bohrung (14) versehen ist, welche von Querbohrungen (15, 26) angeschnitten wird, von denen eine (15) in den Druckraum mündet, und mindestens eine weitere (26) mit dem Druckkanal (20) oder dem Rücklaufkanal (18) in Verbindung gebracht werden kann.

3) Hydraulischer Kraftverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der RUcklaufkanal (18) von dem freien Ende (24) des Steuerkolbens (8, 9) zugesteuert werden kann.

4). Hydraulischer Kraftverstärker nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der Verstärkerkolben von einer RUckstellfeder (7) belastet ist.

5) Hydraulischer Kraftverstärker nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (8, 9) als Stufenkolben ausgeführt ist, dessen Teil (8) größeren Durchmessers im Zylinder (1) geführt ist, während der Teil (9) kleineren Durchmessers mit einem Teil seiner Länge im Verstärkerkolben (4) gleitet.

6) Hydraulischer Kraftverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeiohnet, daß der Steuerkolben (8, 9) den Stufen entsprechend zweiteilig ausgeführt ist.

7) Hydraulischer Kraftverstärker nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Steuerkolben (8, 9) gegenüber dem Verstärkerkolben (4) über eine vorgespannte Rücketeilfeder (12) abstützt, deren Pederkraft kleiner ale die auf den Verstärkerkolben (4) wirkenden Reibung- und Rückstellkräfte ist.

8) Hydraulischer Kraftverstärkbr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellfeder (12) auf den Teil (9) kleineren Durchmessers des Stouerkilbens (8, 9) wirkt.

9) Hydraulischer Kraftverstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (8) größeren Durchmessers eine Sackbohrung (13) aufweist, welche den Teil (9) kleineren Durchmessers sowie den Teil (9) kleineren Durchmessers umgebende Rückstellfeder (12) teilweise aufnimmt.

10) Hydraulischer Kraftverstärker nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (9) kleineren Durchmessers mit dem Verstärkerkolben (4) zwecks leichterer Montierbarkeit durch ein eine gewisse axiale Verschiebung zulassendes Stiit-Langloch-System (26, 271 verbunden ist.