DE1907104B2 - Hydraulischer Verstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Verstärker mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Bei derartigen Verstärkern ist der Druckraum in der unbetätigten Ausgangsstellung von der Druckmittelquelle getrennt. Man nennt sie deshalb auch Verstärker mit »geschlossener Mitte« (DE-GM 1862274). Demgegenüber stehen die hydraulischen Verstärker mit sogenannter »offener Mitte«, bei welchen im unbetätigten Zustand das Druckmittel nahezu drucklos von der Druckmittelquelle durch den Druckraum zum Ablauf fließt. Wenn bei dieser Bauart mit »offener Mitte« der Steuerkolben betätigt wird, findet eine zunehmende Verkleinerung des Ablaufquerschnittes statt, wodurch sich im Druckraum ein ebenfalls zunehmender Staudruck entwickelt und auf den Verstärkerkolben wirkt. Der Aufbau des Staudruckes findet kontinuierlich statt, so daß ruckartiges Bewegen des Verstärkerkolbens durch plötzliche Druckbeaufschlagung oder Übersteuerungseffekte weitgehend vermieden wird. Da der zur Drosselung benutzte Steuerkolben meist mit einer Reaktionsfläche versehen ist, ergibt sich auch eine Rückmeldung des aufgebauten Staudruckes an den Bedienenden. Ein Ausführungsbeispiel dieser Bauart mit »offener Mitte« ist in der US-PS 3327590 dargestellt. Trotz verschiede-

ner guter Eigenschaften besitzen aber grundsätzlich alle Verstärker mit »offener Mitte« den Nachteil des permanenten Durchflusses, wodurch Einsätze in Kombination mit Hydrospeichern z. B. mm Erreichen einer Sicherheitsreserve bei Ausfall der Druckmittelquelle nicht möglich sind.

Im Unterschied zum beschriebenen kontinuierlichen Druckaufbau findet der Druckaufbau bei f.inem Verstärker mit »geschlossener Mitte« (DE-GM 1862274) nicht kontinuierlich statt. Vielmehr wird beim Betätigen des Steuerkolbens die einen hohen Druck erzeugende Druckmittelquelle plötzlich mit einem drucklosen Raum verbunden.

Selbst wenn der Steuerkolben mit einer Reaktionsfläche versehen ist, wird sich ein Reaktionsdruck erst nach dem plötzlichen Einströmen des Druckmittels in den Druckraum aufbauen können. Der Bedienende läuft daher Gefahr, einen zu großen Strömungsquerschnitt aufzusteuern, das heißt, eine τ Übersteuerungseffekt zu verursachen. Der Verstärkerkolben bewegt sich ruckartig aus seiner Ruhelage heraus, und zwar insbesondere dann, wenn zusätzlich ein Klebeeffekt von Hochdruckdichtungen zu überwinden ist. Die vom Verstärkerkolben bewirkte Kraft kann kurzzeitig wesentlich größer werden als eigentlich gewünscht, was zum Beispiel bei Verwendung solcher Verstärker für Bremssysteme zu gefährlichen Situationen führen kann. Diese Erscheinungen treten verstärkt auf, wenn am Steuerkolben keine Reaktionsflächen vorhanden sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen hydraulischen Verstärker, dessen Druckraum in unbetätigter Ausgangsstellung von der Druckmittelquelle getrennt ist (Verstärker mit »geschlossener Mitte«) so auszubilden, daß die beschriebenen Nachteile weitgehend vermieden werden, d. h., daß insbesondere ruckartige Bewegungen des Verstärkerkolbens auf Grund von Übersteuerungen oder Losbrecheffekten vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.

Positive Überdeckungen an sich sind bei Steuerkolben durchaus bekannt. Sie werden angewendet, um den bei einer Nullüberdeckung zum Teil unerwünscht großen Leckölanfall gering zu halten oder aber um größere Fertigungstoleranzen zugestehen zu können. Abgesehen ven diesen Gründen wird jedoch gerade auf dem Gebiet der Servoverstärker und Folgesteuerungen weitgehend eine Nullüberdeckung angestrebt, Die Erfindung bricht mit dieser Übung, indem eine ganz bestimmte positive Überdeckung vorgeschrieben wird, die durch die dann entstehende Pumpwirkung des Steuerkolbens einen bestimmten Überdruck im Druckraum erzeugt. Durch geeignete Wahl der positiven Überdeckung läßt sich der Überdruck in einer Größe erzeugen, der zum Überwinden der Haftreibung des Verstärkerkolbens ausreicht. Da der Bedienende von Beginn der Steuerkolbenbewegung an über die Reaktionsfläche am Steuerkolben den tatsächlich im Druckraum herrschenden Druck fühlt, ist die Gefahr von Übersteuerungen wesentlich eingeschränkt. Hinzu kommt, daß das Druckmittel nicht mehr in einen drucklosen Raum einströmt, sondern in einen Raum, in dem bereits ein überdruck herrscht. Das einströmende Druckmittel entspannt sich deshalb nicht mehr vollständig. Luftausscheidungen und damit verbundene Geräusche werden verringert.

Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.

Ein Zylinder 1 mit zwei verschiedenen Bohrungsdurchmessern 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 geführt, an dem sich eine die Stange 5 umgebende, auf den Verstärkerkolben 4 wirkende Rückstellfeder 7 abstützt. In der Bohrung 3 gleitet dicht ein Teil 8 größeren Durchmessers eines zweiteiligen Steuerkolbens 8, 9. Der Teil 9 kleineren Durchmessers ist auf einem Teil seiner Länge in einer als Sackbohrung ausgeführten Bohrung 10 des Verstärkerkolbens 4 geführt und weist an seinem entgegengesetzten Ende einen Bund 11 auf, der als Widerlager für eine sich am Verstärkerkolben 4 abstützende Rückstellfeder 12 dient. Rückstellfeder 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 als Sackbohrung ausgeführten Bohrung 10 wird diese von einem Rücklaufkanal 18 geschnitten, welcher in den zwischen Bohrung 2, Dekkel 6, Verstärkerkolben 4 und Stange 5 gebildeten Ringraum 19 mündet, der mit einem Tankanschluß T verbunden ist. Axial vom Rücklaufkanal 18 entfernt mündet in die Bohrung 10 ein Druckkanal 20, der mit einer Ringnut 21 des Verstärkerkolbens 4 verbunden ist. Die Ringnut 21 ist gegen die Ringräume 16 und 19 durch für hohe Drücke geeignete Dichtungen 22 abgedichtet. Ein mit einer Druckmittelquelle 23 verbundener Druckanschluß P mündet in die Ringnut 21. In der (in der Zeichnung dargestellten) Ausgangslage des Steuerkolbens 8,9 befindet sich die freie Stirnfläche 24 des Teiles 9 des Steuerkolbens 8. 9 im Bereich des Rücklaufkanals 18, ohne diesen aber zu verschließen. Eine Ringnut 25 des Teiles 9 ist durch eine Querbohrung 26 mit der Längsbohrung 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 ist.

Die wirksame Fläche des Steuerkolbens 8,9 sei mit / und die wirksame Fläche des Verstärkerkolbens mit F bezeichnet, wobei f<F ist. Die Steuerkante zum Aufsteuern des Druckkanals 20 ist mit 28 bezeichnet.

Die Wirkungsweise des hydraulischen Verstärkers 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 Zylinder 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 8.9 läßt sich daher ohne wesentliche Gegenkraft aus seiner Ruhelaee

verschieben. Das bei dieser Verschiebung aus dem sich verkleinernden Ringraum 16 und der als Sackbohrung ausgeführten Bohrung 10 verdrängte Druckmittelvolumen gelangt nahezu drucklos über die Querbohrung 15, die Längsbohrung 14, die Bohrung 10, den Rücklaufkanal 18 und den Ringraum 19 zum Tankanschluß 7". Der freie Abfluß des Druckmittels wird unterbrochen, wenn die freie Stirnfläche 24 des Steuerkolbens 8, 9 den Rücklaufkanal 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 9, 8 wird weiter verschoben und erzeugt dabei einen Druckanstieg im System 16,15,14,10. Dieser Druckanstieg ist abhängig von der Reibung der für hohe Drücke geeigneten Dichtungen 22 und den auf die Stange 5 wirkenden äußeren Kräften. Wird der Druck so hoch, daß die sich aus wirksamer Fläche F 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 / 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, erhält man also auch ohne Servounterstützung eine Kraftübersetzung, die dadurch erkauft wird, 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 Werkzeugmaschinen, 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 den Druckkanal 20, bis schließlich die Verbindung von Druckanschluß P, über die Flüssigkeitskanäle 21, 20 25, 26,14,15 bis zum Druckraum 10, 16 hergestell wird. Von diesem Augenblick an strömt Druckmitte in die Bohrung 10 bzw. den Ringraum 16. Dieses zusätzliche Druckmittelvolumen bewirkt, daß der Verstärkerkolben 4 dem Steuerkolben 8, 9 mit gleichei Geschwindigkeit nachfolgt oder, anders ausgedrückt Verstärkerkolben 4 und Steuerkolben 8,9 legen trot; Kraftverstärkung gleiche Wege zurück. Die Kraft« verhalten sich dabei nach wie vor wie F.f. Bein Rückhub ergibt sich der umgekehrte Vorgang, wöbe der Verstärkerkolben 4 durch die Rückstellfeder" dem Teil 8 nachfolgt, und Teil 9 durch die Rückstell feder 12 dem Teil 8 kraftschlüssig nachgeführt wird Bei diesem Vorgang bleibt selbstverständlich di< Rückwirkung auf den Steuerkolben 8,9 erhalten. De: Verstärker ist so ausgelegt, daß auch bei Ausfall dei Druckmittelquelle 23 eine Betätigung möglich ist. Ii einem solchen Fall kommt nach Überwindung eine: Totweges der Steuerkolben 8, 9 am Verstärkerkol ben 4 zur Anlage, so daß sich eine direkte Kraftüber tragung ohne Verstärkung ergibt. In dem dargestellter Ausführungsbeispiel kommt speziell der Teil 8 zui Anlage, während die Länge der Sackbohrung 10 unc der Querbohrung 26 so bemessen ist, daß Teil 9 wedei am Grund 17 der Sackbohrung 10 noch am Stift 2' anstößt.

Die Erfindung ist keineswegs auf die beschrieben« Ausführung beschränkt. Insbesondere in bezug auf die Lage und den Verlauf der Druck- und Ablauf kanäU sowie der zugehörigen Bohrungen, Querbohrunger und Ringnuten sind verschiedene Variationen denkbar. Bei Bedarf kann auch der Verstärkerkolben direkt ohne Änderung seines Durchmessers schon al; Betätigungsorgan wirken. Es ist dann nur notwendig für den Ablauf des Druckmittels eine weitere Ringnu ähnlich der Ringnut 21 vorzusehen. Die Rückstellung könnte dann durch äußere Federn erfolgen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Hydraulischer Verstärker, der aus einem Zylinder mit zwei verschiedenen Bohrungsdurchmessern besteht, in dessen Bohrungsteil mit dem größeren Durchmesser ein Verstärkerkolben mittels Dichtungen flüssigkeitsdicht und gleitbar angeordnet ist, welcher mit einem oder mehreren Betätigungselementen, z. B. Geberzylinder, in Wirkverbindung steht und in dessen Bohrungsteil mit dem kleineren Durchmesser ein von außen mit Hilfe z. B. eines Pedals betätigter Steuerkolben flüssigkeitsdicht gleitet, wobei der Druckraum, in dem der den Verstärkerkolben in Arbeitsrichtung beaufschlagende Druck gebildet wird, in Abhängigkeit von der relativen Stellung von Vtrstärkerkolben und Steuerkolben zueinander über Flüssigkeitskanäle im Steuerkolben, Verstärkergehäuse und Verstärkerkolben entweder mit der Druckmittelquelle oder dem Rücklauf verbindbar ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) der Steuerkolben (8,9) ist auf einem Teil seiner Länge in einer Bohrung (10) des Verstärkerkolbens (4) geführt;

b) die wirksame Fläche (/) des Steuerkolbens (8, 9) ist immer dem den Verstärkerkolben (4) in Arbeitsrichtung beaufschlagenden Druck im Druckraum (Ringraum 16, Bohrung 10) ausgesetzt in der Weise, daß dieser Druck als der Betätigung entgegengerichtete Reaktionskraft fühlbar ist;

c) der Steuerkolben (8, 9) ist mit positiver Schaltüberdeckung so ausgebildet, daß er bei verschlossenem Rücklauf (18,19, T) relativ zum Verstärkerkolben (4) vor dem öffnen des Druckraumes (16,10) zur Druckmittelquelle (23) eine derartige Strecke zurücklegt, daß der infolge der Pumpwirkung des Steuerkolbens (8, 9) entstehende Druckanstieg im Druckraum (16, 10) mindestens zum Überwinden der durch die Dichtungen (22) verursachten Reibung ausreicht.

2. Hydraulischer Verstärker nach Anspruch 1 mit einem Steuerkolben, von dessen Stirnfläche eine Längsbohrung ausgeht, die von Querbohrungen geschnitten wird und mit einer der Hublänge des Verstärkerkolbens entsprechenden Ringnut am äußeren Mantel des Verstärkerkolbens, in welche Ringnut ein Druckanschluß von der Druckmittelquelle und ein Druckkanal im Verstärkerkolben münden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (10) des Verstärkerkolbens (4), in der der Steuerkolben (8, 9) gleitet, eine Sackbohrung ist, in die ein Rücklaufkanal (18) und der über die Ringnut (21) mit der Druckmittelquelle (23) verbundene Druckkanal (20) münden, daß sich die Stirnfläche (24) des Steuerkolbens (8,9), von der die Längsbohrung (14) ausgeht, innerhalb der Bohrung (10) befindet, daß eine Querbohrung (IS) des Steuerkolbens (8, 9) permanent mit einem weiteren Teil (Ringraum 16) des Druckraums (Ringraum 16, Bohrung 10) verbunden ist und mindestens eine weitere Querbohrung (26) mit dem Druckkanal (20) oder dem Rücklaufkanal (18) in Verbindung gebracht werden kann.

3. Hydraulischer Verstärker nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Rücklauf kanal (18) von der freien, sich innerhalb der Bohrung (10) befindlichen Stirnfläche (24) des Steuerkolbens (8, 9) zugesteuert wird.

4. Hydraulischer Verstärker nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche mit einem mit zwei verschiedenen Durchmessern versehenen Steuerkolben, dessen Teil kleineren Durchmessers auf einem Teil seiner Länge im Verstärkerkolben und dessen Teil größeren Durchmessers mindestens mit einem Teil seiner Länge im Zylinder geführt sind, und mit einer vorgespannten Rückstellfeder, die zwischen dem Verstärkerkolben und dem Steuerkolben wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft der Rückstellfeder (12) kleiner ist als die auf den Verstärkerkolben (4) wirkenden Rückstell- und Reibungskräfte.

5. Hydraulischer Verstärker nach Anspruch 4 mit einem zwischen den beiden Durchmessern zweigeteilten Steuerkolben und mit einer vom Druckraum ausgehenden Sackbohrung im Teil größeren Durchmessers des Steuerkolbens, in welche Sackbohrung der Teil kleineren Durchmessers hineinragt, wobei die Rückstellfeder den Teil kleineren Durchmessers umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellfeder (12) mindestens mit einem Teil ihrer Länge innerhalb der Sackoohrung (13) im Teil größeren Durchmessers des Steuerkolbens angeordnet ist.

6. Hydraulischer Verstärker nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (9) kleineren Durchmessers mit dem Verstärkerkolben (4) zwecks leichterer Montierbarkeit durch ein eine gewisse axiale Verschiebung zulassendes Stift-Langloch-System (26, 27) verbunden ist.