Der hydraulische Linearantrieb bezieht sich auf einen hydraulischen Arbeitszylinder, der
vorzugsweise mittels Schrittmotor gesteuert wird und insbesondere dort zur Anwendung
kommt, wo kurze Wege mit hoher Hubfrequenz benötigt werden (z. B. Nibbelmaschinen).The hydraulic linear drive refers to a hydraulic working cylinder that
is preferably controlled by means of a stepper motor and in particular for use there
comes where short distances with a high stroke frequency are required (e.g. nibbling machines).
Ein hydraulischer Linearantrieb in einstufiger Ausführung ist aus der EP 0296104 bekannt.
Dieser Linearantrieb ist für kurze Hübe bei schnellen Bewegungsabläufen gedacht. Mit
steigenden Betriebsdrücken und Volumenströmen wachsen die Strömungskräfte am Schieber
und die Verlustdrücke im gesamten Hydrauliksystem. Die Strömungskräfte am Schieber
bedingen, daß der verwendete Antriebsmechanismus (vorzugsweise Schrittmotore) das
erforderliche Antriebsmoment nicht mehr aufbringt. Damit sind der hydraulischen Leistung
dieser Linearantriebe enge Grenzen gesetzt.A hydraulic linear drive in a single-stage design is known from EP 0296104.
This linear actuator is intended for short strokes with fast movements. With
increasing operating pressures and volume flows increase the flow forces on the slide
and the loss pressures in the entire hydraulic system. The flow forces on the slide
condition that the drive mechanism used (preferably stepper motors)
required drive torque no longer applies. So the hydraulic power
these linear drives set narrow limits.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen Linearantrieb zu
schaffen, der hohe Betriebsdrücke und große Durchflußströme zuläßt. Diese Aufgabe wird
durch die Anordnung eines Vorsteuerschiebers im Hauptschieber verbunden mit dem Ausgleich
der Drücke bzw. Kräfte am Vorsteuerschieber gelöst. Durch die für eine Vorsteuerung erheblich
geringeren Volumenströme werden die Schieberkräfte und damit das Antriebsmoment für die
Schrittmotoren stark reduziert. Die großen Durchflußströme werden über den mittels
hydraulischer Steuerkolben bewegten Hauptschieber geführt.The present invention has for its object to a hydraulic linear drive
create that allows high operating pressures and large flow rates. This task will
by arranging a pilot spool in the main spool connected to the compensation
the pressures or forces on the pilot spool are released. Due to that for a feedforward control
lower volume flows are the slide forces and thus the drive torque for the
Stepper motors greatly reduced. The large flow rates are over the medium
hydraulic control piston moved main slide.
Anhand der Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel erläutert:An exemplary embodiment is explained below using the drawing:
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den Linearantrieb. Fig. 1 shows a longitudinal section through the linear drive.
Die Ausführung nach Fig. 1 hat ein Gehäuse 1 mit einer axialen Bohrung 2 und
Rohrleitungsanschlüssen für Rücklauf (Tankanschluß) 3 und Zulauf (Druckanschluß) 4. In der
Bohrung 2 ist ein Kolben mit Stange 5 verschiebbar angeordnet. Gehäuse 1 und Kolben mit
Stange 5 bilden zwei Ringräume 6 und 7. Im Kolben mit Stange 5 ist eine koaxiale Bohrung 8,
die einen Hauptschieber 9 axial verschiebbar enthält. Die Bohrung 8 ist zum Zylinderraum 10
hin mit einem Deckel 11 verschlossen, der eine koaxiale Durchgangsbohrung 12 besitzt. Vom
Zylinderraum 10 führen Verbindungskanäle 13 durch den Kolben mit Stange 5 zu einem
Ringkanal 14. Der Ringkanal 14 wird vom Dichtsteg 15 des Hautschiebers 9 abgedeckt.
Beidseitig von seinen Steuerkanten bildet der Hauptschieber 9 mit der Bohrung 8 im Kolben mit
Stange 5 Räume 16 und 17, die über radiale Bohrungen 18 und 19 durch den Kolben mit
Stange 5 mit den Ringräumen 6 und 7 in Verbindung stehen. Der Raum 17 wird durch den
Dichtsteg 20 begrenzt, der Raum 16 von der Stirnseite der Bohrung 8. Dem Hub des
Hauptschiebers 9 sind durch den Deckel 11 und die Stirnseite der Bohrung 8 Grenzen gesetzt.
Der Hauptschieber 9 besitzt eine koaxialen Bohrung 21, die einen axial verschiebbaren
Vorsteuerschieber 22 enthält. Der Vorsteuerschieber 22 kann sich in dieser Bohrung mit
mindestens dem doppelten Hub bewegen, ohne anzustoßen. Der Hauptschieber 9 weist
mehrere Durchgangsbohrungen 23 (nicht dargestellt) auf, die konzentrisch zur Bohrung 21
angeordnet sind. Außerdem hat er konzentrische Steuerbohrungen 24 und 25, die
Steuerkolben 26 und 27 aufweisen, wobei die zur Stirnseite der Bohrung 8 hin (Steuerkolben
26) einen kleineren Durchmesser haben als die Steuerkolben 27- zum Deckel 11 hin. Die
kleineren Steuerkolben 26 sind über Bohrungen 28 mit den Raum 17 verbunden. In die
Bohrung 21 für den Vorsteuerschieber 22 münden Steueröffnungen 29, die über Bohrungen 30
mit den größeren Steuerkolben 27 in Verbindung stehen. Die Steuerkolben stützen sich jeweils
an den axialen Begrenzungen der Bohrung 8 ab. Der Vorsteuerschieber 22 besitzt zwei
Steuerkanten die einen Dichtsteg 31 bilden, der die Steueröffnungen 29 im Hauptschieber 9
überdeckt. Zusammen mit dem zweiten Steg 32 am Vorsteuerschieber 22 bilden sie einen
Ringkanal 33. Dessen Länge beträgt mindestens den doppelten Hub plus der Breite des
Dichtsteges 31 zuzüglich eines Sicherheitsbetrags (ca. 1 mm). Der Ringkanal 33 ist mit
Bohrungen 34 (senkrecht zur Achse des Hauptschiebers 9) mit dem Raum 17 verbunden. Der
Abstand der Bohrung 34 und der tankseitigen Stirnseite des Hauptschiebers 9 von den
Steuerbohrungen 29 beträgt den Hub plus der Breite des Dichtsteges 31 zuzüglich einen
Sicherheitsbetrag (ca. 1 mm). Die Bohrung 2 des Gehäuses 1 wird durch das Antriebsgehäuse 35
am Zylinderraum 10 verschlossen. Eine Durchgangsbohrung 36 führt in den Raum 37 mit
dem Antriebsmechanismus. Sie wird ebenso wie Bohrung 12 im Deckel 11 von der
Koppelstange 38 durchquert, die damit die Verbindung von Vorsteuerschieber 22 zum
Ansteuermechanismus herstellt. Der Antriebsmechanismus besteht aus Zahnstange 39, Ritzel
40 und Schrittmotor 41 (nicht dargestellt). Der Raum 37 ist über Bohrungen 42 mit dem
Tankanschluß 3 verbunden, er kann aber auch über einen separaten Leckölanschluß entlastet
werden. Der Vorsteuerschieber 22 und die Zahnstange 39 sind durchbohrt (Bohrungen 43,44)
und die Befestigung der Koppelstange 38 erfolgt jeweils an den entgegengesetzten Enden
dieser Teile, wobei die Koppelstange 38 bis zu den Befestigungspunkten Spiel zu den
Bohrungen 43,44 aufweist.The embodiment of FIG. 1 has a housing 1 with an axial bore 2 and pipe connections for return (tank port) 3 and feed line (pressure connector) of 4. In the bore 2 , a piston with rod 5 is slidably arranged. Housing 1 and piston with rod 5 form two annular spaces 6 and 7 . In the piston with rod 5 is a coaxial bore 8 which contains a main slide 9 axially displaceable. The bore 8 is closed towards the cylinder space 10 with a cover 11 which has a coaxial through bore 12 . Connecting channels 13 lead from the cylinder space 10 through the piston with rod 5 to an annular channel 14 . The ring channel 14 is covered by the sealing web 15 of the skin pusher 9 . On both sides of its control edges, the main slide 9 forms with the bore 8 in the piston with rod 5 spaces 16 and 17 , which are connected via radial bores 18 and 19 through the piston with rod 5 to the annular spaces 6 and 7 . The space 17 is delimited by the sealing web 20 , the space 16 from the end face of the bore 8 . The stroke of the main slide 9 is limited by the cover 11 and the end face of the bore 8 . The main slide 9 has a coaxial bore 21 which contains an axially displaceable pilot slide 22 . The pilot spool 22 can move in this bore with at least twice the stroke without bumping. The main slide 9 has a plurality of through bores 23 (not shown) which are arranged concentrically with the bore 21 . In addition, it has concentric control bores 24 and 25 , which have control pistons 26 and 27 , those towards the end face of the bore 8 (control piston 26 ) having a smaller diameter than the control pistons 27- towards the cover 11 . The smaller control pistons 26 are connected to the space 17 via bores 28 . In the bore 21 for the pilot spool 22 open control openings 29 which are connected to the larger control piston 27 via holes 30 . The control pistons are each supported on the axial boundaries of the bore 8 . The pilot spool 22 has two control edges which form a sealing web 31 which covers the control openings 29 in the main spool 9 . Together with the second web 32 on the pilot spool 22 , they form an annular channel 33 . Its length is at least twice the stroke plus the width of the sealing web 31 plus a security amount (approx. 1 mm). The annular channel 33 is connected to the space 17 with bores 34 (perpendicular to the axis of the main slide 9 ). The distance between the bore 34 and the tank-side end face of the main slide 9 from the control bores 29 is the stroke plus the width of the sealing web 31 plus a safety amount (approx. 1 mm). The bore 2 of the housing 1 is closed by the drive housing 35 on the cylinder space 10 . A through hole 36 leads into the space 37 with the drive mechanism. Like the bore 12 in the cover 11, it is traversed by the coupling rod 38 , which thus establishes the connection between the pilot slide valve 22 and the control mechanism. The drive mechanism consists of rack 39 , pinion 40 and stepper motor 41 (not shown). The space 37 is connected to the tank connection 3 via bores 42 , but it can also be relieved via a separate leak oil connection. The pilot spool 22 and the rack 39 are drilled through (bores 43 , 44 ) and the coupling rod 38 is fastened at the opposite ends of these parts, the coupling rod 38 having play to the bores 43 , 44 up to the fastening points.
Der Linearantrieb arbeitet bei anliegendem Druck im Anschluß 4 wie folgt:
Das Drucköl beaufschlagt ständig über Ringkanal 7 die Ringseite des Kolben und über die
Bohrungen 19, den Raum 17, die Bohrungen 28 auch die kleineren Steuerkolben 26. Die
Stirnseiten des Haupt- 9 und des Vorsteuerschiebers 22 sind über den Ringkanal 6 und die
Bohrungen 18 und über die nicht dargestellten Durchgangsbohrungen 23 im Hauptschieber 9
mit dem Tankanschluß 3 verbunden. Durch die Bohrungen 42 wird der
Antriebsmechanismus im Raum 37 mit dem Tankanschluß 3 zum vollständigen
Druckausgleich (Fläche der Koppelstange 38) verbunden. Das kann auch außerhalb des
Linearantriebes erfolgen.The linear actuator works with the pressure in port 4 as follows:
The pressure oil constantly acts on the ring side of the piston via the annular channel 7 and also the smaller control pistons 26 via the bores 19 , the space 17 , the bores 28 . The end faces of the main 9 and the pilot spool 22 are connected to the tank connection 3 via the ring channel 6 and the bores 18 and through the through bores 23, not shown, in the main spool 9 . Through the bores 42 , the drive mechanism in the space 37 is connected to the tank connection 3 for complete pressure equalization (surface of the coupling rod 38 ). This can also be done outside of the linear drive.
Die dargestellte Ruhelage nach Fig. 1 ergibt sich aus der Abdeckung aller Steueröffnungen
14, 29 durch die dazugehörigen Dichtstege 15, 31 der entsprechenden Schieber 9, 22. Wird
durch den Antriebsmechanismus die Zahnstange 39 und damit die Koppelstange 38 in
Richtung Stirnseite von Bohrung 8 bewegt, öffnet die Steuerkante (des Dichtsteges 31 zum
Ringkanal 33) des Vorsteuerschiebers 22 und Drucköl fließt vom Anschluß 4 über den
Ringkanal 7, die Bohrungen 19, den Raum 17, die Bohrungen 34 den Ringkanal 33 über die
Steuerkante in die Steuerbohrungen 29. Über die Bohrungen 30 werden die größeren
Steuerkolben 27 beaufschlagt und verschieben den Hauptschieber 9 gegen die Druckkraft der
kleinen Steuerkolben 26 in Richtung Stirnseite von Bohrung 8. Das Ölvolumen der
Steuerkolben 26 wird über die Bohrungen 28 in den Raum 17 und damit in die Druckseite
verdrängt. Über die nicht dargestellten Durchgangsbohrungen 23 erfolgt der Ölvolumen- bzw.
Druckausgleich an den Schiebern 9,22. Durch die Bewegung gibt der Hauptschieber 9 an der
Steuerkante des Raum 17 den Ringkanal 14 frei. Über den Spalt fließt der Ölvolumenstrom aus
Raum 17 in die Bohrungen 13 und beaufschlagt den Zylinderraum 10 mit Druck. Der Kolben mit
Stange 5 bewegt sich aus dem Gehäuse 1 heraus und verdrängt dabei Öl aus dem Ringraum
7. Gleichzeitig folgt er der Steuerkante des Hauptschiebers 9 und schließt damit den Ringkanal
14 wieder ab. Der gleiche Vorgang erfolgt am Hauptschieber 9 zwischen den Steuerbohrungen
29 und dem Dichtsteg 31 des Vorsteuerschiebers 22. Die beweglichen Teile der Steuerung sind
als Folgesystem ausgeführt, daß heißt sie folgen immer der vorgegebenen Position ihres
zugeordneten Schiebers und gleichen damit die Stellung immer auf die Ruhelage ab.The rest position shown in FIG. 1 results from the cover of all control openings 14 , 29 by the associated sealing webs 15 , 31 of the corresponding slide 9 , 22 . If the rack 39 and thus the coupling rod 38 are moved in the direction of the end face of bore 8 by the drive mechanism, the control edge (of the sealing web 31 to the ring channel 33 ) of the pilot slide valve 22 opens and pressure oil flows from the connection 4 via the ring channel 7 , the holes 19 Room 17 , the bores 34, the annular channel 33 via the control edge into the control bores 29 . The larger control pistons 27 are acted upon via the bores 30 and move the main slide 9 against the pressure force of the small control pistons 26 in the direction of the end face of bore 8 . The oil volume of the control piston 26 is displaced through the bores 28 into the space 17 and thus into the pressure side. The oil volume or pressure compensation on the slides 9 , 22 takes place via the through bores 23 , not shown. Due to the movement, the main slide 9 releases the annular channel 14 at the control edge of the space 17 . The oil volume flow flows from the space 17 into the bores 13 via the gap and pressurizes the cylinder space 10 . The piston with rod 5 moves out of the housing 1 and displaces oil from the annular space 7 . At the same time, it follows the control edge of the main slide 9 and thus closes the ring channel 14 again. The same process takes place on the main slide 9 between the control bores 29 and the sealing web 31 of the pilot slide 22 . The moving parts of the control system are designed as a follow-up system, which means that they always follow the specified position of their assigned slide and thus always adjust the position to the rest position.
Wird die Zahnstange 39 in Richtung Antriebsgehäusedeckel 45 bewegt, öffnet die tankseitige
Steuerkante am Steuerschieber 22 die Steuerbohrungen 29. Die größeren Steuerkolben 27
werden über die Bohrungen 30 druckentlastet und die ständig mit Druck beaufschlagten
kleineren Steuerkolben 26 verschieben den Hauptschieber 9 in Richtung Deckel 11. Dadurch
wird die tankseitige Steuerkante am Hauptschieber 9 geöffnet und über den Ringkanal 14 und
die Bohrungen 13 wird der Zylinderraum 10 entlastet. Das Öl wird aus den Raum verdrängt, da
die Kolbenringseite, die über Ringraum 7 ständig mit Druck beaufschlagt ist, durch ihre
Druckkraft das Einfahren des Kolben mit Stange 5 bewirkt. Die Folgesteuerprozesse verlaufen
analog wie beim Ausfahren, nur in umgekehrte Richtung ab.If the rack 39 is moved in the direction of the drive housing cover 45 , the tank-side control edge on the control slide 22 opens the control bores 29 . The larger control pistons 27 are relieved of pressure via the bores 30 and the smaller control pistons 26, which are constantly pressurized, move the main slide 9 in the direction of the cover 11 . As a result, the tank-side control edge on the main slide 9 is opened and the cylinder space 10 is relieved via the annular channel 14 and the bores 13 . The oil is displaced from the space since the piston ring side, which is constantly pressurized via the annular space 7 , causes the piston 5 to be retracted with the rod 5 by its pressure force. The sequence control processes are analogous to those when extending, only in the opposite direction.
Der maximale Hub des Linearantriebes wird durch den mechanischen Anschlag der
Zahnstange 39 am Antriebsgehäusedeckel 45 und am Antriebsgehäuse 35 an der Bohrung 36
begrenzt. Die Befestigung der Koppelstange 38 an den entgegengesetzten Enden von
Zahnstange 39 und Vorsteuerschieber 22 und das Spiel zwischen Koppelstange 38 und den
Bohrungen 43, 44 ermöglicht den Ausgleich geringer Fluchtungsfehler, da die Koppelstange 38
die Bohrungen 12 und 36 zum Dichtzwecke mit geringem Spiel durchquert.The maximum stroke of the linear drive is limited by the mechanical stop of the rack 39 on the drive housing cover 45 and on the drive housing 35 on the bore 36 . The attachment of the coupling rod 38 to the opposite ends of the rack 39 and pilot spool 22 and the play between the coupling rod 38 and the bores 43 , 44 enables the compensation of slight misalignments, since the coupling rod 38 crosses the bores 12 and 36 for sealing purposes with little play.