DE19757157C2 - Hydraulischer Linearantrieb - Google Patents

Description

Der hydraulische Linearantrieb bezieht sich auf einen hydraulischen Arbeitszylinder wie er aus der DE 38 36 401 A1 bekannt ist, der vorzugsweise mittels Schrittmotor gesteuert wird und insbesondere dort zur Anwendung kommt, wo kurze Wege mit hoher Hubfrequenz benötigt werden (z. B. Nibbelmaschinen).

Ein hydraulischer Linearantrieb in einstufiger Ausführung ist aus der EP 0296104 A1 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.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen Linearantrieb zu schaffen, der hohe Betriebsdrücke und große Durchflußströme zuläßt. Diese Aufgabe wird durch einen hydraulischen Linearantrieb gemäß Patentanspruch 1 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.

Anhand der Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel erläutert:

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den Linearantrieb.

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 (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 (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.

Der Linearantrieb arbeitet bei anliegendem Druck im Anschluß 4 wie folgt:
Das Drucköl beaufschlagt ständig über Ringkanal 7 die Ringsee 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 im Hauptschieber 9 mit dem Tankanschluß 3 verbunden. Durch die Bohrungen 42 wird der Antriebsmechachanismus im Raum 37 mit dem Tankanschluß 3 zum vollständigen Druckausgleich (Fläche der Koppelstange 38) verbunden. Das kann auch außerhalb des Linearantriebes erfolgen.

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 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.

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.

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.

Claims (3)

1. Hydraulischer Linearantrieb bestehend aus Gehäuse (1) und Kolben mit Stange (5), die mit einander zwei Ringkanäle (6, 7) bilden und wo der Ringkanal (6) mit dem Tankanschluß (3) und der Ringkanal (7) mit dem Druckanschluß (4) verbunden ist, wodurch die Kolbenringseite ständig mit dem Druckanschluß (4) in Verbindung steht, während der Zylinderraum (10) über die Linearantriebsteuerung mit Volumenstrom beaufschlagt wird und wo die mechanische Ansteuerung dieses Steuersystems mittels Schrittmotor über Ritzel (40) und Zahnstange (39) erfolgt, gekennzeichnet dadurch, daß im Kolben mit Stange (5) eine koaxiale Bohrung (8) ist, die auf der Zylinderraumseite (10) mit einem Deckel (11) verschlossen ist und wobei der Deckel (11) eine koaxiale Durchgangsbohrung (12) aufweist, daß in die Bohrung (8) an ihrer Stirnseite radiale Bohrungen (18) münden, die mit dem Ringraum (6) verbunden sind, daß des weiteren radiale Bohrungen (19) angeordnet sind, die in den zweiten Ringraum (7) münden und daß zwischen diesen radialen Bohrungen in der Bohrung (8) ein Ringkanal (14) ist, der von dem Dichtsteg (15) zwischen den Steuerkanten des Hauptschiebers (9) abgedeckt wird und der über Bohrungen (13) mit dem Zylinderraum (10) verbunden ist, daß die Bohrung (8) einen Hauptschieber (9) enthält, der axial beweglich angeordnet ist und einen zweiten Dichtsteg (20) besitzt, der zusammen mit dem anderen Dichtsteg (15) Räume (17) bildet, in die die radialen Bohrungen (19) des Ringraumes (7) münden, die mit dem Druckanschluß (4) in Verbindung stehen, der eine koaxiale Bohrung (21) besitzt und dazu konzentrisch angeordnete Durchgangsbohrungen aufweist, daß in der koaxialen Bohrung (21) ein Vorsteuerschieber (22) axial beweglich angeordnet ist, dessen Steuerkanten einen Dichtsteg (31) begrenzen, der radiale Steuerbohrungen (29) im Hauptschieber (9) abdeckt und der mit seinem zweiten Dichtsteg (32) einen Ringkanal (33) bildet, der über radiale Bohrungen (34) mit den Räumen (17) des Hauptschiebers (9) in Verbindung steht, daß desweiteren der Hauptschieber (9) konzentrisch Steuerkolbenbohrungen (24, 25) aufweist, wobei die tankseitigen Steuerkolben (26) einen kleineren Durchmesser aufweisen und über Bohrungen (28) mit den Räumen (17) verbunden sind, sodaß eine ständige Verbindung zum Druckanschluß (4) besteht und daß die Steuerkolben (27) am Deckel (11) einen größeren Durchmesser aufweisen und über Bohrungen (30) mit den vom Vorsteuerschieber (22) abgedeckten Steuerbohrungen (29) verbunden sind, daß der Vorsteuerschieber (22) mittels einer Koppelstange (38) mit dem Ansteuermechanismus verbunden ist, wobei er dazu die Bohrungen (12, 36) im Deckel (11) und im Antriebsgehäuse (35) mit geringem Spiel durchquert und wo der Raum (37) im Antriebsgehäuse (35) über Bohrungen (42) mit dem Tankanschluß (3) verbunden ist.

2. Hydraulischer Linearantrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Vorsteuerschieber (22) und Zahnstange (39) Bohrungen (43, 44) aufweisen und die Koppelstange (38) an den entgegengesetzten Enden von Vorsteuerschieber (22) und Zahnstange (39) befestigt ist und daß zwischen den Bohrungen (43, 44) und der Koppelstange (38) mehr Spiel besteht als zwischen den Bohrungen (12) und (36) und der Koppelstange (38) und daß die interne Verbindung vom Raum (37) mit dem Tankanschluß (3) über Bohrungen (42) extern durch Rohrleitungen erfolgt.

3. Hydraulischer Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Hauptschieberhub durch den Deckel (11) und die Stirnseite der Bohrung (8) begrenzt ist, während der Vorsteuerschieber (22) in Bohrung (21) einen Weg zurücklegen kann, der mindestens dem doppelten Hub entspricht, ohne das er axial anstößt.