DE19806980C2 - Two-stage hydraulic short stroke linear drive - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen zweistufigen hydraulischen Kurzhublinearantrieb gemäß Oberbegriff der Ansprüche 1 bis 3. Dieser Kurzhublinearantrieb ist ein hydraulischer 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 invention relates to a two-stage hydraulic short-stroke linear drive according to the preamble of claims 1 to 3. This short stroke linear drive is a hydraulic working cylinder 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 Servozylinder mit durchgehender Kolbenstange und darin integriertem Schieberventil ist aus DE 31 04 989 A1 bekannt. Technisch handelt es sich hier um einen direktgesteuerten (einstufigen) Zylinder. Die übertragbare Leistung derart gesteuerter hydraulischer Geräte ist gering.A servo cylinder with a continuous piston rod and integrated slide valve known from DE 31 04 989 A1. Technically, this is a directly controlled one (single stage) cylinder. The transferable performance of such controlled hydraulic devices is low.
Desweiteren ist ein hydraulischer Linearantrieb in vorgesteuerter (zweistufiger) Ausführung bekannt. Im Kolben ist hier ein Hauptschieber angeordnet und in ihm wiederum ein Vorsteuerschieber. Dieser Linearantrieb ist für kurze Hübe bei schnellen Bewegungsabläufen gedacht. Die Steuerung des Hauptschiebers erfolgt bei dieser Lösung durch ölbeaufschlagte Steuerkolben. Die kleineren Steuerkolben sind dabei ständig mit Druck beaufschlagt, während die großen Steuerkolben über den Vorsteuerschieber mit der Druck- bzw. Tankseite verbunden werden. Die interne Abstützung der großen Steuerkolben des Hauptschiebers am Deckel des Kolbens mit Stange führt zu instabilen Betriebsverhalten. Außerdem verursachen die lose im Hauptschieber angeordneten Steuerkolben Schlaggeräusche bei Druckbeaufschlagung und in deren Folge Materialverformungen bzw. -zerstörungen.Furthermore, there is a hydraulic linear drive in a pilot-controlled (two-stage) version known. A main slide is arranged here in the piston and a turn in it Spool. This linear actuator is for short strokes with fast movements thought. In this solution, the main slide is controlled by oil-loaded valves Control piston. The smaller control pistons are constantly pressurized while the large control pistons are connected to the pressure or tank side via the pilot valve become. The internal support of the large control spool of the main slide on the cover of the Piston with rod leads to unstable operating behavior. In addition, the loose in the Main spool arranged spool noises when pressurized and in the consequence of which is material deformation or destruction.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zweistufigen hydraulischen Kurzhublinearantrieb zu schaffen, der diese Nachteile beseitigt. Diese Aufgabe wird grundsätzlich dadurch gelöst, daß die Steuerelemente des Hauptschiebers, die vom Vorsteuerschieber angesteuert werden (im bekannten Beispiel die großen Steuerkolben), sich am oder im feststehenden Gehäuseteil, vorzugsweise dem Antriebsgehäuse abstützen und daß der Hauptschieber abgesetzt ausgeführt wird, wodurch die kleinen Steuerkolben entfallen.The present invention has for its object a two-stage hydraulic To create short stroke linear drive that eliminates these disadvantages. This task is basically done solved that the controls of the main spool controlled by the spool become (in the known example, the large control piston), on or in the fixed Support part of the housing, preferably the drive housing and that the main slide is carried out remotely, eliminating the small control pistons.
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 (Hauptschieberschnitt unsymmetrisch). Fig. 1 shows a longitudinal section through the linear drive (main slide section asymmetrical).
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch den Linearantrieb als Variante von Fig. 1. FIG. 2 shows a longitudinal section through the linear drive as a variant of FIG. 1.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch den Linearantrieb als Variante von Fig. 2. FIG. 3 shows a longitudinal section through the linear drive as a variant of FIG. 2.
Fig. 4 zeigt als Einzelheit den abgesetzten Hauptschieber. Fig. 4 shows the separated main slide.
Die Ausführung nach Fig. 1 hat ein Gehäuse 1 mit einer abgesetzten 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 abgesetzte koaxiale Bohrung 8, die einen Hauptschieber 9 axial verschiebbar enthält. Die Bohrung 8 ist zum Zylinderraum 10 hin mit einem Dichtelement, einem Deckel 11 verschlossen, der eine koaxiale Durchgangsbohrung 12 und konzentrische Durchgangsbohrungen 24 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 Hauptschiebers 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 einen Dichtsteg 20 begrenzt, der Raum 16 von der Stirnseite der Bohrung 8. Der Hauptschieber 9 ist am Dichtsteg 20 im Durchmesser größer als am Dichtsteg 15 (Siehe Fig. 4). Dem Hub des Hauptschiebers 9 sind durch den Deckel 11 und die Stirnseite der Bohrung 8 Grenzen gesetzt. Der Hauptschieber 9 besitzt eine koaxiale 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 besitzt mehrere Durchgangsbohrungen 23 (nicht dargestellt), die konzentrisch zur Bohrung 21 angeordnet sind. Sie verbinden den Tankanschluß 3 mit Raum 26. Außerdem hat der Hauptschieber 9 konzentrische Steuerbohrungen 25, die Steuerkolben 27 aufweisen. Diese ragen durch Bohrungen 24 im Deckel 11 und stützen sich am oder im (Bohrungen 28) Antriebsgehäuse 35 ab. In die Bohrung 21 des Vorsteuerschiebers 22 münden Steueröffnungen 29, die über Bohrungen 30 mit den Steuerkolben 27 in Verbindung stehen. Der Vorsteuerschieber 22 besitzt zwei Steuerkanten, die einen Dichtsteg 31 bilden, der die Steueröffnungen 29 im Hauptschieber 9 überdeckt. Zusammen mit einem zweiten Steg 32 am Vorsteuerschieber 22 bilden sie einen Ringkanal 33. Dieser ist durch Bohrungen 34 (senkrecht zur Achse des Hauptschiebers 9) mit dem Raum 17 verbunden. Die Bohrung 2 des Gehäuses 1 wird durch das Antriebsgehäuse 35 am Zylinderraum 10 verschlossen. Eine Durchgangsbohrung 36 führt in einen Raum 37 mit einem Antriebsmechanismus. Sie wird ebenso wie Bohrung 12 im Deckel 11 von einer Koppelstange 38 durchquert, die damit die Verbindung vom 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.The embodiment of FIG. 1 has a housing 1 with a stepped 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 stepped coaxial bore 8 which contains a main slide 9 axially displaceable. The bore 8 is closed towards the cylinder space 10 with a sealing element, a cover 11 , which has a coaxial through bore 12 and concentric through bores 24 . 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 main slide 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 to the annular spaces 6 and 7 via radial bores 18 and 19 through the piston with rod 5 . The space 17 is delimited by a sealing web 20 , the space 16 from the end face of the bore 8 . The main slide 9 is larger on the sealing web 20 in diameter than on the sealing web 15 (see FIG. 4). 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 . They connect the tank connection 3 to room 26 . In addition, the main slide 9 has concentric control bores 25 which have control pistons 27 . These protrude through bores 24 in the cover 11 and are supported on or in the (bores 28 ) drive housing 35 . In the bore 21 of the pilot spool 22 open control openings 29 which are connected to the control piston 27 via holes 30 . 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 a second web 32 on the pilot spool 22 , they form an annular channel 33 . This is connected to the space 17 by bores 34 (perpendicular to the axis of the main slide 9 ). 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 a space 37 with a drive mechanism. Like the bore 12 in the cover 11, it is traversed by a coupling rod 38 , which thus establishes the connection from the pilot slide 22 to 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 .
Nach Fig. 2 ist in der Bohrung 8 des Kolbens mit Stange 5 ein Dichtelement (Deckel 11) als Füllstück 47 mit geringem Spiel angeordnet, an oder in dem sich Steuerkolben 27 abstützen und welches seinerseits sich am Antriebsgehäuse 35 abstützt. Die dichtende Länge 49 des Füllstücks 47 in der Bohrung 8 des Kolbens mit Stange 5 ist größer als der Hub des Linearantriebes und der Durchmesser 50 des Füllstücks 47 im Zylinderraum 10 ist größer als sein Durchmesser in der Bohrung 8. Der Hub des Hauptsteuerschiebers 9 in der Bohrung 8 des Kolbens mit Stange 5 ist durch ein Sicherungelement 53 begrenzt, das vorzugsweise ein Sprengring ist. Die Steuerkolben 27 im Füllstück 47 sind in Bohrungen 51 mit straffem Sitz arretiert oder das Halten der Steuerkolben 27 erfolgt durch eine Anordnung mit geringem Spiel und einer elastischen Dichtung 52 jeweils in den entsprechenden Bohrungen (nicht dargestellt, aber analog der Lösung zwischen Hülse 54 und Ausdrehung 57 in Fig. 3). Der Hauptschieber 9 ist am Dichtsteg 20 im Durchmesser größer als am Dichtsteg 15.According to FIG. 2, a sealing element (cover 11 ) is arranged as a filler 47 with little play in the bore 8 of the piston with rod 5 , on or in which control piston 27 is supported and which in turn is supported on the drive housing 35 . The sealing length 49 of the filler 47 in the bore 8 of the piston with rod 5 is greater than the stroke of the linear drive and the diameter 50 of the filler 47 in the cylinder space 10 is greater than its diameter in the bore 8 . The stroke of the main control slide 9 in the bore 8 of the piston with rod 5 is limited by a securing element 53 , which is preferably a snap ring. The control pistons 27 in the filler 47 are locked in bores 51 with a tight fit or the control pistons 27 are held by an arrangement with little play and an elastic seal 52 in the corresponding bores (not shown, but analogously to the solution between the sleeve 54 and the recess) 57 in Fig. 3). The main slide 9 is larger in diameter at the sealing web 20 than at the sealing web 15 .
Die Durchführung der Koppelstange 38 mit geringem Spiel durch die Bohrungen 12 und 36 (nach Fig. 1) ist nicht mehr erforderlich. Der Raum 37 ist über Bohrung 48 und die Durchgangsbohrungen 23 im Hauptschieber 9 mit dem Tankanschluß 3 verbunden. Eine separate Entlastung von Raum 37 mittels Leckölleitung ist nicht zulässig.It is no longer necessary to carry out the coupling rod 38 with little play through the bores 12 and 36 (according to FIG. 1). The space 37 is connected via bore 48 and the through bores 23 in the main slide 9 to the tank connection 3 . A separate relief of room 37 by means of a leak oil line is not permitted.
Nach Fig. 3 ist als Dichtelement (Füllstück 47) eine Steuerhülse 54 zwischen Bohrung 8 des Kolben mit Stange 5 und dem Hauptschieber 9 angeordnet. Diese hat zur Bohrung 8 und zum abgesetzten Teil des Hauptschiebers 9 geringes Spiel und bildet mit diesen zusammen einen Ringraum 55. Dieser ist über Öffnungen 56 mit dem Vorsteuerschiebers 22 verbunden. In einer Ausdrehung 57 des Antriebsgehäuses 35 ist die Steuerhülse 54 arretiert bzw. durch einen elastischen Ring 58 und geringem Spiel zwischen den beiden Teilen wird eine gewisse Einstellbarkeit erreicht. Die dichtende Länge 59 zwischen Kolben mit Stange 5 und Steuerhülse 54 ist größer als der Hub des Linearantriebes. Die dichtende Länge 60 zwischen Hauptschieber 9 und Steuerhülse 54 ist größer als der Hub des Linearantriebes plus dem möglichen Hub des Hauptschiebers 9. Der Hauptschieber 9 ist am Dichtsteg 20 im Durchmesser größer als am Dichtsteg 15.According to FIG. 3, a control sleeve 54 is arranged as a sealing element (filler 47 ) between the bore 8 of the piston with rod 5 and the main slide 9 . This has little play with the bore 8 and the stepped part of the main slide 9 and forms an annular space 55 with these. This is connected to the pilot spool 22 via openings 56 . In a turn 57 of the drive housing 35 , the control sleeve 54 is locked or a certain adjustability is achieved by an elastic ring 58 and little play between the two parts. The sealing length 59 between piston with rod 5 and control sleeve 54 is greater than the stroke of the linear drive. The sealing length 60 between the main slide 9 and the control sleeve 54 is greater than the stroke of the linear drive plus the possible stroke of the main slide 9 . The main slide 9 is larger in diameter at the sealing web 20 than at the sealing web 15 .
Die Verbindung des Raumes 37 erfolgt analog zur Ausführung nach Fig. 2 über Bohrung 61 zum Tankanschluß.The connection of the space 37 takes place analogously to the embodiment according to FIG. 2 via bore 61 to the tank connection.
Fig. 4 zeigt die Durchmesserdifferenz (D-d) zwischen den Dichtstegen 20 und 15 am Hauptschieber 9. Fig. 4, the diameter difference (Dd) between the sealing ridges 20 and 15 is on the main slide 9.
Der zweistufige hydraulische Kurzhublinearantrieb nach Fig. 1 arbeitet bei anliegendem Druck im Anschluß 4 wie folgt:The two-stage hydraulic short-stroke linear drive according to FIG. 1 works as follows when pressure is present in port 4 :
Das Drucköl beaufschlagt ständig über Ringkanal 7 die Ringseite des Kolben mit Stange 5 und über die Bohrungen 19 im Raum 17 die unterschiedlichen Durchmesser des Hauptschiebers 9 an den Dichtstegen 20 und 15 (siehe dazu auch Fig. 4). 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 pressure oil constantly presses the ring side of the piston with rod 5 via ring channel 7 and the different diameters of main slide 9 on sealing webs 20 and 15 via bores 19 in space 17 (see also FIG. 4). 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 Steuerkolben 27 mit Drucköl beaufschlagt und durch deren Reaktionskraft wird der Hauptschieber 9 gegen die Druckkraft der Differenzfläche der Dichtstege 20 und 15 in Richtung Stirnseite von Bohrung 8 verschoben. Über die nicht dargestellten Durchgangsbohrungen 23 erfolgt der Ölvolumen- bzw. Druckausgleich an den Schiebern 9, 22 zum Raum 26. Durch die Bewegung gibt der Hauptschieber 9 an der Steuerkante des Raumes 17 den Ringkanal 14 frei. Über den Spalt fließt der Ölvolumenstrom aus Raum 17 über Ringkanal 14 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 front side 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 . Via the bores 30 , the control piston 27 is pressurized with pressure oil and the main slide 9 is displaced by the reaction force thereof against the pressure force of the differential surface of the sealing webs 20 and 15 in the direction of the end face of the bore 8 . The oil volume or pressure compensation on the slides 9 , 22 to the space 26 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 from space 17 flows through the gap via ring channel 14 into the bores 13 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 Vorsteuerschieber 22 die Steuerbohrungen 29. Die Steuerkolben 27 werden über die Bohrungen 30 druckentlastet und durch die Reaktionskraft der ständig mit Druck beaufschlagten Differenzfläche zwischen den Dichtstegen 20 und 15 wird der Hauptschieber 9 in Richtung Deckel 11 verschoben. 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 ab.If the rack 39 is moved in the direction of the drive housing cover 45 , the tank-side control edge on the pilot valve 22 opens the control bores 29 . The control piston 27 is relieved of pressure via the bores 30 and the main slide 9 is displaced in the direction of the cover 11 by the reaction force of the differential surface between the sealing webs 20 and 15 which is constantly pressurized. 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 proceed in the same way as when extending.
Die Arbeitsweise der Linearantriebe nach Fig. 2 und 3 erfolgt sinngemäß nach Fig. 1.The linear drives according to FIGS. 2 and 3 operate analogously according to FIG. 1.
Die beschriebenen Varianten können natürlich auch in unterschiedlichen Kombinationen untereinander ausgeführt werden.The variants described can of course also be used in different combinations be carried out among themselves.
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