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Proportionalsteuerung für einen Hydraulikzlinder Die Erfindung betrifft
eine Proportionalsteuerung für einen Hydraulikzylinder mit einem beidseitig beaufschlagten,
einseitig an einer Kolbenstange geführten Arbeitskolben.
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Es ist bekannt, einen Hydraulikzylinder, d. h. etwa einen Hubzylinder,
derart zu steuern, daß er durch ein von einer Bedienungspersön manuell betätigtes
Wegeventil angesteuert wird. Die Positionserfassung erfolgt dabei optisch durch
eine Bedienungsperson. Ist ein automatischer Arbeitsablauf vorgesehen, so kann die
Ansteuerung über ein Magnetventil, die Positionserfassung über Endschalter oder
Anschläge erfolgen. Außerdem ist noch die Möglichkeit gegeben, die Ansteuerung mit
Hilfe eines elektrohydraulischen Servoventils zu bewerkstelligen, wobei die Stellungserfassung
über eine elektrische Wegmessung, z. B. über ein Längspotentiometer durchgeführt
wird. So ist z. B. aus der DU-AS 1 116 006 eine Vorrichtung zur Stellungsanzeige
bei gekap selten bzw. schwer zugänglichen Absperreinrichtungen be kannt geworden,
bei der ein mit der Schieberbewegung'gekoppelter
ferritischer Kern
durch außen angeordnete, mit Wechselstrom durchflossene Spulen geführt wird. Entsprechend
seiner Eindringtiefe bündelt dieser Kern das induktive Feld der Spule und bringt
dadurch mit den Spulen verbundene Anzeigevorrichtungen zum Ansprechen. Diese bekannte
Vorrichtung zur Stellungsanzeige kann natürlich auch mit elektrohydraulischen Servoventilen
zusammen verwendet werden.
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Wird allerdings eine beliebig veränderliche Positions- und Hubgeschwindigkeitsvorgabe
verlangt, z. B. für beliebig programmierbare Arbeitsabläufe oder den Einbau eines
solchen Systems in einen Regelkreis, so wird diese elektrohydraulische Lösung sehr
aufwendig.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Steuerung der eingangs
beschriebenen Art zu schaffen, die rein hydraulisch, d. h., ohne Verwendung irgendwelcher
elektrischer Schaltglieder betrieben werden kann.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Druckmittel
zufluß zu der der Kolbenstange abgewandten Seite des Arbeitskolbens von einem Steuerschieber
beeinflußt wird, auf dessen Stirnfläche der in einer Brückendiagonale abgegriffene
Differenzdruck wirkt, der zwischen je einer dem Stellungsistwert und dem Stellungssollwert
zugeordneten hydraulischen Halbbrücke abgegriffen ist.
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Dabei ist besonders vorteilhaft, wenn äede Halbbrücke aus einer veränderbaren
und einer festen Drossel besteht, wobei der Stellungssollwert durch Verstellung
der einen veränderbaren Drossel eingegeben wird, während die andere dem Stellungsistwert
zugeordnete, veränderbare Drossel vom Arbeitskolben verstellt wird.
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Diese rein hydraulisch betriebene Proportionalsteuerung hat den Vorteil,
daß sie durch den Verzicht auf elektrische oder elektrohydraulische Glieder in der
Regelkette sehr einfach und billig
verwirklicht werden kann. Außerdem
kann diese Steueruag-überall dort eingesetzt werden, wo aus Sicherheitsgründen (z.
B. Bergbau, chemische Industrie) der Betrieb elektrischer Anlagen vermieden werden
muß.
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Wegen ihrer unkomplizierten und sicheren Arbeitsweise kann die Proportionalsteuerung
besonders vorteilhaft auch als Servo-Verstellung für Hydro-Kolbenpumpen eingesetzt
werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung sind in der Zeichnung
wiedergegeben. Diese zeigen in Fig. 1 eine Proportionalsteuerung für Hydraulikmotoren
in vereinfachter, halbachematischer Darstellung, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel
der Proportional steuerung gemäß Fig. 1 mit speziell ausgebildeter Stellungsistwerterfassung,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Proportionalsteuerung, das als Servoverstellung
für eine Hydraulik-Kolbenpumpe ausgebildet ist.
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In Fig. 1 ist mit 1 eine Hydraulikpumpe bezeichnet, die Druckmittel
aus einem Tank 2 ansaugt. Die Förderseite der Hydraulikpumpe 1 ist über eine Leitung
3 mit einem Hydraulikmotor 4 verbunden. Dieser hat einen in einem Zylinder dicht
und gleitend geführten Arbeitskolben 5, der einseitig an einer Kolbenstange 6 geführt
ist. Der von der Seite des Arbeitskolbens 5 mit der Kolbenstange 6 gelegene Raum
7 des Hydraulikmotors 4 ist über die Leitung 3 direkt mit der Förderseite der Hydraulikpumpe
1 verbunden. Der vor der der Kolbenstange 6 abgewandten Seite des Arbeitskolbens
5 gelegene Raum 8 des Hydraulikmotors 4 ist über eine Leitung 9, die von einem Steuerschieber
10 beeinflußt wird,
mit der Förderseite der Hydraulikpumpe 1 verbunden.
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Der Steuerschieber 10 ist in einer Bohrung 11 eines nicht näher dargestellten
Ventilgehäuses geführt. Im Abstand voneinander sind am Steuerschieber 10 zwei Ausnehmungen
12, 13 symmetrisch zueinander angeordnet, die zusammen mit der Innenwand der Bohrung
11 Ringräume bilden. In den rechten Ringraum 13 mündet eine von der Förderseite
der Hydraulik 1 kommende Leitung 14, die linke Ausnehmung 12 ist über eine Leitung
15 mit dem Tank 2 verbunden. Je nach seiner Stellung verbindet der Steuerschieber
10 über die Ringräume 12, 13 die Einmündung der vom Hydraulikmotor 4 kommenden Leitung
9 entweder mit der von der Förderseite der Pumpe 1 kommenden Leitung 14 oder mit
der zum Tank 2 führenden Leitung 15.
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Dabei ist allerdings der axiale Abstand der Ringräume 12, 13 so gewählt,
daß in der Mittelstellung der Steuerschieber 10 eine stetige wenn auch gedrosselte
Verbindung zwischen der Leitung 9 und der Leitung 14 besteht. Der Steuerschieber
10 hat also eine negative überdeckung.
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Ueber je eine auf seine beiden Stirnseiten wirkende Feder 16, 17 wird
der Steuerschieber 10 in seiner Mittelstellung gehalten.
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Mit der Leitung 9 ist der eine Eckpunkt einer hydraulischen Brücke
verbunden, deren anderer Eckpunkt direkt mit dem Tank 2 verbunden ist. Die hydraulische
Brücke besteht aus zwei Halbbrücken, von der jede äe eine feste Drossel 18, 19 und
eine veränderbare Drossel 20, 21 enthält. Jeweils zwischen der festen und der veränderlichen
Drossel 18, 20; 19, 21 ist in den Diagonalpunkten der hydraulischen Brücke äe eine
Leitung 22, 23 angeschlossen. Jede der Leitungen 22, 23 ist mit einem vor jeder
der beiden Stirnseiten des Steuerschiebers 10 gelegenen Raum 24, 25 verbunden.
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Die veränderliche Drossel 20 wird in ihrer Stellung direkt über eine
mechanische Hebelverbindung, die in der Zeichnung nur schematisch angedeutet ist,
von der Stellung des Arbeitskolbens 5 beeinflußt. Die veränderliche Drossel 21 ist
von Hand bzw. von
einem besonders dazu vorzusehenden Servomotor
verstellbar. Die veränderbare Drossel 20 ist damit dem Stellungsistwert des Arbeitskolbens
5 zugeordnet, die veränderbare Drossel 21 dem Stellungssollwert. Auf diese Weise
wird also jede der beiden hydraulischen Halbbrücken entweder dem Stellungssollwert
oder dem Stellungsistwert zugeordnet.
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Eine gewünschte Verschiebung des Arbeitskolbens 5 des Hydraulikmotors
4 aus etwa der in der Zeichnung dargestellten Stellung nach rechts wird folgendermaßen
vor sich gehen= Dabei wird angenommen, daß die hydraulische Brücke in der dargestellten
Situation abgeglichen ist. Gespeist wird die hydraulische Brükke mit dem Druckmittel,
das in der Mittelstellung des Steuerschiebers 10 von der Leitung 14 zur Leitung
9 gelangt. Da sich die veränderbaren Drosseln 20, 21 noch in der gleichen Stellung
befinden, kann in der Brückendiagonale über die Leitungen 22, 23 kein Differenzdruck
abgegriffen werden, was äa bekannterweise bei einer abgeglichenen Brücke der Fall
ist. Wird nun. die dem Stel- -lungssollwert zugeordnete Drossel 21 verstellt, so
wird in der Brückendiagonale, d. h. über die Leitungen 22, 23 ein Differenzdruck
abgegriffen, der in den Räumen 24, 25 auf die Stirnseiten des Steuerschiebers 10
wirkt. Der Steuerschieber 10 wird dadurch aus seiner Mittellage in dem Sinne verschoben,
daß etwa dieVerbindung zwischen der Leitung 14 und der Leitung 9 hergestellt wird.
Nunmehr ist also der rechte Raum 8 als auch der linke Raum 7 des Hydraulikmotors
4 direkt mit der Förderseite der Hydraulikpumpe 1 verbunden. Da aber die der Kolbenstange
6 abgewandte Stirnseite des Arbeitskolbens 5 eine größere Angriffsfläche für den
Druck hat als die Stirnseite mit der Kolbenstange 6, wird die auf den Arbeitskolben
5 wirkende resultierende Kraft den Arbeitskolben nach rechts verschieben, wobei
die dem Stellungsistwert zugeordnete veränderbare Drossel 20 verstellt wird. Dieser
Vorgang kommt dann zur Ruhe, wenn die veränderbare Drossel 20 derart verstellt ist,
daß an der Brückendiagonale, d. h. in den Leitungen 22, 23 kein Differenzdruck mehr
abgegriffen werden kann. In genau diesem Moment wird der
Steuerschieber
10 von den auf seine beiden Stirnseiten einwirkenden Druckfedern 16, 17 wieder in
seine Mittelstellung verschoben.
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Sinngemäß umgekehrt läuft der Vorgang ab; wenn die dem Stellungslstwert
zugeordnete veränderbare Drossel 21 in der anderen Richtung wie eben verstellt wird.
In diesem Falle wird der Steuerschieber 10 genau in die andere Richtung verschoben,
so daß die Leitung 9 über die Leitung 15 direkt zum Tank 2 entlastet wird.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 entspricht vollkommen dem Ausführungsbeispiel
in Fig. 1. Allein sind hier die beiden veränderbaren Drosseln 20, 21 in besonders
einfacher Weise konstruktiv gestaltet worden.
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Die dem Stellungssollwert zugeordnete Drossel 31 - sie entspricht
der Drossel 21 des ersten Ausführungsbeispiels - hat ein in einer kreiszylindrisch
ausgebildeten Gehäuseausnehmung angeordnetes Absperrglied 32. Da das Absperrglied
32 exzentrisch in der Gehäuseausnehmung angeordnet ist, gibt es dem Druckmittelstrom
je nach der Stellung, in die es von einem Handhebel 33 gebracht worden ist, einen
mehr oder weniger- stark gedrosselten Weg frei.
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Die dem Stellungsistwert zugeordnete veränderbare Drossel 35 - sie
entspricht der Drossel 20 des ersten Ausführungsbeispiels -wird von einer Meßblende
36 gebildet, die im Arbeitskolben 37 angeordnet ist und in die ein konisches am
Boden 38 des Zylindergehäuses des Hydraulikmotors 39 angeordnetes Rohrstück 4Q eintaucht,
welches zur Ableitung des an der Drossel 35 gebildeten Meßdruckes in die Leitung
22 dient. Um dem konischen Rohrstück 40 ein vollkommenes Eintauchen in die Meßblende
36 zu ermöglichen, ist im Innern des Kolbens 37 und der daran befestigten Kolbenstange
eine Bohrung 41 angeordnet.
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Die FunIion des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 entspricht
vollkommen derjenigen des-bei Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiels. Je nach
Stellung des Arbeitskolbens 37 wird dem Druckmittel durch den ringförmigen Zwischenraum,
welcher zwischen der Meßblende 36 und dem konischen Rohrstück 40 gebildet ist, ein
mehr oder weniger stark gedrosselter Weg frei gegeben.
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Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und 2 ist jeweils nur der
Raum des Hydraulikzylinders 4, 39 gesteuert worden, der vor der der Kolbenstange
abgewandten Seite des Arbeitskolbens sich befindet. Soll nun aus Dimensionierungsgründen
auch der andere Raum, in dem sich die Kolbenstange befindet, gesteuert werden, so
ist anstelle des 3/2-Steuerschiebers 10 ein 4/2-Steuerschieber vorzusehen. Für Hydraulikzylinder
mit gleichen Kolbenflächen bzw.
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beiderseitiger Kolbenstange könnte eine Kolbenstange konisch ausgeführt
und die-entsprechende Meßblende in den Boden des Zylindergehäuses gesetzt werden.
Von dieser Möglichkeit ist bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 Gebrauch
gemacht worden. Hier ist die beschriebene hydraulische Proportionalsteuerung als
Servoverstellung für eine lIydraulikkolbenpumpe dargestellt.
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Ein Hydraulikzylinder 45, dient zur Verstellung von z. B. der Schiefscheibe
einer Axialkolbenpumpe 60. Der Arbeitskolben 46 des Hydraulikzylinders 45 ist an
einer einseitig angeordneten Kolbenstange 47 geführt. Die dem Stellungsistwert zugeordnete
veränderliche Drossel 48 - sie entspricht der veränderbaren Drossel 20 beim ersten
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 - wird hier von einer'im Boden 49 des Zylindergehäuses
des Hydraulikzylinders 45 angeordneten Meßblende 50 gebildet, in die ein konischer
Fortsatz 51 eintaucht, der auf der der Kolbenstange 47 abgewandten Seite des Arbeitskolbens
46 angeordnet ist. Der Fortsatz 51 dient gleichzeitig als mechanisches Übertragungsglied,
über das der Arbeitskolben 46 über ein elastisch zusammendrückbares
Glied
52 mit der Verstelleinrichtung der dem Stellungssollwert zugeordneten Drossel 21
verbunden ist. Außerdem erfolgt die Verstellung der dem Stellungssollwert zugeordneten
Drossel 21 gegen eine gehäusefest angeordnete Feder 53. Die Feder 53 sucht die veränderliche
Drossel 21 zu einem der Nullförderung der mit der Proportionalsteuerung verstellten
Hydro-Kolbenpumpe entsprechendem Sollwert zu verstellen, wenn etwa durch einen Gestängebruch
die Eingabe des Sollwertes ausfällt. Die Eingabe des Sollwertes kann dabei entweder
manuell oder über einen an dem Hebel 54 angreifenden, nicht dargestellten Steuerkolben
erfolgen.
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Die Funktionen der mit Fig. 3 dargestellten hydraulischen Proportionalsteuerung
entspricht im Prinzip der Funktion der bereits beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Der einzige Unterschied liegt bei diesem Ausführungsbeispiel darin, daß der Druckmittelstrom
zur Betätigung des Hydraulikzylinders 45 über die Leitung 55, die der Leitung 3
des ersten Ausführungsbeispiels entspricht, von der Förderseite der von der Proportional
steuerung verstellten Hydro-Kolbenpumpe abgezweigt wird.
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Zusätzlich zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist es möglich,
daß auf sehr einfache Art durch parallel geschaltete Zusatzdrosseln zu den festen
Drosseln 18, 19 die Kraft und die Verstellgeschwindigkeit des Hydrometers 4, 39,
45 begrenzt werden können.