DE2223995B2 - Proportionalsteuerung für einen Hydraulikzylinder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Proportionalsteuerung für einen Hydraulikzylinder nach der Gattung des Anspruchs 1.

Bei einer derartigen bekannten Proportionalsteuerung ist die den Differenzdruck aufweisende Brückendiagonale Teil eines Servoventils. Die beiden dort vorgesehenen Halbbrücken sind beide dem Stellungssollwert des Arbeitszylinders zugeordnet, wobei dieser Sollwert über einen Elektromagneten und ein Düse-Prallplattesystem vorgegeben wird. Eine solche Steue-

rung hat den Nachteil, daß sie elektrischer Hilfsglieder bedarf, was den Aufwand erhöht, und daß keine Beeinflussung durch den Istwert möglich ist, was die Positioniergenauigkeit beeinträchtigt (DE AS 14 26 471).

Es sind ferner Servosteuerungen bekannt geworden, bei denen die Kolbenstange des Arbeitszylinders durch z. B. Umschaltschieber in den Endlagen umgesteuert oder durch eine übliche Folgesteuerung in eine bestimmte Position gesteuert wird. Diesen Steuerungen liegt entweder eine andere Aufgabe zugrunde oder sie arbeiten nicht besonders genau (FR-PS 10 39 170; DE-AS 15 76 146; A. Dürr und O. Wächter »Hydraulik in Werkzeugmaschinen«).

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 und sehr genau positioniert.

Dies wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen teil des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen erreicht.

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 Steuerung überall dort eingesetzt werden, wo aus Sicherheitsgründen (z. B. Bergbau, chemische Industrie) der Betrieb elektrischer Anlagen vermieden werden muß.

Wegen ihrer unkomplizierten und sicheren Arbeitsweise kann die Proportionalsteuerung besonders vorteilhaft auch als Servo-Verstellung für Hydro-Kolbenpumpen eingesetzt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung sind in der Zeichnung wiedergegeben. Diese zeigt in

F i g. 1 eine Proportionalsteuerung für Hydraulikmotoren in vereinfachter, halbschematischer Darstellung,

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel der Proportionalsteuerung gemäß F i g. 1 mit speziell ausgebildeter Stellungsistwerterfassung,

F i g. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Proportionalsteuerung, das als Servoverstellung für eine Hydraulik-Kolbenpumpe ausgebildet ist.

In F i g. 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.

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 der Ausnehmung 13 mündet eine von der Förderseite

der Hydraulikpumpe 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 IO über die Ausnehmungen 12, 13 die Einmündung der vom Hydraulikmotor 4 Kommenden "> Leitung 9 entweder mit der von der Förderseite der Hydraulikpumpe 1 kommenden Leitung 14 oder mit der zum Tank 2 führenden Leitung 15. Dabei ist allerdings der axiale Abstand der Ringräume der Ausnehmungen 12, 13 so gewählt, daß in der Mittelstellung der i« 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.

Ober je eine auf seine Stirnseiten wirkende Feder 16, ι "· 17 wird der Steuerschieber 10 in seiner Mittelstellung gehalten.

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 je 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 je -'"> eine Leitung als Brückendiagonale 22,23 angeschlossen. Jede der als Brückendiagonale 22,23 arbeitende Leitung ist mit einem vor jeder der beiden Stirnseitin des Steuerschiebers 10 gelegenen Raum 24,25 verbunden.

Die veränderliche Drossel 20 wird in ihrer Stellung i» 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 J> 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 hydraulischer Halbbrücken entweder dem Stellungssollwert oder dem Stellungsistwert zugeordnet.

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 Brücke 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 22, 23 über die entsprechenden Leitungen kein Differenzdruck abgegriffen werden, was ja bekannterweise bei einer abgeglichenen Brücke der Fall ist. Wird nun die dem Stellungssollwert zugeordnete Drossel 21 verstellt, so wird in der Brückendiagonale 22, 23 d. h. über deren Leitung 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 to verschoben, daß etwa die Verbindung zwischen der Leitung 14 und <Jer Leitung 9 hergestellt wird. Nunmehr ist also der rechte Raum 8 als auch der linke Raum 7 des Hydraulikmotor 4 direkt mit der Förderseite der Hydraulikpumpe 1 verbunden. Da aber die der f>5 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 ßrückendiagonale 22, 23 dh. in deren Leitungen kein Differenzdruck mehr abgegriffen werden kann. In genau diesem Moment wird der Steuerschieber 10 von den auf seine beiden Stirnseiten einwirkenden als Druckfedern ausgebildeten Federn 16, 17 wieder in seine Mittelstellung verschoben.

Sinngemäß umgekehrt läuft der Vorgang ab, wenn die dem Stellungsistwert 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.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 entspricht vollkommen dem Ausführungsbeispiel in F i g. 1. Allein sind hier die beiden veränderbaren Drosseln 20, 21 in besonders einfacher Weise konstruktiv gestaltet worden.

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 Druckmittelsirom je nach der Stellung, in die es von einem Handhebel 33 gebracht worden ist, einen mehr oder weniger stark gedrosselten Weg frei.

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 als Glied 40 eintaucht, welches zur Ableitung des an der Drossel 35 gebildeten Meßdruckes in die Leitung der Brückendiagonale 22 dient. Um dem konischen Rohrstück als Glied 40 ein vollkommenes Eintauchen in die Meßblende 36 zu ermöglichen, ist im Innern des Arbeitskolbens 37 und der daran befestigten Kolbenstange eine Bohrung 41 angeordnet.

Die Funktion des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 2 entspricht vollkommen derjenigen des bei F i g. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiels. Je nach Stellung des Arbeitskolbens 37 wird dem Druckmittel durch den ringförmigen Zwischenraum, welcher zwischen der Meßblende 36 und dem konischen als Rohrstück ausgebildeten Glied 40 gebildet ist, ein mehr oder weniger stark gedrosselter Weg frei gegeben.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß F i g. 3 und 2 ist jeweils nur der Raum des als Zylinder ausgebildeten Hydraulikmotors 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. beiderseitiger Kolbenstange könnte eine Kolbenstange konisch ausgeführt und die entsprechende Meßblende in den Boden des Zylindergehäuses gesc'zt werden. Von dieser Möglichkeit ist bei dem dritten Ausfülirungsbeispiel gemäß Fig. 3 Gebrauch gemacht worden. Hier ist die beschriebene hydraulische Proportionalsteuerung als Servoverstellung für eine

Hydraulikkolbenpumpe dargestellt.

Ein als Zylinder ausgebildeter Hydraulikmotor 45, dient zur Verstellung von z. B. der Schiefscheibe einer Axialkolbenpumpe 60. Der Arbeitskolben 46 des Hydraulikmotors 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 Hydraulikmotors 45 ; angeordneten Meßblcnde 50 gebildet, in die ein als konischer Fortsatz ausgebildetes Glied 51 eintaucht, der auf der der Kolbenstange 47 abgewandten Seite des Arbeitskolbens 46 angeordnet ist. Das als Fortsatz ausgebildete Glied 51 dient gleichzeitig als mechani- ι sches Übertragungsglied, über das der Arbeitskolben 46 über ein elastisch zusammendrückbares Glied 52 mit der Verstelleinrichtung der dem Stellungssollwert zugeordneten Drossel 2t 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 der als Hebel ausgebildeten Verstelleinrichtung 54 angreifenden, nicht dargestellten Steuerkolben erfolgen.

Die Funktionen der mit F i g. 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 Hydraulikmotors 45 über die Leitung 55, die der Leitung 3 des ersten Ausführungsbeispiels entspricht, von der Förderseite der von der Proportionalsteuerung verstellten Hydro-Kolbenpumpe abgezweigt wird.

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 Hydromotors 4, 39, 45 begrenzt werden können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Proportionalsteuerung für einen Hydraulikzylinder mit einem beidseitig beaufschlagten, einseitig an einer Kolbenstange geführten Arbeitskolben, bei dem der Druckmittelzufluß zu der der Kolbenstange abgewandten Seite des Arbeitskolbens von einem Steuerschieber beeinflußt wird, auf dessen Stirnflächen ein Differenzdruck wirkt der in einer Brückendiagonale (22, 23) zwischen je einer hydraulischen Halbbrücke abgegriffen ist, wobei jede Halbbrücke aus einer veränderbaren (20,21 j 31, 35; 48) und einer festen (18,19) Drossel besteht, und wobei der Stellungssollwert durch Verstellung einer der veränderbaren Drosseln (21, 31) eingegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halbbrücke — wie an sich bekannt — dem Stellungsscüwert und die andere dem Stellungsistwe.'t zugeordnet ist, wobei dann die dem Stellungsistwert zugeordnete veränderbare Drossel (20, 35, 48) vom Arbeitskolben (5,37,46) verstellt wird.

2. Proportionalsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Stellungsistwert zugeordnete veränderbare Drossel (35,48) von einer Meßblende (36) gebildet wird, in die ein konisches, am Kolben angeordnetes Glied (40,51) eintaucht.

3. Proportionalsteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Stellungsistwert zugeordnete veränderbare Drossel (35) von einer Meßblende (36) gebildet wird, die im Arbeitskolben (37) angeordnet ist und in die ein konisches am Boden (38) des Zylindergehäsues des Hydraulikmotors (39) angeordnetes Rohrstück als Glied (40) eintaucht, welches zur Ableitung des an der Drossel (35) gebildeten Meßdrucks dient.

4. Proportionalsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbbrücken mit unter Arbeitsdruck des Hydraulikmotors (4, 39, 45) stehendem Druckmittel versorgt werden.

5. Proportionalsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Servoverstellung einer Hydro-Kolbenpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (54) der dem Stellungssollwert zugeordneten Drossel (21) über ein elastisch zusammendrückbares Glied (52) mechanisch mit dem Arbeitskolben (46) verbunden ist.

6. Proportionalsteuerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der dem Stellungssollwert zugeordneten Drossel (21) gegen eine gehäusefest angeordnete Feder (53) erfolgt, wobei die Feder (53) die Drossel (21) zu einem der Nullförderung der Hydrokolbenpumpe entsprechenden Sollwert zu verstellen sucht.