-
Steuereinheit für einen Arbeitszylinder mit Differentialkolben Die
Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinheit für einen druckmitelbetriebenen, einen
Differentialkolben aufweisenden Arbeitszylinder, der mit zwei als Einlaß bzw. Auslaß
dienenden Druckmittelanschlüssen zur Erzielung der gewünschten Bewegungsrichtung
des Differentialkolbens versehen ist, ferner mit einem Eingang und einem Ausgang
für das Druckmittel in die Steuereinheit.
-
Derartige Steuereinheiten werden z.B. für Werkzeugmaschinen oder in
Ruderanlagen von Flugzeugen verwendet. So ist es aus
der DT-PS 933
597 hekannt, die Bewegungsrichtung eines Differentialkolbens in einer Nachformeinrichtung
für Werkzeugmaschinen durch einen Freikolben zu steuern, der jeweils einen der Druckmittelanschlüsse
des Arbeitszylinders Ja nach der Stellung eines den Ausgangsdruck des Arbeitszylinders
beeinflussenden Steuerschiebers absperrt oder zumindest stark drosselt.
-
Mit dieser Steuereinheit ist jedoch eine genaue Positionierung des
Differentialkolbens schwierig, da das Steuersignal des in der Ausgangsleitung des
Arbeitszylinders angeordneten Steuerschiebers durch die langen Druckmittelwege erst
nach einer gewissen Totzeit auf den als passives Schaltelement anzusehenden Freikolben
wirkt. Besonders bei Verwendung derartiger Steuereinheiten in Regelkreisen ist man
jedoch bemüht, diese Totzeit möglichst gering zu halten. Dies kann durch die Wahl
aktiver Schaltelemente, wie elektromagnetisch betätigte und zum Teil vorgesteuerte
Ventile, erreicht werden, deren Schaltzeit bei etwa 5 bis lo Millisekunden liegt.
-
Der Aufbau dieser Ventile oder des Steuerschiebers in der bekannten
Steuereinheit ist jedoch kompliziert und setzt, will man einen guten Sitz der Ventilkörper
bzw. exakte Steuerkanten erreichen, eine hohe feinmechanische Präzision voraus.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuereinheit der eingangs genannten
Art zu schaffen, die sich durch eine besonders einfach aufgebaute mechanische Konstruktion
auszeichnet und eine geringe Schaltzeit aufweist.
-
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Steuereinheit
aus zwei direkt oder servogesteuerten Schaltventilen besteht, die eine Zweistellungs-Zweiwege-Charakteristik
aufweisen, von denen das erste Schaltventil mit seinem Eingang mit der Druckquelle
und dem Einlaß zur kleineren
Fläche des Differentialkolbens und
mit seinem Ausgang mit dem Einlaß zur größeren Fläche des Differentialkolbens des
Arbeitszylinders sowie mit dem Eingang des zweiten Schaltventils verbunden ist,
dessen Ausgang zu einer Leitung führt, deren Druck kleiner als der Versorgungsdruck
ist.
-
Mit Hilfe dieser Steuereinheit sind mit einfachen Mitteln vier Betriebszustände
eines Stellsystems realisierbar.
-
a) Beide Schaltventile geschlossen, d.h. die von der größeren Fläche
des Differentialkolbens begrenzte Zylinderkammer weist den Druck P und die von der
kleineren Zylinder-2 fläche begrenzte Zylinderkammer den Druck p auf; der Differentialkolben
ist in seiner eingenommenen Schaltstellung fixiert.
-
b) Beide Schaltventile offen; der Differentialkolben ist frei beweglich.
-
c) Erstes Schaltventil geschlossen, zweites Schaltventil offen; der
Differentialkolben bewegt sich in Richtung des Druckgefälles.
-
d) Erstes Schaltventil offen, zweites Schaltventil geschlossen; der
Differentialkolben bewegt sich trotz gleichem Druck in Richtung des Kraftgefälles.
-
Für eine Schaltung dieser vier Betriebszustände sind also nur noch
zwei Zweistellungs-Zweiwege-Schaltventile notwendig bei Verwendung eines Differentialkolbens,
der ein Stirnflächenverhältnis von 2:1 aufweist. Dadurch ergibt sich eine erhebliche
Einsparung an Präzisions-Bauteilen bei gleichzeitiger Erhöhung der Betriebssicherheit.
Auch die Wartung vereinfacht sich.
-
Ferner ist eine genaue Positionierung des Differentialkolbens
möglich,
da bei verschlossenem Steuereingang keine Minimalströmung vom Versorgungseingang
zum Versorgungsauslaß auftritt. Durch die Verwendung eines Differentialkolbens ist
bei der Steuereinheit gemäß der Erfindung ein Druckabfall zwischen Versorgungseingang
und Versorgungsauslaß der vorgesteuerten Schaltventile immer gegeben.
-
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zwischen dem Ausgang
des ersten und dem Eingang des zweiten Schaltventils eine Kapazität vorgesehen,
welche etwaig auftretende störende Spitzendrücke während des Schaltvorganges verhindert,
und sind im weiteren die Schaltelemente servogesteuerte Sitzventile.
-
Für Anwendungsfälle, in denen nur geringe Schwankungen der Leistungsentnahme
aus dem Versorgungsaggregat zulässig oder vorteilhaft sind, werden gemäß einer dritten
Ausführungsform der Steuereinheit anstelle von Zweiwege-Zweistellungs-Ventilen zwei
Dreiwege-Zweistellungs-Ventile verwendet, von denen das erste Ventil mit seinem
Eingang mit der Druckquelle und dem Einlaß zur kleineren Fläche des Differentialkolbens
und mit seinem einen Ausgang mit dem Einlag zur größeren Fläche des Differentialkolbens
des Arbeitszylinders sowie mit dem ersten Einfang des zweiten Schaltventils und
mit seinem zweiten Ausgang über eine einstellbare Drossel mit dem zweiten Eingang
des zweiten Schaltventils verbunden ist, dessen Ausgang zu einer Leitung führt,
deren Druck kleiner als der Versorgungsdruck ist.
-
Schaltventile der vorstehend genannten Art sind bereits bekannt und
werden in der Regel als Absperrventile in hydraulischen oder pneumatischen Schaltungen
verwendet.
-
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 schematisch ein Schaltbild einer
ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuereinheit, Figur 2 schematisch
ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuereinheit
und Figur 3 schematisch ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform der -erfindungsgemäßen
Steuereinheit.
-
Eine Steuereinheit 1 weist einen Versorgungseingang 2 und einen Versorgungsauslaß
3 auf, durch die ein Druckmittel ein-und austreten kann. Mit dem Versorgungseingang
2 ist einEingang 4 eines Zweistellungs-Zweiwege-Schaltventils 5 und ein Druckmittelanschluß
6 eines Arbeitszylinders 7 verbunden, in dem ein Differentialkolben 8 gleitet, der
eine Kolbenstange 9 aufweist. Der Differentialkolben 8 weist ein Stirnflächenverhältnis
von 2:1 auf.
-
Das Schaltventil 5 ist mit seinem Ausgang 14 mit einem Eingang 15
eines zweiten Zweistellungs-Zweiwege-Schaltventils 16 verbunden, dessen Ausgang
18 zum Versorgungsauslaß 3 der Steuereinheit 1 rührt. Ferner ist der Ausgang 14
mit einem Druckmittelanschluß 17 des Arbeitszylinders 7 verbunden. Sofern es ein
Anwendungsfall erfordert, kann eine hydraulische bzw.
-
pneumatische Kapazität 19 zwischen den Ausgang des ersten und den
Eingang des zweiten Schaltventils gelegt sein.
-
Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist folgende: In der
in Fig. 1 dargestellten Ruhelage sind die Schaltventile 5 und 16 geschlossen. Hierbei
weist die von der größeren Stirnfläche F des Differentialkolbens 8 begrenzte Zylinderkam-P
mer den Druck 2 und die von der kleineren Fläche 2 begrenzte Zylinderkammer den
Druck p auf. Da keine Druckmittelströmung stattfinden kann, ist der Differentialkolben
8 in seiner augenblicklich eingenommenen Stellung fixiert.
-
Werden dagegen über Elektromagnete 12 die Schaltventile 5 und 16 geöffnet,
so kann das Druckmittel sowohl über den Druckmittelanschlud 6 als auch über den
Druckmittelanschlud 17 in den Arbeitszylinder strömen. Da gleiche Druck- und Kraftverhältnisse
herrschen und ein Durchflud des Druckmittels zur Leitung 3 möglich ist, kann der
Differentialkolben 8 - abgesehen von der inneren Reiung des Druckmittels - im Arbeitszylinder
frei bewegt werden.
-
Wird dagegen das Schaltventil 5 geschlossen und das Schaltventil 12
offen gehalten, so bewegt sich der Differentialkolben 8 infolge des geringeren Druckes
in Leitung 3 und damit in dem von der gröberen Stirnfläche begrenzten Zylinderraum
in bezug auf Fig. 1 nach rechts, bis er seine Endlage eingenommen hat bzw. bis er
eine Zwischenstellung eingenommen hat, die durch den Zeitpunkt des Schlieens des
Schaltventils 12 bestimmbar ist.
-
Wird dagegen das Schaltventil 5 offen und das Schaltventil 16 geschlossen
gehalten1 so bewegt sich der Differentialkolben 8 trotz des gleichen Druckes in
beiden Zylinderkammern infolge des durch das Stirnflächenverhältnis 2:1 entstandenen
Kraftgefälles in bezug auf Fig. 1 nach links, bis er seine Endlage eingenommen hat
bzw. bis er eine Zwischenstellung eingenommen hat, die durch den Zeitpunkt des Schließens
des Schaltventils 5 bestimmbar ist.
-
Mit Hilfe einer nicht dargestellten - da nicht zur Erfindung gehörenden
- elektrischen Schaltanordnung können z.B. die genannten Elektromagnete 12 in Abhängigkeit
einer vorgegebenen Steuerspannung so erregt werden, daß der Differentialkolben 8
in jede gewünschte Zwischenstellung durch wechselweises Öffnen und Schließen UberrUhrt
und durch gleichzeitiges Schließen der Schaltventile in der eingenommenen Zwischenstellung
fixierbar ist.
-
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die mit Fig.
1 übereinstimmenden Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen. Dem Differentialkolben
8 ist hier eine Steuereinheit 20 zugeordnet, die zwei servogesteuerte Sitzventile
25 und 26 aufweist. Jedes Sitzventil weist- einen Betätigungshebel 22 sowie eine
Schaltmembran 24 auf, die in ihrer SchlieBstellunr dargestellt sind. Jede Schaltmembran
24 weist zwei Durchflußöffnungen 27 und 28 auf, von denen in der gezeigten Ruhestellung
die Durchflufäöffnungen 28 von den Betätigungshebeln 22 geschlossen gehalten werden.
-
Das Öffnen dieser Sitzventile erfolgt bekanntlich in der Weise, dai3
durch Freigeben der Öffnung 28 - was durch Bewegen des Betätigungshebels 22 in bezug
auf Fig. 2 nach oben geschieht - die Membran 24 durch den sich dabei aufbauenden
Druck in dem bisher verschlossenen Ventilraum in ihre nicht dargestellte, den Ventilsitz
öffnende Schaltstellung bewegt wird.
-
Auch mit Hilfe dieser Steuereinheit sind die in Verbindung mit Fig.
1 erläuterten Betriebszustände des Stellsystems herbeizuführen, ohne daß jedoch
in der Ruhestellung Leckströme auftreten.
-
Für Anwendungsfälle, in denen nur geringe Schwankungen der Leistungsentnahme
aus dem Versorgungsaggregat zulässig oder vorteilhaft sind, werden gemäß einer dritten
Ausführungsform der Steuereinheit, die mit 30 bezeichnet ist, vgl. Fig. 3, anstelle
von Zweiwege-Zweistellungsventilen zwei Dreiwege-Zweistellungs-VentiXe 35 und 36
verwendet, die einen weiteren Ausgang 40 bzw. Eingang 41 aufweisen.
-
Im übrigen sind auch hier gleiche Baueinheiten mit gleichen Bezugsziffern
bezeichnet.
-
Zwischen dem Ausgang 40 des ersten Ventils 35 und dem Eingang 41 des
zweiten Ventils 36 ist eine einstellbare Drossel 42 geschaltet.
-
In dem im Zusammenhang mit Fig. 1 schon beschriebenen Betriebszustand
a), in dem beide Ventile ihre Ruhelage einnehmen, ist über die Drossel 42 ein sog.
Bypass gebildet, über den das von der hier nicht dargestellten Druckquelle gelieferte
Druckmedium fließen kann. Hierdurch werden Schwankungen in der Leistungsabnahme
wesentlich geringer.
-
Anstelle der direkt gesteuerten Ventile 35 und 36 können auch hier
vorgesteuerte Ventile verwendet werden.
-
-Patentansprüche-