DE2345146A1 - Hydraulischer schrittmotor - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

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DR.-ING. R. DÖRING DIPL.-PHYS. DR. J. FRlCKE

BRAUNSCHWEIG MÜNCHEN

Feinmechanische Werke Mainz GmbH 65 Mainz-Mombach, Braunwiesstr.13

"Hydraulischer Schrittmotor"

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Schrittmotor, bei dem ein Schieberventil vorgesehen ist und die beiden Anschlußleitungen des hydraulischen Motors einerseits über jeweils eine Drosselstelle an die gleiche Druckmittelquelle und andererseits an zwei Verteilerkanäle des beweglichen Gliedes des Schieberventils angeschlossen sind und dessen Abtriebswelle -gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Getriebes- mit dem beweglichen Glied bewegungsmäßig gekuppelt ist, und bei dem das bewegliche Glied des Scbieberventils mehrere in gleichmäßigen Abständen in Bewegungsrichtung verteilte Positionier-Stege mit je zwei in entgegengesetzte Richtungen weisende/.Steuerkanten aufweist, die mit den beiden Verteilerkanälen in ständiger Verbindung stehen und mit Durchbrüchen zusammenwirken, die in Bewegungsrichtung des beweglichen Gliedes in gleichmäßigen, von den Stegabstäu&ea verschiedenen Abständen in dem Schiebergehäuse angeordias-t eisd und jeweils über

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eine Leitung mit einer Wäbl-Ventileinricbtung in Verbindung stehet), mittels der jeweils eine der Verbindungsleitungen mit dem Rücklauf verbindbar ist.

Dabei können die eingangs genannten Drosselstellen, an denen die beiden Anschlußleitungen des hydraulischen Motors angeschlossen sind, von gegebenenfalls einstellbaren Pestdrosseln oder aber von Schieberventilen gebildet sein, die in ihrer Ausbildung im wesentlichen den Schieberventilen entsprechen, mit denen die Anschlußleitungen andererseits verbunden sind.

Derartige hydraulische Schrittmotoren sind bekannt. Der hydraulische Motor kann dabei als linearer Motor in Form eines Druckmittelzylinders oder als hydraulischer Drehmotor ausgebildet sein und mit einem Schieberventil mit linear verschiebbarem, beweglichem Glied oder mit um eine Achse drehbeweglichem Glied kombiniert werden (vgl. DT-OS 1 550 365). Bei Schieberventilen mit linear verschiebbarem beweglichem Glied ist auch die Anwendung unsymmetrischer Kolben möglich und bekannt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können ebenfalls alle diese Kombinationen verwirklicht werden. Es könnenauch bekannte Zwischenverstärker oder das Übersetzungsverhältnis zwischen Schieber und Motor ändernde Getriebe vorgesehen sein.

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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen bydrauliscben Schrittmotor der eingangs näber bezeichneten Art so weiterzubilden, daß dieser bei einfacher Fertigung eine hohe Anzahl von Schrittpositionen in Verbindung mit geringem Leckölstrom ermöglicht und ein sehr gutes dynamisches Verhalten in Verbindung mit Unempfindlichkeit gegen Lastmomente, gegen höhere Start-Stop-Frequenz und gegen Schrittverluste zeigt.

Diese Aufgabe wird erfin dungs gemäß dadurch gelöst, daß das "bewegliche Glied des Schieberventils zwischen je zwei aufeinanderfolgende Positionierstegen einen Trennsteg aufweist und die jeweils in die gleiche Bewegungsrichtung weisenden Steuerkanten der Fositionierstege jeweils mit dem gleichen Verteilerkanal in Verbindung stehen.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn gemäß einer vorteilhaften Ausführung jeder Trennsteg zu einem Dichtsteg erweitert ist, derart, daß in jeder Stellung des beweglichen Gliedes jeweils ein Teil der Durchbrüche im Schiebergehäuse von den Dichtstegen vollständig abgedeckt ist.

Hierdurch ergibt sieb bei bober Fositionierzabl eine sehr geringe Leckölströmung. Aufgrund dieser verminderten Leckölströmung läßt sich die Baugröße des Scbieberventiles in Vergleich mit den bekannten Ausführungen gleich hoher Positionierzabl

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erheblich vermindern. Außerdem kann die Anzahl der erforderlichen Ventile in der Wäblventileinrichtung verkleinert und hierdurch eine sehr beachtliche Verringerung des baulichen Aufwandes erzielt werden. Die Breite der Trenn- bzw. Dicbtstege kann dabei zur Erzielung eines günstigen Betriebsverhaltens bei kleiner Leckölströmung so gewählt werden, daß beiderseita neben jedem Positioniersteg im Schiebergehäuse etwa der Breite der Positionierstege entsprechende Spaltkanäle verbleiben.

Vorteilhafterweise ist die Zahl der Durchbrüche nabe gleich der Zahl der Positionierstege. Am günstigsten ist es dabei, wenn sich die Zahl der Positionierstege und die Zahl der Durebbrüche nur um den Wert 1 unterscheiden.

Weiterhin ist .es vorteilhaft, wenn jeweils die Leitungen von zwei oder mehr nicht benachbarten Durcbbrücben über ein einziges Ventil der Wäblventileinricbtung mit der Rücklaufleitung verbindbar ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand scberoatiscber Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei in den beiden Figuren zwei unterschiedliche Ausfübrungsbeispiele Ib vereinfachter, schematischer Scbnittdarsteilung wiedergegebenaind.

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Bei dem AusfübrungslDeispiel nach Pig. 1 ist ein Scbieberventil 1 mit in einem Schiebergehäuse 2 rotierenden, beweglichen Glied 3 vorgesehen. Die Drehachse 7 des beweglichen Gliedes 3 ist über eine Getriebeverbindung 5 mit der Drehachse 6 eines hydraulischen Motors 4 verbunden. Die beiden Anschlußleitungen 4a und 4b sind jeweils über Drosselglieder 9 bzw.10 mit einer gemeinsamen Druckleitung 8 verbunden, die ihrerseits zu einer Druckmittelquelle führt. Die beiden Leitungen 4a und 4b deshydraulsichen Motors sind außerdem mit jeweils einem Verteilerkanal 12 bzw. 11 in dem beweglichen Glied 3 des Schieberventils verbunden. Diese Verbindungen sind mit 11a bzw. 12a bezeichnet.

Das bewegliche Glied 3 weist eine Mehrzahl von in gleichen Abständen über den Umfang des beweglichen Gliedes 3 verteilte Positionierstege 15a bis 15k auf. Jeweils mittig zwischen zwei benachbarten Positionierstegen ist ein Trennsteg 16a bis 16k angeordnet. Die jeweils neben einem Positioniersteg, z. B. dem Positioniersteg 15d liegenden Spalte 13a bzw. 14a des beweglichen Gliedes 3 sind jeweils über Leitungen 13 bzw. H mit einem der beiden Verteilerkanäle 11 bzw. 12 des beweglichen Gliedes in ständiger Verbindung.

Im Gehäuse 2 des Schieberventils 1 sind in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen Durchbrüche 20a bis 201 angeordnet. Der Umfangsabstand zwischen jeweils zwei benachbarten Durch-

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brücben weicht etwas von dem Umfangsabstand von je zwei benachbarten Positionierstegen ab. Dennoch ist die Zahl der Positionierstege und die Zahl der Durebbrüche annähernd gleichgroß. Im dargestellten Beispiel sind 10 Positionierstege 15a bis 15k und 9 Durchbrüche 20a bis 2Oi vorgesehen. Die Öffnungsweite der Durcbbrücbe 20a bis 2Oi entspricht im wesentlichen dem Abstand der beiden in entgegengesetzten Riebtungen weisenden Steuerkanten B und C jedes Positioniersteges 15a bis 15k.

Jeder Durebbruch ist über eine Leitung 22a bis 22i mit einer Wählventileinrichtung 21 verbunden. Diese Wählventileinrichtung 21 weist mehrere einzelne Ventile 21a bis 21i auf, und zwar im dargestellten Beispiel je ein Ventil für einen Durcbbrucb. Die normalerweise in der Sperrsteliung befindlichen Ventile 21a bis 21i der Wäblventileinricbtung 21 können bei Überführung in die Offenstellung den zugehörigen Durebbruch 20a bis 2Oi mit der Rücklaufleitung 35 verbinden, die zu dem Sumpf führt, aus dem die den Hydraulikmotor speisende Druckmittelquelle das Druckmittel entnimmt.

Bei der beschriebenen Anordnung kann jede Schrittposition des Schrittmotors einzeln oder mehrscbrittweise, d. b. auch über dazwischenliegenden Scbrittpositionen angesteuert werden. In der Darstellung nach Fig. 1 befindet sich der Schrittmotor in der durch A bezeichneten und durch das ScbieberveDtil vorbestimmten Stellung. In dieser Stellung deckt der Positioniersteg 15a den Durebbruch 20a ab, der seinerseits über das zu-

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gehörige Ventil 21a mit der Rücklaufleitung 23 verbunden ist. Trotz der Offenstellung des Ventils 21a kann Öl aus den "beiden Verteilerkanälen 11 bzw. 12 des beweglichen Gliedes 3 des Scbieberventiles nicht abfließen, da dieser Abfluß durch den Positioniersteg 15a gesperrt ist. Da beide Leitungen 4-a und 4b des Hydraulikmotor somit von gleichem Druck beaufschlagt sind, steht der Hydraulikmotor in dieser Stellung still.

Soll der Schrittmotor in die nächste im Uhrzeigersinne folgende Schrittposition überführt werden, wird das Ventil 21a der Wählventileinrichtung 21 geschlossen und das dem Durebbruch 20b zugeordnete Ventil 2!b geöffnet. Dabei gibt der Positioniersteg 15b auf selten seiner Steuerkante C den Durchbruch 20b in Richtung auf die Nut 13a frei, die im Uhrzeigersinne vor der Steuerkante C des Positioniersteges 15b liegt. Hierbei wird die Verteilerleitung 11 des beweglichen Gliedes 3 mit der Rücklaufleitung 23 verbunden, so daß der Druck in der .&*- leitung 4b des Hydraulikraotors 4 aufgrund der Drosselung der Zufuhr über die Drosselstelle 10 absinkt. Der Hydraulikmotor läuft im Uhrzeigersinne an und nimmt aufgrund der antriebsmäßigen Verbindung mit dem beweglichen Glied 3 dieses ebenfalls im Uhrzeigersinne mit. Hierbei wandert der Positioniersteg 15b im Uhrzeigersinne soweit, bis er genau vor dem Durchbruch 20b steht. In dieser Stellung ist der Durchbruch 20b durch den Positioniersteg 15b versperrt, so daß sich in den

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beiden leitungen 4a und 4b der gleiche Druck aufbauen kann. , Der Schrittmotor kommt in dieser Stellung zum Stillstand.

Die Ansteuerung der durch den Durebbruch 2Oi bestimmten im Gegenuhrzeigersinne auf die mit A in Pig. 1 bezeichnete folgende Schrittposition kann ausgehend von der Stellung nach Pig. 1 in gleicher Weise angesteuert werden, wenn statt des Ventils 21b das Ventil 2ii der Wählventileinrichtung 21 geöffnet wird. In diesem Falle wird vor der Steuerkante B des Positioniersteges 15c die Verbindung des Vereilerkanals 12 mit dem Durchbruch 2Oi und über das Ventil 21i mit der Rticklaufleitung 23 zum Sumpf freigegeben. Damit läuft der hydraulische Schrittmotor im G-egenuhrzeigersinne an und nimmt das bewegliche Glied 3 mit, bis der Positioniersteg 15c den Durchbruch 2Oi sperrt.

Die größte Positionsänderung ohne Zwischenscbritt ergibt sich aus der vorgegebenen Ventilzahl und beträgt

1/2 n_v * S
mit n_y = Ventilzahl und S = Schrittweite. ·

Aufgrund der Trennstege 16a bis 16k zwischen jeweils benachbarten Positionierstegen kommen jeweils alle in die gleiche Drehrichtung weisenden Steuerkanten B bzw. C aller Positionierstege in Verbindung mit dem gleichen Verteilerkanal 12 bzw.

*der Anordnung

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des beweglichen Gliedes. Weiterbin ist ersichtlich, daß beide Steuerkanten B und C wirksam sind. Aufgrund der Anordnung ergibt sieb die mögliche Anzahl von Schrittpositionen gleich dem Produkt aus der Anzahl der Positionierstege 15a bis 15k und der Anzahl der Durchbrüche 20a bis 2Oi. Im dargestellten Beispiel sind 10 Positionierstege und 9 Durchbrüche vorgesehen, so daß sich insgesamt 90 Schrittpositionen ergeben, von denen eine jede in der einen oder anderen Drehrichtung schritt- oder schrittgruppenweise angesteuert werden kann.

Die Zahl der Durchbrüche ist auf jeden Pail größer als drei, so daß der Schrittmotor in beiden Drehrichtungen arbeiten kann. Trotz der hohen Anzahl von Schrittpositionen ist der Pertigungsaufwand gering, insbesondere wenn die Zahl der Durchbrüche annähernd gleich der Zahl der Positionierstege ist. Hierbei brauchen für jeden Durchbruch ein und für jeden Positioniersteg nur zwei Prässchnitte ausgeführt zu werden. Dabei wird zusätzlich eine im Vergleich zu bekannten Ausführungen geringe Leckölströmung gewährleistet.

Solange bei der dargestellten Ausführung der Pebler zwischen Soll- und Ist-Position eines Positioniersteges ί 4,5 Schritt beträgt, erfolgt im Betrieb kein Überschnappen, d. h. kein Schrittverlust. Dadurch verbessert sich das dynamische Verhalten des Schrittmotors. Er zeigt eine große Unempfindlichkeit gegenüber Lastmomenten. Auch kann die Frequenz höher

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liegen, mit der der Schrittmotor aus dem Stillstand noch beaufschlagt werden kann, ohne einen Schritt zu verlieren.

Während "bei dem Ausführungsbeispiel nach Pig. 1 jeden Durchbruch ein Ven-til der Wählventileinrichtung 21 zugeordnet ist, ergibt sich ein noch wesentlich einfacherer Aufbau bei dem Ausführungsbeispiel nach Pig. 2.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Schrittmotor 4 mit seinen beiden Anschlüssen 4a und 4b wieder über die Drosselglieder 9 und 10 mit der gemeinsamen Druckmittelquelle über die Leitung 8 verbunden. Die Abtriebswelle 6 des Schrittmotors ist über die Verbindung 5 mit der Welle 37 des beweglichen Gliedes 36 des Schieberventiles verbunden, das wiederum als rotierendes Schieberventil ausgebildet ist. Dem Ventilgehäuse 29 sind im dargestellten Beispiel 5 Sammelleitungen 29-33 zugeordnet, von denen eine jede über eine Verbindungsleitung mit einem von 5 Ventilen 29a bis 33a der Wählventileinrichtung 25 in Verbindung steht. Durch Öffnen eines der Ventile, z. B. des Ventiles 29a kann die zugehörige Sammelleitung 29 mit der gemeinsamen Rücklaufleitung 35 verbunden werden.

Im beweglichen Glied 36 sind wieder zwei Verteilerkanäle 38, 39 vorgesehen, die mit den beiden Anschlußleitungen 4a und 4b

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des Hydraulikmotors in ständiger Verbindung stehen.

Im dargestellten Beispiel weist das bewegliche Glied 36 sechszebn relativ schmale Positionierstege 43 auf, von denen jeder zwei in entgegengesetzte Richtungen weisende Steuerkanten aufweist. Neben jeder Steuerkante ist ein schmaler Schlitz 44 bzw. 45 vorgesehen, dessen Breite etwa derStegbreite entspricht. Die Schlitze 44 aller in die gleiche Drehrichtung weisenden Steuerkanten der Positionierstege 43 sind jeweils über Verbindungsleitungen 41 mit dem Verteilerkanal 39 und alle Schlitze 45 vor den anderen, in die entgegengesetzte Drehrichtung weisenden Steuerkanten aller Positionierstege 43 sind über Verbindungsleitungen 40 mit dem Verteilerkanal 38 verbunden.

Im Schiebergehäuse 26 sind wiederum mehrere Durchbrücbe 27a bis 27p vorgesehen. Der Abstand zwischen benachbarten Durchbrüchen ist geringfügig größer oder kleiner als der Abstand zwischen benachbarten Positionierstegen, wobei jedoch die Anzahl der Durchbrüche nahe gleich der Anzahl der Positionierstege ist. Im dargestellten Beispiel sind den 16 Positionierstegen 15 Durchbrüche zugeordnet. Entsprechend der geringen Breite der Positionierstege 43 sind die Durchbrüche iro Bereich des Ringspaltes zwischen Gehäuse und drehbarem Glied auf schmale Schlitze 28 eingezogen.

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Die zwischen "benachbarten Positionierstegen 43 angeordneten Trennstege 42 sind bei diesem Ausführungsbeispiel als Dichtstege in Umfangsricbtung verbreitert, so daß ein Teil der Durchbrüche durch den Trennsteg überdeckt und bis auf die übliche Leckmenge abgedichtet ist. Dadurch v/ird es möglich, jeweils mehrere Durchbrüche 21 mit der gleichen Sammelleitung zu verbinden, soweit diese Durchbrüche nicht unmittelbar benachbart sind, Im dargestellten Beispiel sind die Durchbrüche 27a, 27f und 271 mit der gemeinsamen Sammelleitung 29 verbunden, die zu dem Ventil 29a der Wählventileinrichtung 25 führt. In der dargestellten Stellung ist die Sammelleitung 29 über das Ventil 29a mit der Rücklaufleitung 35 verbunden. Die Schrittposition der Anordnung ist in Pig. 2 mit D. bezeichnet. In dieser Position wird der Durcbbruch 28 durch den zugehörigen Positioniersteg 43 verschlossen. Die an die gleiche Sammelleitung 29 angeschlossenen Durchbrücbe 27f und 271 werden zwar nicht durch einen zugehörigen Positioniersteg verschlossen, jedoch durch einen entsprechenden Trennsteg abgedichtet, wie dies aus Pig. 2 ohne weiteres zu ersehen ist.

Wenn aus der dargestellten Stellung die im Uhrzeigersinne folgende nächste Scbrittposition angesteuert werden soll, wird das Ventil 29a geschlossen und stattdessen das Ventil 33a der Wählventileinrichtung 25 zur Rücklaufleitung 35 hin geöffnet. Damit ist die Sammelleitung 33 mit der Rücklaufleitung 35 ver-

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bunden. Das Öl aus dem Verteilerkanal 38 des beweglichen Gliedes 36 kann über den Durchbruch 27b, der an die Sammelleitung 33 angeschlossen ist, entweichen. Die an die gleiche Sammelleitung angeschlossenen Durchbrüche 27g und 27m sind jeweils durch einen Trennsteg abgedichtet. Der Schrittmotor 4 läuft damit im Uhrzeigersinne an, bis das dabei mitgenommene bewegliche Glied 36 in eine Stellung gelangt, in der der Durchbruch 27b durch den in Pig. 2 unmittelbar davorstehenden Positioniersteg versperrt wird. Damit kommt der Hydraulikmotor in der nächsten Schrittposition zum Stillstand.

Bei dem Beispiel nach Pig. 2 kann der Schrittmotor in 240 Schrittpositionen gesteuert werden, von denen eine jede scbritt- oder schrittgruppenweise angesteuert werden kann. Diese Ansteuerung erfolgt durch Öffnen eines der fünf Ventile 29a bis 33a der Wählventileinrichtung 25. Dabei ist jeweils ein Ventil einer Gruppe von drei Dürchbrüchen zugeordnet. Dennoch ergibt sich eine zwangsläufige genaue Ansteuerung der jeweils gewählten Schrittposition. Durch die geringe Anzahl der Ventile trotz hoher Anzahl von Durchbrüchen vereinfacht sich der Aufbau der Anordnung wesentlich. Auch bei dieser Anordnung ergibt sich ein ausgezeichnetes dynamisches Verhalten. Die Ansteuerimpulse verteilen sich reihum auf eine größere Anzahl von Kanälen, so daß die Beanspruchung des Einzelkanals geringer wird. Das ist von großem Vorteil für die in ihrer

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maximalen Scbaltfrequenz begrenzten Ventile der Wählventileinrichtung.

Die Baugröße des Schieberventils wird maßgeblich bestimmt von der Ausdehnung der Steuerebene. Diese ergibt sich wiederum aus dem Abmaß des einzelnen Durchbruches sowie dem Abmaß der Ausnehmungen seitlich der Positionierstege und ist aus Fertigungsgründen nicht unter einen bestimmten Wert zu bringen. Die Baugröße des Schieberventils ist aber weiterhin proportional dem Verhältnis der Anzahl der möglichen Schrittpositonen zur Anzahl der Ventile

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Claims (4)

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   Patentansprüche

   (1. hydraulischer Schrittmotor, hei dem ein Schieherventil vorgesehen ist und der hydraulische Motor mit beiden Anschlußleitungen einerseits über jeweils eine Drosselstelle an die gleiche Druckmittelquelle und andererseits an zwei Verteilerkanälen des beweglichen Gliedes des Schieberventils angeschlossen sind und dessen Abtriebswelle - gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Getriebes - mit dem beweglichen Glied bewegungsmäßig gekuppelt ist, und bei dem das bewegliche Glied des Schieberventils mehrere in gleichmäßigen Abständen in Bewegungsrichtung verteilte Positionierstege mit je zwei Steuerkanten aufweist, die mit den beiden Verteilerkanälen in ständiger Verbindung stehen und mit Durchbrüchen zusammenwirken, die in Bewegungsrichtung des beweglichen Gliedes in gleichmäßigen, von den Stegabständen verschiedenen Abständen in dem Schiebergehäuse angeordnet sind und jweils über eine Leitung mit einer Wählventileinrichtung in Verbindung stehen, mittels der jeweils eine der Verbindungsleitungen mit dem Rücklauf verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Glied (3) des Schieberventils (1) zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Positionierstegen (15a bis 15k) einen Trennsteg (16a bis 16k) aufweist und die jeweils in di,e gleiche Bewegungsrichtung weisenden Steuer-

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   kanten (B bzw. C) der Positionierstege jeweils mit dem .gleichen Verteilerkanten (12 bzw. 11) in Verbindung stehen
2. 2. Schrittmotor nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß jeder Trennsteg (42) zu einem Dicbtsteg erweitert ist, derart, daß in jeder Stellung des beweglichen Gliedes (3) jeweils ein Teil der Durchbrücbe (20a bis 2Oi) im Schiebergehäuse (26) von den Dichtstegen vollständig abgedeckt ist.
3. 3. Schrittmotor nach Anspruch 2,gekennzeichnet durch eine solche Breite der Trenn- bzw. Dichtstege (42), daß beiderseits neben jedem Positioniersteg (43) im Schiebergehäuse (26) etwa der Breite der Positionierstege entsprechende Spaltkanäle (44, 45) verbleiben.
4. 4. Schrittmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Zahl der Durchbrüche (20a bis 201) nahe gleich der Zahl der Positionierstege (15a bis 15k) ist, vorzugsweise sich von dieser Anzahl nur um den Wert eins unterscheidet.

   5· Schrittmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4 , d a d u r ch gekennzeichnet , da 13 jeweils die leitungen von zwei oder mehr jeweils nicht benachbarten Durchrüchen (27a, 27f, 271) über ein einziges Ventil 29a der Wählventileinricntung (25) mit der Rücklauf leitung (35) verbindbar ist.

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