DE2407886C3 - Verwendung eines Hydraulikmotors als Schrittmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Hydraulikmotors mit einer Kurbelwelle, einer Mehrzahl von Hydraulikzylindern mit zugehörigen Kolben, die bezüglich der Kurbelwelle in radialer Richtung und in gleichen Winkelabständen angeordnet sind und die mit einem mit der Kurbelwelle fest verbundenen Exzenterteil verbunden sind, mit Druckleitungen, die mit den Hydraulikzylindern verbunden sind, mit Rückschlagventilen in den genannten Hydraulikleitungen und Drosselventilen zur Steuerung des Ölrückflusses aus den Hydraulikzylindern sowie mit Schaltventilen, welche einen der Hydraulikzylinder mit einer Druckpumpe und die anderen mit einem Tank zur Speicherung der Hydraulikflüssigkeit verbinden.

Allgemein bekannte Hydraulikmotoren (DE-OS 21 976, DE-PS 36 445, CH-PS 2 49 710) weisen radial in einem Gehäuse angeordnete Hydraulikzylinder auf, deren Kolben mit einem Exzenterteil der Kurbelwelle verbunden sind. Durch eine wechselweise Beaufschlagung der einzelnen Hydraulikzylinder wird durch die in den Zylindern laufenden Kolben und Kolbenstangen eine kontinuierliche Drehbewegung der Kurbelwelle hervorgerufen. Dabei können in den zu den jeweiligen Hydraulikzylindern des Motors führenden Druckleitungen Umschaltventil·; vorgesehen sein, wobei der Arbeitszyklus eines jeden Zylinders (Beaufschlagung mit und Entleerung von Hydraulikflüssigkeit) synchron mit der Drehung der Kurbelwelle abläuft. Eine intermittierende Drehbewegung, also eine schrittweise

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60 Rotationsbewegung, ist bei diesen bekannten Hydraulikmotoren nicht möglich.

Um dennoch eine schrittweise Rotationsbewegung zu erhalten, wurden zusätzliche Bauelemente wie Zahnstange und Ritzel oder direkt am Hydraulikmotor angeflanschte Bauteile verwendet

Um das Problem der Stoßdämpfung bei der schrittweisen Rotationsbewegung zu lösen, wurden Verzögerungsventile verwendet oder ähnlich wirkende Einrichtungen im Hydraulikkreis eingebaut, wodurch sich insgesamt der Aufbau wesentlich kompliziert und auch störanfälliger wird. Beispielsweise ist ein mit dem Druck eines Druckmittels arbeitendes Schrittschaltwerk (DE-OS 22 26 798) mit zwei relativ zueinander verschiebbaren Bauteilen bekannt, bei denen mehrere Reihen von Wälzkörpern in einem der Bauteile mit im anderen Bauteil ausgebildeten Vertiefungen zusammenwirken können. Im Falle eines Drehmotors wird die Schrittlänge durch das Verhältnis zwischen dem Winkel zweier aufeinanderfolgender Vertiefungen und der Zahl der Wälzkörperreihen bestimmt. Im Falle eines Linearmotors wird die Schrittlänge durch das Verhältnis zwischen dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Vertiefungen und der Anzahl der Wälzkörperreihen bestimmt. Obgleich dieses bekannte Schrittschaltwerk in Kombination mit einem Hydraulikmotor intermittierende Rotationsbewegungen möglich macht, so muß dies allerdings mit einem großen Aufwand an Mechanik erkauft werden. Abgesehen vom komplexen Aufbau und der damit verbundenen großen Herstellungskosten schränkt die Vielzahl der relativ zueinander beweglichen Einzelelemente die Genauigkeit der Schrittbewegung ein. Insbesondere können die Verschleißerscheinungen an den Einzelelementen zu Unregelmäßigkeiten in der Schrittfolge führen. Stöße beim Anhalten der Schrittbewegung können durch das Schrittschaltwerk nicht absorbiert werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Hydraulikmotor der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er als Schrittmotor verwendbar ist, welcher eine veränderliche Schrittlänge ermöglicht und ein Auftreten von Stoßen bei Beendigung der einzelnen Schrittbewegungen verhindert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Hydraulikmotor der eingangs betrachteten Art dadurch gelöst, daß zur Erzeugung einer schrittweisen Rotationsbewegung pro Drehschritt nur einer der Hydraulikzylinder über das ihm zugeordnete Schaltventil und das Rückschlagventil mit Druckmittel beaufschlagt wird, während die anderen Hydraulikzylinder über die jeweils zugeordneten Drosselventile und Schaltventile mit dem Tank in Verbindung stehen.

Durch diese Maßnahmen wird bei Einsatz von einfachen, nicht störanfälligen und bei Bedarf auch leicht austauschbaren Bauelementen das Durchführen einer schrittweisen Rotationsbewegung ermöglicht. Das von den Hydraulikzylindern in die Hydraulikleitungen abgelassene Druckmittel kann während der Drehbewegung der Kurbelwelle wirksam gesteuert werden, so daß eine der Massenbeschleunigung entgegenwirkende Dämpfungswirkung erzielbar ist, wodurch die Drehbewegung ohne das Auftreten eines Stoßes beliebig abgestoppt werden kann. Es ist somit möglich, den Drehwinkel in beliebiger Weise dem Einsatzzweck anzupassen.

In vorteilhafter Weise kann durch entsprechende Steuerung der Schaltventile eine intermittierende Rotationsbewegung, bestehend aus einzelnen Dreh-

Schrittbewegungen sowie eine Drehrichtungsumkehr ausgeführt werden. Eine Aneinanderreihung des für die Ausführung eines Drehschritts notwendigen Kreislaufs durch entsprechendes Umschalten der Schaltventile ermöglicht eine intermittierende Rotationsbewegung. Durch bloße Steuerung der Schaltventile kann auch eine Drehrichtungsumkehr ausgeführt werden.

Zweckmäßigerweise weist die Schrittbewegung einen Drehwinkel von 120° auf.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer ersten Ausführungsform,

F i g. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Antriebsdrehmoments,

F i g. 3 eine graphische Darstellung von Antriebs- und Dämpfungsmoment,

Fig.4 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform,

Fig. 5 einen Ausschnitt der Fig.4 mk nur einem Zylinder,

F i g. 6 eine Querschnittsdarstellung mit der Lagerung der Kurbelwelle und einem Hydraulikzylinder.

F i g. 1 zeigt einen bekannten Radial-Kolben-Hydraulikmotor mit drei Hydraulikzylindern 2a, 26 und 2c, die radial in einem Gehäuse 1 angeordnet sind; drei Kolben 3a, 36 und 3c befinden sich im Inneren der Zylinder 2a, 26 und 2c; eine Exzenterplatte 5 auf einer Kurbe I welle 4 ist in der Mitte des Gehäuses 1 angeordnet; ferner sind fünf Stangen 6a, 6b und 6c umd ie Exzenterplatte 5 angeordnet.

Mit den im Gehäuse 1 jeweils gegeneinander um 120° versetzt angeordneten Zylindern 2a, 2b und 2c sind Druckleitungen für die Hydraulikflüssigkeit verbunden; diese sind mit Drossel-Rückschlagventilen 7a, Tb und 7c sowie mit Schaltventilen 8a, 86 und 8c versehen. Das Steuern des Öldrucks zu den Zylindern 2a, 26 und 2c wird mittels der genannten Schaltventile durchgeführt, und die Drehung der Kurbelwelle 4, die fest mit der Exzenterplatte b, z. B. einteilig, verbunden ist, wird bewirkt, indem einer der Hydraulikzylinder mit der Pumpe Pin Verbindung steht, während gleichzeitig die beiden anderen Zylinder mit dem Tank 9 in Verbindung stehen.

Gemäß Fig. 1 sind die Hydraulikzylinder 26 und 2c mit dem Tank 9 verbunden; der Zylinder 2a ist mit der Pumpe P verbunden, wodurch die Exzenterplatte 5 durch den Kolben 3a über die Stange 6a im Uhrzeigersinn angestoßen wird. Unmittelbar nachdem die Ventile die in Fig. 1 dargestellten Stellungen eingenommen haben, nimmt die Exzenterplatte 5 die strichpunktiert eingezeichnete Stellung ein, und die Stange 6a des Zylinders 2a greift an der Exzenterplatte 5 ähnlich an wie die Stange 6c gemäß Fig. i. Danach wird mit zunehmendem Druckaufbau im Zylinder 2a die Stange 6a nach innen geschoben und bewirkt die Drehung der Exzenterplatte 5 um 120°, in dem durch einen Pfeil angedeuteten Drehsinn. Gleichzeitig wird Hydrauliköl aus dem Zylinder 2c ausgedrückt, während das Hydrauliköl im Zylinder 26 zunächst ebenfalls ω entleert und dann während der zweiten Halte der 120°-Drehung wieder angesaugt wird; dies deshalb, weil der Abstand vom Rotationszentrum zur Oberfläche der Exzenterplatte 5 für den Zylinder 26 während der ersten Hälfte der Drehung vergrößert, während der zweiten Hälfte der 120°-Drehung aber wieder verkleinert wird. Dabei wird die Strömung der Hydraulikflüssigkeit in den Druckleitungen mittels der Ventile 76 und 7c gesteuert Der Bewegungswiderstand steigt etwas an, wenn die Stange 6c in die Nähe des oberen Totpunkts der Exzenterplatte 5 kommt; der Einfluß der Stange 6a auf die Drehbewegung wird etwas vermindert, wenn die Stange 6j sich dem unteren Totpunkt der Exzenterplatte 5 nähert; demzufolge wird eine Dämpfungswirkung erzielt, die der Massenbeschleunigung der Exzenterplatte 5 entgegenwirkt, und die 120°-Drehbewegung kann wirksam zum Stehen gebracht we/den, wenn die Stange 6a die in F i g. 1 dargestellte Endstellung erreicht hat.

Daraus ergibt sich, daß eine Drehung der Kurbelwelle 4 jeweils einen Winkel von 120° überstreicht, wobei die Abweichung in der Rotationsbewegung sehr gering ist. Wenn die Schaltventile 8a, 86 und 8c der Reihe nach umgeschaltet werden, ergibt sich eine intermittierende Rotationsbewegung in 120°-Schritten.

Ferner kann die Kurbelwelle 4, ausgehend von der in Fig. 1 gezeigten Stellung, entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn drehend angetrieben werden, wenn die Exzenterplatte 5 durch die Stange 66 oder durch die Stange 6cangestoßen wird.

Das bedeutet, daß die Drehrichtung allein durch die Betätigung der Schaltventile 8a, 86 und 8c gesteuert werden kann; entsprechend ist es bei periodischer Ansteuerung der Schaltventile möglich, jede beliebige intermittierende Drehbewegung zu verwirklichen.

Im folgenden wird eine Berechnung der Antriebskraft des Hydraulikmotors durch den treibenden Kolben gemäß F i g. 2 durchgeführt.

Die Kraft des Kolbens 3a ergibt sich wie folgt:

Ft₁=A₀ ■ p,

wobei Fo die Schubkraft des Kolbens 3a, A_u die Querschnittsfläche des Kolbens 3a und ρ der Druck der Hydraulikflüssigkeit ist. Die Kraft F» wird zerlegt in die Komponenten Fi und F2, wobei die Kraft Fi auf das Zentrum der Exzenterplatte gerichtet ist und die Kraft F2 senkrecht zur Wand des Hydraulikzylinders verläuft. Für Fi und F₂gelten die folgenden Gleichungen:

COS Φ '

F₂ = F₀ ■ tan Φ ,

wobei Φ der Winkel zwischen der Verbindungslinie des Kraftangriffspunktes der Stange 6a zum Mittelpunkt der Exzenterplatte 5 und der Verbindungslinie vom genannten Kraftangriffspunkt zum Rotationsmittelpunkt ist. Das Drehmoment kann errechnet werden aus dem Produkt der Kraftkomponente F und dem Abstand /"zwischen dem Mittelpunkt der Rotation und der Richtung der Kraft Fi.

Damit ergibt sich für das Drehmoment Tdie folgende Beziehung:

Γ = F₁ τ =

F₀
cos Φ

■ h ■ sin Φ = F₀ ■ h

sin Φ
cos Φ

= F₀ ■ h ■ tan Φ ,

wobei h der Abstand vom Kraftangriffspunkt bzw. Drehpunkt der Stange 6a zum Rotationsmittelpunkt ist. Entsprechend obiger Formel wird das Drehmoment T zu Null, wenn die Stange 6a sich dem unteren Totpunkt der Exzenterplatte 5 annähert, weil der Winkel Φ und damit ebenso tan Φ Null wird.

In der Praxis wird das Drehmoment nicht nur durch die obige Antriebskraft, sondern auch noch durch die Dämpfungswirkung der beiden anderen Zylinder und durch die mechanische Reibung beeinflußt. Die F i g. 3 zeigt den Fall, daß der Hydraulikmotor gemäß Pig. I ■> aus der strichpunktiert angegebenen Stellung der Exzenterplatte 5 in die mit ausgezogenen Linien dargestellte Position betätigt wurde, wobei das Aniriebsdrehmoment des Zylinders 2ü und das Dämpfungsmoment des Zylinders 2c gemessen wurden, κι Dieser Test, dessen Ergebnisse in F i g. 3 dargestellt sind, wurde unter folgenden Voraussetzungen durchgeführt:

Druck: 140 bar,30 l/min,

Kolben (3): 50 mm 0, π

Exzenterplatte (5): 900 mm 0.

Das Diagramm gemäß Fig. 3 zeigt, daß das Antriebsdrehmoment des Zylinders 2a mit dem Kolben 3a allmählich abnimmt (Kurve 1) während das Dämpfungsmoment des Zylinders 2c mit dem Kolben 3c erzeugt wird (Kurve 2). Dieses Dämpfungsmoment wird verursacht durch den Widerstand der Druckmittelströmung des Hydrauliksystems durch das Drossel-Rückschlagventil 7c. Aufgrund dieses Effekts wirkt sich die :"> Bremskraft auf die zweite Hälfte der Rotationsbewegung aus, wie in der F i g. 3 durch die Kurve (3a + 3c) mit den kombinierten Kräften durch das Antriebs- und Dämpfungsmoment ersichtlich ist.

Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform sind jo drei Zylinder 12a, 126 und 12c vorgesehen, die um Bolzen lla. 116und lic schwenkbar gelagert sind. Die Kolben 13a. 136 und 13c der genannten Zylinder sind mit einem Arm 15 der Kurbelwelle 14 über einen Kurbelzapfen 16 verbunden. Im einzelnen sitzt auf dem r> Kurbelzapfen 16 eine Buchse, an welcher jeweils gegeneinander um 120° versetzt drei Schwenkzapfen 16a, 166 und 16c vorgesehen sind, an weichen die freien Enden der Kolben angelenkt sind. Die Zylinder 12a, 126 und 12c werden in der gleichen Weise, wie zu F i g. 1 beschrieben, über Druckleitungen versorgt, welche Drossel-Rückschlagventile 17a, 17/) und 17c aufweisen; ferner sind Schaltventile 18a, 186 und 18c sowie je ein Tank 20 für die Entleerungsleitungen aus jedem Zylinder vorgesehen.

In der gezeigten Stellung des Hydraulikmotors ist der Zylinder 12a mit der Pumpe P verbunden, während die Schaltventile 18i> und 18c die beiden anderen Zylinder 126 und 12c mit dem Tank 19 verbinden, so daß für den Abbau des Öldrucks in diesen Zylindern gesorgt ist. Somit stößt der Kolben 13a den Schwenkzapfen 16a entsprechend der Druckkraft des Druckmediums im Zylinder 12a, der über das Drossel-Rückschlagventil 17a Drucköl erhält, an, und die Kurbelwelle 14 wird um 120" in der Richtung des eingezeichneten Pfeiles gedreht, wobei sich der Arm 15 mitdreht und der Hydraulikzylinder 12.) entsprechend mitschwenkt. Im Zuge dieser Drehbewegung wird das Drucköl aus den Zylindern 12£ und 12c durch die Bewegung der Kolben 136 und 13c über die Drosseln der Ventile 176 und 17c in den Tank 19 entleert, während in der bereits zu Fig. I beschriebenen Weise das Drucköl des Zylinders 12£ anfänglich entleert und dann während der zweiten Hälfte der 120°-Drehung angesaugt wird. Auf diese Weise kann die Drehung der Kurbelwelle 14 wirksam durch die Strömungswiderstände der Hydraulikflüssigkeit in den Zylindern 126 und 12c gebremst werden, so daß die Kurbelwelle genau um 120° dreht.

F i g. 5 zeigt die Stellung des Hydraulikzylinders 12a. des Arms 15 und des Kurbelzapfens 16 in der Stellung, in welcher der Kolben 13a im unteren Totpunkt steht, also nach Vollendung der 120°-Drehung. Wie in F i g. 6 gezeigt, sind die Zylinder 12a, 126 und 12c und die Kurbelwelle 14 auf einer Grundplatte 21 gelagert.

Der oben beschriebene hydraulische Antrieb eignet sich zur Drehung von mit der Kurbelwelle verbundenen Teilen um jeweils 120° in intermittierendem Rhythmus, und die Vorwärts- und Rückwärtsdrehung kann auf einfache Weise lediglich durch Betätigung der Schaltventile erzeugt werden. Zu der an zweiter Stelle beschriebenen Ausführungsform gilt, daß die Kurbelwelle 14 durch die Zugkraft der Kolben 13a, 136 und 13c angetrieben wird und daß, wenn die Druckleitungen mit den anderen Seiten der Hydraulikzylinder verbunden sind (in der Zeichnung nicht dargestellt), die Kurbelwelle durch die Druckkräfte der Kolben in der gleichen Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 angetrieben werden kann.

Während nach den beschriebenen Ausführungsformen der Drehwinkel der intermittierenden Bewegung konstant ist, kann der Drehwinkel in beliebiger Weise dem praktischen Zweck angepaßt gewählt werden. Ferner kann die Drehrichtung auf einfache Weise gewählt werden; der Aufbau der Vorrichtung ist einfach und bedarf keiner besonderen Pflege; ein solcher Hydraulikmotor eignet sich für eine große Zahl von Anwendungen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verwendung eines Hydraulikmotors mit einer Kurbelwelle, einer Mehrzahl von Hydraulikzylindem mit zugehörigen Kolben, die bezüglich der Kurbelwelle in radialer Richtung und in gleichen Winkelabständen angeordnet sind und die mit einem mit der Kurbelwelle fest verbundenen Exzenterteil verbunden sind, mit Druckleitungen, die mit den Hydraulikzylindern verbunden sind, mit Rückschlagventilen in den genannten Hydraulikleitungen und Drosselventilen zur Steuerung des Ölrückflusses aus den Hydraulikzylindern sowie mit Schaltventilen, welche einen der Hydraulikzylinder mit einer Druckpumpe und die anderen mit einem Tank zur Speicherung der Hydraulikflüssigkeit verbinden, als Schrittmotor, wobei zur Erzeugung einer schrittweisen Rotationsbewegung pro Drehschritt nur einer der Hydraulikzylinder über das ihm zugeordnete Schaltventil und das Rückschlagventil mit Druckmittel beaufschlagt wird, während die anderen Hydraulikzylinder über die jeweils zugeordneten Drosselventile und Schaltventile mit dem Tank in Verbindung stehen.

2. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Steuerung der Schaltventile eine intermittierende Rotationsbewegung, bestehend aus einzelnen Drehschrittbewegungen, sowie eine Drehrichtungsumkehr ausgeführt werden kann.

3. Schrittschaltmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschrittbewegung einen Drehwinkel von 120° aufweist.