DE2802035A1 - Proportionaler kraftverstaerker - Google Patents
Proportionaler kraftverstaerkerInfo
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- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- F15B9/10—Servomotors with follow-up action, e.g. obtained by feed-back control, i.e. in which the position of the actuated member conforms with that of the controlling member with servomotors of the reciprocatable or oscillatable type controlled by valves affecting the fluid feed or the fluid outlet of the servomotor in which the controlling element and the servomotor each controls a separate member, these members influencing different fluid passages or the same passage
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Description
Die Erfindung betrifft einen proportionalen Kraftverstärker bzw. eine Servovorrichtung zur Bewegungsfolgesteuerung mit
gleichzeitiger, hydraulischer Kraftverstärkung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Gerätes des bezeichneten Typs, welches folgende Forderungen erfüllt:
die lineare Verschiebung eines Eingangs- oder Steuergliedos soll eine exakte Folgebewegung eines Ausgangsgliedes
bewirken. Dabei soll eine Verschiebung des Eingangsgliedes unter nur geringer Krafteinwirkung durch hydraulische Kraftverstärkung
eine entsprechende Bewegung des Ausgangsgliedes mit hoher Kraft hervorrufen. Das Gerät soll ferner eine kOE-pakte
und unempfindliche Konstruktion aufweisen und nur geringe Fertigungsgenauigkeiten bei der Herstellung ohne daraus resultierenden
Wirkungsgradverlust erfordern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform soll es möglich sein, das Gerät bei Ausfall
der Druckölversorgung ohne weiteres unter entsprechend erhöhtem Kraftaufwand auch von Hand zu betätigen.
Diese Aufgabe wird durch einen Kraftverstärker entsprechend Patentanspruch 1 gelöst. Diese Lösung besteht im wesentlichen
aus einem Kolben, der einen Zylinderraum in Kammern unterteilt, in denen sich ein Steuerdruck einstellt, der näherungsweise
dem halben Versorgungsdruck entspricht. Dieser halbe Versorgungsdruck wirkt auf die Steuerdruckseite des Kolbens, deren
Kolbenfläche etwa doppelt so groß ist wie diejenige der Druckfläche auf der anderen Seite des Kolbens, die unter Versorgungsdruck steht. Infolge dieses Flächen- und Druckgleichgewichtes
wird die als Ausgangsglied dienende Kolbenstange im Kräftegleichgewicht gehalten. Diese Stellung wird Gleichgewichts-
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stellung des Kraftverstärkers genannt. Eine Auslenkung aus der Gleichgewichtsposition erzeugt eine Störung im Druckgleichgewicht
und veranlaßt das Ausgangsglied, sich zu bewegen. Eine solche Störung des Gleichgewichtes entsteht durch eine Verschiebung
des Eingangsgliedes. Das Ausgangsglied wird sich daraufhin solange bewegen, bis seine Verschiebung wieder zu
einem Kräftegleichgewicht führt, wie es im Ausgangszustand bestanden hat.
Auf diese Weise werden das Eingangsglied und das Ausgangsglied in einem hydraulischen Gleichgewicht bzw. in einer Gleichgewichtsstellimg
gehalten, bis das Eingangsglied, das in Art einer axial verschiebbaren Steuerstange ausgebildet ist, in der einen
oder anderen Richtung aus seiner Gleichgewichtslage entfernt wird. Bestimmte Steuermittel sorgen dafür, daß das durch diese
Verschiebung gestörte hydraulische Gleichgewicht durch eine entsprechende Bewegung des Ausgangsgliedes wieder hergestellt
ist. Der neue Gleichgewichtszustand stellt sich dabei je nach
der Verschiebung des Eingangsgliedes bei einer anderen örtlichen
Lage des Eingangs- und Ausgangsgliedes ein. Wesentlich ist nur, daß im Gleichgewichtszustand die relative Lage des Ausgangsgliedes
in Bezug auf das Eingangsglied immer die gleiche ist.
Der bei den unterschiedlich großen Kolbenflächen für das Kräftegleichgewicht
an den beiden Kolbenseiten erforderliche Druckabfall des Hydraulikmediums wird durch einen verengten Querschnitt
bzw. eine Düse in einem Verbindungsweg zwischen der Druckkammer und der Steuerkammer erreicht sowie durch eine von der gegenseitigen
Lage des Eingangsgliedes und des Ausgangsgliedes abhängigen Querschnittsverengung im Strömungsweg zwischen der
Steuerkammer und der Rückflußöffnung für das Drucköl, welches
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die Vorrichtung kontinuierlich durchströmt. Die Folgebewegung des Ausgangsgliedes verändert den Abstand und somit die querschnittsverengende
Stelle gegenüber dem Eingangsglied, bis der Druckabfall des Hydraulikmediums wieder derart ist, daß ein
Gleichgewichtszustand herrscht.
Im folgenden werden beispielhafte, bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen im
einzelnen näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen proportionalen Kraftverstärkers
;
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1;
Fig. 3 ein Diagramm, in dem der Steuerdruck in Abhängigkeit von der Auslenkung des Eingangsgliedes aufgetragen
ist; und
Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsforai
eines erfindungsgernäßen Kraftverstärkers.
In den Zeichnungen ist der erfindungsgemäße proportionale Kraftverstärker allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Der Kraftverstärker 10 besteht im großen und ganzen aus einem Zylindergehäuse 12 mit einer darin angebrachten, durchgehenden
Zylinderbohrung 14. Die Zylinderbohrung 14 zerfällt in eine
erste Kammer 16 und in eine zweite Kammer 18, welche eine ge-
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ringere Querschnittsfläche aufweist. Zwischen den Kammern befindet
sich ein ringförmig vorspringender Rand 17. Die Zylinderbohrung 14 ist an der Seite der Kammer 16 durch eine Stopfbüchse 20 abgeschlossen, durch welche das Eingangsglied in
Form einer Steuerstange 22 hindurchgeführt ist, welche gleitbar in einer zentralen Öffnung 24 in der Stopfbüchse 20 ruht.
Eine Dichtung 26 ist vorgesehen, um die Außenfläche der Stopfbüchse
20 gegen die Innenoberfläche des Zylindergehäuses 12 abzudichten. Die Stopfbüchse 20 wird durch Sprengringe 28 und
29 in ihrer Position gehalten. Eine Dichtung 30 und eine Abstreifdichtung
31 sind zwischen der Steuerstange 22 und der zentralen Öffnung 24 angeordnet.
Am anderen Ende des Zylindergehäuses 12 erstreckt sich in die
Kammer 18 hinein ein Ausgangsglied in Form einer hohlen Kolbenstange 32. Die Kolbenstange 32 ruht gleitbar im Zylindergehäuse
und ist gegenüber diesem durch Dichtungen 34 und 36 sowie eine Abstreifdichtung 37 abgedichtet. DiG Kolbenstange 32 v/eist an
ihrem inneren Ende eine Erweiterung 57 auf, die den Kolben darstellt.
Mittels einer am Umfang des Kolbens 57 angeordneten Dichtung 42 unterteilt die Kolbenstange die Zylinderbohrung
14 in eine Steuerdruckkammer oder Steuerkammer 44 und in eine Druckkammer 46. Die Kolbenstange 32 enthält eine durchgehende
Bohrung 41. In diese Bohrung 41 der Kolbenstange 32 ist ein Stöpsel 50 eingeführt. Zur Zylindermitte hin setzt sich der
Stöpsel 50 in eine Stöpselverlängerung 52 fort, die einen etwas geringeren Durchmesser als die Bohrung 41 besitzt und
daher zwischen sich und dieser eine ringförmige Kammer 54 freiläßt. Die Stöpselverlängerung 52 endet mit einer ebenen
Stirnfläche 56, die senkrecht zur Achse des Zylindergehäuses verläuft. Die ringförmige Kammer 54 ist hinter dem ringförmig
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vorspringenden Rand 17 erweitert, um den Kolben 57 der Kolbenstange
32 aufzunehmen. In den Kolben 57 hinein erstreckt sich das innere Ende der Steuerstange 22.
Quer durch das Ende der Steuerstange 22 ist ein Stift 60 geführt. In die Kolbenstange 32 hinein erstreckt sich eine Ansatzhülse
62 mit einem vergrößerten Kopfstück 64 und einem dünneren Schaft. Das Kopfstück 64, welches über das Ende der Steuerstange
22 greift, besitzt zwei radiale Öffnungen 67, in die die äußeren Enden des Stiftes 60 eingreifen. Die Öffnungen
sind größer als der Querschnitt des Stiftes 60, wodurch eine gewisse Relativbewegung zwischen der Steuerstange 22 und der
Ansatzhülse 62 stattfinden kann. Diese Maßnahme verringert die für die Anordnung notwendigen Toleranzanforderungen. In
der Ansatzhülse 62 ist eine Düsenhülse 66 angeordnet. Die Düsenhülse 66 mündet in eine Düse 68, die der ebenen Stirnfläche
56 der Stöpselverlängerung 52 gegenüberliegt.
Eine Blende oder Düse 70 in einer Bohrung im Kolben 57 verbindet die Druckkammer 46 mit der Steuerkammer 44. Ein Stöpsel
71 ist in diese Bohrung eingeschraubt, um Düsen unterschiedlichen Durchmessers verwenden zu können. Der Kolben 57 und die
Kolbenstange 32 sind so dimensioniert, daß die Kolbenoberfläche an der Seite der Druckkammer 46 ungefähr die Hälfte von derjenigen
an der Seite der Steuerkammer 44 beträgt.
Die Druckkammer 46 steht unter Versorgungsdruck vom Druckölanschluß
77 her, und die Steuerkammer 44 steht lediglich unter Steuerdruck. Der Strömungsweg des Druckmittels verläuft von der
Druckkammer 46 durch die Düse 70 in die Steuerkammer 44. Aus der Steuerkammer 44 fließt das Druckmedium durch die Ansatz-
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hülse 62 und aus der Düse 68 hinaus. Ein Widerstand oder Druckabfall
entsteht zwischen der Stirnfläche 56 und der Düse 68.
Das aus diesem Bereich austretende Druckmedium fließt weiter durch die ringförmige Kammer 54 und hinaus über Löcher 51 zurück
zum Vorratstank durch die Rückflußöffnung 76. Das Eingangsglied, nämlich die Steuerstange 22, und das Ausgangsglied, nämlich
die Kolbenstange 32, verharren im Ruhezustand, solange die Düsen 70 und 68 im Zusammenwirken mit der Stirnfläche 56 Druckabfälle
erzeugen, die gerade die Differenz zwischen den Kolbenarbeitsflächen des Kolbens 57 bzw. der Kolbenstange 32 in den
Kammern 46 und 44 kompensieren.
Im Fall, daß die Steuerstange 22 nach rechts bewegt wird, wie
dies in Fig. 1 dargestellt ist, nähert sich die Düse 68 der Stirnfläche 56, wodurch die Durchflußmenge durch die Düse 68
vermindert wird, und ein Anstieg des Steuerdruckes in der Steuerkammer 44 erfolgt. Dies stört die Gleichgewichtsbedingungen
und veranlaßt den Kolben und mit ihm die Kolbenstange 32 als Ausgangsglied, sich soweit nach rechts zu bewegen, bis der
Abstand zwischen der Düse 68 und der Stirnfläche 56 wieder dem Gleichgewichtszustand entspricht bzw. bis der Druckabfall an
dieser Stelle wieder dem Druckabfall über der Düse 70 entspricht.
Um die Eigenschaften der Düse 68 zu erhalten, weist die Außenkante
der Ansatzhülse 62 einen Konus 73 auf und die Düsenhülse 66 erstreckt sich bis über den abgeschrägten Bereich hinaus.
Diese Verlängerung über den Konus hinaus schützt die Düse 68, wenn die Steuerstange 22 die Ansatzhülse 62 gegen die ebene
Stirnfläche 56 stoßen läßt. Die Querschnittsfläche der Steuerstange 22 ist geringfügig größer als die Querschnittsfläche,
die gegen die Ansatzhülse 62 wirkt. Dies soll den Querschnitts-
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- ίο -
fläclienverlust durch die Öffnung der Düse 68 ausgleichen.
In Fig. 4 5st eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die
mit einer Federrückfiihranordnung 100 um die Steuerstange 22
herum versehen ist. Die Anordnung besteht aus einem Paar von kopf artigen Federv/iderlagern 102 und 104, zwischen die eine
Druckfeder eingespannt ist. Diese Ausführungsform dient für Anwendungsfalle, in denen eine automatische Rückstellung der
Steuerstange in eine mittlere Ausgangsstellung verlangt wird. Zu beachten ist, daß bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 der
Weg des Hydraulikmediums zurück in den Vorratstank durch eine Öffnung 106, einen Kanal 103 und eine Bohrung 110 hindurch verläuft.
In der graphischen Darstellung der Fig. 3 ist der Steuerdruck Pc über der Auslenkung X des Eingangsgliedes aufgetragen. Es
ist in dem Diagramm angegeben, daß der maximal mögliche Steuerdruck bei beispielsweise voller Auslenkung dem Versorgungsdruck Pg entspricht. Beim Gleichgewichtszustand im Ursprung des
Koordinatenkreuzes entspricht der Steuerdruck Pc dem halben
Versorgungsdruck. Die in der graphischen Darstellung erscheinende Hysterese wird im wesentlichen durch das Spiel zwischen
dem Stift 60 und den radialen Öffnungen 67 in der Ansatzhülse 62 hervorgerufen.
Bei Ausfall des Öldruckes führt eine Verschiebung der Steuerstange
22 entsprechend der zeichnerischen Darstellung nach rechts zum unmittelbaren Anstoßen der Ansatzhülse 62 gegen die
Stöpselverlängerung 52 und somit zu einer unmittelbaren Folgebewegung der Kolbenstange 32. Um die Kolbenstange 32 auch einer
Belegung der Steuerstange 22 nach links folgen zu lassen, ist
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das Kopfstück 64 der Ansatzhülse 62 an seinem Ende außen mit einem Ring versehen, der hinter einen entsprechenden Ring 65
greift, der in die Innenwand der Bohrung im Kolben 57 eingelassen ist. Das Spiel zwischen dem Stift 60 und den Öffnungen
ist auch erforderlich, um bei normalem Betrieb der Vorrichtung, primär eine hydraulische Aussteuerung zu bewirken, bevor die
zuletzt genannten Hilfsbauteile für eine Handsteuerung miteinander in Eingriff gelangen.
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e e r s e i t e
Claims (8)
- DIPL-ING.HELMUT GÖRTZFrankfurt am Main 70
Schneckenhofstr. 27 - Tel. 61707917. Januar 1978 GzFu/Ra.Dynex/Rivett Inc., Pewaukee, Wisconsin 53072 / USAProportionaler KraftverstärkerPatentansprüche(1.) Proportionaler Kraftverstärker, gekennzeichnet durch:(a) ein Gehäuse (12) mit einer durchgehenden Zylinderbohrung (14) sowie einem Druckölanschluß (77) und einer Rückflußöffnung (76),(b) ein translatorisch verschiebbares Ausgangsglied in Form einer hohlen Kolbenstange (32), die gleitbar in einem Ende des Gehäuses (12) ruht,(c) einen innerhalb der Kolbenstange (32) in deren mittlerem Abschnitt angeordneten Stöpsel (50),(d) eine Dichtung (34) zwischen der Außenfläche der Koltonstange (32) und der Wand der Zylinderbohrung (12), wobei diese Dichtung (34) zwischen dem Druckölanschluß (77) und der Rückflußöffnung (76) angeordnet ist,(e) einen Kolben (57) am inneren Ende der Kolbenstange (32), welcher die Zylinderbohrung (12) in eine Steuerkanimer (44) und eine Druckkammer (46) unterteilt, von denen die Druckkammer (46) in Verbindung mit dem Druckölanschluß (77) steht,809831/0671(f) ein translatorisch verschiebbares Eingangsglied in Form einer Steuerstange (22), die sich in die Steuerkammer (44) hineinerstreckt,(g) einen in Verlängerung der Steuerstange (22) angeordneten Ansatz (62, 66), der sich in die Kolbenstange (32) hineinerstreckt und mit einer ersten Düse (68) versehen ist, die unmittelbar dem Stöpsel (50, 52) gegenüberliegt,(h) Mittel (60, 64), durch die der Ansatz (62, 66) an der Steuerstange (22) befestigt ist, um deren translatorischen Bewegungen in Längsrichtung zu folgen,(i) eine zweite, durch den Kolben (57) verlaufende Düsenöffnung (70, 71)> welche eine Verbindung zwischen der Druckkammer (46) und der Steuerkammer (44) herstellt, und(k) die Anordnung der ersten Düsenöffnung (68) zwischen der Steuerkammer (44) und der Rückfluß öffnung (76), wobei der Ausfluß aus der ersten Düse (68) durch den Abstand zwischen dem Ansatz (62, 66) und dem Stöpsel (50, 52) bestimmt wird und sich ein Gleichgewichtszustand einstellt, wenn der Ausfluß aus der zweiten Düse (68) derart ist, daß auf beide Seiten des Kolbens (57) gleiche Kräfte ausgeübt werden. - 2. Kraftverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kante dieses Ansatzes (62, 66) an die darin angeordnete erste Düse (68) angrenzend von der Düse (68) weg konisch ausgeführt ist.809 83 1/067 1
- 3. Kraftverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz (62, 66) aus einer äußeren Ansatzhülse (62) und einer, radial gesehen, inneren Düsenhülse (66) besteht, wobei die Düsenhülse (66) in axialer Richtung nach innen über die Ansatzhülse (62) hinaussteht.
- 4. Kraftverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel zum Befestigen des Ansatzes (62, 66) aus einem Stift (60) bestehen, der in der Steuerstange (22) verankert ist, sowie aus einem Paar von radialen Öffnungen (67) in der Ansatzhülse (62), in die die Enden des Stiftes (60) eingreifen.
- 5. Kraftverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt jeder dieser Öffnungen (67) größer ist als die Querschnittsfläche des Stiftes (60).
- 6. Kraftverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückführanordnung (100) mittels Federn vorgesehen ist, welche die Steuerstange (22) bei Nichtbetätigung in eine mittlere Ausgangslage zurückführt.
- 7. Kraftverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (70) gegen solche anderen Durchmesser austauschbar ist.
- 8. Kraftverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölweg zur Rückflußöffnung (76) durch die hohle Kolbenstange (32) verläuft.809831/0671
Applications Claiming Priority (1)
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