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Hydraulischer Verstärker für einen Servomotor
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Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Verstärker flir
einen Servomotor, dessen Motorleitung je über eine ein Arbeitsventil aufweisende
Arbeitsleitung und eine ein Steuerventil aufweisende Steuerleitung mit Druckflüssigkeit
speisbar sind, wobei die Arbeitsleitungen über ein Rückschlagventil mit einer Pumpe
verbunden sind und ein Steuerdruckgeber in den Steuerleitungen eine Druckdifferenz
zu erzeugen vermag, mit einem richtungsabhängig arbeitenden Schieberventil, bei
dem jeweils Steueröffnungen eines Arbeitsventils und des zugehörigen Steuerventils
gleichlaufend abdeckbar sind und dessen Schieber durch zwei unter Vorspannung stehende
eutralstellungsfedern belastet ist sowie mit je einer Steuerdruckleitung verbundene
Betätigungsdruckkammern aufweist.
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Bei einem bekannten Verstärker dieser Art (US-PS 35 61 488 -Fig. 6)
weist der Steuerdruckgeber zwei mit je einer Steuerleitung verbundene Düsen auf,
zwischen denen eine Platte durch einen kraftbetätigten Motor verstellbar ist. Die
Steuerleitungen sind ferner silber je eine feste Drossel mit der Pumpe verbunden,
die zusammen mit der mehr oder weniger abgedeckten DUse einen Druckteiler ergeben.
Zwischen die Pumpe und die beiden Arbeitsventile ist ein Druckreduzierventil
geschaltet,
das gemäß Beschreibung den Druck hinter dem Reduzierventil gleich dem Druck in der
jeweils wirksamen Steuerleitung machnsoll, aber auch als Rückschlagventil wirkt.
Mit einem solchen Verstärker läßt sich keine mengenpropqtionale Verstärkung vornehmen,
weil mit dem Steuerdruckgeber keine Mengenabmessung möglich ist.
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Es ist ferner bekannt (DE-PS 12 71 553), als Steuerdruckgeber eine
handbetätigte Steuerpumpe zu verwenden. Hierbei werden zwar Steuer-und Arbeitsventile
vom gleichen Stellglied betätigt, sind aber in getrennten Schiebern und getrennt
vom Richtungsventil untergebracht. Hierbei muß aber eine Regelung des Drucks vor
dem Arbeitsentil erfolgen, sei es durch Verwendung eines Druckregelventils oder
einer regelbaren Pumpe.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sehr einfach aufgebauten
hydraulischen Verstärker anzugeben, mit dem eine einstellbare DruckflUssigkeitsmenge
proportional verstärkt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Steu kwber
eine handbetätigbare Steuerpumpe ist, daß jede Arbeitsleitung Uber ein RUckschlagventil
mit der Steuerpumpe verbunden ist und daß jede Steuerleitung mit der Pumpe Uber
ein sich im Betriebszustand geringeren Drucks öffnendes Anpassungsventil, dessen
Öffungsquerschnitt sich proportional zum Öffnungsquerschnitt des zugehörigen Steuerventils
ändert oder so groß ist, daß der an ihm auftretende Druckabfall im Vergleich zum
Pumpendruck klein ist, verbunden ist.
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Bei diesem Verstärker wird dem Servomotor eine Druckflussigkeits menge
zugefUhrt, welche der mittels der Steuerpumpe abgemessenen Steuermenge proportional
ist. Ein Druckregler, welcher den Druck vor dem Arbeitsventil gleich dem Druck vor
dem Steuerventil macht, kann entfallen. Vielmehr ergibt sich die proportionale Verstärkung
dadurch, daß der Druck vor dem Steuerventil
mit zunehmender Steuermenge
in einer bestimmten Gesetzmäßigkeit abnimmt oder aufgrund vernachlässigbar kleiner
Druckabfälle im Steuerkreis annähernd gleich dem Pumpendruck ist, der auch vor dem
Arbeitsventil herrscht. Auf diese Weise gelingt es, eine mengenabhängige Speisung
des Servomotors mit einem einzigen Schieberventil und im Ubrigen nur einfachen Rückschlagventilen
zu erreichen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß jedes
Anpassungsventil ein RUckschlagventil ist. Solche Rückschlagventile führen zu einem
im Vergleich zum Pumpendruck sehr kleinen Druckabfall.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist jedes Anpassungsventil durch
einPTikYtrdem Rückschlagventil in einer der Arbeitsleitungen abzweigenden Leitungen
angeordnetes und im Schieberventil ausgebildetes Sperrventil, das in der Neutralstellung
sperrt und gleichlaufend mit dem zugehörigen Steuerventil öffnet,gebildet. Dieses
Sperrventil ergibt die gewünschte Gesetzmäßigkeit bezüglich des Drucks vor dem Steuerventil,
welche zu einer konstanten Verstärkung führt. Hierbei wird das in der jeweils nicht
benötigten Arbeitsleitung angeordnete Rückschlagventil ausgenutzt, um der Steuerleitung
Druckflüssigkeit zuzuführen.
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Günstig ist es hierbei, wenn Sperrventil und Steuerventil gleichartig
im Schieberventil ausgebildet sind. Damit ergibt sich in Sperrventil und Steuerventil
jeweils der gleiche Druckabfall.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß im Schieberventil
zwischen einer mit einer Motorleitung verbundenen Ringnut und einer mit einer Arbeitsleitung
verbundenen Ringnut eine Rippe vorgesehen ist, die nur geringfügig breiter als die
auf einem gemeinsamen Umfang liegenden Steueröffnungen eines Arbeitsventils und
des zugehörigen Steuerventils ist und diese in der Neutralstellung abdeckt. Die
Steuerventil
-Steueröffnungen werden daher, je nach Verschieberichtung
des Schiebers mit dem Servomotor oder mit der Arbeitsleitung verbunden, so daß sich
im ersten Fall das Steuerventil und im zweiten Fall das Sperrventil ergibt.
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Des weiteren können die Steueröffnungen durch gleich große Löcher
im Schieber ausgebildet sein und beim Arbeitsventil in doppelt so großer Zahl wie
beim Steuerventil vorliegen. Dies ergibt besonders einfache und leicht überschaubare
Verhältnisse.
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Insbesondere lassen sich vier Arbeitsventil-Steueröffnungen und zwei
Steuerventil-Steueröffnungen bequem auf einem Umfang unterbringen.
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Ferner kann in Reihe mit dem Anpassungsventil eine Einstelldrossel
vorgesehen sein. Hiermit läßt sich die Linearität der Mengenverstärkung am oberen
Ende der Verstärkungscharakteristik verbessern.
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Die Rückschlagventile sind zweckmäßigerweise durch eine Feder belastet.
Diese Feder kann schwach ausgelegt sein, um unzulässig hohe Druckabfälle zu vermeiden,
stellt aber sicher, daß die Rückschlagventile in der Ruhestellung sicher schließen.
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Hierbei können die Federn der Rückschlagventile auch einstellbar sein.Hiermit
läßt sich nicht nur generell eine Anpassung der Ventile aneinander vornehmen, sondern
auch eine Verbesserung der Linearität am unteren Ende der Verstärkungscharakteristik
erzielen.
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Jede Steuerleitung kann über ein zu ihr hin öffnendes Rückschlagventil
mit dem Tank verbunden sein. Dann läßt sich die Steuerpumpe auch als Pumpe für den
Notbetrieb verwenden.
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Mit besonderem Vorteil ist die Pumpe in der Neutralstellung des Schiebers
mit dem Tank verbunden. Damit wird die Leistung der Pumpe klein gehalten, bis mittels
der Steuerpumpe
ein Steuerdruck aufgebaut wird, ohne daß eine druckabhängig
geregelte Pumpe verwendet wird.
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Insbesondere kann die Steuerpumpe zwischen Pumpe und Tank ein Kurzschlußventil
aufweisen, das in Abhängigkeit von der Betätigung des Handbetätigungsorgans schließt.
Sobald die Steuerpumpe betätigt wird, wird der Kurzschlußpfad gedrosselt, so daß
sich der gewünschte Arbeitsdruck aufbauen kann.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten
Ausführungsform eines hydraulischen Verstärkers, Fig. 2 einen Schnitt durch das
verwendete Schieberventil und Fig. 3 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform.
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Gemäß Fig. 1 fördert eine Pumpe 1, die durch einen Motor 2 antreibbar
ist, Druckflüssigkeit mit einem Druck PO aus einem Tank 3 zu einem Servomotor 4.
Ein Überdruckventil 6 kann ansprechen, wenn der Druck zu groß werden sollte. Von
einem Veraweigungz 7 aus gehen zwei Arbeitsleitungen 8 und 9 ab, in denen je ein
federbelastetes Rückschlagventil 10 bzw. 11 angeordnet ist. Sie münden in je eine
Ringnut 12 bzw. 13 eines 5 hieberventils 14, das ein erstes Arbeitsventil 15, welches
die beitsleitung 8 über eine Motorleitung 16 mit dem einen Druckraum 17 des Servomotors
verbindet, und ein zweites Arbeitsventil 18, welches die Arbeitsleitung 9 über eine
zweite Motorleitung 19 mit dem Druckraum 20 des Servomotors 4 verbindet, aufweist.
Je nach Verstellrichtung des Schiebers 21 des Schieberventils 14 ist dann die jeweils
andere Motorleitung 19 über eine Ringnut 22 und eine Tankleitung 23 mit dem Tank
3 verbunden.
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Als Mengeneinstellvorrichtung dient eine Steuerpumpe 24, die mittels
eines Lenkhandrades 25 betätigbar und mit zwei Steuerleitungen 26 und 27 verbunden
ist. Die Steuerleitung 26 ist über ein zu ihr hin öffnendes Rückschlagventil 28
und die Steuerleitung 27 über ein Rückschlagventil 29 an den Tank angeschlossen.
beide Steuerleitungen führen zu einer Betätigungsdruckkammer 30 bzw. 31 an den Stirnenden
des Schiebers 21, wo auch eine Neutralstellungsfeder 32 bzw. 33 angeordnet ist.
Vom Betätigungsdruckraum 30 führt eine Verbindung zu einem Sperrventil 34 und einem
Steuerventil 35. Von der Betätigungsdruckkammer 31 führt eine Verbindung zu einem
sperrt ventil 36 und zu einem Steuerventil 37.
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Wie Fig. 2 genauer zeigt, ist der Schieber 21 in einem Gehäuse 38
angeordnet. Die Neutralstellungsfedern 32 und 33 stützen sich jeweils an einer Scheibe
39 bzw. 40 ab, die ihrerseits an einer Stufe 41 bzw. 42 des Gehäuses anzuliegen
vermag. Auf diese Weise haben diese Federn eine definierte Vorspannung.
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Zwischen der Ringnut 12 und der mit der Motorleitung verbundenen Ringnut
43 befindet sich eine Rippe 44, welche Arbeitstentil-Steueröffnungen 45 am Ende
eines Verbindungskanals 46 und Steuerventil-Steuerdffnungen 47 am Ende eines Verbindungskanals
in der Neutralstellung überdeckt, wobei die genannten Steueröffnungen auf einem
Umfang liegen und durch eine gemeinsame Steuerkante 49 übersteuert werden. Durch
das Zusammenwirken der Steueröffnungen 47 mit der Steuerkanteh50 an der anderen
Seite der Rippe 44 ergibt sich das Sperrventil 34.
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In ähnlicher Weise überdeckt eine Rippe 51, die zwischen der Ringnut
13 und der Motorleitung 19 verbundenen Ringnut 52 angeordnet ist, Arbeitsventil-Steueröffnungen
53 am Ende eines Verbindungskanals 54 und Steuerventil-Steueröffnungen 55 am Ende
eines Verbindungskanals 56. Auch hier liegen die Steueröffnungen auf einem Umfang
und werden durch eine gemeinsame Steuerkante 57 an der einen Seite der Rippe 51
zur Bildung des Arbeitsventiis 18 und des Steuerventils 37 übersteuert. Bei
einer
bewegung des Schiebers 21 in der anderen Richtung werden die Steuerventil-Steueröffnungen
55 von der Steuerkante 58 zur Bildung des Sperrventils 36 übersteuert. Zweckmäßigerweise
sind auf einem Umfang zwei Steuerventil- Steueröffnungen und vier Arbeitsventil-Steueröffnungen
jeweils von der gleichen Größe vorgesehen.
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Mit der Steuerpumpe ist ein Kurzschlußventil 59 verbunden, das in
einem Kurzschlußpfad 60 zwischen dem Pumpenausgang 7 und dem Tank 3 liegt. Dieses
Kurzschlußventil steht offen,rwenn das Handrad 25 nicht gedreht wird. Es schließt,
wenn das Handrad 25 zur Abgabe einer Steuermenge durch die Steuerpumpe 24 gedreht
wird, und öffnet wieder, wenn die Drehung beendet ist.
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Hierbei kann der Öffnungsquerschnitt sofort bei der Betätigung vollständig
schließen oder mit steigender Drehgeschwindigkeit allmählich geschlossen werden.
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Es sei angenommen, daß im Betrieb das Handbetätigungsorgan 25 so gedreht
wird, daß die Steuerpumpe 24 Druckflüssigkeit von der Steuerleitung 27 zur Steuerleitung
26 fördert, also in letzterer ein höherer Druck als in der Steuerleitung 27 herrscht.
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Gleichzeitig wird das Kurzschlußventil 59 geschlossen, so daß sich
der Pumpendruck PO aufbaut. Sobald die Druckdifferenz an der Steuerpumpe 24 den
Wert » p3 überschreite der notwendig ist, um die Vorspannung der Neutralstellungs
eder 33 zu über winden, bewegt sich der Schieber 21 nach rechts, wodurch zunächst
das Steuerventil 35 und das Arbeitsventil 15 öffnen und unmittelbar darauf der Rückfluß
zum Tank 3 freigegeben wird. Gleichzeitig öffnet das Sperrventil 37. Nunmehr ergibt
sich ein Arbeitsstrom von der Pumpe 1 über das Rückschlagventil 10 zur Ringnut 12
und weiter über das Arbeitsventil 15 zum Servomotor 4. Gleichzeitig ergibt sich
ein Steuerstrom von der Pumpe 1 über das Rückschlagventil 11, das Sperrventil 36,
die Steuerpumpe 24 und die Steuerleitung 26 zum lbetätigungsdruckraum 30 und weiter
über das Steuerventil 35 zum Servomotor.
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Die Druckabfälle - n p1 an den Rückschlagventilen 10 und 11 sowie
den Druckaufbau + h p3 in der Steuerpumpe 24 kann man mit Bezug auf den Pumpendruck
PO vernachlässigen. Diese Werte können bei einem Pumpendruck von 100 bar je unter
ein bar liegen. Nicht zu vernachlässigen ist der Druckabfall - b p2 am Sperrventil
36. Da dieses Sperrventil den gleichen Aufbau haben soll wie das Steuerventil 35
und demzufolgean beiden derselbe Druckabfall auftritt, stellt sich in Betätigungsdruckkammer
30 ein Steuerdruck P5 ein, der mit Bezug auf den Druck Pa in der Ringnut 12 so bemessen
ist, daß der Druckabfall am Steuerventil 35 halb so groß ist wie der Druckabfall
am Arbeitsventil 15.
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Berücksichtigt man ferner, daß der Öffnungsquerschnitt beim Arbeitsventil
doppelt so groß ist wie der Öffnungsquerschnitt beim Steuerventil, so ergibt sich
ein Verstärkungsverh,altnis von 3,83 : 1, das fast über deh gesamten Aussteuerbereich
konstant bleibt.
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Im Notsteuerbetrieb, wenn die Pumpe 1 ausfällt, kann der Servomotor
4 durch Betätigen des Handrades 25, allerdings mit einer größeren Zahl von Umdrehungen,
verstellt werden.
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zwei der Ausführungsform nach Fig-.3 sind für entsprechende Teile
um 100 erhdhte Bezugs zeichen gegenüber Fig. 1 und 2 verwendet. Ein wesentlicher
Unterschied besteht darin, daß der Verzweigungspunkt 7 nicht nur über Rückschlagventile
110 und 111 mit den Arbeitsleitungen 108 und 109, sondern außerdem über Rückschlagventile
166 und 167 mit den Steuerleitungen 126 und 127 verbunden ist. Außerdem sind die
Federn 168 bis 171 der RUckschlagventile 110, 111, 166 und 167 einstellbar. Ferner
ist in Reihe mit dem Rückschlagventil 166 eine einstellbare Drossel 172 und in Reihe
mit dem Rückschlagventil 167 eine einstellbare Drossel 173 geschaltet. Durch Einstellung
der Federn 168 bis 171 läßt sich die Verstärkungscharakteristik im unteren Ende
korrigieren, durch Einstellen der Drosseln 172 und 173 im oberen Ende.
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Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß eine einfache Handpumpe
124 verwendet ist und der Pumpenausgang über eine Kurzschlußleitung 160 mit einem
Kurzschlußventil 161 im Schieberventil 114 mit dem Tank 3 verbunden ist. Zu diesem
Zweck arbeiten Steueröffnungen 162, die mit Tankrtickleitungen 163 verbunden sind,
mit einer Ringnut 164 zusammen, die mit der Pumpe verbunden sind. Dieses Kurzschlußventil
161 schließt, sobald sich der Schieber 121 aus seiner Neutralstellung bewegt.
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Auch hier sei angenommen; daß im betrieb mittels der Steuerpumpe 124
ein Druck 5 p3 erzeugt werde, durch den der Schieber 121 nach rechts verschoben
wird. Dann fließt ein Arbeitsstrom von der Pumpe 101 über das Rückschlagventil 110
zur Ringnut 112 und weiter über das Arbeitsventil 115 zum Servomotor 104. Gleichzeitig
ergibtsich ein Steuerstrom von der Pumpe 101 über das Rückschlagventil 167, die
Steuerpumpe 124 zum Betätigungsdruckraum 130 und weiter über das Steuerventil 135
zum Servomotor. Da hierbei die Druckabfälle - # P1 am Rückschlagventil 110 und -
4 p4 am Rückschlagventil 167 sowie der Druckaufbau a p3 an der Steuerpumpe gegenüber
dem Pumpendruck PO sehr klein sind, beispielsweise bei PO = 100 bar in der Grß.nordnung
von 1 bar oder darunter liegen, ist der Steuerdruck PS im Be tätigungsdruckraum
130 etwa gleich dem Arbeitsdruck Pe in der Ringnut 112, so daß sich bei vier Arbeitskreis-Steueröffnungen
und zwei Steuerkreis-Steueröffnungen ein Verstärkungsverhältnis von 3 : ter)t Druck
P5 kann auch genau gleich dem Druck Pa gemacht werden, wenn durch Einstellung der
Federn der Rückschlagventile dafür gesorgt wird, daß - Ap4 + 4 P3 OP1 ist.
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Statt der Kurzschlußventile 59, 161 kann auch eine druckabhängig gesteuerte
Pumpe verwendet werden.
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