DE3204067A1 - Hydraulischer schwenkantrieb - Google Patents

Description

Hartmann &< Lämmle P 81 123

GmbH & Co. KG 29.12.1981

Schuckertstraße 15

7255 Rutesheim

Hydrau 1ischer Schwenkantrieb

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Schwenkantrieb mit einem Drehkolbenmotor, der mindestens zwei durch einen Flügel gegeneinander abgesetzte Arbeitsdruckräume aufweist, die alternativ an die Hoch- bzw. Niederdruckseite des hydraulischen Druckversorgungssystems anschließbar sind.

Charakteristisches Merkmal solcher Schwenkantriebe ist, daß bei vorgegebener Auslegung auf eine bestimmte Antriebsleistung bzw. -kraft deutlich kleinere Bauabmessungen erforderlich sind als z.B. bei Linearmotoren. Weiter ist günstig, daß der Schwenkwinkel, der bei Drehkoiben-Hydrozylindern bis zu 320 betragen kann, deutlich größer ist als bei einem z.B. als Lenkerantrieb ausgebildeten Schwenkantrieb, bei dom ein Linearmotor als Lenker veränderbarer Länge angesetzt ist - der maximale Schwenkwinkel ist in üior.oin Falle deutlich kleiner als 180 - und daß in jeder Drehlage und -richtung des Flügels des Drehkolben-Hydro-■/.yliridcr:; die? volle hydraulische? Kraft/ in Schwenk-

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richtung gesehen, ausnutzbar ist.

Einer universellen Ersetzbarkeit von Drehkolben-Hydrozylindern im Rahmen hydraulischer Schwenkantriebe stehen jedoch in praxi folgende Nachteile der Urehkolben-Hydrozylinder entgegen:

Infolge der relativ geringen, zwischen den beiden Arbeitsdruckräumen des Drehkolben-Hydrozylinders in Drehrichtung des Flügels gemessenen Länge 1 des zwischen diesem und dem Zylindergehäuse verbleibenden Spaltes, die die Leckölverluste im Sinne einer reziproken Gesetzmäßigkeit wesentlich beeinflußt, treten bei Drehkolben-Hydrozylindern im allgemeinen wesentlich größere Leckverluste auf als z.B. bei LinearmoLoren, bei denen durch eine hinreichend langgestreckte Gestaltung des Kolbens der Strömungswiderstand des zwischen den Druckräumen verbleibenden Spaltes hinreichend groß gewählt werden kann, um eine geeignete Minimierung der Leckverluste zu gewährleisten.

Hydraulische Schwenkantriebe, bei denen es darauf ankommt, das schwenkbar angetriebene Teil innerhalb des möglichen Schwenkbereichs in einer definierten Position anhalten und diese Position aufrechterhalten zu können, sind daher in aller Regel als Lenkertriebe mit einem als Lenker variabler Länge wirksamen hydraulischen Linearmotor ausgebildet.

Zwar ist es, um bei Drehkolben-Hydrozylindern die genannten Leckverluste auf möglichst niedrige Werte zu begrenzen, durch das deutsche Gebrauchsmuster G 81 14 452.0 bekannt, deren Drehflügel zwischen

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Flanschen der Abtricbswelle des Drehkolben-Hydrozylinders anzuordnen, die durch Kreisring-Kolbendichtungen gegen das Zylindergehäuse abgedichtet sind, wobei sich die wirksame Breite b des den Leckverlust bestimmenden Spaltes auf die zwischen diesen Flanschen gemessene axiale Ausdehnung des Drehflügels reduziert, und gleichzeitig unter Ausnutzung höchster Fertigungsgenauigkeit die zwischen dem Drehflügel und dem Zylindergehäuse gemessene Spalthöhe h auf niedrige Werte zu beschränken, um dadurch bei vorgegebener Spaltlänge 1 den Strömungswiderstand des Spaltes so hoch wie möglich zu halten; dadurch wird zwar der Leckölverlust soweit reduziert, daß tier Schwenkflügel und damit auch ein mit dessen Welle gekoppeltes Maschinenteil innerhalb seines Schwenkbereiches mit guter Genauigkeit in einer definierten Position gehalten werden kann, jedoch wird durch die Kolbendichtung eine erhöhte Haftreibung in das Schwenk-Antriebssystem eingeführt, die zur Folge hat, daß insbesondere in den Anlauf- und auch in den Anhaltephasen einer Schwenkbewegung Stick-Slip-Uffekte auftreten, wenn die Umfangsgeschwindigkeit im Spaltbereich den Wert unterschreitet, oberhalb dessen die im Vergleich zur Haftreibung kleinere Gleitreibung den Widerstand bestimmt, gegen den die Bewegung des Drehkolbens erfolgt. Die weitere Folge davon ist, daß der Drehkolben nicht mit stetiger Verzögerung sanft in eine vorgegebene Endstellung einläuft, sondern sich dieser ruckartig nähert und im allgemeinen in einer Stellung stehenbleibt, die nicht genau der vorgesehenen Soll-Endlage entspricht. Diese Schwierigkeit läßt sich auch nicht dadurch vermeiden, daß z.B. eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die aus einer Erfassung des Istwertes der Kolben-

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■ Steilung und Vergleich dieses Istwertes mit-'dem vorgegebenen Sollwort eine Nachführung des Drchkolbens in seine Sollago vermitteln soll, da eine solche Regeleinrichtung - wegen des Stick-Slip-KfCektes in der Nähe der Sol lage gleichsam eine Auf schaukelung entgegengesetzter Nacht uhrbewegungen des Drehkolbens vermittelt, so daß dieser in der Sollage nicht ruhig stehenbleibt und etwa mit der Regelfrequenz der Regeleinrichtung Rüttelbewegungen ausführt, was in praktischen Fällen nicht hingenommen wcvrden kann.

Die bislang bekannten Schwenkantriebe sind daher in Fällen, in denen es darauf ankommt, daß der Schwenkantrieb gegen eine durch eine Last bestimmte Rückstellkraft eine bestimmte Schweriklage einnehmen und diese mit hoher Genauigkeit halten kann, in aller Regel nicht geeignet.

Es kommt hinzu, daß bekannte hydraulische Schwenkantriebe, die mit Dichtungen, z.B. den erwähnten Kolbendichtungen, vorsehen sind, auch einem erheblichen Verschleiß unterworfen sind und daher ständig auf ihre Funktionstüchtigkeit überprüft werden müssen und insoweit auch einen hohen Wartungsaufwand erfordern.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Schwenkantrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, der unter zuverlässiger Vermeidung von Stick-Slip-Effekten eine genaue Einstellung eines vorgegebenen Schwenkwinkels des Drehflügeis und eines damit gekoppelten Maschinenelements ermöglicht, der weitestgehend

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verschleiß- und wartungsfrei ist und dabei einfach und raumsparend aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale auf einfache Weise gelöst.

Hiernach ist vorgesehen, die zur Einhaltung einer bestimmten Drehlage erforderliche Druckdifferenz zwischen den durch den Drehflügel gegeneinander abgesetzten Druckräumen des Drehkolben-Hydrozylinders mittels eines geeigneten Reglers aufrechtzuerhalten und - in Abstimmung auf die maximale Regelfrequenz dieses Reglers die Spalthöhe innerhalb einer durch die Regelfrequenz des Reglers vorgegebenen Sicherheitsmarge möglichst groß zu wählen.

Im Ergebnis wird dadurch zwar ein beträchtlicher, vom Hochdruckraum zum Niederdruckraum und von diesem 2um Tank fließender Leckölstrom in Kauf genommen, der, auf die Zeiteinheit bezogen, in der Größenordnung des Kammervolumens liegen kann, was aber insoweit unerheblich ist, als die Hochdruckpumpe ohnehin ständig arbeiten muß. Dafür werden für ein Dreh-Antriebsaggregat üblicher Dimensionierung zumindest die folgenden entscheidenden Vorteile erzielt:

Bedingt durch eine im Vergleich zum bekannten Drehantrieb vergrößerte Spaltweite h werden die einzuhaltenden Fertigungstoleranzen bezüglich des Drehkolben-Hydrozylinders drastisch heruntergesetzt und damit dessen Herstellungsaufwand und -kosten erheblich

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erniedrigt. Durch den damit oirthorgehenden Wegfall von Dichtungüflansclu-n und Kulbendichtungen wird ein wesentlich einfacherer Aufbau dos Drehkolben-Hydroz.ylInders möglich. Mit einer Haftreibung verknüpfte Stick-Slip-Effekto entfallen völlig und es wird, da für den Reibungswiderstand nur Gleitreibungseffekte in Betracht kommen, praktisch eine reibungs-verlustfreie Gestaltung des Drehkolben-IIydrozy linders ermög" licht. Dadurch werden drastisch erhöhte Standzeiten erreicht. Insgesamt ist eine Gestaltung eines Drehkolbcn-Hydrozylinders angegeben, die in sinnvoller Kombination mit einem Regler erst den Einsatz eines Drehkolben-Hydrozylinders zum Zweck einer Positionsstabilisierurxj bzw. als Positionier-Antrieb ermöglicht.

Grundsätzlich sind im Rahmen der Erfindung alle Typen von Reglern geeignet, die eine erwünschte Drehlagenstabilisierung vermitteln können.

Vorteilhaft ist es, wenn die Regelfrequenz eines in Kombination mit dem Drehkulben-Uydrozylinder vorgesehenen Reglers möglichst hoch ist.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 ist eine diesbezüglich günstige Klasse? von Reglern spezifiziert, die gegenüber elektronisch-hydraulischen Reglern den Vorzug einer um etwa einen Faktor 5 höheren Regelfrequenz aufweisen. Eine geeignete Ausbildung eines solchen Reglers ist durch die Merkmale des Anspruchs 3 näher umrissen.

In Verbindung damit ist durch die Merkmale des Anspruchs 4 eine Auslegung eines solchen Reglers in

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Verbindung mit einer speziellen Gestaltung und Üiinensionierung des Drehkolben-llydrozylinders angegeben, die eine günstig niedrige, maximal etwa 0,5 betragende Winkelabwoichung dos Flügels des Drchkolbenllydro/ylinders von einer vorgegebenen Sollage ergibt und bei sinngemäßer Anpassung seiner Dimensionen an vorgegebene Randbedingungen eine fertigungstechnisch einfache Ausführung desselben ermöglicht.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung» Hs zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Schwenkantrieb in vereinfachter schoiuatischer Längsschnitt-Darstellung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 11-11 der Fig. 1 und

Fig. 3a bis 3c

in stark vereinfachter, schematischer Darstellung verschiedene Bctriebszustände des Schwenkantriebs gemäß Fig. 1 zur Erläuterung seiner Funktion.

Im Rahmen des in den Fig. 1 und 2, auf deren Einzelheiten ausdrücklich verwiesen sei, dargestellten erfindungsgemäßen Schwenk- bzw. Drehantriebes 10 ist als Antriebseinheit ein Drehkolben-Hydrozylinder.11

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vorgesehen, in dessen Gehäuse 12 durch einen im Querschnitt sektorförmigen Drehflügel 13 und eine im yuerschniLt" ebenfalls sokturförmige radiale Trennwand 14 zwei Druckräuiue 16 und 17 gegeneinander abgegrenzt sind, durch deren alternativen Anschluß an den Druck(P)-Ausgang der nicht dargestellten Hochdruckpumpe bzw. den Tank des hydraulisches Versorgungssystems der Drehflügel in den durch die beiden Pfeile 18 und 19 angegebenen Bewegungsrichtungen antreibbar ist. Der Drehflügel 13 ist mittels einer Welle 21 an den massiven End-Stirnplatten 22 und 23 des Zylindergehäuses 12 um dessen zentrale Längsachse 24 schwenkbar gelagert. Der zwischen seinen möglichen Schwenk-Endlagen gemessene maximale Schwenkwinkel beträgt beim dargestellten speziellen Ausführungsbeispiel 270°. Um den Drehflügel 13 unter dem Einfluß oiner an der Abtr iobswclle 26 des Drehkolben-llydro-Zylinders 11 angreifenden Last in beliebige, jedoch definiert vorgebbare Schwenklagen zwischen den beiden Endstellungen, in denen er an der einen oder der anderen Seite 27 oder 28 der Trennwand 14 anliegt, bringen und gegebenenfalls in dieser Schwenklage halten zu können, ist eine insgesamt mit 31 bezeichnete Regeleinrichtung vorgesehen, über die sowohl die Vorgabe des Sollwertes der jeweils gewünschten Schwenklage des Drehflügels 13 wie auch deren "Stabilisierung durch zweckentsprechende Regelung der Drücke in den beiden Druckräumen 16 und 17 des Drehkolben-IIydrozylinders erfolgt.

Funktionswesentlicher Bestandteil dieser Regeleinrichtung ist ein insgesamt mit 32 bezcichnoLes, al:;

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4/3-Ventil ausgebildetes Nachlauf-Kegelventil, das in den Fig. 3a bis 3c in seinen verschiedenen möglichen Funktionsstellungen dargestellt ist.

In einer mit I bezeichneten ersten Durchflußstellung ist über den durch den Pfeil 33 repräsentierten Strömungspfad des Nachlauf-Regelventils 32 der eine Druckraum 16 des Drehkolben-Hydrozylinders 11 an die Hochdruckseite der Pumpe und über den durch den Pfeil repräsentierten Strüinunqspfad des Nachlauf-Regelventils 32 der andere Druckraum 17 an den Tank des im übrigen nicht dargestellten hydraulischen Druckversorgungssystems angeschlossen. Der Drehkolben 13 des Hydrozylinders 11 ist in diesem Falle in der durch den Pfeil 18 angegebenen Drehrichtung beaufschlagt. In der in der Fig. 3b mit 0 bezeichneten Funktionsstellung des Nachlauf-Regelventils sind beide Druckräume 16 und 17 des Drehkolben-Hydrozylinders 11 gegen die Pumpe bzw. den Tank des hydraulischen Druckversorgungssystems abgesperrt und der Drehflügel 13 bleibt, jedenfalls soweit Lockülverluste ausgeschlossen oder vernachlässigbar sind, in seiner eingenommenen Schwenklage stehen.

In der in der Fig. 3c mit II bezeichneten, zweiten Durchflußstellung dos Nachlauf-Regelventils 32 ist über den durch den Pfeil 36 bezeichneten Strömungspfad dieses Ventils 32 der Druckraum 17 des Drehkolben-Hydrozylinders 11 an den Druckausgang der Pumpe und über den durch den Pfeil 37 repräsentierten Strömung.üpfad des Nachlauf-Regelventils 32 der andere Druckraum 16 des Drchkolben-llydrozylindei s 11 an den Tank des hydraulischen Druckversorgungssystems an-

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geschXosson, Per Drehflügel 13 ist in diesem l-'aliu in aar durch don I¹UoU 19 ropräsentiarton Urchriehtung druckbeaufsehiagt, , . ■

Zur Realisierung dor ".insoweit crrlUuterten Punktionen des NachXauf"RegoXventils 32 sind in dessen Rahmen insgesamt vier Sitzventile 38 und 39 bzw, 41 und 42 vorgesehen, die in der aus der Fig, T ersiehtlichen Anordnung in einem gerneinsaraen Gehäuse 43 unterge" bracht sind. "

Diese Ventiie 38, 39, 41 und 4 2 haben je einen im wesentiichen kegeXstumprförmigen Ventilkörper 44 und einen kreisringförmigon, gehäuseCobten Ventiiaitx 46. Durch vorgespannte Druck-WendeiEodern 47 werden diese Ventilkörper 46 in die SperrstcXlung dieser Ventile 38, 39, 41 und 42 gedrangt. Die Ventil© 38, 39, 41 und 42 sind symmetrisch bezüglich der rechtwinklig zur zentralen Achse 24 des Schwenken tr iebos 10 verkaufenden yuermittelebene 48 dos Gehäuses 43 de§ Nach" lauf-Regelventily 32 angaordnet, wobui die VentilkOr» per 44 der bezüglich dieser Quarmittelebene 48 einan¹™ der gegenüberliegend angeurdnoten Ventil© 3$ und 42 bzw, 39 und 41 jeweils entlang einer parallel zur Längsachse 24 des Schwonkantriebos 10 parallel verlaufenden Achse 49 bzw, so geführt verschiebbar sind,

In der dargestellten Sperrstellung dos Nachlauf™ Regelventils 32, die der O-Stellung der Pig, 3b entspricht, sind alle vier Sitzventile 38, 39, 41, 42 geschlossen und die Ventilkörper 44 sind über je einen Stift 51 an einem radial-flanschförmigen Betätigungs™ glied 52 abgestützt, das in dem Gehäuse 4 3 in Richtung

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dessen Längsachse 24 geführt hin- und herverschiebbar angeordnet ist. Das Betätigungsglied 52 sitzt fest auf einer rohrförmigen Hülse 53, die in einer zentralen Bohrung 54 des Gehäuseblocks 43 des Nachlauf-Regelventils 32 in Richtung der zentralen Achse 24 hin- und herverschiebbar geführt ist. In dieser Hülse ist drehbar eine langgestreckt-rohrförmige Spindelmutter 56 gelagert, deren Gewindelrillen 57 über Umlaufkugeln 58 mit dem Gewinde 59 einer Spindel 61 in Eingriff stehen, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel die axiale Verlängerung der Welle 21 des Drehflügels 13 des ürehkolben-Hydrozylinders 11 bildet und fest mit dieser Welle 21 verbunden ist.

Für den Fall, daß das schwenkbare Teil der Antriebseinheit nicht, wie dargestellt, der Drehflügel 13 ist, sondern das Gehäuse 11 des Hydraulikmotors, ist dieses mit der Spindel 61 fest verbunden und dafür der Flügel starr mit dem Gehäuse 43 des Nachlauf-Regelventils 32 verbunden.

Die das Betätigungsglied 52 tragende Hülse 53 erstreckt sich zwischen den inneren Lagerringen 62 und 63 von Axialkugellagern 64 und 66, deren äußere Lagerringe 67 und 6 8 in der aus der Fig. 1 ersichtlichen Anordnung verschiebe- und drehfest auf der Spindelmutter 56 sitzt. Dadurch kann die Hülse 53 bzw. das Betätigungsglied 52 axialen Verschiebebewegungen der Spindelmutter 56, die aus einem Verdrehen derselben oder der Spindel 61 resultieren, folgen, ohne selbst Drehungen der Spindelmutter 56 mit auszuführen.

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Die Spindelmutter ist entweder direkt, oder wie dargestellt, über ein geeignetes Getriebe formschlüssig mit der Abtriebswelle 69 eines Sehrittmotors 71 gekoppelt, durch dessen zweckgerechte elektrische Ansteuerung die Spindclmuttcr um definierte, vorgebbare Winkelbeträge drehbar ist.

Wird die Spindelmutter in Richtung des Pfeils 72 um einen definierten Winkel P₁ im Uhrzeigersinn gedreht, so hat dies zunächst zur Folge, daß das Betätigungsglied 52 in Richtung des Pfeils 73 in axialer Richtung verschoben wird, wodurch die beiden Sitzventile 38 und 39, die gemäß Fig. 1 im linken Teil des Ventilgehauses 32 angeordnet sind, öffnen, während die im rechten Teil des Ventilgehäuses 32 angeordneten Sitzventile 41 und 42 geschlossen bleiben. Das Nachlauf-Regelventil 32 befindet sich jetzt in der in der Fig. 3a dargestellten ersten Durchflußstellung 1, in der der eine Druckraum 16 den ürehkolben-IIydrozylinders 11 über den jetzt offenen Strömungspfad 33 an den Hochdruckausgang der Pumpe und der andere Druckraum 17 des Drehkolben-Hydrozylinders'11 an den Tank des hydraulischen Druck-Versorgungssystems angeschlossen sind. Der Drehflügel 13 des Drehkolben-Hydrozylinders 11 dreht sich jetzt im Uhrzeigersinn in Richtung des Pfeils 18 (Fig. 3a), mit der Folge, daß über die durch den Spindcltrieb 57, 61 vermittelte mechanische Rückmeldung bzw. Gegenkopplung das Betätigungsglied 52 seine in der Fig. 1 dargestellte Neutralstellung gerade dann wieder einnimmt, wenn der Schwenkwinkel des Drehflügels 13 dem Winkel P_R entspricht, um den

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die Spindelmutter 56 «lurch Ansteuerung des Schrittmotors 71 gedreht worden ist. Die schrittmotor-gesteuerte Vorgabe eines bestimmten Drehwinkels der Spindelmutter 56 bewirkt somit die Sollwertvorgabe eines bestimmten Schwenkwinkels für den Schwenkantrieb 10. Erfolgt nun, z.B. durch den Einfluß einer an der Abtriebswelle 26 des Drehkolben-Hydrozylinders 11 angreifenden Last, nachdem der Drehflügel 13 seine mit der Neutralstellung (Fig. 3b) des Nachlauf-Regelventils 32 verknüpfte Soll-Drehlage erreicht hat, eine weitere Drehung des Drehflügels 13 im Uhrzeigersinn, so bewegt sich das Betätigungsglied 52 wegen der durch den Spindeltrieb 56, 61 vermittelten mechanischen Kopplung mit dem Drehflügel 13 in Richtung des Pfeils 74, wodurch nunmehr die Sitzventile 41 und 42 in ihre Offen-Stellung gelangen und das Nachlauf-Regelventil 32 eine in der Fig. 3c dargestellte Funktionsstellung einnimmt, in der der Drehflügel 13 in der entgegengesetzten, durch den Pfeil 19 repräsentierten Drehrichtung beaufschlagt ist. Die dadurch bedingte Rückdrehung des Drehflügels 13 endet, sobald wieder die in der Fig. 1 bzw. in der Fig. 3b dargestellte Neutralstellung des Betätigungsgliedes 52 des Nachlauf-Regelventils 32 erreicht ist.

Das Nachlauf-Regel.vent i.l 32 wirkt insoweit als mechanisch-hydraulischer Analogregler, der, unabhängig davon, welcher Art die.» Störgrößen sind, die eine Abweichung der Drehlage des Drehflügels 13 in seiner Sollage verursachen können, eine wirksame Ausregelung dieser Störgrüßen vermittelt, wobei die Regelfrequenz f dieses Anaiogreglers wegen der direkten,

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durch den Spindeltrieb 56/ 61 vermittelten mechanischen Rückmeldung der Stellung des ürehflügeis' T3 auf die Stellung des Betütigungsgliedes 52 günstig ,hoch

-■ ■ ■ . · ^:. ■ «1 ■ ■ ■ ist und in typischen Fallen 500 s !beträgt und in günstigen Fällen noch deutlich höher sein kann»

Um .bei einem erf indungsgemäßen SchwenHantriebfT ζ.Β, dem Schwenkantrieb 10 gomSi3 Fig. 1_f die im Sinne der Erfindung beabsichtigten günstigen Bigenschaftan, nämlich hohe Positiüns-Ualtegenauigkeit einer vorgegebenen Schwenklage des Drehflügels 13 und weitgehende Verschleiß- und Reibungsfreiheit des DrehkQlben-Hydrozylinders 11 bei gleichzeitig einfachem Aufbau desselben zu erzielen, sind bei diesem die Spaltweiten zwischen dem jeweils drehbaren und dem feststehenden Teil, hier dem Drehflügel 13 mit seiner Welle und dem Gehäuse 12 so gewählt» daß einerseits d@r mit dem DrehkQiben»HydrqE](fliiKl©f ti v©risnüpfte Sisiaydf« keits- und Hers te llungs.-aufT wand gering ist, andererseits aber eine sich als Lockölverlust Q^ lußernde Störgröße innerhalb eines hinnehmbaren Positionsfehler s cT0 durch die Regeleinrichtung 31 ausgeregelt werden kann.

Unter der realistischen Annahme* daß ein solcher Leckölverlust Q, im wesentlichen durch die Menge desjenigen Hydrauliköls bestimmt ist, das im Betrieb des DrehHolben-Hydrozylinders 11 von der unter hohem Druck stehenden Kammer in die mit dem Tank verbundene Kammer überströmt, gilt im Falle des prehkolben-Ilydrozylinders 11 gemäß den Fig. 2a und 2b in guter Näherung die folgende Beziehungs

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In dieser Beziehung bedeuten:

b₁ die in Richtung der Längsachse 24 gemessene Breite der gewölbten Spalte 76 und 77 zwischen dem Drehflügel 13 und dem Zylindergehäuse 12 bzw. zwischen der Welle 21 des Drehflügels und der Trennwand 14 des Gehäuses,

h- und h„ die in radialer Richtung gemessenen lichten Weiten der Spalte 7C und 77,

I₁ und 1~ die in Umfangsrichtung gemessenen Längen der Spalte 76 und 77,

R den Innenradius des Zylindergehäuses 12 und

r don Radius der Welle 21 bzw. (R - r) die in radialer Richtung gemessene Breite der radialen Spalte 78 und 79 zwischen den Stirnwänden 81 und 82 des Zylindergehäuses und dem Drehflügel 13,

h₃ die in axialer Richtung gemessene lichte Weite dieser radialen Spalte 78 und 79, die für beide Spalte als gleich groß angenommen ist, und

I-, die zwischen den in axialer Richtung verlaufenden Basiskanten 83 und 84 gemessene Bogenlänge des Wellenumfangskreises, d.h. (I₁ + 1₂)/2 den Mittelwert der in Drehrichtung gemessenen Länge der radialen Spalte 78 und 79. Mit der realistischen Annahme, daß die Spaltweiten h^, h₂ und h, jeweils denselben Wert h haben, und daß die in Drehrichtung gemessenen Spalt längen 1.. und 1- der Spalte 76 und 77 zwischen dem Drehflügel 13 und dem Zylindergehäuse 12 bzw. der Flügelwelle 21 und der Trennwand 14 den Wert L haben mögen, vereinfacht sich die Beziehung (1) zu:

h³ /2 bT + 2 (R - r) ) (2)

I ' J

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/2 bT + 2 (R - r) )

I L (L'+ l₃)/2 J

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Unter der weiteren realistischen Annahme, daß der maximale Schwenkwinkel des Drehflügels 13 270° betrage, folgt dann, daß der Sektorwinkel P , den die in Radialebenen des Drehkolben-Hydrozylinders 11 verlaufenden Begrenzungsflächen 86 und 87 des Drehflügels 13 miteinander einschließen, 30 und* der Sektorwinkel V", den die in Radialebenen des Drehkolben-Hydrozylinders 11 verlaufenden Begrenzungsflächen 27 und 28 der Trennwand 14 miteinander einschließen, 60 betragen.

Beim gewählten Erläuterungsbeispiel ist die Drehwinkelempfindlichkeit a durch die Beziehung

a = 270

V„

fgrud cm"³J (3)

gegeben, worin V₁₇-das Gesamtvolumen der beiden Druckräume 16 und 17 bedeutet.

Bei einem durch die Beziehungen (1) bzw. (2) gegebenen Leckölstrom wäre demnach eine auf die Zeiteinheit bezogene Winkelabweichung Δ rf von einer vorgegebenen Sollage durch die folgende Beziehung:

^Δ & = Q_T . a grad see"¹ (4)

gegeben.

Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Kombination des Drehkolben-Hydrozylinders 11 mit der Regeleinrichtung 31 wird diese Abweichung mit der Regelfrequenz f dieser Regeleinrichtung 31 ausgeregelt, so daß sich im Regelbetrieb für den Positionsfehler (f 0 die Be-

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ziehung:

· ^a (5)

^£r

ergibt.

Unter Berücksichtigung der für das spezielle Erläuterungsbeispiel geltenden Beziehung (2) folgt hieraus

<f 0 "= Δ ρ . h³ . G . a (6)

12 η f.

worin G den in der Beziehung (2) in eckigen Klammern gesetzten Geometriefaktor repräsentiert, der den Einfluß der Längen und Breiten der Spalte 76 bis 79 auf den Leckölverlust Q_T wiedergibt.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Schwenkantriebs 10 ist nun vorgesehen, daß bei vorgegebener Positionier* genauigkeit <f0 die Spaltweite gemäß der Beziehung

12 . T) ■ . f_r (7)

gewählt wird.

Für folgende Auslegung des Drehkolben-Hydrozylinders 11 :

Gesamtvolumen der Druckräume 16 und 17 40,5 cm Innendurchmesser des Zylindergehäuses 12 3,44 cm Flügelwellendurchmesser 3,44 cm

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ergibt sich für den Geometriefaktor G der Beziehung (2) der Wert 4,7. Unter dor Annahme» daß die Regel·»

«I T

frequenz f_r der Regeleinrichtung 31 500 s sei, äi@ Viskosität <q des Hydrauliköle *0> 22' . 1θ"⁶ bar s betreibe "und der Positionier fehler<f& höchstens 0,5° betragen soll, ergibt die Auswertung d©r Beziehung (7) für die Spaltweite den Wert

h a 0,006 cm.

Der Drehkolben-Hydrozylihder 11 ist mit derart großen Spaltweiten nicht nur einfach herstellbar, sondern auch praktisch frei von Reibungsverlusten, da der Drehflügel 13 durch das in den Spalten 76 bis 79 überströmende Lecköl allseitig geschmiert ist.

Wenn bei den vorstehend angegebenen Dimensionen des Drehkolben-Hydrozylinders die Spaltweite zu 0,05 em, d.h. etwas kleiner als die yeiuäß dor Beziehung (7) maximal zulässige Spaltweite h gewählt wird, so be™ trägt der Leckölverlust ca. 22 cm s~ , was etwa der Hälfte des Gesamtvolumens des Drehkolben-Hydrozylinders 11 entspricht.

Je größer der Drehkolbcn-llydrozylinder unter den vorstehend hinsichtlich der Spaltlängen und -breiten genannten Nebenbedingungen dimensioniert ist, wobei für alle Spalte etwa die gleiche Breite gewählt sein sollte, damit die druckbeaufschlagten Flächen des Drehflügels bei vorgegebener Gesamtbreite der Spalte möglichst groß werden,desto größer kann auch die Spaltweite h gewählt werden. Eine Auswertung der Beziehung (7) für

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den Fall, daß sämtliche Spaltbreiten 3 cm betragen, ergibt, daß dann eine Positioniergenauigkeit von 0,5 schon bei Spaltweiten von etwa 0,01 cm erreichbar ist, wenn wiederum die Regelfrequenz der Regeleinrichtung 31 wiederum 500 s beträgt.

Der erfindungsgemäße Schwenkantrieb ist für alle diejenigen Einsatzfälle hervorragend geeignet, in denen hohe Verschleißfestigkeit und weitestgehende Wartungsfreiheit sowie hohe Positioniergenauigkeit gefordert sind.

Claims (4)

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   GmbH & CO. KG 29.12.1981

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   Patentansprüche

   ;) Hydraulischer Schwenkantrieb mit einem Drehkolben-Hydrozylinder, der mindestens zwei durch einen Flügel und eine radiale Wand des Zylindergehäuses gegeneinander abgesetzte Druckräume aufweist, die alternativ an die Hoch- bzw. Niederdruckseite des hydraulischen Druckversorgungssystems anschließbar s ind , -

   dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausregelung des in einer definierten Drehlage des Flügels (13) auftretenden Leckölverlusts Q₁ eine Regeleinrichtung (31) vorgesehen ist, und daß die Weite h der zwischen dem Flügel (13) und der Wand des Zylindergehäuses (12) bzw. zwischen seiner Welle (21) und der radialen Trennwand (14) des Zylindergehäuses (12) verbleibenden Spalte (76 bis 79) gemäß der Beziehung

   h =

   60 4z<n fr

   Δρβ α

   gewählt ist, worin σ p9die in Winkelgraden gemessene zulässige Abweichung der Drehlage des Flügels (13)

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   von einer vorgegebenen Sollage, nrf die Viskosität des Hydrauliköls, f die Regelfrequenz der Regeleinrichtung (31), Δ ρ die Differenz der zur Aufrechterhaltung einer definierten Drehlage des Drehflügels (13) erforderlichen Drücke in den Druckräumen (16 und 17) des Drehkolben-Hydrozylinders (11), CJ eifiem die Spalt längen und ^äbreiten berücksichti'*- genden Geometrie faktor und a die durch das Verhältnis des maximalen Schwenkwinkcls 'zum Gesamtvolumen der Druckräume (16 und 17) bestimmte Empfindlichkeit der Regelstrecke bedeuten.
2. 2. Schwenkantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Regeleinrichtung (31) ein mechanischhydraulischer Analogregler (32) vorgesehen ist.
3. 3. Schwenkantrieb nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als mechanisch-hydraulischer Analogregler ein für sich bekanntes 4/3-Nachlaufregelventil (32) mit durch einen Spindeltrieb (56, 61) ermittelter Sollwert-Vorgabe und Istwert-Rückmeldung vorgesehen ist, wobei der Schwenkwinkel-Sollwert des Flügels (13) durch z.B. mittels eines Schrittmotors (71) gesteuertes Verdrehen der Spindelmutter (56) vorgebbar ist.
4. 4. Schwenkantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelfrequenz der Regeleinrichtung (31) mindestens 500 s~ beträgt, daß der Flügel (13) und die Trennwand (14) des Gehäuses (12) einen sektorförmigen Querschnitt mit einem Sektorwinkel von 30° b/w. 60° haben, daß der Durchmesser

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   der Flügelwelle (21) gleich dem halben lichten Innendurchmesser des Zylindergehäuses (12) gewählt ist, daß die radiale und axiale Ausdehnung des Flügels (13) jeweils etwa 18 bis 2O nun beträgt, und daß die Weiten der in axialer und radialer Richtung verlaufenden Spalte (76 und 77 büw. 78 und 79) zwischen Gehäuse (12) und Flügel (13) gleich sind und jewe ils ca. 0.05 mm betragen.