DE3204067C2

DE3204067C2 -

Info

Publication number: DE3204067C2
Application number: DE3204067A
Authority: DE
Inventors: Eckehart 7251 Weissach De Schulze
Original assignee: Hartmann & Laemmle & Co Kg 7255 Rutesheim De GmbH
Current assignee: Hartmann & Laemmle & Co Kg 7255 Rutesheim De GmbH
Priority date: 1982-02-06
Filing date: 1982-02-06
Publication date: 1991-10-24
Also published as: IT8319442A0; JPS58191306A; DE3204067A1; IT1161877B; GB2118246A; GB8303273D0; GB2118246B; FR2521233A1; FR2521233B1; JPH0364723B2; US4633759A

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Schwenkantrieb mit einem Drehkolben-Hydrozylinder, der mindestens zwei durch einen Drehflügel und eine radiale Wand des Zylindergehäuses gegeneinander abgesetzte Druckräume aufweist, die alternativ an die Hoch- bzw. Niederdruckseite des hydraulischen Druckversorgungssystems anschließbar sind, sowie mit einer mechanisch-hydraulischen Regeleinrichtung, die innerhalb einer hinnehmbaren Abweichung δΦ in Winkelgraden von einer vorgegebenen Soll-Lage den Drehflügel in dieser hält und Leckölverluste ausregelt.

Ein derartiger Schwenkantrieb ist durch die DE-PS 7 06 193 bekannt.

Der bekannte Schwenkantrieb ist als Verstellvorrichtung ausgebildet, die auf alternative Betätigung mittels einer - pneumatischen - Reglerdose oder eines Handhebels ausgelegt ist, d. h. allenfalls relativ langsam erfolgenden Betätigungshüben folgen können muß.

Es ist daher bei der bekannten Verstellvorrichtung ohne weiteres möglich, generell unerwünschte Leckölströme dadurch wirksam zu reduzieren, daß der Drehflügel durch geeignete - elastische - Dichtungen gegen das Gehäuse abgedichtet wird.

Zu diesem Zweck ist es durch das deutsche Gebrauchsmuster G 81 14 452.0 in Verbindung mit Drehkolben-Hydrozylindern auch bekannt, deren Drehflügel zwischen Flanschen der Abtriebswelle 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 l den Strömungswiderstand des Spaltes so hoch wie möglich zu halten; dadurch wird zwar der Leckölverlust soweit reduziert, daß der 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-Effekte 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 Kolbenstellung und Vergleich dieses Istwertes mit dem vorgegebenen Sollwert eine Nachführung des Drehkolbens in seine Soll-Lage vermitteln soll, da eine solche Regeleinrichtung - wegen des Stick-Slip-Effektes in der Nähe der Soll-Lage gleichsam eine Aufschaukelung entgegengesetzter Nachführbewegungen des Drehkolbens vermittelt, so daß dieser in der Soll-Lage nicht ruhig stehenbleibt und etwa mit der Regelfrequenz der Regeleinrichtung Rüttelbewegungen ausführt, was in praktischen Fällen nicht hingenommen werden 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 Schwenklage einnehmen und diese mit hoher Genauigkeit halten kann, in aller Regel nicht geeignet.

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 Drehflügels und eines damit gekoppelten Maschinenelements ermöglicht, der weitestgehend verschleiß- und wartungsfrei ist und dabei einfach und raumsparend aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale auf einfache Weise gelöst.

Durch die hiernach vorgesehene Auslegung der Regeleinrichtung auf eine hohe Regelfrequenz und Dimensionierung der zwischen dem Drehflügel und der Wand des Zylindergehäuses bzw. zwischen seiner Welle und der radialen Trennwand desselben verbleibenden Spalte unter Berücksichtigung einer Mindest-Positioniergenauigkeit wird ein insgesamt sehr einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Schwenkantriebes erreicht. Im Ergebnis wird zwar ein beträchtlicher, vom Hochdruckraum zum Niederdruckraum und von diesem zum 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 des Druckversorgungsaggregats ohnehin ständig in Betrieb sein 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 erniedrigt. Durch den damit einhergehenden Wegfall von Dichtungsflanschen und Kolbendichtungen wird ein wesentlich einfacherer Aufbau des Drehkolben-Hydrozylinders möglich. Mit einer Haftreibung verknüpfte Stick-Slip-Effekte entfallen völlig, und es wird, da für den Reibungswiderstand nur Gleitreibungseffekte in Betracht kommen, praktisch eine reibungs-verlustfreie Gestaltung des Drehkolben-Hydrozylinders ermöglicht. Dadurch werden drastisch erhöhte Standzeiten erreicht. Insgesamt ist eine Gestaltung eines Drehkolben-Hydrozylinders angegeben, die in sinnvoller Kombination mit einem Regler erst den Einsatz eines Drehkolben-Hydrozylinders zum Zweck einer Positionsstabilisierung bzw. als Positionier- Antrieb ermöglicht.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 ist die etwa einer kleinstmöglichen Baugröße des Schwenkantriebes entsprechende bevorzugte Dimensionierung des Schwenkantriebes angegeben. Grundsätzlich sind im Rahmen der Erfindung alle Typen von Reglern geeignet, die eine erwünschte Drehlagen-Stabilisierung vermitteln können. Als besonders vorteilhaft hat sich jedoch der durch die Merkmale des Anspruchs 3 angegebene Reglertyp herausgestellt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten, speziellen Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

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

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

Fig. 3a bis 3c in stark vereinfachter, schematischer Darstellung verschiedene Betriebszustände 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 vorgesehen, in dessen Gehäuse 12 durch einen im Querschnitt sektorförmigen Drehflügel 13 und eine im Querschnitt ebenfalls sektorförmige radiale Trennwand 14 zwei Druckräume 16 und 17 gegeneinander abgegrenzt sind, durch deren alternativen Anschluß an den Druck(P)-Ausgang der nicht dargestellten Hochdruckpumpe bzw. den Tank des hydraulischen 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 einer an der Abtriebswelle 26 des Drehkolben-Hydrozylinders 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-Hydrozylinders erfolgt.

Funktionswesentlicher Bestandteil dieser Regeleinrichtung ist ein 4/3-Nachlauf-Regelventil 32, 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 4/3-Nachlauf-Regelventils 32 der eine Druckraum 16 des Drehkolben-Hydrozylinders 11 an die Hochdruckseite der Pumpe und über den durch den Pfeil 34 repräsentierten Strömungspfad des 4/3-Nachlauf-Regelventils 32 der andere Druckraum 17 an den Tank des im übrigen nicht dargestellten hydraulischen Druckversorgungssystems angeschlossen. Der Drehkolben 13 des Drehkolben- Hydrozylinders 11 ist in diesem Falle in der durch den Pfeil 18 angegebenen Drehrichtung beaufschlagt. In der in der Fig. 3b mit O 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 Leckölverluste ausgeschlossen oder vernachlässigbar sind, in seiner eingenommenen Schwenklage stehen.

In der in der Fig. 3c mit II bezeichneten, zweiten Durchflußstellung des 4/3-Nachlauf-Regelventils 32 ist über den durch den Pfeil 36 bezeichneten Strömungspfad dieses 4/3-Nachlauf-Regelventils 32 der Druckraum 17 des Drehkolben- Hydrozylinders 11 an den Druckausgang der Pumpe und über den durch den Pfeil 37 repräsentierten Strömungspfad des 4/3-Nachlauf-Regelventils 32 der andere Druckraum 16 des Drehkolben-Hydrozylinders 11 an den Tank des hydraulischen Druckversorgungssystems angeschlossen. Der Drehflügel 13 ist in diesem Falle in der durch den Pfeil 19 repräsentierten Drehrichtung druckbeaufschlagt.

Zur Realisierung der insoweit erläuterten Funktionen des 4/3-Nachlauf-Regelventils 32 sind in dessen Rahmen insgesamt vier Sitzventile 38 und 39 bzw. 41 und 42 vorgesehen, die in der aus der Fig. 1 ersichtlichen Anordnung in einem gemeinsamen Gehäuse 43 untergebracht sind.

Diese Sitzventile 38, 39, 41 und 42 haben je einen im wesentlichen kegelstumpfförmigen Ventilkörper 44 und einen kreisringförmigen, gehäusefesten Ventilsitz 46. Durch vorgespannte Druck-Wendelfedern 47 werden diese Ventilkörper 44 in die Sperrstellung dieser Sitzventile 38, 39, 41 und 42 gedrängt. Die Sitzventile 38, 39, 41 und 42 sind symmetrisch bezüglich der rechtwinklig zur zentralen Längsachse 24 des Schwenkantriebes 10 verlaufenden Quermittelebene 48 des Gehäuses 43 des 4/3-Nachlauf- Regelventils 32 angeordnet, wobei die Ventilkörper 44 der bezüglich dieser Quermittelebene 48 einander gegenüberliegend angeordneten Sitzventile 38 und 42 bzw. 39 und 41 jeweils entlang einer parallel zur Längsachse 24 des Schwenkantriebes 10 parallel verlaufenden Achse 49 bzw. 50 geführt verschiebbar sind.

In der dargestellten Sperrstellung des 4/3-Nachlauf- Regelventils 32, die der O-Stellung der Fig. 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 Betätigungsglied 52 abgestützt, das in dem Gehäuse 43 in Richtung 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 Gehäuses 43 des 4/3-Nachlauf- Regelventils 32 in Richtung der zentralen Längsachse 24 hin- und herverschiebbar geführt ist. In dieser Hülse ist drehbar eine langgestreckt-rohrförmige Spindelmutter 56 gelagert, deren Gewinderillen 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 Drehkolben-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 des Hydraulikmotors, ist dieses mit der Spindel 61 fest verbunden und dafür der Flügel starr mit dem Gehäuse 43 des 4/3-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 68 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.

Die Spindelmutter 56 ist entweder direkt, oder wie dargestellt, über ein geeignetes Getriebe formschlüssig mit der Antriebswelle 69 eines Schrittmotors 71 gekoppelt, durch dessen zweckgerechte elektrische Ansteuerung die Spindelmutter um definierte, vorgebbare Winkelbeträge drehbar ist.

Wird die Spindelmutter 56 in Richtung des Pfeils 72 um einen definierten Winkel ϕ_R 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 Gehäuses 43 angeordnet sind, öffnen, während die im rechten Teil des Gehäuses 43 angeordneten Sitzventile 41 und 42 geschlossen bleiben. Das 4/3-Nachlauf- Regelventil 32 befindet sich jetzt in der in der Fig. 3a dargestellten ersten Durchflußstellung I, in der der eine Druckraum 16 des Drehkolben-Hydrozylinders 11 über den jetzt offenen, durch den Pfeil 33 repräsentierten Strömungspfad 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 die Spindelmutter 56 und die Spindel 61 gebildeten 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 ϕ_R entspricht, um den die Spindelmutter 56 durch 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 4/3-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 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 4/3-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 4/3-Nachlauf-Regelventils 32 erreicht ist.

Das 4/3-Nachlauf-Regelventil 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 Störgrößen vermittelt, wobei die Regelfrequenz f_r dieses Analogreglers wegen der direkten, durch den Spindeltrieb vermittelten mechanischen Rückmeldung der Stellung des Drehflügels 13 auf die Stellung des Betätigungsgliedes 52 günstig hoch ist und in typischen Fällen 500 s^-1 beträgt und in günstigen Fällen noch deutlich höher sein kann.

Um bei einem erfindungsgemäßen Schwenkantrieb, z. B. dem Schwenkantrieb 10 gemäß Fig. 1, die im Sinne der Erfindung beabsichtigten günstigen Eigenschaften, nämlich hohe Positions-Haltegenauigkeit einer vorgegebenen Schwenklage des Drehflügels 13 und weitgehende Verschleiß- und Reibungsfreiheit des Drehkolben- Hydrozylinders 11 bei gleichzeitig einfachem Aufbau derselben zu erzielen, sind bei diesem die Spaltweiten zwischen dem jeweils drehbaren und dem feststehenden Teil, hier dem Drehflügel 13 mit seiner Welle 21 und dem Gehäuse 12 so gewählt, daß einerseits der mit dem Drehkolben-Hydrozylinder 11 verknüpfte Genauigkeits- und Herstellungsaufwand gering ist, andererseits aber eine sich als Leckölverlust Q_L äußernde Störgröße innerhalb eines hinnehmbaren Positionsfehlers δΦ durch die Regeleinrichtung 31 ausgeregelt werden kann.

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

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 Gehäuse 12 bzw. zwischen der Welle 21 des Drehflügels 13 und der Trennwand 14 des Gehäuses 12,
h₁ und h₂ die in radialer Richtung gemessenen lichten Weiten der Spalte 76 und 77,
l₁ und l₂ die in Umfangsrichtung gemessenen Längen der Spalte 76 und 77,
R den Innenradius des Gehäuses 12 und
r den 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 Spalten als gleich groß angenommen ist, und
l₃ die zwischen den in axialer Richtung verlaufenden Basiskanten 83 und 84 gemessene Bogenlänge des Wellenumfangskreises, d. h. (l₁+l₃)/2 den Mittelwert der in Drehrichtung gemessenen Länge der radialen Spalte 78 und 79. Mit der realistischen Annahme, daß die Spaltweiten h₁, h₂ und h₃ jeweils denselben Wert h haben, und daß die in Drehrichtung gemessenen Spaltlängen l₁ und l₂ der Spalte 76 und 77 zwischen dem Drehflügel 13 und dem Gehäuse 12 bzw. der Welle 21 und der Trennwand 14 den Wert L haben mögen, vereinfacht sich die Beziehung (1) zu:

Unter der weiteren realistischen Annahme, daß der maximale Schwenkwinkel des Drehflügels 13 270° betrage, folgt dann, daß der Sektorwinkel ϕ, den die in Radialebenen des Drehkolben-Hydrozylinders 11 verlaufenden Begrenzungsflächen 86 und 87 des Drehflügels 13 miteinander einschließen, 30°, und der Sektorwinkel Ψ, 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

gegeben, worin V_Z 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 ΔΦ von einer vorgegebenen Sollage durch die folgende Beziehung:

ΔΦ = Q_L · a grad sec^-1 (4)

gegeben.

Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Kombination des Drehkolben-Hydrozylinders 11 mit der Regeleinrichtung 31 wird diese Abweichung mit der Regelfrequenz f_r dieser Regeleinrichtung 31 ausgeregelt, so daß sich im Regelbetrieb für den Positionsfehler δΦ die Beziehung:

ergibt.

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

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_L wiedergibt.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Schwenkantriebs 10 ist nun vorgesehen, daß bei vorgegebener Positioniergenauigkeit δΦ die Spaltweite gemäß der Beziehung

gewählt wird.

Für folgende Auslegung des Drehkolben-Hydrozylinders 11:

Gesamtvolumen der Druckräume 16 und 17
40,5 cm³
Innendurchmesser des Gehäuses 12	3,44 cm
Durchmesser der Welle 21	3,44 cm

ergibt sich für den Geometriefaktor G der Beziehung (2) der Wert 4,7. Unter der Annahme, daß die Regelfrequenz f_r der Regeleinrichtung 31 500 s^-1 sei, die Viskosität η des Hydrauliköls 0,22 · 10^-6 bar s betrage und der Positionsfehler δΦ höchstens 0,5° betragen soll, ergibt die Auswertung der Beziehung (7) für die Spaltweite den Wert

h = 0,006 cm.

Der Drehkolben-Hydrozylinder 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 cm, d. h. etwas kleiner als die gemäß der Beziehung (7) maximal zulässige Spaltweite h gewählt wird, so beträgt der Leckölverlust ca. 22 cm³ s^-1, was etwa der Hälfte des Gesamtvolumens des Drehkolben-Hydrozylinders 11 entspricht.

Je größer der Drehkolben-Hydrozylinder 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 13 bei vorgegebener Gesamtbreite der Spalte möglichst groß werden, desto größer kann auch die Spaltweite h gewählt werden. Eine Auswertung der Beziehung (7) für 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 die Regelfrequenz der Regeleinrichtung 31 wiederum 500 s^-1 beträgt.

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

Claims

1. Hydraulischer Schwenkantrieb mit einem Drehkolben-Hydrozylinder, der mindestens zwei durch einen Drehflügel und eine radiale Wand des Zylindergehäuses gegeneinander abgesetzte Druckräume aufweist, die alternativ an die Hoch- bzw. Niederdruckseite des hydraulischen Druckversorgungssystems anschließbar sind, sowie mit einem mechanisch- hydraulischen Regeleinrichtung, die innerhalb einer hinnehmbaren Abweichung δΦ in Winkelgraden von einer vorgegebenen Soll-Lage den Drehflügel in dieser hält und Leckölverluste ausregelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (31) auf eine hohe Regelfrequenz von mindestens 500 s^-1 angelegt ist, daß die Weite h der zwischen dem Drehflügel (13) und der Wand des Gehäuses (12) des Drehkolben-Hydrozylinders (11) bzw. zwischen seiner Welle (21) und der radialen Trennwand (14) des Gehäuses (12) verbleibenden Spalte (76 bis 79) gemäß der Beziehung gewählt ist, worin die Viskosität des Hydrauliköls, f_r die Regelfrequenz der Regeleinrichtung (31), Δp die Differenz der zur Aufrechterhaltung einer definierten Drehlage des Drehflügels (13) erforderlichen Brücke in den Druckräumen (16 und 17) des Drehkolben-Hydrozylinders (11), G einen die Spaltlängen und -breiten berücksichtigenden Geometriefaktor bezeichnet, der durch die Beziehung gegeben ist, in der mit b₁ die in Richtung der Längsachse (24) der Welle (21) gemessene Breite der gewölbten Spalte (76 und 77) zwischen dem Drehflügel (13) und dem Gehäuse (12) bzw. zwischen der Welle (21) des Drehflügels (13) und der Trennwand (14) des Gehäuses (12), mit l₁ und l₂ die in Umfangsrichtung gemessenen Längen dieser Spalte (76 und 77), mit l₃ die zwischen den in axialer Richtung verlaufenden Basiskanten (83 und 84) des Drehflügels (13) gemessene Bogenlänge des Wellenumfangskreises, mit R der Innenradius des Gehäuses (12) und mit r der Radius der Welle (21) bezeichnet sind, und a das Verhältnis des maximalen Schwenkwinkels zum Gesamtvolumen der Druckräume (16 und 17) des Drehkolben- Hydrozylinders (11) bedeutet.

2. Schwenkantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehflügel (13) und die Trennwand (14) des Gehäuses (12) einen sektorförmigen Querschnitt mit einem Sektorwinkel von 30° bzw. 60° haben, daß der Durchmesser der Welle (21) gleich dem halben lichten Innendurchmesser des Gehäuses (12) gewählt ist, daß die radiale und axiale Ausdehnung des Drehflügels (13) jeweils etwa 18 bis 20 mm beträgt, und daß die Weiten der in axialer und radialer Richtung verlaufenden Spalte (76 und 77 bzw. 78 und 79) zwischen Gehäuse (12) und Drehflügel (13) gleich sind und jeweils ca. 0,05 mm betragen.

3. Schwenkantrieb nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Regeleinrichtung (31) ein für sich bekanntes 4/3-Nachlaufregelventil (32) mit durch einen Spindeltrieb vermittelter Sollwert-Vorgabe und Istwert-Rückmeldung vorgesehen ist, wobei der Schwenkwinkel-Sollwert des Drehflügels (13) durch z. B. mittels eines Schrittmotors (71) gesteuertes Verdrehen der Spindelmutter (56) des Spindeltriebes vorgebbar ist.