DE3412352C1

DE3412352C1 - Steuervorrichtung für einen hydraulisch beaufschlagten Arbeitszylinder

Info

Publication number: DE3412352C1
Application number: DE19843412352
Authority: DE
Inventors: Hubert 8770 Lohr Bernd
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1984-04-03
Filing date: 1984-04-03
Publication date: 1985-09-12

Description

In F i g. 1 der Zeichnung ist ein Arbeitszylinder 10 mit einem Kolben 11 und einer Kolbenstange 12 schematisch dargestellt. Mittels der allgemein mit 14 bezeichneten Steuervorrichtung soll der Hub des Kolbens 11 bezüglich Geschwindigkeit und Position genau gesteuert werden. Hierzu dient ein Schieberventil 15 mit einer Ventilbüchse 16, in der ein Steuerkolben 17 verschieb- bar angeordnet ist. Der Steuerkolben 17 ist von der in der Zeichnung dargestellten Mittelstellung aus in zwei Arbeitsbereiche verschiebbar, in denen entweder der mittlere mit einer Druckmittelquelle verbundene Kanal P mit einem zum Arbeitszylinder 10 über Leitungen führenden Kanal A bzw. B verbindbar ist, um einen der beiden vom Kolben 11 abgeteilten Zylinderäume unter Druck zu setzen, während jeweils der andere Raum mit einem mit dem Tank verbundenen Kanal Tverbindbar ist. Somit erfolgt durch Betätigung des Steuerkolbens 17 die Druckmittelbeaufschlagung des Kolbens 11 im Arbeitszylinder 10.
Die axiale Verstellung des Steuerkolbens 17 erfolgt durch eine Gewindespindel 18, die von einem Schrittmotor 19 über ein Zahnrad 20, einen Zahnriemen 21 und ein weiteres Zahnrad 22 auf der Gewindespindel 18 drehbar angetrieben ist. Der Schrittmotor 19 ist an einem Gehäuseflansch 24 befestigt, der an der Stirnseite eines das Ventil 15 aufnehmenden Steuergehäuses 25 befestigt ist. Der elektrische Schrittmotor 19 dient als Sollwerteingabe für den vom Kolben 11 auszuführenden Hub.
Die Gewindespindel 18 ist antriebsseitig zwischen dem Zahnrad 22 und dem Steuerkolben 17 drehbar und axial verschiebbar gelagert. Auf der Gewindespindel 18 sitzt ein radiales Wälzlager 26, dessen äußerer Lagerring in einer Schieberhülse 27 aufgenommen ist. Das Wälzlager 26 ist als axiales Drucklager ausgebildet, so daß die Schieberhülse 27 bei axialem Verschieben der Spindel 18 mitgenommen wird. Über in einem Käfig gehaltene Kugeln 28 ist die Schieberhülse 27 in der Ventilbüchse 16 axial verschiebbar gelagert.
Durch das radiale Anordnen der beiden Lager innen und außen an der Schieberhülse 27 wird Platz gespart.
Durch die Wälzlager werden die Reibungskräfte des Lagers, insbesondere verursacht durch den Riemenzug des seitlich angeordneten Motors 19 für die Spindeldrehung und Verschiebung der Spindel sehr niedrig gehalten. Außerdem werden radiale Kräfte vom Steuerkolben 17 fern gehalten. Durch das Lager 26 wird ein Drehen des Steuerkolbens 17 beim Drehen der Gewindespindel 18 vermieden, die axiale Bewegung der Spindel jedoch über die Verschiebehülse 27 auf den Steuerkolben 17 übertragen.
Der Hub des Kolbens dl des Arbeitszylinders 10 wird über eine mit der Kolbenstange 12 verbundene Zahnstange 30 und ein mit der Zahnstange kämmendes Ritzel 31, ein mit dem Ritzel fest verbundenes Rotationsteil 32 und eine mit dem Rotationsteil 32 fest verbundene Spindelmutter 34, die mit der Gewindespindel 18 verschraubt ist, zurückgeführt. Das Rotationsteil 32 ist mittcls zweier Wälzlager 35 und 36 im Steuergehäuse 25 drehbar und axial unverschiebbar gehalten.
Zwischen dem Wälzlager 36 und der Ventilbüchse 16 ist eine Scheibe 38 gehalten an der sich eine Feder 40 abstützt, die sich zwischen der Gewindespindel 18 und einer Bohrung im Steuerkolben 17 erstreckt und an einer Schulter 42 des Steuerkolbens anliegt, um diesen in Anlage an die Schieberhülse 27 zu halten.
Ferner weist die Gewindespindel 18 in Verlängerung ihres mit der Spindelmutter 34 verschraubten Gewindeteils einen Zapfen 43 auf, der in einer Büchse 44 gelagert ist, die mit dem Rotationsteil 32 verbunden ist. Durch das innerhalb des Rotationsteils 32 vorgesehene Gleitlager 43,44 wird ebenfalls Platz gespart.
Zum Antrieb des Kolbens 11 wird der Motor 19 eingeschaltet. Die Gewindespindel 18 schraubt sich durch die im Rotationsteil 32 befestigte Spindelmutter 34 und verschiebt sich in axialer Richtung entsprechend der vorgegebenen Drehrichtung. Dabei wird über die Verschiebehülse 27 der Steuerkolben 17 mitgenommen, der die Verbindungen PA und BTbzw. Pfund ATherstellt und über die Verbindungsleitungen 46 und 47 Arbeitsmittel von der Druckmittelquelle zum jeweiligen Zylinderraum und vom gegenüberliegenden Zylinderraum zum Tank zurückgelangt.
Der vom Arbeitszylinder ausgeübte Hub wird über die Zahnstange 30 und das Ritzel 31 auf das Rotationsteil 32 und die Spindelmutter 34 übertragen, die somit in gleiche Drehrichtung wie die von der Spindel 18 vorgegebene Drehrichtung gebracht wird. Damit verschiebt das axial feststehende Rotationsteil 32 über die Spindelmutter 34 die Gewindespindel 18, und der Steuerkolben 17, der von der Feder 40 in Anlage an die Schieberhülse 27 gehalten wird, verstellt sich wieder in Schließrichtung.
Bei konstanter Drehzahl der Spindel läuft auch die Spindelmutter 34 mit konstanter Drehzahl, so daß sich zwischen Gewindespindel und Gewindemutter keine Relativdrehung einstellt und keine Reibungsverluste auftreten. Die einfache Gleitlagerung der Gewindespindel in der Büchse 44 ist somit ausreichend, da nur während des Beschleunigens der Gewindespindel zum Herstellen der Druckmittelverbindung zum Arbeitzylinder und während des Verzögerns beim Schließen des Ventils kurzzeitig eine Relativdrehung erfolgt. Darüber hinaus ergibt sich durch das im Rotationsteil 32 vorgesehene Gleitlager, die sich an der gehäusefesten Stützscheibe 38 neben dem Rotationsteil und das kombinierte Radial-Axialwälzlager 26, 27, 28 eine platzsparende und einfache Bauweise.
In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform der Steuervorrichtung dargestellt, bei der das Steuergehäuse 125 in der F i g. 2 angedeuteten Weise mit dem Arbeitszylinder 110 unmittelbar verschraubt ist.
Der Arbeitszylinder 110 weist einen Kolben 111 mit einer Kolbenstange 112 auf. Mit der Steuervorrichtung 114 soll der Hub des Kolbens 111 genau gesteuert werden. Hierzu dient ein Schieberventil 115 mit einer Ventilbüchse 116, in der ein Steuerkolben 117 verschiebar angeordnet ist. Der Steuerkolben 117 ist von der dargestellten Mittelstellung aus in zwei Arbeitsbereichen verschiebbar, in denen entweder der mittlere, mit einer Druckmittelquelle verbundene Kanal P mit einem zum Arbeitszylinder 110 über Leitungen 146 bzw. 147 führenden Kanal A bzw. B verbindbar ist, um einen der beiden vom Kolben 111 abgeteilten Zylinderräume 148 bzw. 149 unter Druck zu setzen, während jeweils der andere Raum mit einem mit dem Tank verbundenen Kanal Tverbindbar ist. Somit erfolgt durch Betätigung des Steuerkolbens 117 die Druckmittelbeaufschlagung des Kolbens 111 im Arbeitszylinder 110.
Die axiale Verstellung des Steuerkolbens 117 erfolgt durch eine Gewindespindel 118, die von einem Schrittmotor 119 über ein Zahnrad 120, einen Zahnriemen 121 und ein weiteres Zahnrad 122 auf der Gewindespindel 118 drehbar angetrieben ist. Der Schrittmotor 119 ist an einem Gehäuseflansch 124 befestigt, der an der Stirnseite des Steuergehäuses 125 befestigt ist. Der Motor 119 dient als Sollwerteingabe für den vom Kolben 111 auszuführenden Hub.
Die Gewindespindel 118 ist antriebsseitig zwischen dem Zahnrad 122 und dem Steuerkolben 117 drehbar und axial verschiebbar gelagert. Auf der Gewindespindel 118 sitzt ein radiales Kugellager 126, dessen äußerer Lagerring in einer Schieberhülse 127 aufgenommen ist.
Das Radiallager 126 kann axiale Kräfte aufnehmen, so daß die Schieberhülse 127 bei einem axialen Verschieben der Spindel 118 mitgenommen wird. Über in einem Käfig gehaltene Kugeln 128 ist die Schieberhülse 127 in der Ventilbüchse 116 drehbar und axial verschiebbar gelagert.
Durch das radiale Anordnen der beiden Lager 126 und 128 radial innerhalb und außerhalb der Schiebehülse 127 wird Platz gespart. Durch die Wälzlager werden die Reibungskräfte, insbesondere verursacht durch den Riemenzug des seitlich angeordneten Motors 119 für die Spindeldrehung und Verschiebung der Spindel sehr klein gehalten. Außerdem werden radiale Kräfte vom Steuerkolben 117 ferngehalten. Durch das Lager 126 wird ein Drehen des Steuerkolbens 117 beim Drehen der Gewindespindel 118 vermieden, die axiale Bewegung der Spindel wird jedoch über die Verschiebehülse 127 auf den Steuerkolben 117 übertragen.
In der dargestellten Ausführungsform, in der der Arbeitszylinder unmittelbar an die Steuervorrichtung angeflanscht ist, erfolgt die Rückführung des Hubes des Kolbens 111 unmittelbar auf die Gewindespindel 118 und damit auf das Ventil 115 über eine Spindelmutter 134, die im Kolben 111 befestigt ist.
Im Steuergehäuse 125 ist eine Stützscheibe 138 gehalten, an der sich eine Feder 140 abstützt, die sich zwischen der Gewindespindel 118 und einer Bohrung im Steuerkolben 117 erstreckt und an einer Schulter 142 des Steuerkolbens anliegt, um diesen in Anlage an die Schiebehülse 127 zu halten.
Ferner ist in dem dem antriebsseitigen Lager 126, 128 gegenüberliegenden Ende des Steuergehäuses 125 ein Gleitlager 150 vorgesehen. Die Gewindespindel 118 weist einen Bund 151 auf, dessen Ringfläche 152 so groß ist wie der vom Druckmittel im Arbeitszylinder beaufschlagte stirnseitige Querschnitt der Gewindespindel 118. Die dem Arbeitszylinder 110 zugekehrte Stirnfläche des Bundes 151 liegt in einem Raum 153, der über einen Kanal 154 mit dem Tank Tverbunden ist, während die entgegengesetzte Stirnfläche 152 des Bundes 151 in einem Raum 155 liegt, der über einen Kanal 156 mit der Leitung 147 verbunden ist; wird somit Druckmittel zum Verschieben des Kolbens 111 in den Zylinderraum 149 über den Kanal 147 geleitet, wobei auch der stirnseitige Querschnitt der Gewindespindel 118 mit diesem Betätigungsdruck beaufschlagt wird, so wird dieser auf die Gewindespindel 118 wirkende Druck durch den auf die Stirnfläche 152 des Bundes 151 wirkenden Druck kompensiert.
Zwischen der Spindelmutter 134 und dem Kolben 111 des Arbeitszylinders ist eine aus Rohren bestehende Einrichtung zum Ausgleich von Längenänderungen der Kolbenstange 112 und der Gewindespindel 118 vorgesehen, die von unterschiedlichen Temperaturen des Arbeitsmittels herrühren. Es soll also temperaturabhängig der Abstand zwischen der Spindelmutter 134 und dem Ende 160 der Kolbenstange 112 konstant gehalten werden.
Hierzu ist am Kolben 111 ein Kompensationsrohr 161 befestigt, das aus Aluminium hergestellt ist, das etwa die doppelte Wärmeausdehnungszahl wie Stahl besitzt. Aus Stahl ist der Kolben 111, die Kolbenstange 112 und das innere Rohr 165 hergestellt ist. Das Aluminiumrohr 161 erstreckt sich frei in einer Bohrung 162 der Kolbenstange 112 bis zum Ende 163 an dem es mittels eines Stiftes 164 mit einem innenliegenden Stahlrohr 165 verbunden ist, das die Gewindespindel 118 umgibt und an dem am Ende des Kolbens 111 die Spindelmutter 134 befestigt ist.
Wenn sich also bei einer Temperaturerhöhung die Länge der Kolbenstange 112 um einen bestimmten Betrag erhöht, so verlängert sich das Aluminiumrohr 161 um den doppelten Betrag in der entgegengesetzen Richtung. Zwischen dem Ende 160 der Kolbenstange und der Spindelmutter 134 ergibt sich somit ein von der Temperatur fast konstantes Maß.
Ein Längenausgleich des außerhalb der Spindelmutter 134 in der Steuervorrichtung liegenden Teils der Gewindespindel 118 kann dadurch annähernd erreicht werden, daß die Gewindespindel aus einem besonderen Werkstoff mit sehr kleiner Wärmeausdehnungszahl hergestellt wird.
Wird der Motor 119 eingeschaltet, so schraubt sich die Spindel 118 durch die Spindelmutter 134 und bewegt sich gleichzeitig entsprechend der vorgegebenen Drehrichtung in axialer Richtung. Gleichzeitig führt der Steuerkolben 117 die gleiche axiale Bewegung aus, da der Steuerkolben 117 über die Verschiebehülse 127 und das Lager 126 mit der Spindel verbunden ist. Je nach Verschieberichtung öffnet der Steuerkolben jeweils ein Steuerkantenpaar Pa und BToder PB und A 7: Über die Leitungen 146, 147 gelangt Druckmittel in die Zylinderräume 148, 149. Der Kolben 111 führt dementsprechend einen Hub aus, der der von der Spindel 118 vorgegebenen Bewegungsrichtung entgegengesetzt ist. Der Kolben 111 verschiebt mittels der Spindelmutter 134 die Spindel und damit auch den Steuerkolben 117 in Schließrichtung. Eine Drehung des Kolbens 111 ist beispielsweie durch das am Ende der Kolbenstange 112 befestigte, zu verschiebende Maschinenteil vermieden.
Das antriebsseitige Lager, an dem sich unmittelbar der Steuerkolben 117 abstützt bildet für die Gewindespindel 118 ein Festlager, von dem aus sich alle Fehler addieren, die durch Wärmedehnung, Lagerreibung und Lagerfehler verursacht sind. Infolgedessen verbessert die Ausführung des antriebsseitigen Lagers in Verbindung mit der kolbenstangenseitigen Längenkompensation der Gewindespindel die Genauigkeit der Steuervorrichtung erheblich. Die Temperaturkompensation der Gewindespindel kann nur dann sinnvoll sein, wenn die Spindelbewegung in axialer Richtung präzise an den Steuerkolben 117 weitergegeben wird. Dies kann nur über eine entsprechend genaue Lagerung erreicht werden, wie sie das antriebsseitige Festlager darstellt. Das Lager zwischen dem Arbeitzylinder und dem Ventil kann dagegen als einfaches Gleitlager 150 ausgeführt sein.
In Fig.3 ist eine abgeänderte Ausführungsform der Einrichtung für den Längenausgleich dargestellt. Der Arbeitszylinder 210 ist an der in F i g. 2 dargestellten Steuervorrichtung 114 befestigt. Die Gewindespindel 218 ist mit einer Spindelmutter 234 verschraubt. Der Kolben 211 mit der Kolbenstange 212 teilt im Arbeitzylinder 210 die Druckräume 248 und 249 ab, die über Verbindungsleitungen 246 bzw. 147 (Fig.2) mit dem Steuerventil 115 in Verbindung stehen.
Zur Kompensation der Wärmedehnung der Kolbenstange 212 dient ein Rohr 270 aus einem temperaturempfindlichen Werkstoff, insbesondere einem glaskeramischen Werkstoff. Das Rohr 270 ist einerseits am Kolben 211 befestigt und erstreckt sich frei in die Bohrung 262 der Kolbenstange 212. Am Ende der Bohrung 262 ist das Rohr 270 mittels der Schraube 271 befestigt. Ferner ist auch die Gewindespindel 218 aus einem Werkstoff mit geringer Wärmeausdehnungszahl hergestellt. In dieser Ausführung ist die Längenänderung der Kolbenstange 212 unbeachtlich, weil die Spindelmutter 234 über das nur eine sehr geringe Längenänderung aufweisende keramische Rohr 270 mit dem Ende 260 der Kolbenstange verbunden ist. Die temperaturbedingte Längenänderung führt aber in dieser Ausführung nur zu einer Dehnungsverringerung und nicht zu einem vollständigen Ausgleich.

Claims

Patentansprüche: 1. Steuervorrichtung für einen hydraulisch beaufschlagten Arbeitszylinder mit einem Kolben, dessen Hub als Rückführung auf eine Spindelmutter wirkt, die mit einer im Steuergehäuse drehbar und axial verschiebbar gelagerten Spindel verschraubt ist, die von einem elektrischen Motor als Sollwerteingabe drehbar angetrieben ist und auf der zur Steuerung der Druckmittelwege zwischen dem Arbeitszylinder und einer Druckmittelquelle bzw. dem Tank ein Steuerkolben konzentrisch angeordnet ist, der von einer Feder an ein auf der Spindel sitzendes Axiallager angedrückt und beim axialen Verschieben der sich drehenden Spindel mitgenommen wird, wobei die Spindel beidseits des Steuerkolbens ein antriebsseitiges und ein spindelmutterseitiges Lager aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das antriebsseitige Lager der über einen Zahnriemen angetriebenen Gewindespindel (18, 118) ein axiale Kräfte übertragendes radiales Wälzlager (26, 126) ist, das in einer Verschiebehülse (27, 127) angeordnet ist, an der sich der Steuerkolben (17, 117) abstützt, und die Verschiebehülse an ihrem Umfang in einem Käfig geführte Kugeln (28, 128) zur axial verschiebbaren und radialen Lagerung aufweist, und daß das spindelmutterseitige Lager aus einem Gleitlager (43, 44; 150) besteht.
2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, mit einer mit dem Kolben des Arbeitszylinders verbundenen Zahnstange als Rückführung, die über ein Ritzel die im Steuergehäuse drehbar gelagerte Spindelmutter antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitlager (43, 44) zur Lagerung des Gewindespindelendes zwischen der Spindelmutter (34) und dem Ritzel (31) in einem das Ritzel (31) und die Spindelmutter (34) verbindenden Rotationsteil (32) vorgesehen ist.
3. Steuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rotationsteil (32) und dem Steuerkolben (17) eine gehäusefeste Stützscheibe (38) vorgesehen ist, an der sich die den Steuerkolben an die antriebsseitige Verschiebehülse (27) andrückende Feder (40) abstützt.
4. Steuervorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotationsteil (32) mittels radialer Wälzlager (35,36) im Steuergehäuse (25) gelagert ist und die Stützscheibe (38) zwischen dem Wälzlagerring und einer Bohrung zum Anschluß der Druckmittelwege aufweisenden Ventilbüchse (16) gehalten ist.
5. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, mit einer im Bereich des Kolbens des Arbeitszylinders angeordneten Spindelmutter als Rückführung, und mit einer Sackbohrung in der Kolbenstange zur Aufnahme der mit der Spindelmutter zusammenwirkenden Gewindespindel, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindespindel (118) einen Bund (151) aufweist, der in dem Gleitlager (150) zwischen Arbeitzylinder und Ventil (115) gelagert ist und dessen Ringfläche (152) gleich dem Querschnitt der Gewindespindel ist, daß der Bund auf der dem Arbeitszylinder abgekehrten Seite des Gleitlagers mit Druckmittel beaufschlagt ist und daß der Bund auf der dem Arbeitzylinder zugekehrten Seite in einem mit dem Tank verbundenen Raum (153) angeordnet ist.

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen hydraulisch beaufschlagten Arbeitszylinder mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Es wird hierbei von einem aus der DE-OS 26 25 909 bekannten Stand der Technik ausgegangen.

Bei derartigen Steuervorrichtungen ist es auch bekannt (FR-PS 20 29 001), eine von einem Riemen angetriebene Welle in einem axiale Kräfte übertragenden radialen Wälzlager zu lagern. Der Steuerkolben wird von einer mit der Gewindespindel verschraubten Verschiebehülse betätigt, die radial unverdrehbar auf der Welle gehalten und bei Drehung der Gewindespindel bzw. der Welle gegenüber dieser axial verschiebbar ist.

Die Übertragung dieser Bewegung auf den Steuerkolben erfolgt über einen in einer Nut der Verschiebehülse geführten Schwenkhebel. Die Verstellgenauigkeit ist verhältnismäßig gering.

Bei einer anderen bekannten Steuervorrichtung (GB-PS 20 46 952) ist zwischen der Gewindespindel und einer Hülse eine Kugelführung vorgesehen. Die Hülse ist zur Sollwerteingabe drehbar angetrieben und trägt einen Mitnehmer zum Betätigen des Steuerkolbens. Außerdem ist die Hülse an ihrem Umfang mittels in einem Käfig geführter Kugeln im Gehäuse axial verschiebbar und radial drehbar gelagert. Die Gewindespindel ist in einem Wälzlager gelagert.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die Bauweise der bekannten Steuervorrichtung zu vereinfachen, den Raumbedarf der Steuervorrichtung zu verkleinern und insbesondere die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ventilsteuerung zu verbessern.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und bestehen in weiteren Maßnahmen für zwei unterschiedliche Ausführungsformen. Sind nämlich die Steuervorrichtung und der Arbeitzylinder getrennt voneinander angeordnet, so erfolgt die Rückführung des Hubes des Arbeitszylinders über eine Zahnstange und Ritzel auf die Gewindespindel der Steuervorrichtung. Ist dagegen der Arbeitszylinder unmittelbar an der Steuervorrichtung angeflanscht, so erfolgt die Rückführung des Kolbenhubes auf die Gewindespindel über eine im Kolben befestigte Mutter.

Die Genauigkeit der Ventilsteuerung wird vor allem durch eine präzise Lagerung der Gewindespindel mit dem Servokolben verbessert. Bei der erfindungsgemäßen Lagerung kann ferner die Lagerung insgesamt vereinfacht und platzsparend ausgebildet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: F i g. 1 einen Axialschnitt durch eine Steuervorrichtung mit einer Zahnstange und Ritzel als Rückführung, F i g. 2a und 2b einen Axialschnitt durch eine Steuervorrichtung mit einer mit dem Kolben des Arbeitszylinders verschraubten Gewindespindel als Rückführung, Fig. 3 eine Ausführungsform der Verbindung zwischen Gewindespindel und Kolbenstange in einer Steuervorrichtung ähnlich F i g. 2.