DE3912743A1 - Hydraulische steuereinrichtung - Google Patents
Hydraulische steuereinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine hydraulische
Steuereinrichtung für ein Arbeitselement, wie z.B. ein
Hydromotor, Hydraulikzylinder oder dergleichen, die mit
Soll-Wert-Vorgabe, z.B. mittels Schrittmotor, und
mechanischer Ist-Wert-Rückmeldung arbeitet, wobei der
von einer Druckmittelquelle dem Arbeitselement
zugeführte und von diesem zum Tank zurückfließende
Druckmittelstrom mittels Ventilelementen hinsichtlich
Richtung und Menge regelbar ist.
Für den Aufbau von Regelkreisen zum Steuern von
hydraulischen Arbeitselementen werden Steuerventile in
unterschiedlicher Ausgestaltung eingesetzt. Bei solchen
Regelkreisen sind Soll-Wert-Vorgabe und
Ist-Wert-Rückmeldung häufig drehende Elemente. Bei den
bekannten Einrichtungen wird die Differenz zwischen den
sich drehenden Elementen, die Soll- und Ist-Wert
repräsentieren, durch mechanische Bauelemente (Gewinde,
Spindel, Zahnstangen usw.) in eine geradlinige Bewegung
umgesetzt, die das eigentliche Steuerventil betätigt.
So ist bei einer bekannten Einrichtung dieses
Steuerventil als Längsschieber ausgebildet, und bei
einer anderen bekannten Einrichtung setzt sich das
Steuerventil aus vier einzeln angeordneten Sitzventilen
zusammen. Während die erstgenannte Lösung eine relativ
kompakte Bauweise des Steuerventils ermöglicht, läßt
sich die zweite Lösung nur mit einem verhältnismäßig
großen Aufwand von Funktionsteilen verwirklichen.
Beiden Lösungen gemeinsam ist jedoch der Nachteil, daß
mechanische Elemente zur zweimaligen Umwandlung einer
sich drehenden in eine lineare Bewegung notwendig sind.
Diese mechanischen Elemente haben zwangsläufig ein
gewisses Fertigungsspiel, welches durch
Hintereinanderschaltung eine unerwünschte Summierung
erfährt. Hinzu kommt, daß bei beiden Lösungen
zusätzliche Einrichtungen erforderlich sind, die im
Sinne einer Überlastsicherung im Falle der Gefahr der
Überschreitung des Verstellweges eine selbsttätige
Abschaltung bewirken.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine hydraulische
Steuereinrichtung der eingangs genannten Art
bereitzustellen, die es ermöglicht, die Drehbewegungen
von Soll- und Ist-Wert direkt miteinander zu
vergleichen, mittels der eine erheblich höhere
Genauigkeit in statischer und dynamischer Hinsicht
erzielbar ist, die überlastsicher arbeitet und
wesentlich einfacher aufgebaut und damit auch
preisgünstiger realisierbar ist als die bekannten
Steuereinrichtungen dieser Art.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten
Merkmale gelöst.
Hiernach ist ein wesentlicher Gedanke der Erfindung
darin zu sehen, daß das eigentliche Regelventil sich
aus zwei konzentrischen Ventilelementen in Form eines
Hohlzylinders und eines Mittelkolbens zusammensetzt,
die in der Bohrung eines Gehäuses drehbar, jedoch axial
unbeweglich gelagert sind. Die Steuerkanten sind
hierbei durch axial verlaufende Nuten gebildet, die
sich in der Mantelfläche von zwei Steuerkolben des
Mittelkolbens befinden. Findet eine Relativbewegung
zwischen Mittelkolben und Hohlzylinder statt, so führt
dies zu einer Verschiebung an einer der insgesamt vier
Steuerkanten, die eine Freigabe des Druckmittels und
damit eine Betätigung des Arbeitselements zur Folge
hat. Die hiermit verbundene mechanische
Ist-Wert-Rückmeldung bewirkt eine entsprechende
"Regelantwort".
Der prinzipielle Unterschied gegenüber den bekannten
Steuereinrichtungen dieser Art besteht darin, daß die
Drehbewegungen von Soll- und Ist-Wert direkt
miteinander verglichen werden. Dies heißt, der Umweg
über die (zweimalige) Umwandlung in eine geradlinige
Bewegung mit Hilfe mechanischer Bauelemente und den
dadurch bedingten Nachteilen wird bei der Erfindung
vermieden. Eine solche Steuereinrichtung ist
überlastsicher, da Hohlzylinder und Mittelkolben endlos
gegeneinander verstellbar sind.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen beschrieben.
Je nach den vorliegenden Anforderungen kann es
zweckmäßig sein, im Hohlkolben in jeder Bohrungsebene
zwei oder mehr als zwei fluchtende Bohrungen und
dementsprechend auch im Steuerkolben eine doppelte
Anzahl von axialen Nuten anzuordnen. Dabei ist es
vorteilhaft, die Breite der axialen Nuten der
Steuerkolben der lichten Weite der Durchgangsbohrungen
anzupassen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin,
daß die Wandung am geschlossenen Ende der axialen Nuten
der Steuerkolben die Wandung der zugehörigen
Durchgangsbohrung des Hohlkolbens tangiert oder
gegenüber dieser vorsteht.
Hinsichtlich der Anschlüsse für die von außen kommenden
Leitungen sind am Gehäuse folgende Anschlüsse
vorgesehen:
- a) dritte (mittlere) Ebene - Leitung (P) von der Druckmittelquelle, b) erste und fünfte Ebene - Leitung (T) zum Tank und
- c) zweite und vierte Ebene - Leitungen (A u. B) zum Arbeitselement.
Die Anschlüsse (P und T) sowie (A und B) sind
gegeneinander tauschbar.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem in der
Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Axialschnitt einer hydraulischen
Steuereinrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 u. 3 Querschnitte der Funktionsteile der
hydraulischen Steuereinrichtung in den
Ebenen II-II und IV-IV der Fig. 1
für den Schaltzustand "ausgeregelte
Mittellage",
Fig. 4 das dem Schaltzustand der Fig. 2 u. 3
entsprechende Hydrauliksymbol,
Fig. 5 u. 6 Querschnitte in den Ebenen II-II und IV-IV
der Fig. 1 für den Schaltzustand
"Drehbewegung nach rechts",
Fig. 7 das dem Schaltzustand der Fig. 5 u. 6
entsprechende Hydrauliksymbol,
Fig. 8 u. 9 Querschnitte in den Ebenen II-II und IV-IV
der Fig. 1 für den Schaltzustand
"Drehbewegung nach links" und
Fig. 10 das dem Schaltzustand der Fig. 8 u. 9
entsprechende Hydrauliksymbol.
Das Gehäuse (1) der hydraulischen Steuereinrichtung ist
in Fig. 1 durch Umrißlinien angedeutet. Weiter sind an
einer Stirnseite des Gehäuses (1) ein Schrittmotor (2)
für die Soll-Wert-Vorgabe und an der entgegengesetzten
Stirnseite ein Hydromotor (3) als Arbeitselement
dargestellt.
Das Gehäuse (1) enthält eine zylindrische Bohrung (18),
in der ein Hohlkolben (4) drehbar, jedoch axial
unbeweglich flüssigkeitsdicht gehalten ist. Für die
mechanische Ist-Wert-Rückmeldung besteht über geeignete
Getriebeelemente (5) zwischen Hydromotor (3) und
Hohlkolben (4) eine drehschlüssige Verbindung
gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines
Untersetzungsgetriebes.
In der zylindrischen Bohrung des Hohlkolbens (4) ist
ein Mittelkolben (6) drehbar, jedoch axial
unverschiebbar flüssigkeitsdicht gelagert, dessen
Gestaltung nachfolgend noch beschrieben wird. An seinem
freien Ende ist der Mittelkolben (6) über geeignete
Getriebelemente (7) drehschlüssig mit dem
Schrittmotor (2) verbunden. Als Schrittmotor (2) kann
ein elektrisch betriebener Motor in handelsüblicher
Ausführung eingesetzt werden.
Der Hohlkolben (4) enthält in fünf mit gleichem Abstand
axial aufeinanderfolgenden Ebenen in jeder Ebene je
zwei fluchtende Durchgangsbohrungen (8 bis 12). Die
einzelnen Ebenen werden in der weiteren Beschreibung
als erste bis fünfte Ebene entsprechend der
zeichnerischen Darstellung in Fig. 1 von rechts nach
links bezeichnet.
Außen münden die Durchgangsbohrungen (8 bis 12) in je
eine umlaufende Nut (13 bis 17) in der Wandung der
Bohrung (18) des Gehäuses (1). Die umlaufenden
Nuten (13 bis 17) stehen über innere Verbindungskanäle
mit Außenanschlüssen des Gehäuses (1) in Verbindung.
Dabei ist die umlaufende Nut (15) in der mittleren
Ebene mit dem Außenanschluß (P) verbunden, während die
umlaufenden Nuten (13, 17) in der ersten und fünften
Ebene mit dem Außenanschluß (T) verbunden sind. Die
umlaufende Nut (14) führt zum Außenanschluß (B) und die
umlaufende Nut (16) zum Außenanschluß (A).
Der Mittelkolben (6) enthält vier axial hintereinander
liegende Einzelkolben, die durch Stangenabschnitte (19)
starr miteinander verbunden sind. Die beiden mittigen
Kolben (20 u. 21) sind die eigentlichen Steuerkolben,
während die endseitigen Kolben Abschlußkolben (22 u.
23) darstellen. Die Steuerkolben (20 u. 21) liegen
symmetrisch in der zweiten und vierten Bohrungsebene.
Die Abschlußkolben (22 u. 23) haben jeweils einen
solchen Abstand vom benachbarten Steuerkolben, daß die
Mündungen der zwischen ihnen liegenden Bohrungen (8
bzw. 12) freiliegen.
Die vorzugsweise kreisrunden Stangenabschnitte (19)
haben einen kleineren Querschnitt als die Kolben des
Mittelkolbens (6). Somit sind zwischen je zwei
benachbarten Kolben freie Ringräume (24) für den
Durchfluß des Druckmittels vorhanden.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthalten die
Steuerkolben (20 u. 21) an ihrer zylindrischen
Mantelfläche je vier axial verlaufende Nuten, wobei die
jeweils diametral einander gegenüberliegenden Nuten ein
Nutenpaar (20 a bzw. 20 b) einerseits und (21 a bzw. 21 b)
andererseits bilden. Die Nuten jedes Paares beginnen
auf entgegengesetzten Stirnseiten des jeweiligen
Steuerkolbens und verlaufen in axialer Richtung über
einen großen Teil der axialen Länge des Steuerkolbens,
wobei sie jedoch in einigem Abstand vor der jeweils
entgegengesetzten Stirnfläche enden. Die axiale Länge
der Nuten (20 a, 20 b bzw. 21 a, 21 b) ist so bemessen, daß
die Wandung am geschlossenen Ende die Mündung der
zugehörigen Durchgangsbohrung (9 bzw. 11) gerade
freigibt.
Die räumliche Anordnung der Nuten auf den Steuerkolben
(20 u. 21) in der Umfangsrichtung ergibt sich aus den
Querschnittsansichten der Fig. 2 und 3, die den
Mittelkolben (6) in der Mittelstellung zeigen. Danach
tangieren bei jedem Nutenpaar die eigentlichen
Steuerkanten (20 k bzw. 21 k) die zugehörigen
Durchgangsbohrungen (9 bzw. 11). Die Breite der Nuten
der Steuerkolben (20 bzw. 21) ist der lichten Weite der
Durchgangsbohrungen (9 bzw. 11) angepaßt.
In Fig. 1 ist am Gehäuse (1) noch ein Anschluß (L)
dargestellt, der über einen inneren Kanal mit dem vom
Mittelkolben (6) begrenzten Innenraum des Hohlkolbens
(4) verbunden ist. Der Anschluß (L) dient zum Anschluß
einer zum Tank führenden Leitung für das Ableiten von
eventuellen Leckverlusten an den Dichtflächen der
Funktionsteile.
Nachfolgend werden die möglichen Schaltzustände der
hydraulischen Steuereinrichtung erläutert.
Bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Stellung der
drehbaren Funktionsteile wie Hohlkolben (4) und
Mittelkolben (6) sind alle äußeren Anschlüsse (P u. T)
einerseits und (A u. B) andererseits durch die
Steuerkolben (20, 21) gesperrt. Der Hydraulikmotor (3)
steht beiderseitig unter dem Druck des Mediums
(Vorspannung) und nimmt somit seine "ausgeregelte
Mittellage" ein.
Hohlkolben (4) und Mittelkolben (6) sind um einen
Winkel (x) gegeneinander verdreht. Das Druckmittel
strömt von (P) über den freiliegenden Querschnitt
zwischen den axial verlaufenden Nuten (20 b) des
Steuerkolbens (20) und den Durchgangsbohrungen (9)
nach (B) und ferner von (A) über den freiliegenden
Querschnitt der axial verlaufenden Nuten (21 b) des
Steuerkolbens (21) und den Durchgangsbohrungen (11)
nach (T). Damit fließt ein dem freien Querschnitt
entsprechender definierter Ölstrom zum
Hydraulikmotor (3) und zurück.
Wird der Mittelkolben (6) weiter nach rechts bewegt,
erhöht sich die Durchflußmenge zum Hydraulikmotor (3)
und umgekehrt.
Entspricht die eingestellte Strömungsmenge der
geforderten Antriebsleistung des Hydraulikmotors,
drehen sich Mittelkolben (6) und Hohlkolben (4) mit
gleicher Drehgeschwindigkeit, so daß die einmal
eingestellte Durchflußmenge konstant bleibt. Leistung
und/oder Drehzahl des Hydraulikmotors (3) sind durch
Änderung der Soll-Wert-Vorgabe am Schrittmotor (2)
feinfühlig variierbar.
Hohlkolben (4) und Mittelkolben (6) sind um einen
Winkel (y) gegeneinander verdreht. Das Druckmittel
strömt von (P) über den freiliegenden Querschnitt
zwischen den axial verlaufenden Nuten (21 a) des
Steuerkolbens (21) und den Durchgangsbohrungen (11)
nach (A) und ferner von (B) über den freiliegenden
Querschnitt der axial verlaufenden Nuten (20 a) und den
Durchgangsbohrungen (9) nach (T). Damit fließt ein dem
freien Querschnitt entsprechender definierter Ölstrom
durch den Hydraulikmotor (3), der sich nun in
entgegengesetzter Richtung wie beim vorstehend
beschriebenen Schaltzustand dreht.
Wird der Mittelkolben (6) weiter nach links bewegt,
erhöht sich die Duchflußmenge zum Hydraulikmotor (3)
und umgekehrt.
Claims (5)
1. Hydraulische Steuereinrichtung für ein
Arbeitselement wie z.B. ein Hydromotor,
Hydraulikzylinder oder dergleichen, die mit
Soll-Wert-Vorgabe, z.B. mittels Schrittmotor, und
mechanischer Ist-Wert-Rückmeldung arbeitet, wobei der
von einer Druckmittelquelle dem Arbeitselement
zugeführte und von diesem zum Tank zurückfließende
Druckmittelstrom mittels Ventilelementen hinsichtlich
Richtung und Menge regelbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung
gebildet ist aus einem Gehäuse (1) mit einer
Bohrung (18), einem in der Bohrung (18) drehbar, jedoch
axial unbeweglich gelagerten Hohlkolben (4), der in
fünf axial aufeinanderfolgenden Ebenen in jeder Ebene
wenigstens eine mittig zur Kolbenachse verlaufende
Durchgangsbohrung (8 bis 12) aufweist, wobei die
Bohrung in jeder Ebene in je eine umlaufende Nut (13
bis 17) in der Bohrungswandung des Gehäuses (1) mündet,
wobei an die umlaufenden Nuten (13 bis 17) die
Leitungen (P bzw. T) von Druckmittelquelle und Tank
einerseits und die Leitungen (A, B) des
Arbeitselements (3) andererseits angeschlossen sind,
wobei die Steuereinrichtung ferner gebildet ist aus
einem im Hohlkolben (4) drehbar, jedoch axial
unbeweglich gelagerten Mittelkolben (6), bei dem vier
Einzelkolben (20 bis 23) mit gegenseitigem Abstand
voneinander durch Stangenabschnitte (19) starr
miteinander verbunden sind und die beiden mittigen
Kolben (Steuerkolben 20, 21) je mittig zu den Ebenen
der zweiten und vierten Bohrungsgruppe des
Hohlkolbens (4) liegen, während jeder endseitige Kolben
(Abschlußkolben 22, 23) vom benachbarten
Steuerkolben (20 bzw. 21) einen solchen Abstand hat,
daß die Mündung der jeweils zwischen ihnen liegenden
Bohrung (8 bzw. 12) freiliegt, wobei die
Steuerkolben (20, 21) an ihrer zylindrischen
Mantelfläche je wenigstens zwei axial verlaufende,
jeweils von den entgegengesetzten Stirnseiten
ausgehende und vor der jeweils anderen Stirnseite
endende Nuten (20 a, 20 b bzw. 21 a, 21 b) aufweisen, die
so angeordnet sind, daß sie in der Mittelstellung der
Steuereinrichtung mit ihren einander zugewandten
axialen Kanten (Steuerkanten 20 k bzw. 21 k) die
zugehörige Durchgangsbohrung (9 bzw. 11) des
Hohlkolbens (4) tangieren, und daß Hohlkolben (4) und
Mittelkolben (6) einzeln mit Soll-Wert-Vorgabe und
Ist-Wert-Rückmeldung gegebenenfalls über ein
Unter- oder übersetzungsgetriebe drehschlüssig
verbindbar sind.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Hohlkolben (4) in jeder
Bohrungsebene wenigstens zwei fluchtende
Bohrungen (8 bis 12) und die Steuerkolben (20, 21)
dementsprechend wenigstens vier axiale Nuten (20 a, 20 b,
bzw. 21 a, 21 b) enthalten.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Breite der axialen Nuten (20 a,
20 b bzw. 21 a, 21 b) der Steuerkolben (20, 21) der
lichten Weite der Durchgangsbohrungen (9 bzw. 11)
entspricht.
4. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung am
geschlossenen Ende der axialen Nuten (20 a, 20 b bzw.
21 a, 21 b) der Steuerkolben (20, 21) die Wandung der
zugehörigen Durchgangsbohrung (9 bzw. 11) des
Hohlkolbens (4) tangiert oder gegenüber dieser
vorsteht.
5. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufenden Nuten (13
bis 17) des Gehäuses (1) durch innere Kanäle mit
folgenden Außenanschlüssen verbunden sind:
- a) dritte (mittlere) Ebene: Anschluß (P) für die Leitung von der Druckmittelquelle,
- b) erste und fünfte Ebene: Anschluß (T) für die Leitung zum Tank und
- c) zweite und vierte Ebene: Anschlüsse (A, B) für die Leitungen zum Arbeitselement (3).
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