Hydraulischer Linear-Servoverstärker

Abstract

 In einer zylindrischen Bohrung (2) eines Gehäuses (1) ist ein Kolben (3) geführt. Die Kolbenstange (4) überragt das Gehäuse (1) einseitig. In einer koaxialen Bohrung (28) der Kolbenstange (4) ist ein als Hohlzylinder ausgebildeter Steuerschieber (29) verschiebbar. Die Wand (30) des Hohl­zylinders hat Fenster (46), die mit Oeffnungen (52,53) in der Kolbenstange (4) beidseits des Kolbens (3) zusammen­wirken. In der Kolbenstange (4) ist ein gehäusefester Hilfs­kolben (39) angeordnet. Die eine Kolbenseite (14) ist an einen Druckanschluss (16), die andere (22) an einen Rücklauf (24) angeschlossen. Durch diese Ausbildung wird eine sehr hohe Verstellgeschwindigkeit erreicht.

Beschreibung

[0001] Ein hydraulischer Servoverstärker gemäss Oberbegriff des An­spruchs 1 ist aus der EP-A-88'017 bekannt. Dieser Servover­stärker ist vor allem für kleine Hübe und relativ geringe Ausgangsleistungen geeignet. In einem Gehäuse mit einer zy­lindrischen ersten Bohrung ist ein Kolben mit einer Kolben­stange gelagert, die das Gehäuse einseitig überragt. In einer zweiten, koaxialen Bohrung in der Kolbenstange ist ein Steuerschieber mit einer Betätigungsstange geführt. Diese überragt das Gehäuse auf der andern Seite und wird durch einen Elektromotor, z.B. einen Schrittmotor betätigt. Mit dem kolbenstangenseitigen ersten Zylinderraum ist ein Druck­anschluss verbunden. Der Steuerschieber steuert über Steuer­kanten den Durchfluss von Hydraulikflüssigkeit vom ersten Zylinderraum in den kolbenseitigen Zylinderraum und von die­sem zu einem Rücklaufanschluss. Dadurch folgt der Kolben der Bewegung des Steuerschiebers. Bei diesem bekannten Servover­stärker ist das Verhältnis des maximalen Durchflussquer­ schnittes über die Steuerkanten zur Kolbenfläche begrenzt. Ausserdem erfolgt der ZU- bzw. Abfluss der Hydraulikflüssig­keit zu bzw. von den Steuerkanten über relativ enge Kanäle. Dadurch wird die Verstellgeschwindigkeit der bekannten Vor­richtung begrenzt.

[0002] Weitere Servoverstärker ähnlicher Art sind aus der US-A-­3 892 164 und der US-A-3 961 561 bekannt. Diese weisen je­doch dieselben Nachteile auf.

[0003] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen Servoverstärker derart auszubilden, dass er sehr hohe Verstellgeschwindigkeiten erreicht. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 ge­löst.

[0004] Durch diese Ausbildung können alle den Zu- bzw. Abfluss der Hydraulikflüssigkeit über die Steuerkanten beengenden Kanäle vermieden werden. Dadurch können äusserst hohe Verstellge­schwindigkeiten erreicht werden. Durch den Hilfskolben gemäss Anspruch 2 können die beiden wirksamen Kolbenflächen beliebig gegenüber dem maximalen Oeffnungsquerschnitt der Steuerkanten gewählt werden, so dass die Verstellgeschwindigkeit zusätzlich erhöht werden kann. Ferner können kleine und damit reaktions­schnelle Pilotmotoren eingesetzt werden, weil die vom Pilot­motor direkt zu beschleunigende Masse minimal gehalten werden kann.

[0005] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Servoverstärker,

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II - II in Fig. 1 durch die Kolbenstange,

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie III - III in Fig. 1 durch den Steuerschieber,

Fig. 4 ein Detail der Darstellung nach Fig. 1 in vergrösser­tem Massstab,

Fig. 5 eine Variante der Ausführungsform nach Fig. 1, und

Fig. 6 bis Fig. 8 drei weitere Ausführungsformen.

[0006] Die Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 hat ein Gehäuse 1 mit einer axialen Bohrung 2. In der Bohrung 2 ist ein Kolben 3 verschiebbar geführt. Der Kolben 3 ist einstückig mit einer koaxialen Kolbenstange 4 verbunden. Ein Abschnitt 5 der Kol­benstange 4 ist in einer Bohrung 6 eines Gehäusedeckels 7 ge­führt und durch einen Dichtungsring 8 abgedichtet. Am freien, das Gehäuse 1 überragenden Ende trägt der Abschnitt 5 einen Gewindezapfen 9 zum Befestigen an einem zu betätigenden Glied. Zwischen dem Deckel 7, dem Abschnitt 5, dem Kolben 3 und der Bohrung 2 ist ein erster Zylinderraum 14 gebildet. Dieser mün­det in einer erweiterten Gehäusebohrung 15 benachbart dem Deckel 7. Die Bohrung 15 kommuniziert mit einem Druckanschluss 16 zum Anschluss einer Druckölquelle P.

[0007] Auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens 3 ist zwischen dem Kolben 3, einem zweiten Gehäusedeckel 20, einem zweiten Abschnitt 21 der Kolbenstange 4 und der Bohrung 2 ein Rück­laufraum 22 gebildet. Der Raum 22 mündet in einer ebenfalls erweiterten Gehäusebohrung 23 benachbart dem Deckel 20. Die Bohrung 23 kommuniziert mit einem Rücklaufanschluss 24 zum Anschluss an eine Rücklaufleitung R.

[0008] Die Kolbenstange 4 hat eine koaxiale Bohrung 28, in welcher ein Steuerschieber 29 längsverschiebbar ist. Der Steuer­schieber 29 ist als Hohlzylinder mit einer Wand 30 und einer im Abschnitt 5 gelegenen, durch Bohrungen 31 durchbrochenen Stirnwand 32 ausgebildet. Der Hohlzylinder ist gegen den Ab­schnitt 21 der Kolbenstange 4 offen. Der Schieber 29 sitzt fest auf einer Betätigungsstange 33. Die Stange 33 ist durch eine Bohrung 34 durch den Deckel 20 geführt und mit einem Dichtungsring 35 abgedichtet. Die Stange 33 durchdringt einen in einer erweiterten, koaxialen Bohrung 38 verschiebbar ge­führten Hilfskolben 39. Der Hilfskolben 39 schliesst den durch die Bohrungen 28, 38 gebildeten zweiten Zylinderraum 40 stirnseitig ab und liegt lose am Deckel 20 an. Um die Reibung der Stange 33 gering zu halten, hat er auf der dem Raum 40 abgewandten Seite eine erweiterte Bohrung 41, die über radiale Nuten 42 mit dem Rücklaufraum 22 kommuniziert.

[0009] Im Schieber 29 sind in der Wand 30 vier im Umriss rechtecki­ge, radial gerichtete, gleichmässig verteilte Fenster 46 ausgespart. Die Stirnwände 47, 48 der Fenster 46 bilden zu­sammen mit der Aussenfläche 49 der Wand 30 dem Steuerschieber 29 zugeordnete Steuerkanten 50, 51. Die Steuerkanten 50, 51 liegen in je einer Radialebene. In der Kolbenstange 4 sind in beiden Abschnitten 5, 21 benachbart dem Kolben 3 je drei radiale Oeffnungen 52, 53 mit ebenfalls rechteckigem Umriss angebracht. Die dem Kolben 3 zugewandten Stirnflächen 54, 55 dieser Oeffnungen 52, 53 bilden zusammen mit der Bohrung 28 die der Kolbenstange 4 zugeordneten Steuerkanten 56, 57. Die Steuerkanten 56, 57 liegen ebenfalls in je einer Radialebene und haben annähernd denselben Abstand voneinander, wie die Steuerkanten 50, 51. Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, erstrecken sich die Steuerkanten 50, 51, 56, 57 über den grössten Teil des Umfangs der Aussenfläche 49 bzw. der Bohrung 28.

[0010] Um die Stange 33 weitgehend von Druck zu entlasten, ragt ihr dem Gewindezapfen 9 zugewandtes Ende durch eine Bohrung 60 in der Kolbenstange 4 in eine Kammer 61, die über eine ra­diale Bohrung 62 und eine achsparallele Bohrung 63 mit der einen Oeffnung 53 kommuniziert und deshalb mit Rücklaufdruck beaufschlagt ist. Dazu sind die Oeffnungen 52 gegenüber den Oeffnungen 53 um 60° versetzt.

[0011] Auf dem den Deckel 20 überragenden Ende der Betätigungs­stange 33 ist eine Zahnstange 68 aufgeschraubt. Diese stützt sich auf einer Rolle 69 ab und ist im Eingriff mit einem Ritzel 70, das auf der Abtriebswelle 71 eines elektrischen Schrittmotors 72 sitzt.

[0012] Im Betrieb arbeitet der beschriebene Servoverstärker wie folgt: In dem in Fig. 1 dargestellten Ruhezustand ist der Steuerschieber 29 durch die Stange 33 in einer Stellung ge­halten. Der Kolben 3 verschiebt sich so weit, bis dessen Steuerkanten 56, 57 mit den Steuerkanten 50, 51 des Steuer­schiebers 29 so liegen, dass das Produkt aus der Kolbenring­fläche F₁, gebildet durch die Bohrungen 2, 6, mal dem Druck P im Gleichgewicht ist mit dem Produkt aus der Kolbenringfläche F₂, gebildet durch Bohrung 38 und die Stange 33 mal dem Druck P₁ im Raum 40 (plus allfällige Wirkung des Rücklaufdrucks R, plus eine äussere, auf die Kolbenstange 4 wirkende Kraft). Wird nun die Betätigungsstange 33 und damit der Steuerschie­ber 29 nach rechts verschoben (Fig. 4), so öffnet sich der Spalt zwischen den Steuerkanten 50 und 56 und Drucköl fliesst aus dem Raum 14 über die Fenster 45 in den zweiten Zylinder­raum 40 und schiebt somit den Kolben 3 mit der Kolbenstange 4 ebenfalls nach rechts. Der Kolben 3 folgt dem Steuerschie­ber 29 solange, bis sich der oben beschriebene Ruhezustand wieder eingestellt hat. Wird der Steuerschieber 29 nach links verschoben, so öffnet sich die durch die Steuerkanten 51, 57 gebildete Steueröffnung und die Hydraulikflüssigkeit fliesst vom Zylinderraum 40 zum Rücklaufanschluss 24.

[0013] Dabei ist der Oeffnungsquerschnitt gebildet aus dem Abstand der Steuerkanten 50, 56 bzw. 51, 57 und dem Umfang der Aus­senfläche 49 im Verhältnis zur Fläche des Hilfskolbens 39 gross und der Oelstrom über die Steuerkanten ist durch keine beengenden Kanäle behindert und begrenzt, so dass die er­reichbare Kolbengeschwindigkeit hoch ist. Die wirksamen Kol­benflächen F₁ und F₂ können im Verhältnis zum Querschnitt des Steuerschiebers 29 beliebig klein gewählt werden. Da keine Oelsäulen kleinen Querschnitts zu beschleunigen sind, sind die Massenträgheitseffekte der beschleunigten Oelmen­gen vernachlässigbar gegenüber der Masse der Kolbenstange 4. Weil die Fenster 46 und die Oeffnungen 52, 53 gleichmäs­sig über den Umfang verteilt sind, entstehen im Betrieb keine Radialkräfte auf den Steuerschieber 29. Wegen des Unterschiedes der Anzahl Fenster 46 zur Anzahl Oeffnungen 52 bzw. 53 spielt die Drehstellung des Steuerschiebers 29 relativ zur Kolbenstange 4 keine Rolle. Die Abdichtung der Betätigungsstange 33 ist nur gegen Rücklaufdruck erforder­lich und kann daher reibungsarm ausgeführt werden. Die Be­tätigungsstange 33 ist dünn und der als Hohlzylinder ausge­bildete Steuerschieber 29 dünnwandig, so dass vom Antrieb nur geringe Massen zu beschleunigen sind. Daher kann ein kleiner Schrittmotor mit hoher Dynamik verwendet werden.

[0014] Der beschriebene Servoverstärker eignet sich vor allem für Anwendungen, in welchen sehr hohe Verstellgeschwindigkeiten erforderlich sind und/oder veränderbare Hübe, bei mässiger Kraftübertragung. Typische Anwendungsgebiete sind z.B. bei Textilmaschinen für die Verstellung der Nadelbalken oder Nadelbarren, bei Stickmaschinen für die Nadel- oder Stickrah­menbewegung,
    bei Montage- oder Verpackungsmaschinen z.B. für das
Bestücken (von Leiterplatten)
Stopfen (von Bürsten)
Etikettieren, Markieren
Dosieren
Stossen, Ziehen, Biegen, Falten
Rütteln, Vibrieren, Stopfen
Zangen- oder Hebelbetätigung
    bei Werkzeugmaschinen und Vorrichtungen z.B. für das
Prägen, Drücken, Formen, Lochen, Ziehen
Hämmern, Nieten, Feinschmieden
Nibbeln, Klinken, Schnellstanzen
Schnittschlagdämpfer und Niederhalter bei Stanzpressen
Steuerung oder Antrieb der Einspritzventile bei Spritz­maschinen
Federfabrikation (Vorschub und Verformung)
Werkstoffprüfmaschine (Schwingungsprüfung, Dauerprüfung)
    als Steuer oder Antriebsorgan z.B. bei
Einspritzpumpen bei Verbrennungsmotoren
Dosierpumpen bei Mischanlagen
Mischventilen
Schnellkupplungen
Hydraulischen Proportionalventilen
Hydraulischen Pumpenreglern
usw.

[0015] In der Ausführungsvariante nach Fig. 5 ist der Antrieb der Betätigungsstange 33 abweichend von der Ausführungsform nach Fig. 1 ein Schraubgetriebe. Auf der Abtriebswelle 71 des Schrittmotors 72, der hier koaxial zur Kolbenstange 4 ange­ordnet ist, ist eine Gewindehülse 77 befestigt, die auf einem auf der Betätiungsstange 33 aufgeschraubten Gewindezapfen 78 aufgeschraubt ist. Der Zapfen 78 trägt einen Flansch 79, der durch einen gehäusefesten Stift 80 gegen Verdrehen gesichert ist. Eine Feder 81 belastet den Flansch 79, damit das Schraub­getriebe spielfrei ist.

[0016] In den Ausführungsformen nach Fig. 6 bis 8 werden für analoge Teile gleiche Bezugszeichen verwendet, so dass sich hier eine detaillierte Erläuterung erübrigt.

[0017] Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist der Hilfskolben durch den zweiten Abschnitt 21 der Kolbenstange 4 gebildet, der in einer Bohrung 84 des Gehäuses 1 gleitet. Der erste, mit dem Druckanschluss 16 verbundene Zylinderraum 14 wird hier durch die Bohrung 84 gebildet. Die zwischen den Bohrungen 2 und 6 gebildete Ringfläche F₂ des zweiten Zylinderraums 40 ist grösser als die wirksame Fläche F₁ des ersten Zylinderraums 14. Der wiederum als Hohlzylinder ausgebildete Steuerschieber 29 hat hier Fenster 46, die in eine Umfangsnut 85 des Steuer­schiebers 29 münden. Die dem Kolben 3 zugewandte Stirnwand 47 dieser Nut 85 bildet zusammen mit der Aussenfläche 49 die eine dem Steuerschieber 29 zugeordnete Steuerkante 50. Die andere Steuerkante 51 des Steuerschiebers 29 wird gebil­det durch die dem Kolben 3 zugewandte Stirnwand 48 einer weiteren Nut 86 des Steuerschiebers 29. Die beiden der Kol­benstange 4 zugeordneten Steuerkanten 56, 57 werden durch die beiden Stirnflächen 54, 55 einer Umfangsnut 87 der Kolbenstange 4 und die Bohrung 28 gebildet. Die Nut 86 ist über radiale Oeffnungen 53 im Abschnitt 21 der Kolbenstange 4 mit dem Rücklaufraum 22 verbunden. Die Nut 87 kommuniziert über Oeffnungen 52 in der Kolbenstange 4 mit dem Zylinder­raum 40. Im übrigen ist der Aufbau und die Betriebsweise der Ausführungsform nach Fig. 6 analog jeder nach Fig. 1.

[0018] Die Ausführungsform nach Fig. 7 ist analog jener nach Fig. 6, wobei jedoch hier Druckanschluss 16 und Rücklaufanschluss 24 vertauscht sind. Dementsprechend ist der erste, mit Speise­druck beaufschlagte Zylinderraum 14 mit der wirksamen Fläche F₁, hier links des Kolbens 3, angeordnet. Die Oeffnungen 52, 53 überkreuzen sich und erstrecken sich deshalb je über weniger als die Hälfte des Umfangs. Da die ganze Betätigungs­stange 33 mit Rücklaufdruck beaufschlagt ist, ist die Ent­lastung durch eine mit Rücklaufdruck beaufschlagte Kammer 61 überflüssig.

[0019] Die Ausführungsform nach Fig. 8 ist analog jener nach Fig. 1 aufgebaut, nur dass hier der Hilfskolben durch einen zweiten Flansch 90 am Abschnitt 21 der Kolbenstange 4 gebildet ist. Der Flansch 90 gleitet in derselben Bohrung 2 des Gehäuses 1 wie der Kolben 3. Dementsprechend entspricht die wirksame Fläche F₂ des zweiten Zylinderraums 40 dem Querschnitt der Bohrung 2, abzüglich dem Querschnitt der Betätigungsstange 33. Es ist bei dieser Ausführungsform jedoch auch möglich, den Durchmesser des Flansches 90 kleiner zu wählen, als den Durchmesser des Kolbens 3, also die Bohrung 2 wie im Aus­führungsbeispiel nach Fig. 7 abzusetzen.

Ansprüche

1. Hydraulischer Linear-Servoverstärker umfassend einen in einer ersten zylindrischen Bohrung (2) eines Ge­häuses (1) geführten Kolben (3), eine mit dem Kolben (3) ver­bundene, das Gehäuse (1) einseitig überragende Kolbenstange (4), einen in einer zweiten Bohrung (28) in der Kolbenstange (4) geführten Steuerschieber (29) mit einer Betätigungsstange (33), einen Druckanschluss (16), der mit einem ersten Zylin­derraum (14) verbunden ist, sowie einen Rücklaufanschluss (24), wobei der Steuerschieber (29) über Steuerkanten (50,51, 56,57) den Durchfluss vom ersten Zylinderraum (14) in einen zweiten Zylinderraum (40) mit einer grösseren wirksamen Fläche (F₂) bzw. vom zweiten Zylinderraum (40) zum Rücklaufanschluss (24) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschieber (29) als Hohlzylinder ausgebildet ist, dessen Wand (30) von Fenstern (46) durchsetzt ist, wobei mindestens eine Fenster­kante als dem Steuerschieber (29) zugeordnete Steuerkante (50,51) ausgebildet ist, die mit einer der Kolbenstange (4) zugeordneten Steuerkante (56,57) zusammenwirkt.

2. Servoverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, dass die Kolbenstange (4) mit einem Hilfskolben (21,39,90) zusammenwirkt, der einen der Zylinderräume (14,40) begrenzt.

3. Servoverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, dass der Hilfskolben (21,39) einen kleineren Durch­messer hat als der Kolben (3).

4. Servoverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet, dass der Hilfskolben (39) in einer koaxialen dritten Bohrung (38) der Kolbenstange (4) axial verschiebbar, gehäuse­fest angeordnet und von der Betätigungsstange (33) durchsetzt ist, und dass die dem ersten Zylinderraum (14) gegenüberlie­gende Seite des Kolbens (3) mit einem mit dem Rücklaufan­schluss (24) verbundenen Rücklaufraum (22) kommuniziert.

5. Servoverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekenn­zeichnet, dass der Hilfskolben (39) lose an einem Gehäuse­deckel (20) anliegt und an seiner dem zweiten Zylinderraum (40) abgewandten Stirnseite mit dem Rücklaufraum (22) kommu­niziert.

6. Servoverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fenster (46) zusammen mit radialen, in den ersten Zylinderraum (14) mündenden ersten Oeffnungen (52) sowie radialen, in einen Rücklaufraum (22) mündenden zweiten Oeffnungen (53) in der Kolbenstange (4) die Steuerkanten (50,51,56,57) bilden, und dass der hohl­zylindrische Steuerschieber (29) gegen den zweiten Zylinder­raum (40) offen ist.

7. Servoverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekenn­zeichnet, dass die Fenster (46) und die Oeffnungen (52,53) gleichmässig über den Umfang verteilt sind.

8. Servoverstärker nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fenster (46) einen rechteckigen Um­riss haben, wobei die dem Steuerschieber (29) zugeordneten Steuerkanten (50,51) in je einer Radialebene liegen, dass die ersten und zweiten Oeffnungen (52,53) je auf ihrer dem Kolben (3) benachbarten Seite zusammen mit der zweiten Boh­rung (28) je die ebenfalls in Radialebenen liegenden, der Kolbenstange (4) zugeordneten Steuerkanten (56,57) bilden, und dass die Betätigungsstange (33) gegenüber dem Gehäuse (1) axial verschiebbar ist.

9. Servoverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Kolbenstange (4) an­geordnete Stirnende der Betätigungsstange (33) in eine mit dem Rücklaufanschluss (24) verbundene Kammer (61) ragt.

10. Servoverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsstange (33) über ein Getriebe (68,70;77,78) mit der Abtriebswelle (71) eines Pilotmotors (72) verbunden ist.

Zeichnung