Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Manipulator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Aus der DE 32 28 655 C2 ist eine hydraulische Betätigungseinrichtung zum Bewegen von beabstandet angeordneten Halteklauen für Raketenabschußrohre bekannt. Es handelt sich bei dieser bekannten Betätigungseinrichtung um einen geschlossenen Hydraulikkreis ohne Druckspeicheraggregat. Die Betätigung wird manuell mit einem Hebel auf einen Geberzylinder des Hydraulikkreises eingeleitet. Der Geberzylinder befindet sich im Inneren eines Panzerfahrzeuges und ist hydraulisch mit einem außerhalb des Fahrzeuges angeordneten Arbeitszylinder verbunden, dessen Kolben wiederum über ein Gestänge auf die Halteklauen einwirkt. Die Betätigung des Geberzylinders über einen Hebel ist mit ergonomischen Nachteilen verbunden und in der Auflösung und Kraftverstärkung begrenzt.
Aus der DE 35 36 858 C 1 ist eine mit einer Hydropumpe angetriebene Steuerung für einen u.a. einen Handrichtkreis, einen Kraftrichtkreis und einen Stabilisierungskreis enthaltenden Waffenrichtantrieb bekannt, bei dem zur Verhinderung des Einschaltsprunges beim Betriebsart-Wechsel und zur Verringerung des bei solchen Vorrichtungen bekannt hohen hydraulischen Aufwandes in die Versorgungsleitungen von Kraftrichtkreis und Stabilisierungskreis ein Servoventil eingegliedert ist, dessen Betriebsbereitschaft mittels eines elektrisch angesteuerten Anschaltventils hergestellt wird. Diese Anlage ist für den Einbau in gepanzerte Fahrzeuge vorgesehen und beispielsweise für die Verwendung in einer mobilen Panzerabwehrwaffe nicht geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen besonders kostengünstigen, hydraulischen Manipulator zu schaffen, der eine ergonomische Handhabung und ein gutes Übertragungsverhalten aufweist und insbesondere in der Lage ist, den Einfluß der beim Einsatz auftretenden Temperaturschwankungen zuverlässig auszugleichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Manipulator verwendet eine rotatorische Antriebsbewegung die hinsichtlich der erreichbaren Bewegungsgenauigkeit und der Kraftaufbringung am Abtrieb des Manipulators ergonomische Vorteile aufweist; insbesondere wenn am Abtrieb große Kräfte und sehr genaue Bewegungen erforderlich sind. Beispiele für derartige Anforderungen sind z.B. ein KFZ-Lenkrad, ein Schiffssteuerrad, ein Kurbelrad zur Verstellung eines Werkzeugmaschinenschlittens, ein Wagenheber, eine Seilwinde, ein Drehknopf zur Winkeljustierung eines Theodoliten oder eines Teleskops, ein Gassteuer-Drehgriff am Motorrad oder ein Lautstärke-Drehknopf am Radio.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Manipulators sind bei entsprechender Auswahl der Bauteile die Möglichkeit den Platzbedarf, das Gewicht und die Herstellkosten gering zu halten. Die Übersetzung des Manipulators ist konstruktiv beliebig realisierbar und kann auch sehr große Werte annehmen, was zu einer größeren Positioniergenauigkeit und größeren Abtriebskräften führt. Anstelle einer manuellen Einleitung der Antriebsbewegung kann auch ein Elektromotor Verwendung finden, der dann z. B. auch direkt ohne Zwischenschaltung eines Getriebes mit der Antriebswelle des Manipulators verbunden ist.
Vorteilhalte Werterbildungen der Erfindung ergebensich aus den Unteransprüchen.
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Der in Fig. 1 gezeigte hydraulische Manipulator besteht aus einem geschlossenen Hydraulikkreis 1 mit einer Hydropumpe 2, einem Drehgriff 3, einem Stellglied 4, einem Koppelelement 4 und den Hydraulikleitungen 7. Bewegungsrichtungspfeile 7 und 8 zeigen die am Drehgriff 3 in den Manipulator eingegebene Bewegung und die am Koppelement 4 vom Manipulator abgegebene Bewegung.
Bei der Hydropumpe 2 handelt es sich um eine Konstantförderpumpe mit zwei Förderrichtungen. Anstelle der Konstantförderpumpe ist auch der Einsatz einerVerstellpumpe möglich. Der Drehgriff 3 ist über eine Rutschkupplung mit der Antriebswelle der Hydropumpe 2 verbunden. Das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Drehgriff 3 und der Antriebswelle beträgt bei dieser direkten Verbindung 1:1, kann aber auch durch ein zwischengeschaltetes Getriebe beliebig anders ausgelegt sein. Der Drehgriff 3 wird im gezeigten Beispiel manuell betätigt, um eine Verstellung am ausgangsseitigen Koppelelement 5 zu erzielen. Die Betätigung des Drehgriffes kann aber auch durch ein beliebiges Antriebselement, z.B. durch einen Elektromotor, ausgeübt werden.
Der beim Betätigen des Drehgriffes 3 erzwungene Ölförderstrom der Hydropumpe 2 erzeugt über die Hydraulikleitungen 6 am Ausgang des Stellgliedes 4 eine Bewegung des Koppelelementes 5. In dem in Fig.1 gezeigten Beispiel besteht das Stellglied 4 aus zwei zueinander in entgegengestzter Richtung wirkenden Plungerzylindern 9, die über einen, beiden Plungerzylindern gemeinsamen, Kolben 10 verfügen. Der Kolben 10 stellt das Abtriebselement des Manipulators dar, mit dem als mechanisches Interface zu externen Elementen wirkenden Koppelelement 5.
Anstelle der beiden zueinander in entgegengesetzter Richtung wirkenden Plungerzylinder mit einem gemeinsamen Kolben kann das Stellglied 4 auch andere Ausgestaltungen aufweisen, wie z.B. als doppelt wirkender Hydrozylinder mit translatorischer, mit rotatorischer oder kombiniert mit translatorischer und rotatorischer Abtriebsbewegung. Weiterhin ist auch eine Ausgestaltung des Stellgliedes 4 als ein Verstell-Hydromotor mit zwei Strömungsrichtungen und rotatorischer Abtriebsbewegung möglich.
In dem geschlossenen Hydraulikkreis 1 können bedingt durch Temperaturänderungen, durch Leckage oder durch Komprimierung Volumenänderungen der Hydraulikflüssigkeit eintreten, welche den mit der Hydropumpe eingestellten Förderstrom verändern. Zur selbsttätigen Kompensation dieser Volumenänderungen sind in den Figuren 2a bis 2d Mittel aufgezeigt.
Fig.2a zeigt eine Ergänzung des Hydraulikkreises 1 durch einen Niederdruck-Hydrospeicher 12, der bei einer Volumenverringerung im Hydraulikkreis über Überdruckventile 11 Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikreis 1 speist. Der Niederdruck-Hydrospeicher 12 selbst ist über ein Filter 13 und ein Überdruckventil 11 nachfüllbar.
Fig.2b zeigt eine Ergänzung des Hydraulikkreises 1 durch einen Hochdruck-Hydrospeicher 14, der bei einer Volumenverringerung im Hydraulikkreis über eine druckbeaufschlagte Membran 19 Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikreis 1 speist. Die Membran 19 ist zu diesem Zweck in dem Speicher mit einem Gaspolster von etwa 70 bar beaufschlagt
Fig.2c zeigt in dem Hydraulikkreis 1 eine Abänderung des Stellgliedes 4. Einer der beiden Plungerzylinder 9 des Stellgliedes 4 ist auf dem Kolben 10 schwimmend gelagert, indem eine mechanische Druckfeder 15 auf ihn einwirkt. Die Druckfeder 15 und der andere Plungerzylinder 9 sind an einer starren Aufnahme 16 abgestützt.
Fig. 2d zeigt wie die vorangehende Variante den Einsatz einer mechanischen Druckfeder 16 zur Volumenkompensation in dem Hydraulikreis 1. Die Druckfeder 15 ist in dieser Lösung zwischen den Hälften eines zu diesem Zwecke geteilten Kolbens 18 eingesetzt. In Fig.2d ist als Stellglied 4 ein zweiseitiger Hydrozylinder 17 gezeigt; die Lösung ist aber auch bei anderen Hydrotylindern anwendbar, z.B. bei den vorangehend gezeigten Plungerzylindersystem.
Der in Fig. 3 gezeigte Manipulator hat eine verstellbare Drossel 20 in den Hydraulikkreis 1 integriert, mit der sich die Dämpfungscharakteristik des Manipulators beeinflussen läßt. Dieses Mittel kann zur Verbesserung der Ergonomie bei Feineinstellungen benutzt werden.
Weiterhin zeigt Fig.3 vorangehend zu Fig.2a beschriebene Mittel zum Volumensausgleich der Hydraulikflüssigkeit, bestehend aus Nierderdruck-Hydrospeicher 12 und Überdruckventilen 11. Der gezeigte Hydraulikkreis besitzt außerdem zwei Druckbegrenzungsventile 21 die in beiden Drehrichtungen des Manipulators anstelle einer am Drehgriff 3 angeordneten Rutschkupplung einen kostengünstigen Überlastschutz bieten.
Es sei darauf hingewiesen, daß sich die verstellbare Drossel 20 abweichend von dem in Fig.3 gezeigten Manipulator sowohl ohne die in Fig.3 gezeigten Mittel zur Volumenkompensation als auch ohne die gezeigten Druckbegrenzungsventile 21 zur Dämpfungscharakteristik uneingeschränkt einsetzen läßt.
Der in Fig.4 gezeigte Manipulator entspricht dem vorangehend zu Fig.3 beschriebenen Manipulator bis auf einen zusätzlichen Bypass 22 über der Hydropumpe 2, der von einem Schaltventil 23 zu- oder abscbaltbar ist. Bei abgeschaltetem, d.h. geschlossenen, Bypass 22 ist in Relation zu dem zugeschalteten, d.h. geöffneten, Bypass 22 eine Schnellverstellung zwischen dem An- und Abtrieb des Manipulators möglich.
Soll der An- oder der Abtrieb in einer bestimmten Position fixiert werden, so kann dazu der Hydraulikreis 1 mittels eines Schaltventiles 24 unterbrochen werden.Weitere Betätigungen der Hydarulikpumpe 2 nach dem Unterbrechen des Hydraulikkreises 1 bleiben durch ein dem Schaltventil 24 parallelgeschaltetes Druckbegrenzungsventil 25, das in den Niederdruck-Hydrospeicher 12 speist, unwirksam. Soll die Fixierung wieder aufgehoben werden, dann ist dies durch ein Öffnen des Schaltventiles 24 erreichbar.
Fig.6 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Manipulators an einer mobilen Panzerabwehrwaffe 26. Der Manipulator dient zur manuellen Ausführung der Elevationsrichtbewegung der Panzerabwehrwaffe. Beim Visieren wird mit dem Drehgriff 3 des in den Fuß 27 der Panzerabwehrwaffe integrierten Manipulators die Antriebswelle 29 der in Fig.6 nicht erkennbaren Hydropumpe 2 dem Visiervorgang entsprechend in wechselnder Richtung angetrieben. Die beiden Anschlüsse der Hydropumpe 2 sind mit dem außen am Fuß angebrachtem Stellglied 4 verbunden, das über das Koppelelement 5 auf die Abschußrampe 28 einwirkt und diese bei Betätigung des Drehgriffes 3 um die Elevationsdrehachse schwenkt. Das Stellglied 4 besteht aus gegeneinanderwirkenden Plungerzylindern 9, in denen ein gemeinsamer Kolben 10 gleitet.
Sämtliche Hydraulikleitungen 6 sind im Fuß 27, der als ein Feingußgehäuseteil ausgebildet ist, enthalten. Die meisten Komponenten des Hydraulikkreises 1, wie Ventile, Drossel und Filter sind Miniaturbauteile mit einer Größe von ca. 6mm Durchmesser und 27 mm Länge und werden mittels einer Einpreßtechnik im Feingußgehäuseteil integriert.
Der Fuß 27 enthält zusätzlich zu den vorangehend beschriebenen Komponenten noch die Azimut-Dämpfung und die Azimut-Lagerung, die in üblicher Weise ausgeführt und nicht Gegenstand dieser Erfindung sind.
Der Drehgriff 3 ist in dieser Anwendung als Elevationsrichtgriff ausgebildet und besteht aus folgenden Teilen: Griff, Lagerung, Struktur, Welle und Rutschkupplung. Die Rutschkupplung dient als Überlastschutz in beiden Arbeitsrichtungen. Die Funktion der Rutschkupplung kann auch gewichtssparender mit Druckbegrenzungsventilen hydraulisch realisiert werden, siehe dazu Fig.3. Die Verwendung einer Rutschkupplung hat in diesem Anwendungsfall aber den Vorteil kostengünstiger zu sein.
Das Übersetzungsverhältnis der Bewegungen der Antriebswelle der Hydropumpe 2 und des Koppelelementes 5 sind bezüglich der Visiereigenschaften durch eine entsprechende Auslegung der Komponenten des Hydraulikkreises 1 optimiert. Die Lage der Drehachse des Elevationsrichtgriffes ist durch Verwendung des erfindungsgemäßen Manipulators beliebig an dem Fuß 27 wählbar. Sie ist nach ergonomischen Aspekten optimiert und starr im Fuß 27 angeordnet.
Im Vergleich zu Panzerabwehrwaffen, welche die Elevationsbewegung über ein mechanisches Richtgetriebe ausführen, führt der Einsatz des erfindungsgemäßen Manipulators zu geringerem technischen und finanziellen Aufwand. Die aus ergonomischen Gesichtspunkten erforderliche im Raum dreidimensionale Anordnung des Elevationsrichtgriffes und die Übertragung der an diesem Elevationsrichtgriff erzeugten Abtriebsbewegung auf die Rampe 28 der Panzerabwehrwaffe wird bei Verwendung des erfindungsgemäßen Manipulators allein durch eine entsprechende Führung der Hydraulikleitungen im Fuß 27 kostengünstig gelöst.
Durch das hydraulische Prinzip läßt sich gegenüber einem rein mechanischen Getriebe eine höhere Getriebesteifigkeit, ein besseres Dämpfungsverhalten und eine geringere Reibung erreichen. Alle vorgenannten Vorteile führen zu einer Verbesserung der Visierqualität. Weiterhin lassen sich durch die mit dem hydraulischen Manipulator gewonnenen konstruktiven Freiheiten spezielle Vorteile verbinden, wie z.B. die Verkleinerung des Elevationslagers durch eine Verdoppelung dieses Lagers oder eine Höherlegung der Elevationsachse.