DE2802035A1

DE2802035A1 - Proportionaler kraftverstaerker

Info

Publication number: DE2802035A1
Application number: DE19782802035
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Dynex Rivett Inc
Current assignee: Dynex Rivett Inc
Priority date: 1977-01-21
Filing date: 1978-01-18
Publication date: 1978-08-03
Also published as: GB1555291A; US4089252A; JPS5392093A

Description

Die Erfindung betrifft einen proportionalen Kraftverstärker bzw. eine Servovorrichtung zur Bewegungsfolgesteuerung mit gleichzeitiger, hydraulischer Kraftverstärkung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Gerätes des bezeichneten Typs, welches folgende Forderungen erfüllt: die lineare Verschiebung eines Eingangs- oder Steuergliedos soll eine exakte Folgebewegung eines Ausgangsgliedes bewirken. Dabei soll eine Verschiebung des Eingangsgliedes unter nur geringer Krafteinwirkung durch hydraulische Kraftverstärkung eine entsprechende Bewegung des Ausgangsgliedes mit hoher Kraft hervorrufen. Das Gerät soll ferner eine kOE-pakte und unempfindliche Konstruktion aufweisen und nur geringe Fertigungsgenauigkeiten bei der Herstellung ohne daraus resultierenden Wirkungsgradverlust erfordern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform soll es möglich sein, das Gerät bei Ausfall der Druckölversorgung ohne weiteres unter entsprechend erhöhtem Kraftaufwand auch von Hand zu betätigen.

Diese Aufgabe wird durch einen Kraftverstärker entsprechend Patentanspruch 1 gelöst. Diese Lösung besteht im wesentlichen aus einem Kolben, der einen Zylinderraum in Kammern unterteilt, in denen sich ein Steuerdruck einstellt, der näherungsweise dem halben Versorgungsdruck entspricht. Dieser halbe Versorgungsdruck wirkt auf die Steuerdruckseite des Kolbens, deren Kolbenfläche etwa doppelt so groß ist wie diejenige der Druckfläche auf der anderen Seite des Kolbens, die unter Versorgungsdruck steht. Infolge dieses Flächen- und Druckgleichgewichtes wird die als Ausgangsglied dienende Kolbenstange im Kräftegleichgewicht gehalten. Diese Stellung wird Gleichgewichts-

809831/0671

stellung des Kraftverstärkers genannt. Eine Auslenkung aus der Gleichgewichtsposition erzeugt eine Störung im Druckgleichgewicht und veranlaßt das Ausgangsglied, sich zu bewegen. Eine solche Störung des Gleichgewichtes entsteht durch eine Verschiebung des Eingangsgliedes. Das Ausgangsglied wird sich daraufhin solange bewegen, bis seine Verschiebung wieder zu einem Kräftegleichgewicht führt, wie es im Ausgangszustand bestanden hat.

Auf diese Weise werden das Eingangsglied und das Ausgangsglied in einem hydraulischen Gleichgewicht bzw. in einer Gleichgewichtsstellimg gehalten, bis das Eingangsglied, das in Art einer axial verschiebbaren Steuerstange ausgebildet ist, in der einen oder anderen Richtung aus seiner Gleichgewichtslage entfernt wird. Bestimmte Steuermittel sorgen dafür, daß das durch diese Verschiebung gestörte hydraulische Gleichgewicht durch eine entsprechende Bewegung des Ausgangsgliedes wieder hergestellt ist. Der neue Gleichgewichtszustand stellt sich dabei je nach der Verschiebung des Eingangsgliedes bei einer anderen örtlichen Lage des Eingangs- und Ausgangsgliedes ein. Wesentlich ist nur, daß im Gleichgewichtszustand die relative Lage des Ausgangsgliedes in Bezug auf das Eingangsglied immer die gleiche ist.

Der bei den unterschiedlich großen Kolbenflächen für das Kräftegleichgewicht an den beiden Kolbenseiten erforderliche Druckabfall des Hydraulikmediums wird durch einen verengten Querschnitt bzw. eine Düse in einem Verbindungsweg zwischen der Druckkammer und der Steuerkammer erreicht sowie durch eine von der gegenseitigen Lage des Eingangsgliedes und des Ausgangsgliedes abhängigen Querschnittsverengung im Strömungsweg zwischen der Steuerkammer und der Rückflußöffnung für das Drucköl, welches

809831/0671

die Vorrichtung kontinuierlich durchströmt. Die Folgebewegung des Ausgangsgliedes verändert den Abstand und somit die querschnittsverengende Stelle gegenüber dem Eingangsglied, bis der Druckabfall des Hydraulikmediums wieder derart ist, daß ein Gleichgewichtszustand herrscht.

Im folgenden werden beispielhafte, bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen proportionalen Kraftverstärkers ;

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm, in dem der Steuerdruck in Abhängigkeit von der Auslenkung des Eingangsgliedes aufgetragen ist; und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsforai eines erfindungsgernäßen Kraftverstärkers.

In den Zeichnungen ist der erfindungsgemäße proportionale Kraftverstärker allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Der Kraftverstärker 10 besteht im großen und ganzen aus einem Zylindergehäuse 12 mit einer darin angebrachten, durchgehenden Zylinderbohrung 14. Die Zylinderbohrung 14 zerfällt in eine erste Kammer 16 und in eine zweite Kammer 18, welche eine ge-

809831/0671

ringere Querschnittsfläche aufweist. Zwischen den Kammern befindet sich ein ringförmig vorspringender Rand 17. Die Zylinderbohrung 14 ist an der Seite der Kammer 16 durch eine Stopfbüchse 20 abgeschlossen, durch welche das Eingangsglied in Form einer Steuerstange 22 hindurchgeführt ist, welche gleitbar in einer zentralen Öffnung 24 in der Stopfbüchse 20 ruht. Eine Dichtung 26 ist vorgesehen, um die Außenfläche der Stopfbüchse 20 gegen die Innenoberfläche des Zylindergehäuses 12 abzudichten. Die Stopfbüchse 20 wird durch Sprengringe 28 und 29 in ihrer Position gehalten. Eine Dichtung 30 und eine Abstreifdichtung 31 sind zwischen der Steuerstange 22 und der zentralen Öffnung 24 angeordnet.

Am anderen Ende des Zylindergehäuses 12 erstreckt sich in die Kammer 18 hinein ein Ausgangsglied in Form einer hohlen Kolbenstange 32. Die Kolbenstange 32 ruht gleitbar im Zylindergehäuse und ist gegenüber diesem durch Dichtungen 34 und 36 sowie eine Abstreifdichtung 37 abgedichtet. DiG Kolbenstange 32 v/eist an ihrem inneren Ende eine Erweiterung 57 auf, die den Kolben darstellt. Mittels einer am Umfang des Kolbens 57 angeordneten Dichtung 42 unterteilt die Kolbenstange die Zylinderbohrung 14 in eine Steuerdruckkammer oder Steuerkammer 44 und in eine Druckkammer 46. Die Kolbenstange 32 enthält eine durchgehende Bohrung 41. In diese Bohrung 41 der Kolbenstange 32 ist ein Stöpsel 50 eingeführt. Zur Zylindermitte hin setzt sich der Stöpsel 50 in eine Stöpselverlängerung 52 fort, die einen etwas geringeren Durchmesser als die Bohrung 41 besitzt und daher zwischen sich und dieser eine ringförmige Kammer 54 freiläßt. Die Stöpselverlängerung 52 endet mit einer ebenen Stirnfläche 56, die senkrecht zur Achse des Zylindergehäuses verläuft. Die ringförmige Kammer 54 ist hinter dem ringförmig

809831/0671

vorspringenden Rand 17 erweitert, um den Kolben 57 der Kolbenstange 32 aufzunehmen. In den Kolben 57 hinein erstreckt sich das innere Ende der Steuerstange 22.

Quer durch das Ende der Steuerstange 22 ist ein Stift 60 geführt. In die Kolbenstange 32 hinein erstreckt sich eine Ansatzhülse 62 mit einem vergrößerten Kopfstück 64 und einem dünneren Schaft. Das Kopfstück 64, welches über das Ende der Steuerstange 22 greift, besitzt zwei radiale Öffnungen 67, in die die äußeren Enden des Stiftes 60 eingreifen. Die Öffnungen sind größer als der Querschnitt des Stiftes 60, wodurch eine gewisse Relativbewegung zwischen der Steuerstange 22 und der Ansatzhülse 62 stattfinden kann. Diese Maßnahme verringert die für die Anordnung notwendigen Toleranzanforderungen. In der Ansatzhülse 62 ist eine Düsenhülse 66 angeordnet. Die Düsenhülse 66 mündet in eine Düse 68, die der ebenen Stirnfläche 56 der Stöpselverlängerung 52 gegenüberliegt.

Eine Blende oder Düse 70 in einer Bohrung im Kolben 57 verbindet die Druckkammer 46 mit der Steuerkammer 44. Ein Stöpsel 71 ist in diese Bohrung eingeschraubt, um Düsen unterschiedlichen Durchmessers verwenden zu können. Der Kolben 57 und die Kolbenstange 32 sind so dimensioniert, daß die Kolbenoberfläche an der Seite der Druckkammer 46 ungefähr die Hälfte von derjenigen an der Seite der Steuerkammer 44 beträgt.

Die Druckkammer 46 steht unter Versorgungsdruck vom Druckölanschluß 77 her, und die Steuerkammer 44 steht lediglich unter Steuerdruck. Der Strömungsweg des Druckmittels verläuft von der Druckkammer 46 durch die Düse 70 in die Steuerkammer 44. Aus der Steuerkammer 44 fließt das Druckmedium durch die Ansatz-

809831 /0671

hülse 62 und aus der Düse 68 hinaus. Ein Widerstand oder Druckabfall entsteht zwischen der Stirnfläche 56 und der Düse 68. Das aus diesem Bereich austretende Druckmedium fließt weiter durch die ringförmige Kammer 54 und hinaus über Löcher 51 zurück zum Vorratstank durch die Rückflußöffnung 76. Das Eingangsglied, nämlich die Steuerstange 22, und das Ausgangsglied, nämlich die Kolbenstange 32, verharren im Ruhezustand, solange die Düsen 70 und 68 im Zusammenwirken mit der Stirnfläche 56 Druckabfälle erzeugen, die gerade die Differenz zwischen den Kolbenarbeitsflächen des Kolbens 57 bzw. der Kolbenstange 32 in den Kammern 46 und 44 kompensieren.

Im Fall, daß die Steuerstange 22 nach rechts bewegt wird, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, nähert sich die Düse 68 der Stirnfläche 56, wodurch die Durchflußmenge durch die Düse 68 vermindert wird, und ein Anstieg des Steuerdruckes in der Steuerkammer 44 erfolgt. Dies stört die Gleichgewichtsbedingungen und veranlaßt den Kolben und mit ihm die Kolbenstange 32 als Ausgangsglied, sich soweit nach rechts zu bewegen, bis der Abstand zwischen der Düse 68 und der Stirnfläche 56 wieder dem Gleichgewichtszustand entspricht bzw. bis der Druckabfall an dieser Stelle wieder dem Druckabfall über der Düse 70 entspricht.

Um die Eigenschaften der Düse 68 zu erhalten, weist die Außenkante der Ansatzhülse 62 einen Konus 73 auf und die Düsenhülse 66 erstreckt sich bis über den abgeschrägten Bereich hinaus. Diese Verlängerung über den Konus hinaus schützt die Düse 68, wenn die Steuerstange 22 die Ansatzhülse 62 gegen die ebene Stirnfläche 56 stoßen läßt. Die Querschnittsfläche der Steuerstange 22 ist geringfügig größer als die Querschnittsfläche, die gegen die Ansatzhülse 62 wirkt. Dies soll den Querschnitts-

809831/0671

- ίο -

fläclienverlust durch die Öffnung der Düse 68 ausgleichen.

In Fig. 4 5st eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die mit einer Federrückfiihranordnung 100 um die Steuerstange 22 herum versehen ist. Die Anordnung besteht aus einem Paar von kopf artigen Federv/iderlagern 102 und 104, zwischen die eine Druckfeder eingespannt ist. Diese Ausführungsform dient für Anwendungsfalle, in denen eine automatische Rückstellung der Steuerstange in eine mittlere Ausgangsstellung verlangt wird. Zu beachten ist, daß bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 der Weg des Hydraulikmediums zurück in den Vorratstank durch eine Öffnung 106, einen Kanal 103 und eine Bohrung 110 hindurch verläuft.

In der graphischen Darstellung der Fig. 3 ist der Steuerdruck P_c über der Auslenkung X des Eingangsgliedes aufgetragen. Es ist in dem Diagramm angegeben, daß der maximal mögliche Steuerdruck bei beispielsweise voller Auslenkung dem Versorgungsdruck Pg entspricht. Beim Gleichgewichtszustand im Ursprung des Koordinatenkreuzes entspricht der Steuerdruck P_c dem halben Versorgungsdruck. Die in der graphischen Darstellung erscheinende Hysterese wird im wesentlichen durch das Spiel zwischen dem Stift 60 und den radialen Öffnungen 67 in der Ansatzhülse 62 hervorgerufen.

Bei Ausfall des Öldruckes führt eine Verschiebung der Steuerstange 22 entsprechend der zeichnerischen Darstellung nach rechts zum unmittelbaren Anstoßen der Ansatzhülse 62 gegen die Stöpselverlängerung 52 und somit zu einer unmittelbaren Folgebewegung der Kolbenstange 32. Um die Kolbenstange 32 auch einer Belegung der Steuerstange 22 nach links folgen zu lassen, ist

809831/0S71

das Kopfstück 64 der Ansatzhülse 62 an seinem Ende außen mit einem Ring versehen, der hinter einen entsprechenden Ring 65 greift, der in die Innenwand der Bohrung im Kolben 57 eingelassen ist. Das Spiel zwischen dem Stift 60 und den Öffnungen ist auch erforderlich, um bei normalem Betrieb der Vorrichtung, primär eine hydraulische Aussteuerung zu bewirken, bevor die zuletzt genannten Hilfsbauteile für eine Handsteuerung miteinander in Eingriff gelangen.

809831 /0671

e e r s e i t e

Claims

DIPL-ING.

HELMUT GÖRTZ

Frankfurt am Main 70
Schneckenhofstr. 27 - Tel. 617079

17. Januar 1978 GzFu/Ra.

Dynex/Rivett Inc., Pewaukee, Wisconsin 53072 / USA

Proportionaler Kraftverstärker

Patentansprüche

(1.) Proportionaler Kraftverstärker, gekennzeichnet durch:

(a) ein Gehäuse (12) mit einer durchgehenden Zylinderbohrung (14) sowie einem Druckölanschluß (77) und einer Rückflußöffnung (76),

(b) ein translatorisch verschiebbares Ausgangsglied in Form einer hohlen Kolbenstange (32), die gleitbar in einem Ende des Gehäuses (12) ruht,

(c) einen innerhalb der Kolbenstange (32) in deren mittlerem Abschnitt angeordneten Stöpsel (50),

(d) eine Dichtung (34) zwischen der Außenfläche der Koltonstange (32) und der Wand der Zylinderbohrung (12), wobei diese Dichtung (34) zwischen dem Druckölanschluß (77) und der Rückflußöffnung (76) angeordnet ist,

(e) einen Kolben (57) am inneren Ende der Kolbenstange (32), welcher die Zylinderbohrung (12) in eine Steuerkanimer (44) und eine Druckkammer (46) unterteilt, von denen die Druckkammer (46) in Verbindung mit dem Druckölanschluß (77) steht,

809831/0671

(f) ein translatorisch verschiebbares Eingangsglied in Form einer Steuerstange (22), die sich in die Steuerkammer (44) hineinerstreckt,

(g) einen in Verlängerung der Steuerstange (22) angeordneten Ansatz (62, 66), der sich in die Kolbenstange (32) hineinerstreckt und mit einer ersten Düse (68) versehen ist, die unmittelbar dem Stöpsel (50, 52) gegenüberliegt,

(h) Mittel (60, 64), durch die der Ansatz (62, 66) an der Steuerstange (22) befestigt ist, um deren translatorischen Bewegungen in Längsrichtung zu folgen,

(i) eine zweite, durch den Kolben (57) verlaufende Düsenöffnung (70, 71)> welche eine Verbindung zwischen der Druckkammer (46) und der Steuerkammer (44) herstellt, und

(k) die Anordnung der ersten Düsenöffnung (68) zwischen der Steuerkammer (44) und der Rückfluß öffnung (76), wobei der Ausfluß aus der ersten Düse (68) durch den Abstand zwischen dem Ansatz (62, 66) und dem Stöpsel (50, 52) bestimmt wird und sich ein Gleichgewichtszustand einstellt, wenn der Ausfluß aus der zweiten Düse (68) derart ist, daß auf beide Seiten des Kolbens (57) gleiche Kräfte ausgeübt werden.
2. Kraftverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kante dieses Ansatzes (62, 66) an die darin angeordnete erste Düse (68) angrenzend von der Düse (68) weg konisch ausgeführt ist.

809 83 1/067 1
3. Kraftverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz (62, 66) aus einer äußeren Ansatzhülse (62) und einer, radial gesehen, inneren Düsenhülse (66) besteht, wobei die Düsenhülse (66) in axialer Richtung nach innen über die Ansatzhülse (62) hinaussteht.
4. Kraftverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel zum Befestigen des Ansatzes (62, 66) aus einem Stift (60) bestehen, der in der Steuerstange (22) verankert ist, sowie aus einem Paar von radialen Öffnungen (67) in der Ansatzhülse (62), in die die Enden des Stiftes (60) eingreifen.
5. Kraftverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt jeder dieser Öffnungen (67) größer ist als die Querschnittsfläche des Stiftes (60).
6. Kraftverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückführanordnung (100) mittels Federn vorgesehen ist, welche die Steuerstange (22) bei Nichtbetätigung in eine mittlere Ausgangslage zurückführt.
7. Kraftverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (70) gegen solche anderen Durchmesser austauschbar ist.
8. Kraftverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölweg zur Rückflußöffnung (76) durch die hohle Kolbenstange (32) verläuft.

809831/0671