DE1750040A1 - Hydraulischer Drehmomentverstaerker - Google Patents

Description

Hydraulischer Drehmomentverstärker

Die Erfindung betrifft hydraulische Drehmomentverstärker. Im wesentlichen umfaßt ein hydraulischer Drehmomentverstärker einen hydraulischen Motor und ein Steuerventil, welches den Zutritt eines unter Druck stehenden Strömungsmittels zum hydraulischen Motor in Abhängigkeit von einer ausgeübten Eingangswinkelbewegung veranlaßt, sodaß der hydraulische Motor die Eingangswinkelbewegung mit verstärkter Energie reproduzieren kann.

Auf vielen Anwendungsgebieten hydraulischer Drehmomentverstärker, bei welchen eine Tätigkeit mit hoher Geschwindigkeit erforderlich ist, beispielsweise in numerischen Positionssteuerungen, bei welchen ein digitales Signal in eine analoge Wellenstellung umgewandelt wird, ist es sehr wünschenswert, daß die Energie der Eingangswinkelbewegung so niedrig wie möglich gehalten wird. Verwendet man als Steuerung für den hydraulischen Motor ein Ventil mit einem

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Kolbenschieber, dessen axiale Lage die Steuerung bewirkt und ändert man die axiale Stellung des Kolbenschiebers ohne Drehung dieses Kolbenschiebers durch die ausgeübte Eingangsbewegung, so ermöglicht der erfindungsgemäße hydraulische Drehmomentverstärker eine wesentliche Verringerung des ausgeübten Eingangsdrehmomentes im Vergleich mit bekannten hydraulischen Drehmomentverstärkern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird deshalb ein hydraulischer Drehmomentverstärker vorgeschlagen, welcher einen hydraulischen Motor und ein hydraulisches Steuerventil umfaßt, welches Ventil einen Kolbenschieber besitzt, welcher in axialer Richtung aus einer neutralen Stellung durch eine ausgeübte Eingangsbewegung beweglich ist, um unter Druck stehendes Strömungsmittel dem hydraulischen Motor zuzuführen, und welcher nur durch den hydraulischen Motor drehbar ist, um den Kolbenschieber in die neutrale axiale Stellung zurückzubewegen, in welcher kein unter Druck stehendes Strömungsmittel dem hydraulischen Motor zugeführt wird.

Insbesondere umfaßt die vorliegende Erfindung einen hydraulischen Drehmomentverstärker, welcher einen hydraulischen Motor umfaßt, sowie ein hydraulisches Steuerventil, welches einen Kolbenschieber besitzt, dessen axiale Stellung die Beaufschlagung des hydraulischen Motors mit unter Druck stehenden Strömungsmittel steuert, und von der Drehung des Kolbenschiebers unabhängige Mittel zur Umwandlung einer ausgeübten Eingangsverschiebung in eine Linearbewegung des VentilkoTbens "längs seiner Achse, — um unter Druck stehendes Strömungsmittel dem hydraulischen Motor zuzuführen.

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Die Wirkungsweise eines hydraulischen Drehmomentverstärkers gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine Eingangswinkelbewegung auf ein Getriebeglied übertragen wird, welches drehbeweglich an einem mit Schraubengewinde versehenen Teil befestigt ist, um das mit einem Schraubengewinde versehene Teil linear zu bewegen, wobei das mit einem Schraubengewinde versehene Teil einem Kolbenschieber zugeordnet ist, sodaß der Kolbenschieber aus einer neutralen Stellung durch die lineare Bewegung des mit einem Schraubengewinde versehenen Teils linear bewegt wird, wobei ferner die lineare Bewegung des Kolbenschiebers die Beaufschlagung eines hydraulischen Motors mit unter Druck stehendem Strömungsmittel steuert, wobei schließlich dieser hydraulische Motor die ausgeübte Eingangsbewegung reproduziert und der hydraulische Motor so mit dem Kolbenschieber verbunden ist, daß eine Drehbewegung des hydraulischen Motors aufgrund der Beaufschlagung mit unter Druck stehendem Strömungsmittel die Neigung besitzt, den Kolbenschieber in seine neutrale Stellung zurückzubewegen.

In dem beschriebenen besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt der hydraulische Drehmomentverstärker einen hydraulischen Motor, ein hydraulisches Steuerventil mit einem Ventilkolben, welcher in axialer Richtung aus einer neutralen Stellung beweglich ist,

um den hydraulischen Motor mit .unter JDruck. steilendem

Strömungsmittel zu beaufschlagen und welcher durch den hydraulischen Motor drehbar ist, um den Kolbenschieber in die neutrale Stellung zurückzubewegen, wobei ein drehbar auf einem mit einem Schraubengewinde versehenen Teil gelagertes Getriebeglied mit dem Kolbenschieber verbunden und an einer Bewegung in der Richtung der

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Drehachse gehindert ist, und wobei schließlich ein Mittel zur Erzeugung eines Eingangsdrehmomentes vorgesehen ist, um eine Eingangsbewegung zur Drehung des Getriebegliedes auszuüben und so den Kolbenschieber axial zu bewegen, um den hydraulischen Motor mit unter Druck stehendem Strömungsmittel zu beaufschlagen, um die ausgeübte Eingangsbewegung zu reproduzieren.

Bei einer besonderen Ausführungsform, bei welcher der hydraulische Drehmomentverstärker als Teil eines elektrohydraulischen Impulsmotors verwendet wird, umfaßt das Mittel zur Erzeugung des Eingangsdrehmomentes einen elektrischen Schrittschaltmotor, welcher jede gewünschte Anzahl elektrischer Phasen besitzen kann, beispielsweise 3, 5 oder 6.

Das Getriebeglied kann gegen die Bewegung längs der Rotationsachse dadurch gesichert werden, daß es zwischen festen Oberflächen angeordnet ist, vorzugsweise wird das Getriebeglied jedoch an einer Bewegung längs der Rotationsachse durch Rollendrucklager gehindert, welche zwischen relativ festen Anschlagflachen und den Stirnflächen des Getriebegliedes eingeschlossen sind.

Vorzugsweise besitzt der Kolbenschieber des Steuerventile Umfangsnuten, welche so ausgebildet sind, daß die ale Ergebnis der Bewegung des unter Druck stehenden Strömungsmittels in axialer Richtung auf den Kolbenschieber auegeübten Kräfte minimal sind.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird

nun anhand der in der Zeichnung dargestellten

diese Ausführungsbeispiele/naher erläutert.

Es zeigen:

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ig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen hydraulischen Drehmomentverstärker, bei welchem sich der Kolbenschieber in der neutralen Stellung befindet,

Pig. 2 den hydraulischen Drehmomentverstärker nach Pig. 1, wobei der Kolbenschieber in eine rechts von der neutralen Stellung nach Fig. 1 befindliche Arbeitsstellung bewegt worden ist,

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen hydraulischen Drehmomentverstärker in einem elektrohydraulischen Impulsmotor,

Fig. 4 einen Querschnitt der Vorrichtung nach Fig. 3 längs der Linie IV-IV in Fig. 3 und

Fig. 5 einen Schnitt der Vorrichtung nach

Fig. 3 längs der Linie V-V in dieser Figur.

In der Zeichnung sind gleiche oder ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

In Fig. 1 wird eine Eingangswinkelbewegung von einer Ausgangswelle 1 eines Steuergliedes 2, welches üblicherweise ein elektrischer Schrittschaltmotor ist, über ein auf der Ausgangswelle 1 gelagertes Zahnrad 3 auf ein Getriebeglied 4 übertragen, welches eine Gewindebohrung besitzt, die in Eingriff mit einem mit Schraubengewinde versehenen Teil 5 steht. Das mit einem Schraubengewinde versehene Teil 5 bildet eine Verlängerung eines Kolbenschiebers 6 eines Steuerventils. Das Getriebeglied 4 ist demnach auf dem mit einem Schraubengewinde versehenen Teil 5 drehbar und

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das Getriebeglied 4 wird gegen eine Bewegung in der Richtung der Drehachse auf dem mit einem Schraubengewinde versehenen Teil 5 durch feste Anschlagflächen 7 festgehalten.

An seinem anderen Ende steht der Kolbenschieber 6 in gleitendem Eingriff mit einem Achsstummel 8 eines hydraulischen Motors 9 in Kapselbauart· Der Achsstummel 8 des hydraulischen Motors 9 befindet sich in gleitendem Eingriff mit einer mit Keilnuten versehenen Bohrung 10 in demjenigen Ende des Kolbenschiebers 6, welches von dem mit einem Schraubengewinde versehenen Teil 5 abgewandt ist.

Demzufolge wird eine Drehung des hydraulischen Motors

den Achsstummel 8 und die Ausgangswelle 11 des hydraulischen Motors in Drehbewegung versetzen und wird eine entsprechende Drehbewegung des Kolbenschiebers hervorrufen.

Der Kolbenschieber 6 ist in einem ihn eng umschließenden Ventilkörper bzw. einer Hülse 12 frei dreh- und hin- und herbeweglich, in welcher Hülse kreisringförmige Nuten 13_$ 14, 15, 16 und 17 ausgebildet sind. Die kreisringförmige Nut 15 ist mit einer hydraulischen Druckquelle (nicht gezeigt) durch eine Leitung 18 verbunden, welche den Einlaß des Ventils darstellt, und die kreisringförmigen Nuten 13 und 17 sind durch eine Leitung 19 verbunden, welche wiederum mit einer Leitung 20 verbunden ist, die zur Rückkehr des hydraulischen Strömungsmittels oder als Auslaß aus &*m Steuerventil dient. Die kreisringförmigen Nuten 14 und 16 sind Jeweils durch Leitungen 21 bzw. 22 mit den beiden Eingängen des hydraulischen Motors verbunden.

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Der Kolbenschieber 6 besitzt an seinem Umfang kreisringförmige Nuten 23« 24 und 25« durch welche wahlweise und paarweise die kreisringförmigen Nuten 13 bis 17 im Ventilkörper 12 verbunden werden können, wenn der Kolbenschieber 6 in axialer Richtung nach rechts oder links aus «einer neutralen Stellung bewegt wird, welche in Fig. 1 gezeigt ist. Die kreisringförmigen Nuteilrund 16 im Ventilkörper 12 werden durch die kreisringförmige ümfangsnut 24 im Kolbenschieber 6 verbunden und die Nuten 14 und 13 i» Ventilkörper 12 werden durch die kreisringförmige ümfangsnut 23 des Kolbenschieber 6, wenn der Kolbenschieber 6 aus seiner neutralen Stellung nach rechts bewegt wird. Diese Stellung ist in Fig. 2 gezeigt, welche nachstehend noch näher erläutert wird. In ähnlicher Weise werden die kreisringförmigen Nuten 14 und 15 durch die kreisringförmige ümfanganut 24 und die kreisringförmigen Nuten 16 und 17 durch die kreieringförmige Ümfangsnut verbunden, wenn der Kolbenschieber 6 aus seiner neutralen, in Fig. 1 gezeigten Stellung nach links bewegt wird.

Zn Fig. 2 ist diejenige Stellung gezeigt, in welcher eine durch das Steuerglied 2 über die Welle 1 und das Zahnrad 3 auf das Getriebeglied 4 übertragene Winkelbewegung eine axial« Verschiebung des mit einem Schraubengewinde versehenen Teiles 5 und zugleich des Kolbenschiebers 6 in ein« Stellung rechts von der neutralen, in Fig. 1 gezeigten Stellung bewirkt. Diese axiale Verschiebung des Kolbenschiebers 6 verbindet wahlweise die Anschlüsse des hydraulischen Motors 9 mit der Einlaß- oder Druckleitung 16 und dem Auslaß oder der Bückkehrleitung 20 über Meßquerschnitte 27 und

Hydraulischem Strömungsmittel wird dadurch gestattet,

von der Druckquelle über die Leitung 18, den Meßquerschnitt und die Leitung 22 dem hydraulischen Motor 9 zuzuströmen

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und vom hydraulischen Motor 9 über die Leitung 21, den Meßquerschnitt 26 und die Leitung 19 Zur Auslaßleitung 20 zu fließen, welche als Rückkehrleitung für das hydraulische Strömungsmittel dient. Die Leitungen 21 und 22 sind mit dem hydraulischen Hotor derart verbunden, daß die Ausgangswelle 11 und der Achsstummel 8 des hydraulischen Motors 9 in der Richtung gedreht werden, in welcher der AchsStummel 8 den Kolbenschieber 6 und das mit einem Schraubengewinde versehene Teil 5 dreht, um eine Axialbewegung des Kolbenschiebers 6 nach links hervorzurufen, wie es in den Figuren 1 und 2 als Ergebnis des Eingriffes des mit einem Schraubengewinde versehenen Teiles 5 in die Gewindebohrung des Getriebegliedes 4 gezeigt ist. Die Bewegung des Kolbenschiebers 6 nach links wird die Meßquerschnitte 26 und 27 zum Schließen veranlassen·

In entsprechender Weise folgt die Ausgangswelle 11 des hydraulischen Motors 9 der Bewegung des Getriebegliedea und die Vorrichtung arbeitet als ein Positionssteuersystem mit geschlossenem Kreislauf.

Wenn das Steuerglied 2 seine Ausgangewelle 1 und das Zahnrad 3 in Bezug auf die Fig. 2 in entgegengeeetater Richtung bewegt, wird der Kolbenschieber 6 nach links aus seiner neutralen Stellung bewegt und es tritt eine ähnliche Wirkung ein, weiche »eine Drehung der Auegangewelle 11 des hydraulischen Motors in einer der Fig· 2 entgegengesetzten Richtung bewirkt.

In den Figuren 3 bis 5 wird ein hydraulischer Drehmomentverstärker gezeigt, welcher im wesentlichen dem anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen hydraulischen Drehmomentverstärker ähnlich ist and welcher derart angeordnet ist, daß er durch einen elektrischen Schritt-

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schaltmotor 30 betätigbar ist, welcher das besondere, in einem elektrohydraulischen Impulsmotor angewandte Steuerglied darstellt. Die Ausgangswelle 1 des elektrischen Schrittschaltmotors 30 und das Zahnrad 3 setzen das Getriebeglied 4 in einer Weise in Bewegung, welche der bereits beschriebenen ähnlich ist. Bei der Ausführungsform nach den Figuren 3 bis 5 ist jedoch das Getriebeglied 4 in einer axial zum Kolbenschieber 6 konstanten Lage durch Rollendrucklager 31 und 32 angeordnet, welche vorteilhafterweise als Nadellager ausgebildet sind. Die Bollenlager 31 liegen an einer festen Stirnfläche und die Rollenlager 32 an einer relativ festen Stirnfläche 34 an, welche dauernd gezwungen werden, das Rollenlager 32 gegen die Stirnfläche des Getriebegliedes mittels Scheibenfedern 35 zu drücken, welche auf dem festen Ventilkörper sitzen.

Bei der in den Figuren 3 bis 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzen die kreisringförmigen Umfangsnuten 23 und 25 des Kolbenschieber 6 besonders ausgebildete Oberflächen 37 und 38, welche sanft gekrümmt sind, wie es aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich ist, damit die Bewegung des unter Druck stehenden Strömungsmittels ein Minimum an axialen Kräften auf den Kolbenschieber 6 ausüben wird. Die Verwendung dieser besonders geformten Oberflächen 37 und 38 ermöglicht es, das zur Bewegung des Kolbenschiebers 6 in axialer Richtung Erforderliche, vom elektrischen Schrittschaltmotor 30 ausgeübte Eingangsdrehmoment außerordentlich klein zu halten.

Im Rahmen üblicher Konstruktionstechnik können in den hydraulischen Drehmomentverstärker übliche Mittel zur Verhinderung von totem Gang einbezogen werden. Solche Vorrichtungen können beispielsweise zwischen dem mit Schraubengewinde versehenen Teil 5 und dem

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Getriebeglied 4- und zwischen dem Achsstummel 8 und der mit Keilnuten versehenen Bohrung 10 angebracht werden. Es können außerdem Mittel vorgesehen werden, um den Achsabstand zwischen dem Zahnrad 3 und dem Getriebeglied zu regulieren, sodaß ein Spiel zwischen diesen Bestandteilen während des Betriebes auf einem Minimum gehalten wird. Solche Mittel sind in der Fachwelt ebenfalls gut bekannt. Die Einbeziehung dieser Mittel erlaubt eine größere Fertigungstoleranz, sodaß eine hohe Betriebsgenauigkeit ohne die Notwendigkeit, von hochpräzisen Maschinen erreicht werden kann.

In den Figuren 3 und 4- ist der Teil der Vorrichtung, welcher den hydraulischen Motor^bildet, durch die Linie umgrenzt. Der von der Linie 39 umschlossene hydraulische Motor besitzt gewisse neue Merkmale.

Der erfindungsgemäße hydraulische Drehmomentverstärker kann jedoch jeden hydraulischen Motor in gleicher Weise umfassen wie den besonderen, dargestellten, hydraulischen Motor 39 und der beschriebene hydraulische Drehmomentverstärker ist nicht auf die Verwendung des hydraulischen Motors 39 und den Betrieb in Verbindung mit dem elektrischen Schrittschaltmotor 30 beschränkt.

Der erfindungsgemäße hydraulische Drehmomentverstärker

kann durch ein sehr kleines, ausgeübtes Drehmoment betätigt werden, weil viel weniger Drehmoment zur axialen Bewegung des Kolbenschiebers erforderlich ist, als beispielsweise zur Drehung des Kolbenschiebers > erforderlich sein würde. Ea-lat

daß in dem Beharrungaaiifft=?"^, "¹^

welle 1 jies Steuergliedee und die Auegangewelle 11 des hydraulischen Motors gj.t? glg

umlaufen, bei der erfindungsgemäßen Anordnung keine

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Eingangeenergie vergeudet wird, weil keine Relativdrehbewegung zwischen dem Getriebeglied 4 und dem durch den hydraulischen Motor über den Achsstumme1 angetriebenen Kolbenschieber 6 stattfindet.

Ein weiterer Vorteil des vorstehend beschriebenen hydraulischen Drehmomentverstärkers besteht darin, daß die Trägheit der durch das Steuerglied 2 angetriebenen Elemente geringer ist als in irgendeiner bekannten Anordnung, bei welcher die Drehbewegung eines Ventilelementes, wie z.B. eines Kolbenschiebers wesentlich ist für die Beschickung des hydraulischen Motors mit dem unter Druck stehenden Strömungsmittel. Die Auswirkung dieser niedrigen Trägheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß eine schnellere Beschleunigung des Steuergliedes möglich ist, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn das Steuerglied ein elektrischer Schrittschaltmotor ist.

Patentansprüche :

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Hydraulischer Drehmomentverstärker mit einem hydraulischen Motor, einem hydraulischen Steuerventil mit einem Kolbenschieber, dessen axiale Stellung in Abhängigkeit von einer ausgeübten Eingangsbewegung veränderbar ist, um die Beschickung eines hydraulischen Motors mit unter Druck stehendem Strömungsmittel zu steuern, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Verschiebung des Kolbenschiebers (6) durch die aufgewandte Eingangsbewegung ohne Drehbewegung des Kolbenschiebers um seine Achse bewirkt wird.

2. Hydraulischer Drehmomentverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Getriebeglied (4) vorgesehen ist, welches drehbar auf einem mit einem Schraubengewinde versehenen und mit dem Kolbenschieber (6) verbundenen Teil (5) gelagert ist, wobei das Getriebeglied an einer Bewegung in Richtung der Rotationsachse gehindert ist und daß die Eingangsbewegung durch ein Mittel zur Erzeugung eines Eingangsdrehmomenteβ auegeübt wird, um das Getriebeglied in Drehbewegung zu versetzen und dadurch den Kolbenschieber (6) in axialer Richtung. zur Steuerung des Zutrittes von unter Druck stehendem Strömungsmittel zu dem hydraulischen Motor (39) zu steuern.

3. Hydraulischer Drehmomentverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des Eingangsdrehmomentes einen elektrischen Schrittschaltmotor (30) umfassen.

4. Hydraulischer Drehmomentverstärker nach einem der Ansprüche 2 oder 3« dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebeglied (4) durch Rollendrucklager (31, 32)

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an einer Bewegung längs der Rotationsachse gehindert wird, welche zwischen .relativ festen Anschlagflächen (32, 33) und den Stirnflächen des Getriebegliedes
eingeschlossen sind.

5. Hydraulischer Drehmomentverstärker nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschieber (6) des Steuerventils ümfangsnuten (23» 24, 25) besitzt, welche derart ausgebildet sind, daß die in axialer Sichtung auf den Kolbenschieber aufgrund der Bewegung des unter Druck stehenden
Strömungsmittels ausgeübten Kräfte minimal sind.

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