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Elektrohydraulisches Kraftelement zur Betätigung von elektrischen Kontakten
Die sogenannte Ausflusssteuerung von Hydrauliksystemen beruht bekanntlich auf dem Prinzip, einen gewünschten Druckanstieg zwecks Arbeitsleistung dadurch zu erzielen, dass der Ausfluss des Hydrauliksystemes, der beispielsweise zunächst geöffnet war, so dass die Ölpumpe "leer" lief, geschlossen wird, so dass danach die von der Ölpumpe geförderte Ölmenge nicht mehr abfliessen kann und der Druck innerhalb des Systems ansteigt, wodurch beispielsweise ein Arbeitskolben beaufschlagt werden kann.
Zur Verringerung der während des geöffneten Ausflusses durch diesen strömenden Ölmenge (Leckölverlust) und damit der "Leerlaufleistung" des Pumpenaggregates hat man in derartigen Systemen mit Ausflusssteuerung bereits Drosseln und auch eine Vorsteuerung verwendet.
Gegenstand der Erfindung ist ein. elektrohydraulisches Kraftelement zur Betätigung von elektrischen Kontakten, das mit einer Ausflusssteuerung und mit Vorsteuerung betrieben wird. Erfindungsgemäss ist ausser einer Vordrossel konstanten Querschnitts eine weitere Vordrossel veränderlichen Querschnitts vorhanden. Der Querschnitt dieser zweiten Vordrossel ist erfindungsgemäss bei geöffnetem Ausfluss am kleinsten, so dass die Ausflussmenge in dieser Stellung sehr gering ist. Sofort nach dem Schliessen des Ausflus ses wird jedoch, wie in der Folge noch näher erläutert wird, der Querschnitt der Vordrossel sehr schnell vergrössert und ist während des überwiegenden Teiles der Bewegung des Vorsteuerschiebers voll geöffnet.
Eine sehr bedeutsame konstruktive Vereinfachung ergibt sich aus der erfindungsgemässen Ausbildung von Vorsteuerschieber und Hauptsteuerschieber dadurch, dass beide starr miteinander verbunden sind und praktisch als ein einziger Bauteil zu gelten haben.
Weitere Vorteile der erfindungsgemässen Anordnung, insbesondere derjenige des verringerten Leckölverlustes trotz hoher Schaltgeschwindigkeit, werden bei der Schilderung des Aufbaues eines elektrohydraulischen Kraftelementes mit erfindungsgemäss eingebauter Vordrossel veränderlichen Querschnitts an Hand einiger, in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert.
Fig. 1 gibt den Querschnitt durch ein erfindungsgemäss aufgebautes Kraftelement, Fig. 2 die Änderung der wirksamen Durchflussquerschnitte in Abhängigkeit vom Hub des Hauptsteuerkolbens und die Fig. 3 eine Variante der eigentlichen Ausflusssteuerung wieder.
Der Hub des Arbeitskolbens l des in Fig. l insgesamt dargestellten elektrohydraulischen Kraftelementes soll in Abhängigkeit von der Lage des Hauptsteuerkolbens 2 erfolgen. In der gezeichneten Stellung ist der Arbeitskolben 1 nicht vom Drucköl beaufschlagt, da der Hauptsteuerkolben 2 die Eintrittsbohrungen 3 für das aus der Bohrung 4 kommende Drucköl abdeckt. Dieses Drucköl fliesst vielmehr, da die Öffnung 5 des Ausflussventiles 6 geöffnet ist, aus der Bohrung 4 in die Bohrungen 7 und von dort in den Ringkanal 8, der in der Mantelfläche des-Vorsteuerkolbens 9 angeordnet ist. Von dem Ringkanal 8 aus gelangt das Drucköl über Bohrungen 10 in den zentralen Kanal 11, dessen Austritt durch die auswechselbare Vordrossel 12 verschlossen ist" und verlässt durch die Bohrung 13 sowie die Öffnung 5 das Steuersystem.
Die Öffnung 5 kann, wie dargestellt, mittels der Ventilnadel 14 wahlweise geschlossen oder geöffnet werden. Bei Erregung des Elektromagneten 15 wird der Klappanker 16 angezogen und damit die Öffnung 5 geschlossen, während bei nichterregtemElektromagneten 15 die Ventilnadel 14 mitsamt dem Klappanker 16 durch das die Öffnung 5 verlassende Drucköl abgehoben wird.
Wird die Öffnung 5 in der erwähnten Weise geschlossen, so baut sich in dem Ringkanal 8 sowie dem
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zentralen Kanal 11 vor der Stirnfläche 17 des Vorsteuerkolbens 9 und in dem Ringkanal 18, in den das Drucköl durch die Eintrittsbohrung 19 gelangt ist, der volle betriebsmässige Öldruck auf. Infolgedessen wird der Hauptsteuerkolben 2 nach links verschoben, bis seine Mantelfläche die Eintrittsbohrungen 3 freigibt, nachdem die Austrittsbohrungen 20 abgedeckt worden sind. Jetzt wird der Arbeitskolben 1 vom vollen Öldruck beaufschlagt und führt den Aufwärtshub aus. Während der eben geschilderten Verschiebung des Hauptsteuerkolbens 2 und des Vorsteuerkolbens 9, die beide, wie dargestellt, auf einer gemeinsamen Kolbenstange 21 angeordnet sind (sie werden zweckmässig aus dem vollen Stangenmaterial gedreht), wird die Druckfeder 22 gespannt.
Soll der Arbeitskolben 1 wieder abfallen, so wird die Erregung des Elektromagneten 15 unterbrochen, so dass die Ventilnadel 14 unter dem Einfluss des Öldruckes abgehoben wird und der Öldruck vor der Stirnfläche 17 des Vorsteuerkolbens 9 absinkt, bis die Spannung der Druckfeder 22 überwiegt und der Hauptsteuerkolben 2 sowie der Vorsteuerkolben 9 wieder nach rechts in die dargestellte Lage geschoben werden, in der die Eintrittsbohrungen 3 vollständig geschlossen, die Austrittsbohrungen 20 vollständig geöffnet und die Bohrungen 7 teilweise von dem Vorsteuerkolben 9 abgedeckt sind. Die ausserdem vorhandene Eintrittsbohrung 19 bleibt ständig geöffnet. Das durch dieselbe in den Ringkanal 18 eintretende Drucköl kann jedoch zur Verschiebung des Hauptsteuerkolbens 2 sowie des Vorsteuerkolbens 9 nicht beitragen, da die Durchmesser derselben gleich gross sind.
Insbesondere ist der Ringkanal 18 mittels des Überströmkanals 23 mit dem Ringkanal 8 und dadurch mit dem Ausflussventil 6 verbunden, so dass bei abgehobener Ventilnadel 14 (gezeichnete Stellung) der Öldruck im Ringkanal 18 sehr gering ist. Insgesamt werden die beschriebenen Elemente so bemessen, dass bei geöffnetem Ausflussventil 6 der Vorsteuerkolben 9 die Bohrungen 7 nahezu bedeckt (gezeichnete Lage), wodurch eine wirksame Drosselung des Ölstromes gegeben ist. Sofort nach dem Schliessen des Ausflussventiles 6 bewirkt, wie geschildert, der ansteigende Öldruck eine Linksverschiebung der Vor- und Hauptsteuerkolben 9 und 2, so dass der Ringkanal 8 die Bohrungen 7 überdeckt und deren gesamter Querschnitt für den Öldurchtritt freigegeben ist.
Gegen Ende dieser Linksverschiebung, der Arbeitskolben 1 wurde, wie bereits früher geschildert, inzwischen beaufschlagt, schiebt sich der Vorsteuerkolben 9 mit dem rechten Teil seiner Mantelfläche über die Bohrung 7 und bewirkt so wieder eine Verringerung des Durchtrittsquerschnittes derselben und damit eine wirksame Drosselung des Ölstromes.
Damit ist folgender Vorteil verbunden : Der den Vorsteuerkolben 9 beaufschlagende Öldruck wird stark verringert, und es ist gegen Ende des Hubes praktisch nur noch die diese Bewegung verzögernde Druckfeder 22 wirksam. Die Hubgeschwindigkeit der Haupt- und Vorsteuerkolben 2 und 9 wird also noch vor Erreichen der Endstellung so weit verringert, dass ein Anschlagen der Kolbenstange 21 an den Anschlag 24 und damit Überbeanspruchungen des Materials vermieden werden.
An Hand des Diagrammes nach Fig. 2 seien diese Zusammenhänge noch einmal qualitativ erläutert.
Dieses Diagramm gibt näherungsweise die Änderungen der wirksamen Durchtrittsquerschnitte der Eintrittsbohrungen 3, der Austrittsbohrungen 20 sowie der Bohrungen 7 in Abhängigkeit vom Hub der Vorund Hauptsteuerkolben 9 und 2 wieder.
Der Punkt 26 der Abszisse entspreche der in Fig. 1 dargestellten Ruhelage des Hauptsteuerkolbens 2 sowie des Vorsteuerkolbens 9 bei nichtbeaufschlagtem Arbeitskolben 1. Nach dem Schliessender Öff- nung 5 des Ausflussventiles 6 durch die Ventilnadel 14 wird die Kolbenstange 21 mitsamt den Haupt- und Vorsteuerkolben 2 und 9 durch den Öldruck beschleunigt, und mit wachsendem Hub wächst der wirksame Durchflussquerschnitt der Bohrungen 7 gemäss der Kennlinie 27, da, wie bereits früher beschrieben, der diese Bohrungen 7 bis dahin teilweise abdeckende Teil des Vorsteuerkolbens 9 im Verlaufe des Hubes des Vorsteuerkolbens 9 die Bohrungen 7 fortschreitend freigibt.
Gleichzeitig wird der wirksame Durchflussquerschnitt der Austrittsbohrungen 20 gemäss der Kennlinie 28 verkleinert, da diese zunehmend von dem Hauptsteuerkolben 2 abgedeckt werden. Nachdem die Bohrungen 7 völlig geöffnet sind (Punkt 29 der Abszisse), werden die Austrittsbohrungen 20 vollständig geschlossen (Abszissenpunkt 30), und anschliessend beginnt die Öffnung der Eintrittsbohrungen 3 gemäss der Kennlinie 31. Von der dem Abszissenpunkt 32 entsprechenden Stellung des Vorsteuerkolbens 9 ab werden die Bohrungen 7 bereits wieder von dem bei Betrachtung des Schnittes nach Fig. l auf der rechten Seite des Ringkanals 8 liegenden Teil des Vorsteuerkolbens 9 in zunehmendem Masse abgedeckt.
Dagegen werden die Eintrittsbohrungen 3, durch die das Drucköl in den Raum 33 vor dem Arbeitskolben 1 strömt, mit fortschreitender Bewegung des Hauptsteuerkolbens 2 weiter geöffnet. Nachdem die volle Öffnung der Eintrittsbohrung 4 am Abszissenpunkt 34 erreicht ist, wird im Abszissenpunkt 35 der Hub von Vor-und Hauptsteuerkolben 9 und 2 beendet. Man erkennt, dass in der Endstellung des Vorsteuerkolbens 9 die Bohrungen 7 noch nicht vollständig geschlossen sind, so dass, wie in der ersten Endlage vor Beginn der geschilderten Steuerbewegung durch diese Bohrun-
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gen 7, eine gewisse Leckölmenge auch in dieser Endlage der Vor- und Hauptsteuerkolben 9 und 2 fliessen kann. Auf jeden Fall werden die Leckölverluste mit Hilfe der erfindungsgemässen variablen Vordrosselung besonders gering gehalten.
Während in dem Ausführungsbeispiel eines elektrohydraulischen Kraftelementes nach Fig. 1 die das
Ausflussventil 6 bedarfsweise verschliessende oder freigebende Ventilnadel 14 noch in einer mehrfach ab- gesetzten Bohrung geführt ist und auch selbst Abschnitte verschiedenen Durchmessers aufweist, um eine gute Führung zu ermöglichen, ist das Ausflussventil 36 nach Fig. 3 so gestaltet worden, dass bei geringst- möglichem Fertigungsaufwand dennoch eine gute Führung der Ventilnadel 37 gewährleistet ist. Die Ven- tilnadel 37 ist dabei als glatter, durchgehend zylindrischer Stift ausgebildet, und die Ventilbohrung 38 hat ebenfalls durchwegs einen konstanten Durchmesser entsprechender Passungs-Toleranz. Das aus der
Ventilbohrung 38 strömende Öl fliesst schliesslich durch die senkrecht zur Zeichenebene stehende Boh- rung 39 ab.
In der dargestellten Lage der Ventilnadel 37 ist die Ventilbohrung 38 geöffnet. Wird der Elektro- magnet 15 erregt, so schwenkt der Klappanker 16, wie bereits früher erläutert, nach links und drückt da- bei die Ventilnadel 37 um einen gewissen Betrag in den links der Bohrung 39 sichtbaren Teil der Ventil- bohrung 38, wodurch das gewünschte Absperren des Ölflusses des Systems erzielt ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrohydraulisches Kraftelement zur Betätigung von elektrischen Kontakten, das mit einer Aus- flusssteuerung und mit Vorsteuerung betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass ausser einer Vordrossel konstanten Querschnitts eine weitere Vordrossel veränderlichen Querschnitts vorhanden ist.