DE102010006339B4

DE102010006339B4 - Elektro-hydraulischer Antrieb

Info

Publication number: DE102010006339B4
Application number: DE201010006339
Authority: DE
Inventors: Dr. Hermann Jakob
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2010-01-30
Filing date: 2010-01-30
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2030-01-31
Also published as: DE102010006339A1

Abstract

Elektro-hydraulischer Antrieb (10), mit einer mittels elektromagnetischen Kräften verlagerbaren Steuerbuchse (18) und einem axial verlagerbaren Steuerkolben (20), wobei die Steuerbuchse (18) koaxial auf dem Steuerkolben (20) verschieblich angeordnet ist und bei Verschiebung der Steuerbuchse (18) auf dem Steuerkolben (20) der Steuerkolben (20) folgegeregelt wird, mit wenigstens einem Federmittel (24, 26), das die Steuerbuchse (18) in einer Neutrallage auf dem Steuerkolben (20) drängt, wobei das Federmittel (24, 26) zum einen gegen die Steuerbuchse (18) und zum anderen gegen den Steuerkolben (20) derart wirkt, dass bei einer Verlagerung der Steuerbuchse (18) entgegen der Federkraft des Federmittels (24, 26) ein Teil der Kraft, welche auf die Steuerbuchse (18) wirkt, über das Federelement (24, 26) auf den Steuerkolben (20) wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektro-hydraulischen Antrieb, bei dem ein Steuerglied aufgrund eines elektrischen Signals hydraulisch betätigt wird. Derartige Antriebe können als Proportionalmagnet-Antrieb ausgebildet sein und zum Betätigen von insbesondere hydraulischen Ventilen, vorzugsweise Stetigventilen, Verwendung finden.
Aus dem Stand der Technik sind Proportionalmagnet-Antriebe bekannt, mit denen Ventile betätigt werden. Sie bestehen aus einer Spule, in der sich ein als Kolbenschieber ausgebildeter Anker bewegt. Über den Anker können verschiedene Druckanschlüsse wie A, P, B, T entsprechend miteinander verbunden werden oder auch getrennt werden. Um den Strom, mit dem der Magnet angesteuert wird, in einen definierten Hub umzusetzen, benötigt man eine Feder, die sich am Gehäuse abstützt und den Kolben gegen den Anker hält.
Ein derartiger Stand der Technik hat den Nachteil, dass vergleichsweise hohe Kräfte, und damit hohe Ströme, benötigt werden, um den Anker gegen die Federkraft zu bewegen. Zudem ist nur ein vergleichsweise geringer Hub des Ankers realisierbar.
Ferner sind Schieberventile vorbekannt, welche als Magnetventil ausgebildet sein können ( DE 41 07 496 A1 ).
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektro-hydraulischen Antrieb bereitzustellen, der den genannten Nachteilen abhilft.
Die Erfindung schlägt einen elektro-hydraulischen Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor. Ein derartiger Antrieb umfasst eine mittels elektromagnetischen Kräften verlagerbare Steuerbuchse und einen ebenfalls axial verlagerbaren Steuerkolben, wobei die Steuerbuchse koaxial auf den Steuerkolben verschieblich angeordnet ist. Die Anordnung ist dabei derart, dass bei Verschiebung der Steuerbuchse auf den Steuerkolben der Steuerkolben folgegeregelt wird. Ferner ist wenigstens ein Federmittel vorgesehen, das die Steuerbuchse in einer Neutrallage auf dem Steuerkolben hält, wobei das Federmittel zum einen gegen die Steuerbuchse und zum anderen gegen den Steuerkolben so wirkt, dass bei einer Verlagerung der Steuerbuchse entgegen der Federkraft des Federmittels wenigstens ein Teil der elektromagnetischen Kraft, welche auf die Steuerbuchse wirkt, über das Federelement auf den Steuerkolben wirkt.
Ein derartiger Antrieb hat den Vorteil, dass über die Steuerbuchse und den folgegeregelten Steuerkolben eine Kraftverstärkung der auf die Steuerbuchse wirkenden Kraft bereitgestellt wird. Dadurch, dass sich der Steuerschieber nicht an einem Gehäuse, sondern an dem ebenfalls axial verschieblich gelagerten Steuerkolben über das Federelement abstützt, kann die Steuerbuchse, und damit auch der Steuerkolben, vergleichsweise große Hübe zurücklegen. Zudem wird der Steuerkolben bei Bewegung der Steuerbuchse wenigstens bedingt über das Federelement betätigt. Insgesamt kann erfindungsgemäß erreicht werden, dass aufgrund des mitlaufenden Steuerkolbens, und des sich daran abstützenden Federelements, weniger Energie zum Betätigen der Steuerbuchse erforderlich ist, als beim bekannten Stand der Technik, bei dem sich die Feder unmittelbar an einem feststehenden Gehäuseabschnitt abstützt.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerbuchse zwei einander abgewandte Stirnseiten aufweist und dass der Steuerkolben zwei der jeweiligen Stirnseite zugewandte Absätze aufweist, wobei jeweils ein Federelement zwischen einer Stirnseite der Steuerbuchse und dem ihr jeweils zugewandten Absatz des Steuerkolbens vorgesehen ist. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die Steuerbuchse auf dem Steuerkolben schwimmend gelagert ist und bei Kräftegleichgewicht der Federelemente ihre Neutrallage einnimmt. Insbesondere sind dabei die Federelemente identisch beziehungsweise kräftesymmetrisch ausgebildet. Die Absätze des Steuerkolbens können dabei durch Schultern des Steuerkolbens gebildet sein. Insbesondere ist auch denkbar, dass wenigstens ein Absatz, von einem in axialer Richtung verstellbaren Bauteil realisiert wird. Dazu kann beispielsweise auf dem Steuerkolben eine Verstellmutter vorgesehen sein, welche zur Einstellung der Vorspannung der Federelemente in axialer Richtung verstellt werden kann. Auch eine solche Verstellmutter ist als Absatz des Steuerkolbens im Sinne der Erfindung anzusehen.
Bevorzugterweise begrenzt der Steuerkolben zwei Druckräume, wobei durch Verschieben der Steuerbuchse auf dem Steuerkolben in die jeweilige Richtung zur Folgeregelung ein Druckanschluss mit dem der jeweiligen Richtung zugeordneten Druckraum verbunden wird. Wird beispielsweise die Steuerbuchse aufgrund magnetischer Kräfte nach rechts bewegt, so wird hierdurch ein Druckanschluss mit dem Druckraum hydraulisch verbunden, der den Steuerkolben ebenfalls nach rechts bewegt. Wird die Steuerbuchse nach links bewegt, so wird der andere Druckraum mit Druck beaufschlagt, so dass der Steuerkolben nach links bewegt wird und damit der Steuerbuchse nachläuft.
Dabei kann vorgesehen sein, dass im Steuerkolben eine Druckzuleitung A zu dem einen Druckraum und eine Steuerzuleitung B zu dem anderen Druckraum sowie eine mit dem Druckanschluss P verbundene Druckhauptleitung vorgesehen ist. Die Druckleitungen verlaufen dabei insbesondere innerhalb des Steuerkolbens und sind so angeordnet, dass in der Neutralstellung der Steuerbuchse die Druckhauptleitung weder mit der Druckzuleitung A noch mit der Druckzuleitung B verbunden ist. Bei Verlagern der Steuerbuchse in die eine Richtung öffnet ein Ventilabschnitt der Steuerbuchse die Druckzuleitung A hin zur Druckhauptleitung, wobei dann insbesondere die Druckzuleitung B mit einer Tankleitung verbunden wird. Bei Verlagern der Steuerbuchse in die andere Richtung öffnet ein weiterer Ventilabschnitt der Steuerbuchse die Druckzuleitung B hin zur Druckhauptleitung, wobei dann insbesondere die Druckzuleitung A mit einer Tankleitung verbunden wird. Da sämtliche Druckleitungen innerhalb des Steuerkolbens verlaufen, kann dennoch gewährleistet werden, dass die Steuerbuchse auf dem Steuerkolben axial verschieblich bewegbar ist.
Der Steuerkolben kann insbesondere an einer Stirnseite einen Flanschabschnitt zur Anordnung eines Steuerglieds aufweisen. Bei einem derartigen Steuerglied kann es sich beispielsweise um einen Ventilkolben, insbesondere den Kolben einer Hauptstufe, oder einem Steuerschieber handeln. Anstelle eines Flanschabschnitts ist zudem denkbar, dass der Kolben einstückig ausgebildet ist und einen entsprechenden Abschnitt, beispielsweise einen Hauptstufenabschnitt, einen Steuerschieberabschnitt oder einen Ventilkolbenabschnitt, vorsieht.
Zur Erzeugung der auf die Steuerbuchse wirkenden elektromagnetischen Kraft sind insbesondere koaxial um die Steuerbuchse Magnetspulen vorgesehen, bei deren Bestromung die Steuerbuchse entsprechend in axialer Richtung verlagert wird. Die Anordnung ist derart, dass der Steuerkolben samt Steuerbuchse sich im Ankerraum der Magnetspulen befindet.
Zur axialen Lagerung des Steuerkolbens ist denkbar, dass der Steuerkolben im Bereich einer Stirnseite eine sich in axialer Richtung erstreckende Führungsbohrung aufweist, in welche ein sich ebenfalls in axialer Richtung erstreckender gehäuseseitiger Führungszapfen eingreift, wobei die Führungsbohrung mit dem Führungszapfen den einen Druckraum begrenzt. Hierdurch wird nicht nur eine geeignete Führung des Steuerkolbens bereitgestellt, sondern auch ein Druckraum realisiert, der zur Folgeregelung entsprechend mit Druck beaufschlagt wird.
Ferner ist denkbar, dass der Steuerkolben einen Ringbund aufweist, der in eine gehäuseseitige Zylinderaussparung eingreift, wobei der Ringbund mit der Zylinderaussparung den weiteren Druckraum begrenzt. Über einen derartigen, dann als Ringdruckraum ausgebildeten Druckraum, kann ebenfalls eine geeignete Folgeregelung beziehungsweise Druckbeaufschlagung des Druckraums bei axialer Bewegung der Steuerbuchse relativ zum Steuerkolben erzielt werden.
Insgesamt kann die Steuerbuchse in einem gehäuseseitigen Steuerzylinder verschieblich angeordnet sein. Ferner ist denkbar, dass Zusatzfedern vorgesehen sind, die sich am Zylinder abstützen und derart gegen die Steuerbuchse wirken, dass die Steuerbuchse bei Druckabfall in eine vorgegebene Sicherungslage gedrängt wird. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass bei Druckabfall, insbesondere bei ungewolltem Druckabfall oder bei Ausschalten des Antriebs oder eine Einrichtung, in welcher der Antrieb verbaut ist, der Steuerkolben eine vorgegebene Sicherungslage einnimmt.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben und erläutert ist.
Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen elektro-hydraulischen Antrieb 10 in Form eines Pilotantriebs. Der Antrieb 10 betätigt dabei eine an den Antrieb 10 angeflanschte Hauptstufe 12. Der Antrieb 10 umfasst ein Gehäuse 14, in welchem ein Steuerzylinder 16 vorgesehen ist. Im Steuerzylinder 16 ist eine in axialer Richtung beweglich angeordnete Steuerbuchse 18 vorgesehen. Ferner ist ein ebenfalls axial verlagerbarer Steuerkolben 20 im Gehäuse 14 vorgesehen. Die Steuerbuchse 18 ist dabei koaxial auf dem Steuerkolben 20 verschieblich angeordnet.
Zur axialen Verschiebung der Steuerbuchse 18 sind im Gehäuse 14 zwei Magnetspulen 22, 24 vorgesehen, die koaxial um die Steuerbuchse 18 und den Steuerkolben 20 angeordnet und entsprechend bestrombar sind.
Die Steuerbuchse 18 ist auf dem Steuerkolben 20 über zwei Federelemente 26, 28 schwimmend gelagert. Die Federelemente 26, 28 greifen dabei einerends an den einander abgewandten Stirnseiten 30, 32 der Steuerbuchse 18 an. Andererends liegen sie unter Vorspannung an Absätzen 34, 36 des Steuerkolbens 20 an. Der Absatz 34 ist dabei als Ringbund beziehungsweise Schulter ausgebildet. Der Absatz 36 ist demgegenüber als in axialer Richtung verstellbare Schraubenmutter ausgebildet. Über die axiale Verstellung der Schraubenmutter 36 kann somit die Vorspannung der beiden Federelemente 26, 28 beziehungsweise die Mittellage der Steuerbuchse 18 eingestellt werden. Zur Festsetzung der Stellschraube ist eine Kontermutter 38 vorgesehen.
In der Figur ist die Steuerbuchse 18 in einer neutralen Mittellage gezeigt.
Im Steuerkolben 20 ist eine Druckhauptleitung 40 vorgesehen, in der im Betrieb des Antriebs 10 der Arbeitsdruck P herrscht. Die Druckhauptleitung 14 sieht eine Öffnung 42 vor, die in einem Ringraum 42 der Steuerbuchse 18 mündet. Im Steuerkolben 20 sind ferner zwei weitere Druckzuleitungen 44 und 46 vorgesehen, wobei in dem in der Figur gezeigten Schnitt lediglich die Druckzuleitung 44 gezeigt ist.
Der Steuerkolben 20 begrenzt zwei Druckräume 48 und 50. Der Druckraum 48 ist dabei auf der der Hauptstufe 12 abgewandten Seite des Druckkolbens 20 vorgesehen. Zur Bildung des Druckraums 48 weist der Steuerkolben 20 eine Führungsbohrung 52 auf, in welche ein gehäuseseitig befestigter Führungszapfen 56 eingreift. Der Druckraum 50 wird von einem steuerkolbenseitigen Ringbund 56, der in eine gehäuseseitige Zylinderaussparung 58 eingreift, begrenzt. Die dem Federelement 28 zugewendete Seite des Ringbundes 56 bildet dabei den Absatz 34.
Wie aus der Figur deutlich wird, weist die Steuerbuchse 18 rechts und links neben dem Ringraum 42 zwei Ventilabschnitte 60 und 62 auf. In der in der Figur gezeigten Neutrallage verschließt der Ventilabschnitt 60 eine Öffnung 64 der zum Druckraum 50 führenden Druckzuleitung 44. Entsprechend verschließt der Ventilabschnitt 62 eine Öffnung 66 der nicht gezeigten Druckzuleitung, die zum Druckraum 48 führt.
Wird die Steuerbuchse 18 aufgrund entsprechender Ansteuerung der Magnetspulen 22, 24 in axialer Richtung nach rechts bewegt, so gibt der Ventilabschnitt 62 die Öffnung 66 frei, wodurch die Druckhauptleitung 40 über die nicht dargestellte Druckzuleitung mit dem Druckraum 48 verbunden wird. Der Steuerkolben 20 wird folglich nach links folgegeregelt, bis er die Position der Steuerbuchse 18 erreicht hat. Dann wird die Öffnung 46 von der Steuerbuchse 18 bzw. deren Ventilabschnitt 62 wieder verschlossen. Entsprechend verhält es sich bei einer Bewegung der Steuerbuchse 18 nach links. Dann gibt der Ventilabschnitt 60 die entsprechende Öffnung frei und Druckmittel kann über Druckzuleitungen 44 in den Druckraum 58 so lange strömen, bis der Steuerkolben 20 die vorgegebene Lage der Steuerbuchse 18 erreicht hat. Entsprechend wird auch hier der Steuerkolben 20 folgegeregelt. Um beim Druckbeaufschlagen des einen Druckraums ein Abströmen des Druckmittels aus dem anderen Druckraum zu ermöglichen, sind Tankleitungen vorgesehen, die im Einzelnen nicht näher beschrieben werden.
Da die Federelemente 26, 28 zwischen der Steuerbuchse 18 und dem Steuerkolben 20 angeordnet sind, leiten diese beim axialen Bewegen der Steuerbuchse wenigstens einen Teil der Kraft, mit welcher die Steuerbuchse 18 bewegt wird, in den Steuerkolben 20. Dadurch wird der Steuerkolben 20, wenigstens bedingt, unter Zwischenschaltung des jeweiligen Federelements 26, 28, von der Steuerbuchse 18 mit einer Kraft beaufschlagt. Dadurch, dass bei einer axialen Bewegung der Steuerbuchse 18 der Steuerkolben 20 folgegeregelt wird, ist ein vergleichsweise großer Hub der Steuerbuchse 18, und damit auch des Steuerkolbens 20, möglich. Da selbst bei großen Hüben die gegen die Steuerbuchse 18 wirkende Federkraft nicht zunimmt, da der Kolben 20 folgegeregelt ist, wird vergleichsweise wenig Energie zur Erzeugung einer entsprechenden magnetischen Kraft zur Betätigung der Steuerbuchse 18 benötigt.
Auf der Hauptstufe zugewandten Seite des Steuerkolbens 20 ist ein Steuerglied in Form eines Steuerkolbens 68 vorgesehen, mit welchem verschiedene Ventilstellungen der Hauptstufe realisierbar sind.

Claims

Elektro-hydraulischer Antrieb (10), mit einer mittels elektromagnetischen Kräften verlagerbaren Steuerbuchse (18) und einem axial verlagerbaren Steuerkolben (20), wobei die Steuerbuchse (18) koaxial auf dem Steuerkolben (20) verschieblich angeordnet ist und bei Verschiebung der Steuerbuchse (18) auf dem Steuerkolben (20) der Steuerkolben (20) folgegeregelt wird, mit wenigstens einem Federmittel (24, 26), das die Steuerbuchse (18) in einer Neutrallage auf dem Steuerkolben (20) drängt, wobei das Federmittel (24, 26) zum einen gegen die Steuerbuchse (18) und zum anderen gegen den Steuerkolben (20) derart wirkt, dass bei einer Verlagerung der Steuerbuchse (18) entgegen der Federkraft des Federmittels (24, 26) ein Teil der Kraft, welche auf die Steuerbuchse (18) wirkt, über das Federelement (24, 26) auf den Steuerkolben (20) wirkt.
Antrieb (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerbuchse (18) zwei einander abgewandte Stirnseiten (30, 32) aufweist und dass der Steuerkolben (20) zwei der jeweiligen Stirnseite (30, 32) zugewandte Absätze (34, 36) aufweist, wobei jeweils ein Federelement (24, 26) zwischen einer Stirnseite (30, 32) der Steuerbuchse (18) und dem ihr jeweils zugewandten Absatz (34, 36) des Steuerkolbens (20) vorgesehen ist.
Antrieb (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (20) zwei Druckräume (48, 50) begrenzt und dass durch Verschieben der Steuerbuchse (18) auf dem Steuerkolben (20) in die jeweilige Richtung zur Folgeregelung ein Druckanschluss mit dem der jeweiligen Richtung zugeordneten Druckraum (48, 50) verbunden wird.
Antrieb (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuerkolben (20) eine Druckzuleitung (44) zu dem einen Druckraum (50) und eine weitere Druckzuleitung (46) zu dem anderen Druckraum (48) sowie eine mit dem Druckanschluss verbundene Druckhauptleitung (40) derart vorgesehen sind, dass in der Neutralstellung des Steuerbuchse (18) die Druckhauptleitung (40) weder mit der Druckzuleitung (44) noch mit der weiteren Druckzuleitung verbunden ist, und dass bei Verlagern der Steuerbuchse (18) in die eine Richtung ein Ventilabschnitt (60) der Steuerbuchse (18) die Druckzuleitung (44) hin zur Druckhauptleitung (40) öffnet und bei Verlagern der Steuerbuchse (18) in die andere Richtung ein weiterer Ventilabschnitt (62) der Steuerbuchse (18) die weitere Druckzuleitung (46) hin zur Druckhauptleitung (40) öffnet.
Antrieb (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (20) ein Steuerglied bildet oder im Bereich einer Stirnseite einen Flanschabschnitt zur Anordnung eines Steuerglieds (68) aufweist.
Antrieb (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der auf die Steuerbuchse (18) wirkenden elektromagnetischen Kraft koaxial um die Steuerbuchse (18) Magnetspulen (22, 24) vorgesehen sind, wobei sich der Steuerkolben (20) samt Steuerbuchse (18) im Ankerraum der Magnetspulen (22, 24) befinden.
Antrieb (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (10) im Bereich einer Stirnseite eine Führungsbohrung (52) aufweist, in welche ein gehäuseseitiger Führungszapfen (54) eingreift, wobei die Führungsbohrung (52) mit dem Führungszapfen (54) den einen Druckraum (48) begrenzt.
Antrieb (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (20) einen Ringbund (56) aufweist, der in eine gehäuseseitige Zylinderaussparung (58) eingreift, wobei der Ringbund (56) mit der Zylinderaussparung (58) den weiteren Druckraum (50) begrenzt.
Antrieb (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerbuchse (18) in einem gehäuseseitigen Steuerzylinder (16) verschieblich angeordnet ist, wobei Zusatzfedern vorgesehbar sind, die sich am Steuerzylinder (16) abstützen und derart gegen die Steuerbuchse (18) wirken, dass die Steuerbuchse (18) bei Druckabfall in eine vorgegebene Sicherungslage gedrängt wird.