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Hydraulisches Getriebe für eine oszillierende Bewegung Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisches, insbesondere ein hydrostatisches Getriebe
für eine oszillierende Bewegung einstellbarer Hubzahl und Hubgröße.
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Derartige Getriebe sind beispielsweise für Werkzeugmaschinen, wie
Hobel- und Schleifmaschinen, erforderlich, bei denen das Werkzeug bzw. der Werkstücktisch
eine hin- und hergehende Längsbewegung relativ zueinander ausführen. Hierbei ist
mei.it erforderlich, die Geschwindigkeit für Vorschub und Rückzug des bewegten Maschinenteils
unterschiedlich einzurichten, und es ist erwünscht, die Umsteuerzeiten zu Beginn
und am Ende der Vorschubbewegung möglichst gering zu erhalten. Bei den für solche
Zwecke bekannten elektrischen Motorantrieben werden Umsteuerzeiten in der Größenordnung
von etwa 1 Sekunde erreicht, welche Zeit jedoch bei gewissen Anwendungen als unerwünscht
groß betrachtet wird.
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Es sind schon hydraulische Getriebe bekanntgeworden, welche eine oszillierende
Bewegung eines Maschinenteiles erzeugen, wobei eine Flüssigkeitspumpe von einem
Motor stets gleichsinnig angetrieben wird.
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Bei einem bekannten Getriebe dieser Art an einer Schleifmaschine wird
die den Schlitten betätigende Beistellvorrichtung, bestehend aus einem Arbeitszylinder
und einem Beistellkolben über ein Vorsteuerventil und ein Steuerventil beherrscht,
die räumlich voneinander getrennt angeordnet sind. Hierbei wird durch das Vorsteuerventil
die Bewegungsrichtung und durch das Steuerventil die Bewegungsgeschwindigkeit eingestellt.
Zur Umschaltung des Vorsteuerventils sind diesem zwei Hubmagnete zugeordnet, die
über entsprechende Umsteuerschalter erregt werden können.
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Die getrennte Anordnung von Vorsteuerventil und Steuerventil führt
bei diesem Getriebe nicht nur zu einer relativ großen Empfindlichkeit bezüglich
Druckschwankungen, sondern es wird auch ein hydraulisches Resonanzsystem gebildet,
durch welches Verlängerungen der Umkehr von Reaktionszeiten hervorgerufen werden.
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Es ist weiterhin ein hydraulisches Getriebe bekanntgeworden, bei welchem
eine stufenlos einstellbare Pumpe verwendet wird. Ebenso ist es bei solchen Getrieben
bekannt, die Umsteuerung durch elektrische Schalter zu bewerkstelligen, die an den
Umkehrstellen des oszillierenden Teiles angebracht sind.
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Die vorliegende Erfindung, welche die Schaffung eines Getriebes mit
äußerst kurzen Umsteuerzeiten bezweckt, zeichnet sich aus durch an sich bekannte
elektrische Mittel, z. B. Endkontakte an der erwünschten Umkehrstelle des eine oszillierende
Bewegung ausführenden angetriebenen Bauteils zur Beeinflussung elektromagnetischer,
auf dem Hauptkolben des Servomotors befestigter und den Vorsteuerkolben betätigender
Mittel, z. B. Hubmagnete, sowie durch weitere elektrisch beeinflußbare Steuerorgane,
z. B. eine Schubstange mit Anschlag und Gestänge am Servomotor zur automatischen
Einstellung des. hydrostatischen Getriebes auf Hältstellung zwischen Antriebs-und
Abtriebswelle.
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Dadurch, daß der Hauptkolben des Servomotors selbst die Hubmagnete
trägt,- welche den Vorsteuerkolben beeinflussen, ergibt sich ein starres und stabiles
übertragungssystem. In diesem Sinne läßt sich eine weitere Verbesserung dadurch
erreichen, daß gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorsteuerkolben konzentrisch
innerhalb des Hauptkolbens und relativ zu diesem verschiebbar angeordnet ist und
ein Gestänge mit einem Magnetanker aufweist, der von den beiden Hubmagneten betätigbar
ist. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, durch den Hauptkolben ein stufenlos
einstellbares hydrostatisches Getriebe einzustellen, dessen Motor den oszillierenden
Teil über Zahnrad und Zahnstange antreibt.
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Die Erfindung ist an Hand der Fig. 1 bis 5 in einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es zeigt hierbei Fig. 1 ein beispielsweises Weg-Zeit-Diagramm der
erwünschten oszillierenden Längsbewegung, Fig. 2 ein Prinzipschema eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebes,
Fig.3 bis 5 je
ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Getriebes nach Fig. 2.
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Die mit einem Antrieb der vorliegenden Art zu erzeugende oszillierende
Längsbewegung ist im Diagramm nach Fig. 1 als Weg s abhängig von der Zeit t aufgetragen.
Der Nutzhub während der Zeitabschnitte von a bis b von e bis
f sowie der Leerhub während der Zeitabschnitte c bis d und g bis h soll jeweils
mit weitgehend konstanter Geschwindigkeit erfolgen. Die Umkehrintervalle
b bis c, d bis e, f bis g, h bis i usw. sollen
möglichst klein sein. Bei Verwendung des nachstehenden näher beschriebenen Getriebes
gelingt es, Umkehrzeiten von 0,0'5 bis 0,4 Sekunden zu erreichen.
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Ein hierfür geeignetes Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen Getriebes
zeigt die Fig.2. Der mit einer oszillierenden Bewegung anzutreibende Maschinenteil
sei mit einer Zahnstange 1 versehen, mit der ein Zahnrad 2 im Eingriff steht. Der
Antrieb des Zahnrades 2 erfolgt über ein hydrostatisches Getriebe, bestehend aus
den beiden Axialkolbenpumpen 3 und 4 vermittels eines ununterbrochenen und stets
"n gleicher Richtung rotierenden Elektromotors 5. Die beiden Axialkolbenpumpen,
von denen die mit 3 bezeichnete als Flüssigkeitsmotor und die mit 4 bezeichnete
als Pumpe arbeitet, sind bekannte Konstruktionen und bezüglich ihres Hubs stufenlos
verstellbar. Die Hubänderung erfolgt durch Verschwenken des Gehäuses der Pumpe4
um den Winkel +Z1 und desjenigen des Motors 3 um +Z, gegenüber der Verbindungsgeraden
den fluchtenden Antriebs- bzw. Abtriebswellen. In der gezeichneten Stellung und
bei der Tourenzahl n1 der Antriebswelle der Pumpe 4 rotiert die Antriebswelle des
Motors 3 mit der Drehzahl n, in gleichem Drehsinn, was eine Vorschubbewegung in
Richtung h der Zahnstange 1 ergibt. Wird das Gehäuse der Pumpe 4 von der Stellung
V entsprechend einem Winkel +z1 in die Stellung R entsprechend einem Winkel -z1
geschwenkt, so erfolgt ein Drehrichtungswechsel der Antriebswelle und des Zahnrades
2, was eine Rückzugbewegung in Richtung R der Zahnstange 1 zur Folge hat.
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Das Drehzahlverhältnis szl: iaz und das Drehmomentverhältnislh:ll-I2
zwischen der Antriebs- und der Abtriebswelle wird durch das Verhältnis der Hubvolumina
V,: b'2 von Pumpe 4 und Motor 3 bestimmt. Vorzugsweise werden als Pumpe 4 und Motor
3 gleiche Axialkolbeneinheiten verwendet. Es ergibt Sich
worin k" = Druckwirkungsgrad, h," = mechanischer Wirkungsgrad, k9 = Mengenwirkungsgrad.
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Um bei dem erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebe einen linearen
Anstieg der Sekundärdrehzahl st.... zu erhalten, muß der Winkel z1 gemäß :ler ausgezogenen
Linie im Diagramm gemäß Fig.3 und der Winkel zz gemäß der ausgezogenen Linie im
Diagramm gemäß Fig. 4 verändert werden, wobei dann die Leistung N und der Druck
P des hydraulischen Mediums entsprechend dem Diagramm gemäß Fig. 5 verläuft. Der
höchstzulässige Druck P bestimmt dabei die kleinste Drehzahl (n2)", bei welcher
das Getriebe noch die volle Leistung N überträgt.
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Wie aus Fig.2 ersichtlich, ist zur Steuerung des hydrostatischen Getriebes
für die Ausführung einer oszillierenden Bewegung entsprechend dem Weg-Zeit-Diagramm
nach Fig. 1 ein vom Speisedruck betätigter hydraulischer Servomotor 6 vorhanden.
Dieser weist einen sogenannten Vorstenerkolben 7 zur Steuerung des Hauptkolbens
8 auf. Der erforderliche Druck des Arbeitsmittels, beispielsweise Ö1, wird durch
eine Speisepumpe 9, entweder am Hauptantriebsmotor 5 oder an einem eigenen Elektromotor
10 angebracht ist, erzeugt. Das gleiche Arbeitsmittel dient auch zur Energieübertragung
vom Primär- zum Sekundärteil des Getriebes. Je nach der Stellung des Vorsteuerkolbens
7 bewegt sich der Hauptkolben 8 in der einen oder anderen Richtung (Tl oder R) und
wirkt dabei über den Waagebalken 11 mit den Schenkellängen W1 und WZ auf die Regulierstange
12. Eine Längsbewegung der Regulierstange 12 bewirkt eine Drehung des Kreissektors
13 um die Achse 14, an welcher ein Hebel 15 starr befestigt ist, der seinerseits
gelenkig mit der Lasche 16 am Pumpengehäuse 4 verbunden ist.
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Die Verschiebung des Hauptkolbens 8 um den Weg h2 ergibt eine Längsbewegung
der Regulierstange um hl=h2 Wl/W2). Dabei erfolgt ein Verschwenken der Pumpe 4 um
den Winkel ±z1 entsprechend hl= C - sin z1, worin C eine durch die Dimensionierung
der Steuerglieder 13, 15 und 16 beeinflußbare Konstante ist. Gleichzeitig überträgt
sich aber die Schwenkbewegung des Kreissektors 13 um die Achse 14 auch auf die gelenkig
angebrachte Lasche 17, von dieser auf den um die Achse 18 schwenkbaren Kreissektor
19 und über dessen gelenkige Lasche 20 auf den Hebel 21. Dieser ist starr auf der
Drehachse 22 befestigt, die außerdem den Hebel 23 trägt und über die an dessen Ende
gelenkig angebrachte Lasche 24 eine Schwenkbewegung des Gehäuses des Motors 3 bewirkt.
Dabei ist eine Abhängigkeit des Schwenkwinkels e2 gemäß der Beziehung
erzielbar, worin A, B und a jeweils konstruktionsbedingte unveränderliche
Größen sind. Bei gleichen Abmessungen der Primär- und Sekundäreinheiten sind deren
Hubvolumina Th und Z'2 gleich, also ist, wie bereits früher angegeben,
und man erhält schließlich
Da die Größen hQ, A, B, C und a bei gegebener Konstruktion konstant sind
und die Drehzahl n1 des Elektromotors 5 unverändert bleibt, hängt die Drehzahl n2
der Abtriebswelle lediglich vom Verschiebeweg hl der Regulierstange 12 bzw. von
der Axialverschiebung h2 des Hauptkolbens 8 des Servomotors 6 ab.
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Vorzugsweise wird die Dimensionierung der genannten Steuerglieder
derart vorgenommen, daß bei einer Verschwenkung der Pumpe4 um -±- (zl),"ax= 250
eine Winkelbewegung des Sekundärteils von -!- (z2),"ax =25' bis auf (z2),n1,"
größer als Null erfolgt. Mit einer solchen Steuereinrichtung ergibt sich dann der
in
Fig. 3 und 2 strichpunktiert eingetragene Verlauf, entsprechend etwa den Beziehungen
worin die Größen C1 bis C5 konstruktionsbestimmte feste Werte besitzen. Die größte
Abweichung des tatsächlichen vom erwünschten Verlauf tritt jeweils bei der Drehzahl
(n2)0 auf, doch kann durch geschickte Wahl der Hebeverhältnisse diese Abweichung
derart gering gehalten werden, daß eine Verminderung des Drehmomentes an dieser
Stelle nicht merkbar ist.
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Der die Winkel z1 und z. des hydrostatischen Getriebes und damit die
Drehzahl n2 bestimmte Hub h2 des Hauptkolbens 8 im Servomotor ist durch die beiden
Steuernocken 25 und 26, die längs des Vorsteuerkolbens 7 beliebig angeordnet werden
können und mit der Anschlagplatte 27 zusammenwirken, auf jeden gewünschten Wert
einstellbar. Bewegt sich der Hauptkolben 8 samt dem Vorsteuerkolben 7 in einer Richtung
-was natürlich nur an den Umkehrpunkten der Zahnstange 1 der Fall ist -, so wird
beim Auftreffen eines der Steuernocken 26, 25 auf die Anschlagplatte 27 der Vorsteuerkolben
7 längsverschoben, was zur Öffnung eines Ablaßkanals für das Arbeitsmittel führt,
so daß der Hauptkolben 8 sofort stillsteht. Damit ist aber auch die Schwenkbewegung
von Primär- und Sekundärteil 4 bzw. 3 des Getriebes beendet und eine ganz bestimmte
Drehzahl n2 bzw. Geschwindigkeit der Zahnstange 1 in der betreffenden Richtung eingestellt.
Der Servomotor 6 wird erst dann wieder betätigt, wenn die Zahnstange 1 die jeweilige
Umkehrstelle erreicht.
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Befindet sich der Hauptkolben 8 in Mittelstellung innerhalb des Servomotors
6, dann steht der Primärteil 4 auf z1= 0P, die Drehzahl -n2 ist Null, und die Zahnstange
1 steht still. Je nachdem, von dieser Nullstellung aus betrachtet, der Abstand zwischen
den Nocken 25 bzw. 26 und der Anschlagplatte 27 gleich groß oder verschieden groß
ist, erfolgt die Bewegung der Zahnstange 1 in beiden Richtungen mit gleich großer
oder mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.
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Zur Umsteuerung des Getriebes an den Umkehrpunkten der Zahnstange
1 wird von derselben je ein Endstellungskontakt 28 bzw. 29 betätigt und hierbei
der Stromkreis für den Hubmagnet 30 bzw. 31 geschlossen. Die beiden Schalter 28
und 29 -verriegeln sich gegenseitig, was beispielsweise durch eine Wippe möglich
ist, derart, daß der Schalter 29 zu und der Schalter 28 offen oder, umgekehrt, der
Schalter 28 zu und der Schalter 29 offen ist. Stets bleibt aber der Schalter 29
so lange geschlossen, bis der Schalter 28 betätigt wird, und umgekehrt. Die beiden
Hubmagnete 30, 31 sind starr am Hauptkolben 8 des Servomotors 6 angebracht
und wirken auf ein mit dem Vorsteuerkolben 7 verbundenes Gestänge 32 derart, daß
beim Auflaufen der Zahnstange 1 auf einen der Endkontakte 28, 29 der zugeordnete
Magnet 30 bzw. 31 den Vorgteuerkolben aus seiner augenblicklichen Endlage in seine
andere Endlage gegen die Wirkung der Federn 49 und 50 bewegt. Dies bewirkt aber
eine sofortige Betätigung des Hauptkolbens 8, der über die Regulierstange 12 das
Getriebe auf die Gegendrehrichtung umsteuert.
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Zu den beiden Endstellungskontakten 28, 29, die längs des Zahnstangenbettes
verschiebbar angeordnet sein können, um eine Einstellung der Umkehrpunkte zu ermöglichen,
ist je ein Sicherheitskontakt 33 bzw. 34 elektrisch parallel geschaltet, der am
Ende des maximalen Vorschubs der Zahnstange 1 automatisch betätigt wird, falls der
betreffende Endstellungskontakt nicht richtig angebracht wurde oder versagt.
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Beim erstmaligen Einschalten des Elektromotors 5 soll die Zahnstange
1 nicht bewegt werden, also muß sich in diesem Fall die Pumpe 4 in ihrer Mittellage
(z1= 0°) befinden. Dies ist auch erforderlich, wenn die Zahnstange 1 bei laufendem
Antriebsmotor 5 vorübergehend stillgesetzt werden soll. Am Gestänge 32 des Vorsteuerkolbens7
ist hierzu ein Schieber35 starr angebracht, der einen Anschlag 36 trägt. Im Betrieb
(in Fig. 2 dargestellt) ist die Starttaste 38 geschlossen und der Zugmagnet 39 erregt,
der die Schubstange 40 anzieht. Diese ist über einen Winkelhebel 41 mit den beiden
Laschen 42 und 43 verbunden, durch welche die Scherenarme 44 bzw. 45 gespreizt werden
und die in F'ig.2 gezeichnete Lage einnehmen entgegen der Zugwirkung der Feder 46.
Soll die Zahnstange 1 vorübergehend stillgesetzt werden, dann wird mittels der Starttaste
38 der Stromkreis des Hubmagnets 39 unbrochen, wodurch die Schubstange 40 freigegeben
wird und die Scherenarme 44, 45 durch die Feder 46 einander genähert werden. Hierbei
wird durch das Ende des Scherenarmes 45 der Anschlag 36 samt der Schubstange 35,
dem Gestänge 32 und dem Vorsteuerkolben 7 in Richtung auf die Rast 47 bewegt, was
eine gleichsinnige Bewegung des Hauptkolbens 8 veranlaßt. Sobald der Anschlag 36
die Rast 47 erreicht, ist die Bewegung der Schubstange 35 und damit des Vorsteuerkolbens
7 zu Ende, was bewirkt, daß der Hauptkolben 8 ebenfalls stillgesetzt wird, wobei
durch Justierung der Rast 47 erreicht wird, daß in dieser Ruhelage der Primärteil
4 des Getriebes die Winkellage z1= 0 aufweist. Diese Lage wird also bei offener
Starttaste 38 stets automatisch eingenommen, so daß nunmehr nach Belieben der Elektromotor
5 (und eventuell 10) aus- und wieder eingeschaltet werden kann. Falls erwünscht,
kann die Starttaste 38 derart ausgebildet sein, daß der Kontakt nur bei laufendem
Elektromotor 5 geschlossen werden kann. Befindet sich der Anschlag 36 in Deckung
mit der Rast 47, so verbleibt der Servomotor 6 und damit das Getriebe in dieser
Lage, auch wenn nun die Starttaste 38 eingeschaltet, der Magnet 39 erregt und die
Scherenarme 44, 45 gespreizt werden. Um das Getriebe in eine Betriebswinkellage
z1 zu bringen, kann einer der Sicherheitsschalter 33 oder 34 betätigt oder ein entsprechender,
denselben parallel geschalteter Steuerknopf gedrückt werden. Der hierbei erregte
Hubmagnet 30 bzw. 31 bewirkt dann eine Umstellung des Vorsteuerkolbens 7, und die
bereits beschriebene oszillierende Bewegung der Zahnstange 1 beginnt und setzt sich
automatisch fest, bis durch die Betätigung der Starttaste 38 die Ruhestellung des
Primärteiles 4 bei dem Winkel -i= 0 erzwungen wird.
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Bei gewissen Anwendungen, z. B. bei einer Hobelmaschine, ist es zum
Einrichten notwendig, daß die Zahnstange 1 kurzzeitig in der einen oder anderen
Richtung bewegt und wieder stillgesetzt werden kann. Der Maschinentisch soll dabei
mit reduzierter Geschwindigkeit bewegt werden. Um dies zu ermöglichen, sind die
elektrischen Schalter 33, 34 als »Doppel-Auf-Zu-Schalter« und 38 als Umschalter
ausgebildet. In der gezeichneten Stellung des Schalters 38 ist die Maschine im Normalbetrieb.
Wird Schalter 38 nach unten gedrückt, so sind die Magnete 30, 31 und 39 stromlos
und damit der Primärschwenk-
Winkel = 0. Trotz laufendem Elektromotor
5 steht die Zahnstange 1 und somit der zu bewegende Maschinenteil still.
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Bei der Betätigung einer der beiden Schalter 33 oder 34 wird der Magnet
39 und der dem Schalter entsprechende Magnet 30 oder 31 eingeschaltet. Der Servomotor
6 beginnt somit zu wandern und damit die Maschine zu beschleunigen. Damit er nicht
bis in seine Endlage, die dem Anschlag 25 oder 26 entspricht, wandert und damit
die Maschine auf große Geschwindigkeit bringt, ist das Zeitrelais 48 angebracht,
das nach einer gewissen Zeit, die eingestellt werden kann, den Stromkreis wieder
öffnet. Im stromlosen Zustand wird aber der Servomotor in seine Mittellage und damit
die Primäreinheit auf den Winkel s1= 0, verschwenkt, d. h., die Maschine steht still.
Ebenso steht sie still, wenn der betätigte Schalter 33 oder 34 wieder losgelassen
wird.