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Steuerschieber mit druckabhängiger Rückstellung Die Erfindung befaßt
sich mit einem Steuerschieber zur hydraulischen Steuerung eines Arbeitszylinders
(Servomotors). Derartige bekannte Steuerschieber bestehen aus einem Gehäuse, in
dessen Längsbohrung ein Schieberkolben mit mindestens zwei Stellungen durch äußere
Betätigung verschiebbar ist, wobei die Bewegung unter dem Einfluß einer Rückstellfeder
und einer elastischen Verriegelung steht. In der ersten Stellung des Steuerschiebers
stellt dieser eine Verbindung her zwischen einer Druckmittelquelle und dem Verbraucher,
während in der zweiten Stellung diese Verbindung getrennt wird. Eine dritte Stellung
kann dazu dienen, das Druckmittel aus dem Arbeitszylinder wieder in den Vorratsbehälter
zurückzuführen.
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Tritt bei derartigen Anlagen ein Überdruck auf, weil sich der Arbeitskolben
in der Endstellung befindet oder aus anderen Gründen nicht weiterbewegbar ist, so
arbeitet die Druckpumpe mit Verlusten oder kann beschädigt werden.
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Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist bei einem bekannten Steuerschieber
eine Einrichtung zur druckabhängigen Rückstellung des Schieberkolbens aus der Arbeits-
in die Ruhestellung vorgesehen, die bei Erreichung eines vorbestimmten Druckes wirksam
wird. Dazu weist der bekannte Schieberkolben eine Längsbohrung auf, in die ein zylindrischer,
an der Gehäusewand befestigter Kolbenteil hineinragt, so lange der Normaldruck des
Druckmittels wirksam ist. Tritt ein Überdruck auf, so wirkt dieser über ein Überdruckventil
auf eine Druckkammer zwischen der Gehäusewand, dem erwähnten Kolbenteil und der
gleitenden Stirnfläche des Schieberkolbens so lange, bis dieser in die Ruhestellung
zurückgedrückt, dem Druckmittel einen freien Abfluß zum Vorratsbehälter gewährt.
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Es ist ein Nachteil dieser bekannten Einrichtung, daß die Bewegung
des Schieberkolbens durch ein in der erwähnten Druckkammer auftretendes Vakuum oder
durch Druckmittelreste behindert wird. Außerdem erfordert diese Anordnung eine große
Genauigkeit bei der Herstellung koaxialer Teile und von Durchtrittsspalten.
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Die Erfindung löst die Aufgabe, eine Einrichtung zur druckabhängigen
Rückstellung des Steuerschiebers zu vereinfachen und technisch fortschrittlich zu
gestalten.
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Dazu steht erfindungsgemäß die Längsbohrung des Schieberkolbens ständig
mit der Druckmittelquelle in Verbindung und ist auf der der Betätigung des Schieberkolbens
zugewandten Seite verschlossen. Ferner ist der zylindrische Teil in der Längsbohrung
beweglich, stützt sich in der ersten Stellung des Schieberkolbens an einem stirnseitigen
Anschlag des Gehäuses ab und wird bei der druckabhängigen Rückstellung des Schieberkolbens
aus seiner ersten in die zweite Stellung von einem Mitnehmer desselben nach Zurücklegung
eines ausreichenden Weges mitgenommen.
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Diese Ausführungsform vermeidet die Nachteile der bekannten Einrichtung.
Sie ist ohne große Forderungen an Genauigkeit herstellbar, da der Längskanal und
der in ihm bewegliche Kolbenteil keine genaue koaxiale Zuordnung erfordern.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber
erläutert.
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F i g. 1 und 2 zeigen in einem schematischen Längsschnitt eine erste
Ausführungsform in der ersten bzw. zweiten Stellung; F i g. 3 und 4 zeigen in gleicher
Darstellung wie F i g. 1 und 2 eine zweite Ausführungsform.
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Der Arbeitszylinder besteht aus einem Kolben 1, welcher in einem Zylinder
2 eine Arbeitskammer 3 abgrenzt, wobei eine Rückholkraft, z. B. das Gewicht des
von dem Kolben 1 bewegten Teils, den Kolben in dem das Volumen der Kammer 3 vermindernden
Sinn zu verschieben sucht. Die Druckflüssigkeitsquelle
wird durch
eine ständig laufende Pumpe 4 gebildet, welche die Flüssigkeit einem Vorratsbehälter
5 entnimmt und sie in eine Förderleitung 6 liefert. Um die Zeichnungen klarer
zu machen, ist der gleiche Vorratsbehälter 5 an mehreren Stellen einer jeden Figur
dargestellt.
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Der zwischen der Förderleitung 6 der Pumpe und einer Leitung 7 zur
Speisung und Entleerung der Kammer 3 anzuordnende Steuerschieber hat einen Schieberkolben
8, welcher mittels eines Betätigungshebels 9 in einer in einem Gehäuse 11 ausgebildeten
Bohrung 10 verschoben werden und in dieser wenigstens zwei Stellungen einnehmen
kann. In der ersten Stellung (F i g. 1 oder 3) setzt der Schieberkolben 8 über seine
Nut 12 zwei Nuten 13 und 14 miteinander in Verbindung, welche
längs der Bohrung 10 vorgesehen und mit den Leitungen 6 bzw. 7 verbunden sind, so
daß die Pumpe 4 in die Kammer 3 des Arbeitszylinders fördert. In der zweiten Stellung
(F i g. 2 oder 4) trennt der Schieberkolben 8 mittels seines Abschnitts mit
dem größten Durchmesser die Nut 14 und somit die Kammer 3 ab, während
er über seine Nut 12 die Nut 13 mit einer mit dem Vorratsbehälter
5 verbundenen Nut 15 in Verbindung setzt, so daß die Pumpe 4 dann in den Vorratsbehälter
liefert. Schließlich kann, wie in F i g. 1 und 2 dargestellt, der Schieberkolben
8 eine in F i g. 1 schematisch durch die Stellung 9a des Hebels 9 angedeutete dritte
Stellung einnehmen, in welcher der Schieberkolben 8 über eine zweite Nut
16 die Nut 14 mit einer mit dem Vorratsbehälter 5 in Verbindung stehenden
Nut 17 verbindet, wodurch die Kammer 3 des Arbeitszylinders auf Auslaß geschaltet
wird, während die Pumpe 4 weiter in den Vorratsbehälter 5 fördert, wie in der vorhergehenden
Stellung. Der Verteiler der F i g. 3 und 4 kann so abgeändert werden, daß er diese
dritte Stellung einnehmen kann.
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In dem Schieberkolben 8 ist eine Längsbohrung 18
ausgebildet,
welche mit der Pumpe 4 über die Nut 13 und radiale Löcher 18a in Verbindung steht.
Diese Längsbohrung mündet an dem Ende des Schieberkolbens, welches von der Nut 13
weiter als von der Nut 14 entfernt ist. In diesem Kanal 18 ist ein zylindrischer
Teil 19 (F i g. 1 und 2) oder 39 (F i g. 3 und 4) angeordnet, welcher sich in der
ersten Stellung (F i g. 1 oder 3) gegen einen mit dem Gehäuse 11 fest verbundenen
Anschlag 20 legen kann, aber von dem Schieberkolben 8 mitgenommen und von
dem Anschlag 20 abgehoben wird, wenn der Schieberkolben 8 selbst in seine
zweite Stellung (F i g. 2 oder 4) gebracht wird. Der Anschlag 20 kann durch die
Innenseite einer auf das Gehäuse 11 aufgesetzten Kappe 32 gebildet werden.
Schließlich wirken auf den Schieberkolben 8 einerseits Einrichtungen, welche ihn
in der ersten Stellung (F i g. 1 oder 3) festhalten, solange die Resultierende der
Kräfte, welche auf den Schieberkolben 8 in dem Sinn (von rechts nach links
ir# den Figuren) wirken, welcher ihn in die zweite Stellung bringt, kleiner als
ein gegebener Grenzwert ist, und andererseits elastische Rückholeinrichtungen, welche
den Schieberkolben 8 mit einer Kraft, welche kleiner als dieser Grenzwert ist, in
seine zweite Stellung zu bringen suchen.
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Gemäß der Ausführungsform der F i g. 1 und 2 kann zur Ermöglichung
der Mitnahme des zylindrischen Teils 19 durch den Schieberkolben 8 in der oben angegebenen
Weise dieser Teil mit einer Ringnut 21 versehen werden, in welche ein Ring 22 eingesetzt
ist, welcher an dem Schieberkolben 8 mittels eines Sprengringes 23 befestigt
ist und mit der Schulter 21 a der die Ringnut 21 des Teils 19 begrenzenden
Schultern in Berührung kommen kann, wenn der Schieberkolben 8 den ersten Abschnitt
des ihn aus der ersten Stellung (F i g. 2) in die zweite Stellung (F i g. 2) bringenden
Hubes durchlaufen hat, wobei die Schulter 21a das von dem Anschlag 20 am weitesten
entfernte Ende der Ringnut 21 bildet.
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Der Schieberkolben 8 kann in seiner ersten Stellung durch wenigstens
eine Kugel 24 gehalten werden, welche durch eine Feder 25 in Richtung auf eine Ausnehmung
26 gedrückt wird.
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Zur Bildung der Rückholeinrichtungen ist um den Schieberkolben 8 herum
eine Schraubenfeder 27 angeordnet, welche sich an zwei in einer Ringnut
30
des Schieberkolbens 8 verschieblichen Lochscheiben 28 und 29 abstützt.
Die Lochscheibe 29 wird, je nachdem, durch eine am Schieberkolben 8 vorgesehene
Schulter 30 a oder durch eine am Gehäuse 11 vorgesehene Schulter 31 b und die Lochscheibe
28
durch eine am Schieberkolben vorgesehene Schulter 30 b oder durch eine
an der Kappe 32 (F i g. 1 und 2) oder am Gehäuse 11 (F i g. 3 und 4) vorgesehene
Schulter 31. b angehalten.
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Wenn die von der Pumpe 4 kommende Druckflüssigkeit einen Leckdurchlaß
zwischen dem zylindrischen Teil 19 oder 39 und der Wand der Längsbohrung
18 finden würde, würde sie sich in der Kappe 32 ansammeln und das Arbeiten der Vorrichtung
stören.
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Um diesem Nachteil abzuhelfen, ist gemäß F i g. 1 und 2 die Längsbohrung
18 an der Stelle einer an einem Zwischenabschnitt des Teils 19 vorgesehenen Nut
33 mit dem Vorratsbehälter 5 über im Schieberkolben 8 ausgebildeten radiale Durchlässe
34 und eine im Gehäuse 11 ausgebildete und mit dem Vorratsbehälter 5 verbundene
Kammer 35 in Verbindung gesetzt worden, wobei eine Dichtung 37 das Teil
19
hinter (in der Richtung der möglichen Leckströmungen) den Durchlässen 34
umgibt. Der zylindrische Teil 19 kann durch zwei Teile gebildet werden, welche
sich wie ein Kolben bzw. ein Stößel verhalten. Der erste mit 19a bezeichnete dieser
Teile ist zylindrisch und hat einen gleichmäßigen Durchmesser, während der zweite
die Nuten 21 und 33 trägt und mit dem Anschlag 20 zusammenwirkt.
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Um diesem Nachteil abzuhelfen, kann noch, wie in allen Figuren dargestellt,
die Kappe 32 mit einer gegebenenfalls mit dem Vorratsbehälter 5 verbundenen
Öffnung 36 versehen werden, welche auch die in der Kammer 35 enthaltene Luft abführen
soll, welche durch das Eindrücken des Schieberkolbens 8
zusammengedrückt wird,
wenn die Öffnung 36 nicht mit dem Vorratsbehälter verbunden ist.
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Der Steuerschieber der F i g. 1 und 2 arbeitet folgendermaßen: In
der Stellung der F i g. 1 wird die von der Pumpe geförderte Flüssigkeit der Kammer
3 des Arbeitszylinders zugeführt. Der Teil 19 ist mechanisch nicht mit dem Schieberkolben
8 verbunden. Es wird daher auf den Schieberkolben 8 ein von rechts nach links gerichteter
hydraulischer Schub, welcher gleich dem Produkt aus dem Querschnitt der Längsbohrung
18 und dem in der Kammer 3 herrschenden Flüssigkeitsdruck ist, ausgeübt. Solange
dieser Druck kleiner als der angegebene Höchstwert ist, ist die kombinierte Wirkung
dieses hydraulischen Schubes
und des von der Feder 27 ausgeübten
mechanischen Schubes kleiner als die Kraft, welche erforderlich ist, um die Kugel
24 aus der Ausnehmung 26 herauszudrücken. Wenn dagegen der Druck in der Kammer 3
diesen Höchstwert erreicht und übersteigt, wirkt auf den Schieberkolben 8 von rechts
nach links ein Schub, welcher ausreicht, um die Kugel 24 frei zu machen. Bei seiner
Bewegung nach links nimmt der Schieberkolben 8 durch die Berührung des Ringes 22
mit der Schulter 21 a den Teil 19 mit, wodurch der auf den Schieberkolben 8 in der
Richtung von rechts nach links wirkende hydraulische Schub aufhört. In diesem Augenblick
ist die einzige auf den Schieberkolben 8 wirkende, nicht abgeglichene Kraft die
der Feder 27, welche den Schieberkolben 8 in die in F i g. 2 dargestellte neutrale
Stellung bringt. In dieser Stellung wird die Kammer 3 des Arbeitszylinders verschlossen,
und die Pumpe 4 fördert in den Vorratsbehälter 5.
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Wenn der Benutzer den Steuerschieber aus der neutralen Stellung der
F i g. 2 in die in F i g. 1 dargestellte Stellung bringt, muß er den hydraulischen
Schub überwinden, welcher auf den Schieberkolben 8 ausgeübt wird, sobald der Ring
22 die Schulter 21 a des Teils 19 verläßt. Da der Teil 19 einen kleinen Querschnitt
hat, ist die von der Bedienungsperson auszuübende Kraft gering. Aus dem gleichen
Grund ist die von der Kugel 24 auszuübende Rückhaltekraft ebenfalls gering.
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Bei der Ausführungsform der F i g. 1 und 2 steht der Teil 19 mit dem
Schieberkolben durch einen zylindrischen Abschnitt mit gleichmäßigem Durchmesser
in Berührung und kann sich gegenüber dem Schieberkolben frei zwischen den beiden
in F i g. 1 und 2 dargestellten Stellungen verstellen. Der Nachteil dieser Ausbildung
besteht darin, daß in der Stellung »Druckanstieg« (F i g. 1) der um die Kraft der
Rückholfeder 27 vermehrte Schub des Teils 19 allmählich der entgegengesetzten Verriegelungskraft
der Kugel 24 entgegenwirkt, bis eine Gleichgewichtsstörung auftritt. Die verschiedenen
Reibungen des Schieberkolbens 8, des Teils 19 und insbesondere des
Verriegelungssystems können eine ziemlich erhebliche Streuung des Wertes des Grenzdrucks
bewirken, für welchen die Rückkehr des Schiebers in die neutrale Stellung (F i g.
2) sichergestellt wird.
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Um diesem Nachteil abzuhelfen, wird gemäß der Ausführungsform der
F i g. 3 und 4 an der Längsbohrung 18 zwischen der Bohrung 40, in
welcher sich der Teil 39 bewegt, und den radialen Löchern 18a ein Sitz 41
vorgesehen, dessen Querschnitt kleiner als der der Bohrung 40 ist, und welcher
mit einer Anlagefläche 42 des Teils 39 zusammenwirkt, deren Querschnitt dem des
Sitzes 41 entspricht. Ferner ist zwischen dem Schieberkolben 8 und dem Teil
39 eine Feder 43 vorgesehen, welche den Teil 39 auf seinen Sitz 41 zu drücken sucht
und so geeicht ist, daß sie unter dem Schub nachgibt, welcher auf den geringen Querschnitt
dieser Anlagefläche von der Flüssigkeit ausgeübt wird, wenn diese den oben definierten
Höchstdruck erreicht.
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Zur Verbesserung der Abdichtung wird die Anlagefläche 42 kegelstumpfförmig
ausgebildet, wie in der Zeichnung dargestellt.
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Die Feder 43 ist eine Schraubenfeder, welche einen Fortsatz
44 kleinen Durchmessers umgibt, welcher mit dem Teil 39 fest verbunden ist und dessen
freies Ende mit dem Anschlag 20 zusammenwirkt. Diese Feder stützt sich einerseits
an einer Kappe 45 ab, welche mit dem Schieberkolben 8 fest verbunden
ist und durch welche der Fortsatz 44 tritt, und andererseits an der Schulter,
mit welcher sich der Fortsatz 44 an den Abschnitt größeren Durchmessers des Teils
39 anschließt, und zwar über eine Lochscheibe 46. Die Schulter oder die Lochscheibe
wirkt mit der Innenkante 45a der Kappe 45 zusammen, um die Verschiebung
des Teils 39 gegenüber dem Schieberkolben 8 in dem es von dem Sitz 41 abhebenden
Sinn zu begrenzen.
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Der Steuerschieber der F i g. 3 und 4 arbeitet folgendermaßen: In
der neutralen Stellung (F i g. 4) tritt die von der Pumpe 4 geförderte Flüssigkeit
durch die Nut 13 ein und durch die Nut 15 aus. Der Arbeitszylinder wird durch den
Schieberkolben 8 abgetrennt. Der geringe in der Nut 13 herrschende
Druck wirkt auf die konische Anlagefläche 42 an der Stelle des Sitzes 41.
Der auf den Teil 39 ausgeübte Schub ist daher vernachlässigbar, da der Druck
und der Querschnitt, auf welchen dieser Druck wirkt, klein sind. Die Längsbohrung
18 ist daher vollkommen abgedichtet.
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Für den Druckanstieg wird der Schieberkolben 8 nach rechts bis in
die Stellung der F i g. 3 verschoben und durch die Kugeln 24 verriegelt.
Die Nut 15 wird abgetrennt, und die Förderung der Pumpe wird der Kammer
3 durch die Nuten 13 und 14 zugeführt. Der in der Kammer 3
herrschende Druck wirkt über die Längsbohrung 18 auf den kleinen Querschnitt der
Anlagefläche 42. Infolge der vorherrschenden Wirkung der Feder 43 bleibt
der Teil 39 unbeweglich auf dem Sitz 41. Wenn das Produkt aus dem
inneren Querschnitt des Sitzes 41 und dem in der Kammer 3 des Arbeitszylinders
erreichten Druck den Eichwert der Feder 43 erreicht, hebt sich der Teil 39 von dem
Sitz 41 entgegen der Wirkung der Feder 43 ab, und das Drucköl wirkt plötzlich auf
den ganzen Querschnitt des Teils 39. Die Schubkraft, die dann gleich dem
Produkt aus diesem Druck und dem vollen Querschnitt des Teils 39 ist, wird in diesem
Augenblick erheblich größer als die von der Feder 43 ausgeübte widerstehende
Kraft, und der Teil 39 wird kräftig von links nach rechts bis in die in F
i g. 3 dargestellte Stellung geschoben. Der Fortsatz 44 des Teils 39 legt
sich gegen den Anschlag 20, und durch die Reaktionswirkung wird der Schieberkolben
8 nach links mit einer Kraft (Resultierende des hydraulischen Schubes und der Kraft
der Feder 27) verschoben, welche ausreicht, um die Kugeln 24 zurückzudrücken.
Der Teil 39, welcher zunächst an dem Anschlag 20 festgehalten war, wird hierauf
durch Berührung der Lochscheibe 46 mit der Kante 45 a
der
Kappe 45 mitgenommen. Der Schieberkolben 8
kehrt in seine in F i g.
4 dargestellte neutrale Stellung zurück. In dieser Stellung ist die Pumpe 4 durch
die Verbindung zwischen den Nuten 13 und 15 auf Auslaß geschaltet, und die Kammer
3 ist durch den Abschnitt größeren Durchmessers des Schiebers 8 abgetrennt. Der
Druck der der Längsbohrung 18 zugeführten Flüssigkeit, welcher gleich dem Förderdruck
der Pumpe ist, fällt daher auf einen solchen Wert, daß die Feder 43 die Anlagefläche
42 des Teils 39 gegen den Sitz 41 drückt. Die Vorrichtung ist dann von neuem
betriebsbereit.
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Eine Gleichgewichtsstellung zwischen der von den Kugeln 24 ausgeübten
Verriegelungskraft und der entgegengesetzten Entriegelungskraft ist nicht zu befürchten,
da
die Wirkung des hydraulischen Schubes bei weitem vorherrschend ist, da der diesen
Schub erzeugende Druck plötzlich auf den vollen Querschnitt des Teils 39 wirkt.
Die Rückführung aus der Stellung der F i g. 3 in die der F i g. 4 erfolgt daher
eindeutig und genau. Ferner wird die Abdichtung der Kammer 3 des Arbeitszylinders
nicht durch die Abdichtung des Teils 39 gegenüber dem Schieberkolben 8 beeinflußt,
da ja in der neutralen Stellung der Teil 39 von dem Arbeitszylinder abgetrennt
ist. Es ist zu bemerken, daß die Abdichtung zwischen der konischen Anlagefläche
42 und dem Teil 39 vollkommen gewährleistet sein muß, bis der in der Kammer 3 herrschende
Druck den oben definierten Höchstwert erreicht, da sonst die Entriegelung erfolgen
könnte, bevor dieser Wert erreicht wird.