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Hydraulisch betriebener Linearmotor Die Erfindung betrifft einen
hydraulisch betriebenen Linearmotor mit einem Arbeitskolben mit druckbeauftchlagten
Flächen von unterschiedlicher Größe, von denen die kleinere dauernd vom Druck in
der Zuleitung und die größere durch einen Zylinderschieber abwechselnd mit dem Druck
in der Zu- und in der Rücklaufleitung beaufschlagbar ist. Der Zylinderschieber ist
im Gehäuse koaxial zum Arbeitskolben gefhhrt und durch die Bewegungen des Arbeitskolbens
hydraulisch umsteuerbar. Durch die Oszillation des Zylinderschiebers wird wiederum
die Oszillation des Arbeitskolbens aufrechterhalten.
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Es sind zahlreiche Lösungen der Aufgabe bekannt, den Arbeitskolben
eines Linearmotors durch die Beaufschlagung seiner beiden Stirnflächen in eine oszillierende
Bewegung zu versetzen. Grundsätzlich bestehen zwei Möglichkeiten, durch ein Steuerorgan
Druck auf die Stirnflächen zu lenken: a) Bei der Umsteuerung wird die Druckzufihrung
zu beiden Flächen gewechselt.
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b) Eine Fläche ist dauernd vom Druck beaufschlagt, und bei der Umsteuerung
wird nur die zweite, dann größere Fläche, vom Steuerorgan abwechselnd mit der Druck-
und der Rücklaufleitung verbunden.
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Die dauernd vom Druck beaufschlagte Fläche könnte dabei grundsätzlich
auch durch eine federbeaufschlagte Fläche ersetzt sein.
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Der Möglichkeit b) wird der Vorzug gegeben, weil hierbei einfachere
Steuerungen verwendbar sind. Die Umsteuerung durch ein Steuerorgan ist auf mannigfaltige
Weise möglich. So beschreibt die D?-PS 819 162 die Steuerung eines Vibrators, bei
der ein Steuerschieber mechanisch über Federn mit dem Arbeitskolben gekoppelt ist.
Die zur Aufreehterhaltung der oszillierenden Bewegung notwendige Phasenverschiebung
wird durch geeignete Abstimmung von Steuerkolbenmasse und Federkraft erreicht. Eine
Variante dieses Prinzips ist in der DE-AS 1 136 860 dargestellt. Ähnlich ist das
Arbeitsprinzip, das in wÖlhydraulik und Pneumatik" 13(1969) S. 483 bis 487 beschrieben
ist, wo zwei Ventilteller abwechselnd durch Federn in die jeweilige neue Endlage
gebracht werden. Spannen und Entspannen von je einer Feder erfolgen synchron und
abhängig von der Stellung des Arbeitskolbens. Steigt die resultierende Kraft auf
die Ventilteller ueber die hydraulische Vorspannung hinaus, so springen die Ventjlteller
in die neue Endlage.
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Nachteilig ist bei beiden Ausführungen die Verwendung von Federn,
da diese besonders bei Schlagwerken als störanfällige Bauelemente bekannt sind.
Bei einem anderen Vorschlag (Dr-As 1 298 752) bildet das Steuerorgan, das als Endschalter
wirkt, ein im Arbeitskolben liegendes Ventil. Auch diese Ausführung ist in einem
Schlagwerk störanfällig, weil wiederum Federn verwendet sind und das Ventil dem
vollen Aufprall beim Kolbenschlag ausgesetzt ist. In der CE-ES 135 837 ist eine
Steuerung beschrieben, wobei zwar der Steuerteller ohne Zwischenschaltung von Federn
nach einem bestimmten Freilauf des Atbeitskolbens durch direkten Anschlag zwischen
Arbeitskolben und Steuerschieber mitgenommen wird. Zwei Nachteile haften Jedoch
diesen Vorschlag an: Erstens wird der Steuerschieber erst kurz vor dem Anschlag
des Arbeitskolbens schlagartig beschleunigt. Zweitens ist die Druckquelle auf dem
Rückhub
über den Steuerschieber kurzgeschlossen, was prinzipiell
zur Folge hat, daß die Zuleitung drucklos wird und der Arbeitskolben sich nicht
bewegt. Aber selbst, wenn das Gerät an zwei verschiedene Druckquellen angeschlossen
ist, bedeutet der hydraulische Kurzschluß einen großen teistungsverlust während
des Rückbubes.
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Andere Steuerungsaften gehen vom Prinzip der hydraulischen Umsteuernng
eines Steuerschiebers aus. In den Umsteuerpunkten des Arbeitskolbens werden von
diesem Steuerimpulse ausgelöst, die den Steuerschieber Jeweils in die neue Endlage
brIngen, so daß die oszillierende Bewegung des Arbeitskolbens erhalten bleibt (DU-AS
1 288 040, 1 243 118 und 1 281 370). Der Nachteil einer mechanischen Kupplung zwischen
Arbeitskolbenund Steuerschieber entfällt hier zwar, jedoch bleibt das Problem, mit
kleinen Steuerleistungen große Querschnitte zu steuern.
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Der Steuerschieber soll wegen der leckverluste und der Steuerzeiten
klein gehalten werden, der Steuerquerschnitt dagegen groß wegen der Druckabfälle
im Steuerventil. In der DU-AS 1 288 040 ist zwar ein massearmer Steuerschieber beschrieben,
der Nachteil hierbei ist, daß für dessen Umsteuerung wiederum Federn notwendig sind,
außerdem erfolgt die Umsteuerung im oberen Umkehrpunkt wiederum durch mechanischen
Kontakt zwischen Arbeitskolben und Steuerschieber.
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Die Erfindung geht von einem Linearmotor aus, wie er in der DT-AS
1 281 370 beschrieben ist, der die eingangs genannten Merkmale aufweist. Bei diesem
Linearmotor ist weder der Arbeitskolben noch der Steuerschieber von Federn beaufschlagt,
die Anlaß zu Störungen geben könnten, oder durch mechanische Schläge beansprucht,
und in keiner Phase der Oszillationsbewegung ist die Zuleitung mit dem Rücklauf
kurzgeschlossen. Die Bewegungsenergie des Arbeitskolbens am Ende des Rückhubs wird
teilweise zurückgewonnen, aber bei dem erfindungsgemäßen Linearmotor ist die Rückgewinnung
noch größer. Sie wird dazu ausgenutzt, den Steuerschieber umzusteuern. Die Umsteuerung
geht infolgedessen
außerordentlich schnell vor sich, die von dem
die Umsteuerung bewirkenden Druck beaufschlagten Flächen des zylindrischen Steuerschlebers
sind sehr viel größer.
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Erreicht wird das erfindungsgemäß dadurch, daß der zylindrische Steuerschieber
den Arbeitskolben umgibt und darauf gleitet und nahe seinen stirnseitig geschlossenen
Enden Bohrungen aufweist, von denen die in dem von der Stange des Arbeitskolbens
durchsetzten Teil dauernd mit der Zulaufleitung verbunden sind, die andern je nach
der Stellung des zylindrischen Steuerschiebers im Gehäuse mit der Zulauf- oder mit
der Rücklaufleitung.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei in den Zeichnungen
schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen von Linearmotoren näher erläutern.
Im einzelnen zeigen: Fig. 1 bis 3 ein erstes Ausführungsbeispiel in drei verschiedenen
Arbeitsstellamgen und Fig. 4 ein zweites AusfUhrungsbeispiel, bei dem eine Energiertickgewin
nung durch Verdrängen des Öls aus dem Zylinderraum über ein Rückschlagventil erfolgt.
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Der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Linearmotor besteht aus einem
zylindrischen Gehäuse 1, das am linken Ende mit einem Ansatzteil 2 und einem Deckel
3 versehen ist. In diesem Gehäuse ist axial verschieblich ein Z>rlinderschieber
4 mit einem linken Abschlußteil 5 gelagert, der seinerseits den Arbeitskolben 6
mit der Kolbenstange 7 aufnimmt. Kolbenstange 7 und Zylinderschieber 4 bilden den
rechten Arbeitsraum 8, der über eine am Umfang des Zylinderschiebers angeordnete
Bobrungsreihe q und eine Ringnut 10 im Gehäuse 1 dauernd mit der Druckleitung 11
verkundezl ist.
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Der linke Arbeitsraum 12, gebildet aus dem Arbeitskolben 6 und dem
Zylinderschieber 4 mit dem linken Abschlußteil 5, ist über eine andere Bohrungsreihe
13 im Zylinderschieber 4 und in dessen rechter Endlage (Fig. 1) über eine Ringnut
14 im Gehäuse 1 mit der Rücklaufleitung 15*dagegen und in der linken Endlage des
Zylinderschiebers über eine Ringnut 16 im Gehäuse 1 mit der Druckleitung 11 verbunden.
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Der Deckel 3 besitzt einen Stutzen 17, der an die Druckleitung 11
angeschlossen ist. Zwischen diesem und dem Ansatzteil 2 des Gehäuses 1 ist das mit
einer Bohrung 18 versehene linke Ende des Abschlußteils 5 des Zylinderschiebers
4 geführt.
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Die ringförmigen Räume 19 und 20, umschlossen von den Teilen 1, 2,
5-einerseits und 1, 4, 7 andererseits, sind durch Ausgleichskanäle 21 miteinander
verbunden, die an den Stellen 22 in geringem Abstand von den Endlagen des Zylinderschiebers
4 in die Räume 19 und 20 einmünden0 Die Kanäle 21 sind außerdem mit der Rücklaufleitung
15 verbunden. Am Durchtritt der Kolbenstange 7 durch das Gehäuse 1 herrscht infolgedessen
stets nur Rücklaufdruck. Die Ringflächen 23 am Steuerschieber 4 und 24 an dessen
linkem Abschlußteil 5 sind gleich groß. Die Druckleitung 11 kann in bekannter Weise
mit einem Druckspeicher 25 und die Rücklaufleitung 15 mit einem Niederdruckspeicher
26 verbunden sein.
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Der Zylinderschieber 4 kann aus Stahl bestehen, vorzugsweise ist er
aber aus einem hochfesten, leichteren Werkstoff gefertigt.
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Fig. 1 zeigt den Arbeitskolben 6 auf dem Rückhub von rechts nach links,
wobei auf seine Ringfläche F2 der dem Arbeitsraum 8 über 11, 10 und 9 zugeführte
Leitungsdruck p wirkt, während die im Arbeitsraum 12 vor der Fläche F1 befindliche
Ölmenge über die Bohrungsreihe 13 und die Ringnut 14 im Gehäuse 1 in die Rücklaufleitung
15 verdrängt wird. Die vom Leitungsdruck p beaufschlagten Flächen F und F4 halten
den ZÇ~ 3 linderschieber 4 zunächst in der rechten (gezeichneten) Endlage.
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Wenn der Arbeitskolben 6 die Bohrungsrethe 13 zu verschließen beginnt,
wird im Arbeitsraum 12 vor der Fläche F1 ein steigender Druck Pl aufgebaut, der
den Arbeitskolben abbremst. Sobald dabei die Kraft p1'Fl größer als die Kräfte c2*F4
+ n . F3 wird, beginnt auch der Zylinder-0 LO 3 schieber seinen Weg in die linke
Endlage. Der Druck p2 im Arbeitsraum 8 kann infolge der Drosselung in den Zuleitungskanälen
etwas kleiner sein als der Druck p in der Druckleitung 11.
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Fig. 2 zeigt den Arbeitskolben 6 in seiner linken Endlage. Der Zylinderschieber
4 hat einen Teil der beim Abbremsen des Arbeitskolbens freiwerdenden Energie durch
Verdrängung des Ölvolumens F es in den 3 Speicher 25 der Druckleitung 11 zurückgegeben.
Der Arbeitsraum 12 wird nach Beginn des Arbeitshubes über die teilweise freigelegte
Bohrungsreihe 13 und die Ringnut 16 mit der Druckleitung 11 verbunden. Der Druck
po wirkt so einerseits auf die Fläche F1 des Arbeitskolbens 6, der seinen Arbeitshub
fortsetzt und dadurch die Bohrungsreihe 13 völlig freilegt. Andererseits wird der
Zylinderschieber 4 durch den im Arbeitsraum 12 herrschenden, auf das linke Abschlußteil
5 wirkenden Druck p völlig in seine linke Endlage gedrückt.
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O Während des Arbeitshubes wird der Arbeitskolben 6 beschleunigt.
Wenn seine hintere Kante die Bohrungsreihe 9 im Zylinderscnieber 4 abzudecken beginnt
(Fig. 3), steigt der Druck p2 im Arbeitsraum 8 über den dort bisner herrschenden
Leitungsdruck p an. Wenn dadurch die auf den Zylinderschieber 4 nach rechts wirkenden
Kräfte F3p0+F4p2 größer werden als die nach links wirkende Kraft F1.p1, beginnt
auch der Zylinderschieber den Weg in die rechte Endiage. Sobald dabei die BDhrungsreine
13 nicht mehr über die Ringnut 16 mit der Druckleitung 11, scndern über die Ringnut
14 mit der Rücklaufleitung 15 verbunden ist, sinkt der Druck im Arbeitsraum 12 stark
ab. Der Arbeitskolben 6 hat jetzt die Stellung erreicht, von der aus der Zylinderschieber
4 selbsttätig in die rechte Endlage geht, ohne weitere Bewegung
des
Arbeitskolbens. Bei der Anwendung des linearmotors als Antriebseinheit in einem
Schlagwerk muß der Arbeitskolben also seine Aufschlagebene erreicht haben.
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Fig. 4 zeigt eine andere Art der Energierückgewinnung am Ende des
Rückhubes des Arbeitskolbens 6. Zur Aufnahme der Rückhubenergie steht das Arbeitsvermogea
F 0s0p0 zur Verfügung0 Die Größe F ist durch die am Zylinderschieber 4 angreifenden
Kräfte festgelegt; den Hub s des Zylinderschiebers hält man so klein wie möglich0
Dadurch ist das Aufnahmevermögen für die Riickhubenergie begrenzt. Bei größerer
Rückhub energie ist es deshalb vorteilhaft, auch das restliche Volumen des Arbeitsraumes
12 (nach Abdecken der Bohrungsreihe 13) durch den Arbeitskolben 6 zur Energierückgewinnung
heranzuziehen. Zu diesem Zweck ist im linken Abschlußteil 5 des Zylinderschiebers
4 ein vorgespanntes Riickschlagventil 27 vorgesehen, das eine Verbindung zur Bohrung
18 und damePt zur Druckleitung 11 hin ermöglicht, wznn der durch die Bewegungsenergie
des Arbeitskolbens 6 auf dem Rückhub im Arbeitsraum 12 aufgebaute Druck p1 annähernd
gleich dem Leitungsdruck p ist. Dabei gelangt die vordere Kante des Arbeitskolbens
6 weit über die Bohrungsreihe 13 htsaus. Der Beitungsdruck könnte infolgedessen,
wenn der Arbeitskolben 6 seinen linken Umkehrpunkt erreicht hat, nicht sofort auf
die Fläche F1 einwirken. Deshalb ist das Rückschlagventil 27 als vorgespanntes Ventil
vorgesehen, damit das Drucköl über das offene Rückschlagwentil auf die Fläche F1
gelangt, auch wenn der Druck in den Arbeitsräumen 12 und 18 gleich groß ist. Der
Arbeitskolben beginnt seinen Arbeitshüb.
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Das Rückschlagventil 2T kann als Plattenventil ausgebildet sein, wobei
die bewegliche Platte 28 und der Ventilkörper 27 seitlich zueinander versetzte Bohrungen
29 bzw. 30 aufweisen, die in der linken (gezeichneten) Endlage der Platte über weitere
Bohrungen 31 im linken
Abschlußteil 5 eine Verbindung mit der Bohrung
18 und der Druckleitung 11 zulassen, während in der rechten Endlage der Platte 28
die Bohrungen 29 und 30 abgedeckt sind. Eine Druckfeder 32 sorgt für eine Vorspannung,
durch die das Ventil schon öffnet, wenn der Druck p1 im Arbeitsraum 12 noch kleiner
ist als der Leitungsdruck p auf der Fläche F3 des linken Abschlußteils 5.