DE2355157C3 - Hydraulische Servomotoranlage - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Servomotoran'iage mit wenigstens einem einen Differentialkolben aufweisenden Arbeitszylinder und einer Druckmittclpumpe, wobei die größere Wirkfläche des Differentialkolbens dem Arbeitshub und die kleinere Wirkfläche dieses Kolbens dem Rückhub zugeordnet sind, um eine Riirklniiigpsrhwinrligkeil dos Difforonliülkolhens /11 erhalten, die größer ist als dessen Vorlaufgeschwindigkeit.

Derartige Servomotoranlagen werden zur Erzeugung von Hubbewegungen, Stellbewegungen in Anlagen aller Art, wo eine besonders gleichförmige Geschwindigkeit gefordert wird, insbesondere aber zur Erzeugung von Vorschubbewegungen oder Schnittbewegungen in Werkzeugmaschinen eingesetzt, wobei der die Kolben-Ringfiäche während des Arbeitsgangs mit einem Gegendruck (Gegenhaltung) beaufschlagt ist.

Bei derartigen Zylindern ist die hydraulische Steifigkeit gegeben durch die Federeigenschaft der Druekmitlelsäulen zu beiden Seiten des Kolbens. Sie hängt ab von deren Querschnittsflächen und Längen, unter Berücksichtigung der Volumina in den Zu- und Ableitungen, und von der Kompressibilität des Druckmittels und ist demgemäß auch veränderlich mit dem Kolbenwcg. wobei zu Beginn des Arbeitsgangs der Einfluß der Druckmittelsäule auf der Kolben-Vollfläche und zu Ende des Arbeitsgangs der Einfluß der Druckmittelsäule auf der Kolben-Ringflächc überwiegt.

Bei derartigen Zylindern ist es erwünscht, daß während des Arbeitsgangs auch bei Kraftänderungen, die durch das angetriebene System verursacht werden, eine möglichst gleichförmige Geschwindigkeit beibehalten wird. Dies hängt hauptsächlich von Jer hydraulischen Steifigkeit ab. Ändert sich nämlich die an der Kolbenstange angreifende Kraft, so gibt die Feder »Druckmittelsäulen« einen Teil ihrer gespeicherten Energie ab, die Feder entspannt sich und beschleunigt das angetriebene System. Der Geschwindigkeitsanstieg führt jedoch oft zu Störungen, z. B. bei Spiralbohrcrvorschüben zum »Durchbrechen« des Bohrers, bei Schnittantrieben wie beim Stanzen oder Räumen zu Stoßen, und schließlich auch zu dynamischen Störungen wie Rattern oder Ruckgleiten. Gerade beim Bohren, Stanzen und Räumen treten diese Störungen besonders gegen Hubende des Arbeitshubs sehr nachteilig in Erscheinung. Nun läßt sich die hydraulische Steifigkeit gegen Hübende zu durch Vergrößerung der Kolben-Ringfläche (das heißt durch Verringerung des Kolbenstangendurchmessers) erhöhen, da deren Einfluß etwa von Hubmitte ab bis zum Hubende stetig zunimmt. Dies wurde aber bei bekannten Ausführungen entweder mit Geschwindigkeitsvcrlust beim Rücklauf oder mit dem Einsat/ zusätzlicher Rücklaufpumpcn erkauft, deren Motor bei den kurzen Arbeitszyklen nicht abgeschaltet werden kann, und deren hydraulische Abschaltung (»druckloses Umwälzen« des Druckmittels) große Ventile und durch unvermeidbare Veniil-Druckverlusic erheblichen Anstieg der Temperatur im Hydraulik-Kreislauf bewirkt, was den Einsatz größerer Hydraulikbehälter oder zusätzlicher Kühlcinrichlungen erfordert. Oder der gesamte Zylindcrquerschnitt muß vergrößert werden, was den Gesamtaufwand noch mehr erhöht.

Literatur: F i η d e i s e η , F., »Ölhydraulik in Theorie und Anwendung«, S. 48 und S. 255. 2. Aufl. l%8, Schweizer Verlagshaus Zürich,

Nikolaus, H., »Zur Antriebssteiligkeit hydrostatischer Antriebe«, »Werkzeugmaschine international«, jg. 1972,Nr. 2, April 1972,

Schweitzer, K., »Dynamische Untersuchungen beim Innenräumen«, S. 32 und S. 43, Diss. Univ. Karlsruhe, 1971,

Nikolaus, H., »Steifigkeit von Zylinderantrieben mit Drosselregelung...«. »Hydraulik-Forum«, Werkszeitschrift der Fa. Vickcrs GmbH, Bad Homburg,

Es liegt die Aufgabe vor. die eingangs unirissene .Servomotoranlage in der Weise zu verbessern, daß die hydraulische Steifigkeit zwischen Hubmkte und Hubende vergrößert wird ohne den Einsatz größerer Pumpen und ohne Ceschwindigkeiisverlust beim Eilrückgang.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dall an dem der kleineren Kolbenfläche anliegenden Raum des Arbeitsz.ylinders ein hydraulischer Mcngenübersetzer über ein zu diesem Raum hin öffnendes Rückschlagventil angeschlossen ist, welcher Mengenübersetzer einen Diffcrentialkolben aufweist, dessen der kleineren Wirklläche anliegender Raum zur Erzeugung des Rücklaufhubs mit der Pumpe verbindbar ist, und daß parallel zum Rückschlagventil ein Gcgenhalteventil geschaltet ist. über das während des Arbciilshubs der der kleineren Wirkfläche des Diffcrentialkolbens des Arbeitsz.ylinders anliegende Raum mit dem der größeren Wirkfläche des Differentialkolbens, des Mcngenüberseizers anliegenden Raum verbunden ist.

Während des Arbeitsgangs wird der von der vergrößerten Kolben-Ringfläche verdrängte Druckmiticlsirom über das Gcgenhalteventil in den Mengenübersetz.er geführt. Da im Gegenhalteventil ohnehin eine Drosselung im Sin. >■ eines Energieverlusis vo-gesehen ist, müssen die größeren durchfließenden Ment en nicht unbedingt zu einer proportionalen Ventilvergrößerung führen. Im Gegenteil ist eine größere Durchflußmenge günstig für den dynamisch ruhigen Lauf des Ventils. Besonders vorteilhaft ist. daß der Energieverlust im Ventil sich nicht erhöht, da bei gleichbleibender Gegenhaltckraft das Produkt Druck mal Druckmittelmenge konstant bleibt. Die Gegenhaltcfunktion kann auch in bekannter Weise durch einen ungesteuerten Drosselwiderstand gebildet werden. Das hinter dem Gcgenhalleventil abströmende Druckmittel ist nahezu drucklos, da es lediglich den Kolben des Mengcnübersetz.crs zurückschiebt, dessen auf seiner Ringseite verdrängtes Druckmittel in den Tank zurückgeführt wird. Der für die hydraulische Steifigkeit schädliche? Raum des Mengenübersetzers bleibt durch Gegenhalteventil und Rückschlagventil vom Arbeitszylinder abgesperrt. Wenn diese Ventile dicht am Arbeitszylinder angeordnet werden, dann kann der Mengenübersetzer ohne Nachteile in beliebiger Entfernung vom Arbeitszylinder aufgestellt werden.

Außer den geringen Reibungsverlusten im Mengenübersetzer treten während des Arbeitsgangs keine zusätz.lichen Energieverluste auf. im Gegenteil erbringen die Dichtungen des Arbeitsz.ylinders an Kolben und Kolbenstange durch den geringeren Gegenhaltcdruck geringere Reibungsverluste.

Ähnliches gilt für den Eilrücklauf, wo die Vcrlus'e im Rückschlagventil durch entsprechende, bekannte Ausführungsarten gering gehalten werden können.

Die Vorteile der Erfindung treten besonders dort in Erscheinung, wo bisher durch die Eilrückiaufgeschwindigkeit die Größe der Pumpe bestimmt wurde, während für den Arbeitsgang die dadurch verfügbare Druckmittclmenge nicht gebraucht wurde, da durch die beschriebene erfindungsgemäße Anordnung die Pumpe nur noch für den Arbeitsgang bemessen werden muß. und die Rücklaufgeschwindigkeil durch die Wahl des Übersetzungsverhältnisses im Mcngenübersetz.er bestimmt werden kann.

Die zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung geht aus vicri LJnicransprüühcn hervor. AüSiüui'üngsijeispieie der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben:

F i g. 1 zeigt eine hydraulische Servomoloranlage mn Mengenübersetzer:

F i g. 2 zeigi einen Mengenüberselzer in einer Ausführungs Variante:

F ι g. j zeigt in einem Diagramm die A bhangigkeit der hydraulischen Steifigkeit vom dimensionslosen Hub in der Ausführung der Anlage ohne und mit Mengenübcrselzer.

Der Pumpe I folgl in bekannter Anordnung das Druckbegrenzungsventil 2 und das Wegeventil 3. Fur den Arbeitsgang fließt das Druckmittel über die Leitung

4 zum Arbeitszylinder 5 mit Kolbenstange 6 und Differentialkolben 7. auf dessen Vollfläche die Druckmittelsäule 8 unter Arbeitsdruck lastet. Die Ringflache des Kolbens 7 treibt die Druckmiuelsäule des Ringraums 9 durch die Leitung 10, 11 zum Gegenhahc ventil 12. Das dort abfließende Druckmittel gelangt über Leitung 13, 14 in den Vollraum 15 des Mengenüberselzers 16. treibt dessen Diflerentialkolben 17 nach rechts und \ erdrängt das Druckmittel im Ringraum 18 über die Leitung 19,20 und das Wegeventil 3 in den Tank 21.

Für den Eilrücklauf lenkt das Wegeventil 3 den Druckmittelstrom über Leitung 29, 19 in den Ringraum 18 des Mengenüberset/ers 16. der über den Differential kolben 17 das Druckmittel aus dein Vollraum 15 über die Leitung 14. Rückschlagventil 22 und Leitung 10 in den Ringraum 9 des Arbeitszylinders 5 treibt. Die verdrängte Druckmiuelsäule 8 fließt über Leitung 4 zum Wegeventil 3 und in den Tank 21.

Um die Nachteile des Volumens der Leitung 4 /u mindern, ist es möglich, in bekannter Weise ein Abströmventil 23 anzuordnen, das während des I ilrücklaufs das verdrängte Druckmitte! über Leitung 24 in den Tank führt. Dann muß das Restslück der Leitung 4 nur noch für den zufließenden Druckmittelsirom bemessen werden.

Da in den Dichtungen des Arbeitszylinders 5 und des Mengenübersetzers 16 Leckverluste entstehen können, ist mittels einer bekannten Nachfülleinrichtung, z. B. Wegeventil 25. dafür zu sorgen, daß der Eilrücklauf des Arbeitszylinders mit vollem Hub ausgeführt werden kann. Dies kann durch Endschal.er 26, 27 überwacht werden. Zum Leckausgleich wird Wegeventil 3 geschlossen. 25 geöffnet, so daß Druckmittel über die Drossel 28 und Leitung 29 in die Leitung 14 fließt, bis Endschalter 26 anspricht.

Weiter können bestimmte Hubwege des Arbeitszylinders 5 auch dadurch vorgegeben werden, daß die llubwege des Mengenübersetzers 16 mittels fester oder zurückziehbarer Anschläge 30 oder mittels weiterer Endschalter 27 und Nocken 31 an dessen Kolbenstange 40 kontrolliert werden.

Eine Variante der Erfindung besteht darin, daß anstelle des Mengenübersetzers 16 zwei getrennte Zylinder 32, 33 verwendet werden, deren Kolbenstangen 34, 35 miteinander verbunden sind. Bei jedem der beiden Zylinder 32, 33 muß dann nur die Kolben-Vollflä-

fto ehe 36, 37 beaufschlagt werden, jedoch kann der Ringraum 38 auch zum Rückhub des Mengenübersetzers, oder der Ringraum 39 ajch additiv für den Arboitszylinder-Eilrücklauf mit verwendet werden. Das Diagramm F i g. 3 zeigt die Auswirkungen der

^(l5 Erfindung an einer Räummaschine. Folgende pravisnahe Annahmen wurden getroffen: Räumgesehwindigkeit

5 m/min, Eilrücklaufgeschu indigkeit 25 m/min. Erfahrungsgemäß ist fur den Arbeitszylinder 5 ein

Durchmesserverhältnis Kolben-Durchmesser /u Kolbenstangen-Durchmesser = D:d von 1 : 0,8 möglich, dies ergibt ein llächenverhältnis von

D²

D²-(0,8 X D)- ^{= 2}'⁷⁸

Die Pumpe muß für den Eilrüeklaiif bemessen werden, und die Räumgeschwindigkeit könnte bis auf 9 m/min gesteigert werden, was nicht gebraucht wird. Die hydraulische Steifigkeit c\ der Druckmiltelsäule 8 zusammen mit dem Volumen der Leitung 4 ist als Kurvenzug 50. die hydraulische Steifigkeit c« der Druckmitteisäuie 9 zusammen mit dem Volumen der Leitung IO als Kurvenzug 51 aufgetragen. Die resultierende Steifigkeit O₁I der beiden parallelgeschalteten Druckmittel-Federsäulcn ergibt den Kurvcnzug 52.

Erfindungsgemäß wird nun der Kolbenstangen-Durchmesser verringert und der Mengenübersetzer eingeführt. Es sei d = V: χ D. dies ergibt ein llächenverhältnis von

D²

D²-(0,5 x D)²

= 1,33

und eine vergrößerte Steifigkeit <.ί«. der der Kurvenzug 53 entspricht, wobei vorausgesetzt wird, daß die Ventile 12, 22 am Zylinder angebaut sind. Aus l\ und ei« ergibt sich die resultierende Steifigkeit Ct_n-, entsprechend dem Kurvenzug 54. Der gegenüber 52 viel günstigere Verlauf ist leicht zu erkennen.

Gemäß den Voraussetzungen wird die I ördermenge der Pumpe der Räuingeschw indigkeit angepaßt, also > nur noch O.b3mal so groß wie bisher. Dies ergibt eine Räumgeschwindigkeit von ">.7 m/min. Die Übersetzung im Mengenüberset/er wird 1 : 3,3. was einem Durchmesservei liältnis des Differemialkolbens 17 von 0.8 3¹) entspricht. Man wird nun natürlich gerundete Zahlenwerte für die Durchmesser wählen.

Der Druck, den die Pumpe für den Eilrüeklauf aufbringen muß, beträgt nun — ohne Reibungsverluste — das 3.3fache des Drucks ohne Mengcnüberset/.er. Da jedoch die Rücklaufkräfic gegenüber den Arbeitskräften gering sind, ist dies bedeutungslos.

Die Wirkung der Erfindung ist unabhängig von sonstigen schaltungstechnischen Einzelheiten oder von der Anordnung weiterer .Steuerungsmerkmale im Hydraulikkreislauf, z. B. mehrerer Druckstufen, Lntnahme oder Zufuhr von Druckmittel im Nebenschluß, offenem oder geschlossenem Kreislauf, Art der Pumpe usw. Die Wirksamkeit ist auch gegeben, wenn mehrere Arbeitszylinder 5 parallel arbeiten, oder wenn Arbeir,-zylindcr mit beidseitiger Kolbenslange angewandt

2s werden, sofern deren größere Kolbenfläche zur Erzeugung des Arbeitsgangs dient, oder wenn Arbeitsund Rücklajfzylinder getrennt angeordnet werden, sofern die jeweils größere Kolbenfläche (oder Flächensumme) zur Erzeugung des Arbeitsgangs dient. Auch eine der üblichen Gleichlaufeinrichtungen für mehrere Zylinder ist möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche·

   !. Hydraulische Servomotoranlage mit mindestens einem einen Differentialkolben aufweisenden Arbeitszylinder und einer Druckmittelpumpe, wobei die größere Wirkfläche des Differentialkolbens dem Arbeitshub und die kleinere Wirkfläche dieses Kolbens dem Rücklaufhub zugeordnet sind, um eine Rücklaufgeschwindigkeit des Differentialkolbens zu erhalten, die größer ist als dessen Arbeitsgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß an dem der kleineren Kolbenfläche anliegenden Raum (9) des Arbeitszylinders (5) ein hydraulischer Mengenübersetzer (16) über ein zu diesem Raum (9) hin öffnendes Rückschlagventil (22) angeschlossen ist, welcher Mengenübersetzer (16) einen Differentiaikolben (17) aufweist, dessen der kleineren Wirkfläche anliegender Raum (18) zur Erzeugung des Rücklaufhubs mit der Pumpe (1) verbindbar ist, und daß parallel zum Rückschlagventil (22) ein Gegenhalteventil (12) geschaltet ist, über das während des Arbeitshubs der der kleineren Wirkfläche des Differentialkolbens des Arbeitszylinders (5) anliegende Raum (9) mit dem der größeren Wirkfläche des Differentialkolbens (17) des Mengenübersetzers (16) anliegenden Raum (15) verbunden ist.
2. 2. Servomotoranlage nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (22) und das Gegenhalteventil (12) in einem gemeinsamen Block eingebaut sind.
3. 3. Servomotoranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (22) und das Gegenhalttventil (12) am Arbeitszylin- \5 der (5) angebaut oder in dessen Deckel eingebaut sind.
4. 4. Servomotoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Füllventil (25) zum Leckölausgleich des Arbeitszylinders(5)und des Mengenübersetzers (16) vorgesehen ist.
5. 5. Servomotoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mengenüberselzcr (16) eine Kolbenstange (40) besitzt, die mit elektrischen oder mechanischen Steuernocken (31), festen oder verstellbaren Endanschlägen (30) oder zurückziehbaren Anschlägen zur Hubsteuerung des Arbeitszylinders (5) versehen ist.
6. 6. Servomotoranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mengenübersetzer aus zwei oder mehreren, über ihre Kolbenstangen (34, 35) miteinander verbundenen Zylindern (32,33) besteht.