EP0738826B1 - Hydraulic device with differential pistons and its application to a varible thrust drive - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Stufenkolbenanordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betrieb der Stufenkolbenanordnung.The invention relates to a hydraulic Step piston arrangement according to the preamble of the claim 1, as well a procedure for operating the Step piston arrangement.

Stufenkolben sind in der hydraulischen Antriebstechnik bekannt als Kolben oder Kolbensysteme, bei denen Kolben mit unterschiedlicher Querschnittsfläche mit einer sich unter einem hydrostatischen Druck P befindenden Hydraulikflüssigkeit in Verbindung stehen. In praktischen Anwendungen wird gewöhnlich der Effekt ausgenutzt, dass die Hydraulikflüssigkeit auf Kolben mit verschiedener Querschnittsfläche A_i Kräfte F_i = P*A_i (i: Index zur Unterscheidung verschiedener Kolben) verschiedener Stärke ausübt und dass sich die Hydraulikflüssigkeit wegen ihrer geringen Kompressibilität im wesentlichen wie eine inkompressible Flüssigkeit verhält.Step pistons are known in hydraulic drive technology as pistons or piston systems, in which pistons with different cross-sectional areas are connected to a hydraulic fluid which is under a hydrostatic pressure P. In practical applications, the effect is usually exploited that the hydraulic fluid exerts forces F _i = P * A _i (i: index for distinguishing different pistons) of different strength on pistons with different cross-sectional areas A _i and that the hydraulic fluid essentially exerts itself due to its low compressibility behaves like an incompressible liquid.

Eine bekannte Anwendung eines Stufenkolbens ist eine hydraulische Übersetzung mit zwei unabhängigen, über eine Hydraulik gekoppelte Kolben mit den Querschnittsflächen A_i (i=1,2). Die Kopplung zwischen den Kolben ist eine Kraftkopplung. Die Kraftkopplung wird erzielt mit Hilfe einer mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllten Druckzelle, indem die Kolben derart auf die Hydraulikflüssigkeit einwirken, dass durch die Bewegung jedes der Kolben senkrecht zu den Querschnittsflächen in Richtung auf die Hydraulikflüssigkeit verdrängt wird. Da alle Kolben dem gleichen von der Hydraulikflüssigkeit vermittelten hydrostatischen Druck in der Druckzelle ausgesetzt sind, dient die Druckzelle der Kraftübertragung zwischen den Kolben. Bei der hydraulischen Übersetzung stehen die auf die Kolbenflächen wirkenden Kräfte im gleichen Verhältnis wie die Kolbenflächen, d. h. F₁ = F₂ *A₁/A₂, während die Verschiebungen Δs_i der Kolben senkrecht zu den Kolbenflächen im umgekehrten Verhältnis zu den Kolbenflächen stehen, d. h. Δs₁ = Δs₂ * A₂/A₁. Die hydraulische Übersetzung dient der Umwandlung von Kräften unter Erhaltung der mechanischen Energie, wobei die Hydraulik eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Kolben herstellt. Eine typische Anwendung der hydraulischen Übersetzung ist die Verstärkung von Kräften durch Übertragung einer Kraft von einem Kolben auf einen anderen Kolben mit grösserer Querschnittsfläche, z. B. in einer hydraulischen Presse.A known application of a stepped piston is a hydraulic transmission with two independent pistons, coupled via a hydraulic system, with the cross-sectional areas A _i (i = 1.2). The coupling between the pistons is a force coupling. The force coupling is achieved with the aid of a pressure cell filled with a hydraulic fluid, in that the pistons act on the hydraulic fluid in such a way that each of the pistons is displaced in the direction of the hydraulic fluid perpendicular to the cross-sectional areas. Since all pistons are exposed to the same hydrostatic pressure in the pressure cell, which is mediated by the hydraulic fluid, the pressure cell serves to transmit power between the pistons. In the hydraulic ratio, the forces acting on the piston surfaces are in the same ratio as the piston surfaces, ie F ₁ = F ₂ * A ₁ / A ₂ , while the displacements Δs _{i of} the pistons perpendicular to the piston surfaces are inversely related to the piston surfaces, ie Δs ₁ = Δs ₂ * A ₂ / A ₁ . The hydraulic ratio is used to convert forces while maintaining mechanical energy, with the hydraulics establishing a non-positive connection between the pistons. A typical application of hydraulic translation is the amplification of forces by transferring a force from one piston to another piston with a larger cross-sectional area, e.g. B. in a hydraulic press.

Eine andere bekannte Applikation von Stufenkolben ist ein Antrieb mit einer variablen Schubkraft, wobei zur Erzeugung der Schubkraft eine Hydraulikflüssigkeit dient, die unter einem vorgegebenen Druck P steht. Die variable Schubkraft wird z. B. dadurch erzielt, dass mehrere Kolben mit unterschiedlicher Querschnittsfläche starr miteinander verkoppelt werden und nacheinander verschiedene Kolbenflächen mit der Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt werden bzw. wieder von der Hydraulikflüssigkeit entkoppelt werden. Nach diesem Prinzip arbeitet z. B. der Antrieb für ein Auslassventil einer Brennkraftmaschine gemäss EP-A2-0 075 472: die Stellung des offenbarten Auslassventils wird kontrolliert mittels zweier starr mit seiner beweglichen Ventilnadel gekoppelten, hydraulisch angetriebenen Kolben, wobei ein kleinerer Kolben verwendet wird, um das Ventil gegen den nach dem Entweichen der Verbrennungsgase relativ geringen Gasdruck im Brennraum der Brennkraftmaschine zu schliessen, und ein grösserer Kolben verwendet wird, um das Ventil gegen den während eines Verbrennungszyklus entstehenden, relativ grossen Gasdruck geschlossen zu halten.Another known application of step piston is a Drive with a variable thrust, being used to generate the thrust is a hydraulic fluid that is under is a predetermined pressure P. The variable thrust z. B. achieved by using several pistons different cross-sectional area rigid with each other be coupled and successively different Hydraulic fluid is applied to piston surfaces are or decoupled from the hydraulic fluid become. According to this principle, z. B. the drive for an exhaust valve of an internal combustion engine according to EP-A2-0 075 472: the position of the disclosed exhaust valve will controlled by means of two rigid with its mobile Valve needle coupled, hydraulically driven pistons, where a smaller piston is used to control the valve against the relative after the escape of the combustion gases low gas pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine close, and a larger piston is used to achieve this Valve against that during a combustion cycle emerging, relatively large gas pressure closed hold.

Diese Nutzung eines Stufenkolbens zur Erzeugung einer variablen Schubkraft hat den Nachteil, dass die Veränderung der Schubkraft mit einer komplexen hydraulischen Steuerung erreicht wird. Für jeden einzelnen Kolben ist nämlich eine gesonderte Druckzelle für die Hydraulikflüssigkeit, die die Kraft auf den Kolben bewirkt, und für jede Druckzelle eine aktive Ansteuerung, die den Druck in der Druckzelle geeignet einstellt, vorgesehen.This use a stepped piston to generate a variable thrust has the disadvantage that the change the thrust with a complex hydraulic control is achieved. There is one for each individual piston separate pressure cell for the hydraulic fluid that the Force on the piston and one for each pressure cell active control, the pressure in the pressure cell suitably adjusted, provided.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine hydraulische Stufenkolbenanordnung mit einer vereinfachten Steuerung zur Umsetzung einer beliebigen Kraft in eine zeitlich variable Kraft, einen Antrieb auf der Basis dieser Stufenkolbenanordnung, ein Verfahren zum Betrieb dieses Antriebs und ein mit dem Antrieb betätigtes Ventil einer Brennkraftmaschine zu schaffen.The invention seeks to remedy this. The invention, as characterized in the claims, solves the Task, a hydraulic step piston assembly with a simplified control to implement any Force into a time variable force, a drive on the basis of this step piston arrangement, a method for Operation of this drive and one operated with the drive To create valve of an internal combustion engine.

Eine erfindungsgemässe hydraulische Stufenkolbenanordnung enthält zwei geführte Kolben unterschiedlichen Querschnitts, welche Kolben sich in einer Stellung an ihren Stirnflächen berühren, eine mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllte Druckzelle zur Kraftübertragung zwischen den beiden Kolben und Mittel zur Veränderung der Menge der Hydraulikflüssigkeit in der Druckzelle. Die Menge der Hydraulikflüssigkeit in der Druckzelle ist dabei so veränderbar, dass die beiden Kolben auf einem ersten Teilstück ihrer Bewegung in Berührung bleiben und auf einem zweiten Teilstück ihrer Bewegung als hydraulische Übersetzung wirken.A hydraulic step piston arrangement according to the invention contains two guided Pistons of different cross-section, which pistons themselves touch in one position on their end faces, one with a hydraulic fluid filled pressure cell for Power transmission between the two pistons and means for Change in the amount of hydraulic fluid in the Pressure cell. The amount of hydraulic fluid in the The pressure cell can be changed so that the two pistons touching on a first section of their movement remain and as a second section of their movement act hydraulic translation.

Durch Veränderung der Menge der Hydraulikflüssigkeit in der Druckzelle während des Vorschubs eines Kolbens in Richtung auf die Hydraulikflüssigkeit wird die Kraftübertragung auf den zweiten Kolben kontrolliert modifiziert.By changing the amount of hydraulic fluid in the Pressure cell during the advance of a piston in the direction the power transmission is applied to the hydraulic fluid modified the second piston controlled.

Beispielsweise kann diese Anordnung so betrieben werden, dass sie beim Vorschub eine vorgegebene Kraft auf einen ersten Kolben in eine Kraft auf einen zweiten Kolben umwandelt, deren Stärke auf zwei verschiedenen Teilstücken der Bewegung verschieden ist, wobei die Änderung der Kraft erzielt wird durch eine von einer Steuervorrichtung kontrollierten Umschaltung der Art der Kopplung zwischen den beiden Kolben von einer formschlüssigen Kopplung, bei der die Kraft auf den ersten Kolben im wesentlichen vollständig auf den zweiten Kolben übertragen wird, auf eine kraftschlüssige Kopplung in Form einer hydraulischen Übersetzung, wobei die Querschnittsflächen der beiden Kolben bestimmen, um welchen Faktor modifiziert die Kraft vom ersten auf den zweiten Kolben übertragen wird. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Steuervorrichtung ohne Elemente realisiert werden kann, die durch geeignete Steuerbefehle gesondert aktiviert werden müssen. Vielmehr bestimmt in einer Ausführungsform der Steuervorrichtung allein die Position eines Kolbens über den Charakter der Kraftübertragung zwischen den beiden Kolben. Ein weiterer Vorteil dieses Prinzips liegt in der Möglichkeit, Kaskaden aus mehr als 2 unabhängig bewegbarer Kolben aneinander zu koppeln. So kann im Prinzip ein Antrieb geschaffen werden, bei dem ohne weitere aktive Steuerelemente eine Kraft während des Vorschubs in eine Kraft mit beliebig vielen diskreten, von der Position eines Kolbens abhängigen Werten umgewandelt wird.For example, this arrangement can be operated that they exert a predetermined force on you when feeding first piston into a force on a second piston converts their strength on two different sections the movement is different, the change in force is achieved by one of a control device controlled switching of the type of coupling between the two pistons from a positive coupling, at which is essentially the force on the first piston is completely transferred to the second piston a frictional coupling in the form of a hydraulic Translation, the cross-sectional areas of the two Pistons determine the factor by which the force is modified is transferred from the first to the second piston. On Advantage of the invention is that Control device can be realized without elements that be activated separately by suitable control commands have to. Rather, in one embodiment, the Control device alone the position of a piston the character of the power transmission between the two Piston. Another advantage of this principle is that Possibility of cascades from more than 2 independently movable Coupling pistons together. So in principle one can Drive to be created with no further active Controls a force while feeding into one Force with any number of discrete, from the position of one Piston dependent values is converted.

Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert anhand der folgenden Figuren. Es zeigen:

FIG. 1A-C

Längsschnitt durch einen Antrieb mit hydraulischer Stufenkolbenanordnung während des Vorschubs,

FIG. 1D

Längsschnitt durch einen Antrieb mit hydraulischer Stufenkolbenanordnung während der Rückwärtsbewegung in die Ausgangsposition,

FIG. 2A-C

Längsschnitt durch einen Antrieb mit hydraulischer Stufenkolbenanordnung während des Vorschubs wie in FIG. 1A-C, jedoch mit hydraulischer Kraftübertragung auf den grossen Kolben,

FIG. 2D

Längsschnitt durch einen Antrieb mit hydraulischer Stufenkolbenanordnung während der Rückwärtsbewegung in die Ausgangsposition wie in FIG. 1D, jedoch mit hydraulischer Kraftübertragung auf den grossen Kolben.

In the following, embodiments of the present invention are explained in detail with reference to the following figures. Show it:

FIG. 1A-C

Longitudinal section through a drive with hydraulic stepped piston arrangement during the feed,

FIG. 1D

Longitudinal section through a drive with a hydraulic stepped piston arrangement during the backward movement into the starting position,

FIG. 2A-C

Longitudinal section through a drive with hydraulic stepped piston arrangement during the feed as in FIG. 1A-C, but with hydraulic power transmission to the large pistons,

FIG. 2D

Longitudinal section through a drive with a hydraulic stepped piston arrangement during the backward movement into the starting position as in FIG. 1D, but with hydraulic power transmission to the large pistons.

Als Beispiele in den FIG. 1 und 2 werden Antriebe mit der erfindungsgemässen hydraulischen Stufenkolbenanordnung aus einem ersten und einem zweiten Kolben betrachtet, wobei der erste Kolben 9 (in FIG. 1) bzw. 10 (in FIG. 2) einen grösseren Querschnittsdurchmesser (A₁) hat als der zweite Kolben 11 (A₂) und eine Kraft F₁ auf den ersten Kolben beim Vorschub des ersten Kolbens in Richtung der Kraft F₁ umgesetzt wird in eine Kraft F₂. Die Kraft F₂ dient dazu, in einer hier nicht näher spezifizierten Anwendung einer Kraft F₃ (<F₂), die von einer nicht näher spezifizierten Vorrichtung 40 generiert wird und ihrerseits auf den zweiten Kolben wirkt, entgegenzuwirken. Indizes i=1 bzw. 2 kennzeichnen im folgenden grundsätzlich physikalische Grössen, die sich auf den ersten bzw. zweiten Kolben beziehen.As examples in FIGS. 1 and 2, drives with the hydraulic stepped piston arrangement according to the invention consisting of a first and a second piston are considered, the first piston 9 (in FIG. 1) and 10 (in FIG. 2) having a larger cross-sectional diameter (A ₁ ) than the second Piston 11 (A ₂ ) and a force F ₁ on the first piston when the first piston is fed in the direction of the force F _{1 is} converted into a force F ₂ . The force F ₂ serves to counteract a force F ₃ (<F ₂ ), which is generated by an unspecified device 40 and which in turn acts on the second piston, in an application not specified here. In the following, indices i = 1 or 2 generally designate physical quantities that relate to the first or second piston.

Die beiden Kolben in den FIG. 1 und 2 bewegen sich im wesentlichen in der gleichen Richtung und die Kopplung der beiden Kolben wird so gesteuert, dass sich auf einem ersten Teilstück der Bewegung die beiden Kolben an ihren Stirnflächen berühren. Dann ist F₁=F₂ und für die Verschiebungen Δs_i der beiden Kolben gilt Δs₁=Δs₂. Auf einem zweiten Teilstück der Bewegung wirken die beiden Kolben als hydraulische Übersetzung zusammen. Dann ist F₂=F₁*A₂/A₁ und Δs₂=Δs₁*A₁/A₂, d. h. der zweite Kolben erfährt eine reduzierte Kraft und einen vergrösserten Vorschub im Vergleich zum ersten Kolben. Solch eine Anordnung ist geeignet, einen Vorschub zu gewährleisten bei einer Gegenkraft F₃ (s. o.), die während des Vorschubs grössenordnungsmässig im Verhältnis A₂/A₁ reduziert wird.The two pistons in FIGS. 1 and 2 move essentially in the same direction and the coupling of the two pistons is controlled such that the two pistons touch on their end faces on a first part of the movement. Then F ₁ = F ₂ and for the displacements Δs _{i of} the two pistons, Δs ₁ = Δs ₂ applies. On a second section of the movement, the two pistons work together as a hydraulic transmission. Then F ₂ = F ₁ * A ₂ / A ₁ and Δs ₂ = Δs ₁ * A ₁ / A ₂ , ie the second piston experiences a reduced force and an increased feed compared to the first piston. Such an arrangement is suitable for ensuring a feed with a counterforce F ₃ (see above), which is reduced in magnitude in the ratio A ₂ / A ₁ during the feed.

Die FIG. 1A-D illustrieren das Grundprinzip der Erfindung anhand vier charakteristischer Stellungen der beiden Kolben während des Vorschubs und während der Rückbewegung der Kolben in ihre Ausgangsposition. Die FIG. 1A-D zeigen die Kolbenanordnung im Längsschnitt. Die Kolben 9, 11 weisen die Form eines geraden Zylinders (9) bzw. zweier in Richtung der Zylinderachsen aneinandergesetzter Zylinder (11) auf. Zur Führung der Kolben 9, 11 ist ein Führungsorgan 15 für die beiden Kolben vorgesehen, wobei das Führungsorgan ein erstes und ein zweites Teilsegment 15a, 15b aufweist, wobei das erste Teilsegment 15a die Bewegungsrichtung des ersten Kolben 9 und das zweite Teilsegment 15b die Bewegungsrichtung des zweiten Kolbens 11 definiert und die Teilsegmente so dimensioniert und so angeordnet sind, dass sich die beiden Kolben in einer Grundstellung an ihren Stirnflächen 9b und 11a berühren können. Die Teilsegmente 15a, 15b haben die Form von Hohlzylindern, deren Innenraum formschlüssig an den Mantel 9c bzw. 11c der Kolben 9 bzw. 11 angepasst ist, so dass das Führungsorgan 15 die Bewegungsrichtungen der Kolben parallel zu den Innenwänden der Teilsegmente, d. h. in y-Richtung, festlegt. In der speziellen Ausführungsform in FIG. 1 sind die Bewegungsrichtungen der beiden Kolben identisch.The FIG. 1A-D illustrate the basic principle of the invention based on four characteristic positions of the two pistons during the feed and during the return movement of the Pistons in their starting position. The FIG. 1A-D show the Piston arrangement in longitudinal section. The pistons 9, 11 point the shape of a straight cylinder (9) or two in Direction of the cylinder axes of connected cylinders (11). To guide the pistons 9, 11 is a Guide member 15 is provided for the two pistons, wherein the management body has a first and a second sub-segment 15a, 15b, the first sub-segment 15a Direction of movement of the first piston 9 and the second Sub-segment 15b the direction of movement of the second piston 11 defined and the sub-segments dimensioned and so are arranged so that the two pistons in one Touch the basic position on their end faces 9b and 11a can. The sub-segments 15a, 15b have the shape of Hollow cylinders, the interior of which is form-fitting to the jacket 9c and 11c of the pistons 9 and 11 is adjusted so that the Guide member 15 the directions of movement of the pistons parallel to the inner walls of the subsegments, d. H. in the y direction, specifies. In the special embodiment in FIG. 1 are the directions of movement of the two pistons identical.

FIG. 1A kennzeichnet die Grundstellung des Antriebs. In der Grundstellung befindet sich der erste Kolben 9 in einem vorgegebenen Abstand s=s_max von der Stelle, an der sich das Führungsorgan 15 an der Verbindungswand 15c zwischen den Teilsegmenten 15a und 15b verengt. Der zweite Kolben 11 ist in y-Richtung derart verschoben, dass er über einen Teil seiner Länge in das Teilsegment 15a hineinragt und mit seiner Stirnfläche 11a die Stirnfläche 9b des ersten Kolbens berührt. In der Anordnung in FIG. 1 ist das Führungsorgan 15 derart ausgestaltet, dass es zusammen mit den Stirnflächen 11a und 9b zwischen den beiden Kolben einen Hohlraum 30 abgrenzt. Dieser Hohlraum ist mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt. Für die Füllung des Hohlraums mit Hydraulikflüssigkeit ist ein Reservoir 21 vorgesehen, aus dem Hydraulikflüssigkeit über den Kanal 26 in der Nähe der Verbindungswand 15c in den Hohlraum 30 eingeleitet werden kann. Kanal 26 ist mittels konventioneller Mittel wie einem Rückschlagventil als Einwegleitung für die Hydraulikflüssigkeit eingerichtet.FIG. 1A indicates the basic position of the drive. In the basic position, the first piston 9 is at a predetermined distance s = s _max from the point at which the guide member 15 narrows on the connecting wall 15c between the sub-segments 15a and 15b. The second piston 11 is displaced in the y direction in such a way that it projects into the partial segment 15a over part of its length and its end face 11a touches the end face 9b of the first piston. In the arrangement in FIG. 1, the guide member 15 is designed such that, together with the end faces 11a and 9b, it delimits a cavity 30 between the two pistons. This cavity is filled with a hydraulic fluid. A reservoir 21 is provided for filling the cavity with hydraulic fluid, from which hydraulic fluid can be introduced into the cavity 30 via the channel 26 in the vicinity of the connecting wall 15c. Channel 26 is set up as a one-way line for the hydraulic fluid by conventional means such as a check valve.

Mittels einer konventionellen Vorrichtung 5 zur Erzeugung einer Kraft (z. B. ein mechanischer Hebel, eine Hydraulische Presse) wird eine konstante Kraft F₁ in negativer y-Richtung auf den ersten Kolben 9 erzeugt. Ohne Verdrängung der Hydraulikflüssigkeit aus dem Hohlraum 30 würden die beiden Kolben 9 und 11 als hydraulische Übersetzung wirken, die die Kraft F₁ um den Faktor A₂/A₁ (A₁: Querschnittsfläche des Hohlraums 30 senkrecht zur y-Achse im Bereich des Teilsegments 15a; A₂:
Querschnittsfläche des Hohlraums 30 senkrecht zur y-Achse im Bereich des Teilsegments 15b) reduziert in die Kraft F₂ auf den zweiten Kolben umwandelt, wobei sich die Kolben gemäss der obengenannten Gesetzmässigkeit separieren.A constant force F _{1 is} generated in the negative y direction on the first piston 9 by means of a conventional device 5 for generating a force (e.g. a mechanical lever, a hydraulic press). Without displacement of the hydraulic fluid from the cavity 30, the two pistons 9 and 11 would act as a hydraulic transmission, which would force F ₁ by the factor A ₂ / A ₁ (A ₁ : cross-sectional area of the cavity 30 perpendicular to the y-axis in the area of the partial segment 15a; A ₂ :
The cross-sectional area of the cavity 30 perpendicular to the y-axis in the region of the partial segment 15b) is converted into the force F ₂ on the second piston, the pistons separating in accordance with the above-mentioned law.

Die erfindungsgemässe gesteuerte Umschaltung zwischen einer formschlüssigen Kopplung zwischen dem ersten Kolben 9 und dem zweiten Kolben 11, wie sie in der Grundstellung gemäss FIG. 1A realisiert ist, und einer kraftschlüssigen Kopplung in Form einer hydraulischen Übersetzung wird erreicht, indem auf einem ersten Teilstück der Bewegung des ersten Kolben aus der Grundstellung in -y-Richtung eine Verdrängung der Hydraulikflüssigkeit aus dem Hohlraum 30 ermöglicht wird und auf einem zweiten Teilstück der Bewegung die Verdrängung der Hydraulikflüssigkeit aus dem Hohlraum 30 unterbunden wird. Diese gesteuerte Verdrängung sorgt dafür, dass auf dem ersten Teilstück der Bewegung die beiden Kolben an den Stirnflächen 9b und 11a in Berührung bleiben und somit die Kraft in Bewegungsrichtung vollständig vom ersten Kolben 9 auf den zweiten Kolben 11 übertragen wird, während die Wirkung der hydraulischen Übersetzung sich erst auf dem zweiten Teilstück der Bewegung entfaltet. Eine Steuervorrichtung zur Realisierung dieser gesteuerten Umschaltung zeigt die Anordnung in FIG. 1A-D. Die Wand des Führungsorgans 15 weist eine Öffnung auf, durch die Hydraulikflüssigkeit über den Kanal 25 in das Reservoir 20 verdrängt werden kann, wobei der erste Kolben 9 als Durchflusssperre für den Kanal 25 dient. Dabei ist die Öffnung in y-Richtung zwischen der Position s=s_max (FIG. 1A) und einer zweiten Grenzstellung, die den maximalen Vorschub des ersten Kolbens in -y-Richtung markiert (s=0), angeordnet. Bei dieser Konstruktion wird die Wirkung der hydraulischen Übersetzung erst in Kraft gesetzt, wenn die Mantelfläche 9c des ersten Kolbens 9 den Zufluss zum Kanal 25 und zum Reservoir 20 verschliesst. Die Positionierung und Dimensionierung der Öffnung zum Kanal 25 bestimmt somit die genannten Teilstücke der Bewegung, auf dem die beiden Kolben entweder an ihren Stirnflächen in Berührung sind (FIG. 1A und 1B) oder wie eine hydraulische Übersetzung wirken (FIG. 1C).The controlled switching according to the invention between a positive coupling between the first piston 9 and the second piston 11, as shown in the basic position according to FIG. 1A is realized, and a force-locking coupling in the form of a hydraulic transmission ratio is achieved by displacing the hydraulic fluid from the cavity 30 on a first section of the movement of the first piston from the basic position and on a second section of the Movement the displacement of the hydraulic fluid from the cavity 30 is prevented. This controlled displacement ensures that on the first part of the movement the two pistons on the end faces 9b and 11a remain in contact and thus the force in the direction of movement is completely transmitted from the first piston 9 to the second piston 11, while the effect of the hydraulic translation only unfolds on the second section of the movement. A control device for realizing this controlled switching shows the arrangement in FIG. 1A-D. The wall of the guide member 15 has an opening through which hydraulic fluid can be displaced into the reservoir 20 via the channel 25, the first piston 9 serving as a flow barrier for the channel 25. The opening in the y direction is arranged between the position s = s _max (FIG. 1A) and a second limit position, which marks the maximum advance of the first piston in the y direction (s = 0). In this construction, the effect of the hydraulic transmission is only put into effect when the outer surface 9c of the first piston 9 closes the inflow to the channel 25 and the reservoir 20. The positioning and dimensioning of the opening to the channel 25 thus determines the parts of the movement mentioned, on which the two pistons are either in contact at their end faces (FIG. 1A and 1B) or act like a hydraulic transmission (FIG. 1C).

FIG. 1D zeigt, wie der Antrieb nach erfolgtem Vorschub (z. B. gemäss FIG. 1C) wieder in seine Grundstellung gemäss FIG. 1A zurückgebracht wird. Es wird angenommen, dass die von der Vorrichtung 40 erzeugt Gegenkraft F₃ stets gross genug ist, um die Kolben nach entsprechender Verringerung der Kraft F₁ (z. B. F₁=F₂=0) wieder in ihre Grundstellung zu bewegen. Bei dieser Rückbewegung wirken die beiden Kolben zunächst als hydraulische Übersetzung für die Kraft F₃, wobei F₃ im Verhältnis A₁/A₂ verstärkt auf den ersten Kolben 9 wirkt. Gleichzeitig verringert sich der Abstand zwischen den Stirnflächen 11a und 9b der beiden Kolben, bis sich die beiden Kolben berühren. Bis zu diesem Punkt bewegen sich die beiden Kolben so, dass das Volumen des Hohlraums 30 konstant bleibt entprechend dem Volumen der eingeschlossenen Menge Hydraulikflüssigkeit. Bei einer weiteren Bewegung der Kolben in Richtung auf ihre Ausgangsposition wächst das Volumen des Hohlraums an, und die eingeschlossene Menge Hydraulikflüssigkeit reicht nicht mehr aus, um den Hohlraum 30 zu füllen. Um den Hohlraum 30 wieder zu füllen, wird die beim Vorschub verdrängte bzw. durch kleine Lecks entwichenen Mengen Hydraulikflüssigkeit ergänzt. Zu diesem Zweck fliesst Hydraulikflüssigkeit aus den Reservoiren 21 und/oder 20 in den Hohlraum 30. Der Zufluss aus dem Reservoir 20 ist erst möglich, wenn die Öffnung zum Kanal 25 von der Mantelfläche 9c des ersten Kolbens nicht mehr verdeckt wird. Der Zufluss von Hydraulikflüssigkeit aus dem Reservoir 20 bzw. 21 kann besonders einfach dadurch realisiert werden, dass Reservoir und Hohlraum als kommunizierendes System für die Hydraulikflüssigkeit ausgelegt werden, bei dem z. B. aufgrund eines Druckgefälles oder der Schwerkraft Hydraulikflüssigkeit so lange in den Hohlraum fliesst, bis dieser gefüllt ist.FIG. 1D shows how the drive returns to its basic position according to FIG. 1A is returned. It is assumed that the counterforce F ₃ generated by the device 40 is always large enough to move the pistons back into their basic position after a corresponding reduction in the force F ₁ (for example F ₁ = F ₂ = 0). During this return movement, the two pistons initially act as a hydraulic transmission for the force F ₃ , F ₃ acting more intensely on the first piston 9 in the ratio A ₁ / A ₂ . At the same time, the distance between the end faces 11a and 9b of the two pistons decreases until the two pistons touch. Up to this point the two pistons move in such a way that the volume of the cavity 30 remains constant corresponding to the volume of the enclosed quantity of hydraulic fluid. With a further movement of the pistons in the direction of their starting position, the volume of the cavity increases and the enclosed quantity of hydraulic fluid is no longer sufficient to fill the cavity 30. In order to fill the cavity 30 again, the amount of hydraulic fluid which has been displaced during the feed or has escaped through small leaks is replenished. For this purpose, hydraulic fluid flows from the reservoirs 21 and / or 20 into the cavity 30. The inflow from the reservoir 20 is only possible when the opening to the channel 25 is no longer covered by the lateral surface 9c of the first piston. The inflow of hydraulic fluid from the reservoir 20 or 21 can be realized particularly simply in that the reservoir and cavity are designed as a communicating system for the hydraulic fluid. B. due to a pressure gradient or gravity hydraulic fluid flows into the cavity until it is filled.

Bei der Anordnung in FIG. 1 ist die Position s des ersten Kolben 9, bei der die Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit aus dem Hohlraum 30 unterbunden und die hydraulische Übersetzung in Funktion gesetzt wird, festgelegt durch die Anordnung der Öffnung im Führungsorgan, die den Zugang zum Kanal 25 bildet. Die Anordnung in FIG. 1 kann leicht so modifiziert werden, dass die hydraulische Übersetzung an einer beliebigen Position s im Bereich 0<s<s_max aktiviert werden kann. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass anstelle des Kanals 25 in FIG. 1 ein Verbindungskanal zwischen dem Hohlraum 30 und dem Reservoir 20 geschaffen, welcher Kanal unabhängig von der Position s für die Hydraulikflüssigkeit im Hohlraum 30 zugänglich ist, der aber mit einem steuerbaren Ventil in Abhängigkeit von der Position s wahlweise geöffnet oder gesperrt werden kann. Auf diese Weise wird die Position s, bei der die hydraulische Übersetzung in Funktion gesetzt wird, regelbar. Eine Kanalöffnung, die unabhängig von der Position s eine Verbindung zum Hohlraum 30 ermöglicht, kann z. B. am Übergang zwischen der Verbindungswand 15c und dem Teilsegment 15b installiert werden.In the arrangement in FIG. 1 is the position s of the first piston 9, at which the displacement of hydraulic fluid from the cavity 30 is prevented and the hydraulic transmission is activated, determined by the arrangement of the opening in the guide element which forms the access to the channel 25. The arrangement in FIG. 1 can easily be modified so that the hydraulic ratio can be activated at any position s in the range 0 <s <s _max . This goal is achieved in that instead of channel 25 in FIG. 1, a connecting channel is created between the cavity 30 and the reservoir 20, which channel is accessible to the hydraulic fluid in the cavity 30 regardless of the position s, but which can be opened or blocked with a controllable valve depending on the position s. In this way, the position s at which the hydraulic transmission is activated can be regulated. A channel opening, which enables a connection to the cavity 30 regardless of the position s, z. B. be installed at the transition between the connecting wall 15c and the sub-segment 15b.

FIG. 2 zeigt eine spezielle Ausführungsform des erfindungsgemässen Antriebs in FIG. 1. Im Zusammenhang mit der Erklärung der Funktionsweise der Anordnung in Fig. 1 war es nicht relevant, die Vorrichtung 5 zur Erzeugung der Kraft F₁ näher zu spezifizieren. Die Anordnung in FIG. 2 ist eine spezielle Ausgestaltung des Antriebs in FIG. 1 derart, dass die Vorrichtung 5 als hydraulisches System ausgebildet ist.FIG. 2 shows a special embodiment of the drive according to the invention in FIG. 1. In connection with the explanation of the functioning of the arrangement in FIG. 1, it was not relevant to specify the device 5 for generating the force F _{1 in} more detail. The arrangement in FIG. 2 is a special embodiment of the drive in FIG. 1 such that the device 5 is designed as a hydraulic system.

Die spezielle Ausbildung der Vorrichtung 5 als hydraulisches System bedingt die Installation zusätzlicher Elemente am Führungsorgan 15. Weiterhin ist der erste Kolben 9 ersetzt durch einen modifizierten Kolben 10, um die Kraftübertragung auf den ersten Kolben zu ermöglichen und eine Steuerung des Bewegungsablaufs der Kolben 10, 11 zu realisieren. Insbesondere enthält die Anordnung in FIG. 2 eine hydraulische Bremsvorrichtung, die dafür sorgt, dass die Geschwindigkeit der Kolben gedrosselt wird, wenn die Position s des ersten Kolbens eine untere Grenze unterschreitet oder eine obere Grenze überschreitet; auf diese Weise wird der Aufprall der Kolben auf feststehende Begrenzungselemente gedämpft und ein verschleissarmer Betrieb des Antriebs gewährleistet.The special design of the device 5 as hydraulic system requires the installation of additional Elements on the management body 15. Furthermore, the first Piston 9 replaced by a modified piston 10 to to enable the power transmission to the first piston and a control of the movement sequence of the pistons 10, 11 to realize. In particular, the arrangement in FIG. 2 a hydraulic braking device that ensures that the speed of the pistons is throttled when the Position s of the first piston has a lower limit falls below or exceeds an upper limit; on this way the impact of the pistons on fixed Limiting elements damped and a low-wear Operation of the drive guaranteed.

In der Anordnung in FIG. 2 wird die Kraft F₁ hydraulisch übertragen als Druckkraft auf die dem zweiten Kolben 11 abgewandte Stirnfläche 10a des Kolbens 10. Als Vorrichtung zur Erzeugung der Druckkraft ist eine Druckkammer 80 eingerichtet, die von der Stirnfläche 10a des ersten Kolbens, der Wand des Teilsegments 15a und der Begrenzungswand 16 gebildet wird und der Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit dient. Die Hydraulikflüssigkeit wird unter dem Druck P₁ mittels eines Versorgungssystems, zu dem das Reservoir 60 für Hydraulikflüssigkeit und die Verbindungskanäle 53 und 51 gehören, unter Kontrolle der Steuereinheit 70 durch die Öffnung 51a zugeführt. Für die Druckkammer 80 bildet der erste Kolben 10 eine bewegliche Wand, auf die die Kraft F₁=P₁*A₁ in -y-Richtung wirkt. Zum Ablassen der Hydraulikflüssigkeit aus der Druckkammer 80 ist ein gesteuerter Abfluss vorgesehen: Ebenfalls unter Kontrolle der Steuereinheit 70 kann die Hydraulikflüssigkeit über die Verbindungskanäle 52 und 54 in ein Reservoir 61, das unter dem Innendruck P₂<P₁ steht, abfliessen. Der Zufluss bzw. Abfluss von Hydraulikflüssigkeit wird kontrolliert mit Hilfe eine Steuerventils 50, das von der Steuereinheit 70 mittels der Kommunikationsschnittstelle 71 gesteuert wird. Das Steuerventil ist ausgeführt als Schiebeventil, das entweder den Zufluss von Hydraulikflüssigkeit aus dem Reservoir 60 in die Druckkammer ermöglicht und gleichzeitig den Abfluss in das Reservoir 61 unterbindet oder umgekehrt: Zu diesem Zweck werden synchron Verbindunsglieder 50a bzw. 50b als steuerbare Verbindungen zwischen die Verbindungskanäle 53 und 51 bzw. die Verbindungskanäle 52 und 54 geschoben, wobei das Verbindungselement 50a die angeschlossenen Verbindungskanäle gegeneinander isoliert und das Verbindungselement 50b zwischen den angeschlossenen Verbindungskanälen eine offene Verbindung realisiert, die den Durchfluss von Hydraulikflüssigkeit in der in FIG. 2 durch einen Pfeil gekennzeichneten Richtung gestattet.In the arrangement in FIG. 2, the force F _{1 is} transmitted hydraulically as a pressure force to the end face 10a of the piston 10 facing away from the second piston 11. A pressure chamber 80 is set up as a device for generating the pressure force, which is formed by the end face 10a of the first piston, the wall of the partial segment 15a and the boundary wall 16 is formed and serves to hold a hydraulic fluid. The hydraulic fluid is supplied under pressure P ₁ by means of a supply system, which includes the reservoir 60 for hydraulic fluid and the connecting channels 53 and 51, under the control of the control unit 70 through the opening 51a. For the pressure chamber 80, the first piston 10 forms a movable wall, on which the force F ₁ = P ₁ * A ₁ acts in the -y direction. A controlled drain is provided for draining the hydraulic fluid from the pressure chamber 80: likewise under the control of the control unit 70, the hydraulic fluid can flow via the connecting channels 52 and 54 into a reservoir 61 which is under the internal pressure P ₂ <P ₁ . The inflow or outflow of hydraulic fluid is controlled with the aid of a control valve 50, which is controlled by the control unit 70 by means of the communication interface 71. The control valve is designed as a slide valve, which either enables the inflow of hydraulic fluid from the reservoir 60 into the pressure chamber and at the same time prevents the outflow into the reservoir 61 or vice versa: for this purpose, connecting members 50a and 50b are synchronously used as controllable connections between the connecting channels 53 and 51 or the connecting channels 52 and 54 are pushed, the connecting element 50a isolating the connected connecting channels from one another and the connecting element 50b realizing an open connection between the connected connecting channels, which the flow of hydraulic fluid in the in FIG. 2 permitted by an arrow.

Im folgenden wird die Funktionsweise des Antriebs in FIG. 2 im Detail beschrieben. Die FIG. 2A-C kennzeichnet die Stellung der Elemente des Antriebs während der Bewegung der Kolben 10, 11 aus einer Grundstellung, bei der der Abstand s einen durch die Position der Begrenzungswand 16 gegebenen Maximalwert annimmt (FIG. 2A) und sich die beiden Kolben 10 und 11 an den Stirnflächen 10b und lla berühren, in eine Endstellung (FIG. 2C), in der der Abstand s einen Minimalwert annimmt. FIG. 2D beschreibt den Antrieb während der Rückbewegung der Kolben aus der Endstellung in die Grundstellung gemäss FIG. 2A. FIG. 2C markiert eine Zwischenstellung des Antriebs, in der die Kolben 10 und 11 sich an den Stirnflächen 10b und 11a voneinander zu lösen zu beginnen, indem die hydraulische Übersetzung aktiviert wird. Die FIG. 1X und 2X (X=A, B, C, D) zeigen somit äquivalente Bewegungszustände.The operation of the drive in FIG. 2nd described in detail. The FIG. 2A-C identifies the Position of the elements of the drive during the movement of the Pistons 10, 11 from a basic position in which the distance s given by the position of the boundary wall 16 Assumes maximum value (FIG. 2A) and the two pistons 10 and 11 touch on the end faces 10b and 11a, in one End position (FIG. 2C) in which the distance s is one Assumes minimum value. FIG. 2D describes the drive during the return movement of the pistons from the end position to the Basic position according to FIG. 2A. FIG. 2C marks one Intermediate position of the drive in which the pistons 10 and 11 to separate from each other at the end faces 10b and 11a to start by activating the hydraulic translation becomes. The FIG. 1X and 2X (X = A, B, C, D) thus show equivalent states of motion.

Während der Bewegung der Kolben aus der Grundstellung in die Endstellung gelangt Hydraulikflüssigkeit aus dem Reservoir 60 in die Druckkammer 80. Das Steuerventil verbindet in diesem Stadium die Verbindungskanäle 51 und 53 und unterbindet den Abfluss von Hydraulikflüssigkeit, indem es die Verbindungskanäle 52 und 54 voneinander isoliert.During the movement of the pistons from the basic position in the end position gets hydraulic fluid from the Reservoir 60 in the pressure chamber 80. The control valve connects the connection channels 51 and 53 at this stage and prevents the outflow of hydraulic fluid by it isolates the connecting channels 52 and 54 from each other.

Um eine Steuerung des Bewegungsablaufs der beiden Kolben zu realisieren, ist eine Regulierung des Zuflusses von Hydraulikflüssigkeit in die Druckkammer 80 durch den ersten Kolben selbst vorgesehen. Um diese Regulierung zu erreichen, leitet der Verbindungskanal 51 Hydraulikflüssigkeit durch eine Öffnung 51a durch die Wand des Teilsegments 15a. Diese Öffnung 51a ist bezüglich der y-Richtung so positioniert, dass sie in der Grundstellung gemäss FIG. 2A von der Mantelfläche 10c des ersten Kolbens 10 blockiert wäre, gäbe es nicht mindestens einen speziellen Durchgangskanal, der Hydraulikflüssigkeit von der Öffnung 51a zur Druckkammer 80 leiten würde. Der Antrieb in FIG. 2 weist zwei solche Durchgangskanäle 12, 13 auf, die im ersten Kolben 10 untergebracht sind und somit mit dem Kolben relativ zu der Öffnung 51a bewegt werden. Die beiden Durchgangskanäle stellen jeweils eine Verbindung her zwischen einer Öffnung auf dem der Öffnung 51a zugewandten Teil der Mantelfläche 10c des Kolbens 10 und einer Öffnung in der Stirnfläche 10a. Die beiden Durchgangskanäle weisen unterschiedliche Querschnittsflächen auf und bieten somit unterschiedliche Strömungswiderstände für die Hydraulikflüssigkeit. Sie sind so angeordnet, dass am Anfang der Bewegung des ersten Kolben nur der Durchgangskanal 12 mit der grösseren Querschnittsfläche eine Verbindung zwischen der Öffnung 51a und der Druckkammer 80 (siehe FIG. 2C-D) herstellt. Diese Verbindung bleibt nur so lange bestehen, als während des Vorschubs des ersten Kolbens 10 die Eingangsöffnung 12a mit der Öffnung 51a überlappt. Der zweite Durchgangskanal 13 ist so eingerichtet, das er beim Vorschub des ersten Kolbens von dem Moment, von dem an die Eingangsöffnung 12a nicht mehr mit der Öffnung 51a überlappt, die Verbindung zwischen Verbindungskanal 51 und der Druckkammer 80 herstellt (FIG. 2B, C). Da der zweite Durchgangskanal 13 eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als der erste Durchgangskanal, reduziert er den Zufluss von Hydraulikflüssigkeit zu der Druckkammer 80 pro Zeiteinheit im Vergleich zur Grundstellung gemäss FIG. 2A. Da die Geschwindigkeit des ersten Kolbens beim Vorschub um so grösser ist, je grösser die pro Zeiteinheit in die Druckkammer 80 fliessende Menge Hydraulikflüssigkeit ist, wird auf diese Weise die obenerwähnte Bremswirkung erzielt, wenn die Distanz s reduziert ist auf weniger als eine bestimmte, von der Positionierung und Dimensionierung der Durchgangskanäle und der Öffnung 51a bestimmte Distanz.To control the movement of the two pistons realize is a regulation of the inflow of Hydraulic fluid into the pressure chamber 80 through the first Piston provided. To this regulation too reach, the connecting channel 51 Hydraulic fluid through an opening 51a through the wall of sub-segment 15a. This opening 51a is relative to the y direction positioned so that it is in the home position according to FIG. 2A from the outer surface 10c of the first piston 10 would be blocked if there weren't at least one special through channel, the hydraulic fluid from the opening 51a would lead to the pressure chamber 80. The Drive in FIG. 2 has two such through channels 12, 13 on, which are housed in the first piston 10 and thus are moved with the piston relative to the opening 51a. The two through channels each connect between an opening on the opening 51a facing part of the lateral surface 10c of the piston 10 and an opening in the end face 10a. The two Through channels have different Cross-sectional areas and thus offer different Flow resistances for the hydraulic fluid. they are arranged so that at the beginning of the movement of the first Piston only the passage 12 with the larger one Cross-sectional area a connection between the opening 51 a and the pressure chamber 80 (see FIG. 2C-D). This Connection only lasts as long as during the Feed the first piston 10 with the inlet opening 12a of the opening 51a overlaps. The second through channel 13 is set up so that when the first Piston from the moment at which the input opening 12a no longer overlaps the opening 51a, the connection between the connecting channel 51 and the pressure chamber 80 produces (FIG. 2B, C). Since the second through channel 13 has a smaller cross-sectional area than the first Through channel, it reduces the inflow of Hydraulic fluid to the pressure chamber 80 per unit time compared to the basic position shown in FIG. 2A. Since the Speed of the first piston when feeding is greater, the greater the per unit time in the Pressure chamber 80 is flowing amount of hydraulic fluid, the above-mentioned braking effect is achieved in this way, if the distance s is reduced to less than one certain, from the positioning and dimensioning of the Through channels and the opening 51a certain distance.

Der Zufluss von Hydraulikflüssigkeit in den Hohlraum 30 durch die Kanäle 25 und 26 und die Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit aus de Hohlraum 30 durch den Kanal 25 funktioniert beim Antrieb in FIG. 2 nach den gleichen Prinzipien wie im Fall des Antriebs in FIG. 1 abgesehen von einer konstruktiven Vereinfachung beim Antrieb in FIG. 2: Beim Antrieb in FIG. 2 sind die Kanäle 25 und 26 nicht verschiedenen Reservoiren zu geführt wie in FIG. 1 (Reservoire 20, 21), sie haben vielmehr über den Kanal 28 Verbindung zu einem gemeinsamen Reservoir 29 für die Hydraulikflüssigkeit. Da die Kanal 26 in FIG. 1 und FIG. 2 ausschliesslich dem Füllen des Hohlraums 30 mit Hydraulikflüssigkeit dient und eine Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit durch den Kanal 26 mit der Funktion des Antriebs nicht vereinbar ist, ist in FIG. 2 zwischen Kanal 26 und Kanal 28 ein Rückschlagventil 27 eingebaut. Auf diese Weise ist Kanal 26 sowohl in FIG. 1 als auch in FIG. 2 als Einwegleitung für Hydraulikflüssigkeit ausgelegt. Ein freier bidirektionaler Austausch von Hydraulikflüssigkeit zwischen dem Reservoir 29 und des Hohlraums 30 ist nur über den Kanal 25 möglich. Die Flussrichtung von Hydraulikflüssigkeit in den Kanälen 25 und 26 ist für die verschieden Stellungen des Antriebs in FIG. 2 durch Pfeile gekennzeichnet.The inflow of hydraulic fluid into the cavity 30 through channels 25 and 26 and the displacement of Hydraulic fluid from the cavity 30 through the channel 25 works with the drive in FIG. 2 after the same Principles as in the case of the drive in FIG. 1 apart from a design simplification for the drive in FIG. 2: With the drive in FIG. 2, channels 25 and 26 are not to different reservoirs as shown in FIG. 1 (Reservoirs 20, 21), they rather have channel 28 Connection to a common reservoir 29 for the Hydraulic fluid. Since channel 26 in FIG. 1 and FIG. 2nd exclusively the filling of the cavity 30 with Hydraulic fluid is used and a displacement of Hydraulic fluid through the channel 26 with the function of the drive is not compatible, is shown in FIG. 2 between Channel 26 and channel 28 installed a check valve 27. In this way, channel 26 is both in FIG. 1 as well as in FIG. 2 as a one-way line for hydraulic fluid designed. A free bidirectional exchange of Hydraulic fluid between the reservoir 29 and the Cavity 30 is only possible via the channel 25. The Flow direction of hydraulic fluid in the channels 25 and 26 is for the different positions of the actuator in FIG. 2 marked by arrows.

Bei der Rückbewegung der Kolben in die Grundstellung (FIG. 2C) ist durch das Schiebeventil 50 die Verbindung der Druckkammer 80 zum Reservoir 60 unterbrochen, während die Verbindung zum Reservoir 61 geöffnet ist, um eine Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit aus der Druckkammer 80 zu ermöglichen und die Kräfte F₁ und F₂ derart zu verkleinern, dass die Kraft F₃ die Rückbewegung bewirken kann. Der erste Kolben 10 in FIG. 2 besitzt eine Bremsvorrichtung, die die Geschwindigkeit der Kolben bei der Rückbewegung aus der Endstellung gemäss FIG. 2C in die Grundstellung gemäss FIG. 2A kurz vor Erreichen der Endstellung verlangsamt und nach einem ähnlichen Prinzip organisiert ist wie die bereits behandelte Bremsung beim Vorschub: Wie aus FIG. 2D im Vergleich mit FIG. 2A zu erkennen ist, geschieht die Abbremsung bei der Rückbewegung über eine Verringerung der pro Zeiteinheit aus der Druckkammer 80 über den Verbindungskanal 52, das geöffnete Steuerventil 50, den Verbindungskanal 54 in das Reservoir 61 verdrängten Hydraulikflüssigkeit. Am Beginn der Rückbewegung ist die Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit aus der Druckkammer 80 limitiert durch den Teil der Fläche der Durchgangsöffnung im Teilsegment 15a zwischen Druckkammer 80 und Verbindungskanal 52, der nicht von der Mantelfläche 10c des ersten Kolbens abgedeckt ist. Der Strom der Hydraulikflüssigkeit ist für diese Situation in FIG. 2D durch Pfeile im Verbindungskanal 52 dargestellt. Dieser Strom wird bei fortschreitender Rückbewegung reduziert und schliesslich unterbunden, wenn die Mantelfläche 10c die Öffnung zum Kanal 52 abdeckt. Um die Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit aus der Druckkammer 80 nicht schlagartig zu unterdrücken und somit den ersten Kolben 10 abrupt abzubremsen und statt dessen stets eine minimale, wohl definierte Verdrängung sicherzustellen, ist ein Durchgangskanal 14 im ersten Kolben 10 installiert, der die Stirnfläche 10a und die Mantelfläche 10c des ersten Kolbens 10 so verbindet, dass Hydraulikflüssigkeit über den Durchgangskanal 14 immer dann aus der Druckkammer 80 in den Verbindungskanal 52 gelangt, wenn das Volumen der Druckkammer ein vorgegebene Grenze unterschreitet und ohne einen solchen Durchgangskanal 14 der Zugang zum Verbindungskanal 52 durch den Kolben selbst versperrt wäre. Durch geeignete Dimensionierung des Querschnitts des Durchgangskanals kann die pro Zeiteinheit aus der Druckkammer 80 verdrängte Menge der Hydraulikflüssigkeit und somit die Geschwindigkeit der Kolben 10 und 11 auf dem letzten Stück der Rückbewegung in die Grundstellung des Antriebs festgelegt werden.When the pistons move back into the basic position (FIG. 2C), the connection of the pressure chamber 80 to the reservoir 60 is interrupted by the slide valve 50, while the connection to the reservoir 61 is open in order to enable displacement of hydraulic fluid from the pressure chamber 80 and the To reduce forces F ₁ and F _{2 in} such a way that force F ₃ can cause the return movement. The first piston 10 in FIG. 2 has a braking device which determines the speed of the pistons during the return movement from the end position according to FIG. 2C in the basic position according to FIG. 2A is slowed down shortly before reaching the end position and is organized according to a similar principle as the braking during feed already dealt with: As shown in FIG. 2D compared to FIG. 2A can be seen, the braking takes place during the return movement by reducing the hydraulic fluid displaced per unit of time from the pressure chamber 80 via the connecting channel 52, the opened control valve 50, the connecting channel 54 into the reservoir 61. At the beginning of the return movement, the displacement of hydraulic fluid from the pressure chamber 80 is limited by the part of the area of the passage opening in the partial segment 15a between the pressure chamber 80 and the connecting channel 52 which is not covered by the lateral surface 10c of the first piston. The flow of hydraulic fluid for this situation is shown in FIG. 2D represented by arrows in the connecting channel 52. As the return movement progresses, this current is reduced and finally prevented when the lateral surface 10c covers the opening to the channel 52. In order not to abruptly suppress the displacement of hydraulic fluid from the pressure chamber 80 and thus abruptly brake the first piston 10 and instead always ensure a minimal, well-defined displacement, a through-channel 14 is installed in the first piston 10, which has the end face 10a and the outer surface 10c of the first piston 10 connects in such a way that hydraulic fluid always passes from the pressure chamber 80 into the connection channel 52 via the passage channel 14 when the volume of the pressure chamber falls below a predetermined limit and without such a passage channel 14 the piston itself provides access to the connection channel 52 would be blocked. By suitably dimensioning the cross section of the through-channel, the amount of hydraulic fluid displaced per unit of time from the pressure chamber 80 and thus the speed of the pistons 10 and 11 on the last piece of the return movement into the basic position of the drive can be determined.

Eine naheliegende Anwendung eines Antriebs gemäss FIG. 2 ist die Betätigung eines Ventils einer Brennkraftmaschine (z. B. ein Zylindereinlass- oder -auslassventil) bei einer Gegenkraft, die sich mit der Zeit verändert. Ein Beispiel ist ein Auslassventil am Zylinder einer Brennkraftmaschine, bei dem die Ventilnadel beim Öffnen des Ventils gegen die Kraft aufgrund des im Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine herrschenden Gasdrucks und die Kraft einer Rückstellvorrichtung, die einer Verschiebung der Ventilnadel mit einer geeigneten Gegenkraft entgegenwirkt, verschoben werden muss. Beim Öffnen des Auslassventils entweichen unter hohem Druck stehende Verbrennungsgase aus dem Verbrennungsraum. Der Gasdruck nimmt dabei meist derart schnell ab, dass die Gesamtkraft F₄, die der Öffnung des Ventils entgegensteht, nämlich die Kraft aufgrund des Gasdrucks und die Kraft der Rückstellvorrichtung, während der Öffnung des Ventils stark abnimmt. Ein Antrieb, der beim Öffnen des Ventils die Ventilnadel um eine vorgegebene Distanz verschieben muss und dabei die Schubkraft angepasst an die Gesamtkraft F₄ verringert, hat eine günstigere Energiebilanz gegenüber einem Antrieb ohne eine entsprechende Anpassung der Schubkraft.An obvious application of a drive according to FIG. 2 is the actuation of a valve of an internal combustion engine (e.g. a cylinder intake or exhaust valve) with a counterforce that changes over time. An example is an exhaust valve on the cylinder of an internal combustion engine, in which the valve needle has to be displaced when the valve is opened against the force due to the gas pressure prevailing in the combustion chamber of the internal combustion engine and the force of a resetting device which counteracts a displacement of the valve needle with a suitable counterforce. When the exhaust valve is opened, high-pressure combustion gases escape from the combustion chamber. The gas pressure usually decreases so quickly that the total force F ₄ , which opposes the opening of the valve, namely the force due to the gas pressure and the force of the reset device, decreases sharply during the opening of the valve. A drive that has to move the valve needle by a predetermined distance when opening the valve and thereby reduces the thrust adapted to the total force F ₄ has a more favorable energy balance than a drive without a corresponding adjustment of the thrust.

Zur Betätigung solch einer Ventilnadel kann ein Antrieb der in FIG. 2 dargestellten Art wie folgt genutzt werden. Die Ventilnadel entspricht der Vorrichtung 40 mit F₃=F₄, wobei es nicht relevant ist, auf welche Weise die Kraft des zweiten Kolbens 11 auf die Ventilnadel übertragen wird, z. B. durch eine starre Verbindung oder durch eine kraftschlüssige Verbindung über eine Hydraulik. Um bei der Öffnung des Ventils die Ventilnadel um eine vorgegebene Distanz S_N zu verschieben, wird der Antrieb gemäss FIG. 2 nach den folgenden Kriterien eingerichtet, wobei der Distanz S_N eine Verschiebung s₂ des zweiten Kolbens 11 entspricht:

• Vorgegeben ist ein konstanter Druck P₁ im Reservoir 60 für die Hydraulikflüssigkeit. Um einen Vorschub der Ventilnadel zu gewährleisten, muss auf dem ersten Teilstück der Bewegung vor Aktivierung der hydraulischen Übersetzung F₄<F₁=F₂=P₁*A₁ sein.
• Auf dem zweiten Teilstück der Bewegung nach Aktivierung der hydraulischen Übersetzung muss F₄<F₂=F₁*A₂/A₁=P₁*A₂ sein.
• Um den Energieverbrauch des Antriebs zu optimieren, soll die Strecke, um die der erste Kolben 10 bewegt werden muss, um den Vorschub der Ventilnadel um die Distanz S_N zu realisieren, minimal sein. Dadurch wird die Menge Hydraulikflüssigkeit, die in die Druckkammer 80 befördert werden muss, minimiert.
• Um das Ventil zu schliessen, wird das Steuerventil 50 gemäss FIG. 2D geschaltet. F₄ muss gross genug sein, um die Kolben wieder in ihre Grundstellung zu befördern. Sollte der Gasdruck dazu nicht ausreichen, dann lässt sich die fehlende Kraft immer aufbringen durch eine geeignete Gestaltung der genannten Rückstellvorrichtung mit konventionellen Mitteln, z. B. durch Installation einer geeignet vorgespannten Luftfeder.

A drive of the type shown in FIG. 2 shown type can be used as follows. The valve needle corresponds to the device 40 with F ₃ = F ₄ , it being irrelevant how the force of the second piston 11 is transmitted to the valve needle, e.g. B. by a rigid connection or by a non-positive connection via a hydraulic system. In order to move the valve needle by a predetermined distance S _N when the valve opens, the drive according to FIG. 2 set up according to the following criteria, the distance S _N corresponding to a displacement s _{2 of} the second piston 11:

• A constant pressure P ₁ in the reservoir 60 for the hydraulic fluid is specified. In order to ensure that the valve needle is advanced, the first section of the movement before activation of the hydraulic transmission must be F ₄ <F ₁ = F ₂ = P ₁ * A ₁ .
• On the second part of the movement after activation of the hydraulic transmission, F ₄ <F ₂ = F ₁ * A ₂ / A ₁ = P ₁ * A _{2 must} be.
• In order to optimize the energy consumption of the drive, the distance by which the first piston 10 must be moved in order to feed the valve needle by the distance S _N should be minimal. This minimizes the amount of hydraulic fluid that must be delivered to the pressure chamber 80.
• In order to close the valve, the control valve 50 according to FIG. 2D switched. F ₄ must be large enough to return the pistons to their basic position. If the gas pressure is not sufficient for this, then the missing force can always be applied by a suitable design of the reset device mentioned using conventional means, eg. B. by installing a suitably preloaded air spring.

Wegen des dritten Kriteriums sollte das erste Teilstück der Bewegung möglichst kurz und das Verhältnis A₂/A₁ möglichst klein sein unter der Nebenbedingung, dass die in den beiden ersten Kriterien genannten Beziehungen für die Kräfte F₄ und F₂ erfüllt sind. Die Erfüllung dieser Nebenbedingung ist naheliegend, wenn konkrete Angaben für F₄ als Funktion der Zeit und der Position der Ventilnadel vorgegeben sind.Because of the third criterion, the first part of the movement should be as short as possible and the ratio A ₂ / A ₁ should be as small as possible, provided that the relationships for the forces F ₄ and F ₂ mentioned in the first two criteria are met. The fulfillment of this secondary condition is obvious if specific information for F _{4 is given} as a function of the time and the position of the valve needle.

Die genannten speziellen Ausführungsformen des erfindungsgemässen Antriebs können auf verschiedene Weise modifiziert werden. Im Falle des Antriebs gemäss FIG. 2 kann die Hydraulikflüssigkeit zur Erzeugung der Kraft F₁ durch ein beliebiges druckübertragendes Medium, z. B. ein Gas, ersetzt werden. Weiterhin müssen die Kolben nicht notwendigerweise die gleichen Bewegungsrichtungen haben. Allerdings wäre dann bezüglich der Kraftübertragung zwischen den Kolben während des Teils der Bewegung, bei dem sich die Kolben an ihren Stirnflächen 10b und lla berühren, zu berücksichtigen, dass eine Komponente der Kraft, die auf den zweiten Kolben wirkt, vom Teilsegment 15b aufgenommen wird. Die genannten Beziehungen für F₁ und F₂ wären entsprechend zu modifizieren. Weiterhin können die Antriebe in FIG. 1 und FIG. 2 auch invers betrieben werden, nämlich derart, das die Kraft F₃ auf den kleineren Kolben umgesetzt wird in eine Kraft auf den grösseren Kolben (wobei F₂=0), wobei die Kolben wiederum über einen Teil der Bewegung wie eine hydraulische Übersetzung wirken und sich über einen anderen Teil der Bewegung an ihren Stirnflächen 9b bzw. 10b und 11a berühren, wodurch die hydraulische Übersetzung deaktiviert wird. In diesem Fall würden sich im Gegensatz zu der Anordnung in FIG. 1 und 2 die Kolben in einer Anfangsstellung an ihren Stirnflächen nicht berühren und während des ersten Teilstücks der Bewegung wäre die Menge Hydraulikflüssigkeit im Hohlrum 30 konstant. Weiterhin kann man eine Kaskade aus drei und mehr Kolben durch Erweiterung der diskutierten Antriebe aufbauen, indem man jeweils zwei Kolben mit den obengenannten konstruktiven Mitteln z. B. gemäss FIG. 1 oder 2 aneinanderkoppelt.The specified special embodiments of the drive according to the invention can be modified in various ways. In the case of the drive according to FIG. 2, the hydraulic fluid for generating the force F ₁ by any pressure-transmitting medium, for. B. a gas to be replaced. Furthermore, the pistons do not necessarily have to have the same directions of movement. However, with regard to the force transmission between the pistons during the part of the movement in which the pistons touch at their end faces 10b and 11a, it should then be taken into account that a component of the force acting on the second piston is absorbed by the sub-segment 15b. The relationships mentioned for F ₁ and F ₂ would have to be modified accordingly. Furthermore, the drives in FIG. 1 and FIG. 2 can also be operated inversely, namely in such a way that the force F ₃ on the smaller piston is converted into a force on the larger piston (where F ₂ = 0), the pistons in turn acting as a hydraulic transmission over part of the movement and touch each other on their end faces 9b or 10b and 11a via another part of the movement, as a result of which the hydraulic transmission is deactivated. In this case, in contrast to the arrangement in FIG. 1 and 2 do not touch the pistons on their end faces in an initial position and during the first part of the movement the amount of hydraulic fluid in the cavity 30 would be constant. Furthermore, you can build a cascade of three and more pistons by expanding the drives discussed, by using two pistons with the above-mentioned design means such. B. according to FIG. 1 or 2 coupled together.

Der Kern der Erfindung kann wie folgt zusammengefasst werden:The essence of the invention can be summarized as follows become:

Die erfindungsgemässe hydraulische Stufenkolbenanordnung besitzt zwei geführten Kolben (9, 10, 11) unterschiedlichen Querschnitts, wobei die Kolben sich in einer Stellung an ihren Stirnflächen (9b, 10b, 11a) berühren, eine mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllten Druckzelle (30, 15a-c) zur Kraftübertragung zwischen den beiden Kolben, und Mittel (25, 20) zur Veränderung der Menge der Hydraulikflüssigkeit in der Druckzelle. Die Menge Hydraulikflüssigkeit wird dadurch verändert, dass Hydraulikflüssigkeit durch einen mit der Druckzelle verbundenen Kanal (25) verdrängt werden kann und der Durchfluss von Hydraulikflüssigkeit durch den Kanal gesteuert wird, indem einer der Kolben (9, 10) bei einer Verschiebung um eine vorgegebene Strecke den Zugang von Hydraulikflüssigkeit zum Kanal (25) nur auf einem Teil der Strecke versperrt. Durch die Steuerung der Menge der Hydraulikflüssigkeit während der Bewegung der Kolben kann die durch die Druckzelle vermittelte Kraftübertragung zwischen den beiden Kolben gesteuert werden und eine konstante Kraft auf einen der Kolben in eine variable Kraft auf den zweiten Kolben umgesetzt werden, wobei die Kolben sich während eines Teils der Bewegung an ihren Stirnflächen (9b, 10b, 11a) berühren und während eines anderen Teils wie eine hydraulische Übersetzung für die an den Kolben angreifenden Kräfte wirken.The hydraulic step piston arrangement according to the invention has two guided pistons (9, 10, 11) different Cross-section, with the pistons in one position touch their end faces (9b, 10b, 11a), one with a Hydraulic fluid-filled pressure cell (30, 15a-c) for Power transmission between the two pistons, and means (25, 20) to change the amount of hydraulic fluid in the pressure cell. The amount of hydraulic fluid becomes changed by hydraulic fluid through a channel (25) connected to the pressure cell are displaced can and the flow of hydraulic fluid through the Channel is controlled by one of the pistons (9, 10) a shift by a predetermined distance of hydraulic fluid to the channel (25) only in one part blocked the route. By controlling the amount of Hydraulic fluid during the movement of the pistons can the power transmission mediated by the pressure cell be controlled between the two pistons and one constant force on one of the pistons into a variable force be implemented on the second piston, the pistons during part of the movement on their end faces Touch (9b, 10b, 11a) and during another part like a hydraulic ratio for those on the pistons attacking forces.

Claims (13)

1. Hydraulic stepped piston arrangement having two guided pistons (9, 10, 11) of which the first piston (9, 10) has a larger cross-section than the second piston (11), which pistons contact one another at their end faces (9b, lOb, 1 la) in one position, and having a pressure cell (30, 15a-c) filled with a hydraulic fluid for the transmission of force between the two pistons, as well as means (25, 20) for changing the quantity of the hydraulic fluid in the pressure cell, which means (25, 20) enable, in a first portion of the movement of the two pistons (9, 10, 11), the displacement of hydraulic fluid out of the pressure cell (30, 15a-c) and the inflow of hydraulic fluid into the pressure cell (30, 15a-c) respectively, so that the two pistons (9, 10; 11) remain in contact over this first portion of their movement, and which means prevent the respective displacement or supply of hydraulic fluid out of or into the pressure cell (30, 15a-c) respectively on a second portion of the movement of the two pistons (9, 10, 11) so that the two pistons (9, 10, 11) act on this second portion as a hydraulic multiplier, the ratio of which is determined by the said different cross-sections of the two pistons (9, 10, 11).
2. Stepped piston arrangement in accordance with claim 1, characterised in that the means comprise a throughgoing passage (25) for the hydraulic fluid connected to the pressure source and a device (9, 10) for the controlling of the flow of the hydraulic fluid through the passage.
3. Stepped piston arrangement in accordance with claim 2, characterised in that one of the pistons (9, 10) is part of the device and on displacement over a predetermined path blocks the access of hydraulic fluid to the passage (25) only over a part of the path.
4. Stepped piston arrangement in accordance with one of the claims 2 to 3, characterised in that the passage (25) is connected to a reservoir for the hydraulic fluid.
5. Stepped piston arrangement in accordance with one of the claims 1 to 4, characterised by a device (5) for producing a force on one of the pistons (9, 10) in the direction towards the other piston (11).
6. Stepped piston arrangement in accordance with claim 5, characterised in that a device for the transmission of a pressure force onto an end face (10a) of the one of the pistons belongs to the means (5) for producing a force onto the one of the pistons, which device contains a pressure chamber (80) and a supply system (50, 51, 53) for the introduction of a pressure medium out of a reservoir (60) into the pressure chamber (80), with the one of the pistons (10) forming a movable wall of the pressure chamber.
7. Stepped piston arrangement in accordance with claim 6, characterised in that a plurality of through-passages (12, 13) for the pressure medium in the one of the pistons (10) belongs to the supply system, said through-passages standing in communication (12b) with the pressure chamber (18) and having an opening (12a) at the side surface (10c) of the one of the pistons (10), with the openings being connected to the reservoir (60) for the introduction of the pressure medium into the pressure chamber (80) in different regions for different through-passages (12, 13) for the position of the one of the pistons (10)
8. Stepped piston arrangement in accordance with claim 7, characterised in that the through-passages are arranged such that the flow resistances of the flow passages (12, 13) grow in the sequence in which the through-passages are connected one after the other to the reservoir (60) for the introduction of the pressure medium into the pressure chamber (80) on a displacement of the one of the pistons (10) as a result of the action of the force (5).
9. Stepped piston arrangement in accordance with one of the claims 6 to 8, characterised in that means (61, 54, 52, 50) are present for the taking up of hydraulic fluid which is displaced out of the pressure chamber (80) on a reduction of its volume by displacement of the one of the pistons (10), with the displaced hydraulic fluid flowing through a passage (40) in the one of the pistons (10) when the volume falls below a predetermined lower limit.
10. Valve for a combustion engine having a stepped piston arrangement in accordance with one of the claims 5 to 9.
11. Combustion engine having a valve, in particular a cylinder inlet valve or cylinder outlet valve in accordance with claim 10.
12. Method of operating a stepped piston arrangement in accordance with claim 5, characterised in that

    the two pistons (9, 10, 11) contact one another at their end faces (9b, 10b, 11a) in an initial position,

    the piston with the larger cross-sectional area is moved by means of the device (5) for the production of a force, and

    during its movement the quantity of hydraulic fluid in the pressure cell (30, 15a-c) is initially reduced and subsequently kept constant.
13. Method of operating a stepped piston arrangement in accordance with claim 5, characterised in that

    the two pistons (9, 10, 11) do not contact one another at their end faces (9b, 10b, 11a) in an initial position,

    the piston with the smaller cross-sectional area is moved by means of the device (5) for the production of a force, and

    during its movement the quantity of hydraulic fluid in the pressure cell (30, 15a-c) is first constant and is increased after contact of the two pistons (9, 10, 11) at their end faces (9b, 10b, 11a).

Images