Beiträge zur Entwicklung hydraulischer Linearantriebe mit hoher Steifigkeit

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1 Abgeschlssene Diplmarbeit Beiträge zur Entwicklung hydraulischer Linearantriebe mit hher Steifigkeit Bearbeiter: Brun Lindenberger Kurzfassung der Diplmarbeit vn Brun Lindenberger (Oktber 1997) 1. Mtivatin Wird ein unbelasteter, weit ausgefahrener hydraulischer Stellzylinder sprungartig belastet, s kmmt es zu einer unerwünschten Bewegung des Systems analg einer gedämpften Schwingung. Ein Vergleich des mittleren Kmpressinsmduls K vn Hydrauliköl mit dem Elastizitätsmdul E vn Stahl zeigt, daß Hydrauliköl etwa 130fach weicher ist als Stahl. Analg der mechanischen Steifigkeit eines Stabes lässt sich mit der Klbenfläche A, dem Kmpressinsmdul K und der Länge der Ölsäule im Zylinder l Öl die hydraulische Steifigkeit definieren. Da die Klbenfläche A aus Gründen des Wirkungsgrades nur s grß gewählt werden sll, dass bei gegebenem Druck die benötigte maximale Kraft erreicht wird, und da der Kmpressinsmdul K näherungsweise als knstant angesehen werden kann, lässt sich die hydraulische Steifigkeit nur über die Länge der Ölsäule beeinflussen. Die gefrderte hhe hydraulische Steifigkeit kann smit durch einen sehr geringen Klbenhub erreicht werden. Für einen grßen Stellweg ist die Summe vieler kleiner Klbenhübe der Schritte ntwendig. Diese Idee meines Betreuers Prfessr Dr. Rudlf Scheidl eines hydraulischen Linearantriebes, der nur kleine durch Druckimpulse gesteuerte Schritte ausführt, wird in Analgie zur Elektrtechnik als hydraulischer Schrittmtr bezeichnet. INSTITUTE OF MACHINE DESIGN AND HYDRAULIC DRIVES JOHANNES KEPLER UNIVERSITY LINZ

2 2. Aufgabenbeschreibung Die Aufgabe dieser Diplmarbeit ist es für den hydraulischen Schrittmtr ausgewählte Grundlagen zu erarbeiten, die Eignung einer Membran als leckagefreies Dichtelement zu untersuchen, für das wesentlichste Bauelement die steuerbare Klben- Klbenstange-Verbindung eine Lösung zu finden und einen hydraulischen Schaltplan zu erstellen. 3. Prinzip des hydraulischen Schrittmtrs Auf einer durchgehenden Klbenstange befinden sich mindestens zwei vneinander unabhängig wirkende Klben in einem massiven Zylindergehäuse mit getrennten Kammern. Über eine Klbenstange und der Lagerung des Zylindergehäuses erflgt die Kraftübertragung nach außen. Um Biegemmente an der Klbenstange zu vermeiden, sll das Zylindergehäuse durch beidseitige Lagerzapfen gelagert werden, ähnlich einem Kreuzgelenk. Während ein Klben den Arbeitshub ausführt, abslviert der andere Klben den Rückhub. Es werden smit mindestens zwei vneinander unabhängig wirkende der entsprechend miteinander gekppelte Klben benötigt. Jener Klben, der gerade den Arbeitshub ausführt, muss mit der Klbenstange eine feste Verbindung bilden, während am anderen Klben beim Rückhub keine Verbindung, vrliegt. Dieses erfrdert eine leicht lösbare Klben-Klbenstange-Verbindung, welche sich sehr genau steuern lässt und einen Betrieb in beide Richtungen ermöglicht. Das Prinzip eines hydraulischen Schrittmtrs mit Klbenklemmung und hydraulischer Klbenrückstellung und die typischen Schaltverläufe der Wegeventile über der Zeit t sind in Bild 1 dargestellt. Die Schaltstellung 1 bedeutet die linke Psitin, die Schaltstellung 0 die Mittellage und die Schaltstellung -1 die rechte Schaltpsitin des jeweiligen Wegeventils. 2

3 Bild 1: Prinzip eines hydraulischen Schrittmtrs mit Klbenklemmung und hydraulischer Klbenrückstellung und den typischen Schaltverläufen 4. Ergebnisse 1. Die Membran als Dichtelement Die wesentlichen Kriterien für die Eignung einer Membran als Dichtelement im hydraulischen Schrittmtr, wie die maximalen Vergleichsspannungen eine geringe Auslenkkraft und 3

4 ein geringer Steifigkeitsverlust wurden in Gleichungsfrm beschrieben. Um für die ffenen Parameter der Membrananzahl n, der Membrandicke h und der Differenz der Membranradien DR eine Lösung zu finden, wurde für R der Snderfall des Plattenstreifens bzw. Biegebalkens betrachtet. Ausgehend vn dieser Lösung knnte mit Hilfe eines sgenannten Frtsetzungsverfahrens auch eine Lösung für den gewünschten Membranradius gefunden werden. Die zusätzliche Annahme, dass sich zwischen den Membranen eine abgedichtete ideale Druckflüssigkeitsschicht befindet, erleichterte die Lösungssuche. Mit diesen analytisch errechneten Parametern wurde mit dem Finite-Elemente-Prgramm ABAQUS der Membranenstapel mit kmpressiblen Ölschichten zwischen den Membranen mdelliert und Spannungen, Verschiebungen und Drücke in den Fluidkammern berechnet, was zu flgendem überraschenden Ergebnis führte: Die bisher getrffene Annahme eines näherungsweise linearen Druckverlaufes in den Fluidkammern hat sich nicht bestätigt, sndern als falsch erwiesen. Für eine hhe Membrananzahl wie sie für den hydraulischen Schrittmtr errechnet wurde vervielfachen sich die maximalen Spannungen durch die kmpressible Ölschicht zwischen den Membranen. Jedch für eine geringe Anzahl vn Membranen sind die Auswirkungen der Ölkmpressibilität für sehr geringe Ölschichtdicken klein. Die Maximalspannungen an der drucklastseitigen Membran steigen in einem slchen Fall nur geringfügig an. Der Einsatz einer Membran als Dichtelement in einem hydraulischen Schrittmtr erscheint nach biger Berechnung nicht möglich. Werden jedch an die Membranendichtung keine s hhen Anfrderungen des geringen Steifigkeitsverlustes und der geringen Auslenkkraft gestellt, s sinkt die Anzahl der benötigten Membranen beträchtlich ab. Für kleine Hübe wäre in slchen Anwendungsgebieten die Membran als leckagefreies Dichtelement auch für die Hydraulik eine interessante Alternative. 2. Steuerbare Klben-Klbenstange-Verbindung Das wesentlichste Bauelement eines hydraulischen Schrittmtrs ist die steuerbare Klben Klbenstange-Verbindung. Glatte Oberflächen der Klbenstange haben sich auch bei Standardzylindern besnders bewährt. Daher wurde versucht, steuerbare Verbindungen aufbauend auf einer glatten Klbenstange zu finden. Am geeignetsten für eine dppelwirkende +Klbenklemmung erscheint das Prinzip mittels Kegelbüchse, dargestellt im Bild 2. Die erfrderlichen hhen Klemmkräfte werden durch den Arbeitsdruck 4

5 und der Kraftverstärkung durch den Kegel erzeugt. Außerdem werden extrem hhe Flächenpressungen durch die relativ lange Kegelbüchse vermieden. Die Steuerung der Klemmung kann selbsttätig durch den Arbeitsdruck erflgen, sdaß für das Lösen und Klemmen der Klben keine zusätzlichen Steuerungselemente benötigt werden. Für eine sichere Funktin dürfen jedch die Reibbeiwerte zwischen Klben und Kegelbüchse bzw. Kegelbüchse und Klbenstange nur in einem begrenzten Bereich liegen. Reibbeiwerte lassen sich theretisch nur ungenau bestimmen, wmit man auf aufwendige praktische Versuche angewiesen ist. Außerdem ändern sich diese bei frtlaufendem Betrieb. Bild 2: Prinzip einer dppelwirkenden Klbenklemmung mittels Kegelbüchse 5