Hydraulischer Aktuator für einen Oberflächenantrieb eines Wasserfahrzeugs

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Aktuator für einen Oberflächenantrieb nach Anspruch 1.

Ein Oberflächenantrieb für ein Wasserfahrzeug besteht aus mindestens einer Antriebseinheit, in welcher eine Propellerwelle mit Propeller in einem Schubrohr geführt ist. Das Schubrohr ist in dem Gelenkpunkt am Heck des Wasserfahrzeugs schwenkbar befestigt und die Propellerwelle ist in dem Gelenkpunkt mit der Antriebswelle gelenkig verbunden. Die Antriebswelle wird entweder direkt von einem im Inneren eines Rumpfes des Wasserfahrzeugs angeordneten Motor angetrieben, oder mit einer Ausgangswelle eines dem Motor nachgeschalteten Getriebes. Die Schwenkung des Schubrohres, und damit der Propellerwelle, in einer senkrechten Ebene parallel zur Längsachse des Wasserfahrzeugs bezeichnet man als Trimmung, wobei der Trimmwinkel als Maß für die Schwenkung von einer positiven und negativen Trimmgrenze begrenzt wird. Mit der Trimmbewegung wird die Eintauchtiefe des Propellers eingestellt. Mit einer Schwenkung des Schubrohres in der horizontalen Ebene wird die Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs gesteuert, wobei das Maß für diese Schwenkung der Steuerwinkel ist, welcher sich zwischen einem linken und einem rechten maximalen Steuerwinkel bewegt. Zur Ausführung der Schwenkbewegungen in den beiden Ebenen wird das Schubrohr von einem oder mehreren Trimm- und Steueraktuatoren betätigt.

Aus der US 4544362 ist ein hydraulischer Aktuator bekannt, der als doppeltwirkender Hydraulikzylinder ausgeführt ist. Hierbei befindet sich in einem Zylindergehäuse ein linear verschiebbarer Kolben, welcher wechselseitig von zwei Seiten mit dem Druck eines Arbeitsmediums beaufschlagt werden kann und so mittels eines an ihm befestigten ersten Endes einer Kolbenstange sowohl eine Zug- als auch eine Druckkraft erzeugen kann. Darüber hinaus wird die Kolbenstange von dem Kolben geführt. Das Zylindergehäuse ist mittels

eines ersten Anschlusselementes an einem Heckspiegel des Wasserfahrzeugs schwenkbar befestigt. Die aus dem Zylinder ragende Kolbenstange ist in einer als Fürungselement wirkenden Führungsbuchse geführt, auf welches trotz der Führung der Kolbenstange durch den Kolben wegen auftretender Seitenkräfte als auch geringen Kolbenlängen nicht verzichtet werden kann. Die Führungsbuchse ist einer Abdeckung angeordnet, welche das kolbenstangenseitige Ende des Zylindergehäuses verschließt. In dem Führungselement ist ein Dichtelement angeordnet, welche den Austritt des Arbeitsmediums verhindert. Die Kolbenstange ist mittels eines an ihrem Ende befestigten zweiten Anschlusselementes an dem zu verstellenden Schubrohr gelenkig befestigt.

Der derart aufgebaute hydraulische Aktuator kann je nach Einbaulage sowohl eine Trimmbewegung durch Heben und Senken des Schubrohres als auch eine Steuerbewegung durch Schwenken des Schubrohres nach links oder rechts ausführen. Im Betrieb wird durch die Einleitung von Störkräften in das zweite Anschlusselement als auch durch die Ausknickung unter einer Druckkraft eine Durchbiegung der Kolbenstange bewirkt.

Diese Durchbiegung führt im Bereich der Führungsbuchse durch die Verkantung zu lokal überhöhter Flächenpressung und Reibung, wodurch das dort angebrachte Dichtelement, die Führungsbuchse und die Oberfläche der Kolbenstange geschädigt werden. Aufgrund der erhöhten Reibung muss die Verstellkraft und damit letztendlich der Aufwand an hydraulischer Energie erhöht werden, zudem verschlechtert sich die Regelgüte bei einer geregelten Einstellung der Trimmbewegung durch auftretende Reibschwingungen. Darüber hinaus kann das hydraulische System aufgrund der Abnutzung des Dichtungselements undicht werden, was sowohl mit einem Austreten des Arbeitsmediums, als auch mit einem Eindringen des Umgebungsmediums in den hydraulischen Kreislauf verbunden ist, was eine Schädigung desselben zur Folge hat. Neben der Schädigung des Dichtungselementes und des Führungselements wirkt bei an dem zweiten Befestigungselement angreifenden Querkräften

aufgrund der Auflage der Kolbenstange in dem Führungselement an dem kol- benseitigen Ende der Kolbenstange eine Querkraft auf den Kolben, welche die Abdichtung des Kolbens beeinträchtigen und damit die Umsetzung von hydraulischer in mechanische Energie verschlechtern kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist die Schaffung eines hydraulischen Aktuators, ohne die Nachteile des Standes der Technik.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Ein hydraulischer Aktuator wird beispielsweise zur Trimm- und / oder Steuereinstellung an einem Oberflächenantrieb eines Wasserfahrzeugs eingesetzt. Der hydraulische Aktuator besteht aus einem Aktuatorgehäuse, in welchem eine in dem Aktuatorgehäuse längsbewegliche Kolbenstange an einem ersten Ende mit einem Kolben verbunden ist. Der Kolben ist längsbeweglich in dem Aktuatorgehäuse geführt und bewegt sich unter Beaufschlagung mit enem hydraulischen Druck. Durch die Verbindung mit dem Kolben wird die Kolbenstange zusammen mit diesem in Längsrichtung des Aktuatorgehäuses bewegt und in diesem geführt. Zusätzlich ist die Kolbenstange in einem Dichtungselement, welches an einem ersten Ende des Aktuatorgehäuses angeordnet ist, geführt. An einem zweiten Ende der Kolbenstange ist ein erstes Anschlusselement angeordnet.

Im Betrieb wird durch die an dem ersten Anschlusselement angreifenden Kräfte ein Moment in diesem erzeugt, welches insbesondere als Biegemoment auf den hydraulischen Aktuator wirkt. Deshalb ist zur Abstützung des Moments ein Abstützelement an dem ersten Anschlusselement angeordnet, welches das Moment an dem Aktuatorgehäuse abstützt und an einer Außenkontur des Aktuatorgehäuses geführt ist. Hierdurch wird die Durchbiegung des hydraulischen Aktuators, und damit die Durchbiegung der Kolbenstange in dem Dichtungselement, verringert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Außenkontur des Aktuatorgehäuses zylindrisch gestaltet. Das Abstützelement ist rohrförmig ausgebildet und über die Außenkontur des Aktuatorgehäuses geschoben, wodurch das Abstützelement teleskopartig geführt ist.

In diesem Zusammenhang sieht eine weitere Ausgestaltungsform vor, dass in der Innenkontur des Abstützelements und / oder der Außenkontur des Aktuatorgehäuses Schmiernuten zur Aufnahme eines Schmierstoffs ausgebildet sind. Der Schmierstoff dient hierbei zur Verringerung der Reibung während der Bewegung des Aktuators, wobei zwischen der Kolbenstange und dem Dichtungselement sowie zwischen dem Abstützelement und dem Aktuatorgehäuse eine reibungsbehaftete Relativbewegung stattfindet. Die Schmiernuten sind vorzugsweise als Spiralnuten ausgebildet.

Von einer einem zweiten Ende des Aktuatorgehäuses zugewandten Seite des Kolbens, dem Aktuatorgehäuse und einem zweiten Anschlusselement, welches an einem zweiten Ende des Aktuatorgehäuses angeordnet ist, wird ein erster Arbeitsraum gebildet, in welchem ein Betriebsmedium den Kolben mit Druck beaufschlagen kann und diesen und damit die Kolbenstange in Richtung des ersten Endes des Aktuatorgehäuses bewegt. In einem zweiten Arbeitsraum, gebildet aus dem der Kolbenstange zugewandten Seite des Kolbens, dem Aktuatorgehäuse und dem Führungselement, führt der Druckaufbau des Arbeitsmediums zu einer Kolbenbewegung zum zweiten Ende des Aktuatorgehäuses, wodurch die Kolbenstange in das Aktuatorgehäuse eingezogen wird und der Aktuator in seiner Länge verkürzt wird. In dieser Variante ist es besonders vorteilhaft, dass der zweite Arbeitsraum über einem Verbindungskanal, welcher in Längsrichtung des Aktuators in einer Gehäusewand des Aktuatorge-

häuses an dem Kolben vorbei verläuft, mit einem zweiten Anschlusskanal, welcher mit einem zweiten Druckanschluss am zweiten Ende des Aktuatorge- häuses in Verbindung steht, verbunden ist. Hierdurch muss der zweite Druckanschluss nicht nahe des ersten Endes des Aktuatorgehäuses angeordnet sein, was die vorteilhafte rohrförmige Ausgestaltung des Abstützelementes ermöglicht. Zudem wird eine unvorteilhafte lange freiliegende Hydraulikleitung zu dem zweiten Druckanschluss vermieden.

Eine weitere Variante sieht vor, dass ein erster Druckanschluss zur Beaufschlagung des ersten Arbeitsraumes, der zweite Druckanschluss zur Beaufschlagung des zweiten Arbeitsraumes und ein elektrischer Anschluss für einen Wegsensor in dem zweiten Anschlusselement an dem zweiten Ende des Aktuatorgehäuses angeordnet sind.

Bevorzugt ist das zweite Anschlusselement des Aktuatorgehäuses als Kugelkopf ausgebildet und in einer Aufhängungsvorrichtung an einer Heckwand des Wasserfahrzeugs schwenkbar angeordnet.

Zusätzlich ist das erste Anschlusselement als Gabelkopf ausgebildet und in einer Ebene schwenkbar an dem Schubrohr befestigt.

Es ist außerdem möglich, dass an dem zweiten Anschlusselement ein Wegsensor zur Messung der Kolben- oder Kolbenstangenbewegung angeordnet ist.

Schließlich wird es als vorteilhaft beurteilt, dass in einem Oberflächenantrieb eines Wasserfahrzeugs ein erfindungsgemäßer hydraulischer Aktuator zur Trimm- und / oder Steuereinstellung angeordnet ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Zeichnung eines Längsschnitts des hydraulischen

Aktuators mit einer schematischen Darstellung der Versor gungskanäle und

Fig. 2 eine Draufsicht auf den hydraulischen Aktuator.

In Fig. 1 ist ein hydraulischer Aktuator 100 im Längsschnitt einer Seitenansicht dargestellt. In dem zylindrischen Aktuatorgehäuse 103 ist ein Kolben 101 verschiebbar geführt. Mit dem Kolben 101 ist eine Kolbenstange 102 an einem ersten Ende zentrisch verbunden, wodurch sie mittels des Kolbens 101 im Aktuatorgehäuse 103 geführt ist. Zusätzlich ist die Kolbenstange 102 in einem Dichtungselement 104 geführt, welches eine erste Seite des Aktuatorge- häuses 103 verschließt und einen Austritt des Betriebsmediums aus einem ersten Arbeitsraum 1 14 an der Kolbenstange 102 entlang verhindert. An einem zweiten Ende der Kolbenstange 102 ist ein erstes Anschlusselement 108 befestigt, welches sich aus einem Außenteil 131 , einem Innenteil 132 und einem bolzenförmigen Verbindungsteil 133 zusammensetzt. Mittels des gabelkopfför- migen Außenteils 131 und einem Schwenkbolzen 202 wird das Anschlusselement 108 und damit der hydraulische Aktuator 100 in einer Ebene schwenkbar mit dem Schubrohr des Oberflächenantriebs verbunden. An einem zweiten Ende des Aktuatorgehäuses 103 ist ein zweites Anschlusselement 109 angeordnet, welches das Aktuatorgehäuse 103 an seinem zweiten ende verschließt und welches die Gestalt eines Kugelkopfes hat. Mittels des Anschlusselements 109 ist der hydraulische Aktuator 103 in der an der Heckwand des Wasserfahrzeugs befestigten Aufhängungsvorrichtung 201 schwenkbar angeordnet. Die zur Trimm- und / oder Steuereinstellung eines Oberflächenantriebes erforderliche Kraft wird bei dem hydraulischen Aktuator 100 von einer Druckbeaufschlagung des Kolbens 101 mittels eines Arbeitsmediums erzeugt. Von einer einem zweiten Ende des Aktuatorgehäuses 103 zugewandten Seite des Kolbens 101 ,

dem Aktuatorgehäuse 103 und einem zweiten Anschlusselement 109, welches an einem zweiten Ende des Aktuatorgehäuses 103 angeordnet ist, wird ein erster Arbeitsraum 1 12 gebildet, in welchem ein Arbeitsmedium den Kolben mit Druck beaufschlagen kann und diesen und damit die Kolbenstange 102 in der Darstellung nach links verschiebt, wodurch die Länge des hydraulischen Aktua- tors 100 zunimmt, bzw. von diesem eine Druckkraft ausgeübt wird. Während dieser Bewegung kann das Arbeitsmedium aus einem zweiten Arbeitsraum 1 14 drucklos entweichen. In einem zweiten Arbeitsraum 1 14, gebildet aus dem der Kolbenstange zugewandten Seite des Kolbens, dem Aktuatorgehäuse 103 und dem Dichtungselement 104, führt der Druckaufbau des Arbeitsmediums zu einer Kolbenbewegung zum zweiten Ende des Aktuatorgehäuses 103, wodurch die Kolbenstange 102 in das Aktuatorgehäuse 103 eingezogen wird und der hydraulische Aktuator 100 in seiner Länge verkürzt wird, bzw. von diesem eine Zugkraft erzeugt wird. Während dieser Bewegung kann das Arbeitsmedium aus dem ersten Arbeitsraum 1 12 drucklos entweichen. Das Arbeitsmedium, welches von einem Druckerzeuger zum Aktuator gefördert wird, erreicht den ersten Arbeitsraum 1 12 durch einen ersten Druckanschluss 106, welcher in dem zweiten Anschlusselement 109 angeordnet ist, und einem nachfolgenden ersten Druckkanal 120. Der Druckkanal 120, welcher in der Darstellung in die Zeichenebene gedreht wurde, mündet stirnseitig in den ersten Arbeitsraum 1 12. Der zweite Arbeitsraum 1 14 steht durch einen Verbindungskanal 122, einer Ringnut 123 und einen zweiten Druckkanal 121 , welcher ebenfalls in die Zeichenebene gedreht wurde, mit einem zweiten Druckanschluss 107 in Verbindung, durch welchen das Arbeitsmedium in den zweiten Arbeitsraum 1 14 ein- und ausströmen kann. Zur Messung der Bewegung der Kolbenstange 102 ist in dem zweiten Anschlusselement 109 ein Wegsensor 125 angeordnet, der in eine Messbohrung 128, welche zentrisch in der Kolbenstange 102 angebracht ist, eintaucht und berührungslos nach dem induktiven Prinzip die Position der Kolbenstange misst. Das Sensorkabel 129 wird durch einen Sensorkanal 124 zu einem Sensoranschluss 126 geführt. In dem Außenteil 131 des ersten Anschlusselements 108 ist ein rohrförmig ausgeführtes Abstützelement 1 10 fest

angeordnet, welches über die zylindrische Außenkontur des Aktuatorgehäuses 103 geschoben ist. Zwischen der zylindrischen Innenkontur des Abstützelements 1 10 und der zylindrischen Außenkontur 105 des Aktuatorgehäuses 103 ist ein Spalt der durch eine Spielpassung festgelegt ist. Im Falle eines in den hydraulischen Aktuator 100 eingeleiteten Moments, vorzugsweise durch das erste Anschlusselement 108, entsteht beispielsweise ein Biegemoment welches beim Stand der Technik die Kolbenstange 102 beansprucht und durchbiegt. Das Abstützelement 1 10, welches aufgrund seiner rohrförmigen Gestaltung ein hohes Flächenwiderstandsmoment mit einer daraus resultierenden großen Biegesteifigkeit aufweist, stützt sich gegen das gleichfalls biegesteife Aktuatorgehäuse 103 ab und verstärkt die gegen die Biegebeanspruchung. Hierdurch wird die Durchbiegung der Kolbenstange 102, mit den beschriebenen negativen Auswirkungen, reduziert. Da während der Verstellbewegung des hydraulischen Aktuators 100 eine Relativbewegung zwischen dem Abstützelement 1 10 und dem Aktuatorgehäuse 103 stattfindet, wird zur Vermeidung von Reibung und Verschleiß durch eine Schmierbohrung 127 und über Schmiernuten 1 1 1 , welche in die Außenkontur des Aktuatorgehäuses 103 eingearbeitet sind, ein Schmierstoff in den Passungsspalt eingebracht.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht des hydraulischen Aktuators, in welcher die Anordnung des ersten Druckanschlusses 106, des zweiten Druckanschlusses 107 und des Sensoranschlusses 126 an dem zweiten Verbindungselement 109 angeordnet sind. Das zweite Anschlusselement 109 ist wie unter Fig. 1 beschrieben schwenkbar in der Aufhängungsvorrichtung 201 angeordnet. Die gabelkopfförmige Gestaltung des zum ersten Anschlusselement 108 gehörenden Außenteils 131 und der Schwenkbolzen 202, welcher die schwenkbare Verbindung zu dem Schubrohr herstellt, sind ebenfalls in der Draufsicht erkennbar. Die Schmierbohrung 127 in dem Abstützelement 1 10 ermöglicht das Einbringen des Schmierstoffes in die Schmiernut 1 1 1.

Bezuqszeichen

100 hydraulischer Aktuator

101 Kolben

102 Kolbenstange

103 Aktuatorgehäuse

104 Dichtungselement

105 Außenkontur von 103

106 erster Druckanschluss

107 zweiter Druckanschluss

108 erstes Anschlusselement

109 zweites Anschlusselement

110 Abstützelement

11 1 Schmiernut

112 erster Arbeitsraum

114 zweiter Arbeitsraum

115 Innenkontur von 1 10

120 erster Druckkanal

121 zweiter Druckkanal

122 Verbindungskanal

123 Ringnut

124 Sensorkanal

125 Wegsensor

126 Sensoranschluss

127 Schmierbohrung

128 Messbohrung

129 Sensorkabel

131 Außenteil von 108

132 Innenteil von 108

133 Verbindungsteil von 108

134 Befestigungsbolzen

201 Aufhängungsvorrichtung

202 Schwenkbolzen