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Vorrichtung zur stufenlosen elektrischen Regulierung der Antriebsdrehzahl von mechanischen Lasten
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An Hand der Zeichnungen werden im folgenden die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Reguliergetriebes sowie konstruktive Ausführungen desselben beispielsweise erläutert. Dabei zeigt : Fig. 1 schematisch ein erfindungsgemässes Reguliergetriebe, Fig. 2 und Fig. 3 die Kennlinien eines beispielsweisen Fehlerverstärkers, Fig. 4 eine Variante des Reguliergetriebes gemäss Fig. l, Fig. 5 eine weitere Variante des Reguliergetriebes gemäss Fig. 1, Fig. 6 eine dritte Variante des Reguliergetriebes gemäss Fig. l, Fig. 7 eine mögliche konstruktive Ausführung des Reguliergetriebes gemäss Fig. 4, Fig. 8 eine weitere konstruktive Ausführung des Reguliergetriebes gemäss Fig. 6, Fig. 9 eine Schnittzeichnung durch eine beispielsweise Magnetpulverbremse.
Das erfindungsgemässe Reguliergetriebe gemäss Fig. 1 lässt sich funktions-und aufbaumässig in drei einzelne Getriebe unterteilen, nämlich in ein erstes Umlaufgetriebe 3, ein zweites Umlaufgetriebe 4 und in ein Zwischengetriebe 12. Die Antriebsdrehzahl des ersten Umlaufgetriebes 3, nl, sowie die des zweiten Umlaufgetriebes 4, nul', sind frei wählbar, und die Drehzahlen der Abtriebe dieser Umlaufgetriebe nz, n ;, n , ng können ebenfalls den konstruktiven Erfordernissen entsprechend gewählt werden.
Zusammen mit dem Zwischengetriebe 12, dessen Dimensionierung die Eigenschaften des erfindungs- gemässenReguliergetriebes weitgehend beeinflusst, kann das Reguliergetriebe allen Bedürfnissen bezüglich des Regulierbereichs der Last 24 und der Reguliereigenschaften angepasst werden.
In Fig. 1 wird das Stegrad 14 eines ersten Umlaufgetriebes, beispielsweise eines Planetengetriebes 3, von einem Antriebsorgan 1 über ein Zahnrad 2 mit der im wesentlichen konstanten Drehzahl nl angetrieben. Das Stegrad 14 trägt ein abgestuftes Planetenrad 16, in das die beiden Sonnenräder 17 und 18 eingreifen. Das erste Sonnenrad 17 treibt über den ersten Abtrieb 25 des ersten Umlaufgetriebes 3 die Last 24 mit der regelbaren Drehzahl n an, welche Drehzahl n um einen Betrag A n um deren mittleren Wert verändert werden kann. Das zweite Sonnenrad 18 ist über einen zweiten Abtrieb 26 des ersten Umlaufgetriebes 3 mit dem Zahnrad 28 eines Zwischengetriebes 12 in Verbindung und wird von diesem mit einer veränderlichen Drehzahl n ; angetrieben.
Die regelbare Drehzahl n des ersten Sonnenrades 17 bzw. des ersten Abtriebs 25 kann bei konstanter Drehzahl nl des Stegrades 14 durch Veränderung der Drehzahl ns des zweiten Abtriebs 26 des ersten Umlaufgetriebes 3 bzw. des Sonnenrades 18 beeinflusst werden. Diese Drehzahl n des zweiten Abtriebs 26 ist gegeben durch das Übersetzungsverhältnis ü des Zwischengetriebes 12, mit welchem die Drehzahl ng des ersten Abtriebs 9 eines zweiten Umlaufgetriebes 4, beispielsweise des Planetengetriebes 4, auf die Drehzahl n3 übertragen wird.
Das zweite Umlaufgetriebe 4 besteht aus dem Stegrad 13, dem abgestuften Planetenrad 5 und den beiden Sonnenrädern 6 und 8. Der Antrieb des zweiten Umlaufgetriebes 4 erfolgt in der Fig. 1 von dem Antriebsorgan 1 über Zahnrad 2, Stegrad 14 des ersten Umlaufgetriebes 3 und über das Vorgelege 15 mit der im wesentlichen konstanten Drehzahl nl'. Es ist aber auch möglich, das zweite Umlaufgetriebe 4 mit einem vom Antriebsorgan 1 unabhängigen eigenen Antrieb 1', 2'zu versehen. Mit dem Sonnenrad 6 steht über den zweiten Abtrieb 7 die elektrisch steuerbare Bremse 10 in Verbindung, wogegen eine weitere elektrisch steuerbare Bremse 11 über einen ersten Abtrieb 9 mit dem Sonnenrad 8 verbunden ist. Der erste Abtrieb 9 trägt ausserdem das zum Zwischengetriebe 12 gehörende Zahnrad 27.
Wird beispielsweise die elektrisch steuerbare Bremse 10 hinreichend durch die Steuerspannung U 3'erregt, so wird der zweite Abtrieb 7 des zweiten Umlaufgetriebes 4 vollständig abgebremst, womit der erste Abtrieb 9 seine höchste, durch die Antriebsdrehzahl ni sowie durch die Zähnezahlen der Sonnenräder 6 und 8 sowie des umlaufenden Planetenrades 5 gegebene Drehzahl erreicht. Wird anderseits die elektrisch steuerbare Bremse 11 hinreichend durch die Steuerspannung Ug* erregt, so wird der erste Abtrieb 9 des zweiten Umlaufgetriebes 4 abgebremst. Somit kann die Drehzahl n des ersten Abtriebs 9 des zweiten Umlaufgetriebes 4 durch Beeinflussung der elektrisch steuerbaren Bremsen 10 und 11 stufenlos vom höchsten möglichen Wert bis zum Stillstand verändert werden.
Die vom Wert 0 bis zum Höchstwert n9max veränderliche Drehzahl nu des ersten Abtriebs 9 des zweiten Umlaufgetriebes 4 wird im Zwischengetriebe 12 auf die gewünschte Drehzahl ns, die somit zwischen dem Wert 0 und dem Höchstwert n3max regelbar ist, übersetzt bzw. untersetzt. Beträgt diese Drehzahl n3max beispielsweise 1/5 von n !, so kann damit die Drehzahl n2 des ersten Abtriebs 25 des ersten Umlaufgetriebes 3 um zirka j : 1/10 ihres mittleren Wertes verändert werden.
Die Dimensionierung des Reguliergetriebes bzw. die Aufteilung der möglichen Übersetzungsverhältnisse des ersten Umlaufgetriebes 3, des zweiten Umlaufgetriebes 4 und des Zwischengetriebes 12 werden durch die nachstehenden Bedingungen bestimmt, nämlich erstens durch den Variationsbereich der zu regelnden Drehzahl n2 von n2min bis n2max, welcher Variationsbereich durch den Verwendungszweck des Reguliergetriebes gegeben ist ; zweitens durch das maximale Bremsmoment MB, das durch jede der
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beiden Bremsen 10 und 11 aufgebracht werden kann, und drittens durch die Anforderungen bezüglich des dynamischen Verhaltens des Reguliergetriebes, bedingt durch das Massenträgheitsmoment, das die Geschwindigkeit, mit der die regelbare Drehzahl nz verändert werden kann, begrenzt.
Je nach Anwendung eines stufenlos regulierbaren Getriebes können die mechanischen Lasten 24 erhebliche Trägheitsmomente aufweisen. Sind gleichzeitig die Anforderungen bezüglich des dynamischen Verhaltens ziemlich hoch, so sind entsprechend grosse Steuerdrehmomente erforderlich. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht in solchen Fällen sehr vorteilhafte Lösungen, indem durch entsprechende Dimensionierung des Zwischengetriebes 12 das an den Abtrieben 9 und 7 bzw. an den elektrisch steuerbaren Bremsen 11 und 10 noch wirksame Trägheitsmoment so weit reduziert werden kann, dass das zur Überwindung der Massenträgheit erforderliche Bremsmoment nur noch in geringem Masse spürbar ist.
Die Trägheitsmomente der mit den Abtrieben 9 und 7 verbundenen drehenden Massenteile lassen sich kon- struktiv ohne weiteres gering halten, da die Drehmomente ja relativ gering sind, verglichen mit den Drehmomenten, die am Abtrieb 25 durch die Last 24 auftreten.
Ist der Regelbereich A nez für die Drehzahl n relativ gering, beispielsweise : 10 bis : Se, so ergeben sich mit der erfindungsgemässen Vorrichtung ohne weiteres sehr günstige Lösungen, da dann das Übersetzungsverhältnis des Zwischengetriebes 12 ohne weiteres relativ hoch gewählt werden kann, wodurch sich die oben beschriebenen Vorteile ergeben.
Um einen relativ grossen Regelbereich A nez der Lastdrehzahl n bei gleichzeitig hohem Übersetzungsverhältnis des Zwischengetriebes 12 zu erreichen, besteht die Möglichkeit, die mittleren Drehzahlen n1 und ns der Abtriebe 7 und 9 bzw. der elektrisch steuerbaren Bremsen 11 und 10 durch Erhöhung der Antriebsdrehzahl nudes zweiten Umlaufgetriebes 4 zu erhöhen. Dabei fallen selbstverständlich die mit den Abtrieben 9 und 7 des zweiten Umlaufgetriebes 4 verbundenen Massen stärker ins Gewicht. Bei bestimmten Drehzahlen ns und n1 bringt eine weitere Erhöhung der Antriebsdrehzahl n1'keine Vorteile mehr mit sich.
Die optimale Dimensionierung des erfindungsgemässen Getriebes lässt sich durch relativ einfache Berechnungen ohne weiteres herausfinden.
Die einfachste Übertragung der Drehzahl ng auf die Drehzahl ns des zweiten Abtriebs 26 des ersten Umlaufgetriebes 3 erfolgt durch ein Stirnradgetriebe, wie es Fig. 1 zeigt, in dem das auf der Achse des ersten Abtriebs 9 des zweiten Umlaufgetriebes 4 sitzende Stirnrad 27 über das Zwischenrad 29 in das Stirnrad 28 eingreift. Es sind jedoch auch Anordnungen ohne Zahnräder möglich oder jede andere Art nicht selbsthemmender, von beiden Seiten freilaufender Kraftübertragung.
Bei einer Anordnung gemäss Fig. 1 wird das mittlere statische Drehmoment der Last 24 über das erste Umlaufgetriebe 3 auf den ersten Abtrieb 9 und somit auf die Bremse 11 übertragen, so dass durch letztere
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um den Faktor des Übersetzungsverhältnisses -entsprechendes kleineres mittleres statisches Momentaufgebracht werden muss. Dies kann unter Umständen zu Schwierigkeiten führen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung erlaubt in diesem Falle Anordnungen, die diesen Nachteil nicht aufweisen.
Eine Entlastung des zweiten Umlaufgetriebes 4 von dem von der Last 24 auf den ersten Abtrieb 9 übertragenen statischen Lastmoment kann dadurch erreicht werden, dass an Stelle des einfachen, nicht selbsthemmenden bzw. von beiden Seiten freilaufenden Zwischengetriebes 12 ein von der Lastseite her selbsthemmendes Getriebe, beispielsweise ein Schneckengetriebe mit der Schnecke 19, dem Schneckenrad 20 und dem Winkeltrieb 27'gemäss Fig. 4, verwendet wird. In diesem Falle stützt sich das Lastmoment vollständig über das Schneckenrad 20 auf die Schnecke 19 ab und wird nicht mehr weiter auf das zweite Umlaufgetriebe 4 übertragen. Dies ist so lange der Fall, als der Tangens des Steigungswinkels y der Schnecke 19 gleich oder kleiner ist als der Reibungskoeffizient u des Schneckengetriebes 19,20.
Das Schneckengetriebe überträgt jedoch die Drehzahl n ; des ersten Abtriebs 9 des zweiten Umlaufgetriebes 4 auf die Drehzahl des zweiten Abtriebs 26 des ersten Umlaufgetriebes 3, wie es bereits im vorhergehenden Abschnitt beschrieben wurde. Es kann unter Umständen vorteilhaft sein, auf eine vollständige selbsthemmung zu verzichten und das Schneckengetriebe nur teilweise selbsthemmend vorzusehen.
Der Fehlerverstärker 30 erhält ein elektrisches Steuersignal Ui, das dem Sollwert der geregelten
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die in einem Tachogenerator 23 erzeugt wird. Der Fehlerverstärker 30 hat zur Aufgabe, die beiden elektrisch steuerbaren Bremsen 10 und 11 mit den erforderlichen Steuerspannungen Us'und Ui'zu versehen. Die Funktionsweise dieses Fehlerverstärkers 30 ist an Hand der Fig. 2 und 3 beispielsweise erklärt.
In Fig. 2 ist der Verlauf der Ausgangsspannungen U ; und U * in Funktion des Eingangssignals Ut - us dargestellt, u. zw. filr den Fall eines Fehlerverstärkers 30, in dem positive Eingangssignale + (Ui-U :)
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Fig. 7 zeigt ein erfindungsgemässes regelbares Getriebe nach der schematisch gehaltenen Fig. 4 in einer möglichen räumlichen Anordnung. Hiebei treibt das Antriebsorgan 1 über das Zahnrad 2 das Steg- rad 14, 14', in dem die beiden umlaufenden Planetenräder 5 und 16 gelagert sind. Durch die Vereinigung der beiden, in Fig. 4 getrennt übereinander gezeichneten Planetengetriebe 3 und 4 in einem kombinierten Reguliergetriebe entfällt das Stegrad 13 sowie das Vorgelege 15. Die konstruktive Ausbildung erfordert zum Teil einige zusätzliche Getriebeteile, die jedoch auf die prinzipielle Arbeitsweise des Getriebes keinen Einfluss haben.
Die Bremse 10 wirkt über den Abtrieb 7 und Zahnradvorgelege 33,34 auf das lose auf dem Abtrieb 25 drehbare Sonnenrad 6, in welches das äussere Zahnrad 5'des ursprünglichen Planetenrades 5 eingreift.
Das innere Zahnrad 5" desselben greift in das Sonnenrad 8, das über den lose durch den Stegradteil 14' und das Sonnenrad 18 hindurchgehenden Abtrieb 9 mit dem Zahnrad 35 verbunden ist. Die Bremse 11 steht über die Zwischenräder 36 und 37 mit dem genannten Zahnrad 35 in Verbindung, so dass also, entsprechend Fig. 4, die Bremse 11 auf das Sonnenrad 8 einwirkt. Gleichzeitig treibt auch der Abtrieb 9 über die genannten Zwischenräder 35, 36 und 37 die Schnecke 19 an, in die das Schneckenrad 20 eingreift. Dieses wirkt über den Winkeltrieb 27'auf das Sonnenrad 18 ein.
(Schneckengetriebe 19, 20 und der Winkeltrieb 27'bilden zusammen das Zwischengetriebe 12 der Fig. l, 4 und 5.) In das Sonnenrad 18 greift das äussere Zahnrad 16" des ursprünglichen Planetenrades 16, wogegen das innere Zahnrad 16'über das Sonnenrad 17 den Abtrieb 25 und damit die Last 24 unter Zwischenschaltung eines Getriebes mit den Zahnrädern 21,29 antreibt. Die Drehzahl des Rades 21 wird noch über Zahnrad 22 auf den Tachogenerator 23 übertragen, wie dies bereits vorher erläutert wurde.
Fig. 8 zeigt das in Fig. 6 schematisch gezeigte Reguliergetriebe in beispielsweiser räumlicher Anordnung entsprechend einem Anwendungsbeispiel. Es ist dabei zu beachten, dass das Antriebsrad 2 nur lose auf dem Abtrieb 25 als Zwischenrad läuft und die Umdrehungen eines nicht gezeichneten Antriebsorgans auf das Gehäuse 14 überträgt. Das Kegelrad 29'bildet ein Übertragungsorgan der regelbaren Drehzahl nz des Abtriebs 25 auf weitere, nicht gezeichnete, in der Drehzahl geregelte Anordnungen. Auch bei diesem Reguliergetriebe wird jeweils die regelbare Drehzahl n der Last 24 durch einen Tachogenerator 23 überwacht, der entweder mit dem Abtrieb 25 oder mit dem Abtrieb 9 gekuppelt sein kann.
Als Bremsen 10 und 11 sind beliebige elektrisch steuerbare Bremsen verwendbar, sofern ihr dynamisches Verhalten den Anforderungen genügt. Als rein elektrisch gesteuerte Bremsen können beispielsweise Wirbelstrombremsen eingesetzt werden, die ein dem Erregerstrom proportionales Bremsmoment aufweisen.
Eine weitere Ausbildung der Bremsen als elektrisch-hydraulische Bremsen ist möglich, bei denen die durch hydraulische Mittel erzeugte Bremskraft vom Fehlerverstärker 30 elektrisch gesteuert wird.
Denkbar sind auch elektrisch-mechanisch gesteuerte Bremsen, bei denen der Fehlerverstärker 30 eine mechanische Stellgrösse beeinflusst und diese mechanische Stellgrösse ein proportionales Bremsmoment mechanisch hervorruft.
Mit Vorteil werden jedoch Magnetpulverbremsen verwendet. Diese erzeugen ein dem jeweiligen Erregerstrom entsprechendes Bremsmoment. Den schematischen, beispielsweisen Aufbau einer der beiden Magnetpulverbremsen 10 und 11, die beide identisch ausgeführt sein können, zeigt Fig. 9.
Die in den beiden Wälzlagern 45 und 46 gelagerte Welle 40 trägt auf dem in das Bremsgehäuse 42 ragenden Ende einen tellerförmigen Rotor 41 aus ferromagnetischem Material. Ein pilzförmiger Eisenkern 43 bildet längs seines Randes mit dem Bremsgehäuse 42 einen Luftspalt, in den der zylindrische Teil des Rotors 41 hineinragt. Der genannte Luftspalt ist teilweise mit Magneteisenpulver 50 ausgefüllt. Den Raum zwischen dem Gehäuse 42 und dem Eisenkern 43 füllt ein Spulenkörper 49 aus, der die Magnetwicklung 44 enthält und ausserdem Dichtungskanäle zur Aufnahme der Dichtungen 47 und 48 aufweist. Letztere sollen das Eindringen des Magneteisenpulvers 50 in die Magnetwicklung 44 verhindern.
Solange der Wicklung 44 über die Zuleitung 31 keine Spannung U, zugeführt wird, dreht sich der tellerförmige Rotor 41 im Luftspalt und in dem Eisenpulver 50 ohne wesentliche Reibung. Wird jedoch durch Anlegen einer Spannung U, an die Zuleitung 31 in dem magnetischen Kreis der Bremse ein magnetischer Fluss \ erzeugt, so suchen sich die Teilchen des Magneteisenpulvers 50 längs der radialen magnetischen Kraftlinien im Luftspalt auszurichten und üben dabei ein Reibungsmoment auf den tellerförmigen Rotor 41 aus. Dieses Reibungsmoment wächst mit der angelegten Spannung Us und äussert sich darin, dass die Drehzahl der Welle 40 bei gleichbleibendem Drehmoment bis zum Stillstand abgebremst werden kann.
Bei kleiner werdender Spannung Us an der Magnetwicklung 44 lässt die Bremskraft wieder nach, und das Magneteisenpulver 50 gibt den tellerförmigen Rotor 41 wieder frei.
Die in den Fig. l, 4 und 5 beispielsweise als Planetengetriebe gezeichneten Umlaufgetriebe 3 und 4 können auch als Differentialgetriebe ausgebildet sein.