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Hydraulisches Relais
Automatische Regler zur kontinuierlichen Regelung wcrden in der Industrie sehr häufig benutzt. Der- artige Regler umfassenBauteile, die nach Art eines Relais arbeiten. Die Bauteile empfangen in einer ganz bestimmten Form eine Grösse, die man Eintrittsgrösse nennt und deren Energieniveau niedrig ist ; sie trans- formieren sie in eine Ausgangsgrösse, deren Energieniveau stark angehoben ist und deren Form völlig ver- schieden sein kann. Im übrigen empfangen sie eine Hilfsenergie, die es erlaubt, die Umwandlung der Art der Energie ebenso wie deren Verstärkung herbeizuführen.
Die Kriterien, die es zulassen, die Eigenschaften eines Relais zu analysieren, sind folgende : a) Der Verstärkungsfaktor muss hoch sein. Dabei soll im folgenden unter Verstärkungsfaktor das Ver- hältnis zwischen den Energiepegeln der Ausgangsgrösse und der Eingangsgrösse des betreffenden Elementes sein. b) Die statische Präzision, d. h. die Ausgangsgrösse muss eine eindeutige und reziproke Funktion der
Eingangsgrösse sein. c) Die dynamische Verzögerung muss so klein wie möglich sein. Man versteht unter dynamischer Ver- zögerung, dass, wenn die Eingangsgrösse sich beispielsweise nach einer Sinusform ändert, die Ausgangs- grösse sich ebenfalls sinusförmig ändert, jedoch mit einer gewissen Phasenverschiebung.
Diese Phasenver- schiebung muss vernachlässigbar klein sein. d) Es soll unter allen Umständen nur ein Mindestmass an Hilfsenergie verbraucht werden.
Diese Eigenschaften beeinflussen sich aber zum Teil in störender Weise. Tatsächlich kann ein zu starker Verstärkungsfaktor eine unzulässige dynamische Verzögerung hervorrufen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hydraulisches Relais zu schaffen, insbesondere für die automatische Regelung, das dazu dient, einEingangssignal in ein Ausgangssignal höherer Energie zu transformieren und zu verstärken. Dieses hydraulische Relais ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Gehäuse mindestens zwei ineinander verschiebbare Kolben untergebracht sind, wobei die Ausgangsgrösse durch die Lage des äusseren Kolbens bestimmt ist, der hydraulisch durch den inneren Kolben steuerbar ist, dessen Bewegungen ebenfalls hydraulisch durch die Eingangsgrösse geregelt werden, und dass Steuerkammern zwischen den inneren und äusseren Kolben ausgebildet und zur Gänze von letzteren eingeschlossen sind, wobei zwischen den beiden Kolben ein Paar von Regelflächen vorgesehen ist, so dass der äussere Kolben den Bewegungen des inneren Kolbens folgt, u. zw.
unter weitgehender Konstanthaltung der Volumina der aus den beidenKolben ausgesparten Steuerkammern, wodurch die Phasenverschiebung zwischen den Eintrittsund Austrittsgrössen verringert wird.
Die Beschaffenheit dieses Relais ist solcher Art, dass, es eine grosse statische Präzision zulässt und ausserdem einen hohen Verstärkungsgrad besitzt, ohne dass dadurch eine merkliche dynamische Verzögerung auftritt und eine grosse Hilfsenergie vonnöten ist.
In der Zeichnung sind schematisch und beispielhaft zwei Ausführungsformen des hydraulischen Relais nach der Erfindung dargestellt. Die Fig. l zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes. Die Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine ähnliche Ausführungsform des hydraulischen Relais nach der Erfindung. Es sind natürlich die verschiedensten Ausführungsformen des Relais nach der Erfindung denkbar. Der Beschreibung liegt als Eintrittsgrösse eine elektrische Grösse zugrunde. In diesem Falle benutzt man als Eintrittsgrösse die von einem elektrischen Strom in einem Elektromagneten hervorgerufene Kraft, wobei der Elektromagnet sich in einem magnetischen Felde eines Permanentmagneten befindet.
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Das Relais besteht unter anderem aus einem Hauptgehäuse 8, in dem zwei ineinander verschiebbare
Kolben 9 und 10 angeordnet sind. In dem Gehäuse 8 befinden sich verschiedene Kammern 20a, 20b, 16a,
16b, 23a und 23b. Der äussere Kolben 9 hat mindestens zwei sich gegenüberliegende Oberflächen 21a und 21b, die zusammen mit dem Gehäuse 8 die beiden Arbeitskammern 2 Oa und 20b begrenzen. Diese sind über eine Zweigleitung 12a bzw. 12b verbunden, in die die Leitung 11 für die Zuführung des Druckmittels mündet. Die Speisung der Arbeitskammern 20a, 20b über die Stichleitungen 12a und 12b vollzieht sich durch Federventile 14a und 14b (Plattenventile oder Diaphragmen) hindurch.
Als Plattenventil (Ventil) oder Diaphragma wird ein Organ bezeichnet, das eine Leitung teilweise dadurch abschliesst, dass dieses Organ (Stopfen) von geringer Stärke in seiner Mitte ein kalibriertes Loch gleicher Achse wie die Leitung aufweist. Dieses Ventil ruft einen Druckabfall in den Qlkreisen hervor.
Dieser Druckabfall hängt für ein bestimmtes Öl ausschliesslich von der Ölspeisung ab, die überdies durch ein Steuerorgan geregelt wird.
In der Zeichnung sind diese Ventile symbolisch durch zwei kleine Striche dargestellt, die senkrecht zur Achse der Leitung verlaufen. Jede Stichleitung 12a, 12b ist durch Leitungen 15a und 15b verlängert, welche dieKammern16abzw. 16b speisen. Auch dieÖlspeisung durch die Leitungen 15a, 15bwird gleich- falls durch Plattenventile 13a und 13b gesteuert.
Steuerkammern 18a und 18b sind zwischen dem äusseren Kolben 9 und dem inneren Kolben 10 ausgespart. Letzterer zeigt zwei sich gegenüberliegende Oberflächen 19a, 19b, die die Steuerkammern 18a, 18b begrenzen. Diese Kammern 18a, 18b werden mit Drucköl aus den Leitungen 15a bzw. 15b durch die Bohrungen 17a bzw. 17b gespeist, die durch den Kolben 9 gebohrt sind. Im übrigen sind Sekundärkam- mern 25a und 25b zwischen die beiden Kolben 9 und 10 eingeschaltet, von denen jede mit der entsprechendenArbeitskammer 20a bzw. 20b durch Leitungen 22a bzw. 22b und Bohrungen 24a bzw. 24b in dem Kolben 9 verbunden sind.
Jede Kammer 25a bzw. 25b ist zwischen den Wandungen einer am inneren Kolben 10 eingedrehten Nut und jener einer im Aussenkolben 9 vorgesehenen Bohrung angeordnet. Diese Kammern besitzen Regelflächen zufolge der Flächen 26a und 32a bzw. 26b und 32b.
Je nach den relativen Axialstellungen des Innenkolbens 10 und des Aussenkolbens 9 können die Kammern 25a bzw. 25b mit aussen, d. i. dem Auslass in Verbindung gesetzt bzw. gegen aussen abgeschlossen werden oder umgekehrt.
Der untere Teil des äusseren Kolbens 9 ist durch einen Teil 29 verlängert, der die Ausgangsbewegung ausführt. Das Ausgangssignal ist durch die Stellung des äusseren Kolbens 9 gegeben. Das Ende 29 kann dann seinerseits beispielsweise eine nicht dargestellte Verteilerscheibe steuern.
Der obere Teil des inneren Kolbens 10 ist verlängert und trägt einen Federteller 28, gegen den sich zwei Druckfedern 27a und 27b abstützen, die in einer Ausnehmung 30 im oberen Teil des Gehäuses 8 angeordnet sind. Die beiden elastischen entgegengesetzt gerichteten Kräfte wirken auf den Federteller 28 und sind bestrebt, den inneren Kolben 10 in bezug auf das Gehäuse des Relais in einer Mittelstellung zu halten.
Auf der Seite des Hauptgehäuses 8 ist ein zweites Gehäuse 7 angeordnet, das einen Elektromagneten trägt. Dieser besteht aus einer Spule 1, die auf einem in axialer Richtung beweglichen Kern 2 angeordnet ist. Ein Permanentmagnet 3 umgibt den Kern 2. Letzterer trägt an seinen beiden Enden zwei Teller 4a und 4b. Der mögliche Hub dieser beiden Teller ist klein und wird durch die beiden Rohrstutzen 31a, 31b begrenzt, die jeweils das äussere Ende der beiden Bohrungen 6a und 6b bilden, die in das Gehäuse 7 in Verlängerung der Achse des Kerns 2 gebohrt sind. Ein geringes Spiel 5a und 5b ist auf jeder Seite zwischen den Rohrstutzen31abzw. 31b und den Tellern 4a bzw. 4b freigelassen. Die Bohrungen 6a und 6b bilden in gewissem Sinne einen Auslass für jede Zweigleitung 12a bzw. 12b durch die Federventile 13a, 13b und die Leitungen 15a, 15b.
Die Gehäuse 7 und 8 und der Permanentmagnet 3 sind ortsfest angeordnet.
Das Relais arbeitet folgendermassen : Angenommen, die Spule 1 sei zunächst stromfrei und das Druck- öl käme durch die Leitung 11 und beaufschlage die Federventile 13a und 13b und 14a und 14b. Bei dem Durchgang durch die Ventile erfährt der Druck des Öls eine Verringerung ; diese ist eine Funktion der Ausflussmenge und der Abmessungen der Ventile. Die Kammern und die Leitungen 18, 16, 17, 15 und 6 stehen unter dem vollen Druck des Öls. Da nun der Kern 2 des Elektromagneten keinerlei Kraft elektrischer Herkunft unterworfen ist und die Dimensionen der Bohrungen 6, ebenso wie die Abmessungen der Ventile 13 und das Spiel 5a bzw. 5b identisch gleich sind, ist der Druck in 6a gleich dem Druck in 6b. Daher sind auch die Drücke in den Kammern 18a und 18b ebenfalls gleich.
Der innere Kolben 10 steht infolge des Öldruckes in der Kammer 18a unter einem vertikalen, nach abwärts gerichteten Schub. Dieser Schub wirkt auf die Fläche 19a und ist gleich dem Produkt aus der
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Oberfläche dieser Fläche und dem Wert des Druckes. Weiters ist derselbe innere Kolben 10 zufolge des Öldruckes in der Kammer 18b einem vertikalen, nach aufwärts gerichteten Schub ausgesetzt, der auf die Fläche l9b wirkt. Wie vorhin ist dieser Schub gleich dem Produkt aus der Oberfläche dieser Fläche und dem Wert des Druckes. Zufolge der baulichen Ausführung sind die Oberflächen der Flächen 19a und 19b gleich, daher sind es auch die Schübe, jedoch in entgegengesetztem Sinn. Das Resultat ist gleich Null.
Der innere Kolben 10 ist daher keinem resultierenden Axialschub ausgesetzt, der vom Öl stammt.
Er nimmt eine Stellung in der Mitte seines Hubes ein, die durch die Charakteristiken der beiden Federn 27a und27b gegeben ist, die sich einerseits gegen das Gehäuse 8 und anderseits durchvermittlung eines Tellers gegen den inneren Kolben 10 abstützen. Für eine einzige, ganz bestimmte Stellung ist die Resultierende der Kräfte der beiden Federn 27a und 27b gleich Null. weil die eine 27a auf den Kolben 10 vertikal von oben nach unten, wogegen die andere Feder 27b vertikal von unten nach oben wirkt. Diese Stellung entspricht jener in der Hubmitte des Kolbens 10.
Der äussere Kolben 9 befindet sich gleichfalls in der Mitte seines Hubes. Diese Stellung ergibt sich, wenn die Drücke in den Kammern 20, die über die Ventile 14 gespeist werden, auf den Oberflächen 21 identisch gleiche, aber entgegengesetzt gerichtete Druckkräfte ausüben. Die Drücke in diesen Kammern sind gleich gross, da die Querschnittsflächen der Ventile 14 gleich gross sind. Ferner sind auch die Mengen, die durch das Spiel der Regelflächen 26 und die Ventile 14 hindurchgehen, gleich gross. Da nun die Ventile gleichartig sind, müssen auch die Verschiebungen der Regelflächen 26 identisch sein.
Angenommen, der Kolben 10 sei in der Mitte seines Hubes und der Kolben 9 sei axial gegen oben verschoben. Die Fläche 26a ist tiefer als die Fläche 32a : sohin ist die Kammer 25a gegen aussenabgeschlossen. Da die Fläche 26b höher liegt als die Fläche 32b, steht die Kammer 25 mit aussen in Verbindung.
Das vom Kanal 11 kommende Öl durchströmt denKanal 12a, das Ventil 14a und gelangt in die Kammern 20a, 23a und 25a. Da letztere Kammer gegen aussen abgeschlossen ist, ist die Ölabgabe gering und nahe an Null ; daraus folgt, dass der Beschickungsverlust beim Ventil 14a klein, nahezu Null ist. Der Druck in der Kammer 20a ist nahezu gleich dem Speisedruck in der Leitung 11. Das das Ventil 14b durchströmende Öl tritt in die Kammern 20b. 23b und 25b ein. Letztere Kammer steht mit aussen in Verbindung.
Das Öl entweicht durch die Öffnung, die Abgabe ist stark, praktisch gleich der dem Speisedruck entsprechenden Förderungen in der Leitung 11. Der Druck in der Kammer 20b ist nahezu Null.
Wird also der Kolben in bezug auf den äusseren Kolben 10 nach oben verschoben, ist der Druck in der Kammer 20a hoch, während er in der Kammer 20b gering ist. Daraus folgt, dass auf die Oberflächen21a und 21b zwei verschiedene hydraulische Schübe wirksam sind, die eine nach abwärts gerichtete, vertikale Resultierende besitzen. Diese Resultierende bewirkt eine Verstellung des Kolbens 9 zum inneren Kolben 10.
Diese Bewegung hört auf, sobald die Verschlüsse der Spiele zwischen jedem Paar von Regelflächen 26a, 32a und 26b, 32b wieder gleich gross sind.
Man kann daher sagen, dass infolge des Spieles der Ventile 14 der Arbeitskammern, 20, des Spieles der Regelflächen 26 und der Verbindungsleitungen, der äussere Kolben 9 stets den Bewegungen des inneren Kolbens 10 folgt. Die Schnelligkeit der Verstellung hängt von den Abmessungen der Ventile 14, der Kammern 20, der Regelflächen 26 und dem Öldruck ab, der die Leitung 11 speist.
Nimmt man nunmehr an, dass der Elektromagnet 1 von einem elektrischen Strom durchflossen wird, der eine ganz bestimmte Grösse aufweist, und dass sein Richtungssinn solcher Art ist, dass der Kern 2 und die Massen 4a, 4b die Neigung haben, eine nach oben gerichtete vertikale Bewegung auszuführen, so hat diese Bewegung einerseits zur Folge, dass das Spiel 5a, sohin die Olabgabe durch das Ventil 13a hindurch verringert und demzufolge der Druck in der Leitung 6a, in den Leitungen 15a und 17a sowie in den Kammern 16a und 18a erhöht wird, und dass anderseits das Spiel 5b und demzufolge die Ölabgabe durchdas Ventil 13b hindurch vergrössert und folglich der Öldruck in der Bohrung 6b, den Leitungen 15b und 17b in denKammern 16b und 18b verringert wird.
Der vom Öldruck auf die Fläche 19a stammende Schub nimmt zu, während der gleiche Druck auf die Fläche 19b abnimmt. Das Gleichgewicht der hydraulischen Schübe ist gestört und es ergibt sich eine vertikale, nach abwärts gerichtete Resultierende. Der innere Kolben 10 wird daher nach abwärts bewegt, wodurch die Spannung der Feder 27b erhöht und jene der Feder 27a herabgesetzt wird. Diese Bewegung hört auf, sobald das Gleichgewicht aller auf den inneren Kolben 10 wirkenden vertikalen Kräfte wieder hergestellt ist, was dann stattfindet, wenn die Spannungserhöhung der Feder 27b im Verein mit der Spannungsverringerung der Feder 27a eine vertikale, nach oben gerichtete Kraft erzeugt, die genau die vertikale, nach abwärts gerichtete Kraft hydraulischer Art aufhebt, die auf die Flächen 19a und 19b wirkt.
Infolge der Federn 27a und 27b besteht für jede hydraulische Resultierende, die auf deninneren Kolben
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was zur Folge hat, dass das Volumen der Kammern 18a und 18b konstant verbleibt.
Hat sich die Fläche 19a z. B. um 10 mm gesenkt, so hat sich auch die Gegenfläche eben derselben Kammer ebenfalls um 10 mm gesenkt. Daraus folgt, dass das Volumen der Kammer 18a sich trotz der Verschiebung des inneren Kolbens 10 nicht geändert hat, da gleichzeitig eine gleiche Verschiebung des äusseren Kolbens stattgefunden hat.
Diese besondere Ausführung hat zur Folge, dass jede Ursache eines erheblichen Nachhinkens nach der Eintritts-und Austrittsgrösse unterdrückt ist, sohin die dynamischen Verzögerungen beträchtlich vermindert sind.
Es sind natürlich auch andere Ausführungsformen des hydraulischen Relais nach der Erfindung denkbar. In der obigen Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel gewählt worden, das eine Symmetrieebene für die mittleren Teile aufweist. Man könnte natürlich auch eine andere Anordnung wählen, wie sie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist, deren Wirkungsweise identisch die gleiche ist. Der Unterschied zwi schen den beiden Ausführungsformen besteht darin, dass bei dem zweiten Beispiel nur noch ein einziges Spiel für eine Regelfläche 26 und nur ein einziges Ventil 14 vorhanden sind, wobei überdies die Kammer 20a von der Kammer 20b (Fig. 2) verschieden ist. Ausser diesen Unterschieden umfasst das Relais nach dieser zweiten Ausführungsform dieselben Elemente wie dasjenige nach Fig. l, wobei gleiche Bauteile die gleichen Bezugsziffern tragen.
Es sei beispielsweise angenommen, dass der Querschnitt der Kammer 20a nach Fig. 2 halb so gross sein soll wie derjenige der Kammer 2 Ob. Um hier ein Gleichgewicht herzustellen, ist es erforderlich, dass der Druck in der Bohrung 20b halb so gross ist wie derjenige in der Bohrung 20a. Die Wirkungsweise dieses Relais ist dann die gleiche wie diejenige des vorhergehenden Relais.
Im übrigen besteht eine Abwandlung darin, dass an Stelle der elektrischen Grösse eine Eintrittsgrösse anderer Art gewählt werden kann. Man könnte z. B. ein mechanisches Element vorsehen, das auf die die Ausflüsse aus den Öffnungen 31 steuernden Organe 4a, 4b einwirkt und den Elektromagnet durch eine äussere, die Eingangsgrösse darstellende Kraft ersetzt.
In beiden Ausführungsformen sind der innere Kolben 10 und der äussere Kolben 9 koaxial zueinander.
Trotzdem wäre es auch möglich, diese beiden Kolben 9 und 10 exzentrisch zueinander anzuordnen.
Die elastischen Teile 27, die im gegenständlichen Fall von Federn gebildet werden, könnten auch aus andern Elementen bestehen, beispielsweise aus Polstern aus komprimiertem Gas oder aus elektroma- gnetischen Feldern, die auf einen Kern im entgegengesetzten Sinne wirken, der dann den Platz des Ringtellers 28 einnehmen müsste.
Alle diese Formen der elastischen Bauelemente könnten auch noch zusätzlich mit Mitteln zu ihrer Regelung ausgestattet sein, um entweder die Mittelstellung des Innenkolbens 10 zu verändern oder auch, um die erforderliche Kraft für die Verschiebung des Kolbens 10 in dem einen oder andern Sinne zu ändern.
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bei die Ausgangsgrösse durch die Lage des äusseren Kolbens (9) bestimmt ist, der hydraulisch durch den inneren Kolben (10) steuerbar ist, dessen Bewegungen ebenfalls hydraulisch durch die Eingangsgrösse geregelt werden, und dass Steuerkammern (18a, 18b) zwischen den inneren und äusseren Kolben (9, 10) ausgebildet und zur Gänze von letzteren eingeschlossen sind, wobei zwischen den beiden Kolben (9, 10) ein Paar von Regelflächen (26a, 26b) vorgesehen ist, so dass der äussere Kolben (9) den Bewegungen des inneren Kolbens (10) folgt, u. zw. unter weitgehender Konstanthaltung der Volumina der zwischen den beiden Kolben (9, 10) ausgesparten Steuerkam-
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