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Die Erfindung bezieht sich auf einen Servomotor mit Nachfolgesteuerung mit einem einen Kolben aufweisenden hydraulischen oder pneumatischen Arbeitszylinder, dessen Zylinderräume auf der einen Seite des
Kolbens dauernd an eine unter Druck stehende Zuflussleitung angeschlossen ist, wobei ein oder mehrere im
Kolben bzw. in der Kolbenstange angeordnete, die Zylinderräume beiderseits des Kolbens miteinander verbindende Kanäle sowie ein in der Richtung der Zylinderachse hin- und herbeweglicher Regelschieber vorgesehen ist, mit dem der Zuflussquerschnitt des oder der Verbindungskanäle veränderbar ist.
Die bekannten Servomotoren dieser Art weisen daher einen Zylinderraum auf, der durch den Regelschieber über die Kanäle im Kolben bzw. in der Kolbenstange entweder mit dem Zylinderraum, der an die Druckleitung angeschlossen ist oder mit dem Abfluss verbunden ist. Den Abfluss bildet hiebei die hohle Kolbenstange, was die Anwendbarkeit der bekannten Geräte beeinträchtigt. Für die Ableitung des austretenden Arbeitsmediums müssen meist gesonderte Vorkehrungen getroffen werden, wenn das Gerät nicht über einen Ölsumpf od. dgl. angeordnet werden kann. Diese Ableitung des Arbeitsmediums ist besonders dann schwierig, wenn die Kolbenstange in einem Raum, der unter Druck steht, endigt. Hier treten Dichtungsprobleme auf.
Die Erfindung bezweckt diesen Nachteil zu beseitigen und darüber hinaus die Schaffung eines Servomotors als in sich geschlossene Einheit, die zwei ruhende Anschlüsse für die Zu- und Abführung des Arbeitsmediums und zwei Anschlüsse zur Betätigung des Regelschiebers und für die Ableitung der Arbeitsbewegung aufweist. Solche Einheiten können auch eng benachbart ohne Schwierigkeiten angeordnet werden.
In Ausgestaltung der Erfindung kann der Regelschieber dazu benutzt werden, die Bewegung des Arbeitskolbens bis zu einer gewünschten Endstellung einzustellen, so dass es möglich ist, das Regelgerät als Antriebsgerät für eine hin- und hergehende Bewegung begrenzter Länge zu verwenden. Erfindungsgemäss kann dies dadurch erreicht werden, dass der oder die im Kolben bzw. in der Kolbenstange angeordneten Kanäle ausschliesslich die beiden Zylinderräume miteinander verbinden, der zweite Zylinderraum auf der andern Kolbenseite dauernd an eine Abflussleitung für das Arbeitsmedium angeschlossen ist und der Kolben unter der Wirkung einer Rückstellkraft steht, die ihn in eine Richtung zu verschieben sucht, bei der der zweite Zylinderraum eine Vergrösserung erfährt.
In den Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Regelgerät einfachster Art, Fig. 2 ein abgeändertes Gerät ebenfalls im schematischen Schnitt, Fig. 3 eine Ausführung des erfindungsgemässen Gerätes mit druckentlastetem Regelschieber im schematischen Längsschnitt, Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein ausgeführtes Gerät und Fig. 5 ein Regelgerät als Antriebsvorrichtung im Längsschnitt.
Im Arbeitszylinder --1-- ist ein Kolben --2-- vorgesehen, dessen Kolbenstange --3-- nach aussen geführt und mit einer Bohrung--4--zur Abnahme der Regelbewegung vorgesehen ist. Der vor dem Kolben befindliche Zylinderraum--5--ist mit der Zuflussleitung--6--und der auf der andern Kolbenseite befindliche Zylinderraum--7--mit der Abflussleitung --8-- eines unter Druck zugeführten Arbeitsmediums verbunden.
Der Kolben weist einen Kanal--9--auf, der an seinem vorderen Ende zu einer Drosselöffnung - 10-- erweitert ist. Vom Kanal--9--gehen radiale Bohrungen--11--aus, die im Zylinderraum --7-- münden. Der Kolben steht unter der Wirkung einer im Zylinderraum --7-- angeordneten Druckfeder --12--.
Gleichachsig zum Zylinder--l--ist der Kolbenstange --3-- gegenüberliegend ein Regelschieber --13-- axial verschiebbar vorgesehen, der seine Stellbewegung von einer nicht dargestellten Einrichtung erhält, die bei--14--am Regelschieber angeschlossen ist.
Das Arbeitsmedium durchfliesst ständig den Zylinder Wird der Regelschicber --13-- auf den Kolben zu bewegt, so verringert sich der Durchflussquerschnitt für das Arbeitsmedium in der Drosselführung --10--, so dass im Zylinderraum--5--ein Druck aufgebaut wird, der eine Verschiebung des Kolbens --2-- entgegen der Kraft der Feder--12--zur Folge hat. Diese Verstellung des Kolbens geht so lange vor
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Drosselöffhung--10--eineFeder--12--die Waage hält.
Dieser Durchflussquerschnitt hängt auch noch von der am Kolben--3-- angreifenden Verstellkraft ab.
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--10-- und--13-- schon eine starke Änderung des Durchflussquerschnittes und damit eine entsprechend starke Änderung des Druckes im Zylinderraum--5--, so dass auch stark unterschiedliche oder schwankende, an der Kollbenstange --3-- eingreifende Stellkräfte nur eine ganz geringfügige Lageänderung des Kolbens--2-bewirken können.
Wird der Regelschieber--13--vom Kolben--2--entfernt, so sinkt der im Zylinderraum --5-- aufgebaute Druck und der Kolben folgt dem Regelschieber unter der Wirkung der Kraft der Feder --12-- nach.
Wie in Fig. 2 dargestellt, kann die Verbindung zwischen den beiden Zylinderräumen--5 und 7--mittels
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beschriebenen Weise.
Es ist zweckmässig, den Regelschieber mit einem Druckausgleich auszustatten, um seine Verstellkräfte gering zu halten. Eine solche Ausführungsform ist schematisch in Fig. 3 gezeigt. Der Zylinder-l--wird von einer durchgehenden Kolbenstange --3-- durchsetzt, auf der der Kolben --2-- sitzt, welcher wieder unter der Wirkung einer Druckfeder --12-- steht. Die Kolbenstange --3-- ist hohl ausgebildet und weist beiderseits des Kolbens --2-- radiale Öffnungen --17,18-- auf, so dass die Zylinderräume--5 und 7-dadurch miteinander verbunden sind. Zwischen den Öffnungen-17, 18--ist ein Drosseleinsatz-19vorgesehen, der mit der Kolbenstange --3-- fest verbunden ist.
In dieser Kolbenstange ist ferner der Regelschieber --20-- entgegen der Kraft einer Druckfeder - axial verschiebbar eingesetzt. Er weist einen Steuerkolben--22-und einen Ausgleichskolben --23-- auf, die miteinander fest verbunden sind. Der Durchmesser des Steuerkolbens --23-- entspricht der Bohrung der hohlen Kolbenstange--3--, so dass der Regelschieber --20-- durckentlastet ist.
Das durch die Leitung --6-- dauernd zuströmende Medium durchströmt die Öffnungen-17--, den Drosseleinsatz-19-, die Öffnungen --18-- und verlässt den Zylinderraum --7-- durch die Abflussleitung--8--. Zwischen den beiden Leitungen ist ein Sicherheitsventil --24-- vorgesehen. Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist gleich der in Fig. l gezeigten Vorrichtung, wobei jedoch zum Verstellen des
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--25-- abhängige--5-- oder wenn eine einseitige Kolbenstange nur auf der Seite des Zylinderraumes--5--vorgesehen ist. Um eine genügend hohen Druck im Zylinderraum --7-- zu sichern, ist es erforderlich, in die Abflussleitung --8-- ein Drosselventil einzubauen.
Die Rückstellkraft kann jedoch auch durch beide Massnahmen bewirkt werden. In Fig. 4 ist ein ausgeführtes
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--7 -- herrschenden- ist die Druckfeder --21-- vorgeschen. Ferner sind zwischen dem Zylinder-l-und einem am Regelschieber --28-- befestigten Teller --34-- die Druckfeder --25-- und im Zylinderraum --7-- die Druckfeder --12-- angeordnet. Beim gezeigten Beispiel sind die Ventilteller des Sicherheitsventils-24und des Drosselventils --32-- durch eine gemeinsame Druckfeder --35-- belastet.
Die Wirkungsweise ist analog der vorstehend beschriebenen.
Das Stellgerät kann ausser der Funktion des vorgesteuerten Proportionalreglers auch andere Regelfunktionen übernehmen. Diese kann man durch geringfügige Änderungen an Steuerkolben--22--und Drossel--19, 20, 27--in Verbindung mit verschiedenen Federn-12, 21, 25--auf einfache Weise verwirklichen, wobei der Druckunterschied zwischen den beiden Seiten des Kolbens--2--durch Reibungsoder Verwirbelungsverluste des strömenden Druckmittels, die als notwendige Leistung für die Regelung anzusehen sind, bewirkt wird.
Wird beispielsweise das Spiel zwischen zylindrischem Steuerkolben und zylindrischem Drosseleinsatz--19--so vergrössert, dass bei Einschieben des Steuerkolbens ein Ringspalt von konstantem Querschnitt entsteht, so entsteht durch Reibung im Spalt ein Druckunterschied, der in erster Näherung linear zur Durchflussmenge und Länge des Ringspaltes verläuft, allerdings auch abhängig ist von der momentanen Viskosität des Druckmittels.
Soll der Viskositätseinfluss ausgeschaltet werden, so ist der Drosseleinsatz--19--als Blende auszubilden und der Druckunterschied durch die Verwirbelung der im Drosselspalt sich aufbauenden höheren Strömungsgeschwindigkeit auszunutzen, wobei jedoch der Druckunterschied nicht mehr linear, sondern quadratisch mit der Durchflussmenge ansteigt und die Veränderlichkeit der Spaltlänge durch veränderlichen Querschnitt des Steuerkolbens--22--zu ersetzen ist. In
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Steuerwertes mehr gewünscht wird.
Die Anwendung des Stellgerätes als Drehzahlregler bei Brennungskraftmaschinen erscheint sehr erfolgversprechend. Dienen diese als Antriebsaggregat für einen stufenlosen Fahrantrieb mit hydrostatischer
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Verstellpumpe und Hydrostatikmotor im geschlossenen Kreislauf, so entspricht die Motordrehzahl des Verbrennungsmotors auch der Fördermenge der Füllpumpe des geschlossenen (Hochdruck)-Kreislaufs. Wird das Stellgerät derart in den Füllpumpenkreislauf geschaltet, dass bei Stillstand das Stellgerät den Regler (Vergaser, Einspritzpumpe, Gasmischventil) auf Vollgas hält, so wird bei steigender Drehzahl, entsprechend der Füllkreisfördermenge, stetig abgeregelt, bis bei Schiebebetrieb (Talfahrt) der Motor vollkommen abgedrosselt ist.
Für Verbrennungsmotore in andern Einsatzfällen kann derselbe Effekt auch bei Schaltung des Stellgerätes in den Schmierölkreislauf erreicht werden, wobei durch Überlagerung von Reibungsdrosselung und Geschwindigkeitsdrosselung auch eine Schonung des Motors bei kaltem Öl durch grösseren Drosselwert erzielt wird. Aber auch zur Steuerung des oben beschriebenen Hydrostatikfahrantriebes od. ähnl. Antrieben eignet sich das Stellgerät in gleichem Aufbau mit der äusseren Änderung, dass bei grösserem Füllkreisförderstrom, entsprechend der höheren Motordrehzahl, das Fördervolumen der Hauptpumpe hochgeregelt wird.
Durch geeignete Wahl von Drosselungsverlauf in Form eines Steuerkolbens mit entsprechendem Querschnittsverlauf und Federkonstante der Feder--12- (eventuell mit Vorspannung) wird in all diesen Einsatzfällen des Gerätes als selbsttätiger Regler eine beinahe beliebige Regelcharakteristik bei hoher Regelgenauigkeit erreicht.
Die hier aufgezeigten Anwendungen deuten die verbreite Einsatzmöglichkeit des Erfindungsgegenstandes an, die durch die höchst einfache Serienfertigungsmöglichkeit - besonders bei Normierung von Durchmesser-und Hubgrössen-noch gefördert werden kann. Besonders einfach wird die Herstellung in all jenen Fällen, die den Verzicht auf ein endliches Verstärkerverhältnis erlauben, da dann die Drosselbohrung gleich dem Innendurchmesser der Kolbenstange und des Ausgleichskolbens gemacht und einfach durch die Öberlaufbohrungen --17-- auf der Druckseite ersetzt werden kann, was gleichzeitig bedeutet, dass der als Steuerkolben --22-- bezeichnete Teil des Regelschiebers-20-in diesen übergeht-die Kolbenstange wird zum einfachen Rohr, der Regelschieber zum einfachen Drehteil.
Zusätzlich können Kolben--2--und die Zylinderdeckel aus gleichen oder ähnlichen Teilen bestehen, wie dies aus Fig. 4 hervorgeht.
Ist der Regelschieber völlig entlastet, so kann er Schaltfunktionen übernehmen, indem er während der Hubbewegung des Kolbens --2- relativ zu diesem unbeweglich bleibt und an den Hubenden relativ verschoben wird, so dass in der einen Hubrichtung der Verbindungskanal geschlossen und in der andern Hubrichtung offen ist. In einem solchen Fall kann das erfindungsgemässe Gerät als Antrieb für eine hin- und hergehende Bewegung benutzt werden, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.
Die hohle Kolenstange --36-- ist mittels einer Konsole--37--festgehalten. Sie trägt den Kolben--2--und weist beiderseits des Kolbens die Radialbohrungen--17 und 18--auf. In ihr ist der Regelschieber --38-- angeordnet, der nahe seinem
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--55-- trägt.--40-- geführt, die gleichzeitig den Ringraum in den Raum--39--und in den Raum --43-- unterteilt.
Der Regelschieber --38-- ist hohl ausgebildet und weist einen Längskanal --41-- auf, der mittels einer radialen Bohrung --42-- mit dem linken Ringraum --43- in Verbindung steht, der an die Abflussleitung --8-- angeschlossen ist. Die Zuflussleitung--6--mündet im Ringraum--39--.
Am vorderen Ende weist der Regelschieber --38-- einen Ausgleichskolben --44-- auf, in dessen Innerem das Drosselventil --45-- untergebracht ist. Dieses steht mittels der Radialbohrungen --46-- und dem Ringraum --47-- über die Bohrungen-17 und 18-mit den Zylinderräumen --5,7-- in Verbindung.
Die hohle Kolbenstange --36-- ist vorne mittels einer Kappe --48-- abgeschlossen. In dem von der Kappe--48--und dem ausgleichskolben --44-- gebildeten Raum ist die Feder--21--angeordnet. Der hin- und hergehende Zylinder--l--ist mit einem Arm-49--versehen, der mit Anschlägen--50, 51--
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--53-- mit dem Regelschieber --38-- fest verbunden.
In der gezeichneten Stellung der Teile zueinander fliesst das Arbeitsmedium von der Zuflussleitung--6--, dem Ringraum--39--durch die Öffnungen--17--in den Zylinderraum--5--. Da die Öffnungen --17-- in der Längsrichtung des Arbeitszylinders grösser sind als die Steuerscheibe--55--, strömt ein Teil des Druckmediums in den Ringraum --47- und von dort über die radialen Öffnungen--18--in den Zylinderraum-7--. Es herrscht in allen diesen Räumen im wesentlichen gleicher Druck. Entsprechend dem Querschnitt der Kolbenstange--36--überwiegt die auf den Zylinderdeckel--54--wirkende Kraft, so dass der Zylinder--l--sich nach rechts bewegt.
Sobald sein Arm--49--auf den Anschlag--51--trifft, nimmt er die Stange--52--und über den Arm--53--den Regelschieber--38--nach rechts mit. Dieser verschiebt sich daher gegenüber der stillstehenden Kolbenstange --36-- und trennt mit seiner Steuerscheibe - -55-- den Ringraum --47-- vom Zylinderraum --5--. Der sich im Zylinderraum--5--aufbauende Druck reicht hin, das im Zylinderraum--7--befindliche Druckmedium über die Öffnungen--18--, den Ringraum--47-, die Bohrungen --46-- durch das Drosselventil--45-- in den Kanal--41-und von diesem durch die Bohrung--42--in die Abströmleitung --8-- fiessen zu lassen.
Sobald der Arm --49-des zylinders --1-- den Anschlag --50-- nach links mitnimmt, wird der Regelschieber --38-- und die Steuerscheibe--55--wieder in die gezeichnete Lage verschoben, wodurch ein neues Arbeitsspiel beginnt.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Vor allem ist es möglich, die erfindungsgemässen Geräte hintereinander zu schalten und so eine entsprechende Verstärkung der Regelkräfte zu erreichen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Servomotor mit Nachfolgesteuerung, mit einem einen Kolben aufweisenden hydraulischen oder pneumatischen Arbeitszylinder, dessen Zylinderräume auf der einen Seite des Kolbens dauernd an eine unter Druck stehende Zuflussleitung angeschlossen ist, wobei ein oder mehrere im Kolben bzw.
in der Kolbenstange angeordnete, die Zylinderräume beiderseits des Kolbens miteinander verbindende Kanäle sowie ein in der Richtung der Zylinderachse hin- und herbeweglicher Regelschieber vorgesehen sind, mit dem der
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der oder die im Kolben (2) oder in der Kolbenstange (3) angeordneten Kanäle (9,15, 26,47) ausschliesslich die beiden Zylinderräume (5,7) miteinander verbinden, der zweite Zylinderraum (7) auf der andern Kolbenseite dauernd an eine Abflussleitung (8) für das Arbeitsmedium angeschlossen ist und der Kolben unter der Wirkung einer Rückstellkraft steht, die ihn in eine Richtung zu verschieben sucht, bei der der zweite Zylinderraum eine Vergrösserung erfährt.
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