Drehzahlabhängiger pneumatischer Geber
Gegenstand des Hauptpatentes ist ein drehzahlab- hängiger pneumatischer Geber mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Rotationskörper, welcher nach Massgabe der Drehzahl den Übertritt der in dem mit dem Druckluftbehälter verbundenen Beladeraum des Gebers befindlichen Luft in den Entladeraum steuert, aus welchem diese ins Freielausströmt, wobei der im Beladeraum oder im Entladeraum sich einstellende Druck als Mass der Drehzahl genommen wird, der eine oder andere dieser beiden Räume also als Messgrössenraum dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper Sackbohrungen aufweist, die längs eines oder mehrerer Kreise angeordnet sind, und dass in einer im Gehäuse gelagerten, den Beladeraum von dem Entladeraum des Gebers trennenden Querwand je eine Verbindungsbohrung besitzende,
über die Querwand hinaus gehende Schleifkolben angeordnet sind ; welche gegen die Stirnfläche des Rotationskörpers dichtend anliegen, so dass bei der Drehbewegung des Rotationskörpers gegenüber den Schleifkolben die Sackbohrungen des Rotationskörpers abwechselnd über die Verbindungsbohrungen der Schleifkolben mit dem Beladeraum und hierauf mit dem Entladeraum in Verbindung kommen, wobei die Anzahl der Schleifkolben und der Sackbohrungen sowie ihre Lage zueinander so gewählt ist, dass stets einige Sackbohrungen mit den Schleifkolben und einige mit dem Entladeraum in Verbindung stehen, so dass ein möglichst gleichmässiger Übergang der Luft vom Beladeraum in den Entladeraum erfolgt.
Dieser Geber hat jedoch den Nachteil, dass er zu träge auf Drehzahl änderungen reagiert. Soll er beispielsweise als Teil einer Einrichtung zur Leistungsbegrenzung (Schleuderschutz, Gleitschutz) mit Achsen von Eisenbahnfahrzeugen verbunden werden, so muss eine trägheitslose Proportionalität zwischen Drehzahl und Messgrösse verlangt werden. Sie muss sogar bei sprunghaften Drehzahländerungen gewährleistet sein.
Für das Verständnis mehrerer zur Lösung führender Schritte ist eine Klarstellung gewisser Zusammenhänge zweckdienlich. Bei dem einen in der Einleitung definierten Druckgeber mit Druckanstieg der Messgrösse gelangen die Luftquanten des Mengengebers in einen Entladeraum und von hier durch eine Staudüse ins Freie.
Die Messgrösse entsteht im Entladeraum. Bei gleichbleibendem Staudüsenquerschnitt bewirkt ein kleiner Entladeraum bei einer Anderung der Drehzahl des Mengengebers eine schnellere Änderung der Messgrösse als ein grosser Entladeraum. Je kleiner der Entladeraum ist, umso augenblicklicher wird die Proportionalität zwischen Drehzahl und Messgrösse hergestellt. Zugleich ist aber der Entladeraum auch der Druckausgleichsraum (Pufferraum) für die mit Druckstössen vom Mengengeber eingespeisten Druckluftquanten. Hierdurch entsteht insbesondere bei niedrigen Drehzahlen die Gefahr, dass die Messgrösse pulsiert. Daraus folgt das Erfordernis, dass ständig und zugleich mehrere Luftquanten aus sich überschneidenden Einlassöffnungen in den Entladeraum eingespeist werden. Durch diese Phasenverschiebung entsteht gleichsam pulsierender Gleichstrom der eingespeisten Druckluft.
Wird der Entladeraum aus dem langeführten Grunde sehr klein bemessen und soll die Messgrösse zugleich auch kleine Drehzahlen proportional und pulsierungsfrei abbilden, so müssen die Zahl der Luftquanten gross, ihre Volumina dagegen klein gewählt werden. Ferner muss in diesem Falle auch eine ausreichende Zahl von sich überschneidenden Einlässen angeordnet werden.
Diese Überlegungen gelten zwar vornehmlich für den Bereich kleiner Drehzahlen. Es wäre jedoch kein sinnvoller Ausweg, den Druckgeber an ein schneller laufendes Triebwerksteil, z. B. von Eisenbahnfahrzeugen, anzuschliessen, denn bei hoher Fahrgeschwindigkeit würde der Druckgeber dann mit überhöhter Drehzahl umlaufen. Die Folge wären erhöhte Reibungswärme und rascherer Verschleiss. Ausserdem werden dann die Beladezeiten für die rotierenden Kammern so klein, dass infolge unvollkommener Beladung die Kennlinie der Messgrösse zu rasch einen zu flachen Verlauf nähme.
Im Drehzahlnutzungsberich soll sie hingegen ausreichend steil ansteigen, damit jedem Drehzahlanstieg ein genügend grosser Druckanstieg (dp) zugeordnet ist.
Für die Erfindung ist eine weitere Überlegung von Wichtigkeit. Wird nämlich ein sehr kleiner Entladeraum zur Erzielung einer trägheitslosen Messgrösse gewählt, so muss dessen Volumen auch konstant bleiben, denn mit jeder Volumenvergrösserung wächst die Trägheit (Hysterese). Bei den bekannten drehzahlabhängigen Druckgebern wird in der Regel aber an den die Messgrösse erzeugenden Raum eine Rohrleitung und an deren Ende ein Regelgerät oder dergleichen angeschlossen.
Durch deren zusätzliche Volumina wird ein neues unbestimmtes Gesamtvolumen erzeugt. Die Folge ist eine unbestimmte Erhöhung der Trägheit der Messgrösse.
Die Kennlinie eines durch Zusatzvolumina veränderten Gerätes wird bei Drehzahlsteigerung unterhalb, bei Drehzahlsenkung oberhalb der theoretischen Kennlinie verlaufen. Das ist ein erheblicher Nachteil.
Es ergibt sich mithin die Erfindungsaufgabe, einen drehzahlabhängigen Geber zu schaffen, dessen die Messgrösse erzeugender Raum ein möglichst kleines und unter allen Einbauverhältnissen konstant bleibendes Volumen aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Messgrössenraum die Steuerkammer eines Relaisventils bildet, derart, dass dadurch das Volumen des Messgrössenraumes konstant und in optimaler Weise begrenzbar ist.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt.
Fig. 1 ist ein Mittellängsschnitt.
Fig. 2 ein Querschnitt nach der Linie II-II eines Druckgebers mit Druckanstieg der Messgrösse.
Fig. 3 zeigt eine Kennlinie K dieses Druckgebers.
Fig. 4 stellt einen Mittellängsschnitt eines Druckgebers mit Druckabbau der Messgrösse dar.
Fig. 5 zeigt eine Kennlinie des Druckgebers gemäss Fig. 4.
Im Gehäuse 1 (Fig. 1) befindet sich ein zylindrischer Hohlraum 2, in den ein Zylinder 3 drehbar eingefügt ist, der mit Hohlräumen 4 und mit zur Stirnfläche offenen, im Kreise angeordneten Zufuhrlöchern 5 versehen ist.
Von Federn 6 belastete Schleifkolben 7 werden dichtend gegen den Zylinder 3 gedrückt. Die Schleifkolben enthalten eine Mittelbohrung 8, die über ringförmige Kanäle 9 sowie über die Bohrungen 10 und 11 mit der Steuerkammer 12 des Relaisventils 13 in Verbindung stehen. Die Steuerkammer 12 ist über eine Düse 14 entlüftet.
Ein unter konstantem Luftdruck stehender Vorratsbehälter 15 ist über die Bohrung 16 an den zylindrischen Hohlraum 2 angeschlossen, und über eine Abzweigbohrung 17 beaufschlagt seine Druckluft die Unterseite der Schleifkolben 7. Ferner steht die Vorratsluft in der Einlasskammer 18 des Relaisventils 13 an. Der vom Relaisventil in der Kammer 19 erzeugte Regeldruck beaufschlagt die Unterseite des Membrankolbens 20 sowie ein Regelgerät 21.
Wird der Zylinder 3 gedreht, so werden alle Kammern 4, deren Zuführungslöcher 5 nicht von den Schleifkolben 7 überdeckt sind, mit Behälterluft aus dem zylindrischen Hohlraum 2 gefüllt. Die mit den Bohrungen 8 der Schleifkolben zur Überdeckung gelangenden Öffnungen 5 lassen die Druckluft aus den Kammern 4 über die Kanäle 8, 9, 10 und 11 in die Steuerkammer 12 des Relaisventils 13 überströmen. Von hier entweicht sie aus der Düse 14 ins Freie. In proportionaler Abhängigkeit von der Drehzahl n des Zylinders 3 stellt sich in der Steuerkammer 12 ein Druck p ein. Diese Beziehung gibt die Kennlinie der Fig. 3 wieder. Unter dem Einfluss des Druckes p in der Steuerkammer 12 bewegt sich der Membrankolben 20 abwärts und öffnet das Einlassventil 22 des Relaisventils so lange, bis Druckgleichheit beiderseits des Membrankolbens vorhanden ist.
Dann beht das Doppelsitzventil 22, 23 in Abschlussstellung.
Zur Lösung der Erfindungsaufgabe trägt die Verbindung des Druckgebers mit einem Relaisventil entscheidend bei, denn hierdurch ist es möglich, das Volumen des die Messgrösse erzeugenden Raumes konstant zu halten. Dieser Raum wird ferner dadurch wesentlich verkleinert, dass der zylindrische Hohlraum 2 des Gehäuses nicht mehr zum Entladeraum gehört, sondern als Beladeraum vorgesehen ist. Der Entlade- oder Messgrössenraum beschränkt sich auf die Kanäle 8, 9, 10, 11 und die Steuerkammer 12. Infolge dieser Massnahmen folgt der Druck der Messgrösse trägheitslos jeder Drehzahl änderung und ihre Kennlinie bleibt bei allen Einbauverhältnissen stets die gleiche. Von der Messgrösse wird das angeschlossene Relaisventil 13 unmittelbar gesteuert. Es enthält ein druckentlastetes Ein und Auslassventilteil 22 mit grossen Durchfluss querschnitten.
Diese Eigenschaften verleihen dem Relaisventil die Fähigkeit, erstens den Steuerimpulsen in seiner Steuerkammer 12 ebenfalls trägheitslos zu folgen und zweitens die Räume 19 bis 21 augenblicklich mit dem eingespeisten Druck zu belüften bzw. zu entlüften. Auf diese Weise ist die der Kombination Druckgeber-Relaisven tll anhaftende Hysterese praktisch gleich Null.
Soll gemäss Fig. 4 und 5 mit dem Gegenstand der Erfindung eine druckabbauende Messgrösse in der Steuerkammer 1 2a erzeugt werden, so ist sie über eine Düse 14a und die Bohrung 1 6a an den Vorratsluftbehälter konstanten Druckes 15a anzuschliessen. Aus der Steuerkammer 1 2a entweicht die Luft über die Kanäle lla, 10a, 9a, 8a in die umlaufenden Kammern 4a. Sind die Zufuhrlöcher 5a bei der Drehung des Zylinders 3a nicht von den Schleifkolben 7a überdeckt, so strömt die Druckluft aus den Kammern 4a in den zylindrischen Hohlraum 2a und von hier aus der grossen Öffnung 25 ins Freie. Der in der Steuerkammer 12a entstehende Steuerdruck (Messgrösse p) verläuft in Abhängigkeit von der Drehzahl n nach der Kennlinie der Fig. 5.
Auch bei dieser Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist der Raum, in dem die Messgrösse entsteht, der gleiche.
Sein Volumen ist auf ein Minimum beschränkt, und es bleibt konstant. Die Arbeitsweise des Relaisventils 1 3a ist die gleiche wie die des Relaisventils 13 in Fig. 1.
Ausser dem bereits geschilderten Fortschritt der hysteresefreien Funktion ergibt sich ein weiterer. Sollen die Kennlinien der Messgrössen beider Ausführungen aus einem beliebigen Grunde einen flacheren Verlauf erhalten, so können zu diesem Zweck ein oder mehrere Schleifkolben 7 bzw. 7a entfernt und durch Blindstopfen ersetzt werden. Dadurch werden der Druckaufbau bzw. der Druckabbau der Messgrösse in Abhängigkeit von der Drehzahl verlangsamt.
Speed-dependent pneumatic encoder
The subject of the main patent is a speed-dependent pneumatic encoder with a rotating body rotatably mounted in a housing, which, depending on the speed, controls the passage of the air in the loading area of the encoder connected to the compressed air tank into the unloading area, from which it flows out into the open, whereby the pressure that is established in the loading space or in the unloading space is taken as a measure of the speed, one or the other of these two spaces thus serves as a measurement variable space, characterized in that the rotary body has blind bores which are arranged along one or more circles, and that in one Transverse wall mounted in the housing and separating the loading area from the unloading area of the encoder, each with a connecting hole,
Abrasive pistons extending beyond the transverse wall are arranged; which lie against the end face of the rotating body in a sealing manner, so that during the rotary movement of the rotating body with respect to the grinding piston, the blind bores of the rotating body alternately come into connection via the connecting bores of the grinding piston with the loading space and then with the unloading space, the number of grinding pistons and the blind bores as well their position to each other is chosen so that some blind bores are always connected to the grinding pistons and some to the unloading space, so that the transition of the air from the loading space to the unloading space is as smooth as possible.
However, this encoder has the disadvantage that it reacts too slowly to changes in speed. For example, if it is to be connected to the axles of railway vehicles as part of a device for power limitation (anti-skid protection, anti-skid protection), an inertia-free proportionality between speed and measured variable must be required. It has to be guaranteed even with sudden changes in speed.
In order to understand several steps leading to a solution, it is useful to clarify certain relationships. In the case of one of the pressure transducers defined in the introduction with an increase in the pressure of the measured variable, the air quanta of the quantity transducer reach an unloading space and from there through a nozzle into the open.
The measured variable is created in the unloading area. With a constant flow nozzle cross-section, a small discharge space causes a faster change in the measured variable when the speed of the quantity transmitter changes than a large discharge space. The smaller the unloading space, the more instantly the proportionality between the speed and the measured variable is established. At the same time, however, the discharge space is also the pressure equalization space (buffer space) for the compressed air quanta fed in with pressure surges from the quantity transmitter. This creates the risk of the measured variable pulsing, particularly at low speeds. This results in the requirement that several air quanta are continuously and simultaneously fed into the discharge space from overlapping inlet openings. This phase shift creates, as it were, a pulsating direct current of the compressed air fed in.
If the unloading space is dimensioned very small for the long-term reason and if the measured variable is also to map small rotational speeds proportionally and without pulsation, then the number of air quanta must be large and their volumes small. Furthermore, a sufficient number of overlapping inlets must also be arranged in this case.
These considerations apply primarily to the low speed range. However, it would not make sense to connect the pressure transducer to a faster running engine part, e.g. B. of railway vehicles to connect, because at high speed, the pressure transducer would then rotate at excessive speed. The result would be increased frictional heat and faster wear. In addition, the loading times for the rotating chambers are then so short that, as a result of imperfect loading, the characteristic curve of the measured variable would become too flat too quickly.
In the speed utilization range, however, it should rise sufficiently steeply so that a sufficiently large pressure increase (dp) is assigned to each speed increase.
Another consideration is important to the invention. If a very small unloading space is chosen to achieve an inertia-free measured variable, its volume must also remain constant, because the inertia (hysteresis) increases with each increase in volume. In the case of the known speed-dependent pressure transducers, however, a pipeline is usually connected to the space generating the measured variable and a control device or the like is connected to the end thereof.
A new, indeterminate total volume is generated by their additional volumes. The result is an indefinite increase in the inertia of the measured variable.
The characteristic curve of a device modified by additional volumes will run below the theoretical characteristic curve when the speed is increased and above the theoretical characteristic when the speed is reduced. That is a major disadvantage.
The object of the invention is therefore to create a speed-dependent encoder whose space generating the measured variable has a volume that is as small as possible and that remains constant under all installation conditions.
According to the invention, this object is achieved in that the measured variable space forms the control chamber of a relay valve in such a way that the volume of the measured variable space can thereby be limited in a constant and optimal manner.
In the drawing, two exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown schematically.
Fig. 1 is a central longitudinal section.
2 shows a cross section along the line II-II of a pressure transducer with an increase in pressure of the measured variable.
Fig. 3 shows a characteristic curve K of this pressure transducer.
Fig. 4 shows a central longitudinal section of a pressure transducer with pressure reduction of the measured variable.
FIG. 5 shows a characteristic curve of the pressure transmitter according to FIG. 4.
In the housing 1 (FIG. 1) there is a cylindrical cavity 2, into which a cylinder 3 is rotatably inserted, which cylinder 3 is provided with cavities 4 and with feed holes 5 arranged in circles and open to the end face.
Grinding pistons 7 loaded by springs 6 are pressed against cylinder 3 in a sealing manner. The grinding pistons contain a central bore 8 which is connected to the control chamber 12 of the relay valve 13 via annular channels 9 and via the bores 10 and 11. The control chamber 12 is vented via a nozzle 14.
A supply container 15 under constant air pressure is connected to the cylindrical cavity 2 via the bore 16, and its compressed air acts on the underside of the grinding piston 7 via a branch bore 17. Furthermore, the supply air is available in the inlet chamber 18 of the relay valve 13. The control pressure generated by the relay valve in the chamber 19 acts on the underside of the diaphragm piston 20 and a control device 21.
If the cylinder 3 is rotated, all of the chambers 4 whose feed holes 5 are not covered by the grinding pistons 7 are filled with container air from the cylindrical cavity 2. The openings 5 which overlap with the bores 8 of the grinding pistons allow the compressed air to flow from the chambers 4 via the channels 8, 9, 10 and 11 into the control chamber 12 of the relay valve 13. From here it escapes from the nozzle 14 into the open. A pressure p is established in the control chamber 12 in proportion to the speed n of the cylinder 3. This relationship is the characteristic of FIG. 3 again. Under the influence of the pressure p in the control chamber 12, the diaphragm piston 20 moves downwards and opens the inlet valve 22 of the relay valve until the pressure on both sides of the diaphragm piston is equal.
Then the double seat valve 22, 23 is in the final position.
The connection of the pressure transducer with a relay valve makes a decisive contribution to the solution of the object of the invention, because this makes it possible to keep the volume of the space generating the measured variable constant. This space is also significantly reduced in that the cylindrical cavity 2 of the housing no longer belongs to the unloading space, but is provided as a loading space. The discharge or measured variable space is limited to channels 8, 9, 10, 11 and the control chamber 12. As a result of these measures, the pressure of the measured variable follows any speed change without inertia and its characteristic curve always remains the same regardless of the installation conditions. The connected relay valve 13 is controlled directly by the measured variable. It contains a pressure-relieved inlet and outlet valve part 22 with large flow cross-sections.
These properties give the relay valve the ability, firstly, to follow the control pulses in its control chamber 12 without inertia and, secondly, to ventilate or ventilate the spaces 19 to 21 instantly with the pressure fed in. In this way, the hysteresis adhering to the combination of pressure transmitter and relay valve is practically zero.
If, according to FIGS. 4 and 5, a pressure-reducing measured variable is to be generated in the control chamber 1 2a with the object of the invention, it is to be connected to the supply air container of constant pressure 15a via a nozzle 14a and the bore 16a. The air escapes from the control chamber 1 2a through the channels 11a, 10a, 9a, 8a into the circumferential chambers 4a. If the feed holes 5a are not covered by the grinding piston 7a when the cylinder 3a is rotated, the compressed air flows from the chambers 4a into the cylindrical cavity 2a and from here through the large opening 25 into the open. The control pressure (measured variable p) arising in the control chamber 12a runs as a function of the speed n according to the characteristic curve in FIG. 5.
In this embodiment of the subject matter of the invention, too, the space in which the measured variable arises is the same.
Its volume is kept to a minimum and it remains constant. The operation of the relay valve 1 3a is the same as that of the relay valve 13 in FIG. 1.
In addition to the already described progress of the hysteresis-free function, there is another one. If, for any reason, the characteristic curves of the measured variables of both versions are to have a flatter profile, one or more grinding pistons 7 or 7a can be removed for this purpose and replaced by blind plugs. As a result, the pressure build-up or the pressure decrease of the measured variable are slowed down depending on the speed.